Pretensar para mejorar el comportamiento elástico del hormigón.


Este concepto que  trata al hormigón como un material elástico predominó como concepto único por mucho tiempo, siendo reevaluado en las últimas ediciones del código ACI 318.

El hormigón armado está compuesto principalmente por dos tipos de materiales; el hormigón y el acero. El hormigón posee una resistencia a la compresión ( σba '  ) mucho mayor que la resistencia a la tracción ( σba  ).

En una viga pretensada cualquiera (simplemente apoyada) hay fibras que están sometidos a tracción y otras a compresión. Las fibras comprimidas se comportan adecuadamente  y, en cambio, las  fibras traccionadas  lo  hacen  en forma relativamente ineficiente. En el hormigón armado, esta deficiencia se elimina colocando una armadura de acero ordinario en la zona traccionada a fin de absorber las tensiones de tracción. 

En el hormigón pretensado, en cambio, se procura crear un estado de tensiones iniciales tal que, combinado con el estado tensional originado por las cargas, seobtenga como resultado un nivel de tensiones de tracción y compresión que le permita resistir las cargas actuantes.

Desde este punto de vista el hormigón  está siendo sometido  a dos sistemas de fuerzas: 

• Uno originado por las fuerzas internas provocadas por el cable 
• Otro provocado por las cargas externas, 

Mientras que la suma de ambas acciones no supere la resistencia a tracción del hormigón no existe fisuración y por tanto, los esfuerzos, deformaciones y deflexiones debidas a los dos sistemas de fuerzas pueden ser considerados por separado y superpuestos si es necesario. 
  
En el ejemplo más simple de una viga compuesta por varios bloques, uno al lado del otro, de sección rectangular, amarrados por un tensor y apoyados en sus extremos, estos bloques se mantienen unidos solamente gracias a la acción del tensor, este diseño puede ser considerado   como una viga simplemente apoyada (figura 1.1), al cual se someterá a un estado de cargas, las tensiones normales en una sección transversal de esta viga, se componen de las tensiones  σbr (P/A) debidas al efecto del tensor, y  las  σbc  (M/I) originadas por las cargas. 

Como el tensor se encuentra con la misma tensión en todo el largo del cable, y este se encuentra ubicado a la mitad de la altura h de los bloques de sección rectangular, originan una fuerza axial de compresión en la viga y, por tanto, tensiones uniformes de compresión  σbr . Las cargas exteriores producen flexión en la viga y, consecuentemente, la distribución de tensiones  σ bc  se considera lineal. La tensión total es la suma algebraica de  σbr  y  σbc  

Figura 1.1.- Distribución de esfuerzos a través de una sección rectangular de hormigón pretensado concéntricamente debido a una fuerza P. 

Cuando se aplican las cargas, la fuerza de pretensado no se modifica, ya que los tensores están a la altura del eje neutro; es decir a h/2 (para la sección rectangular). Por lo tanto, los tensores no son una armadura destinada a absorber los esfuerzos de tracción, sino que su función es, simplemente, inducir en los bloques una tensión inicial uniforme de compresión.
.
En las caras de los bloques en contacto existe un coeficiente de fricción, por lo que el pretensado crea la resistencia al corte en la viga. Esta resistencia al corte es la que impide el desplazamiento de  un bloque respecto del otro en la dirección de la carga aplicada, en ese sentido el pretensado además de limitar las tensiones de tracción del elemento crea además una resistencia adicional al corte.

La acción del pretensado  es más eficiente cuando el cable es colocado excéntricamente con respecto al centroide de la sección (figura 1,2), en este caso  la excentricidad “e”,  es la distancia del centroide al punto de colocacióndel cable. 

Figura 1.2.- Distribución de esfuerzos a través de una sección rectangular de hormigón pretensado excéntricamente debido a una fuerza P. 

Hormigón Pretensado.


Pretensar, como concepto general, consiste en introducirle a un elemento fuerzas artificialmente creadas, cuyas acciones generan en este mismo elemento, estados tensionales que, superpuestos a los estados
tensionales provocados por las sobrecargas externas, le permiten resistir su peso propio y el de las sobrecargas que actúan.

