2002
mar. 21 de 2019
Normatividad
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Resumen:

La evaluación del asentamiento en cimentaciones con pilotes es un proceso en el que se deben contemplar variables adicionales a la de seguridad, con el fin de establecer el comportamiento que tendrán estas estructuras una vez finalizada la etapa de construcción. Analizar el desempeño de las cimentaciones permitirá optimizar los procesos constructivos, los procesos de asentamiento y las deformaciones que puedan alcanzar.

*Artículo cortesía de Jorge Alberto Rodríguez.

Las cimentaciones sobre pilotes usualmente se diseñan únicamente con criterios de capacidad, sin prestar particular atención a los asentamientos a corto o largo plazo que se puedan presentar.

Esto surge del hecho de asumir que, si el factor de seguridad es adecuado, los asentamientos del pilote en general están por debajo del 5% del diámetro, lo cual es un asentamiento pequeño en la mayoría de los casos. Esta consideración es válida para pilotes individuales en suelos duros, pero puede alejarse bastante de la realidad en casos de suelos blandos y grupos de pilotes.

Para solicitaciones axiales en la NSR10 (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente) se considera la capacidad y el factor de seguridad, FS, pero este enfoque no permite evaluar cuál es el asentamiento que se espera de los pilotes. Esto cambia en la Norma Colombiana de Diseño de Puentes CCP-14 donde se consideran el análisis de factores de carga, resistencia y confiabilidad, así como los cálculos de las curvas carga-asentamiento de los pilotes.

Interacción entre los elementos del sistema de cimentación

El problema se debe entender de manera similar a como se lo hace con la transferencia de las cargas desde su origen hasta la cimentación en un edificio. En el caso de cimentaciones profundas, dichas cargas se transmiten a los pilotes y estos las transfieren, a partir de su capacidad y rigidez, al suelo, el cual a su vez responde conforme a su rigidez y resistencia. Todo está interactuando integralmente, por eso, decir simplemente que hay un elemento con carga por fricción y por punta, es una simplificación muy grande del problema.

La interacción depende de varias cosas, en particular del movimiento relativo entre el pilote y el suelo. El pilote es un elemento de alta rigidez cuyas deformaciones son bajas. Al poner una carga para que se transfiera al suelo tiene que haber un desplazamiento relativo para que se movilice una carga en la punta, y al mismo tiempo para que se active la resistencia por fricción. La fricción se activa a deformaciones más pequeñas que las que se requieren para movilizar las cargas por punta.

La condición general de las cargas que se aplican al sistema de cimentación y estas a los pilotes y los pilotes a su vez al suelo, se ilustra en la figura 1 con un símil de resortes.

La interacción de los diferentes resortes y las cargas que se distribuyen a lo largo del pilote por fricción y por punta, son las que determinan finalmente cuál es la carga que se transmite al suelo y la deformabilidad del pilote, así como el desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo. Y serán las deformaciones del suelo las que determinen finalmente los asentamientos totales del sistema.

Interacción de los diferentes resortes y las cargas

 

Pie de gráfico: la interacción de los diferentes resortes y las cargas que se distribuyen a lo largo del pilote por fricción y por punta.

Crédito: Jorge Alberto Rodríguez.

Debido a la interacción incluso para el caso de un pilote individual es necesario que haya desplazamientos relativos del mismo con el suelo para poder movilizar su carga. Si el suelo es muy rígido y las dimensiones del pilote son grandes con respecto a la carga que se moviliza, los incrementos de esfuerzos en el suelo serán pequeños y las deformaciones también. Esto sin embargo puede resultar en un diseño muy conservador. En suelos blandos, las deformaciones a corto plazo pueden ser grandes.

En la figura 2 se ilustran resultados de pruebas de carga de pilotes hincados en suelos blandos en las que se aprecia el rango de variación de los asentamientos que se producen a corto plazo con la aplicación de las cargas.

Asentamientos Estructura

Pie de gráfico: resultados de pruebas de carga de pilotes hincados en suelos blandos

Crédito: Jorge Alberto Rodríguez.

Adicionalmente, la carga que llega al suelo produce deformaciones a largo plazo en el caso de suelos arcillosos. Esto implica asentamientos adicionales para el sistema de cimentación.

Si son varios pilotes cercanamente espaciados, o muchos pilotes distribuidos en un área grande, se produce una interacción que implica un comportamiento de grupo en el que los esfuerzos sobre el suelo se distribuyen a una masa más grande, lo que genera mayores asentamientos.

Lo anterior se ilustra en la figura 3 que corresponde a mediciones de asentamientos de un tanque de grandes dimensiones en la planta de tratamiento de aguas residuales de El Salitre en Bogotá, cimentado sobre pilotes excavados diseñados con factor de seguridad mayor de 2.0. A pesar de tener una gran capacidad, los asentamientos que ha tenido la estructura con el tiempo son mayores a los que se tendrían para un pilote individual trabajando con el mismo factor de seguridad. Tal comportamiento se habría logrado con muchos menos pilotes dado que el mismo está controlado por las deformaciones del suelo y no por la capacidad de los pilotes.

Las cargas transferidas a suelos profundos por los pilotes producen asentamientos por consolidación a largo plazo. Estos se deben evaluar en adición a los asentamientos a corto plazo que se obtienen de pruebas de carga o del diseño convencional.

Los suelos blandos, como los de Bogotá, implican diseños controlados por las deformaciones admisibles. Los pilotes funcionan casi siempre como inclusiones rígidas, no como pilotes individuales. En este caso, los pilotes transfieren las cargas a estratos más profundos, menos compresibles para disminuir los asentamientos a corto y largo plazo. En estos casos el concepto de FS es inadecuado, antieconómico, e incluso, inseguro.

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.

 

Las cimentaciones sobre pilotes usualmente se diseñan únicamente con criterios de capacidad, sin prestar particular atención a los asentamientos a corto o largo plazo que se puedan presentar.

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Conclusión

Independientemente de si se utiliza el método de FS (factor de seguridad) o el LRFD (diseño por factores de carga y resistencia), es necesario evaluar el comportamiento de las cimentaciones; no es suficiente conocer la capacidad. La evaluación únicamente a partir de un factor de seguridad no permite evaluar el comportamiento. El análisis de desempeño permite optimizar las cimentaciones.

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