XI JORNADAS GEOTCNICAS DE LA INGENIERIA COLOMBIANA YIV FORO SOBRE GEOTECNIA DE LA SABANA DE BOGOT

DISEO SSMICO DE PILOTES

CARLOS ARTURO CORONADO R., ICProfesor Pontificia Universidad Javeriana, Cali.

ccoronado@puj.edu.co

GERMAN A. VILLAFAE R, IC, ME.Profesor Universidad del Valle, Cali

gevillas@telesat.com.co

1. INTRODUCCIN

Durante un sismo severo en el subsuelo se producen grandes deformaciones de cortante comorespuesta a los fuertes movimientos del terreno, especialmente si los suelos son relativamenteblandos, o se licuan, y si experimentan grandes deformaciones permanentes. Donde se instalencimentaciones sobre pilotes que atraviesen dichos suelos, el diseador deber considerar, y sies posible cuantificar, las cargas sobre los pilotes debido a las deformaciones de los sueloscircundantes. Los mtodos para analizar tales efectos varan en complejidad y esfuerzocomputacional. Es indispensable complementar los resultados de dichos mtodos con laslecciones aprendidas sobre el comportamiento de pilotes en sismos severos.

2. COMPORTAMIENTO Y MODOS DE FALLA OBSERVADOS

El anlisis del comportamiento y la falla de grupos de pilotes en sismos severos es una tareaindispensable para realizar diseos efectivos de estructuras nuevas, o propuestas dereforzamiento para estructuras existentes.

Si se acepta que los pilotes fallan cuando pierden su capacidad estructural, o se degrada elsuelo que los soporta, en la Figura 1 se indican los modos de falla observados en varios sismosseveros (Meymand, 1998). Las causas se pueden describir de la siguiente forma:

Prdida de capacidad lateral del suelo de soporte, generalmente asociada con licuacinde suelos granulares o remoldeo de suelos cohesivos. Este tipo de falla se observ ensismos como San Francisco 1906, Alaska 1964, Loma Prieta 1989 y Kobe 1995.

Dao estructural y perdida de resistencia lateral por efecto de las grandes fuerzasinerciales y desplazamientos laterales, asociado a fenmenos de corrimiento lateral ensuelos licuables o blandos. Este tipo de falla se observ en sismos como Alaska 1964,Niigata 1964, Costa Rica 1991 y Kobe 1995.

Prdida de resistencia por remoldeo del suelo circundante del pilote, generalmenteasociada a la presencia de arcillas blandas o sensitivas. La prdida de soportecombinada con las fuerzas inerciales de la superestructura da origen a volcamiento,

punzonamiento, asentamientos o fallas por tensin. Este comportamiento se pudoapreciar en ciudad Mxico 1985 y Anchorage 1964.

Falla por flexin y cortante asociada a grandes diferencias de rigidez entre las capas desuelo. Estas diferencias se deben a intercalaciones de capas blandas y rgidas, licuacino remoldeo bajo cargas ssmicas. Evidencias de este comportamiento se presentaron enel sismo de Niigata 1964.

Falla del cabezal, generalmente asociada a un detallado estructural inadecuado odeficiencias en el diseo de la conexin pilote-cabezal. Esta falla se present en lossismos de San Fernando 1971, Loma Prieta 1989 y Kobe 1995.

Falla del pilote y/o punzonamiento del cabezal cuando se usan pilotes inclinados pararesistir las cargas laterales. Este tipo de falla se pudo observar en el sismo de LomaPrieta 1989.

Figura 1. Modos potenciales de falla en grupos de pilotes.

