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¿QUÉ HEMOS APRENDIDO DEL
COMPORTAMIENTO DE LAS
CIMENTACIONES?
Conferencias Conmemorativas
LA INGENIERÍA CIVIL A 30 AÑOS
DE LOS SISMOS DEL ’85
Dr. Manuel J. Mendoza López
Subdirector de Geotecnia y Estructuras
Instituto de Ingeniería, UNAM
14 de Septiembre, 2015
OBJETIVOS
Presentar los avances de la ingeniería civil durante
los 30 años transcurridos desde 1985 en materia
de investigación y aplicación de nuevas técnicas
para la seguridad sísmica de las construcciones.
EN PARTICULAR LOS REFERENTES A LA OBSERVACIÓN Y
MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DE CIMENTACIONES , Y QUE
HAN LLEVADO A LA PREPARACIÓN DE LA VERSIÓN ACTUALIZADA
(2014) DE LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA EL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES.
ANTECEDENTES Y ALGUNAS LECCIONES INICIALES
•
ENORMES INCERTIDUMBRES
•
FALLAS GEOTÉCNICAS EN TODO TIPO DE CIMENTACIONES EN LA CIUDAD DE
MÉXICO
•
EL TIPO MIXTO DE CIMENTACIÓN CON PILOTES DE FRICCIÓN FUE EL DE PEOR
COMPORTAMIENTO EN LA CIUDAD DE MÉXICO
Asentamientos totales y
diferenciales excesivos,
Desplomos, Fallas
estructurales y/o
Volcamientos Totales
fueron registrados en
13% del total de edificios
con cimentaciones mixtas
(6 a 14 pisos) en el
centro de la ciudad de
México, durante el sismo
del 19 de septiembre,
1985
CIMENTACIÓN MIXTA CON CAJÓN Y
PILOTES DE FRICCIÓN
Cajón de
cimentación
Pilotes
de
fricción
Formación
Arcillosa
Superior
Primera Capa Dura
Durante 1985 no existía cimentación instrumentada alguna en la
ciudad de México, que diera respuesta a lo acontecido.
SISMOS DE 1985
MEJORAS EN LOS
CRITERIOS DE
DISEÑO Y EN LA
NORMATIVIDAD
INCERTIDUMBRES
MONITOREO DE
VARIABLES
INTERNAS EN
CIMENTACIONES
REALES
“…Our theories will be superseded by better ones, but
the results of conscientious observations in the field
will remain as a permanent asset of inestimable value
to our profession”.
Karl Terzaghi, 1936
PUENTE URBANO “IMPULSORA”
Eje 11
Eje 12
Estación del Metro
Apoyo No. 6
Puente que sobre Av de las Zapatas, cruza Av Central, y que
da acceso a la estación Impulsora de la Línea B del Metro
SUPERESTRUCTURA DE LA CIMENTACIÓN
INSTRUMENTADA
Apoyo No. 6 durante su etapa de construcción
P67
P64
BM-3
N
CP-1
CP-A
P39
ZE-1
P40
CP-2
ZE-2
ZE-3
P4
BM-2
Ciudad de México
ZD-2
ZD-1
ZD-3
CP-4
P41
CP-B
CP-C
BM-1
CP-3
CP-D
P14
PLANTA de CIMENTACIÓN
22 m x 15 m
Acelerómetros
en campo libre
Sensores en la
superficie del terreno
APOYO No. 6
Acelerógrafo
Caseta de
registro
NAS
3.0
Losa de
cimentación
NT 0.0
Extensómetro
de manguera
Contratrabe
Formación
Arcillosa
Superior
Celda de
Presión
Sonda
Celda de carga
Imán
-30.0
-33.0
Primera Capa
Dura
Piezómetros
Acelerómetros
de pozo
-60.0
-35.0
CELDAS DE CARGA
Concreto
6 pernos de
acero de
alta
resistencia
Acero principal
de refuerzo
soldado a la
placa de acero
Placa de acero
CELDA de CARGA
PILOTE
50 x 50 cm
Cargas medidas a lo largo del pilote P4 en diferentes fechas
Factor de adherenciafricción, α = 0.74
Contratrabe
Celda de cabeza
Celda media superior
Celda media inferior
Celda de punta
Prof. en m
Carga en kN
Diseño de pilotes de fricción
fs = f (δ) K σv = β σv
fs =
α
cu
Método Beta, en términos de
esfuerzos efectivos
Método Alfa, en términos de
esfuerzos totales
cu es la resistencia cortante no drenada
Para estimar la capacidad de carga de pilotes de
fricción, las NTC-Cimentaciones 2004 del RCDF adoptan
un análisis del tipo Alfa, asumiendo un valor implícito
del factor de adherencia-fricción, α = 1.
