Cimentacion Por Pilares o Pilas

 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPOR  TRA NSPORTE TE

CIMENTACION CIMENTACION POR PILARES O PILAS INTRODUCCION En ocasiones, cuando comenzamos a realizar la excavación para la ejecución de una obra, podemos encontrarnos diversas dificultades para encontrar el estrato resistente o firme donde queremos cimentar, o simplemente se nos presenta la necesidad de apoyar  una carga carga aisla aislada da sobre sobre un terren terreno o sin firme firme o difíci difícilme lmente nte accesi accesible ble por métod métodos os habituales. En estos casos se recurre a la solución de cimentación profunda, que se constituye por  medio medio de muros muros vertic verticale ales s profun profundo dos s los muros muros panta pantalllla a o bien bien a base base de pilare pilares s perforados en el terreno. En cualqu cualquie ierr caso caso el objeti objetivo vo es adopta adoptarr una soluci solución ón constr construc uctiv tiva a que rena rena las siguientes condiciones! condiciones! •

"acilidad en la ejecución

•

#arantía en el comportamiento comportamiento resistente

$uando la relación que existe entre la profundidad y el ancho de la base de un cimiento es mayor que %, calificamos a la cimentación como profunda. &enomina &enominamos mos pilares pilares a un soporte soporte

normalme normalmente nte de hormigón hormigón armado armado de una gran

longitud en relación a su sección transversal que puede construirse 'in situ 'en una cavidad abierta en el terreno. $onstituye un sistema constructivo de cimentación profunda al que denominaremos, denominaremos, cimentación por pilares.

DEFINICIONES 

En la ingeni ingenierí ería a de ciment cimentaci acione ones s el términ término o pila pila o pilare pilares s se defin define e como como un miembro estructural subterr(neo que tiene la función que cumple una zapata, es decir transmitir las cargas que soporta al suelo. )in embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación con respecto a la base de las pilas es por lo general mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es menor que la unidad.

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*as pilas son elementos estructurales colados en situ, que presentan una sección trasversal considerable y que se encargan de transmitir la carga proveniente de la superestructura superestructura +edificación, puente, etc, a un estrato que que sea capaz de soportarla. soportarla. *a rela relaci ción ón entr entre e la prof profun undi dida dad d de cime ciment ntac ació ión n y el anch ancho o de la pila pila es generalmente mayor que cuatro.



*as *as pila pilas s son son fund fundac acio ione nes s prof profun unda das s de gran gran capa capaci cida dad d de carg carga, a, que que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. *as pilas tiene usualmente sección transv transvers ersal al circul circular ar u oblon oblonga ga y por por lo genera generall llevan llevan armadu armadura ra longi longitud tudin inal al y transversal.



)egn )egn el -E -E E/0%0, E/0%0, articu articulo lo 12 nos indica indican n que los pilare pilares s son son elemen elementos tos estructurales de concreto vaciados 'in situ3 con di(metro mayor a 4 m, con o sin refuerzo de acero y con o sin fondo ampliado.

CARACTERISTICAS 

*os pilares se fabrican directamente en el subsuelo por los que se les conoce como elementos fabricados en situ.

Figura 01: Pilares Fabria!"s e# Si$u 

*os pilares tienen usualmente usualmente sección transversal transversal circular circular u oblonga oblonga y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. )u di(metro varía entre 0.5 y 6.0 m.

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Figura 02: Pilares !e F"r&a Cirular 

7ueden resistir cargas axiales superiores a las %00 8on e incluso alcanzan las 4000 8on. )u altura promedio es de 6% m. pudiendo construirse baja el nivel fre(tico.



)oportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexión. )u construcción no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones vibraciones por lo cual se pueden ubicar próximas a linderos.

Figura 0': Ti("s !e ar&a!uras !e#$r" !e l"s Pilares 

)e pueden presentar dos opciones en la armadura transversal! *a solución 9 con los cercos tradicionales separados una distancia ) segn la figura que se muestra

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 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPOR  TRA NSPORTE TE a continuación y la solución : mediante una armadura transversal helicoidal. *a armadura transversal ir( atada o soldada en todos los cruces con la principal.

TIPOS DE PILARES *as pilas perforadas se clasifican de acuerdo con la manera en que se dise;an para trasferir la carga estructural al suelo, y son las siguientes!

PILA PERFORADA RECTA Extendida a través de la capa superior de suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato de suelo o roca con capacidad de carga.

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Figura 0): Pilar (er*"ra!a re$a

PILA ACAMPANADA: $onsiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. *a campana se construye con forma de domo o de escarpio. 7ara campanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles forman (ngulos de 60< a =%< con la vertical.

Figura 0+: Pilar Aa&(a#a!a

PILA EMPOTRADA EN ROCA *os pilares rectos también se extienden hasta estrato de roca. En el c(lculo de la capacidad de carga de tales pilares, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del perímetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideración, sito de lograr la estabilidad del conjunto.

PARTES DE UNA CIMENTACION POR PILARES )oporte o pilar ! Elemento estructural vertical , que arranca del encepado

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 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPORTE Encepado! 7ieza prism(tica de hormigón armado similar a una zapata aislada, encargado de recibir las cargas del soporte y repartirlas a los piares. >igas riostras! Elementos de atado entre encepados. )on obligatorias en las dos direcciones si el encepado es de un solo pilar. En encepados de dos piares es obligatorio el arriostramiento en al menos una dirección, la perpendicular a la dirección de su eje de menor inercia. "uste del pilar! $uerpo vertical longitudinal del pilar. *as cargas son transmitidas al terreno a través de las paredes del fuste por efecto de rozamiento con el terreno colindante. $ampana! Extremo inferior del pilar. 8ransmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente 8erreno $ircundante

Figura 0,: Par$es !e u#

*os pilares pueden alcanzar profundidades superiores a los =0 mts teniendo una sección transversal mayores a 4m. 7udiendo gravitar sobre ellos una carga de 4000 8n *a eficacia de un pilar depende de! 

El rozamiento y la adherencia entre el suelo y el fuste del pilote

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+

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*a resistencia por punta en el caso de transmitir compresiones ante posibles esfuerzos de tracción, se puede ensanchar la parte inferior del pilar de forma que trabaje el suelo superior.



