PROYECTO FINAL- CIMENTACIONES PROFUNDAS

PRESENTADO POR: ALEJANDRA LPEZ RAMREZ IVAN ADOLFO RESTREPO WILLIAM ALBEIRO RIVERA

PRESENTADO A: EIMAR SANDOVAL

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERA CIVIL Y GEOMTICA SEMINARIO DE SUELOS SANTIAGO DE CALI 2012

Nomenclatura utilizada ' Peso unitario suelo Resistencia al corte no drenada Coeficiente beta=

ngulo de friccin entre el suelo y el material de fundacin N Nmero de golpes 'v Esfuerzo vertical efectivo

Qs Resistencia por fuste

p Esfuerzo por punta

Qp Capacidad de punta

Qt Capacidad de carga

s Esfuerzo por fuste

F.S Factor de seguridad Fu Carga aplicada al suelo Z Profundidad

Resumen

El presente informe presenta un reporte del estudio y anlisis realizados a dos alternativas de cimentaciones para dos proyectos de construccin que se adelantarn en dos tipos distintos de suelos. El primer proyecto consiste en un puente atirantado con una luz central de 100 m, cuya pila central transmite al suelo cargas mximas de 10000 kN. El segundo proyecto se trata de un edificio de 10 pisos que transmite sobre el suelo cargas mximas por columna de 2000 kN. El estudio tiene como objetivo principal elegir la mejor alternativa de cimentacin que brinde beneficio tcnico y econmico. Para la eleccin de esta alternativa, se analizaron la capacidad ltima, las cargas admisibles, la profundidad, la longitud y el nmero de los elementos de cimentacin. Estos parmetros junto a los costos de cada alternativa, fueron los criterios que se utilizaron para la eleccin. As

mismo se calcul la magnitud de los asentamientos una vez se eligi la fundacin apropiada para los requerimientos de la obra. Introduccin Dos opciones de fundacin profunda fueron los evaluados y analizados para la eleccin de la cimentacin de ambos proyectos, barrenados. pilotes hincados y fustes

Los pilotes hincados son pre-fabricados y por lo general estn

hechos de acero, concreto, madera o una combinacin de ambos. Se instalan con un martillo que aplica golpes sucesivos en la cabeza del pilote hacindolo penetrar en el suelo. Los fustes barrenados se construyen excavando un agujero vertical

de una predeterminada profundidad, luego se coloca el acero de refuerzo y se vierte el concreto en el agujero. Debido a las diferencias en su mtodo de

instalacin, ambas cimentaciones cuentan con consideraciones especiales de diseo. 1. Especificaciones para la construccin de las cimentaciones La estratigrafa del suelo es la siguiente:

SUELO GRANULAR- ARENAS DEPTHft 0 Estrato 1 - N= 2 '= 115 pcf 10 Estrato 2 - N= 9 '= 52,6 pcf 20 Estrato 3 -N=30 '= 57,6 pcf 35 Estrato 4 -N=32 '= 57,6 pcf 50 Estrato 5 -N=40 '= 59 pcf 70 N.F

SUELO COHESIVO DEPTHft 0 Estrato 1 N.F Su= 0,25 tsf 20 10

Estrato 2

55 Estrato 3 Su=1,3 tsf ROCA 70

Figura 1. Estratigrafa de los suelos

Siendo el suelo granular el lugar donde se construir las cimentaciones para la pila central del puente y el suelo cohesivo donde se realizar el edificio de 10 pisos. Cargas transmitidas al suelo: Carga mxima que transmite la pila central del puente: 10000 kN Carga mxima por columna del edificio de 10 pisos: 2000 kN

y y

Las alternativas de cimentacin para cada proyecto constructivo que se evaluarn en este informe son: Fustes barrenados Pilotes hincados

y y

Costos: y y Cada ml de pilote hincado tiene un costo de $100.000. Cada m de fuste barrenado tiene un valor de $250000 ms $500000 por cada ml de excavacin. Dimensiones de los elementos de cimentacin: y y Fustes barrenados: 4 ft de dimetro con profundidad mxima de 50 ft. Pilotes hincados: 1 ft de dimetro con profundidad mxima de 50 ft.