Las mediciones en este caso estudiado, bajo carga sostenida
y a largo plazo, arrojaron un factor ,
α = 0.74
¿ POR QUÉ NECESARIAMENTE a= 1 ? SI…
Cuanto más lento es el proceso para
alcanzar la falla, menor es la
resistencia al esfuerzo cortante
•
70
60
en kPa
(
)/2,kPa
 11--
 3)/2
3=100 kPa
Datos de Alberro
e Hiriart, 1973
50
40
3=50 kPa
30
20
10
0
0.01
3=25 kPa
3=0 kPa
0.1
1
10
tiempo a la falla, h
100
1000
¿ POR QUÉ NECESARIAMENTE a = 1 ? SI…
ENSAYES DE CORTE DIRECTO: La resistencia
cortante en la interfaz suelo-bloque de concreto,
es menor que en suelo-suelo.
•
Datos de
Ovando, 1995
¿ POR QUÉ NECESARIAMENTE a = 1 ? SI…
Para similar carga máxima cercana a la falla, resulta tanto
más crítica la combinación de carga sostenida y cíclica,
cuanto mayor es la amplitud del componente dinámico
•
3.50
100
40+30%
2.50
40+55%
2.00
1.50
1.00
Ensaye A-5
0.50
0.00
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Desplazamiento al ciclo
N/Desplazamiento al ciclo 1
Desplazamiento al ciclo
N/Desplazamiento al ciclo 1
40±5%
3.00
20+30%
20+50%
Ensaye A-6
20+70%
10
Núm ero de ciclos (N)
Datos de Ibarra,
Mendoza, Rufiar y
Barrera, 2005
1
1
10
100
Núm ero de ciclos (N)
1000
¿ POR QUÉ NECESARIAMENTE
a = 1 ? SI…
• Se pone en juego la resistencia residual
Ante suelos con rigideces diferentes, no se desarrolla
la resistencia máxima en todos los estratos y al mismo
tiempo
•
• Criterio del Prof. Zeevaert: Adopta 60% de la resistencia
no drenada y 10% más área lateral del pilote
• Práctica sueca con creep piles, basada en prototipos
instrumentados: 70 a 80% de cu
• Las mediciones en una cimentación real instrumentada,
bajo carga sostenida y a largo plazo, arrojaron un factor
a = 0.74
de adherencia :
Cargas sobre los pilotes durante el sismo
de Tehuacán. Junio 15, 1999
Ad Q =4.8%
-ΔQ = 4.4%
760
Carga, kN
Pilote
P14C
696.5
728.9
740
7
720
700
680
660
Ad Q = 22.7%
-ΔQ = 9.6%
Carga, kN
800
700
549
607.8
600
500
Pilote
P40MS
400
0
30
60
90
120
Tiempo, s
150
180
210
240
Presión vertical en el contacto losa-suelo durante
el sismo de Tehuacán del 15 de junio, 1999
total, kPa
kPa
Presión,Presión
Presión, kPa
22
CELDA CP1
Ad p = 16.8%
+Δp = 23.3%
Ad p = 5.4%
+Δp = 4.2%
CELDA CP2
20
18
16
14
12
16.0
15.5
15.0
14.5
14.0
0
30
60
90
120
150
Tiempo, s
Tiempo en segundos
180
210
240
Presión de poro durante y después del sismo del 11 de
enero, 1997. Piezómetro ZD3 a 27 m de profundidad
300
290
Adu=6.7%
1.88 m H2O
280
270
250
00:00
00:15
00:30
00:45
01:00
01:15
01:30
01:45
02:00
02:15
02:30
Tiempo, minutos:segundos
300
290
Presión, kPa
Presión de poro, kPa
260
132 días
280
270
260
250
0.1
1
10
100
1000
minutos
TiempoTiempo,
en minutos
10000
100000
1000000
800
700
antes y
después del
