Paniagua inclusiones rígidas

Walter I. Paniagua

Santa Cruz de la Sierra, Bolivia

Abril, 2013

1. Conceptos generalesa. Definiciones; tipos de inclusionesb. Inclusiónc. Plataforma de transferencia

2. Diseño de inclusiones rígidasa. Métodos analíticosb. Métodos numéricos

3. Construcción de inclusiones rígidasHincadas

de concretode acero

Coladas en sitioCFAPerforación con kellyPilotes de desplazamiento

Comentarios finales

Las inclusiones son elementos de forma cilíndrica

o prismática, no conectados con la estructura, que

pueden colocarse en el suelo recurriendo a

diferentes técnicas

¿Para qué sirven?

Resistencia

Deformabilidad

Permeabilidad

Respuesta dinámica

Tipos de inclusiones, de acuerdo con el procedimiento constructivo

RígidasHincado

aceroconcretomadera

Colado in situcon presiónsin presión

Semi-rígidasSoil mixingJet groutingColumnas de vibro-concretoColumnas de módulo controlado

FlexiblesColumnas de gravaPilas de agregado (Geopiers, Vibropiers)Reemplazo dinámico

Transferencia de carga por arqueoTransferencia de carga por fricción negativa

La relación entre los módulos delsuelo y la inclusión (de variosórdenes de magnitud) no permite unacompatibilidad de deformaciones.

Hay una interacciónsuelo-estructura compleja

Existen cuatro (4) componentes principalesque interactúan entre sí:

La estructura / losa

La plataforma de transferencia

La inclusión rígida

El suelo circundante

El diseño de una solución con inclusionesdeberá incorporar todos los componentes

Nivel neutro

Fricción negativa

Fricción positiva

Esfuerzos de punta

Esfuerzos de punta


2. Diseño de inclusiones rígidasa. Plataforma de transferenciab. Métodos analíticosc. Métodos numéricos


de concretode acero


Comentarios finales

1) La capa de repartición tenga la rigidez suficiente para transmitir la carga de la

superestructura a la cabeza de las inclusiones,

2) No se rebase la capacidad de carga por punta de la cabeza de la inclusión,

3) Que la cabeza de la inclusión no induzca cargas puntuales en la losa de

cimentación,

4) Que la losa de cimentación por si sola cumpla con la revisión de los estados

límite de falla,

5) Que se cumpla con la revisión de los estados límite de servicio.

La plataforma de transferencia (LTP)

- Hecha de material granular compactado- También puede ser de limos / arenas

cementadas o tratadas con cal- Puede tener georedes o geotextiles,

dependiendo del método de diseño- Generalmente de 600 a 1200 mm espesor

- Principal objetivo: Transferir la carga de la estructura a las inclusiones rígidas

Enfoques de diseño:

- FHWA (USA) : Método de Collin (Viga)- British Standard : Membrana (Catenaria) - France ASIRI: Método de arqueo

qs

Todos estos métodos tienen el mismo objetivo: evaluar (Qp) y (qs) en función del espesor (H), ángulo de fricción (F ) y módulo (E)

H

1mCostra

seca

Dq

Cabeza de la

inclusión

Superficie

de falla

s’Ht

qi

Dq

d

g, c, f’

Costra dura

h

Superficie

de fallaCabeza de

la inclusión

qsqs

D

fgf f tan

2sin1

4 sin qh

OCRcd

hqiu

Se basa en la suposición de que la LTP trabaja como viga y transfiere toda la carga superior a lasinclusiones rígidas:

• Requiere un mínimo de tres capas de geotextil• El espesor de la LTP es mayor que la mitad del claro entre inclusiones

/ slab

Se utiliza un enfoque de catenaria:

• El geotextil se coloca directamente arriba de la cabeza de las inclusiones rígidas• El geotextil entre las inclusiones lleva la carga a la inclusión a través de tensión. La tensión en

el geotextil se calcula con la teoría de membranas

Rigidinclusion

Recomienda que el espesor de la LTP sea de cuando menos 1.4 vecesel claro

Britsh Standard German Standard

El programa nacional de investigación ASIRI en Francia ha demostrado que el beneficio de una capa de geotextil es mínimobajo la losa (más benéfico bajo un terraplén, ya que proveeconfinamiento y restricción lateral)

ASIRI propone que se utilice el método de cono de difusión paramodelar la transferencia de carga en la LTP bajo la losa

El ángulo de difusión (F) se asume el ángulo pico de fricción del material de la LTP

De la geometría propuesta, la carga en la inclusión rígida (Qp) y el esfuezo en el suelo (qs) pueden ser estimados y usados paracálculo de asentamientos.