*a combinación de las dos anteriores

APLICACIONES El empleo de cimentaciones mediante pilares est( indicado en los siguientes casos! •

•

•

•

•

$uando la carga transmitida por las estructuras no puede ser distribuida en el terreno de forma uniforme mediante el empleo de sistemas de cimentación directa como zapatas o losas. $uando el nivel del firme no puede ser alcanzado de forma sencilla o se encuentra a gran profundidad $uando los estratos superiores del terreno son poco consistentes hasta cotas profundas , contienen gran cantidad de agua o bien se necesita cimentar por debajo del nivel fre(tico $uando se prevea que los estratos inmediatos a la superficie de cimentación pueden determinar asientos imprevisibles de cierta importancia )i se quiere reducir o limitar los posibles asientos de la edificación

METODOS DE DISEÑO 

METODO CHICAGO 7ara éste, se excavan manualmente agujeros circulares con di(metros de 6.% pies +4.4 m o mayores a profundidades de 1/? pies +0.?/4.5 m. *os lados del agujero excavado se forran entonces con tablones verticales, mantenidos firmemente en su posición por dos anillos circulares de acero. &espués de colocar los anillos, la excavación se contina por otros 1/? pies +0.?/4.5 m. $uando se alcanza la profundidad deseada, se procede a excavar la campana. $uando se termina la excavación, el agujero se rellena con concreto.

METODO GOW: En el método #o@ de construcción el agujero se excava a mano. "orros met(licos telescópicos se usan para mantener el barreno. *os forros son retirados uno a la vez

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 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPORTE conforme avanza el colado. El di(metro mínimo de una pila perforada #o@ es de aproximadamente = pies +4.11 m. $ualquier sección del forro es aproximadamente 1 pulgs +%0 mm menor en di(metro que la sección inmediatamente arriba de ella. 7ilas de hasta 400 pies +60 m se logran con este método.

*a mayor parte de las excavaciones se hace ahora mec(nicamente y no a mano. *as barrenas helicoidales son herramientas comunes de excavación, que tienen bordes o dientes cortantes. 9quellas con bordes cortantes se usan principalmente para perforar suelos blandos y homogéneosA aquellas con dientes cortantes se usan en suelos o lechos duros. *a barrena se conecta a una flecha cuadrada llamada Belly que se hinca en el suelo y se hace girar. $uando la hélice est( llena con suelo, la barrena se levanta por arriba de la superficie del terreno y el suelo se descarga haciendo girar la barrena a alta velocidad. Esas barrenas se consiguen en varios di(metrosA a veces son tan grandes como 40 pies +6 m o mayores. $uando la excavación se extiende hasta el nivel del estrato de carga, la barrena se reemplaza, en caso necesario, por herramientas ensanchadoras para formar la campana. Cn trépano ensanchador consiste esencialmente en un cilindro con dos hojas cortadoras articuladas a la parte superior del cilindro +figura 40.6. $uando el trépano se baja en el agujero, las hojas cortadoras permanecen plegadas dentro del cilindro. $uando se alcanza el fondo del agujero, las hojas se despliegan hacia afuera y se hace girar el trépano. El suelo suelto cae dentro del cilindro que es elevado y vaciado periódicamente hasta que se termina de formar la campana. *a mayoría de los trépanos llegan a cortar campanas con di(metros tan grandes como tres veces el di(metro de la flecha.

Dtro dispositivo cortador muy comn es el taladro tipo cucharón. )e trata esencialmente de un cuchar(n con una abertura y bordes cortantes en el fondo. El cuchar(n se une al Belly y se hace girat El suelo suelto se recoge en el cucharón que es elevado y vaciado periódicamente. 9gujeros de hasta 4?0 45 pies +%/%.% m de di(metro se perforan con este tipo de equipo. $uando se encuentra roca durante la perforación, se usan barriles de extracción con

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 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPORTE dientes de carburo de tungsteno. *os barriles de granalla también se usan para perforar en roca muy dura. El principio de extracción de roca por medio de un barril de granalla se muestra en lafigura 40.=. E v(stago de perforación se conecta a la placa del barril de granalla, el cual tiene algunas ranuras a través de las cuales se suministran granallas de acero al fondo del agujero perforado. *as granallas cortan la roca cuando el barril es girado. 9 través del v(stago se suministra agua al agujero perforado. *as partículas finas de roca y acero +producidas por el molido de las granallas son lavadas hacia arriba y se asientan en la parte superior del barril. *a m(quina :enotcF es otro tipo de equipo perforador generalmente usado cuando las condiciones de perforado son difíciles y se encuentran muchos boleos en el suelo. $onsiste esencialmente en un tubo de acero que oscila y se empuja en el suelo. Cna herramienta llamada cuchara perforadora, provista con hojas y quijadas cortadoras, se usa para romper el suelo y la roca dentro del tubo y luego retirarlos.

EQUIPOS DE CONSTRUCCION  *a oferta de maquinaria existente en el mundo para la construcción de cimentaciones profundas es sumamente extensa, ya que actualmente podemos identificar

un

nmero considerable de empresas con una gran variedad de modelos diferentes y dedicadas a la construcción de este tipo de cimentaciones. $on fines de mayor  claridad, se describir( el equipo de maquinaria b(sico y m(s utilizado en Géxico, con el objeto de tener clara

la aplicación de cada uno de éstos en los diferentes

procedimientos constructivos. 7ara efectos de ejemplificación, se muestran aleatoriamente equipos de diversos fabricantes que se consideran representativos. El equipo necesario para la construcción adecuada de las pilas en sus diferentes etapas, es el siguiente! H

Equipo de perforación

- 7erforadoras rotatorias - 7erforadoras de circulación inversa PILAS O PILARES

.

