preparar un gráfico de tensiones de falla versus diámetro ...
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13 preparar un gráfico de tensiones de falla versus diámetro de placa y extrapolar al diámetro de la cimentación, con lo cual se obtiene la capacidad portante última. Figura 8. Resultados típicos de ensayos en un mismo sitio con diferentes tamaños de placa. Spangler & Handy, 1984. El gráfico de la figura 8, muestra que al disminuir el ancho de base da la placa, B, los valores de Tensión (carga/área unitaria), aumentan, con respecto a un mismo asentamiento, es decir mayor coeficiente de balasto, Ks.
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preparar un gráfico de tensiones de falla versus diámetro de placa y extrapolar al diámetro de la cimentación, con lo cual se obtiene la capacidad portante última.
Figura 8. Resultados típicos de ensayos en un mismo sitio con diferentes tamaños de placa. Spangler & Handy, 1984. El gráfico de la figura 8, muestra que al disminuir el ancho de base da la placa, B, los valores de Tensión (carga/área unitaria), aumentan, con respecto a un mismo asentamiento, es decir mayor coeficiente de balasto, Ks.
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Este proyecto trata del diseño de un equipo que permita la ejecución del ensayo de placa en el fondo de pozos de inspección o de excavaciones para pilas de cimentación con un diámetro típico entre 1.0 m y 1.5 m. El diseño del equipo enfrenta dos retos mayores: el diseño de un sistema de reacción que pueda recibir las elevadas cargas propias del ensayo y el diseño de un sistema de medición y registro adecuado a las extremas limitaciones de espacio del ensayo. Como elemento de partida he adoptado los parámetros de operación del equipo propuesto en la norma española UNE 7‐391‐75 que se encuentra en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros de operación de equipos para ensayos de placa según la Norma Española UNE 7‐391‐75.
Característica evaluada
Deformabilidad Deformabilidad y Resistencia
Resistencia a corto plazo.
Tipo de terreno
Gravas, arenas, limos, arcillas
Gravas, arenas, limos no plásticos
Limos plásticos, arcillas.
Tensión máxima del ensayo
1.5*σ 3*σ ó rotura 3*σ ó rotura
σ: tensión proyectada en el terreno de cimentación.
Número mínimo de etapas del ensayo
6 en carga y 3 en descarga
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Se aumentará la presión sobre la placa a razón de 10 kPa por minuto hasta 3*σ ó rotura
Presión de cada etapa como % de σ
25, 50, 75, 100, 125, 150, 100, 50, 0
25,50,75,100,50,0,100,150,200,250,300
Intervalos de lecturas mínimos en minutos
5 5 a 10 5
Velocidad máxima de deformación para pasar a la etapa siguiente
Menor que 0.01 mm en 5 minutos
5 a 10 5
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3. Elementos de diseño del equipo El equipo para ejecutar el ensayo de placa debe contar básicamente con un sistema de carga controlada que permita aplicar a voluntad carga a la placa, hasta varias decenas de kilonewton, y un sistema de registro de los asentamientos producidos por la aplicación de la carga con una sensibilidad de centésimas de milímetro. El sistema de carga a su vez debe incluir un elemento de reacción capaz de resistir las cargas aplicadas. Las limitaciones más severas en este proyecto son el espacio reducido en el que se debe ejecutar el ensayo y el anclaje del sistema de reacción.
3.1. Sistema de Carga
El sistema de carga es probablemente el elemento más simple del equipo que, estrictamente, se puede reducir a un gato hidráulico de alta capacidad, accionado por una bomba hidráulica y la placa sobre la que se aplica la carga. Los elementos de reacción, por el contrario constituyen una parte importante del problema de diseño. En la Figura 9 se muestra la bomba hidráulica empleada en el proyecto. La Figura 10, muestra la placa de carga. La Figura 11, muestra el gato hidráulico (se observa en la parte inferior de la fotografía de la viga de reacción).
Figura 9. Bomba hidráulica Enerpack, para Presión de trabajo, 70 mPa.
