Diseño De Cabezales Nn.docx

DISEÑO DE CABEZAL POR EL MÉTODO DE LAS BIELAS LODO BENTONITICO

Cabezales. Los cabezales son elementos estructurales monolíticos de concreto armado, de considerable volumen y rigidez, que cumplen la función de conectar las cabezas de los pilotes, transfiriéndoles las cargas de la superestructura. A su vez, los pilotes transmiten las cargas al subsuelo, por lo tantos los cabezales se comportan en forma similar a las bases aisladas directas, con la diferencia que en los cabezales, las reacciones del suelo actúan como cargas concentradas, en el eje de los pilotes. Función de los cabezales. Los cabezales se proyectan (análisis, diseño y detallado) para resistir las solicitaciones que actúan en las bases de las columnas o muros de la estructura, transmitiéndolas a los pilotes en forma de fuerzas axiales, exclusivamente. Las reacciones del suelo actúan como cargas concentradas en el eje de los pilotes. Los cabezales limitan los asentamientos de los pilotes aislados o la falla localizada en alguno de ellos por concentración de tensiones. Diseño y detallado de los cabezales por el Método de las bielas. El acero que se coloca en la parte superior del cabezal (un 30% del acero de refuerzo en el lecho inferior a nivel de los pilotes), es para proteger el tope del cabezal de la posibilidad de fisuramiento por la aplicación directa de las cargas de las columnas. El acero transversal en forma de estribos horizontales o zunchos laterales cerrados, bien prensados contra los aceros superior e inferior, evita la expansión lateral de la masa de concreto. El armado de una cesta de acero que confina la masa de concreto, como la que se muestra en la Figura, está constituida por: 

En la parte inferior del cabezal:

1. Acero de refuerzo longitudinal en la dirección larga 2. Acero de refuerzo longitudinal en la dirección corta 

En la parte superior del cabezal: 30% del acero longitudinal dispuesto en el lecho inferior, en las dos direcciones



Acero de refuerzo transversal o acero de paramento:

1. estribos o zunchos horizontales cerrados y bien apretados contra los aceros longitudinales.

El área de acero de refuerzo longitudinal en el lecho inferior del cabezal, As, se calcula con la siguiente expresión. El factor de minoración f = 0.70 obedece a que la compresión controla la sección:

Se debe a Velásquez la siguiente función del acero del lecho inferior del cabezal para estudiar la incidencia de la separación entre pilotes, s, y la altura útil de cabezales, d, en los valores de As: As = f [(P * s) / (factor numérico * d)] El acero de refuerzo longitudinal en el tope del cabezal es Assup = 0.3 As El acero de refuerzo transversal, acero de paramento, dispuesto horizontalmente en capas con separación mínima entre 10 y 15 cm, es Asp = 0.10 As. Y cuando la verificación por corte o por punzonado en la base de las columnas sobre el cabezal o de los pilotes que penetran al cabezal en su parte inferior, lo indique, se usarán estribos verticales cerrados con una separación no menor de 10 cm pero no mayor de 15 cm.

Cabezales sobre pilotes. El elemento estructural que se encarga de conectar las cabezas de los pilotes con la superestructura son los llamados cabezales. Éstos suelen ser 16 elementos de concreto armado de gran volumen y por ende de mucha rigidez, los cuales se vacían monolíticamente. Esta estructura de fundación debe estar sobre el suelo y tiene como principal función distribuir sobre los pilotes las solicitaciones que transmiten las columnas o pantallas. Dicha distribución debe ser lo más uniforme posible para evitar la flexión en el cabezal. Los mismos deben ser de mucho volumen para aumentar su rigidez y garantizar la hipótesis de un cabezal con rigidez infinita. Según Velásquez (2012) en elementos donde se cumple la ley de Hooke y la hipótesis de Navier-Stokes (las caras planas permanecen planas luego de la aplicación de la carga) la rigidez viene dada por la relación entre la longitud del elemento entre su altura, clasificándolos así según la tabla 1. Tabla 1: Clasificación de los elementos estructurales de acuerdo a su relación de rigidez.