3. ALGUNAS ENSEANZAS DE SISMOS SEVEROS

El estudio del comportamiento y la falla de grupos de pilotes en sismos severos, acompaadodel desarrollo de modelos fsicos y numricos, ha permitido establecer criterios,recomendaciones y lineamientos encaminados a mejorar el comportamiento ssmico de unacimentacin con pilotes. En este sentido, a continuacin se resumen algunas de las principalesenseanzas derivadas de los diferentes comportamientos observados:

Bertero (1997) recomienda disear los grupos de pilotes teniendo en cuenta las siguientesconsideraciones: 1) se debe unir la cabeza de los pilotes con vigas de amarre, o una losade concreto reforzado, que pueda trabajar a traccin y compresin, de tal manera que lacimentacin funcione como una unidad, asegurando as su integridad; 2) si el subsuelo essusceptible a licuarse se deben usar pilotes de punta en lugar de pilotes de friccin; y 3) los

Desgarramiento depilotes

Falla por capacidadportante

Falla del cabezal

Falla en la cabeza de losPilotes por flexin y cortante

Falla por flexin y cortantepor contraste de rigidez

Deformacin lateral excesiva

Suelo rgido

Suelo blando

pilotes deben ser capaces de resistir las cargas axiales junto a los cortantes y momentosdesarrollados por los movimientos relativos entre las diferentes capas del depsito de suelo.

Se debe evitar el uso de pilotes prefabricados de concreto reforzado, especialmente cuandola variabilidad del subsuelo es alta, dado que en muchos casos se puede presentar rechazoprematuro y el pilote se somete a altos esfuerzos de hincado que lo deterioran y reducen sucapacidad estructural que requiere en el sismo. Lo mismo aplica cuando dichos pilotesdeben atravesar estratos de arenas potencialmente licuables y penetrar una longitudimportante en el estrato competente. En el sismo de Kobe 1995, se reportaron importantesdaos en pilotes prefabricados de este tipo, especialmente cuando se present licuacin enel subsuelo (Matsu y Oda, 1996). En Norteamrica el pilote de concreto reforzado ha sidoreemplazado por pilotes de concreto pre-esforzado (ASCE Committee on DeepFoundations, 1984); stos tampoco presentaron buen comportamiento en el sismo de Kobe1995 (Matsu y Oda, 1996).

En cuanto al uso de pilotes inclinados, en el ATC-32 (Art. C.4.5.5.2) se lee: El uso depilotes inclinados ha sido controvertido, de acuerdo a su comportamiento en terremotospasados. Antes de decidir el uso de pilotes inclinados debe estudiarse sus beneficios contrala complejidad adicional en el diseo, dificultades en la construccin y comportamientopotencialmente reducido. El principal beneficio de usar pilotes inclinados se relaciona conmovilizar una mayor rigidez axial para incrementar la rigidez lateral del grupo de pilotes. Sinembargo la prctica de construccin generalmente limita el ngulo de inclinacin. Aunque larigidez axial es relativamente mayor que la rigidez lateral del pilote, es finita, y por lo tanto elsupuesto incremento en rigidez lateral inclinando pilotes se debe evaluar mediante unanlisis de carga deformacin que tenga en cuenta la configuracin del pilote con sus realescaractersticas de rigidez axial y lateral. Las experiencias indican que en muchos casos elbeneficio del incremento en rigidez lateral inclinando pilotes es relativamente menor,especialmente en sitios de suelos pobres, los cuales generalmente requieren del uso delargos pilotes de friccin.

En el diseo de grupos de pilotes inclinados tambin se debe considerar la interaccinsuelo-pilote. La mayora de los anlisis y diseos convencionales nicamente consideran lascargas inerciales de la superestructura y no las cargas que provienen de losdesplazamientos laterales del terreno (por ej., desplazamientos laterales de suelos licuableso movimientos laterales del terrapln de acceso). Para tales condiciones, los grupos rgidosde pilotes inclinados atraen fuerzas muy grandes y no se comportan bien comparados conlos grupos ms flexibles de pilotes verticales. Se deben evitar los grupos de pilotesinclinados en sitios de suelos pobres (sitios de suelos licuables y blandos o sitios que seconocen como inestables), a menos que se realicen anlisis detallados de interaccin suelo-pilote, con personal experimentado, que permitan resolver las dudas planteadas.

En un sistema zapata-pilote-suelo, los pilotes resisten el momento de volcamientoindependientemente de las cargas laterales del sismo. El momento lo resisten con su rigidezrotacional, con la capacidad de resistir cargas axiales de traccin y compresin, mientrasque las cargas laterales las resisten con su rigidez lateral.