Para tomar en cuenta las interacciones de:

- Transferencia de carga en LTP- Transferencia de carga a lo largo de la inclusión rígida- Asentamiento diferencial entre suelo e inclusión

Métodos• Empíricos• Analíticos• Numéricos

Principio: Remplazar el suelo mejorado con inclusiones por un material homogéneo equivalente

total

columna

sueloinclusionHomog

A

Am

pmpmP

1

sueloinclusionHomog

sueloinclusionHomog

sueloinclusionHomog

mm

cmcmc

EmEmE

ggg 1

1

1

Esta solución es simplista, pero da una buena primera aproximación de los asentamientos. Algunas limitantes:

• Sobrestima la carga en las inclusiones• Subestima los asentamientos• Si la diferencia de rigideces es muy alta, arroja resultados irracionales

Diseño de inclusiones: ecuaciones de Mindlin

Hipótesis: Medio semi-infinito continuo y elástico

Zz KL

fs

Elemento Finito

Diferencias finitas

Elemento distinto

Elementos finitos

Diferencias finitas

3D FDM

Elemento distinto

Diseño de inclusiones: métodos numéricos

Diseño de inclusiones: Método de elemento finito (MEF)

Los modelos axisimétricos se utilizan

comúnmente bajo losas (simetría)

=> Análisis de celda unitaria

Diseño de inclusiones: MEF axisimétrico

Carga = 110ton dmáx = 4.7 [cm]

Asentamiento diferencial con respecto a las zapatas de 1 nivelDd 0.7cm-> g =0.0003 << 0.002

Sim

ula

ció

n d

e 8

incl

usi

on

es

de

4”

de

d

iám

etro

y c

on

ca

bez

al d

e 6

”

a) Capacidad de la

losa de cimentación

b) Capacidad del

grupo de inclusiones

d) Capacidad de la

estructura de la

inclusión

c) Capacidad

individual de cada

inclusiones




de concretode acero


Comentarios finales

Estrato

duro

Pilotes

de fricción

negativa

Cajón de

cimentación

Arcilla

compresible

Pilotes

de fricción

unidos al

cajón

Pilotes entrelazados

Pilotes de fricción (A) + Inclusiones (B)

Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La

Corona” Xalostoc, Edo. México

Costra de arcilla desecada

Arcilla muy blanda I (w>200%)

Arena limosa con gravas muy compacta

Arcilla muy blanda II

Arena limosa muy compacta

Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona”

Xalostoc, Edo. México

Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona” Xalostoc, Edo. México

Silos

Tanques de dodecil

Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona” Xalostoc, Edo. México

Descarga al suelo: 21 t/m2

Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion


Suelos blandos: depósitos aluviales; estratos de materiales granulares y cohesivos con lentes de grava y bolsas de arena licuable.

Prof roca > 1,000 m

Tirante de agua de más de 60 m

Colisión de buques tanque de 180,000 ton, viajando a 16 nudos

Vientos de 250 kg/hr

Sismo de +7.0 Richter; aceleraciones 0.48 g en el fondo marino

200 inclusiones en cada zapata


Deflexión de inclusiones en un modelo de centrífuga


Hincado inclusiones de pilotes de acero Puente Rion - Antirion






de concretode acero


Comentarios finales

En cada silo:

Nº de inclusiones 106Separación 2 m x 2 mDiámetro 60 cmLongitud 22 mConcreto simple f´c=150 kg/cm2

Capa de reparticiónLosa de concreto 0.7 mReforzadoTerraplén 0.8 m

66 edificiosCinco pisos

Mecanismo de transferencia de carga

16.65 m

15.90 m

5 niveles

Losa de cimentación reforzada con contratrabes

PR

OF

. m

Resistencia de punta, kg/cm

PR

OF

. m



PR

OF

. m

PR

OF

. m


A A

-2.500 0.000 2.500 5.000 7.500 10.000 12.500 15.000

-12.500

-10.000

-7.500

-5.000

-2.500

0.000

Vertical displacementsExtreme vertical displacement -664.27*10

-3 m

m

-0.680

-0.640

-0.600

-0.560

-0.520

-0.480

-0.440

-0.400

-0.360

-0.320

-0.280

-0.240

-0.200

-0.160

-0.120

-0.080

-0.040

-0.000

0.040

Arcilla blanda

Lente de arena arcillosa

Arcilla media

Manto rocoso

Arcilla café oscuro

Terraplén Asentamiento máximo 68 cm

A A

-5.000 -4.000 -3.000 -2.000 -1.000 -0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000