Esta definición deberá ser separada en  partes para establecer con claridad cada uno de los conceptos que en ella se establecen.

 En primer término se deberá dejar bien establecido que el concepto parte de la palabra PRETENSAR compuesta del verbo "tensar" con un prefijo "pre" que significa "antes de". En el caso de Chile es sumamente importante aclarar que el "antes de" del pretensado, se refiere a la aplicación de la carga para la cual se ponen en tensión los elementos y este término se utiliza en la gran mayoría de los países de habla hispana y por lo tanto así aparece reflejada en la totalidad de los textos en castellano que a este tema se refieren.

Es por eso que en la definición se emplea la palabra "elemento" para definir el ente material sobre el cual se ejecuta la acción de "pretensar", sin especificar el material que compone este elemento pues de hecho puede
pretensarse cualquier material de construcción, llámese este hormigón, acero, madera, ferrocemento, etc. Y siempre que se apliquen fuerzas a este elemento "antes de" que tenga lugar la acción de las cargas externas, se estará pretensando.

Ahora bien, para producir el hormigón pretensado existen dos procedimientos muy bien determinados de introducir las fuerzas; antes de que fragüe el hormigón; lo que da lugar al hormigón pretensado, y después de que fragua el hormigón; lo que da lugar al hormigón postensado, pero en este caso se esta hablando de procedimientos y no de conceptos. En algunos textos se emplea también la palabra pretesar y postesar paranombrar los procedimientos anteriormente descritos.

Por otra parte y hecha la aclaración, es muy fácil distinguir cuando se emplea la palabra pretensar como concepto y cuando se emplea como procedimiento, por lo que a partir de este momento se utilice la palabra pretensado como concepto en ella quedan incluidos ambos procedimientos; el pretensado y el postensado.
A esta forma se refiere al tema que se usa en todos los países de habla hispana y en todas las traducciones hechas en o para esos países. Solo en Chile vale la aclaración.

Debido a que en Chile circulan textos mexicanos sobre hormigón pretensado, se aclara que en México no se emplea la palabra tensión como sinónimo de esfuerzo, ni tampoco el concepto de "estados tensionales", pues en ese país "tensión" se utiliza como "tracción" que se deriva del inglés "tensión". La palabra tracción no se emplea. Tracción es tensión. Y lo que en el resto de los países se llama tensión, en México es esfuerzo, por lo que el hormigón pretensado como concepto para ellos es hormigón preesforzado y los procedimientos de pretensado y postensado son los mismos que acá, pues en este caso se refiere a"traccionar" antes de fraguar el hormigón y "traccionar" después de fraguado el hormigón.

Aclarada la cuestión semántica de la palabra, se continúa con el concepto de pretensar.

Cuando se trabaja con el hormigón armado tradicional queda claramente establecido que el conjunto hormigón-acero es un conjunto pasivo, que requiere ser deformado para que se cumpla su función resistente y a partir del momento del inicio de la deformación es que se comienzan a generar los distintos estados tensionales ampliamente conocidos por todos.

En el hormigón pretensado estos estados tensionales han de producirse "antes de" que actúen las cargas exteriores por lo que el conjunto hormigón-acero es un conjunto activo, o sea que ya tiene tensión antes de que comiencen a actuar las cargas externas incluido su peso propio. Pero, (y esto es más importante aún) no puede perderse nunca el concepto de que estos estados tensionales son producidos por fuerzas artificialmente creadas; son creadas en el acero y son traspasadas al hormigón. 

En el pretensado el traspaso se produce por la adherencia entre el hormigón y el cable, y en el postensado por la presión que ejercen los anclajes en la masa del hormigón.

El punto más importante del diseño de elementos pretensados es precisamente obtener la magnitud de estas fuerzas artificialmente creadas y uno de los objetivos generales de este capítulo es conocer cómo se crean estas fuerzas, los equipos utilizados para crear estas fuerzas y todos los cuidados que hay que tener para que esta fuerza sea la que realmente consideró el calculista al diseñar su elemento y no otra.