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La solución convencional para proveer el sistema de un adecuado elemento de reacción ha sido utilizar enormes contrapesos acumulados sobre una viga o plataforma de reacción contra la cual se apoya una extensión del gato hidráulico. La solución propuesta en este proyecto es una viga de reacción anclada a las paredes del pozo mediante de un pistón hidráulico lateral con una presion de 100 kN y fijado a rieles fijados con pernos al tubo de concreto de las paredes del pozo, mediante un sistema de transferencia. La viga de reacción ha sido concebida como un elemento empotrado en sus extremos y articulado en el punto de aplicación de la carga concentrada, con el objeto de controlar los movimientos laterales y de rotación del cuerpo de reacción. Figura 10. Placas de carga. El cuerpo de reacción se ancla adosado a las paredes del pozo de inspección por medio de rieles y pernos dispuestos y calculados: recomendado pernos Ft=0.6 fy = 207 kN (Ft = Resistencia Nominal al Cortante ; fy =Resistencia a la fluencia de los pernos); Elementos metálicos fw =300 mPa (fw = Resistencia Nominal por tensión compresión y cortante, AISC Sección 1.17.2); Fp=0.35xf'c (patín, f’c= resistencia a la compresión). Dichos elementos de anclaje se fijaran al concreto de las paredes del pozo de inspección por medio de aditivos especiales, que garanticen su anclaje. En las Figuras 11 y 12 están ilustradas, con sendas fotografías, la viga de reacción y los rieles adosados a las paredes del pozo; en la Figura 12, 13 Izq. y 13 Der. El sistema de transferencia de la viga de reacción a los rieles adosados a las paredes del pozo.
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Figura 11. Viga de reacción.
Figura 12. Rieles adosados a las paredes del pozo.
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Figura 13 Izq. Sistema de anclaje por medio de Figura 13 Der. Pedestales metálicos de acero pernos AISC Sección 1.17.2 y rieles (ASTM 50). ASTM, tipo uña A‐36 y soldadura 7018.
3.2. Elementos de medición Tanto en el sistema propuesto por la norma española UNE 7‐391‐75 y de la normas americanas ASTM Standard D 1196‐93 (1997), AASHTO T 222‐78 y FLORIDA RESEARCH REPORT 68‐B, se propone un sistema externo de referencia, para las medidas de tensiones y asentamientos. Estas se logran por medio de deformímetros, y regletas u otros elementos de referencia externa. Los deformímetros en ambos ensayos requieren de precisiones de 0.01 mm y el manómetro con intervalos de presión inferiores a 1/20 del valor máximo previsto en el ensayo. El sistema de referencia externo debe permitir la medición de desplazamientos del suelo, de las paredes y rieles en el pozo de prueba y desplazamientos (flechas) por deformaciones en la viga de reacción. Esta condición fue suplida mediante el diseño de una plataforma de instrumentación suspendida de la plataforma exterior cuyos apoyos están separados del punto de aplicación de la carga en la viga de reacción. La plataforma de instrumentación permite alojar un péndulo de referencia que a su vez aloja 4 deformímetros fijados a bases magnéticas, las cuales a su vez se apoyan sobre la placa que transmite la carga y siguen los asentamientos del terreno; estos deformímetros pueden cambiarse por sensores de ultrasonido. El péndulo permite además medir los desplazamientos de un punto de referencia externo de la viga de reacción y registrar las deformaciones de los dispositivos de caratula apoyados sobre ella sin afectar las mediciones de esfuerzos. El aspecto general de la plataforma de instrumentación se muestra en las Figuras 14, 15 y 16.
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Figura 14. Plataforma de instrumentación.
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Figura 15. Péndulo y Plataforma de instrumentación.
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Figura 16. Piso plataforma de instrumentación.
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La lectura de los deformímetros se hace mediante un conjunto de cámaras operadas por control remoto, por medio de señales de radio, con la ayuda de rieles y minimotores con variadores. La Figura 17 muestra una de las cámaras posicionada para registrar las lecturas del ensayo.
Figura 17. Cámara operada por control remoto, dispuestas para el registro de datos y observación del ensayo.
La totalidad de la operación se controla y las mediciones se registran a través de una pantalla táctil HMI (Human Machine Interfase), cuyo aspecto se muestra en la Figura 18, con la cual el
operador tiene un completo control del proceso mediante PLC (programación lógica, lógica de máquina), equipo destinado a la captura y procesamientos de las diferentes variables de campo, para ser procesados de acuerdo a una programación definida con el funcionamiento de la máquina.
