APLICACIÓN DE ENFOQUE LRFD (LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN) PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Buitrago Acosta Lizeth Jhohana

Galarza López Sergio Andrés

Gómez Chávez Lina María

Güiza Villa Nathaly

Lombo Prieto Camilo José

APLICACIÓN DE ENFOQUE LRFD (LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN) PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS

Resumen

En este documento se muestran las pautas y criterios básicos del diseño de cimentaciones profundas bajo el enfoque LRFD (Load and resistance factor design), como un herramienta más para poder dimensionar, diseñar y calcular este tipo de elementos estructurales, que dan soporte y seguridad a toda la estructura. Es de vital importancia que el Ingeniero civil se permita evaluar las diferentes opciones que ofrece el estudio de la geotecnia actual  para evaluar la resistencia y las cargas que se van a aplicar sobre una estructura de cimentación como lo son los pilotes

Palabras claves: Cimentación,  Resistencia, Diseño, Cargas, Pilotes

Abstract

In this document the guidelines and basic design criteria deep foundations under the LRFD (Load and resistance factor design) approach as a power tool for dimensioning, design and calculate this type of structural elements that support and safety is whole structure. It is vital that the civil engineer is to assess the various options offered by the current geotechnical study to evaluate the resistance and the loads to be applied on a foundation structure such as foundation piles.

Keywords: Foundation, Resistencia, design, service charges, foundation piles.

1. introducción

En la Ingeniería existen dos clases de métodos para análisis y diseños, los cuales se  dividen en determinísticos y probabilísticos, entre los últimos se encuentra diferentes métodos, entre ellos el  de resistencia última, en el cual se llevan los esfuerzos hasta la falla o rotura y se trabaja con las cargas últimas o factoradas y el método de los estados límite, estableciendo que la probabilidad de falla para ciertos estados  se encuentra dentro de valores tolerables, factorando las cargas y minimizando las resistencias.

Se requiere entonces de un procedimiento que precise  la incertidumbre en las cargas y de los parámetros geotécnicos, e incorpore coeficientes de seguridad parciales. Es aquí donde  método LRFD (Load and Resistence Factor Design) se desarrolla y entra a actuar  a la hora de   diseñar. A continuación se explica este método de  manera  general,  y de  manera específica en cimentaciones profundas, como son  los pilotes.

1. Método LRFD (Load and Resistance Factor Design)

En este método se pretende que  las cargas se multipliquen por factores de carga para mayorarlas y la resistencia del suelo se multiplica por factores de resistencia para reducirlas.

El método LRFD se utiliza para verificar los estados límites últimos, de servicio y de eventos extremos de las estructuras, para que satisfaga los requisitos mínimos de seguridad, de servicio y de operación. Entonces se debe ver todas las circunstancias de falla que puedan presentarse en cada estado límite y evaluar la probabilidad de que estas ocurran y que no superen los valores recomendados, al hacer el dimensionamiento de las  fundaciones  las cargas de diseño mayoradas, va a ser menores o iguales que las resistencias minoradas del suelo de cimentación.

El método LRFD, disminuye las incertidumbres mediante la aplicación de factores y modificadores para cada tipo de carga, así como un factor de resistencia que multiplica a la carga ultima. La suma de las cargas colocadas sobre una estructura, no debe exceder la resistencia de diseño factorada con el fin  de que la estructura tenga un comportamiento satisfactorio.

[pic 1]

Donde:

P: Carga mayorada total.

Pi: Solicitaciones de las cargas.

ηi: Modificador de carga.

γi: Factor de carga.

Pr: Resistencia de diseño factorada.

Pu: Resistencia nominal (Resistencia última).

φ: Factor de Resistencia.

El método requiere de la disponibilidad de datos estadísticos de algoritmos de diseño probabilísticos, pues las cargas y resistencias se modelan con base en una función de densidad probabilística normal o log-normal y los factores de resistencia varían con el método de diseño.

La Ecuación 1 constituye la base de la metodología del Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD).

Las cargas utilizadas se  clasifican en permanentes y transitorias; las cargas permanentes son aquellas que actúan en todo momento y duran toda la vida útil de la estructura, entre ellas se encuentra  el peso propio de la estructura. La Tabla 1 contiene este tipo de cargas.

Tabla 1.Cargas permanentes (AASHTO, 2004)

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Las cargas transitorias se presentan en cortos periodos de tiempo.

Tabla 2. Cargas transitorias (SCDOT, 2010)

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1. Estados límite

El método LRFD se basa en el criterio de estados limites, es por esto que también se le conoce como método de diseño por estados límites o LSD (por sus siglas del inglés: “Limit States Design”).

El término estado límite se usa para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función.

Existen tres tipos de estados límite: los de resistencia, los de servicio y los de eventos extremos.

1. Estados límite de resistencia

Están asociados a la falla física (rompimiento o fractura de los componentes de la fundación o de cualquier parte de la estructura por un mal comportamiento del sistema suelo cimentación). Estos pueden ser los mostrados en la ilustración 1.

[pic 5]

Ilustración 1. Ejemplos estados limite

1.  Estados límite de servicio.

Se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos.  También pueden ser desplazamientos laterales o asentamientos verticales como se muestra en la ilustración 2.

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Ilustración 2. Ejemplo estados límite de servicio.

1.  Estados límite de eventos extremos.

Considera una combinación de cargas que representen unas condiciones poco frecuentes en un diseño, como es el caso de los eventos sísmicos e impacto de vehículos, entre otros. Como la probabilidad que ese evento ocurra durante la vida de la estructura es relativamente baja, el margen de seguridad que se requiere también lo es.

En la Tabla 3, se muestran los estados límite para cimentaciones profundas tomados del manual de cimentaciones del INVIAS.

Tabla 3. Estados limite cimentaciones profundas

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1. Factores de Resistencia

Estos factores de resistencia pueden ser obtenidos usando una calibración bien sea por el método ASD o usando la teoría de la confiabilidad. En Colombia se tienen adaptaciones de la norma AASHTO incluidas en tablas en el Manual de cimentaciones proporcionado por el INVIAS, estos factores dependerán entonces del tipo de pilote, hincado, prebarrenado, etc., el tipo de suelo de cimentación y el método de carga usado, dichas tablas se citan a continuación.

Tabla 4. Factores de resistencia para el estado límite de resistencia geotécnica en pilotes prebarrenados cargados axialmente (AASHTO, 2004)

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Tabla 5. Continuación Tabla 4.

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Considerando que:

Nota 1: Debido a la escasez de datos obtenidos in situ, de momento no es posible determinar con precisión cuáles valores se deben utilizar para los factores de resistencia aplicables a los pilotes perforados en arenas y gravas.

Nota 2: Los factores de resistencia para el levantamiento son menores que los correspondientes a la compresión axial. Esto se debe en parte a que los pilotes prebarrenados traccionados descargan el suelo, reducen el esfuerzo efectivo debido a la sobrecarga de suelo y por tanto la resistencia lateral contra el levantamiento del pilote.

Las cimentaciones no redundantes son aquellos pilotes prebarrenados con cuatro o menos pilotes prebarrenados soportando una columna ó pilotes prebarrenados individuales soportando columnas individuales; cuando se tienen cinco o más pilotes prebarrenados se clasifican como pilotes pre barrenados redundantes, los factores de resistencia para este tipo de pilotes se muestran en la tabla 6.

Tabla 6. Factores de resistencia para el estado límite de resistencia geotécnica en pilotes prebarrenados (SCDOT, 2010)

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