Pantallas de Concreto: Discusión.


Las pantallas de concreto se han utilizado como una forma de limitar los  desplazamientos fuera de los límites de la excavación y como resultado se elimina la  calzadura. La pantalla es muy rígida, por lo tanto su presencia elimina las deformaciones que podrían ocurrir en sistemas flexibles, especialmente en suelos
blandos. Las pantallas de concreto eliminan los riesgos descritos anteriormente con pérdida de terreno en sistemas de muros y tablones.

Tipos de Pantallas de CONCRETO Vaciadas In-situ


1 Excavación en una etapa

Este es el proceso descrito anteriormente, donde los paneles se excavan, se  coloca el refuerzo y se vacia el concreto en una etapa . El acero de refuerzo puede consistir de fierro de construcción o una combinación de secciones de ala ancha   y barras de acero. En este caso las secciones de ala ancha se usan para tomar los esfuerzos máximos de flexión actuando verticalmente.

2 Excavación en dos etapas

El primer paso consiste en colocar pilotes-solera a los extremos de cada panel, antes de excavar los paneles (Figura 18). Los pilotes primero se colocan en agujeros pre-excavados. Después se coloca un concreto pobre alrededor de los pilotes-solera; finalmente se excava el espacio entre soleras, se coloca el refuerzo y se vacía el concreto en los espacios excavados entre soleras.

 Figura 18.  Pantalla de Concreto en Dos Etapas

PANTALLAS DE CONCRETO: Estabilidad de Excavación


La estabilidad de la excavación con lodo en suelo granular se mantiene por la presión del fluído y el efecto de arco del terreno. En arcillas la estabilidad es menos crítica debido a la resistencia cortante del suelo. El lodo bentonítico llena la zanja de excavación y se mantiene por lo menos un metro por encima del nivel freático. El lodo bentonítico forma una torta impermeable a los costados de la zanja,  impidiendo el flujo del fluído hacia el terreno fuera de la zanja. La Figura 16 ilustra las presiones producidas.

El otro factor que ayuda a la estabilidad de la excavación es el efecto de arco. Este efecto ocurre porque los paneles son de longitud limitada, se considera significativo dicho efecto para longitudes de panel menores de 5 mts. Para apreciar el efecto de arco es necesario visualizar una sección horizontal de corte en la zanja. Cuando se excava la zanja se disipa la presión de tierra, esto permite una redistribución de los esfuerzos hacia los extremos del panel excavado.

En la parte superior de la zanja de excavación (5 mts. superiores) – existe una frontera no restringida en la superficie, que no permite que ocurra el efecto de arco. Por esta razón es muy importante tener muros-guía bien construidos, a lo largo de los lados de la excavación. Esta guía sirve para alinear el equipo de excavación y proporcionar un medio para introducir el lodo recirculado. Un muro-guía tiene una profundidad de 1.5  mts. y se construye contra relleno compactado en la parte superior de la zanja. De esta forma se obtiene una frontera superior rígida. La Figura 17 ilustra el muro-guía.

Figura 16.   Factores que Ayudan a la Estabilidad de la Excavación 



Figura 17.   Muro - Guía

PANTALLAS DE CONCRETO: Definición y Tipo.


El término “pantalla de concreto” se refiere a un muro de concreto contínuo, construído desde la superficie del terreno, antes de ejecutar la excavación. El tipo más común de pantallas de concreto es una construcción vaciada en sitio con acero de refuerzo en secciones de 3 a 6 mts. de longitud. Antes de colocar el concreto, la excavación se estabiliza con una suspensión de bentonita para prevenir el colapso. Debido a que la
utilización del lodo bentonítico está estrechamente ligada al sistema constructivo, a este tipo de muro se le refiere como “muro de lodo” (slurry wall).

La Figura 14 presenta un esquema de la selección longitudinal de la pantalla en proceso de construcción. El panel de concreto del centro tiene a los costados secciones excavadas, sin haber sido vaciadas. El procedimiento de excavar y concretar paneles alternados es la técnica más comúnmente usada. También se han construído pantallas de concreto prefabricadas y colocadas en una zanja estabilizada con lodo bentonítico.