sismo del 11 de
enero, 1997
600
Carga, kN
Cargas sobre
los pilotes,
500
P14
400
P39
↑
P64
Sismo de la costa de
Michoacán, 11/01/97
300
P67
P4MI
P4P
P41
200
P4MS
30/04/97
30/05/97
30/04/97
30/05/97
31/03/97
01/03/97
30/01/97
CP-1
Sismo Costa Michoacán
11/01/97
CP-2
CP-3
CP-4
20
CP-A
CP-B
CP-C
CP-D
15
31/03/97
01/03/97
30/01/97
31/12/96
10
01/12/96
antes y
después del
sismo del 11 de
enero, 1997
25
Presión, kPa
Presiones en
el contacto,
31/12/96
30
01/12/96
100
APORTACIONES Y NORMATIVIDAD
Las evidencias experimentales de campo y laboratorio antes expuestas, soportan el cambio
que se introduce en las NTC-Cimentaciones 2014, en el sentido de que en pilotes de fricción
hincados en suelos blandos de la ciudad de México, el factor de adherencia-fricción α < 1;
se reconoce que se adopta el Método Alfa y que se trata de un análisis en términos de
esfuerzos totales.
es el factor de adherencia lateral pilote-suelo del estrato i, y resulta el
cociente entre la resistencia en el fuste y la resistencia no drenada del suelo.
La capacidad de carga reducida Cf para suelos cohesivos
se calculará en lo sucesivo como:
SOBRE EL COMPORTAMIENTO,
DISEÑO Y NORMATIVIDAD DE
PILAS COLADAS IN-SITU
INSTRUMENTACIÓN de PILAS
VIADUCTO BICENTENARIO
PRUEBAS DE CARGA EN PILAS DE
CIMENTACIÓN INSTRUMENTADAS, SITIO A72
Entre los apoyos A74 y A75, frente a la Unidad Cuauhtémoc del IMSS
ARREGLO GENERAL DEL
ENSAYE
ARREGLO
GENERAL DEL ENSAYE
PR1
PR4
San Antonio
f = 68 cm
PCLC
PCA
PR3
PCLS
PR2
L = 26.5 m
Periférico
f = 68 cm
L = 22.5 m
Eje de la armadura de
referencia
Eje de marcos o
armaduras de reacción
Acot en cm
GATO HIDRÁULICO Y CELDAS DE CARGA EN CABEZAL
PRUEBA DE CARGA EN PILAS DEL
DISTRIBUIDOR VIAL SAN ANTONIO
1000
Carga aplicada en toneladas
2a etapa
800
4a etapa
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
12
Desplazamiento en mm
RESPUESTA AXIAL CARGA-DESPLAZAMIENTO
14
16
Microdeformaciones cerca de la cabeza y de la
punta. Viaducto Bicentenario
Comparación de microdeformaciones. Etapa de falla
700
Microdeformación media a 1m
Microdeformacion media a 21m
500
400
300
200
100
0
Tiempo en horas
07
:0
0:
00
06
:0
0:
00
05
:0
0:
00
04
:0
0:
00
03
:0
0:
00
02
:0
0:
00
01
:0
0:
00
-100
00
:0
0:
00
Microdeformación
600
Aportaciones medidas del fuste y de la punta de
la pila. Viaducto Bicentenario
2a Etapa de falla
1000
Punta
Carga, en t
800
Fuste
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Desplazamiento en cabeza, en mm
80
90
100
LECCIONES REFERENTES AL
COMPORTAMIENTO DE PILAS
•
Mediante pruebas de carga en pilas instrumentadas, se ha ratificado la alta
capacidad de carga axial de pilas coladas in situ, en las zonas de Transición
y Lomas de la ciudad de México.