-9.000

-8.000

-7.000

-6.000

-5.000

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

-0.000

1.000

Plastic Points

Plastic Mohr-Coulomb point Tension cut-off point

Inclusión

Arcilla

blanda

Lente de arena arcillosa

Arcilla media

Arcilla café oscuro

Terraplén

7.44

8.25

9.06

9.87

10.68

11.49

12.30

13.11

13.92

14.73

15.54

16.35

17.16

Method (6)

Modulus of Compressibility (Iteration)

Settlements s [cm]

Max. s = 17.61 at node 130, Min. s = 7.03 at node 1

Asentamiento máximo 17 cm

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Carg

a A

xia

l (t)

Desplazamiento vertical (mm)

99.7

100.2

100.7

101.2

Dec/05 Mar/06 Jul/06 Oct/06 Jan/07 Apr/07 Aug/07 Nov/07 Feb/08 Jun/08 Sep/08

NIV

EL (m

)

FECHA

Nivelaciones Edificio 59

CENTRO DE EDIFICIO 59

Esquina 2

ESQUINAS EDIFICIO 59

Esquina 3

Esquina 1

Esquina 4

Hundimiento observado: 12 cm < 17 cm calculado

ESQUINA 1

ESQUINA 2

ESQUINA 3

ESQUINA 4

PUNTOCENTRAL

NORTE

100

100.5

101

101.5

Nov/07 Jun/08 Dec/08 Jul/09 Jan/10 Aug/10 Feb/11

NIV

EL (m

)

FECHA

Nivelación Edificio 58

CENTRO DE EDIFICIO 58

Esquina 2

ESQUINAS EDIFICIO 58

Esquina 3 Esquina 1

Esquina 4

ESQUINA 1

ESQUINA 2

ESQUINA 3

ESQUINA 4

PUNTOCENTRAL

NORTE

Hundimiento observado: 11 cm < 17 cm calculado

Planta de Etanol, Navolato, Sinaloa

65238

119910

4299

10045600

3935

11145

8209

2187

6000

6701

7600 1500

15999

6977

6382

232

6687

3201

1500

ARQ. FRANCISCO SAINZ SAINZ

500

139919

29551

10150

1 de Octubre del 2006ARQ. FRANCISCO SAINZ SAINZ

N.S

.C.+

8. 6

49

N. S

.C.+

8.6

7

N.C

.S. +

8. 6

7

N. C

. S. +

8. 6

7N

. C. S

. +8

. 747

CANAL DESAGUE

CANAL DESAGUE278

1500

CA

NA

L S

UB

LA

TE

RA

L D

EL

LA

TE

RA

L F

RA

NC

ISC

O C

AÑ

ED

O

VIA FERROCARRIL

AUTOPISTA

Mov

itel

1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5

H

G

F

E

D

C

B

A

1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5

J

I

K

I

J

A

B

C

D

E

F

G

H

1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5

H

G

F

E

D

C

B

A

1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5

J

I

K

I

J

A

B

C

D

E

F

G

H

KK

0 PARA REVISION

DESTILMEX

0

DESTILMEX

172.9 °

4207

4708

4552

143.7°

143.7°

16936

16484

74.1°

105.9°

105 .9°

7010

11900500 11587

1203 697210000

1500

22000

920012852

314815000

37507503

7270

27669

47331

11677

19055

12009

25782

24605

23535

186802404

28255

8450

3108

8691

1222

6895

11551

1828

3286

8189

419

9970

2685

11945

11810

3133

23004

304

6244

2025

2089

14879

15921

245

10012

1966

13019

3522

7999

960

1276

4765

4633

771

555

700

802

8217

3632

6791

8899

3913

2299

6049

4900

9997

4999

15901

70003360

8301

19106

57127531

2990

100001500

760013300 2700

15001

47701

10522

40000 1500

25946

22613

102981700

8450

29601

47000

10000

106700

19055

CALDERA 1 CALDERA 2

Almacén DDGS

Sembrado arquitectónico

Almacén DDGS

40 x 75 m

3 a 10 t/m2

Sondeos SPT

Propiedades mecánicas de los materiales

Análisis con cimentación superficial -losa

0

5

10

15

20

25

30

35

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Carga uniformemente repartida, en t/m 2