Las pilas excavadas mecnicamente y revestidas con camisa de acero han sido las demejor comportamiento en los movimientos ssmicos severos del pasado, gracias a su mayor

ductilidad. Matsu y Oda, 1996 hacen el siguiente comentario refirindose al sismo de Kobe1995: los pilotes de gran dimetro con camisa de acero (dimetro mayor de 1 m) no sedaaron durante el terremoto, mientras que los de pequeos dimetros (tanto los de camisade acero como los prefabricados de concreto) algunas veces sufrieron dao.

4. INTERACCIN SUELO-PILOTE-ESTRUTURA

Los elementos de un sistema suelo-pilote-estructura pueden dar origen a interacciones de tipocinemtico, inercial y fsico. A partir de observaciones en sismos recientes, modelos numricosy resultados experimentales, se han logrado importantes conclusiones relacionadas con elcomportamiento de grupo de pilotes y las metodologas de anlisis. A continuacin se enuncianalgunos de los principales aspectos relacionados con la interaccin suelo-pilote:

No se debe despreciar los efectos de la interaccin dinmica suelo estructura, ya que engeneral estos incorporan cambios en la respuesta ssmica del sistema que deben sertenidos en cuenta para el diseo de los diferentes elementos que lo conforman.

Entre las diversas metodologas para el anlisis de pilotes sometidos a cargas ssmicasse pueden mencionar, entre otras, las siguientes: a) procedimientos empricos, como lospropuestos por Seed y Stewar (1998); b) acercamientos estticos equivalentes, entre loscuales resulta clsica la propuesta de Broms (en Gonzlez, 1993); c) anlisis dinmicoslineales y no lineales, en los cuales se puede considerar el sistema suelo pilote como uncontinuo, un sistema discreto o un hbrido de los anteriores (Finn, 1996; Novak, 1991).

5. CONSIDERACIONES SOBRE LOS MOVIMIENTOS SISMICOS

En muchos casos el comportamiento ssmico de una estructura soportada por pilotes seencuentra fuertemente influido por los efectos de la interaccin dinmica suelo-pilote-estructura.Sin embargo, dichos efectos casi nunca se consideran en la prctica del diseo. Se proponenlas siguientes recomendaciones para estimar las fuerzas ssmicas actuantes sobre lasuperestructura, las cuales, por efecto de la interaccin inercial, harn parte del el anlisis acarga lateral de la cimentacin:

Clculo de la respuesta dinmica del sitio y los espectros elsticos de respuesta. Se debenevaluar las propiedades dinmicas del sitio, las diferentes fuentes ssmicas de la regin yusar como mnimo un modelo unidimensional de propagacin de onda.

Clculo del espectro elstico de diseo para el sitio de inters como se indica en la Figura 2.Se puede usar el promedio suavizado de los espectros de respuesta, obtenidos en el pasoanterior, ms una desviacin estndar (Chopra, 1995).

Clculo del periodo de vibracin de la estructura, primero considerando empotramientoperfecto Temp y luego modelando el suelo como un conjunto de resortes equivalentes Tela.

Clculo de las fuerzas ssmicas de diseo de la estructura. a partir de los periodos devibracin obtenidos en el paso anterior y el espectro de diseo. Se puede usar la mayoraceleracin espectral obtenida a partir de Temp y Tele.

Clculo de la fuerza ssmica de diseo de la cimentacin por efecto de la interaccininercial. Como fuerza de diseo se recomienda usar la capacidad lateral de la columna,muro o pila encargada de transmitir las cargas de la estructura a la cimentacin.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

Periodo (s)

Sa

(g)

Northrige 25.3Km - 0.3gLomaPrieta 27.4 Km - 0.25gNorthrige 14.9 Km - 0.25gNorthrige 25.3Km - 0.25gNorthrige 14.9 Km - 0.35gLomaPrieta 28.5Km - 0.25 g

Armenia NS 0.3gArmenia NS - 0.25gArmenia EW - 0.3gNorthrige 14.9 Km - 0.35gPERCENTIL 84 (Int)H-NSR98

A-NSR98

Espectro de respuesta promedio ms una desviacin estndar

Figura 2. Espectros elsticos de respuesta para el cono de Melndez, sismos intraplaca.

