Diseño de pilotes de acero

www.geoservicios.mx
DISEÑO DE PILOTES DE ACERO

Circo de Arles 900 DC.
81 DC.
… tecnología milenaria

http://wiki.ead.pucv.cl/Tenochtitl%C3%A1n;_ciudad_de_aguas
… tecnología milenaria

A. Definición y terminología
• Una cimentación profunda se caracteriza por la
manera en que el suelo es solicitado para resistir las
cargas aplicadas
• Resistencia por punta
• Resistencia por fuste del pilote
• Resistencia por punta y fricción
• Sus dimensiones están definidas por: D/B >6; D>3 m

Norma Geotécnica francesa
D/B >5
Ministere de l'équipement, du logement et des transports (1993). Regles techniques de conception et
de calcul des fondations des ouvrages de génie civil. Fascicule N° 62 - Titre V.
•

B. Principios de funcionamiento

• En las ecuaciones de capacidad de carga, se asume que la
resistencia por fuste y punta no son interdependientes. Esta
suposición no puede ser estrictamente correcta, pero es lo
suficientemente correcta para fines prácticos en pilas y pilotes.
Poulos & Davis (1980) Pile Foundation Analysis and Design

B.1 Mecanismo de transferencia de carga

• Bowles (1976) Arcelor, en arenas
0.25·b·h Aplug 0.6·b·h
(W) (H)
En arcillas, Aplug = b·h
B.2 Geometría a considerar

C.2 Geometría a considerar
• Alonso et al. (2016)

C. CAPACIDAD POR FUSTE
• La resistencia lateral del pilote es proporcional a:
• La superficie de contacto lateral (perímetro) entre el pilote y el suelo.
• Coeficiente de frotamiento pilote-suelo:
• Rugosidad del pilote
• Presión lateral
• Coeficiente de fricción del suelo
• Requiere deformación para ser movilizado

C.1 Pilotes de desplazamiento / sin desplazamiento
Norlund (1979)

C.3 Fricción
Método Tipo Parámetros de diseño (+) (-)
Norlund Thurman
(Hannigan 2006)
Semi-
empírico
• Estimación del ángulo de fricción
interna
• Gráficas de diseño provistas por
Norlund
• Basado en observaciones de campo
• Sección 7.2.1.3.1 AASHTO
• Incremento de
fricción en pilotes con
sección variable
• Coeficiente de
fricción para
diferentes materiales
de pilotes
• No limita la fricción
unitaria en el fuste.
• El ángulo de fricción
interna suele ser
correlacionado de
pruebas SPT
( )
sin
'
cos
s F v
q K C
δ
δ ω
σ
ω
+
=

C.3 Fricción
API RP2A
Empírico,
esfuerzos
efectivos
• Estimación del ángulo de fricción
interna
• Kd = 0.8 (punta abierta), 1.0
punta cerrada
• d según tablas
• Desarrollado
específicamente para
tubos de gran diámetro
• Aplicación limitada
a otros tipos de
pilotes
' tan
s v
q Kδσ δ
=

C.3 Fricción
Meyerhof
(1976)
Empírico,
SPT
• Número de golpes
corregidos
• Simple
• Ámpliamente usado
• Basado en correlaciones de
pruebas de carga
• Tan confiable como
la prueba SPT
• N60 no siempre
disponible
( )
( )
60
60
1.915 1 Despl.
0.958 1 despl.
s
s
q kPa N
q kPa N
=
= 60 10
1.92
1 0.77log 2
'v
MPa
N Ncorr N N
σ
 
 
= = ≤
 
 
 
 

C.3 Fricción
NTC-DF
(2017)
Empírico,
Esfuerzos
efectivos
• Esfuerzos efectivos
• Simple
• Flexibilidad para considerar
mayores resistencias ante
prueba de carga
• Muy conservador

C.4 Adhesión
Método a
Thomlinson
(1980)
Empírico,
esfuerzos
totales
• Resistencia al corte de los
suelos, Su
• Simple
• Ámpliamente usado
• Tablas para el factor a
• Subestima adhesión
en suelos blandos y
medios
• Dispersión en la
adhesión vs. Su
s u
q S
α
=

C.4 Adhesión
API RP2A
(1993)
Empírico,
esfuerzos
efectivos
• Resistencia al corte de
los suelos, Su
• Simple
• Ampliamente usado
• Fórmula para el factor a
en relación con el esfuerzo
efectivo
• Desarrollado para
pilotes tubulares de
gran diámetro.
s u
q S
α
=

C.4 Adhesión
NTC-DF
(2017)
Empírico,
esfuerzos
efectivos
• Resistencia al corte de
los suelos, Su
• Esfuerzo efectivo
• Simple
• Fórmula para el factor a
en relación con el esfuerzo
efectivo
• Desarrollado para
pilotes tubulares de
gran diámetro.