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- 7erforadoras por percusión -  9lmejas H

#ras

H

Ierramientas de perforación

H

Equipo menor y auxiliar 

- >ibrohincadores - &esarenadores - Equipos para fabricación de lodo bentonítico - )oldadoras - :ombas 7uesto que las situaciones y condiciones en las que cada obra se desarrolla son distintas entre sí, la variación de los recursos disponibles en el entorno y la variación de las características del subsuelo en el que se ejecutar( la obra, también lo son. Esto influye directamente en la logística, desde la producción +rendimiento, hasta los procedimientos m(s especializados. Es por esto que la selección del equipo adecuado para las condiciones específicas de cada proyecto juega un papel fundamental en todo el procedimiento constructivo, no sólo de la construcción de pilas de cimentación profunda, sino en la construcción en general.

1.1.1 EQUIPO DE PERFORACIÓN El equipo de perforación es una parte vital en el éxito de la construcción de pilas de cimentación, y para la correcta selección de éste se deben analizar las especificaciones de proyecto. En éste se describen las características y propiedades del subsuelo, o en su defecto, se indican las consideraciones que se tienen que hacer  respecto al mismo, ya sea la implementación de estudios, la referencia a estudios preexistentes o la adjudicación total de responsabilidades al cliente. *a elección de la m(quina perforadora est( en función de las siguientes variables! H

Las propiedades de los diferentes estratos por los que atravesará la  perforación. Esto influye directamente en los rendimientos esperados, pues las fuerzas necesarias para perforar un suelo no ser(n las mismas que las necesarias para perforar roca.

H

La profundidad de excavación. Existen diferentes sistemas de trabajo en los equipos de perforación existentes, sin embargo, todos tienen un límite en su

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 MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE  TRANSPORTE capacidad que depende del alcance físico de la herramienta de ataque, del procedimiento constructivo y del tipo de material excavado. H

Diámetro de perforación. *os equipos especializados y la herramienta de perforación existentes para la ejecución de perforación de pilas, tienen diferentes límites m(ximos del di(metro, los cuales son indicados por el fabricante.

H

El área o espacio disponible en el lugar de ejecución . *as m(quinas de perforación, como la mayoría del equipo de construcción mediano y mayor, necesita de cierto espacio libre de maniobra para funcionar correcta y eficazmente.

H

Los recursos económicos. Ioy por hoy existen en el mercado una considerable cantidad de equipos de perforaciónA no obstante, no todos los ellos tienen las mismas características de calidad y precisión, habiéndolos en consecuencia, de distintos valores económicos.

Perforadora ro!a!or"a El constructor como especialista en la materia tiene la obligación de conocer yJo investigar los datos necesarios para la correcta ejecución y comportamiento de la obra. *as perforadoras rotatorias son las m(s recurridas en la construcción de pilas, ya que los métodos aplicables en la mayoría de los suelos, fuera de condiciones muy específicas, son ejecutados con este tipo de m(quinas. &entro del grupo de las perforadoras rotatorias, se encuentran las perforadoras con sistema de Kelly y las de hélice continua +a estas ltimas es comn llamarlas $"9 en el argot de la construcción, por sus siglas en inglés! $ontinuous "light 9uger.

Perforadoras con sistema de Kelly  *a maquinaria de perforación con Kelly + kelly bar ! barretón, +ver Fig.   es aplicada en la construcción de pilas en general, de peque;os y grandes di(metros y peque;as y grandes profundidades. &ependiendo de sus funciones, la pilas pueden ser de concreto reforzado +con jaulas de acero, perfiles met(licos, mixtos y otros, para mejoramiento de suelo, pilas de compresión +sin acero de refuerzo, pozos de bombeo, de filtración, entre otros.

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Fi! "! Perforadora rotatoria con sistema de #elly $%&UER' *a perforación con perforadoras rotatorias con Kelly es llamada de esta manera gracias a que el Kelly, o barretón, es la pieza clave para este método de perforación, el cual, como se describe m(s adelante, es una barra telescópica que transmite el torque suministrado por la rotaria +también llamada mesa rotatoria, a la herramienta de corte. &icha rotaria est( acoplada al m(stil o torre, sobre el cual se desliza. Este m(stil est( firmemente unido a la m(quina portante y, en conjunto con las poleas, malacates y cables, proporcionan la fuerza necesaria para llevar acabo su función. $on este equipo de perforación el suelo que est( siendo excavado es cortado y removido a través de la aplicación de un empuje vertical y al mismo tiempo una fuerza de rotación +torque. Existen los equipos de perforación con Kelly con m(quina portante propia, de perforación con Kelly montado sobre gra y perforación con Kelly sobre camión +ver Fig.!A cabe mencionar que las m(s socorridas son las de m(quina portante propia sobre orugas, pues tienen la mayor capacidad de torque y robustez. )us componentes principales se ilustran en la Fig.".

Fi! (! Partes )rinci)ales de )erforadora rotatoria con sistema de #elly y m*+,ina -ase  )ro)ia $.,delmaier and K/fner "001'

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Fi! 2! I3+,ierda4 Perforadora rotatoria con sistema de #elly montada so-re cami5n $S)iradrill'6 Derec7a4 Perforadora rotatoria con sistema de #elly montada en r8a

Perforadoras con 79lice contin8a *as perforadoras rotatorias con hélice continua poseen un tornillo sin fin de longitud equivalente a la de la profundidad a perforar, el cual va unido a la rotaria, y ésta, al deslizarse a lo largo del m(stil con fuerzas de empuje vertical y rotación simult(neas, introduce la hélice en el subsuelo hasta la profundidad de proyecto *a extracción de la hélice se hace sin giro algunoA ésta y el material alojado en toda su longitud, son extraídos de manera cuidadosa, ya que el mismo concreto o mortero es introducido a través del alma de la hélice de manera que el hueco dejado por la hélice y el suelo extraídos, sea rellenado por dicho material. 7ara aplicar este método de perforación es necesario contar con equipos que proporcionen una gran capacidad de fuerza de extracción y de torque, ya que son requeridas para poder excavar, como ya se mencionó, de manera continua la perforación, venciendo la alta fricción que se produce entre la hélice y el suelo y para soportar el peso que representa el material excavado junto con la hélice. 8odas las fuerzas de tensión, compresión y torsión que se presentan a lo largo del proceso deben ser disipadas o absorbidas por el m(stil, que a su vez las transmite a la m(quina base, d(ndole estabilidad al conjuntoA es por eso que para este método de perforación se necesitan m(quinas considerablemente robustas y pesadas. $omo se describe en la parte de '7rocedimientos de 7erforación3, la aplicación de este método se traduce en un alto ahorro de tiempos y maniobras, lo que representa una satisfactoria relación costo/beneficio en la producción de pilas de cimentación. *as partes principales de la m(quina perforadora con hélice continua se ilustran

