Eficiencia de grupos de pilotes sometidos a carga lateral

El trabajo incluye una revisión bibliográfica de estudios de comportamiento teorico y experimental de pilotes sometidos a carga lateral estatica. El comportamiento experimental fue obtenido de pruebas de carga a escala real y proporciona una base solida para la comprensión del problema. De dos de estas pruebas de carga se obtuvieron los datos de pilotes de suelo y para hacer análisis con los métodos de la viga apoyada sobre un medio elástico, el método de curvas p-y  y el de elementos finitos con modelación lineal del suelo. Los cálculos numéricos se compararon con las mediciones experimentales a través de graficas de desplazamientos y momentos flexionantes vs carga lateral. El método lleva curvas p-y proporciono los mejores resultados y modela adecuadamente la distribución de cargas laterales y momentos flexionantes entre los pilotes de un grupo. El método de elementos finitos-elástico lineal modela parcialmente la interacción suelo-grupo y calcula aceptablemente bien la eficiencia del grupo. El método de la viga apoyada sobre un medio elástico calcula resultados semejantes al  de elementos finitos y mejoran al considerar el comportamiento no lineal del suelo.

¿Por qué analizar los pilotes sujetos a carga lateral? Existen varios caos en que se producen cargas laterales sobre estructuras cimentadas sobre pilotes. Algunos ejemplos son: los ciclones que traen consigo fuertes vientos y grandes olas que impactan sobre plataformas petroleras, puentes, muelles, etc. Los sismos hacen oscilar las estructuras provocando fuerzas laterales; los barcos al atracar en los muelles les imponen fuerzas laterales.

En este trabajo se describen brevemente, el comportamiento teórico y experimental de pilotes con la cabeza libre, sometidos a carga lateral, mismos que se compraran con los resultados de tres diferentes métodos de análisis: método de la viga apoyada sobre un medio elástico, de curvas p-y elementos finitos. El trabajo se enfoca en la comparación de la eficiencia de grupos de pilotes con la eficiencia de grupos de un pilote aislado, así como la distribución de cargas laterales y momentos sobre los pilotes de un grupo. La mayoría de las pruebas de carga a escala real han sido realizadas con pilotes con cabeza libre, y es el caso de las pruebas citadas en este texto. Por lo tanto, para poder hacer la comparación con las mediciones experimentales, en los análisis se considero que todos los pilotes, tanto aislados como de grupo, tenían la cabeza libre.

Hetenyi (1946), Poulos (1971 a y b) y Randolph (1981) realizaron estudios teóricos de pilotes cargados lateralmente en los que consideraron al suelo como medio elástico lineal e isótropo. Los tres llegan a ecuaciones sencillas y fáciles de aplicar para calcular el desplazamiento y giro en la cabeza del pilote sin embargo, tienen el inconveniente de que los parámetros que representan  al suelo son constantes, no dependen del nivel de esfuerzos o deformación unitaria que alcance el suelo en cierto instante. Desplazamientos y giros son funciones lineales de la carga lateral y momentos aplicados, y tienen una forma general.

Para el análisis de grupos, Poulos y Randolph, utilizan factores de interacción y el principio de superposición de efectos, valido solo para materiales elásticos-lineales. Además, consideran que la distribución de presiones y momentos flexionantes obtenidos para pilotes aislados es aplicable a los pilotes del grupo.

Poulos (1971), al estudiar la distribución de cargas en un grupo de pilotes, encontró que se concentraban en los pilotes de las esquinas en un arreglo cuadrado de 3x3 y 4x4, mientras que los pilotes del centro eran los que menos carga sostenían, sin embargo todos estos resultados difieren de los encontrados en las pruebas de carga a escala real.

Brown (1987 y 1988), Rollins (1998) y Snyder (2004) realizaron pruebas de carga lateral en grupos de pilotes a escala real en las que encontraron que dentro del grupo los pilotes se repartían la carga de forma diferenciada: la carga que soporta cada pilote depende de la posición de la fila que lo albergue, soportando mayor carga los pilotes que están en la fila delantera y menor carga los de las filas medias y traseras.

Para estudiar el comportamiento de grupos de pilotes bajo carga lateral se usaron tres diferentes métodos de análisis. El método de la viga apoyada sobre un medio elástico, el método de curvas p-y, y el método de elementos finitos. Una descripción completa de los métodos se puede encontrar en Bowles (1974); Wang y Reese (1993)  y Li (1992).

Con base en el método de la viga apoyada sobre un medio elástico, Bowles (1974) elaboro un programa en el que el suelo es modelado por medio de resortes tipo Winkler cuyas constantes se calculan a partir del modulo de reacción.

El método de curvas p-y resuelve con diferencias finitas la ecuación diferencial de una viga cargada vertical y horizontalmente; el suelo es representado por resortes tipo Winkler pero con la diferencia que no son lineales. Dichos resortes ejercen una fuerza lateral sobre el suelo P que depende del desplazamiento Y del suelo.

El método de elementos finitos divide el cuerpo en estudio en pequeñas partes llamadas elementos finitos, mismos que pueden tener diferentes formas. 

El programa utilizado en este trabajo se llama tridimensional elástico-TEST ( Li 1992) utiliza elementos sólidos hexaedros de ocho nodos, que solo para el caso particular de este articulo se les asignaron características elásticas lineales para modelar el suelo a través de los parámetros modulo de elasticidad, relación de poisson  y peso especifico.

Los pilotes son modelados a través de elementos lineales de dos nodos. En tres métodos los pilotes son modelados como vigas y sus parámetros son el modulo de elasticidad, relación de poisson, peso especifico, área transversal y momentos de inercia.