Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica,A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Ventajas de las pilas oblongas (barrettes) comosistema de cimentación para la Autopista Urbana Sur

Advantages of oblongs piles (barrettes) as foundation system for Autopista Urbana Sur

Raúl Fernando VERDUZCO MURILLO1, Carlos Augusto PRIETO MARTÍN DEL CAMPO1 y Oscar Israel HERRERA CORIA1, Roberto de Jesús RIVAS MEDINA1

1Grupo Riobóo

RESUMEN: Al sur de la Ciudad de México se construye el viaducto elevado denominado Autopista Urbana Sur (AUS) sobre el trazo del Periférico desde su cruce con San Jerónimo hasta Viaducto Tlalpan. Debido a la problemática que representan los limitados espacios, presencia de instalaciones municipales y tráfico vehicular, el sistema estructural en su conjunto consiste de elementos prefabricados, destacando las columnas que incluyen el dado-zapata como un elemento monolítico. Como sistema de cimentación se utilizan pilas que se ligan al dado-zapata prefabricado a través de cuatro agujeros. Sin embargo en aquellos tramos donde las acciones dinámicas resultaron de mayor magnitud, y ante la problemática técnica y logística de modificar la sección del dado-zapata, se utilizaron pilas oblongas (barrettes). Esta solución permitió tomar las cargas debidas al sismo paralelo al eje largo de las pilas mediante fricción horizontal y, mediante fricción vertical y presión horizontal cuando actúa en el eje corto. El considerar ese efecto direccional de la fricción y la restricción que impone la presión horizontal en elementos rígidos, resulta en sistemas de cimentación muy eficientes, ya que se toman en cuenta un mayor número de elementos que contribuyen a la estabilidad de las pilas y que generalmente se omiten.

ABSTRACT: At the south of Mexico City is made the construction of the elevated viaduct Autopista Urbana Sur (AUS), using the same line of the Periférico from its junction with San Jerónimo to ViaductoTlalpan. Due to the problems posed by limited space, presence of municipal facilities and vehicular traffic, the whole system consists of prefabricated elements, highlighting the columns including the die-footing as a monolithic element. Piles that are linked to the prefabricated element through four holes are used as foundation system. However, in those sections, where the dynamic actions were of greater magnitude, and given the technical and logistical problems to amend the section of the die-footing, barrettes were used. This solution allows counter the loads due to earthquake parallel to the long axis of the barrette by horizontal friction and friction with vertical and horizontal pressure acting in the short axis. Considering the directional effect of friction and restriction imposed by horizontal pressure on the rigid elements, results in foundation systems of very high efficiency, since it takes into account a greater number of elements that contribute to the stability of the piles, usually omitted.

1 INTRODUCCIÓN

Generalmente las acciones horizontales que propician momentos en cimentaciones rígidas profundas (pilas o pilotes) son tomadas como cargas verticales en los elementos de cimentación. La transformación de estas acciones mecánicas en cargas verticales se realiza mediante la ecuación de la escuadría, la cual permite determinar la carga actuante en la cabeza de cada elemento a partir su posición respecto al centroide de una cimentación rígida. Al tomar la carga a compresión de manera vertical se establece que la capacidad del elemento de cimentación está dada por su capacidad desarrollada por fricción (vertical) y una vez agotada ésta, por la punta; en la capacidad a tensión

interviene únicamente la fricción. En algunos casos se involucra el peso propio del elemento.

Con el criterio descrito, para lograr una mayor eficiencia, se pretende que las pilas sean ubicados lo más alejado posible de los ejes geométricos de la cimentación.

Esta condición es poco probable en obras como la AUS y en general en los viaductos elevados de las ciudades donde los espacios son cada vez más reducidos, los tiempos para realizar los trabajos cada vez más limitados y las obras inducidas cada vez más frecuentes y de mayores dimensiones. Por tal razón se ha desarrollado en Riobóo bajo la supervisión y asistencia técnica del Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M., un proyecto de viaducto elevado con base en elementos prefabricados de concreto que sea transportable y expedito, además

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2 Título del trabajo

de que su sistema de cimentación permita invadir al mínimo los limitados espacios disponibles, minimizando así las obras inducidas.

Para ello se desarrolló un elementó prefabricado que integra la columna con un dado-zapata al que se ligan las pilas de cimentación (figura 1).

Figura 1. Imagen de columna y dado-zapata.

De esta manera parte de la cimentación es también prefabricada, estando restringido su tamaño por los espacios disponibles para su ubicación y su factibilidad para transportarse (figuras 2 y 3).

Figura 2. Dimensiones del dado-zapata.

Figura 3. Imagen del dado-Zapata.

El limitado tamaño del dado-zapata hace suponer acciones de magnitud considerable en la cabeza de las pilas. En efecto así sucede cuando las acciones se han transformado en cargas verticales.