•
La capacidad de carga de pilas, supuestamente de punta, la aporta
fundamentalmente la fricción en su fuste.
•
La reacción de la punta sólo se logra con penetraciones muy grandes.
•
El trabajo principal de pilas bajo condiciones de operación es por la
fricción desarrollada en su fuste, dejando la capacidad de carga por punta
como una gran reserva que puede ser puesta en juego, si se aceptan los
importantes desplazamientos asociados.
•
No ocurre degradación por la aplicación de cargas cíclicas axiales.
•
Es necesario poner a revisión varios supuestos aceptados (pilas de punta)
como válidos en la práctica de la ingeniería de cimentaciones.
NTC-CIMENTACIONES vigentes, para PILAS
En algunos ámbitos de la práctica local permanece la idea que por muchos años se
dio por cierta, de que las pilas construidas en suelos firmes trabajan primordialmente por punta, conociéndolas por ello en la jerga local como “pilas de punta”.
Esa idea parece permear en las NTC-CIMENTACIONES (2004) vigentes, ya que
carecen de un lineamiento expreso para evaluar la contribución por fricción del
fuste en pilas coladas en suelos firmes de las Zonas I y II; se menciona que:
“…En suelos firmes de la Zona I, se podrá agregar a la
capacidad de carga por punta una resistencia por fricción
calculada mediante la ec. 3.12, en la que la adherencia
considerada no deberá ser mayor que el esfuerzo vertical
actuante en el suelo al nivel considerado multiplicado por un
factor de 0.3, y afectado con un factor de resistencia de 0.7”
Cf = AL f FR
(3.12)
Notar que se señala adherencia, y se recurre a la ec. 3.12, la que
corresponde al numeral 3.5.1 del inciso b) Capacidad de carga del
sistema suelo-pilotes de fricción.
RESISTENCIA CORTANTE EN EL FUSTE
RESISTENCIA CORTANTE
ENCORTANTE
EL FUSTE
RESISTENCIA
EN EL FUSTE
SITIO SAN ANTONIO
Tercio superior
Tercio medio
Tercio inferior
NTC-CIMENTACIONES. PILAS COLADAS IN-SITU
POSIBLES ENFOQUES DE DISEÑO Y DE
NORMATIVIDAD
Método β basado en principios de Mecánica de Suelos.
Dificultades prácticas
Métodos empíricos con base en pruebas de campo,
principalmente SPT y experiencias con pruebas de
carga.
Procedimiento práctico
RESISTENCIA FRICCIONANTE
UNITARIA, fs , EN EL FUSTE DE PILAS
Kulhawy (1989)
fs = K tan δ σ
δ = f ( Φ´, proceso constructivo)
Si la técnica de construcción es conveniente, δ = Φ´
Si el proceso deficiente y con lodo, δ ≤ 0.8 Φ´
Reese y O´Neill (1989) y
Método AASHTO (1998)
Método semi-empírico basado
fs = β σ ≤
β = 1.5 – 0.245 (z)0.5
Cumpliendo que
Tomlinson (2001)
fs = K σ tan δ ≤ 110 kPa
K = coeficiente de esfuerzo horizontal, de 0.7 Ko a Ko
σ = esfuerzo vertical efectivo medio sobre cierto estrato
δ = ángulo de fricción en el contacto pila- suelo
Rollins, Clayton, Mikesell
y Blaise (1997)
Introducen cambios al enfoque de Reese & O´Neill (1989),
al reconocer la influencia del porcentaje de gravas.