Las pantallas de concreto también pueden construirse mediante el vaciado de pilotes de concreto en perforaciones muy cercanas, tal como se ilustra en la Figura 15. Una técnica utiliza equipo de vástago hueco (diámetro de 12 a 16 pulg.) para construir dos o más líneas de pilotes tangentes con un espaciamiento muy pequeño. La lechada se bombea a través del agujero central conforme se retira el taladro, luego se introduce la
reja de refuerzo en el concreto fresco. Este método no requiere excavación estabilizada  15con lodo bentonítico. Una segunda técnica utiliza taladros de mayor diámetro, de hasta 1.2. mts. Dependiendo del tipo de suelo, la excavación puede realizarse con  o sin entubado. No se requiere necesariamente lodo bentonítico.

Figura 14.   Construcción de Pantalla de Concreto



Figura 15.  Pilotes Contínuos Excavados 

TABLESTACADOS METALICOS


La Figura 13 presenta algunas secciones de tablestacas metálicas utilizadas. El sistema de tablestacado metálico es más caro que el sistema solera-tablones, por lo que dicho sistema se utiliza cuando las condiciones del suelo no permiten el sistema solera-tablones, o cuando los costos de deprimir el nivel freático son muy altos. Debe evaluarse la condición de existencia de bolones en el terreno que pueden interferir con el hincado de las tablestacas. Los pilotes-solera son más adaptables al hincado severo, y pueden pre-excavarse o cambiar de posición en caso necesario.

Teóricamente el tablestacado metálico es una pantalla de impermeabilización efectiva en terreno altamente permeable; sin embargo, existen muchos casos donde no lo ha sido. Esta deficiencia proviene del daño al tablestacado durante el hincado, o a la poca penetración dentro de la capa impermeable.

El tablestacado en suelo impermeable (arcilla) o suelo semipermeable (arena arcillosa o limo), no garantiza una frontera impermeable efectiva, ya que su permeabilidad es del mismo orden de magnitud que el suelo. Existen fugas a través de los trabazones de tablestacas, permitiendo la cantidad de flujo la caída del nivel piezométrico en dichos suelos. En el caso de suelo compresible, este proceso conduce a asentamientos por consolidación.

En suelo altamente permeable puede ocurrir fugas por las trabazones de las tablestacas, sin embargo la cantidad no es suficiente para permitir una caída significante del nivel piezométrico fuera de la excavación. En términos de permeabilidad relativa, el tablestacado es una frontera impermeable en suelo permeable.

Figura 13.  Sección de Tablestacas Metálicas. (a) Rango Normal; (b)  Modulo 
Alto, (c) Alma Recta

ESTRUCTURAS DE RETENCION: Desplazamientos - Muros y tablones.


La causa más severa de desplazamiento es la pérdida de material por superficie  y nivel freático o por flujo contínuo de material que se desliza, como limos o arenas arcillosas saturadas.

Las fuentes adicionales de desplazamiento son deflexión de los tablones, sobreexcavado y relleno inapropiado en la parte posterior de los tablones, o procedimientos inapropiados durante la pre-excavación de las soleras.

En base a casos publicados en la literatura, puede concluirse que para muros con soleras y tablones bien construídos e instalados en condiciones apropiadas del suelo, los desplazamientos son mínimos. Es más, estos desplazamientos no son muy distintos de los desplazamientos que se esperarían en muros más rígidos, como pantallas de concreto.

ESTRUCTURAS DE RETENCION: Aplicabilidad - Muros y tablones.


El sistema de muros con soleras y tablones se aplica a todo tipo de suelo, a excepción de arcillas muy blandas y suelos sueltos o dilatantes de baja plasticidad bajo el nivel freático. El requisito de efectuar depresión del nivel freático y la posibilidad de pérdida de terreno, puede eliminar la practicabilidad de este sistema en muchos casos, especialmente cuando existen estructuras adyacentes a la excavación. La alternativa de
bombeo contínuo, o método impermeable como tablestacado metálico o pantallas de concreto también influenciarán la decisión de utilizar el sistema de muros con soleras y tablones.