Si el clculo del espectro elstico de diseo no es viable, se puede usar el espectro derespuesta alterno del Ttulo H (NSR-98) teniendo en cuenta la propuesta de Seed. et al (2001),como se indica a continuacin:

Calcular el periodo de vibracin del suelo durante el sismo de diseo (Tp,sismo).

+

+=

11

31 maxmax,,

aa

aTT elsticopsismop

Donde:

Tp,elstico : Periodo de vibracin del sitio para pequeas deformaciones.

amax : Pico de aceleracin mxima esperada en superficie.

Incrementar la aceleracin espectral Sa del Ttulo H, de la siguiente manera: en un 25%para el periodo Tp,ssmo; luego en un 20% para 0.95 y 1.05 Tp,ssmo; y finalmente regresar alos valores originales de Sa para 0.8 y 1.15 Tp,ssmo. As se puede obtener unarepresentacin mejorada de los movimientos ssmicos probables para un sitio especfico.

6. MODELAMIENTO NUMRICO

Como se ha mencionado, se dispone de diferentes alternativas para el modelamiento de unacimentacin con pilotes. Sin embargo, muchas de las propuestas slo resultan viables en elmbito de investigacin o en proyectos de gran envergadura. Luego de revisar varias de las

metodologas existentes, los autores consideran que el uso de un modelo del tipo Winkler nolineal (Figura 3) resulta apropiado en la mayora de las aplicaciones prcticas.

K

MODELO ANLITICO

MH

V

K

DESPLAZAMIENTO LATERAL

FUERZA DE REACCIN LATERAL

MAXIMAPH

K

-

RELACION DE LA FUERZA LATERAL VS. DESPLAZAMIENTO LATERAL

MOMENTO FLECTOR

MM

RELACION DEL MOMENTO VS.LA CURVATURA

MOMENTO

M

FF FF FFCURVATURADESPLAZAMIENTO

VERTICAL

FUERZA DE REACCIN

FUERZA DE PUNTA LTIMA

PN

K

PT

RELACION DE LA FUERZA VERTICAL VS. DESPLAZAMIENTO VERTICAL

FUERZA DE TRACCIN LTIMA

FUERZA DE REACCIN

Figura 3. Modelo para el diseo de un grupo de pilotes.

El suelo se puede reemplazar por un conjunto de resortes no lineales, cuya curva cargadeformacin depende del tipo de suelo, ubicacin y tipo de resorte. De esta manera, en el fustese usan curvas T-Z, P-Y y *-* para modelar las respuestas por carga axial, lateral y torsinrespectivamente. Adems, para la punta se usan curvas Q-Z que permiten modelar el estratoportante.

Una discusin detallada de los diferentes tipos de curvas T-Z, Q-Z, P-Y y *-*, se encuentra fueradel alcance del presente articulo (Mosher, 2000). La metodologa de anlisis se puede resumirde la siguientes manera:

Seleccionar o desarrollar un programa de anlisis estructural con capacidad de modelarapoyos elsticos de tipo no lineal, como SAP2000, Algor, GT-Strudl o STAD-III, entre otros.

Seleccionar el tipo de curvas T-Z, Q-Z, P-Y y *-* ms apropiadas, segn el suelo y lascondiciones de carga a las cuales se encontrar sometido el pilote.

Discretizar cada pilote del grupo como un conjunto de elementos tipo viga. En cada uno delos nodos se deber ubicar un resorte con una regla de comportamiento dada por las curvasseleccionadas en el paso anterior.

Programas especializados como FL-Pier y FB-Pier (University of Florida) facilitan los anlisis deeste tipo, dado que incluyen varios de los diferentes tipos de curvas carga-deformacinpropuestas en la literatura geotcnica.

Figura 4. Modelo de un pilote a carga axial, lateral y momento.