2. Metodologa Mtodos de anlisis para el diseo de las cimentaciones Para la seleccin de la alternativa de cimentacin de ambos proyectos constructivos, se utiliz los criterios de anlisis de 4 mtodos usados en el diseo de fundaciones para la prediccin de la carga ltima de cimentaciones profundas, lo cual es el primer paso para obtener un diseo ptimo. La eleccin del mtodo para cada alternativa se hace considerando el tipo del suelo (suelo granular o cohesivo) y el tipo de cimentacin a evaluar, adems de otros parmetros. Los

mtodos coinciden en que la capacidad de carga se obtiene sumando la resistencia por la punta y por la friccin lateral. A continuacin se presentan los

mtodos usados para cada proyecto y para cada alternativa:

2.1 PROBLEMA1: PILA CENTRAL DE PUENTE ATIRANTADO (SUELO GRANULAR) Alternativa 1: Pilotes hincados

Para calcular la capacidad de los pilotes sobre suelos granulares utilizamos el mtodo de Meyerhoff. Este mtodo se aplica en anlisis de cimentaciones para

suelos no cohesivos y se basa en la prueba de SPT. Toma en consideracin el valor de N de la prueba de penetracin estndar, el esfuerzo vertical efectivo y el rea de la fundacin.

Esfuerzo por fuste Penetracin estndar sin corregir

El esfuerzo por punta se calcula con la siguiente ecuacin:

Esfuerzo por punta Penetracin estndar corregida Profundidad del pilote Diametro del pilote Para Arenas

Para corregir los valores de N (# de golpes) de la prueba SPT se utiliza la siguiente expresin: Correccion para confinamiento (tsf) Esfuerzo vertical efectivo (en tsf)

La capacidad de fuste y la capacidad de punta se estiman con la siguiente expresin:

La capacidad ltima se calcula con la siguiente expresin:

-

Alternativa 2: Fustes barrenados

Para utilizar fustes barrenados en suelos granulares se debe tener en cuenta el coeficiente beta ( ) en su diseo, por lo tanto, se utiliza el mtodo Beta para suelos cohesivos y no cohesivos. Adems de considerar el tipo de fundacin y suelo, el mtodo considera la friccin entre el suelo y la fundacin y la presin lateral del suelo. El mtodo se basa en los esfuerzos efectivos en la falla.

La capacidad por punta y por fuste se calcula con las siguientes expresiones:

2.2 PROBLEMA 2: EDIFICIO DE 10 PISOS (SUELO COHESIVO) Alternativa 1: Pilotes hincados

Para el estudio de esta alternativa, se utiliz el mtodo alfa considerando que la cimentacin para este proyecto se realizara en un suelo cohesivo. se basa en esfuerzos totales, utilizando el obtiene de tablas. Este mtodo

para estimar la adhesin, el cual se

El mtodo considera las dimensiones de la fundacin, el

mtodo de instalacin y el rea de la fundacin.

Para la estimacin de la

capacidad ltima se usa la resistencia al corte no drenada del suelo, dato proporcionado en la estratigrafa del suelo cohesivo donde se construir el edificio. La capacidad de fuste y punta se estiman con las siguientes expresiones:

= capacidad de fuste. = coeficiente de adhesin. = resistencia al corte no drenada. = rea de fuste. = capacidad de punta. = rea de punta. Los esfuerzos por fuste y punta se calculan con las siguientes expresiones:

2.3 Factor de seguridad y capacidad admisible Los resultados de los anlisis por los mtodos anteriormente mencionados proporcionan la capacidad ltima del pilote o la resistencia del suelo. La

resistencia permisible del elemento de cimentacin (carga de diseo) se obtiene por la divisin de la carga ltima del pilote a diferentes estratos por un factor de seguridad. Una vez se ha determinado la capacidad ltima total de los pilotes y

fustes barrenados se ha determinado por la sumatoria de la capacidad de carga de punta y la resistencia por fuste, se utiliza un factor de seguridad que para ambos proyectos corresponde al valor de 2 para as obtener la carga admisible total de cada elemento de cimentacin:

Donde:Capacidad de carga admisible para cada elemento.