Si no existen requerimientos especiales en el método constructivo debido a las condiciones imperantes en el sitio, el método de muros con soleras y tablones es el más económico.

ESTRUCTURAS DE RETENCION: Construcción de Muros y tablones.


1 Agua

Cuando existe preocupación sobre desplazamientos del terreno circundante a  la  excavación, es crítico tener un control adecuado sobre el nivel freático y el agua superficial. Debe asegurarse que el agua de escorrentía no entra a la excavación, sinó existe el peligro serio de producirse un lavado del suelo detrás de los tablones.

En material granular con nivel freático, un corte vertical por debajo del nivel freático conducirá a que el material se deslice conforme el agua fluye hacia la excavación. Se necesitan medidas de prevención apropiadas para deprimir el nivel freático antes de ejecutar la excavación apropiadas para deprimir el nivel
freático antes de ejecutar la excavación, o ejecutar la obra de manera de prevenir que el agua salga por la cara de la excavación. Las medidas incluyen la instalación de sumideros dentro de la excavación y mantener una berma con pendiente (Figura 12). El bombeo al pie de la berma deprime el nivel freático por
debajo del agua donde se colocan los tablones. Otras técnicas de estabilización como congelamiento e inyecciones también pueden se empleadas.

Algunas situaciones difíciles son:

1) Suelos ligeramente cohesivos (arenas arcillosas y limos) que drenan lentamente y tienden a correrse al ser expuestos.

2) Justamente sobre la parte superior de una capa impermeable infrayacente dentro de la profundidad de excavación. En esta zona existe una pequeña carga, de modo que el agua tiende a fluir por un período de tiempo largo.

2 Zona Sobrecortada

El espacio sobreexcavado detrás de los tablones de madera debe ser adecuadamente rellenado con material de relleno. Usualmente este material es suelo, pero si existe preocupación sobre infiltración, el suelo puede mezclarse con cemento y ser colocado seco. También se ha utilizado concreto poroso en esta zona, actuando como relleno y como filtro.

3 Respiraderos

En cortes por debajo del nivel freático, es común dejar espacios verticales de 2 cms. entre los tablones. Esto permite en el futuro introducir materiales de relleno de ser necesario, después de la instalación de los tablones. El espacio disponible permite también colocar paquetes de filtros para prevenir la pérdida de suelo por infiltración. Se considera que la instalación de respiraderos es una buena práctica cuando existe el potencial de infiltración de agua freática en la excavación.

ESTRUCTURAS DE RETENCION: Diseño de Muros y tablones.


Es un principio bien establecido que las fuerzas laterales del terreno se concentran en los pilotes-solera, descargando los tablones. Esta redistribución de la presión lateral resulta de los siguientes factores:

1) En el proceso constructivo el suelo se remueve antes de colocar el tablón, por lo que se permite deformación lateral en las soleras, concentrando carga.

2) Las soleras son más rígidas que los tablones. Al continuar la excavación las soleras atraen carga y los tablones relevan carga al deflectarse.

La Figura 11 presenta la redistribución de presión debido a la acción de arco.

Debido a la acción de arco desarrollada, el diseño de los tablones se basa en la experiencia y en reglas empíricas, en lugar del cálculo de esfuerzos de flexión del diagrama de presiones. La tabla siguiente presenta el rango usual de espesores de tablones.

Espesores Típicos de Tablones


El espesor mayor para la luz libre de 2.4 mts. está asociado con cortes más profundos de 10 mts. o en suelos que tienen características menos favorables al efecto de arco, tal como arenas saturadas con cohesión.

Los pilotes-solera deben diseñarse para la carga lateral total actuando sobre la distancia entre pilotes-solera adyacentes. Es importante proporcionar al pilote-solera con la  capacidad adecuada para soportar la componente vertical de la carga transmitida por  los anclajes; sino fuera así, existe riesgo de ocurrir asentamiento y desplazamiento lateral. Una consideración de diseño asociada es la adecuada resistencia proporcionada por la presión de tierra pasiva en el lado interior de la solera por debajo de la excavación.