7. CRITERIOS DE DISEO

El propsito de stos criterios es estandarizar el diseo ssmico de pilas y pilotes de tal maneraque se pueda garantizar un nivel aceptable de seguridad ante cargas de tipo ssmico. De igualmanera, se busca que las estructuras se comporten satisfactoriamente durante su vida dediseo. A continuacin se resumen algunos de los principales criterios para el diseo deestructuras soportadas por pilotes.

Deben estar en capacidad de soportar sismos de magnitud moderada sin dao estructuralde consideracin. Dado que estos movimientos ssmicos pueden ocurrir una o ms vecesdurante la vida de diseo de la estructura, sta debe responder en el rango esencialmenteelstico.

Resistir el sismo de diseo sin riesgo de prdida de vidas humanas o colapso total. Sinembargo, se puede permitir comportamiento inelstico controlado con posibilidad dereparacin.

Los suelos blandos y licuables se deben considerar como el mayor problema para el diseode cimentaciones. Cuando se determine la presencia de dichos suelos se deben tomar lasmedidas necesarias para asegurar niveles limitados de deformacin.

Se debe evitar el uso de pilotes inclinados para resistir cargas laterales. En caso contrario,se deben tomar medidas de diseo especiales para garantizar de manera confiable que,dichos pilotes, tienen suficiente resistencia y ductilidad para comportarse de maneraadecuada bajo las cargas de diseo.

8. PILOTES EN SUELOS LICUABLES

La licuacin es una de las principales causas de dao durante sismos (Seed et. al, 2001), poresta razn resulta fundamental el desarrollo de criterios para un diseo adecuado de pilotes ensuelos licuables. En los ltimos aos gran parte de la investigacin ssmica se ha concentradoalrededor de este tema, lo cual ha permitido un mayor nivel de comprensin del fenmeno y susefectos. A continuacin se contemplan y comentan los principales pasos y metodologas que,en opinin de los autores, se recomiendan para la evaluacin y diseo de pilotes en sueloslicuables.

Evaluacin del potencial de licuacin

El primer paso en cualquier estudio relacionado con suelos potencialmente licuables consiste endeterminar el potencial de licuacin. para lo cual se pueden usar diferentes metodologas. Sinembargo, en opinin de los autores, el siguiente procedimiento propuesto por Seed, et al (2001)resulta adecuado en la mayora de aplicaciones prcticas.

Para que se presente licuacin, la relacin de esfuerzos cclicos inducidos por el sismo (CSR)debe ser superior a la relacin de resistencia cclica del suelo (CRR). CSR se calcula segn lasiguiente expresin,

dvo

v rg

aCSR

'65.0 max

ss

=

Donde: amax es la mxima aceleracin en la superficie del terreno; g es la aceleracin de la

gravedad; sv y sv son los esfuerzos verticales total y efectivo; y rd es el factor no lineal departicipacin de masa. Dicho factor, es funcin de la profundidad (d), la magnitud del sismo(Mw), la aceleracin superficial mxima (amax) y la velocidad de onda de corte en los primeros15 m, tal como se indica en la Figura 5 y la siguiente expresin:

Figura 5. Factor no lineal de participacin de masa. a) Recomendaciones de Seed e Idriss (1971) b)

La media y 1 Desviacin estndar para 2153 casos analizados (Seed, et.al., 2001).

Para el clculo de la CRR, Seed, et. al., (2001) proponen la correlacin probabilstica que seindica en la Figura 6; es importante notar la diferencia con la propuesta previa de la NCEER(1996). Se debe destacar que estas curvas corresponden a diferentes probabilidades delicuacin PL, y adems son funcin de la magnitud de sismo (Mw), el esfuerzo vertical efectivo(sv ), el contenido de finos (CF) y el valor del N (SPT) normalizado N1,60 , como se indica acontinuacin,

Donde F es la distribucin normal acumulativa.

Donde F -1 es la distribucin normal acumulativa inversa.

Figura 6. Correlaciones para la evaluacin del potencial de licuacin. a) Modificada de Seed, et al

(1986), b) Seed, et al, (2001).