Fi! :! Partes )rinci)ales de )erforadora rotatoria con 79ice cont;n,a $.,delmaier and K/fner "001'

Perforadora de #"r#$%a#"&' "'(era Este tipo de equipos opera con el sistema o principio air/lift, el cual fue ideado en sus principios para el desarrollo de pozos de agua y ahora se ha convertido en un método aplicable en perforación de pilas, principalmente en presencia de agua y a grandes profundidades. Estos equipos pueden alcanzar profundidades mayores a los 400 m. El sistema de perforación para grandes profundidades normalmente consiste en una unidad perforadora, barras de perforación y herramientas de corteA adicionalmente se debe contar  con un compresor y una planta de lodoJfluido. Estabilizador. *a unidad perforadora conduce la acción de giro a las barras de perforación, las cuales a su vez la transmiten a la herramienta de corte +cabeza cortadora Fig. # . El sistema air/lift consiste en introducir aire comprimido en el extremo inferior de la tubería de perforación, donde se produce un efecto de succión y entonces el material producto de corte, en suspensión, es transportado hacia la superficie. 7or arriba de la unión entre la herramienta de corte se inyecta el aire comprimido

y, a través de orificios especiales que posee dicha herramienta, se produce el flujo del material hacia la superficie. *a característica principal de este sistema es el transporte o extracción continua del material perforadoA es decir, la mezcla fluido/suelo es empujada desde el fondo hacia la superficie a través de la tubería de perforación.

Fi! ! and Paredes n!d!'

Perforadora )or )er#$"&' *a perforación por percusión + Fig. $  es un método poco usado en la perforación de pilas de cimentación, puesto que est( dise;ado para penetrar importantes longitudes en roca y roca de alta resistencia. Existen de diversos tama;os, desde equipos tipo martillo que pueden ser  manejados por un operador sin necesidad de equipo portante, hasta las m(quinas que necesitan de una gra o tracto camión para funcionar. El sistema o método de perforación con este tipo de equipos, est( basado en la desintegración de la roca a través de impactos repetidos con un cabezal, sobre la herramienta de corte. El equipo es literalmente hincado o amartillado en la roca, de manera que la destroce en pedazos. *os di(metros alcanzados por este equipo son muy limitados.

Fi! ?! Perdoradora de )erc,si5n

A%*e+a &esde principios del siglo LML se han usado excavadoras equipadas con almejas mec(nicas para la ejecución obras

civiles.

9ntes

de

que

de

las perforadoras de alta

eficiencia fueran creadas, las perforaciones eran hechas con la aplicación de almejas mec(nicas de excavación +en excavaciones secas, es decir, sin un nivel de aguas fre(tico presente. Este método de excavación es cada vez m(s usado en la construcción de ciertos tipos de cimentaciones profundas, gracias al desarrollo de gras cada vez m(s potentes y almejas mejor dise;adas. Ioy en día, los equipos de

caída

libre,

como

las

almejas,

son raramente

utilizados en la construcción de pilas de $imentacion, solo bajo condiciones muy especificas

Fi! 1! &lme@a cil;ndrica $AIE%.ER  R'

$imentación, sólo bajo condiciones muy específicas, razón por la cual no se describir( a gran detalle su procedimiento constructivo.*a almeja para construcción de cimentaciones sigue el mismo principio que cualquier almeja +utilizada comnmente en la construcción de zanjas como muros Gil(n, funciona aflojando y extrayendo material del subsuelo y siempre necesita ser 'montada3 en una gra + Fig. %.)u costo es considerablemente menor al de una perforadora rotatoria. Dtro aspecto importante en su elección, es la composición del suelo, pues este tipo de equipo podría penetrar o atravesar obst(culos con la fuerza de su caída libre, como suelos con alto contenido de boleos.$on las almejas se pueden también excavar pilas de sección rectangular, oblonga o combinación de estas secciones.

Gr,a )on m(quinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para ello con un sistema de malacates que acciona a uno de los varios cables montados sobre una pluma y cuyos extremos terminan en gancho. 7ara facilitar su función, la unidad motriz y los diferentes mecanismos de la m(quina permiten girar alrededor de un eje vertical y a la pluma moverse en un plano vertical. 7ueden ser fijas o móviles. $uando la gra es móvil, puede trasladase por sí misma, sobre orugas o ruedas dispuestas para tal fin. *as plumas de las gras pueden ser rígidas + Fig. &' , cuando est(n formadas por estructuras modulares +de tubo o de (ngulo estructural, o bien telescópicas cuando est(n formadas por elementos prism(ticos que deslizan unos dentro de otros. Estas ltimas no se mencionar(n m(s ya que su aplicación es menos socorrida en al utilización de equipos de cimentaciones profundas. *as plumas rígidas se integran por una base que se apoya

Fi! B0 ! r8a de )l,ma $AIE%.ERR'

r;ida

mediante articulación en el cuerpo de la gra

7ara la construcción de cimentaciones profundas se usan generalmente gras móviles de pluma rígida, aunque es importante puntualizar que cada proyecto es diferente, por lo que se tienen que estudiar los requerimientos de cada obra y las características del medio para la correcta elección del equipo. *as gras tienen distintas funciones en el procedimiento constructivo de estos elementos de cimentación profunda, bien sea para montar sobre ellas equipo especializado de las características que m(s adelante se describen +en cuyo caso funcionar(n como equipos portantes de almejas, vibrohincadores o la perforadora en sí, o bien, para ejecutar  maniobras especiales y necesarias durante la ejecución de la obra +izaje del acero, colado de la pila con tubería 8remie, etc. *a selección del tipo de gra depender( de la función que el ingeniero planeador le asigne durante la construcción. *as variables que se toman en cuenta son!