Esta pantalla permite el cambio de parámetros de una forma directa, de acuerdo a las necesidades del proyecto (lógica de datos binarios a lógica de datos decimal). La pantalla permite la operación manual o automática del sistema, donde su capacidad y programación graba en su memoria, o una memoria alterna (tipo USB), registros históricos hasta 2 meses x 24 horas (de requerirse esta opción).
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Figura 18. Tablero de control con pantalla.
3.3. Plataforma exterior En el exterior del pozo de prueba se instala una plataforma donde se aloja una bomba, que genera las presiones requeridas para el ensayo y aplicadas en la viga de reacción y sobre la placa de ensayo a través de los gatos hidráulicos y el gabinete de electro‐controles donde se monitorea y registra las presiones aplicadas y las deformaciones del suelo; de ella se suspende así mismo el péndulo de referencia con la plataforma de instrumentación. El aspecto general de la plataforma exterior está ilustrado en la Figura 19.
Figura 19. Plataforma exterior.
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El conjunto del equipo diseñado y construido en este proyecto está ilustrado esquemáticamente en la Figura 20.
Figura 20. Esquema de equipo recomendado en el fondo de una cimentación.
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4. Pruebas piloto
El equipo, y sus componentes, fueron probados para verificar la integridad de cada una de
ellas y el funcionamiento del conjunto. Fueron ejecutadas cinco pruebas piloto en el área
urbana de Medellín; dos de ellas en un lote localizado en la Calle 8 con la Carrera 38
(Sector El Poblado-barrio Lleras), y tres en el Edificio San Giussepe, (Barrio Las Acacias-
Laureles), localizado en la Carrera 77 # 33 A 34; ambas localidades en la ciudad de
Medellín. En el primer lote donde se ejecutaron las primeras pruebas, se pretendió
realizar pruebas de resistencia del equipo, y estudiar la viabilidad del diseño, de las
adaptaciones constructivas y de las pruebas. En el segundo proyecto, correspondiente al
Edificio en el Barrio Las Acacias (San Giussepe), una vez fortalecidas las debilidades
realizadas en las dos primeras pruebas, se establecen parámetros de operabilidad
confiables, que permiten registrar adecuadamente y precisamente los parámetros de
esfuerzo-deformación del suelo.
4.1. Proyecto y descripción del edificio San Giussepe Unidad estructural, ubicada en el barrio Las Acacias (Laureles) de la ciudad de Medellín,
en la Carrera 77 # 33 a 34. El edificio proyectado corresponde a 16 pisos y un
semisótano, la altura general del proyecto, corresponde a +46.90 m, contados a partir del
nivel piso acabado sobre el andén de la Carrera # 77 (n.p.a.=+0.00 m arquitectónico). El
área de lote sobre la cual se construyo la estructura corresponde a 767 m², con un frente
aproximado de 22.00 m (por la carrera # 77) y un fondo variable y aproximado de 40 m.
Las pruebas piloto en ambos proyectos, El poblado (Lleras) y Edificio San Giussepe
(Laureles), fueron realizadas, así:
• Ensayo de resistencia de la viga de reacción y elementos de anclaje a 10 m de profundidad y pruebas iniciales de funcionamiento del equipo en el fondo de una excavación circular de diámetro 1.00 m (El Poblado‐Lleras).
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• Ensayo de resistencia de la viga de reacción y elementos de anclaje a 18 m de profundidad y pruebas iniciales de funcionamiento del equipo, en el fondo de una excavación circular de diámetro 1.20 m (El Poblado‐Lleras).
• Ensayo y medición de parámetros carga‐deformación, descarga‐deformación y cálculo de la capacidad de soporte, en una excavación profunda en el horizonte de cimentación, mediante una placa de sección cuadrada de lado 30 cm (Edificio San Giussepe‐Laureles).
• Ensayo, medición de parámetros carga‐deformación, descarga‐deformación y cálculo de la capacidad de soporte en una excavación profunda en el horizonte posterior a la fundación (60 cm por debajo del horizonte de ensayo de la primera placa), mediante una placa de sección redonda de 30 cm de diámetro (Edificio San Giussepe‐Laureles).