En los cabezales, esta expresión viene dada por la separación de los pilotes entre la altura del cabezal. Estos dos parámetros deben relacionarse de forma tal que se formen bielas inclinadas de compresión entre el elemento que trasmite la carga (columna, pantalla, etc.) y los pilotes. Las componentes 17 horizontales generadas por estas bielas deben absorberse mediante tensores o armaduras y no aparecen tracciones por corte significativas.

Fig. 2: Influencia de la rigidez del cabezal según Velásquez (2001). En la Fig. 2 se observa la forma en la que influye la rigidez del cabezal en la distribución de las cargas a los pilotes. Cuando es de gran volumen (rígido) se espera una distribución de las solicitaciones provenientes de la columna o pantalla más uniforme, ya que no se observan deformaciones apreciables por flexión, a diferencia de la zapata flexible, en la que por su espesor menor pueden ocurrir deformaciones por flexión y generarse distribuciones desiguales a los pilotes. Esta hipótesis de cabezal con rigidez infinita considera que el mismo se asentará de manera uniforme, transmitiendo las presiones de forma constante sobre los pilotes y que, a su vez, cada pilote absorberá una carga axial que será proporcional a su área. Los cabezales tienden a comportarse de forma similar a las zapatas aisladas, a diferencia de que la carga que ejerce el suelo no será una carga 18 distribuida, sino que sus reacciones actuarán como cargas puntuales coincidiendo con el eje de los pilotes. Se deben diseñar para resistir los efectos de las cargas gravitacionales, las laterales y los momentos flectores generados por la columna o pantalla y se caracterizan porque ayudan a impedir los asentamientos de los pilotes aislados, o fallas localizadas en algunos.

El tamaño de la base de un cabezal (dimensiones en planta), o la distribución y el número de los pilotes, se determina en base a la tensión admisible del suelo o a la capacidad admisible de los pilotes. Para determinar el espacio o la distancia que habrá entre los pilotes es importante conocer cómo trabajarán los mismos (por fricción lateral o por punta). En vista de que los cabezales deben resistir las cargas actuantes, los empujes y las acciones sísmicas, es necesario su arriostramiento en las dos direcciones ortogonales. Debido a esto, se conectan entre sí mediante vigas de riostra y a su vez se conectan al suelo con unas grapas o conectores. En cuanto al diseño de los mismos, según Leonhardt (1986) en elementos de mucha rigidez, cargados en su borde superior, las trayectorias de las tensiones de tracción son muy aplanadas y por ello, en general, la armadura principal es generalmente horizontal (Ver Fig. 2.8).

Así mismo, debido al gran volumen de concreto que presentan, no es necesario colocar acero para resistir las fuerzas cortantes. Sin embargo, por efectos constructivos se colocan estribos para envolver la armadura principal y vincular las armaduras horizontales.

En la parte superior, se recomienda un acero mínimo de 0,30 veces el de la capa inferior y además, en vista de que los cabezales presentan alturas 20 mayores a 60cm en su mayoría, se deben colocar capas intermedias de acero situadas cada 30cm aproximadamente para contrarrestar los esfuerzos de tracción que se producen en el volumen de concreto. En vista de que la parte inferior del cabezal se encuentra traccionada, para evitar el agrietamiento del concreto es necesario colocar estribos dobles para proporcionarle confinamiento a esta zona (Ver Fig. 2.10). En el apéndice C se observa un detallado del acero de refuerzo de un cabezal.

Según Velásquez (2001) los cabezales pueden ser analizados mediante el método de las bielas comprimidas, puesto que en ellos no hay forma de considerar la flexión porque la carga axial pasa directamente hacia el pilote.

Método de las bielas comprimidas. Debido a la rigidez del cabezal, no se producen deformaciones considerables a flexión, por lo que el problema a estudiar se debe analizar como la transmisión de una carga concentrada a través de un medio continuo 21 ideal. Según el espesor de los cabezales, son generadas líneas de compresión principales entre el elemento que transmite la carga (las pantallas en sistemas túnel) y los pilotes. Perpendicular a estas, encontramos las líneas de fracciones principales, cuyas cargas se deben absorber mediante tensores, armaduras o elementos tensores que sigan aproximadamente estas líneas (Ver Fig.2.11). En el método de las bielas, la conexión entre el cabezal y los pilotes se supone articulada, por lo que no existen momentos flectores en las cabezas de los pilotes y sólo se consideran las cargas axiales en sus ejes.

Según la norma COVENIN 1753, el análisis y diseño considera la geometría de las bielas, las dimensiones de sus miembros y zonas nodales. Todas estas variables deben cumplir con los principios de equilibrio y compatibilidad, incluyendo las fronteras donde existan discontinuidades. Para que el modelo estructural sea válido, el ángulo entre las bielas comprimidas y las traccionadas concurrentes a un nodo será mayor de 25°. Así mismo, las bielas comprimidas sólo podrán cruzarse en los nodos. La formulación propuesta por este método varía según la configuración del sistema de fundaciones. Uno de los casos típicos es el siguiente: Cabezales sobre un pilote.

Este problema es similar al que se ha venido planteando. Sin embargo, para aplicar el método de las bielas, es necesario realizar ciertas analogías que permitan establecer una relación entre este caso y los planteados anteriormente. En la práctica, se observa generalmente el caso de una columna rectangular apoyada sobre un pilote circular. No obstante, según analogías realizadas por Velásquez (2001), para poder obtener una condición práctica, es necesario suponer una columna cuadrada de área equivalente a la rectangular original y un pilote de igual manera cuadrado de lado Ø (Ver Fig.2.14).

Las fuerzas de tracción en la base del cabezal se pueden calcular mediante las expresiones:

Para calcular el área de acero que absorbe dichas tracciones, Velásquez (2001) propone que:

Donde fs es la tensión admisible en el acero que se puede estimar como 0,5 fy. Lodo bentonitico.

El lodo bentonítico o lodo de perforación es una mezcla de agua con bentonita, un tipo de arcilla muy densa. Es utilizado para perforar pozos de sondeo y muy frecuentemente, mientras se perforan pozos de petróleo y gas natural. Además, se usa para trabajos más sencillos como los pozos de agua. Existen lodos en base de agua y otros no acuosos en base de petróleo. También existen otros fluidos de perforación como los gaseosos. Una propiedad muy importante de este tipo de lodos es que están constituidos por bentonita, que es una arcilla que no pierde consistencia ni estabilidad aunque se le añada una gran cantidad de agua. Esto permite que el lodo pierda resistencia al ser amasado sin que el agua varíe y se comporte como fluido. Si se deja en reposo, vuelve a adquirir resistencia. También puede tener otros aditivos como el sulfato de bario, el carbonato de calcio o la hematita. Además, se usan adelgazadores para influir en la viscosidad del fluido como goma xantana, goma guar, diol, almidón y otros. Los lodos de perforación tienen una serie de propiedades que deben controlarse para su buen funcionamiento. Una de ellas es la viscosidad, que es la resistencia del fluido. De ella depende que el material de perforación tenga una buena limpieza, además de permitir que el detritus esté suspendido y sea extraído. La densidad es otra propiedad importante que permite que el lodo ejerza la contrapresión necesaria en las paredes de la excavación o perforación. La tixotropía es la capacidad del lodo bentonítico de cambiar de estado consistente a uno líquido al estar en movimiento y volver a ser consistente al estar en reposo. También debe estar libre de arena para ser de calidad. Sin embargo, al momento de perforar, las partículas arenosas se van mezclando y afectan a la viscosidad y tixotropía y, por lo tanto, su calidad. Otro factor que debe ser revisado constantemente es el pH, que debe ser equilibrado para que el lodo sea estable y se evite la sedimentación. El

lodo

bentonítico

es

ampliamente

usado

en

construcción

y

especialmente en las excavaciones. El lodo bentonítico permite que al excavar zanjas no se corra riesgo de desprendimiento. Eso se produce llenando las zanjas del lodo, momento en el que éste es fluido debido al movimiento continuo; luego, el lodo adquiere consistencia al dejar de moverse, impidiendo que las

paredes de la zanja o pozo se desprendan. Otros usos del lodo bentonítico incluye la extracción del ripio de perforación o detritus, la refrigeración de las brocas, la estabilización de la columna de perforación y su lubricación para el roce con el terreno, el control de la presión que se ejerce, la estabilización constante del pozo, minimización de los daños, el control de corrosión, entre otros.