Longitud de pila y densidad de acero. *a longitud del armado de una pila de cimentación es la variable primordial en la elección de la gra. *a razón de esta importancia no sólo reside en la capacidad de la gra para soportar o cargar las varias toneladas que un armado pueda pesar, sino las dificultades que pueda representar el manejo de un armado sin deformarlo o romperlo, dej(ndolo inservible y representando una pérdida o costo en todo lo que conlleva +material, mano de obra, tiempo, etc.. -azón por la cual el conocimiento de la densidad de acero toma un papel importante en las maniobras de izaje, por ejemplo, es f(cil inducir que no es lo mismo izar un armado para una pila de 40.0 m y 4.0 m de " di(metro con una densidad de 100 kg(m , que pesa 4.? ton, que izar la misma pila, pero esta vez con  una densidad de acero de 400 kg(m

"

cuyo peso sería de

0.25 ton. 

Espacio disponible para movilidad.

Esta variable sólo depende del (rea

disponible en una obra para la movilidad del equipo, es decir, las gras necesitan de un espacio libre mínimo para maniobrar, como radios de giro, radio de izaje de la pluma, alcances, ancho de orugas, altura de cabina y plataformas de trabajo estables y capaces de soportar el peso del equipo completo m(s la carga.

"ro/"'#adore

*os vibrohincadores son equipos dise;ados para llevar a cabo el hincado o extracción de ademes met(licos, tubos, perfiles de acero o tablestacas en el suelo, con la acción din(mica de un generador de vibraciones. El equipo est( conformado por una fuente de poder o 'centralita3, que es el generador de la potencia, formada por un motor de combustión interna, generalmente diésel, que acciona un generador eléctrico o bombaIidr(ulica.*a segunda componente es el martillo, el cual es el cuerpo vibratorio en sí, y contiene las mordazas hidr(ulicas que funcionan para sujetar el tubo, ademe o tablestaca durante su hincado o extracción +ver Fig. &&. Ioy en día existen en el mercado vibrohincadores que permiten variar la frecuencia y amplitud de la vibración, lo cual mejora la velocidad de penetración.El procedimiento para el hincado de un ademe met(lico, inicia cuando el martillo vibrohincador se amordaza a los bordes superiores del mismo. &espués de que las mordazas hidr(ulicas lo tienen asegurado, se posiciona verticalmente sobre el sitio indicado y comienza la vibración y la penetración hasta la profundidad de proyecto. El hincado se realiza por medio de la vibración, el peso propio del ademe y el peso propio del martillo vibrohincador.

Deare'adore *os desarenadores son empleados para la remoción de partículas de suelo en los lodos de perforación y en la desarenación de los fluidos o lodos de estabilización utilizados en la construcción de cimentaciones profundas.

*os lodos pueden ser de agua/bentonita,

agua/polímero, agua/cemento y bentonita en suspensión. *o principales componentes de una planta desarenadora son! la malla vibratoria, para retener partículas mayores de %.0 mmA el tanque de almacenaje de la malla vibratoriaA hidrociclones, los cuales remueven las partículas m(s finas en suspensiónA la malla de deshidratación, la cual abstrae el agua de los sólidos separados por el hidrociclón. Esto se muestra en la Fig. &.

Fi! B"! Desarenador $%&UER Masc7inen "0BB'

Me0#%adora )ara far"#a#"&' de %odo e!a"%"0adore *os sistemas y equipos que se utilizan para el mezclado est(n integrados por una o varias bombas que permiten recircular el lodo. *os tipos de mezcladores m(s comunes son los de chiflón y los coloidalesA aunque actualmente los hay de mezclado de alta frecuencia. En el primer y segundo caso, es importante y recomendable que la bentonita tenga un estado de reposo previo al mezclado, con la finalidad de que la hidratación mejore la viscosidad y el agua libre disminuya. En el tercer caso el lodo producido ya est( hidratado y puede ser utilizado de manera inmediata.

O#"%adora

*a osciladora, o entubadora, es un accesorio que se utiliza especialmente para el manejo de ademe met(lico + Fig. Fi! B(! Osciladora $AIE%.ERR'

&"A poseen una capacidad de torque y de fuerzas de empujeJextracción

mucho

perforadorasA

aplicación

su

mayores ocurre,

que por

las lo

de

las

general,

cuando la capacidad de las perforadoras no les permite manejar los ademes a la profundidad que el proyecto requiere. )u funcionamiento requiere de una fuente de poder  hidr(ulica, ya sea independiente +'centralina3 o proveniente de la base de las perforadoras. $onsiste de   dos aros de gran robustez, uno superior y otro inferiorA en   el superior  existen unas mordazas las cuales aprisionan al ademe mediante unos 'gatos3 hidr(ulicos. 9 este collar o anillo se le producen oscilaciones alternadamente hacia la derecha e izquierda, por medio de dos gatos hidr(ulicos ubicados horizontalmente uno a cada lado del collarA otros dos gatos hidr(ulicos verticales que unen los dos aros, superior e inferior,

actan

simult(neamente

produciendo

grandes

fuerzas de empuje o extracción, segn sea el casoA estos 'gatos3 tienen una carrera del v(stago de unos =0 a ?0 cm, que son el avance, empuje o extracción, del ademe por cada ciclo.*a entubadora puede ser operada directamente desde la m(quina portante o mediante su propio control de mandoA en cualquiera de los casos es posible para el operador  dirigir simult(neamente a la rotaria y al oscilador de ademes, permitiendo realizar la perforación y el hincado del ademe simult(neamente. Existen dos tipos de osciladoras! para conectarse a gras tipo celosía, para trabajar con perforadoras montadas en ellas +cranes attachment o utilizando almejas cilíndricasA y las que se conectan a las perforadoras rotatorias.