As

en

tam

ien

to,

en

cm

Centro

Mitad largo

Esquina

Análisis con cimentación superficial -losa

Asentamientos con losa de cimentación

AA

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000

-30.000

-25.000

-20.000

-15.000

-10.000

-5.000

0.000

Vertical displacements

Extreme vertical displacement -387.72*10-3 m

m

-0.400

-0.380

-0.360

-0.340

-0.320

-0.300

-0.280

-0.260

-0.240

-0.220

-0.200

-0.180

-0.160

-0.140

-0.120

-0.100

-0.080

-0.060

-0.040

-0.020

-0.000

0.020

Mejoramiento del suelo con inclusiones

Inclusiones

Diámetro 60 cm

Longitud 6 m

Capa de repartición 60 cm

Malla de análisis para inclusiones rígidasA A

-12.000 -10.000 -8.000 -6.000 -4.000 -2.000 -0.000 2.000 4.000 6.000

-12.000

-10.000

-8.000

-6.000

-4.000

-2.000

-0.000

2.000

Connectivities

Limo de baja

plasticidad

Arena limosa

Arena con gravillas

Terraplén

Inclusión

Carga repartida

Variación del asentamiento con la separación de inclusiones y la carga

0

5

10

15

20

25

30

35

2 3 4 5 6 7

Separación centro a centro de inclusiones, en m

Asen

tam

ien

to, en

cm

q=10 t/m2

q=6 t/m2

q=3 t/m2

arreglo de inclusiones tercio medio S = 4 m asentamiento máx 21 cm

tercios exteriores S =5 m asentamiento máx 14 cm

Asentamientos

• Se supone una losa de concreto reforzado con dimensiones

en planta de 40 x 75 m y espesor de 30 cm

• La cargas sobre la losa corresponden a una carga

uniformemente repartida de 3 t/m2 en toda el área más una

carga triangular, alcanzando en conjunto un valor máximo de

casi 11 t/m2 al centro

A = 40.00 [m]

B = 75.00 [m]

2.09

3.06

4.03

5.00

5.97

6.94

7.91

8.88

9.85

10.82

11.79

12.76

13.73

Method (6)


Settlements s [cm]

Max. s = 14.26 at node 410, Min. s = 1.60 at node 1

Configuración de módulos de reacción

A = 40.00 [m]

B = 75.00 [m]

187.0

291.4

395.8

500.2

604.6

709.0

813.4

917.8

1022.2

1126.6

1231.0

1335.4

1439.8

Method (6)


Moduli of subgrade reactions ks [kN/m2]

Max. ks = 1491.6 at node 11, Min. ks = 134.8 at node 21

Construcción de inclusiones

Almacén DDGS

Almacén DDGS

Inauguración de planta de etanol

Soil excavation during penetration

◦ Continuous flight auger

Small φ stem, cast in situ

Large ψ stem, cast in situ

◦ Partial flight auger on steel casing

Prefabricated

Cast in situ

Soil displacement during penetration

◦ Prefabricated pile type (torque < 70 kNm)

◦ Lost auger head + regained casing type

Screwing down

Pulling up

Screwing down (torque 150 – 500 kNm)

Screwing up

First generation

Second generation

Second generation

Third generation

http://terzaghi.rug.ac.be/gallerytest/album25/IV_B2A_02?full=1

http://terzaghi.rug.ac.be/gallerytest/album25/IV_B2A_02?full=1

Pile /

Technique

Country Developer –

Contractor*

Torque

needed

kNm

Diameter

mm

Length

m

First Generation

Atlas Belgium Franki 460-660

De Waal Belgium

USA

De Waal Palen

Morris Shea

310-610 30

Franki VB Germany Franki

Fundex Belgium

USA

Fundex SV

American Pile Driving

450-670 25-35

Pile /

Technique


Contractor*

Torque

needed

kNm

Diameter

mm

Length

m

Second Generation

Screw injection Neetherlands Funderingstechnick 110-550

SVB Germany Jebens 400-670 < 24

SVV Germany Jebens 440 < 20

Tubex Belgium

USA

Fundex SV

American Pile

Driving

Pile /

Technique


Contractor*

Torque

needed

kNm

Diameter

mm

Length

m

Third Generation

APGD USA Berkel 350-460 < 23

Displacement Germany Bauer 250 600 22

Screw pile UK Cementation 300/600

Soil

Displacement

UK Cementation

Discrepile Italy Trevi > 200 300-750 25-30

Omega Belgium Socofonda

T. France Soletanche-Bachy

TSD UK May Gurney 300-600 25

Screw flanges

compact sand

Screw flanges

soft soil

http://terzaghi.rug.ac.be/gallerytest/album25/IV_B2B_09?full=1




Segregation due to use of too dry

concrete

Grooving underside screw flange

Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica

Deep FoundationInstitute

Engineering

Paniagua inclusiones rígidas