FS= Factor de seguridad.El factor de seguridad usado vara entre 2 y 4 generalmente, dependiendo de las incertidumbres en el clculo de la carga ltima. 2.4 Nmero de pilotes El nmero de pilotes se obtiene de la relacin entre la carga que soportar las fundaciones y la carga permisible para cada elemento de cimentacin.

2.5 Determinacin de la resistencia al corte no drenada del estrato 2 del suelo cohesivo. Para la determinacin del del estrato 2 del suelo cohesivo donde se construir

el edificio, se cuenta con los datos obtenidos del ensayo de compresin inconfinada. Con el anlisis de estos datos se obtiene la resistencia mxima a compresin y con este valor, la resistencia al corte no drenada.

2.6 Clculo de asentamientos en suelo cohesivo Para el clculo de los asentamientos en el suelo cohesivo se sigui el procedimiento mencionado a continuacin: 1. Informacin inicial: Se considera que se est trabajando bajo un suelo cohesivo, el cual al aplicarle la sobre carga sufrir una consolidacin normal. Se cuenta a dems con la informacin de dimensiones de la zapata y caractersticas del suelo necesarias para los clculos. 2. Profundidad significativa: Utilizando el mtodo simplificado de la zapata equivalente, donde por cada dos metros verticales descendidos se aumentan un metro las dimensiones de la zapata; se calcula la variacin de la carga aplicada con la profundidad, hasta alcanzar el nivel que consideramos significativo a producir donde P=0,10* 'v. 3. Estrato consolidable: se considera el estrato de arcilla consolidable, como el suelo acotado entre el nivel significativo y el nivel fretico. 4. Calculo de los asentamientos: Utilizando las ecuaciones propuestas por Terzaghi para el clculo de asentamiento en suelo cohesivo normalmente consolidado. Se discretica el estrato de suelo consolidable en estratos de un metro y se calcula el asentamiento para cada uno, usando los datos de profundidad, esfuerzo efectivo e incremento de carga correspondiente para cada estrato; La sumatoria de estos asentamientos corresponde al asentamiento total del estrato de suelo consolidable.

3. Anlisis de las alternativas Siguiendo los mtodos descritos en la metodologa, se realiz el anlisis con los distintos parmetros para la determinacin de la capacidad portante de los pilotes y fustes barrenados y el nmero de elementos de fundacin para cada proyecto constructivo.

Proyecto puente atirantado. y Fustes Barrenados, (CAISSON)- Suelo Granulares, Arenas. Mtodo Beta.

Tabla 1. Anlisis de la capacidad por fuste total de los fustes barrenados por el mtodo Beta.

Tabla 2. Determinacin del nmero de fustes barrenados para suelo granular.

Tabla 3. Costos de los fustes barrenados para la cimentacin del puente atirantado. y Pilotes hincados- Suelo Granulares, Arenas. Mtodo Meyerhoff.

Tabla 4. Determinacin de la carga total por fuste de pilotes hincados en suelos granulares.

Tabla 5. Determinacin del nmero de pilotes para suelo granular.

Tabla 6. Costos para los pilotes en la cimentacin del puente.

Puente edificio 10 pisos y Fustes Barrenados (CAISSON)- Suelos cohesivos. Mtodo Alfa.

Tabla 7. Determinacin de la capacidad por fuste total en la cimentacin del edificio con fustes barrenados.

Tabla 8. Determinacin del nmero de fustes barrenados para la cimentacin del edificio.