Ada)!adore )ara ade*e El adaptador para ademes + Fig. &!, es un accesorio que es instalado en la rotaria y sirve para tomar el ademe, o tramos de ademe, y acoplarlos entre sí conforme se

va

avanzando en la perforación ademada. 7ero su principal función es transmitir el ' pull(do)n3 +fuerza de empuje y extracción y el torque de la m(quina perforadora al ademe. Estos elementos, al igual que los ademes, tienen especificaciones y características muy especiales, por ejemplo, deben de estar dise;ados para soportar y absorber los torques m(ximos del sistema de rotación. En el extremo inferior se le suelda una junta tipo hembra que debe embonar con la junta macho del ademe.

arre!&' o 2e%%3 Es un accesorio de la perforadora, el cual consiste de un cuerpo compuesto por varias camisas +de dos a cinco, insertadas unas en otras, las cuales forman un barretón o Kelly telescópico +camisa exterior, camisas intermedias y camisa interior. *os hay de fricción y de bloqueo mec(nicoA estos ltimos son los que ofrecen las mejores ventajas, ya que con el sistema de rotación transmiten el torque y el empuje vertical a la herramienta de ataque. El Kelly es suspendido con un malacate de la misma perforadora. El nmero de secciones telescópicas Fi!B! Partes de -arret5n o #elly  $.,delmaier and K/fner "001'

y

la

suma

de

sus

longitudes individuales determinan el alcance de perforación

PROCESO CONTRUCCTIO  *as pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. *as pilas tienen usualmente sección transversal circular u oblonga como muestra la figura 41.1% y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. )u di(metro varía entre 0,5 y 1,1 m. *as características de las pilas y sus ventajas se enumeran a continuación!



7ueden resistir cargas axiales superiores a las %00 t e incluso alcanzan las 4.000 t )u altura promedio es de 6% m, pudiendo construirse bajo el nivel fre(tico )oportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexión )u construcción no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones por lo cual se pueden ubicar próximas a linderos



El lapso de servicio es pr(cticamente ilimitado, aun en medios agresivos, tal como ocurre con las construcciones costeras, o en pilas de puentes sobre ríos. 8ransfieren las cargas a estratos profundos, lo cual es especialmente ventajoso cuando existe el peligro de socavación por las corrientes fluviales y marítimas, o las mareas. 7ueden construirse sin cabezales, o con cabezales de reducidas dimensiones



*as pilas, en forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o fricción lateral. )i las pilas descansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, como una columna o pilar de grandes dimensiones, despreci(ndose su resistencia por fricción lateral. 7ero cuando el suelo es homogéneo de gran profundidad, la resistencia a fricción alcanza magnitudes importantes.



&ebido a sus grandes dimensiones, las pilas suelen sufrir asentamientos, los cuales suelen controlar el dise;o. 7ara construir las pilas excavadas existen tres métodos diferentes! • • •

Gétodo en seco Gétodo con camisa Gétodo del lodo natural o bentónico

D"e4o E!r$#!$ra% de P"%a 7ara el dimensionamiento de las pilas debe considerarse la carga que resulte mayor de las siguientes condiciones!

Co'd"#"o'e e!5!"#a! Nue contempla la combinación de la carga permanente m(s la carga viva m(xima, afectadas por un factor de carga de 4.=

Co'd"#"o'e d"'5*"#a! 8oma en cuenta la combinación de las cargas permanentes m(s la carga viva instant(nea y la acción accidental m(s crítica +este incremento de esfuerzo es provocado por el momento de volteo debido al sismo, afectadas por un factor de carga de 4.4.

PROCESO CONSTRUCTIO DE PILAS DE CIMENTACION El procedimiento constructivo es similar a los de los pilotes. El ltimo método consiste en excavar las pilas con m(quinas perforadoras provistas con barrenos.

Estas excavan hasta lugares donde el suelo lo permita sin derrumbarse

$uando se alcanza la profundidad necesaria o se llega a un estrato cohesivo, se detiene la excavación y se inserta un tubo llamado camisa +o ademe.

Este tubo permite seguir excavando y evitar que el suelo se derrumbe dentro de la excavación

)e introduce el refuerzo,

7or ltimo se funde el concreto recordando retirar la camisa.

PILAS PERFORADAS PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN

Cno de los métodos m(s viejos de construcción de pilas perforadas es el método $hicago +figura 40.1a. 7ara éste, se excavan manualmente agujeros circulares con di(metros de 6.% pies +4.4 m o mayores a profundidades de 1/? pies +0.?/4.5 m. *os lados del agujero excavado se forran entonces con tablones verticales, mantenidos firmemente en su posición por dos anillos circulares de acero. &espués de colocar los anillos, la excavación se contina por otros 1/? pies +0.?/4.5 m. $uando se alcanza la profundidad deseada, se procede a excavar la campana. $uando se termina la excavación, el agujero se rellena con concreto.

En el método #o@ de construcción +figura 40.1b, el agujero se excava a mano. "orros met(licos telescópicos se usan para mantener el barreno. *os forros son retirados uno a la vez conforme avanza el colado. El di(metro mínimo de una pila perforada #o@ es de aproximadamente = pies +4.11 m. $ualquier sección del forro es aproximadamente 1 pulgs +%0 mm menor en di(metro que la sección inmediatamente arriba de ella. 7ilas de hasta 400 pies +60 m se logran con este método. *a mayor parte de las excavaciones se hace ahora mec(nicamente y no a mano. *as barrenas helicoidales son herramientas comunes de excavación, que tienen bordes o dientes cortantes. 9quellas con bordes cortantes se usan principalmente para perforar suelos blandos y homogéneosA aquellas con dientes cortantes se usan en suelos o lechos duros. *a barrena se conecta a una flecha cuadrada llamada Belly que se hinca en el suelo y se hace girar. $uando la hélice est( llena con suelo, la barrena se levanta por arriba de la superficie del terreno y el suelo se descarga haciendo girar la barrena a alta velocidad. Esas barrenas se consiguen en varios di(metrosA a veces son tan grandes como 40 pies +6 m o mayores. $uando la excavación se extiende hasta el nivel del estrato de carga, la barrena se reemplaza, en caso necesario, por herramientas ensanchadoras para formar la campana. Cn

trépano ensanchador consiste esencialmente en un cilindro con dos hojas cortadoras articuladas a la parte superior del cilindro +figura 40.6. $uando el trépano se baja en el agujero, las hojas cortadoras permanecen plegadas dentro del cilindro. $uando se alcanza el fondo del agujero, las hojas se despliegan hacia afuera y se hace girar el trépano. El suelo suelto cae dentro del cilindro que es elevado y vaciado periódicamente hasta que se termina de formar la campana. *a mayoría de los trépanos llegan a cortar campanas con di(metros tan grandes como tres veces el di(metro de la flecha.