C.4 Adhesión
Método b
(Esrig Kirby
1979)
Empírico,
esfuerzos
efectivos
• OCR en suelos
• Simple
• Toma en cuenta el efecto de
la preconsolidación
• Suelos medios a
duros
· '
c v
q β σ
=
OCR Beta
PI=20 PI=60
0 0.34 0.28
1 0.34 0.28
2 0.46 0.45
4 0.66 0.72
8 1.12 1.22
16 2 2

C.4 Adhesión
CPT Empírico,
• Resistencia en fuste de
cono eléctrico
• Repetitividad de resultados
• Medición directa de la
adhesión en el aparato
• Suelos blandos a
medios
• Efecto de la velocidad
de carga en pilotes

D. RESISTENCIA POR PUNTA
La determ inaci ón de la resi stenci a por punta del pi lote puede ser
esti mada usando un promedio ponderado de l a resistencia del
nucleo (Nutti nhgham Schertmann, 1975) en la vecindad de la
punta del pi lote, mediante la sigui ente ecuaci ón:
qp
qp1 qp2
+
2
:=
Donde qp1 = capacidad medi a ponderada entre 0.7 y 4 veces
el diám etro del pilote por debajo de la punta.
qp2 = capacidad de carga media ponderada a 8·D por
arri ba de la punta del pilote
Los rangos de ponderaci ón por capacidad de carga son, entonces,
com o sigue:
Profundidad incial de ponderación 8.0 * Dp+ zf
Profundad final de ponderación 4.0 * Dp+ zf

D.1 Capacidad de carga por punta
Método Normund Thurman (1979)
Fricción media f pond
Factor de corrección at
Factor capacidad de carga N'q
Presión límite qL
Esfuerzo efectivo máximo s'v máx
' '
ps t q v L
q N q
α σ
= ≤
Método Meyerhof (1979)
Golpes prueba SPT N prom
Esfuerzo vertical efectivo s'v
Correción SPT Ncorr
Presión límite qL
Diámetro del pilote D
Empotramiento efectivo Db
·
38.3 b
pu L
Ncorr D
q kPa q
D
= ≤
f ql [kPa]
0 100
30 478.8
35 4788
40 19152
45 38304
50 95760
Vesic (1975)
l/b= 42.0949857
· ' '
ps v q q
q N d
η σ
=
( )
( )
2 1
1.33sin
/2 tan 2 1 sin
1 2tan 1 sin tan /
3
' tan 45
3 sin 2
q
q rr
d L B
N e I
π θ θ
θ θ
θ
θ
−
− +
= + −
 
 
= +
 
 
−  
 

D.1 Capacidad de carga por punta
NTC-DF (2004) Fricción
Presión límite en la punta
p'v
fu (°
)
Nmáx
Tabla 3.3 Nmín
Nq
*
pu v q
q p N
=
( )
* min
min
4 tan 45 / 2
máx
q e
N N
N N L
B θ
−
= +
+
fu (°
) 0 20 25 30 35 40 45
Nmáx 12.5 12.5 26 55 132 350 1000
Nmín 7 7 11.5 20 39 78 130
Jambu (1976)
n
l/b= 42.0949857 s'v
N'q
dq
¥
· ' '
ps v q q
q N d
ησ
=
( )
( )
2
2 2 tan
2 1
' tan (1 tan
1 2tan 1 sin tan /
q
q
N e
d L B
ψ θ
θ θ
θ θ −
= + +
= + −

