Mejoramiento de Pilotes

Este trabajo se trata del comportamiento teórico y experimental de pilotes sometidos a cargas laterales estáticas. El comportamiento experimental fue obtenido de pruebas de carga a escala real y proporcionan una base solida para la comprensión de problema. De dos de estas pruebas se obtuvieron los datos de pilotes y suelos para hacer análisis con los métodos de la viga apoyada sobre un medio elástico. Los cálculos se compararon con las mediciones experimentales a través de graficas de desplazamiento y momentos flexionantes vs carga lateral. El método de 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-elásticos lineal modela parcialmente la interacción suelo-grupo y calcula aceptablemente bien la eficiencia del grupo. Existen varios casos en que se producen cargas laterales sobre estructuras cimentadas. En este trabajo se describe brevemente, el comportamiento teórico y experimental de pilotes con cabeza libre, sometidos a carga lateral. El trabajo se enfoca en la comparación de la eficiencia de grupos de pilotes con la eficiencia de un pilote aislado, asi como la distribución de cargas laterales y momentos entre los pilotes de un grupo. La mayoría de las pruebas de carga a escala real han sido realizadas con pilotes con cabeza libre, 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)-Randolph (1981) realizaron estudios teóricos de pilotes cargados lateralmente  en los que consideraron al suelo como un medio elástico lineal e isotopo. Los tres llegan a ecuaciones sencillas y fáciles de aplicar para calcular el desplazamiento y giro de la cabeza del pilote. 

Para el análisis de grupos, Poulos y Randolph utilizan factores de interacción y el principio de superposición de efectos valido solo para materiales elástico-lineales, además consideran que la distribución de presión 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 pilotes, mientras que los pilotes del centro eran lo que menor carga sostenía. Brown (1987 y 1988), Rollins (1998) y Snyder (2004) realizaron pruebas de carga lateral en los grupos de pilotes a escala real en las que encontraron que dentro del grupo los pilotes se repartían la carga en la forma diferenciada; la carga que soportaba cada pilote depende de la posición de la fila que lo albergue.

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 las curvas p-y y el método de elementos finitos. 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, cuyas constantes se calculan a partir del modulo de reacción ks. El método de curvas p-y resuelve con diferencias finitas la ecuación diferencia de una viga cargada vertical y horizontalmente el suelo es representado también por resortes tipo winkler pero con la diferencia que no son lineales.

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

El análisis de pilotes cargados lateralmente con base en los datos de pilote y suelo proporcionados por Matclok (1970) y Snyder (2004) realizaron los análisis de los pilotes aislados y grupos de pilotes, usando programas para una comparación con los resultados experimentales. El método de curvas p-y es el que mejores resultados proporciona al ajustarse notablemente bien a los perfiles experimentales.

El programa de Bowles y el de elementos finitos, modelando el suelo como elástico lineal, no representan adecuadamente el comportamiento de los pilotes pues se acercan a los resultados experimentales solo cuando la carga lateral esta dentro de un estrecho rango.

Los resultado del método de curvas se ajustaron muy bien a los momentos y desplazamientos experimentales del ensaye de Snyder (2004). Los momentos flexionantes tuvieron una diferencia máxima de 15% del momento máximo.

Para tomar en cuenta el comportamiento no lineal del suelo se programo un procedimiento interactivo que calcula el modulo de reacción en función de la deformación unitaria del suelo. Aunque falta verificar este procedimiento en mas pruebas de carga, en la prueba de Matclok proporciono una mejoría notable en comparación con los resultados conseguidos considerando ks como parámetro lineal. Los grupos de pilotes se analizaron con el método de curvas p-y y elementos finitos. Para el primer método se usaron los multiplicadores de curvas p-y propuestos por Rollins y Snyder. Cabe mencionar que aun hay diferencias importantes entre los multiplicadores propuestos hasta ahora, lo cual indica que hace falta la realización de mayo numero de pruebas de carga para afinar los valores de estos multiplicadores. Además, los multiplicadores han sido obtenidos comúnmente de pruebas de carga donde la separación entre pilotes es igual en la dirección paralela(S) y transversal (S´) a la carga lateral, pero en las graficas de multiplicadores únicamente interviene la separación en sentido paralelo a la carga.

Los análisis de grupo realizados con elementos finitos TEST (se considero al suelo elástico lineal) coinciden parcialmente con los resultados experimentales.

Para confirmar que la eficiencia de un grupo depende no solo de la separación entre los pilotes, del numero y del nivel de carga alcanzando, sino también de la distribución o configuración que tengan, se hicieron dos análisis con grupos de 14 y 16 elementos con igual carga promedio pero distinta configuración dentro de una misma área. Como puede inferirse, para mejorar el funcionamiento de la cimentación se debe buscar la distribución mas adecuada.

El estudio del comportamiento de pilotes revela que los pilotes aislados son mas eficientes entre carga lateral que los pilotes actuando en un grupo. Se llegan a tener eficiencias de hasta 50% en el caso de grupos grandes de pilotes. Dentro del grupo hay una distribución diferenciada de cargas por filas. La fila delantera es la que soporta la mayor cantidad de carga, de 75 a 100% de lo que soporta un pilote aislado con el mismo desplazamiento. Las filas media y trasera soportan entre 50 y 75% de lo que un pilote aislado. Es decir, en una cimentación real no basta agregar pilotes para resistir la carga lateral, sino que hay que revisar el comportamiento del grupo teniendo especial cuidado en la distribución de los pilotes y su separación centro a centro.

Realizado por: Marianyela Becerra Castro; CI: 23.545.112.