"igura de un trepano ensanchador  Dtro dispositivo cortador muy comn es el taladro tipo cucharón. )e trata esencialmente de un cuchar(n con una abertura y bordes cortantes en el fondo. El cuchar(n se une al Belly y se hace girar El suelo suelto se recoge en el cucharón que es elevado y vaciado periódicamente.  9gujeros de hasta 4?0 45 pies +%/%.% m de di(metro se perforan con este tipo de equipo. $uando se encuentra roca durante la perforación, se usan barriles de extracción con dientes de carburo de tungsteno. *os barriles de granalla también se usan para perforar en roca muy dura. El principio de extracción de roca por medio de un barril de granalla se muestra en la figura 40.=. E v(stago de perforación se conecta a la placa del barril de granalla, el cual tiene algunas ranuras a través de las cuales se suministran granallas de acero al fondo del agujero perforado. *as granallas cortan la roca cuando el barril es girado. 9 través del v(stago se suministra agua al agujero perforado. *as partículas finas de roca y acero +producidas por el molido de las granallas son lavadas hacia arriba y se asientan en la parte superior del barril. *a m(quina :enotcF es otro tipo de equipo perforador generalmente usado cuando las condiciones de perforado son difíciles y se encuentran muchos boleos en el suelo. $onsiste esencialmente en un tubo de acero que oscila y se empuja en el suelo. Cna herramienta llamada cuchara peforadora, provista con hojas y quijadas cortadoras, se usa para romper el suelo y la roca dentro del tubo y luego retirarlos.

TIPOS DE PILAS PERFORADAS *as pilas perforadas se clasifican de acuerdo con la manera en que se dise;an para transferir  la carga estructural al subsuelo. *a figura 40.4a muestra una pila perforada recta, extendida a través de la capa superior de suelo pobre y su punta descansa sobre un estrato de suelo o roca con capacidad de carga. El barreno debe revestirse con acero cuando se requiera +como en el caso de los pilotes de concreto colados in situ revestidosA figura O.=. 7ara tales pilas, la resistencia a la carga aplicada se desarrolla en la punta y también como resultado de la fricción lateral en el perímetro de la pila y la interfaz con el suelo.

"M#C-9 40.4 8ipos de pilas perforadas!+a pila rectaA +b y +c pila acampanadaA +d pila recta empotrada en roca. Cna pila acampanada +figura 40.lb y c consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre un suelo resistente. *a campana se construye con forma de domo +figura 40.lc o de escarpio. 7ara campanas de escarpio, las herramientas o cortadores comercialmente disponibles forman (ngulos de 60< a =%0 con la vertical. 7ara la mayoría de las pilas perforadas construidas en Estados Cnidos, la capacidad total de carga se asigna solamente a la carga en la punta, sin embargo, bajo ciertas circunstancias también se considera la resistencia por fricción. En Europa siempre se consideran ambas contribuciones. *os pilotes rectos también se extienden hasta un estrato de roca +figura 40.ld. En el c(lculo de la capacidad de carga de tales pilas, el esfuerzo cortante y el de carga desarrollados a lo largo del perímetro de la pila y en la interfaz con la roca deben tomarse en consideración

CARACTERISTICAS: /*as pilas se fabrican directamente en el subsuelo por los que se les conoce como elementos fabricados in situ /*as pilas pueden fabricarse pr(cticamente de cualquier material, siendo los m(s utilizados la grava, la cal, el mortero, y el concreto armado. )iendo las características de los estratos del subsuelo, así como las condiciones del agua subterr(nea, definir(n el material que deber( emplearse para la fabricación de las pilas. /*a sección utilizada con mayor frecuencia es la circular, cuyo di(metro no debe de ser menor  a ?0cm pudiendo llegarse a especificar un di(metro hasta de 600cm

/Existen pilas que se dise;an con secciones rectangulares, '83 y 'I3

PILOTES 6 PILAS: I')e##"&' 7$e e dee /a#er  *impieza inadecuada del fondo de la excavación o paredes de la excavación con material removido y suelto

&esprendimientos del material de las paredes o de la superficie y segregación por el no uso del tremie.

"alla del confinamiento lateral de una perforación por la excavación de otra adyacente y vaciado con nivel fre(tico alto.

7roblemas durante la remoción de las camisas o forros de perforación, tales como vacios y disminución de la fricción lateral.

E%e##"&' de% !")o de )$e'!e 3 )"%a Entre todas las soluciones posibles Pcómo ha de elegirse el mejor proyecto de puente para un caso particularQ En la pr(ctica el planteamiento del proyecto de los cimientos /pilas y estribos/ y de la superestructura constituye un problema general en el que cada parte est( influenciada y depende de cierta forma por las otras. En primer lugar el puente ha de tener cierta capacidad y resistencia para satisfacer el tr(fico que transita, adem(s deber( de ser la m(s apropiada, económica, factible para su construcción y tendr( que satisfacer ciertas características estéticas y de vida til. Entre las cosas m(s importantes que deben tomarse en cuenta para la elección de las características b(sicas de la estructura y cimentación de un puente, figuran las siguientes! 4. *os grandes claros horizontales y verticales necesarios para la navegación +cuando el puente cruza un brazo de mar o río pueden afectar el planteamiento del proyecto de tal manera que nicamente son factibles las estructuras de tramos largos y altos. 1. Es posible que se requiera una estructura de gran altura y con tr(fico continuo, por lo que es conveniente utilizar algunos puntos altos de cimentación y de tramos altos. 6. *os accesos largos y elevados pueden resultar mucho m(s costosos que es posible que convenga m(s una estructura de un nivel m(s bajo y un tramo o tramos móviles. =. *os puentes de tablero superior proporcionan una mejor vista del paisaje que los de tablero inferior, especialmente en los puentes carreteros de manera que, si los claros verticales no son importantes para tramos de igual longitud, los arcos yJo vigas rectas de los puentes de tablero superior resultan m(s económicas que las de tablero inferior  adem(s, se requieren pilas m(s peque;as. %. &ebe tomarse en cuenta la elección del material para la construcción, ya sea concreto o acero, ya que cada uno, adem(s del costo, es particularmente apto para ciertos tipos de estructura. ?. *a topografía del terreno influye claramente en el dise;o de la cimentación y en algunos casos puede ser de utilidad en la construcción de la misma. 2. *a cantidad de fondos disponibles para el proyecto, si bien puede condicionar muchas de las acciones del ingeniero, no es una excusa para que se deje de lado la seguridad de la obra, antes, durante y después de su construcción