• Ensayo, medición de parámetros carga‐deformación, descarga‐deformación y cálculo de la capacidad de soporte en una excavación profunda en el horizonte posterior a la fundación (100‐150 cm por debajo del horizonte de ensayo de la segunda placa), mediante una placa de sección redonda de 45 cm de diámetro (Edificio San Giussepe‐Laureles).
El suelo del terreno del lote primero, ubicado en el sector del Poblado, es un depósito torrencial formado por una matriz limosa y abundantes cantos y bloques de anfibolita que pueden formar el 50% de la masa del suelo. El suelo del terreno del edificio San Giuseppe es un depósito de abanico aluvial formado por una masa de arenas, limos y gravas, con unos pocos cantos de diorita del Batolito de Altavista.
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4.2. Caracterización del sitio de ensayo, edificio San Giussepe Se presentan algunos ensayos realizados primordialmente en el sector de Laureles, edificio San Giussepe, para definir la caracterización del suelo; fundamentados en los actuales perfiles estratigráficos encontrados en el sitio, Tabla 2., así: Tabla 2. Perfiles estratigráficos del suelo en el edificio San Giussepe‐Laureles.
DESCRIPCION DE LOS ESTRATOS DEL SUELO.
1) Superficial y con un espesor de 2.00 m, se encuentra un material de lleno de
suelos orgánicos limo arenoso, arcilloso gris oscuro con vetas cafés.
2) Subyaciendo el estrato se encuentra un lleno en arena limo arcillosa blanda de
color gris con zonas café, plástica. Su espesor es de 1.50 m.
3) Subyaciendo, se encuentra una capa de suelo aluvial de arena limosa con
fragmentos de roca, denso. Su color es café y/o gris, saturado, con granos semi-
angulares a semi-redondeados. Presenta bolas de roca parcialmente meteorizada
(30%), su espesor es de 4.50 m.
4) Subyaciendo, se encuentra una arcilla limosa amarilla, blanda a semidura, con
pintas rojas. Presenta fragmentos de roca parcialmente meteorizada. El espesor
hasta la fecha del estrato es de 3.50 m.
En el sitio, se descubrió una cimentación, la cual se apoyaba en el horizonte de los 4.25
m: las cimentaciones se apoyaron en su mayoría sobre el horizonte de los 4.00 m a 5.00
m, algunas de ellas fueron chequeadas por medio del ensayo SPT. El sondeo de pozo de
inspección y de la perforación, alcanzaron las siguientes profundidades:
SONDEO PROFUNDIDAD ALCANZADA Pozo Inspección #01 11.50 m
P#02 (perforación SPT) 4.00 m
Los asentamientos registrados hasta el momento, por parte de la constructora, eran
menores de 20 mm.
La CARGA DE SERVICIO PARA LA COLUMNA MAS CARGADA = 683 tf (eje C-3).
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S O N 0 MUES TRA S
C U AN TAS S O N = S O N 1 M UES T RA S
N o mb re :P ro ye cto :
L o ca liz ac ió n :F EC H A : 9 d e s ep t iem bre d e 2 01 0
D ESCRI P C IO NM U ESTRAPRO FUN D ID A D 2 m A 2 .5 m
D ESCRI P C IO N D E LA M U ESTRAlle n o e n a re n a li m o a rc i llo sa c o lo r
g ri s c o n z o n a s c a f é .
L IM ITE L IQ U ID O LL = 21 .21% L IM ITE P L A S TIC O (LP ) = 17 .45% IN D IC E D E P L A S TIC ID A D (IP ) = 3 .76% H U M E D A D N A TU R A L (w ) = 14 .73% P A S A M A LL A N o . 20 0 (% fino s ) = 4 .49% IN D IC E D E F LU ID E Z (IL ) = -72 .15% IN D IC E D E C O N S IS TE N C IA (Ic ) = 172 .15% C LA S IF IC A C IO N TIP O U .S .C =C LA S IF IC A C IO N U .S .C . = S C=A re na s a rc illo s a s , me z c la d e
ill# ¡REF!
P A S A M A LL A N o . 40 (% fin os ) = 2 3 .0 7% #¡R E F !P A S A M A LL A N o . 4 (% fino s ) = 7 9 .7 8% #¡R E F !