Harraz, Houston, Walsh,
Perry y Houston (2005)
Reconocen no sólo la influencia del porcentaje de grava, al
igual que Rollins et al. (1997), sino que distinguen la influencia de la
dilatancia que es tanto mayor cuanto menores son los esfuerzos.
Rollins, Clayton, Mikesell
y Blaise (2005)
Proponen expresiones para el término β distinguiendo para ello
intervalos de porcentajes de gravas entre 25 y 50%, y más de 50%.
Para ello reunieron 28 pruebas de carga axial sometidas a
extracción.
en 40 pruebas de carga:
20 t/m2
(z en metros)
0.25≤ β≤1.2
MODELOS DE PILAS COLADAS EN
LABORATORIO . d=15 cm L=65 cm
G%, DR%, rugosidad
ENSAYES DE EXTRACCIÓN BAJO
CARGA AXIAL CONTROLADA
•Gato y bomba
hidráulica
•Marco de
reacción
•Transductores de
desplazamiento
•Adquisidor
de datos
•Celda de
carga
•Pila colada
in situ
CARACTERIZACÍÓN GEOMÉTRICA DE LOS
MODELOS (ESCANEO TRIDIMENSIONAL)
•MODELOS 3D ESCANEADOS
•M6P1 70%G
•M6P2 70%G
•M2P1 32%G
•M2P3 32%G
MEDICIONES DE LA
RESISTENCIA fS EN EL FUSTE
% de grava
VALORES MEDIDOS DE β
CON LA PROFUNDIDAD
0
Profundidad, m
5
Prof.
media
Beta
Beta
m
32%G
70%G
0.3
11.4
24.9
0.3
12.9
0.3
12.6
2.9
1.2
10
15
20
25
0
5.6
6.6
0
•Modelos de pilas
5
0.5
1
0.7
1.5
1.5
Beta
2
2.5
G menor al 25%
G entre 250.6
y 50%
G mayor al 50%
•Rollins y coautores
•fs = bv
3
VALORES DE ΒETA SEGÚN
ROLLINS Y COAUTORES (2005)
Porcentaje de grava
β
Menos del 25%
β = 1.5 – 0.245 z0.5; 0.25 ≤ β ≤ 1.2
Entre 25% y 50%
β = 2.0 – 0.15 z0.75 con 0.25 ≤ β ≤ 1.8
Más del 50%
β = 3.4 exp[-0.085z] con 0.25 ≤ β ≤ 3
Profundidad z, en metros
APORTACIONES y NORMATIVIDAD
NTC-Cimentaciones 2014
m
número de estratos friccionantes a lo largo del fuste del pilote o pila
bi
es el coeficiente de fricción elemento-suelo en el estrato i, que se estimará
como:
zi es la profundidad media del estrato i, en metros
10000
NTC-Cimentaciones, 2014
CONTRIBUCIÓN de la PUNTA
de PILAS y PILOTES en
SUELOS FRICCIONANTES
Nq
1000
100
10
10
NTC-Cimentaciones 2014
para la contribución de la PUNTA de una PILA
• Procedimiento actual teórico de equilibrio
límite (Solución de Beresantsev)
alternativamente
• Procedimiento empírico basado en ensaye SPT
Wysockey (1999); Long y
Wysockey (1999) y
FHWA (1999
Pilas coladas in situ en
arenas, para N60 ≤ 75.
fs = 67N60 (kPa)
…o con algún procedimiento basado en presiómetro!
COMENTARIOS FINALES
La instrumentación geotécnica y sísmica en cimentaciones
prototipo aporta información muy valiosa para la comprensión de
los fenómenos que ocurren en pilas y pilotes, coadyuvando así a
su mejor diseño (más seguro y económico).
Es necesario monitorear más cimentaciones
instrumentadas, para beneficio de la práctica y la normatividad de
la ingeniería de cimentaciones en la ciudad de México.
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN !