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Figura 13. Fotografía del sitio antes de la construcción – Septiembre 2003
Condiciones de cimentación para la Torre (Figur...
Figura 15. Contorno de asentamiento previsto en la Torre
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En conclusión, tomando en cuenta los límites de las teorías,...
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En las últimas décadas en el mundo, se ha visto
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edificios altos superando en todos los casos las
edificaciones utilizando concreto armado. En Lima Metropolitana y también en algunas
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ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO

  1. 1. “ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO” Dr. ARNALDO CARRILLO GIL Profesor Principal, Universidad Ricardo Palma Profesor Emérito, Universidad Nacional de Ingeniería Presidente de AC Ingenieros Consultores SAC Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 1 En las últimas décadas en el mundo, se ha visto un significativo incremento en la construcción de edificios altos superando en todos los casos las edificaciones utilizando concreto armado (Fig. 1). En Lima Metropolitana y también en algunas capitales de Departamento en nuestro país se ha presentado este crecimiento, encontrándose nuevos desafíos particularmente en relación con el diseño geotécnico y estructural. Muchos de los métodos tradicionales de diseño no pueden ser aplicados con mucha confianza más allá de los dominios de las experiencias anteriores. Ahora debemos utilizar métodos del estado del arte y ensayos de campo que permiten establecer con mayor seguridad las condiciones reales del suelo subyacente y su comportamiento a esfuerzo y deformación. Algunos retos en los edificios altos son: • Grandes Cargas verticales – incremento no lineal con altura (Fig. 2) • Asentamientos diferenciales críticos • Fuerzas laterales y momentos de flexión importantes • Naturaleza cíclica de la carga • Fuerzas sísmicas sobre las cimentaciones, fuerza inercial y fuerza cinemática • Problemas de interacción suelo- estructura y presencia del nivel freático Figura 1 Material utilizado en edificios altos (Datos obtenidos de CTBUH) Para afrontar estos retos se deberán tener en consideración lo siguiente:  Estudio de suelos de alta calidad  Modelo geotécnico completo  Estratigrafía y ensayos de campo y laboratorio  Parámetros geotécnicos reales y confiables  Proceso de diseño utilizando las herramientas apropiadas  Pruebas de carga  Medidas del rendimiento
  2. 2. Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 2 Figura 2 Incremento no lineal en edificios: Peso con altura Para resolver estos retos actualmente utilizamos una serie de equipos y facilidades que permiten ejecutar Estudios de Suelos con calidad y tecnología reciente, tal como la exploración de suelos con radar y tomógrafo, piezocono sísmico, y PDA para verificar condiciones de instalación de pilotes y pruebas de carga dinámica (Figs. 3 y 4) Figura 3. Como afrontar los retos en la construcción de edificios altos Figura 4. Mediciones de carga y movimiento en cimentaciones profundas Consecuentemente, en todos los casos se debe hacer una evaluación preliminar de los requerimientos de cimentación. El diseño detallado se ejecuta en conjunto con quien realiza el diseño estructural. Posteriormente se ejecutara el monitoreo del desempeño del edificio durante y después de su construcción. Las combinaciones de carga requeridas para diseñar la estructura y el sistema de cimentación deberían ser regidas por un apropiado código de carga estructural. La investigación de sitio y su caracterización, requiere un profundo conocimiento de la Geología con énfasis en ingeniería. Se debe determinar la estratigrafía real del sitio y cuantificar los parámetros geotécnicos adecuados, utilizando métodos que permitan obtener datos geotécnicos que obliguen a ejecutar proyectos con la mayor seguridad y estabilidad:  Ensayos In-situ  Ensayos de laboratorio  Pruebas de carga  Posición del NF y calidad del agua
  3. 3. Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 3 En el proceso para el diseño de la cimentación, se determina el tipo de ésta (ya sea usualmente de zapatas, vigas, plateas, o pilotes) basado en:  Cargas de cimentación  Criterio de diseño  Problemas de construcción Se debe tomar en cuenta las siguientes cuestiones clave en diseño de cimentaciones superficiales: 1. Capacidad ultima de carga 2. Efectos de carga cíclica (aire, sísmo) 3. Asentamientos 4. Asentamientos diferenciales e inclinación 5. Efectos externos de movimiento de tierras 6. Comportamiento dinámico (aire, sismo) 7. Reacción a terremotos y licuefacción 8. Resistencia estructural de los elementos de cimentación 9. Durabilidad. En el enfoque de análisis para cimentación profunda, la estabilidad general debe considerar:  Aplicar combinación de cargas  Aplicar factores de reducción geotécnica para resistencia axial y lateral de pilotes  Evaluar si el sistema de cimentación degradado puede resistir las combinaciones de carga sin colapso  Si es así, satisfacer la solución de condición general Es conveniente también tomar en cuenta los parámetros importantes a evaluar adicionalmente en las cimentaciones profundas que son:  Capacidad Ultima de fricción  Soporte Último extremo  Rigidez del suelo/módulo de carga vertical -Largo plazo (carga muerta más carga viva) -Corto plazo ( viento, carga sísmica)  Presión lateral última  Rigidez del suelo/ módulo de carga vertical  Rigidez dinámica del suelo y amortiguamiento Para evaluar las características importantes en los edificios altos debe tomarse en cuenta: a) El peso del edificio y en consecuencia la carga vertical a ser soportada por la cimentación que puede ser importante. b) Que las cargas y momentos laterales inducidos por el viento y sismo son cíclicos por su naturaleza. c) Que los períodos altos dependerán de las características de la estructura. Criterios generales de diseño
  4. 4. Se requieren factores bajos de resistencia (geotécnica y estructural) que superen factores altos de combinaciones de carga. Las condiciones límite de servicio deben cumplir con: Los valores permitidos dependerán de la estructura y deben ser concordados con el ingeniero estructural.(Tabla 1) En cargas dinámicas, los siguientes principios de diseño pueden ser aplicados:  La frecuencia natural del sistema de cimentación debe ser mayor a la de la estructura que soporta.  La amplitud de los movimientos dinámicos de la estructura de cimentación deben estar dentro de los límites tolerables. 4 Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú Tabla 1. Criterios sugeridos de serviciabilidad para estructuras (Zhang y Ng, 2006)
  5. 5. 5 Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú Por otro lado, es conveniente puntualizar que en las relaciones entre los ingenieros geotécnicos y estructurales hay profundas diferencias en la filosofía entre cada uno de ellos. Estas deben ser entendidas para que las dos profesiones puedan cooperar con éxito. Las dificultades se derivan principalmente en que el ingeniero geotécnico trabaja con materiales generados por la naturaleza, que además son complejos en su comportamiento mecánico y difícil de explorar “in situ” con precisión. El análisis geotécnico es muy similar al diagnóstico de un médico. Por el contrario, el ingeniero estructural especifica las propiedades de los materiales con los que trabaja, controla su fabricación y define su geometría. Se ha llegado a la conclusión de que, la razón fundamental del problema son las diferencias en el enfoque de modelamiento hacia una situación real. El modelamiento es el proceso de idealizar un proyecto a gran escala, incluyendo la geometría, las propiedades del material y la carga probable actuante. Por lo tanto el diseño de un modelo es mucho más complejo que simplemente llevar a cabo un análisis. El modelaje geotécnico es un tema difícil porque analiza un material complicado debido a los siguientes factores:  Partículas con poca o ninguna unión entre ellas  La rigidez y el esfuerzo no se fijan, dependerá de la presión de confinamiento  El suelo se dilata o contrae durante la deformación  Las partículas pueden cambiar de orientación durante la deformación  La acción del “efecto arco”  Las presiones intersticiales del agua que actúan dentro de los poros son tan  La acción del “efecto arco”  Las presiones intersticiales del agua que actúan dentro de los poros son tan importantes como los esfuerzos límites aplicados.  Debe modelarse el material geotécnico como un conjunto, pero no debemos olvidar que se trata de partículas.  El desarrollo de un modelo adecuado para cada análisis. (puede variar desde lo puramente conceptual a muy sofisticado, pero debe capturar los mecanismos esenciales de la conducta futura del material geotécnico)  El uso del precedente y de la experiencia como información de calidad, tanto en el desarrollo como en la interpretación del modelo. En el Triángulo Geotécnico de Burland se explican gráficamente los conceptos expresados anteriormente (Figura 5) Figura 5 Triangulo geotécnico Burland (1987)
  6. 6. Finalmente, cabe mencionar que en esta conferencia se revisarán algunos de los desafíos que enfrentan los diseñadores de edificios que en la Metrópoli están llegando a 35 pisos y 12 sótanos, tanto en Lima como en provincias donde la presencia del nivel freático y el tipo de suelo encontrado es determinante, sobre todo por la construcción de los sótanos. El proceso de diseño geotécnico de cimentación para edificios altos será ilustrado vía nuestra experiencia geotécnica reciente tomando como apoyo sobre el “Conglomerado de Lima” y en los suelos arenosos, areno-limosos y arcillosos que encontramos fuera de la Metrópoli (Figura 6) Figura 6 Vista panorámica de las edificaciones altas en Lima Las condiciones de resistencia del suelo granular grueso del “Conglomerado de Lima” son óptimas y sus deformaciones para cargas mayores a 20 kg/cm2 no llegan a superar los 3.0 mm en compresión (Figura 7).Sin embargo, no deben descuidarse los aspectos de diseño indicados anteriormente y las condiciones sísmicas de la costa frente al Callao. Figura 7 Estado natural del “Conglomerado de Lima Metropolitana” Las investigaciones que hemos efectuado desde hace más de 40 años establecen que existe una cohesión que no se debe a ninguna adhesión entre las partículas o algún cementante que las una, sino más bien a un entrampamiento mecánico entre las partículas grandes y pequeñas que constituyen el suelo granular grueso. Complementariamente hemos acumulado abundante información histórica obtenida de ensayos de campo, que han sido practicados tanto en condiciones húmedas como secas, logrando más de 3,000 resultados de Ensayos de Placa, de Rotura Progresiva en Prismas y de Corte Directo que muestran un comportamiento del suelo excelente para cimentación. Actualmente para Edificios Altos de más de 30 pisos y 10 sótanos estamos considerando una capacidad portante hasta de 8.00 kg/cm2 para deformaciones no mayores de 4.0 mm, lo que implica excavaciones hasta de 30 m y en muchos casos adyacentes a edificios de mediana altura. Para el caso de provincias, las cimentaciones apoyadas en los suelos blandos o sueltos, con nivel freático cercano a la superficie y efectos de sismo severos, las condiciones de apoyo exigen soluciones especiales para Edificios Altos que incluyen cimentaciones por medio de vigas, plateas y pilotes así como Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 6
  7. 7. de sismo severos, las condiciones de apoyo exigen soluciones especiales para Edificios Altos que incluyen cimentaciones por medio de vigas, plateas y pilotes así como consideraciones sobre potencial de licuación por efecto de sismo severo. Las condiciones estratigráficas del suelo subyacente en ciudades como Trujillo y Arequipa, (Figuras 8 y 9) indican materiales geotécnicos dispuestos en estratos paralelos de suelos cohesivos y no cohesivos en algunos casos intercalados con lentes de suelos granulares gruesos y presencia del nivel freático a profundidades variables que obligan a la impermeabilización de sótanos o modificaciones en los niveles de los pisos de los edificios como alternativa necesaria para alojar los sótanos obligatorios en la construcción de la edificación (Figuras 10 y 11) Figura 8 Condiciones estratigráficas típicas en Trujillo Figura 9. Condiciones estratigráficas de Arequipa Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 7
  8. 8. Figura 10. Modificación de niveles por presencia del NF Figura 11. Sistema de impermeabilización y subpresión por NF alto Entre los casos de edificios altos importantes en el extranjero mencionaremos el proyecto Burj Dubai, que comprende la construcción de una torre de gran altura de 160 pisos, con el desarrollo de un estrado alrededor de la base inferior de la torre, incluyendo un garaje de 4-6 niveles (Fig. 12). Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 8
  9. 9. Fig. 12 Edificio Burj Dubai (Khalifa) tower, de más de 800 m de altura El edificio Burj Dubai, es en la actualidad el edificio más grande del mundo y la Torre Nakheel se convertirá en el edificio más alto cuando se culmine su construcción. El sistema de cimentación para cada torre, consiste en un entramado de pilotes anclados en depósitos profundos de suelos carbonatados y rocas. Las principales características de esta edificación son:  Se trata de uno de los edificios más altos del mundo  Tiene cimentación por medio de pilotes anclados en Suelos/rocas así como precauciones de carga cíclica sobre la cimentación profunda.  Presenta asentamientos diferenciales debidos al cambio de gran altura a baja altura de acuerdo al diseño del edificio. Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 9 9
  10. 10. Figura 13. Fotografía del sitio antes de la construcción – Septiembre 2003 Condiciones de cimentación para la Torre (Figuras 14, 15 y 16) pilotes de 1.50m de diámetro y 47.50 m de longitud Condiciones de cimentación superficial 750 pilotes de 0.90 m de diámetro y 30m de longitud Platea de cimentación de 3.70 m de espesor (en la torre) Figura 14, Disposición de pilotes en la cimentación Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 10
  11. 11. Figura 15. Contorno de asentamiento previsto en la Torre Figura 16. Cimentación terminada dela Torre Burj Dubai La altura final del Burj Dubai representa un secreto muy bien guardado, pero ha alcanzado una altura sobre los 800m en febrero del 2009. La torre de concreto armado de 280,000 m2 , será usada para múltiples propósitos, incluyendo ventas, hotel, residencias y espacios de oficinas. El edificio tiene forma de “Y”, para reducir las fuerzas del viento en la torre y conservar una estructura relativamente simple para ayudar al proceso de construcción. Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú 11
  12. 12. Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú En conclusión, tomando en cuenta los límites de las teorías, las incertidumbres inherentes al probable comportamiento del suelo y la roca, el sano juicio profesional continuará siendo la mejor llave para lograr el éxito en el diseño geotécnico de las cimentaciones, por lo tanto, el criterio y la experiencia siempre serán la mejor herramienta para solucionar las graves incógnitas que se nos presentarán en el futuro. Ningún modelo de suelo existe para capturar todos los efectos dentro de nuestros métodos analíticos. Debido a este estado complejo, los geotécnicos experimentados saben observar el real funcionamiento del suelo durante la construcción y están preparados para efectuar las modificaciones requeridas, evaluándolas para aprender que hacer la próxima vez. Con la ventaja de la experiencia y las mediciones de desempeño, nuestras capacidades predictivas han mejorado, por lo tanto la cooperación entre los diseñadores geotécnicos y estructurales es esencial, dado a que las nuevas soluciones no solo se ceñirán a las leyes físicas, químicas o biológicas que involucran el comportamiento de los geomateriales. 12

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