O B S E R V A C IO N E S G E N E R A L E SG R A N U L O M E TR IC A S (A .S .T.M .) =
C O N G R A N UL O M E T R IA S G E N E R A L E S
A S I: L a m u e s t ra s e C la s if ic a c o m o u n
m a t e r ia l B a jo e n c a s c a jo s , a lt a m e n t e
A re n o s o y c o n u n b a jo p o rc e n t a je d e f in o s Y
P R E D O M IN A N C IA S D E C O N T A M A ÑO E N
S U M A Y O R IA F IN O S (G R A V A F IN A ),
A R E N A S M E D IA S A F IN A S Y B A J O
P O R C E N T A J E D E F IN O S
# ¡R E F !
RELA C IO N ES VO LU M ETRICA S PR O FUND ID AD =2 .5 m # ¡REF !R elac ión de Vac ios , e = 0 .652 NO S E R E G IS T R OP oros idad , ? = 39 .46% NO S E R E G IS T R OVo lum en de Vac ios , Vv = 67 .84 c m ³ NO S E R E G IS T R OP orc en ta je S a turac ión , S = 37 .33% NO S E R E G IS T R OD ens idad Hum eda , Yh (g r/c m ³) = 1 .850 g r/c m ³ NO S E R E G IS T R OD ens idad de S atu rac ión , Ys a t (g r/c m ³) = 2 .249 g r/c m ³ NO S E R E G IS T R OHum edad Na tu ra l (w ) = 14 .73% NO S E R E G IS T R OD ens idad S ec a , Yd (g r/c m ³) = 1 .612 g r/c m ³ NO S E R E G IS T R OD ens idad s um erg ida , Y' (g r/c m ³) = 0 .850 g r/c m ³ NO S E R E G IS T R OHum edad de S a tu rac ión , w s a t (% ) = 39 .46% NO S E R E G IS T R OE s fuerz o Máxim o (C om pres ión S im p le) = N O S E R E A LIZO E L E N S A Y O #¡R E F !
P RO P IED A D ES PR O FUND ID A D =2 m # ¡REF !P E R ME AB IL ID AD E S K (c m /s e g ) = 0 ,0 0 0 0 0 1 -0 ,0 0 0 0 0 0 0 1 # ¡R E F!
C AR AC T E R IS T IC AS P AR A D R E N AJ E = DE PO B RES A IMPERMEA B L ES # ¡REF!G R AD O S D E P E R ME AB IL ID AD = MUY B A JA A PRA CT. IMPERM. # ¡REF!
E L E VAC IO N C AP IL AR h c = En tre 3 5 a 2 0 0 c m # ¡REF!R E S IS T E N C IA AL C O R T E (e n e s ta d o c o m p a c ta d o y
s a tu ra d o ) = B ue na ó R e gu la r # ¡R E F !
E XP A N S IO N (c on res pe c to a la hum ed ad d e e qu il ib rio ) =S UEL O NO TIENDE A EX PA NDIR (W e q ) c o n u n v a lo r d e W e q =0 .4 7 L L + 3 .6 0
=1 3 .5 7 %
P O TE N C IA L D E E XP A N S IO N (H o ltz y G ibb s )= B A JO
% D E E XP A N S IO N (S eg ún S e ed) = 0 % A 1 ,5 0 %
C AR AC TE R IS T IC A P L AS TIC A (S e g ú n Atte rb e rg ) =PO CO PL A S TICO Y PA RCIA L MENTE
CO HES IV O
G R AD O D E P L AS TIC ID AD (S e g ú n B u m is te r) = L IG E R A L IM IT E D E C O N T R AC C IO N D E L S U E L O (L c ) = L c > 13 %
µ = C O E F . FR IC C IO N = 0 ,40 a 0 ,6 0 C L AS IF IC AC IO N T IP O AAS H TO = S U E L O G R A N U L A R
E D IF IC IO S AN G IU S S E P P E .E D IF IC AC IO N D E 16 P IS O S Y S E M IS O T AN O .C AR R E R A 77 # 33 A 34, B AR R IO L AU R E L E S .
PER F O R A C IO N # 02
M UESTR A # 02
SC
M UESTR A S TO M A DA S DE A P IQ UES
M UESTR A S TO M A DA S DE PER F O R A C IO NES
TIPO S DE M UESTR A S R EC U PER A DA S EN EL ESTUDIO DE SUELO S :
Algunos parámetros de las muestras más representativas, encontrados durante la
exploración, fueron llevadas al laboratorio de la universidad Nacional de Colombia
seccional-Medellín, así:
4.2.1. Muestra de 2.00‐2.50 m (Estrato anterior a la realización del ensayo de placa, que va entre los 0.00 m a
4.00 m de profundidad, (nivel piso acabado +0.00 m, se encuentra a -2.00 m, con
respecto al eje vial). Los parámetros de caracterización de la muestra, se
presentan en la Figura 21:
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PARAMETROS DEL SUELO, teóricos. DEL ENSAYO DE CIZALLADURA Y CORTE DE CARGA CONTROLADA, COHESION PICO, C =
11 kPa (VALOR LABORATORIO)
DEL ENSAYO DE CIZALLADURA Y CORTE DE CARGA CONTROLADA, ANGULO DE FRICCION PICO, Ø =
29 º (VALOR LABORATORIO)
COHESION DEL ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE Y DEL ANGULO DE FRICCION, POR FORMULA, C =
NO SE REGISTRO (VALOR DE FORMULA)
COEFICIENTE ACTIVO ESTATICO, Ka = 0.347 COEFICIENTE PASIVO ESTATICO, Kp = 2.882 COEFICIENTE DE REPOSO, Ko = 0.515 COEFICIENTE ACTIVO PSEUDO ESTATICO, KApseudoestático= 0.425 COEFICIENTE PASIVO PSEUDO ESTATICO, KPpseudoestático= 8.788 MODULO COMPRESIBILIDAD VOLUMETRICA, mv Laboratorio= NO REGISTRA MODULO COMPRESIBILIDAD VOLUMETRICA, mv Campo = 0.00208 cm²/kg-f MODULO DE ELASTICIDAD DE CAMPO (laboratorio), Es= NO REGISTRA MODULO DE ELASTICIDAD DE CAMPO, (por N60 SPT), Es= 4800.0 kPa MODULO DE BALASTO, Terzaghi, ARENAS SATURADAS, Ks= 1083.7 ton/m³ MODULO BALASTO Terzaghi, ARENAS HUMEDAS-SECAS Ks= 1814.1 ton/m³ MODULO DE BALASTO, Terzaghi, ARCILLAS SATURADAS, Ks= 669.5 ton/m³ MODULO DE BALASTO, Terzaghi, ARCILLA SECA, Ks= 7439.1 ton/m³ Figura 21. Caracterización general del estrato entre 0.00‐4.00 m, edificio San Giussepe.
4.2.2. Muestra de 4.55‐5.00 m Corresponde al segundo ensayo de carga, realizado con placa de sección circular de diámetro 12” (30 cm), que se realizó en el estrato comprendido entre los horizontes de 4.55 m a 5.00 m. En el estrato, se realizaron los siguientes ensayos para caracterizar el suelo.
Figura 22. Límites de consistencia para la muestra 4.55‐5.00 m, edificio San Giussepe.
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Figura 23. Granulometría por tamizado para la muestra 4.55‐5.00 m, edificio San Giussepe. Según las Figuras 22 y 23, la Clasificación del suelo, por el método U.S.C., corresponde a SM (arenas limosas, mezclas de arena-limo mal gradadas).
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Figura 24. Granulometría por hidrómetro para la muestra 4.55‐5.00 m, edificio San Giussepe. El resultado del análisis, por hidrómetro para la parte fina del suelo, Figura 24, corresponde a suelos relacionados como inactivos.
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Se presenta el grafico de la granulometría combinada de la muestra 4.55 m a 5.00 m, del edificio San Giussepe, Laureles. Figura 25.
Figura 25. Gráfico granulométrico general, muestra 4.55 m a 5.00 m, edificio San Giussepe. En las Figuras 26, 27, 28, 29, 30, 31 y 32, se presentan los resultados del análisis de laboratorio de una muestra entre 4.55 ‐5.00 m, edificio san Giussepe.
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Figuras 26, 27 y 28, ensayo de consolidación (Taylor).
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Figuras 29 y 30, ensayo de consolidación (Taylor).
