Introducción
Al efectuar el diseño geotécnico y estructural de pilotes sometidos a cargas laterales surge la interrogante de como acoplar el análisis efectuado por el Ingeniero Geotécnico con el diseño que debe desarrollar el Ingeniero Estructural teniendo en cuenta los requisitos sismorresistentes que dictan códigos, tales como el ACI 318-19.
La forma de efectuar este tipo de análisis es mediante el uso de curvas p-y, sin embargo, una parte del análisis es efectuado por el Ingeniero Geotécnico y la otra parte, correspondiente a los requisitos de diseño estructural, es desarrollada por el Ingeniero Estructural.
Visualicemos el siguiente ejemplo de un pilote en arena que estará sometido a la condición de carga reportada y que será resuelto siguiendo el procedimiento de construcción de curvas p-y en arenas según Reese et al (1974) y API Sand RP2A (2010).
Cargas Actuantes
El rango de cargas actuantes sobre el pilote debe ser suministradas por el Ing. Estructural, con la finalidad de efectuar la primera parte del análisis según data reportada en el Estudio Geotecnico.
Para nuestro ejemplo utilizaremos las siguientes cargas actuantes sobre un pilote de 15m de longitud y con un diámetro de 0.80m. Consideraremos una arena uniforme bien gradada (SW) con PU = 20 kN/m3 y ángulo de fricción interna (Φ) de 30º. Las cargas esperadas son:
- Carga Axial en Compresión (kN): 345.22 kN.
- Momento Flector en el tope (kN-m): 35.33 kN.
- Carga Lateral (kN): 50 kN.
Módulo Inicial de Reacción de Subrasante “k”
Se debe seleccionar el valor más apropiado de lo que se conoce como Modulo Inicial de Reacción de la Subrasante “k” (kN/m3).
Para nuestro caso se utilizará un valor de k = 13.9 MN/m3 que corresponde con una arena de densidad relativa de suelta a media con un ángulo de fricción interna de 30º (Ver gráfica). El Ingeniero Geotécnico habiendo desarrollado el estudio geotécnico debe seleccionar el valor mas apropiado según el tipo de suelo, tipo de carga (estática o cíclica), condición de saturación, entre otros.
Fuente: Lpile v.2019 (Technical Manual).
Diseño de Pilotes ante Cargas Laterales con GEO5
Utilizaremos primeramente el software GEO5, el cual le permite al Ingeniero Geotécnico efectuar la primera parte del análisis.
GEO5 v.2022 (Fine Software)
Tras haber completado el análisis se pueden reportar los diagramas de variación de los coeficientes de respuesta lateral con la profundidad, desplazamientos, diagramas de corte y momento. Ver resultados a continuación:
GEO5 v.2022 (Fine Software)
Diseño de Pilotes ante Cargas Laterales con Lpile
Con la finalidad de tener otra fuente de comprobación, utilizaremos la herramienta Lpile v2019 y dejaremos que el software de forma automática asigne el valor del Módulo Inicial de Reacción de la Subrasante “k” para la arena con los mismos datos utilizados en GEO5.
Con esto, el software Lpile reporta la siguiente información: Máxima deflexión lateral del pilote igual a 2.5 mm equivalente al valor reportado en Geo5 (2.55 mm). Se reportan a continuación los diagramas de corte y momento.
De izq a der. Máxima deflexión lateral del pilote, diagrama de corte y diagrama de momento (Lpile v.2019).
Obsérvese que independientemente de la herramienta de cálculo que se utilice, el análisis del pilote por ambos softwares (Lpile y GEO5) arroja los mismos resultados.
Ahora bien, aunque ambas herramientas permiten desarrollar el diseño estructural del pilote, el Ingeniero Estructural muchas veces desea transferir dicha información a cualquier otro software de cálculo estructural, con la finalidad de validar los requerimientos de acero por corte y/o flexión. Para ello utilizaremos el software de cálculo SAP2000.
Diseño de Pilotes ante Cargas Laterales con SAP2000
Según la data obtenida en el análisis mediante curvas p-y es posible reportar dicha información al Ing. Estructural con la finalidad de asignar resortes o “springs” al modelo en SAP2000. El Ing. Geotécnico reporta la siguiente tabla de valores con la finalidad de que el Ing. Estructural pueda asignar la rigidez suelo-pilote al software de calculo estructural.
Tabla desplazamiento del pilote y distribución de fuerzas internas (GEO5 v.2022)
La discretización en el software de cálculo quedará totalmente a discreción del proyectista, sin embargo, es importante destacar que a partir de dicha discretización y del diámetro del pilote, será estimada la rigidez suelo-pilote que será asignada al modelo estructural, tal y como se observa a continuación.
Discretización del pilote en SAP2000
En análisis mas detallados, podemos especificar rigideces verticales a lo largo del pilote debido a fricción y adherencia o rigideces en la punta del pilote según el tipo de suelo que sirve de apoyo al pilote. Para efectos del presente ejemplo se asignan únicamente las rigideces laterales en función del análisis mediante curvas p-y efectuado previamente. El análisis mediante SAP2000 arroja los siguientes resultados:
Resultados del análisis en SAP2000
Diseño estructural según ACI 318-19
Luego de haber efectuado el análisis del pilote ante cargas laterales mediante curvas p-y utilizando el software GEO5 (v.2022) y Lpile (v.2019) y tras haber reproducido dicho comportamiento en el software SAP2000 (v.23.0), el proyectista estructural podrá aplicar los requerimientos de diseño estructural exigidos por el código ACI-318 (2019). En caso de que dicho pilote forme parte de una estructura sismorresistente se deben incorporar los requerimientos de armado y detallado de acero de refuerzo longitudinal y transversal indicados en 18.13.5 (Cimentaciones Profundas).
Conclusiones
El diseño de pilotes ante cargas laterales abarca dos grandes fases, una geotécnica y otra estructural.
Se debe tener pleno conocimiento de cuál es el alcance de las herramientas existentes en el mercado, con la finalidad de diferenciar cuales son los resultados esperados de un proceso de diseño geotécnico, y que información se debería suministrar al Ing. Estructural para completar el diseño estructural.
La metodología de diseño geotécnico y estructural de pilotes y grupos de pilotes ante cargas verticales y laterales forma parte del contenido de nuestro “Curso en Diseño y Construcción de Cimentaciones Profundas".
Durante el curso el participante podrá abordar de forma detallada los conceptos y procedimientos asociados al diseño geotécnico y estructural de pilotes hincados, pilotes excavados vaciados en sitio, pilotes helicoidales, y micropilotes, sometidos a acciones gravitacionales, sísmicas y de viento.