D.2 Capacidad de carga Suelos Cohesivos
AASHTO 10.7.3.8.6e-1
9
pc u
q S
=
NTC-DF (2004) Adhesión
Presión límite en la punta (eq. 3.13)
Tabla 3.2
fu (°
)
cu
Nc
Pilote Hincado FR * Fre
*
pc u c
q c N
=
fu (°) 0 5 10
Nc* 7 9 13
Vesic (1975)
fi_pond 29.9999998 c
l/b= 42.0949857 N'q
N'c
dc
'
pc c c
q cN d
=
( )
( )
1
1 cot 9.0
1 0.4tan /
c q
c
N N
d L B
θ
−
= −
= +

D.3 Penetrómetro Menard
Fascicule 62
Titre V

D.4 Capacidad de carga en roca

F. Factor de seguridad / de resistencia
• ASD
• PUNTA: 2.5 – 3.5 (3.0)
• FUSTE: 1.5 – 2.5 (2.0)
• LRFD

F. Factor de seguridad / de resistencia

FHWA HI97-014, Course No. 13221y 13222
Factor de seguridad FS= 4
Fórmula de Gates
Er = Energía efectiva de hincado [J]
Nb= Número de golpes para penetrar 25 mm
7 log(10 ) 550
F r b
RU E N
 
= −
 
Criterio de rechazo (USACE): Madera 3-4 b/in (110 b/m)
Concreto
10 b/in (390 b/m)
Tubo acero
10 – 20 b/in (390-700 b/m)
Viga H
10 – 20 b/in (390-700 b/m)
Esfuerzo permisible en pilotes de
acero - 0.85 fy
Concreto - 0.85 ݂′ܿ - ݂‫݁݌‬
(compresión)
G. Fórmulas Dinámicas

I. Deformaciones
Donde
q = Sobrecarga en la punta del pilote o pila
D= Ancho o diámetro del pilote
E, v = Parámetros elásticos
If, F1 = Factores de forma y reducción
IF = 0.55 si L/D ≤ 5
0.50 si L/D 5
F1 = 0.25 para pilotes por fuste
0.5 para pilotes por fuste – punta
0.75 para pilotes por punta

J. Corrosión
• FHWA corrosión = 0.6 in (1.5cm)

EN 1993-5: 2007 Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 5: Piling; Tabla 4.1 y 4.2
Condición 0 5 25 50 75 100 200
Atmosférica
Condición atmosférica normal 0.00 0.05 0.25 0.50 0.75 1.00 2.00
Ubicaciones cercanas al mar 0.00 0.10 0.50 1.00 1.50 2.00 4.00
Suelos
Suelos naturales no alterados (arena, alimo, arcilla, etc.) 0.00 0.00 0.30 0.60 0.90 1.20 2.40
Suelos contaminados y terrenos industriales 0.00 0.15 0.75 1.50 2.25 3.00 6.00
Suelos naturales agresivos (pantanos, salinas, turbas, etc.) 0.00 0.20 1.00 1.75 2.50 3.25 6.25
Rellenos compactados y no agresivos (arcillas, esquistos, arenas, limos) 0.00 0.18 0.70 1.20 1.70 2.20 4.20
Rellenos compactados agresivos (cenizas, escorias, etc.) 0.00 0.50 2.00 3.25 4.50 5.75 10.75
Rellenos no compactados y no agresivos (arcillas, esquistos, arenas,
limos) 0.00 0.09 0.35 0.60 0.85 1.10 2.10
Rellenos no compacatados agresivos (cenizas, escorias, etc.) 0.00 0.25 1.00 1.63 2.25 2.88 5.40
Agua
Agua dulce común (ríos y canales) en la zona de alto ataque (superficie
del agua) 0.00 0.15 0.55 0.90 1.15 1.40 2.40
Agua dulce muy contaminada (canales industriales, drenajes) en la zona
de alto ataque (superficie del agua) 0.00 0.30 1.30 2.30 3.30 4.30 8.30
Agua de mar en climas templados en la zona de alto ataque (zonas de
rompiente de ola, nivel bajo de la marea) 0.00 0.55 1.90 3.75 5.60 7.50 15.10
Agua de mar en climas templados en la zona de permanente inmersión
o cambio de marea 0.00 0.25 0.90 1.75 2.60 3.50 7.10
J. Corrosión