Para el clculo del N1,60, se deben corregir los valores medidos de N mediante la Ecuacin 3,con los factores indicados en la Tabla 1, recomendados por Seed, et al. (2001).

(N1)60 = Nm CN CE CB CR CS (Ecuacin 3.)

Donde Nm es el valor de N registrado en los ensayos; CN es el factor de correccin por presinde sobrecarga; CE es la correccin por la energa que entrega el martillo (CE = ER/60%); CB esla correccin por el dimetro de la perforacin; y CR es el factor de correccin por longitud delvarillaje de perforacin.

Figura 7. Valores recomendados de CR (Seed, et al, 2001)

FACTOR Variable Smbolo Correccin

Presin de sobrecarga. CN = (Pa/sv o)0.5 *

CN menor oigual que 2

Relacin de energa Martillo cilndricoMartillo de seguridadMartillo automtico Cilndrico

CE = 0.5-1.00.7-1.20.8-1.3

Dimetro de la perforacin 65 115 mm150 mm200 mm

CB = 1.01.051.15

Longitud del varillaje Figura 7 CRTipo de muestreador con espacio para Liners, pero no seusan Liners durante el muestreo.

CS =

1001 60,1

N+

*Pa = Presin atmosfrica.Tabla 1. Factores de Correccin para los Valores de N medidos en el SPT (Seed, et. al, 2001)

Finalmente, se debe mencionar que la metodologa anterior, representa un mejoramientosignificativo en nuestra habilidad para enfrentar de manera precisa y confiable la amenaza porlicuacin.

Estabilidad global post-licuacin

Una vez comprobada la probabilidad de licuacin, el siguiente paso consiste en evaluar laestabilidad global post-licuacin del sitio de proyecto. Esto implica estimar la resistencia post-licuacin disponible, y a partir de esta la posibilidad de corrimiento si las fuerzas deslizantessuperan a las resistentes, como se indica en la Figura 8.

Borde libre

Inercia

Empuje Activo

Resistencia al corte

Figura 8. Fuerzas actuantes en un bloque de suelo deslizante.

En la actualidad hay dos mtodos para evaluar la resistencia post-licuacin o la tambinllamada resistencia residual de arenas licuables. En el primer mtodo, la resistencia residual secalcula a partir de ensayos triaxiales estticos consolidados no drenados, segn la propuesta dePoulos (1985) o Norries et al (1997), como se indica en la Figura 9. En el segundo mtodo, seusan correlaciones entre el N (SPT) y la resistencia post-licuacin calculada a partir de anlisisretrospectivos, como se indica en la Figura 9. Este ltimo mtodo es el de mayor uso en la

actualidad, sin embargo a partir de la propuesta de Norries et al (1997) en el futuro se puedeesperar un cambio de actitud.

Figura 9. Clculo de la resistencia residual.

Consideraciones de diseo

El principal problema para el diseo de pilotes en suelos licuables consiste en determinar lamagnitud de las fuerzas inducidas por efecto del movimiento del terreno. Segn lasespecificaciones de diseo de la Asociacin de Carreteras del Japn (JRA 1996), las fuerzas dediseo a usar en la zona de suelos no licuables y licuables, gNL (KN/m) y gL (KN/m)respectivamente, se pueden calcular segn las siguientes expresiones:

N 1,60,CS

(Seed y Harder 1990)

N 1,60,CS

(Stark y Mesri 1992)

Res

iste

ncia

res

idua

l no

dren

ada

Su,

r

Trayectorias de esfuerzo

Relacin Su,r/P vs P

Dife

renc

ia d

e es

fuer

zos,

q (K

pa)

Esfuerzo medio, p (Kpa)

Figura 10. Fuerzas inducidas por el movimiento de capas licuables (JRA, 1996).