Sin embargo, cuando se hace intervenir el efecto multi-direccional de la fricción desarrollada en el fuste de las pilas, el escenario se modifica favorablemente, permitiendo aprovechar al máximo la geometría alargada de las mismas.

Bajo estas premisas se desarrolló el sistema de cimentación en cuyo análisis son tomadas en cuenta de manera simple las acciones mecánicas generadas por la estructura, admitiendo utilizar las propiedades mecánicas del subsuelo en distintas direcciones.

Figura 4.Equipo utilizado en la construcción de pilas.

Figura 5. Armado de una pila oblonga.

2 ANÁLISIS2.1 Carga permanente

Las acciones de la estructura debidas a carga permanente están generalmente exentas de excentricidades permanentes, ya sea porque no las poseen o porque son neutralizadas mediante lastres, posición excéntrica de las pilas, etc. Bajo estas condiciones las cargas en las pilas son

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

prácticamente iguales y son tomadas por la fricción desarrollada en su fuste y, como habitualmente ésta no se agota en ésta condición de carga, la punta no contribuye. Este criterio es también utilizado para la combinación que incluye la carga viva con intensidad máxima.

2.2 Carga accidental

2.2.1Sismo en sentido perpendicular al trazoCuando se analizan las acciones sísmicas en sentido transversal al trazo, se tiene además de la carga vertical P, un momento M y una fuerza cortante V actuando en la base de la columna (figura 6).

Figura 6. Elementos mecánicos.

De manera simple se transforma el momento M en un par de fuerzas verticales (c y t) separadas una distancia d entre los ejes de las pilas (Figura 7).

Figura 7. Acciones y reacciones verticales en pilas.

Por estas consideraciones se tiene que la carga P en las pilas es vertical y tomada por fricción Qf y punta Qp; para carga a tensión es tomada únicamente por fricción, considerando además la fricción desarrollada en las caras del dado-zapata. Sin embargo, cuando el aporte por la punta es limitado, como puede ser el caso de desplante en materiales compresibles, el momento es contrarrestado por fuerzas horizontales (empujes) en las caras de las pilas. En este caso se considera además del empuje horizontal la fricción actuando en las caras del dado-zapata (figura 8).

Figura 8. Acciones y reacciones horizontales en pilas. De ahí la ventaja de utilizar pilas oblongas que presenten su eje mayor en sentido perpendicular a la dirección del sismo.

Ello supone un sistema con la rigidez suficiente para que este fenómeno se desarrolle y ha sido estudiado por los doctores Miguel Romo y Sergio Martínez del Instituto de Ingeniería de la UNAM en las Celdas Estructuradas de Cimentación utilizadas en la línea 12 del Metro.

2.2.2Sismo en sentido paralelo al trazoCuando se analizan las acciones sísmicas en sentido longitudinal, es decir con dirección paralela al trazo, aparecen las acciones antes definidas, generalmente de magnitud menor debido a la formación de marco.

Bajo estas condiciones se simplifica el sistema haciendo que el momento sísmico sea contrarrestado por fuerzas resultantes horizontales generadas por la fricción horizontal Qfh en el fuste de las pilas (figura 9). El sistema es particularmente eficiente debido a que en esa dirección se presenta el eje mayor de las pilas oblongas.

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4 Título del trabajo

La carga P es tomada por fricción vertical Qfv. Adicionalmente, se considera la restricción que impone el empuje horizontal Eh y la fricción horizontal en las caras del dado-zapata. Se destaca que en este análisis no se considera la contribución por punta.

Figura 9. Fuerzas resistentes.

3 CRITERIOS DE CAPACIDAD DE CARGA EMPLEADOS

3.1 En pilas.Se admite que la capacidad de carga última en pilas Qu se compone de la contribución por fricción a lo largo de su fuste Qfu más la de su base Qpu. En la capacidad a tensión se considera únicamente Qfu. El peso propio Pp del elemento se suma o resta según el caso, tensión o compresión, respectivamente.

Para el cálculo de Qfu y Qpu se utilizaron los criterios que a continuación se enuncian:

ASCEQfu=ω∑ σ z

' k tanφwdi (1)

Qpu=a p σ z' N q (2)

donde: = perímetro; z’= esfuerzo vertical

efectivo;z= esfuerzo vertical total k = parámetro adimensional que varía entre 1 y 2; w= 0.75; ap= área transversal de la pila; di = espesor del estrato de suelo que se analiza y Nq= factor de carga.