L. EJEMPLO: Planteamiento del problema
• FHWA. Design and
Construction of Driven Piles
Foundations. FHWA HI 97-
013. National Highway
Institute, 1998. Ex. #2.
• L= 15m; Preexcavación
1.0m; NAF = 5.0m

Propiedades geométricas
Sección:
d= 30.8 cm b= 30.5 cm As = 123.2 cm²
tw = 0.99 cm tf = 1.54 cm J = 90.7 cm6
Ix = 22,185.0 cm4 Iy = 7,242.0 cm4 Cw = 1,550,000 cm6
Sx = 1,440.0 cm³ Sy = 477.0 cm³ w = 96.70 kg/m
Zx= 1,586.0 cm³ Zy = 723.0 cm³ ho= 29.3 cm
rx = 13.40 cm ry = 7.70 cm h= 30.8 cm
H12x65 305x96.7
L. EJEMPLO: Viga de acero
Perímetro de contacto P 2 d b
+
( )
⋅ 1.226m
=
:=
Área de punta Ap 0.3 b
2
⋅ 279.075 cm
2
⋅
=
:=
Suelos friccionantes medios a
densos (Alonso, 2008

Pilotes HP. Cálculo del área de la punta
Sección: (305x96.7)
Área de acero As= 123.2 cm² Ep =
Peralte d = 30.8 cm Opciones de cálculo
Ancho de la base b = 30.5 cm Ap = 435.5 cm²
Espesor del patín tf = 1.54 cm
Espesor del alma ta = 0.99 cm P = 122.60 cm
At = b·d = 939.4 cm²
De = 23.55 cm
Bowles (1976)
Tapón parcial
Perímetro (b x d)
Diámetro eq.(plug parcial)
210,000 MPa
H12x65
Criterio de Bowles (Foundations Analysis Design)
Ángulo de fricción del suelo en la punta f
f
f
f 35.0 °
Fricción suelo - acero d
d
d
d = 0.73 25.6 °
xp= 7.1 cm
Tapón parcial
2xd' =
Ap / At = 46.4%
Diám. Eq =
Per = 75.7 cm
Aplug =
435.5 cm²
435.5 cm²
23.5 cm
L. EJEMPLO: Viga de acero

• Aoki y Velloso (1975)
L. EJEMPLO: fricción lateral
2 2
· ·
cono SPT
s
q k N
q
F F
α
= =
ܳ௅ = ܲ ෍ ‫ݍ‬௦௜ · ‫ܮ‬௜
a= 4.10%
k = 0.33 MPa
F2 = 3.50
QLAV P
α k
⋅ 10
⋅
F2






4.0m
( )
⋅
α k
⋅ 30
⋅
F2






11m
( )
⋅
+






⋅ 1753.565 kN
⋅
=
:=
• Meyerhof (1976)
QLM P 0.958kPa 10
⋅
( ) 4.0m
( )
⋅ +
[
⋅
:=
0.958kPa 30
⋅
( ) 11m
( )
⋅ ] 434.568 kN
⋅
=

L. EJEMPLO: fricción lateral
• Burland (1973)
Arenas sueltas –
Esfuerzo vertical efectivo
K = 0.5
tan δ = 0.364
qs = 6.19 kPa
Arenas de consistencia media –
Esfuerzo vertical efectivo
K = 0.426
tan δ = 0.431
qs = 23.03 kPa
σe 17
kN
m
3






2.0
⋅ m 34.000kPa
=
:=
σe 17
kN
m
3






4.0m
( )
⋅ 18.8
kN
m
3
10
kN
m
3
−






6.5m
( )
⋅
+ 125.200kPa
=
:=
Integrando los términos en la longitud del pilote
QLB P 6.19kPa
( ) 4.0m
( )
⋅ 23.03kPa
( ) 11m
( )
⋅
+
[ ]
⋅ 340.938 kN
⋅
=
:=

L. EJEMPLO: Resistencia lateral
• Aoki y Velloso (1975)
qp
0.8MPa
( ) 30
( )
⋅
1.75
13714.286 kPa
⋅
=
:=
QpAV qp Ap
⋅ 382.731 kN
⋅
=
:=
• Meyerhof (1976)
qp min 40kPa
( ) 30
⋅
11m
27.7cm
⋅ 380kPa 30
⋅
,