Donde Kp = coeficiente de presin pasiva de tierras, gNL y gL = peso unitario de los suelos nolicuables y licuables, HNL y HL = espesor de los suelos no licuables y licuables, x = profundidaddesde la superficie del terreno, cs factor de modificacin en funcin de la distancia al borde libre,cNL y cL = factores de modificacin para tener en cuenta la fuerza inducida por el movimiento delas capas no licuables y licuables. A partir de varios anlisis post-falla de puentes con daodurante el sismo de Kobe y de resultados de mesa vibratoria, se recomienda cL = 0.3(Kawashima citando a MOC, 1995; Tamura y Azuma, 1997; Tamura, et al, 2000). De igualmanera, a partir de la evaluacin emprica del dao observado en el sismo de Kobe y modelosde mesa vibratoria, cs = 1.0, 0.5 y 0.0 para s

De igual manera, segn los resultados de Kanie, et al (2000), en suelos licuables, an lejos deun borde libre se presentan movimientos diferenciales considerables que deben ser tenidos encuenta durante el diseo de pilotes.

Con el fin de analizar la influencia de una capa de suelos licuables en la respuesta de unacimentacin con pilotes, los autores han usado modelos unidimensionales y de elementosfinitos, cuyos resultados se muestran en la Figura 11 y Figura 12. Se pueden apreciar lasgrandes distorsiones angulares entre las capas de suelos licuables y no licuables, adems, enla Figura 12 se pueden apreciar las historias de desplazamientos para los nodos 790 y 892,bajo y sobre la capa de suelos licuables respectivamente. Este comportamiento es anlogo aldenominado piso blando en edificios aprticados.

0

20

40

60

80

100

120

0 0.5 1 1.5

Distorsin Mxima (%)

Dep

th (

m)

0

20

40

60

80

100

120

0 0.5 1 1.5

G/GmaxD

epth

(m)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20

Razn de amortiguamiento (%)

Dep

th (m

)

Figura 11. Modelo unidimensional del efecto de una capa licuable en las distorsiones, cortantes y

amortiguamiento de un perfil de suelo.

Figura 12. Modelo de elemento finitos del efecto de una capa licuable en la distorsin de un perfil

de suelo.

A partir de los resultados experimentales, el comportamiento observado en sismos pasados ylos diferentes modelos numricos referenciados, los autores consideran que el uso del factorcs, propuesto en el JRA (1996), resulta cuestionable en la mayora de los casos y por lo tantono recomiendan su uso,.a menos que, por modelacin numrica y experimental, se demuestrelo contrario.

Modelacin Numrica

En el modelo estructural la fundacin se puede idealizar como una estructura soportada porresortes. Sin embargo, el principal problema se presenta al momento de asignar las constantesde resorte. En este sentido, la JRA (1996) propone usar las constantes de resorte KSL, que seobtienen al reducir los resortes originales Ks de la siguiente manera,

KSL = cL KS

Donde cL es un parmetro de reduccin por licuacin, que depende del factor de seguridadcontra la licuacin y de la CSR como se indica en la Tabla 2.

Tabla 2. Parmetro de reduccin cL asociado con la licuacin (JRA, 1996).

Se debe notar que la propuesta de la JRA (1996) difiere de manera notable con los resultadosexperimentales de Orense, et al (2000) (tambin Orense cita a: Yoshida y Matsu, 1978;Matsumoto, et al, 1987; Yasud, 1987; Kiku, 1995), quienes a partir de ensayos a escala real enmesa vibratoria mostraron que el valor de estas constantes puede variar entre 1/10 1/500 delvalor original, como se aprecia en la Figura 13.

FL Profundidad mRelacin cclica de esfuerzos R

Figura 13. Variacin de las constantes de resorte nomalizadas KsL/Ks con el desplazamiento

relativo.

Segn los resultados experimentales de ensayos a carga lateral de pilotes en suelos licuables,Orense, et al (2000) concluyen:

1. Los valores de las constantes de resorte se incrementan con la profundidad ydisminuyen cuando el desplazamiento del pilote aumenta.

2. Generalmente, las constantes de resorte son reducidas entre 1/10 y 1/500 de los valorespara suelo no licuable.

En opinin de los autores, la recomendacin del JRA 1996 para el clculo de las constantes deresorte resulta inadecuada. En su lugar se aconseja calcular las constantes de resorte, ensuelos licuables, a partir de la resistencia residual Su,r.