FHWA88 modificado (Wysockey)

Para suelos predominantemente friccionantes, se aplica considerando únicamente la resistencia en la prueba SPT normalizada al 60% de energía (N60).Qfu=0.4ω∑ N60di (3)

Qpu=a p 6.5N60 (4)

Bernal y ReeseEn la determinación de Qfu, se considera, que el

esfuerzo normal actuante en la interface suelo-pila (h)es prácticamente el esfuerzo efectivo del sitio y se determina mediante la ecuación: σh=M γ zZ z (5)

donde: M es un factor función del revenimiento del concreto y tiempo empleado en el colado de la pila, c = peso volumétrico del concreto y Zz = columna de concreto. Bajo ciertas condiciones el esfuerzo radial del concreto es similar al esfuerzo efectivo en sitio. De esta manera Qfu queda definida por la siguiente ecuación:Qfu=ω∑ σ htan φid i (6)

La capacidad de carga por punta queda definida como:Qpu=a p(cN c+σ zNq ) (7)

donde: c = cohesión.

L. Zeevaert Qfu se determina mediante la ecuación siguiente:

Qfu=ω∑ (c+σ z kφ )d i (8)

donde: k= [(1-sen2)/(1+sen2)]tan.Por su parte Qpu se define mediante la siguiente

ecuación:Qpu=α ap [c N c+ (σ z+Δσ z ) Nq ]Dr

(9)

donde: = factor de forma; z = incremento de esfuerzo a nivel de desplante, ocasionado por la fricción desarrollada en el estrato de empotramiento y Dr = densidad relativa.

Verificación del estado límite de falla NTC- DCC-RCDF

Finalmente, se aplicaron los criterios establecidos en las NTC-DCC-RCDF a través de las siguientes ecua-ciones:

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

Qfu=0.3ω∑ σ zdi FRf (10)

donde: FRf = factor de resistencia.Por su parte, la capacidad de carga por punta se

calcula mediante la ecuación:

Qpu=(σ z' N q

¿FRp+σ z )a pF RE (11)

donde: Nq*= factor dependiente de y longitud de

empotramiento en el estrato de apoyo; FRp = factor de resistencia y FRE = factor de reducción de escala que se determina con la ecuación 12.

FRE=(B+0.52B )

n

(12)donde: B = diámetro de la pila y n = un factor de densidad que varía entre 0 y 2.

4 EMPUJES HORIZONTALES

Las presiones horizontales actuantes en las caras de las pilas y dado-zapata, corresponden con la diferencia entre las presiones horizontales pasivas Php y las activas Pha, las cuales son determinadas a partir de los estados de equilibrio plástico propuestos por Rankine a través de las ecuaciones:

Php=Pvk p+2c√ kp (13)

Pha=Pvka−2c√ ka (14)

donde: kp= coeficiente de presión de tierras pasivo y ka = coeficiente de presión de tierras activo.

5 CONDICIONES DE CARGA Y PROFUNDIDAD DE DESPLANTE TÍPICAS

En un tramo típico de zona de transición, la carga axial en las pilas, cuyo eje mayor es de 3.35 m y su eje menor de 1.10 m, varia en el rango de 1200 a 2300 t, los momentos de 6800 a 7800 t-m, el cortante de 500 a 1200 t y la profundidad de desplante entre 32 y 42 m.

6 CONCLUSIONES

Para este proyecto, las pilas oblongas representan la solución sin modificación de la geometría del dado-zapata y con ello la factibilidad de transportación de este elemento y la mínima invasión del terreno.

El uso de pilas oblongas permite tomar las acciones horizontales de manera muy eficiente, siempre que se tomen en cuenta las fuerzas

restrictivas que se presentan ante el evento que las genera.

El análisis presentado se basa en simplificaciones de las acciones mecánicas y consideraciones geotécnicas tradicionales.

REFERENCIAS

Zeevaert L. (1979). “Foundation Engineering for Difficult Subsoil Conditions”, Krieger, U.S.A.

Reese L. C., (1984). “Handbook on design of piles and drilled shafts under lateral load”, Federal Highway Administration, U.S.A.

Tamez González E., (2001). “Ingeniería de cimentaciones: conceptos básicos de la práctica”, TGC geotecnia, México D.F.

RCDF (2004). “Normas técnicas complementarias para diseño y construcción de cimentaciones”, Gobierno del Distrito Federal.

Reese, L. C., Isenhower, W. M. y Wang, S., (2005), “Analysis and design of shallow and deep foundations”, Wiley, New Jersey.

Romo, M. P., Mayoral, J. M., Mendoza, M. J., Flores, F. A., Osorio, L. y Ramírez, J. (2009). “Revisión de criterios de diseño geotécnico para la construcción del Viaducto Bicentenario, Estado de México (Tramo 1)”, Informe del Instituto de Ingeniería, UNAM preparado para SAASCAEM y Viaducto Bicentenario, S.A. de C.V. (OHL).

Day, Robert W., (2010), “Foundation engineering handbook: design and construction with the 2009 International Building Code”, Mc. Graw Hill, U.S.A.

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