11400.0 kPa
⋅
=
:=
QpM qp Ap
⋅ 318.1 kN
⋅
=
:=
• Vesic (1975)
· ' '
ps v q q
q N d
η σ
=
( )
( )
2 1
1.33sin
/2 tan 2 1 sin
1 2tan 1 sin tan /
3
' tan 45
3 sin 2
q
q rr
d L B
N e I
θ
π θ θ θ
θ θ
θ
θ
−
− +
= + −
 
 
= +
 
 
−  
 
Con la siguiente serie de valores, la presión unitaria límite es calculada
n 0.62
s'v 164.8 kPa
N'q 83.310
dq 1.4
Irr 100
ϴ 35.0 °
qp 11,844 kPa

Método de cálculo Fricción lateral
QL [kN]
Aporte de la
punta Qp [kN]
Resistencia total
última [kN]
Aoki Velloso (1975) 1,754 383 2,137
Meyerhof (1976) 435 318 753
Burland (1973) / Vesic (1975) 341 331 672
L. EJEMPLO: Resistencia última
La variación principal de resultados corresponde a la aportación de la fricción lateral en el método
de Aoki y Velloso. Este método, que ha sido derivado de mediciones de campo, y muestra la ventaja
que se puede obtener al ajustar sus coeficientes mediante los datos de pruebas en el sitio para
cada caso de suelo.

Bibliografía
AASHTO. LRFD Bridge Design Specifications, Customary Units. Washington DC, USA: AMERICAN ASSOCIATION OF STATE
HIGHWAY TRANSPORTATION OFFICIALS., 2012.
API. Manual 2A-WDS. Recommended Practice for Planning, Designing and Construction of fixed Offshore Platforms. API
American Petroleoum Institute, 2000.
Bowles, Joseph. Foundations Analysis and Design. Quinta edición internacional. Singapore: McGraw-Hill, 1996.
CFE. Manual de Diseño de obras Civiles: Cimentaciones. México: Comisión Federal de Electricidad, 1981.
FHWA. Design and Construction of Driven Piles Foundations. FHWA HI 97-013. National Highway Institute, 1998.
Jiménes Salas, José Antonio, José Luis Justo Alpañés and A.A. Serrano González. GEOTECNIA Y CIMIENTOS. Madrid:
Ruada S.L., 1980.
NAVFAC. DM 7.1 FOUNDATIONS ANTD EARTH STRUCTURES MANUAL. Washington DC: Naval Facilities Engineering
Command, 1982.
NTC-DF. Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcción del Distrito Federal: Diseño por sismo,
viento, cimentaciones. México: Gobierno del Distrito Federal, 2004.
SMMS. Manual de Construcción Geotécnica, Tomo I y II. México DF: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos AC,
2004.
—. Manual de diseño y construcción de Pilas y Pilotes. México: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, 1989.
Taméz, Enrique. Ingeniería de Cimentaciones. México: TGC Geotecnia S.A de C.V, 2001.

Material de apoyo
http://gofile.me/3JowL/7GjIulwoO
- FHWA. Design and Construction of Driven Piles
Foundations. FHWA HI 97-013. National Highway
Institute, 1998.
https://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech/pubs/g
ec12/nhi16009_v1.pdf
- Revisión structural HP 12x65
- FHWA HI 97-013. National Highway Institute, 1998.
Ejemplo No.2, cálculo Geotécnico

Revisión estructural
Esfuerzo Crítico Fcr por pandeo por flexión, torsión y flexotorsión
Qs1
límite sup Qs
a) 113.45 3474.66
b) 99999.00 111172.40
Valor Fcr 3,475 kg/cm²
Resistencia nominal
Pn = Fcr·As = 428.1 ton
Resistencia admisible / factorizada
Estático Sismo
Pu 26.8 ton 36.7 ton
Pa 256.3 ton 341.7 ton
9.553 9.308
Estado OK OK
Pu/Pa 0.11
OK
3,474.7 kg/cm²
ASD
F.cr Q 0.658
Q F.y
⋅
F.e




⋅ F.y
⋅
Q F.y
⋅
F.e
2.25
≤
if
0.877 Q
⋅ F.e
⋅ otherwise
:=
0.9
1.67
R n
n
a
ASD P P
P
LRFD P
=
=

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