Capacidad Portante vertical

La Capacidad portante de un grupo de pilotes se reduce por efecto de la licuacin, dichareduccin depender de la extensin del fenmeno y en particular si se trata de pilotes depunta o friccin. Dado que un pilote de friccin pierde prcticamente toda su capacidad porefecto de la licuacin, no se recomienda su uso en suelos licuables. Por otro lado, segn la JAR(1996), la capacidad portante de un pilote en suelos licuables, pSL, se puede calcular a partir dela capacidad portante original, pS, segn la siguiente expresin,

pSL = cLpS

Donde cL es un parmetro de reduccin por licuacin, que depende del factor de seguridadcontra la licuacin y de la CSR como se indica en la Tabla 2. En opinin de los autores, elclculo de la capacidad portante, en suelos licuables, se puede realizar a partir de la resistenciaresidual Su,r.

Desplazamiento relativo Suelo-Pilote (mm)

Con

stan

te d

e re

sort

e no

rmal

izad

aK

CL/K

S

Aceleracin Espectral y Pico Mxima

Las fuerzas ssmicas de diseo generalmente se determinan a partir de la aceleracinespectral, la cual a su vez depende de la mxima aceleracin pico en superficie y del contenidode frecuencias de la seal. Estos dos parmetros resultan influidos por la presencia de sueloslicuables, como se puede concluir a partir de los modelos presentados por Arulanandan et. al.(1997), para el Distrito de Marina durante el sismo de Loma Prieta (1989). En dichos modelosse demuestra que al considerar los efectos del incremento en presin de poros por licuacin, elcontenido de frecuencias del sismo se afecta de manera notoria. Esto implica que los picos delespectro cambian de posicin, lo cual se refleja en la magnitud de las fuerzas ssmicas dediseo. Sin embargo, dichos cambios slo se pueden cuantificar a partir del anlisis derespuesta de sitio basado en modelos de esfuerzos efectivos.

Otro importante aspecto a tener en cuenta durante el diseo de un grupo de pilotes, en sueloslicuables, es la no-simultaneidad de la aceleracin espectral mxima y las cargas inducidas porefecto del movimiento del terreno. Sin embargo, con las metodologas actuales de anlisis ydiseo resulta difcil tener en cuenta esta situacin.

9. CONCLUSIONES

En general, no se deben despreciar los efectos de la interaccin dinmica pilote-suelo-estructura, dado que estos incorporan cambios en la respuesta ssmica del sistema que debenser tenidos en cuenta en el diseo de los diferentes elementos que lo conforman.

El modelo de Winkler se usa ampliamente para tener en cuenta los efectos de la interaccinsuelo-pilote-estructura. En ste modelo, el suelo se reemplaza por un conjunto de resortes nolineales del tipo T-Z, P-Y y t-q para modelar las respuestas por carga axial, lateral y torsinrespectivamente.

La licuacin es una de las principales causas de dao durante sismos, por esta razn resultafundamental el desarrollo de criterios para un diseo adecuado de pilotes en suelos licuables.En este sentido, en los ltimos aos gran parte de la investigacin ssmica se ha concentradoalrededor de este tema, lo cual a permitido un mayor nivel de comprensin del fenmeno y susefectos.

Algunas de las recomendaciones de la Asociacin Japonesa de Carreteras (JRA) para el diseode pilotes en suelos licuables resultan cuestionables, segn las observaciones del dao en elsismo de Kobe (1995) y en diversos modelos numricos y experimentales disponibles sobre eltema.

Los autores recomiendan que el anlisis y diseo de pilotes en zonas ssmicas se lleve a cabomediante el uso de modelos estructurales que tomen en cuenta los efectos de la interaccindinmica suelo-pilote-estructura.

10. AGRADECIMIENTO

Los autores agradecen a las Universidades Javeriana y del Valle, y a la firma SAYA Ltda por elapoyo durante la realizacin de este trabajo.

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