5. El tipo de tr(fico también puede ser una limitante en el dise;o de la estructura, por  ejemplo un puente ferroviario requiere de una estructura rígida, de manera que es m(s aconsejable el empleo de vigas robustas y pilas adecuadas O. *as preferencias personales del propietario, del arquitecto y las del propio ingeniero pueden tener gran importancia al hacer la elección. Es importante mencionar que, para estimar las cargas que han de utilizarse en el an(lisis preliminar de las pilas y estribos deber(n considerarse b(sicamente tres tipos de cargas! a. $argas muertas o peso propio de la estructura. b. $argas vivas o variables, como son el paso de los vehículos a ciertas horas c. $argas accidentales, como las fuerzas sísmicas, de viento, oleaje y nieve. d. $argas imprevistas como impactos y explosiones. 40. Iay pilas huecas, macizas, dobles y de variadas formas, todas ellas segn las necesidades del constructor sin embargo, la elección de una u otra forma de pila trae consigo ciertos problemas constructivos, sobre todo si se van a utilizar en puentes marítimos, pues el oleaje intenso, las mareas y la sola presencia del agua son obst(culos difíciles de superar y en ocasiones es necesario utilizar equipo especializado para la excavación e hinca de ciertos tipos de pilas.

ENTA8AS 6 DESENTA8AS ENTA8AS $onsiderando que las pilas son elementos fabricados in situ, no requieren de area adicional para una planta de fabricacion y para su almacenamiento como elementos terminados. *a construccio de pilas perforadas utiliza generalmente equipo movil bajo condicion apropiada del suelo resutla mas economica que los metodos usados para la construccion de cimentacion de pilotes. *as pilas no expuestas a sufrir da;os estructurales ya que no se requiere de que sean maniobradas y golpeadas para su instlacion como sucede con los pilotes $uando los pilotrs son hincados a golpe de martillos, la vibracion del terreno ocaciona da;o a estructuras cercanas, problema que se evita con el uso de las pilas perforadas. *a longitud de la spilas pede ser variable dependiendo de la profundidad de los estratos resistentes, pudiendo hacerse los ajustes correspondientes practicamente en forma inmediata, lo cual no estan versatil en el caso de los pilotes ya que estos son prefabricados. *a fabricacion de las pilas siempre es monolitica y no requiere de las juntas especiales, como sucede en algunos pilotes que son instalados en tramos. )e usa sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes con capuchon. *a construccion de pilas perforadas en depositos de arenas densas y gravas es mas facil de hincar pilotes. *as pilas perforadas se construyen antes de terminar las operaciones de nivelacion.

*os pilotes hincados en suelos arcillosos producen levantamientos del terreno y ocasiona que lo spilotes que ya esten hincados se muevan lateralmente lo que no ocurre con las pilas perforadas. $omo la base de una pila perforada se amplia esta proporciona una gran resistencia a cargas de levantamiento. *a superficie sorne la cual la base de la pila perforada que se construye debe inspeccionarse visualmente *as pilas perforadas tienen alta resistencia a cargas laterales.

DESENTA8AS *as pilas requieren siempre de perforaciones previas, mientras que los pilotes en ocasiones pueden ser instalados desplazando el subsuelo. $uando existen estratos de subsuelo sin consistencia, no es posible realizar la construccion de pilas con calidad, ya que su seccion puede llegar a deformarse, lo cual no sucede con un elemento prefabricadoA se puede resolver este problema con tuberia metalica perdida, lo cual origina un incremento de costo. En la fabricacion de pilas es necesario siempre garantizar que en el desplante de las excavaciones no existan material suelto. *os cambios de presion del agua subterranea pueden cercenar el fuste de las pilas durante su fabricacion, cuando se utilizan ademas metalicos recuperables y no son retirados adecuadamente. El procedimiento cosntructivo de la spilas osre agua se complica, al tener que evitar el vaiven de la plataforma flotante donde se apoya el equipo de construccion, asi como tener que aislar el cuerpo de la pila en la zona donde no existen suelos que lo confine. El sistema de ademado de las perforaciones requiere mayor control que en el caso de los pilotes, ya que de esta depende en forma importante la calidad de las pilas.

E8ERCICIO PRACTICO E/e&(l" E# la gura se &ues$ra u#a (ila (er*"ra!a e# u# suel" "esi3" Use el &4$"!" !e Reese 5 O6Neill (ara !e$e&i#ar: a7 La a(ai!a! !e arga ul$i&a b7 La a(ai!a! !e arga (ara u# ase#$a&ie#$" a!&isible !e 0) (ulg S"lui8#:

Solución: Parte a. De la fura ∆l1= 12-5= 7pies. ∆l2=20-(12+2.5=5.5 pies.

!apaci"a" "e car#a en la $ase "e la Pila.

%s=&'!u'P'∆l. %s=0.55(00(  92)7;,7)2?,00%' lb@(ie )esistencia unitaria "e Punta *p= !u'(1+0.2,D$ *p= +;%0007;1 50000 lb@(ie =0%00 lb@(ie RS 12000 lb@(ie B> 50000 lb@(ie P"r l" Ta#$" (> 12000 lb@(ie

P"r l" Ta#$" (A(> ;2,0007;  9@'Db7 (A(> ;2,0007;%1'1)1+ @''7 (A(> %%.?00.00  lb@(ie %u=&'!u'P'∆l+*p'p %u=)2?,00%' lb@(ie0.%J+=+41S0.040= S 4.0=T. *a línea de tendencia mostrada en la fig. 40.4O indica que, para un asentamiento normalizado de 4.0=T, la carga lateral normalizada es aproximadamente de 0.%2. Entonces la carga en la base es!

;.>?=@ 7)=A)B ;.>?=99