Tabla 9. Costos de la cimentacin con fustes barrenados en suelo cohesivo.

y Pilotes hincados. Suelos cohesivos. Mtodo Alfa.

Tabla 10. Determinacin de la resistencia al corte no drenada para pilotes hincados en suelo cohesivo.

Tabla 11. Nmero de pilotes en la cimentacin del edificio.

Tabla 12. Costos para los pilotes en la cimentacin del edificio.

4. Eleccin de alternativa de cimentacin:Una vez analizado las diferentes alternativas de cimentacin, tanto para la pila del puente como para la edificacin de 10 pisos, se toman las siguientes opciones: Pila del puente en suelo granular: Se opta por utilizar 14 pilotes de Dimetro= 1 ft y Longitud= 49 ft, los cuales tienen un costo total de $ 20.909.280. Edificio de 10 pisos en suelo cohesivo: Se opta por utilizar 3 pilotes de Dimetro= 1ft y Longitud= 49 ft los cuales tienen un costo total de $4.480.560 Desde el punto de vista tcnico, la opcin de hacer la cimentacin con pilotes resulta ser ms prctica, en comparacin con la de fustes barrenados, dado que los fustes barrenados requieren de excavacin, por lo tanto se necesitara estabilizar los taludes durante la construccin y cumplir con estrictas normas de seguridad en el caso de que la excavacin se haga manualmente, por otra parte el nivel fretico representa un inconveniente importante en la construccin, por tal motivo hay que realizar el abatimiento del mismo, por lo que se produce un incremento de costos. Otro punto de vista tcnico est en el tiempo de construccin, pues los fustes barrenados disponen de mucho ms tiempo en comparacin con la hincada de pilotes, lo que puede aumentar el tiempo de ejecucin de la obra Desde el punto de vista econmico, la cimentacin con pilotes resulta ser mucho ms viable econmicamente, en comparacin con los fustes barrenados, para la pila del puente hay una diferencia econmica de $ 22.535.519,5 a esto si se le suma lo que puede llegar a costar el bombeo para abatir el nivel fretico ms los materiales para estabilizar los taludes de la excavacin la diferencia econmica entre fustes barrenados y pilotes hincados es muy grande

5. Costos honorarios Los honorarios correspondientes a la realizacin de este proyecto sern del 20% del costo del proyecto de cimentacin, es decir, de $5200000.

ndice de tablas y figuras

Figura 1. Estratificacin de los suelos de cada proyecto constructivo. Tabla 1. Anlisis de la capacidad por fuste total de los fustes barrenados por el mtodo Beta. Tabla 2. Determinacin del nmero de fustes barrenados para suelo granular. Tabla 3. atirantado. Tabla 4. Determinacin de la carga total por fuste de pilotes hincados en suelos granulares. Tabla 5. Determinacin del nmero de pilotes para suelo granular. Tabla 6. Costos para los pilotes en la cimentacin del puente. Tabla 7. Determinacin de la capacidad por fuste total en la cimentacin del edificio con fustes barrenados. Tabla 8. Determinacin del nmero de fustes barrenados para la cimentacin del edificio. Tabla 9. Costos de la cimentacin con fustes barrenados en suelo cohesivo. Tabla 10. Determinacin de la resistencia al corte no drenada para pilotes hincados en suelo cohesivo. Tabla 11. Nmero de pilotes en la cimentacin del edificio. Tabla 12. Costos para los pilotes en la cimentacin del edificio. Costos de los fustes barrenados para la cimentacin del puente

Contenido

Resumen Introduccin 1. Especificaciones para la construccin de las cimentaciones 2. Metodologa 2.1 Problema 1. Puente atirantado 2.2 Problema 2. Edificio 10 pisos 2.3 Factor de seguridad y capacidad admisible 2.4 Nmero de pilotes 2.5 Determinacin de la resistencia al corte no drenada del estrato 2 del suelo cohesivo. 2.6 Clculo de asentamientos 3. Anlisis de las alternativas 4. Eleccin de alternativa de cimentacin