Un procedimiento para mejorar la capacidad portante y la resistencia lateral es empotrar la porción inferior de una solera pre-excavada en concreto.



ESTRUCTURAS DE RETENCION: Muros con Soleras y Tablones - Definición y tipos.


Los muros con soleras y tablones tienen dos componentes básicos: los pilotes-soleras que se instalan a una distancia de 2 a 3 metros con tablones de madera entre las soleras.

Las vigas de acero de ala ancha se utilizan como pilote-soleras, también se utiliza tuberías de acero, canales de acero y miembros de concreto prefabricado.

La Figura 10 ilustra pilotes de acero tipo solera con tablones de madera en el lado posterior o lado anterior del ala frontal. Alguna de las ventajas de colocar los tablones al frente del ala es su facilidad de instalación.




Figura 10.  Pilote Solera de Ala Ancha

CIMENTACIONES: Imprevistos en Anclajes.

a) Los anclajes muy inclinados pueden causar asentamientos a los pilotes-solera.

b) Debido a que los anclajes son un sistema a tensión, la falla local o sobrecargado pueden producir una falla más progresiva y rápida que en el caso de entibado.

c) La pérdida de terreno cuando se perfora en arena fina por debajo del nivel freático puede producir asentamiento o impedir la efectividad del anclaje.

d) Se ha registrado un movimiento lateral del muro mucho mayor que el movimiento del terreno en arcillas sobreconsolidadas y lutitas. Esto probablemente se debe a la descarga de esfuerzos laterales in-situ relativamente altos.

CIMENTACIONES DESPLAZAMIENTOS: Comparación de entibados y anclajes.


De modo general, un muro con anclajes tendrá menor desplazamiento lateral que un entibado con puntales. Las razones son:

a) El movimiento debido a la remoción de puntales y reapuntalamiento se elimina.

b) Cada anclaje se ensaya al 120% ó más de su carga de diseño y luego se fija al 75-100% de la carga de diseño. Los anclajes mantienen la misma carga durante toda la excavación, mientras que la carga aumenta en los puntales. Los anclajes tienden a remover más “huelgo” del sistema de soporte que los puntales.

c) Los anclajes se extienden a una distancia considerable detrás del muro, e involucran una gran masa de suelo que actúa con el muro como en estructuras de retención por gravedad. El sistema suelo-muro es menos deformable que un entibamiento convencional actuando solo en la cara del corte.

d) Los contratistas tienden a sobreexcavar más profundamente en los niveles de los puntales que en los anclajes, para facilitar la remoción del suelo.

e) Las deformaciones por temperatura son mayores en los entibamientos con puntuales.

CIMENTACIONES: Anclajes Corrosión.


La corrosión no ha sido un factor importante en instalaciones típicas. En instalaciones permanentes la protección contra la corrosión es esencial. Fundamentalmente se debe asegurar que la carga se transfiere al extremo del anclaje, de modo que la lechada está en compresión y no en tensión.

CIMENTACIONES: Anclajes Instalación.


Cada anclaje de producción se carga en incrementos hasta 120 a 125% de la carga de diseño, se mantiene esta carga por 10 a 20 minutos y luego se fija entre 75 a 100% de la carga de diseño.

En algunos casos es conveniente realizar ensayos a largo plazo, de 12 a 24 horas, para evaluar la reptación (creep). Otros ensayos pueden ser llevados a la falla para determinar el factor de seguridad verdadero.

CIMENTACIONES: Anclajes aspectos de diseño.


La Figura 9 presenta los diversos modos de inestabilidad potencial de muros con anclaje. Un problema común es cuando la componente vertical de la carga de anclaje causa asentamiento.

El diseño de un tirante de acero depende del esfuerzo de fluencia del acero y los procedimientos de ensayo de los anclajes. Los anclajes más  comunes son barras de acero de alta resistencia o grupos de cables de 7 alambres. El esfuerzo de trabajo de diseño es aproximadamente el 60% del esfuerzo último. La carga temporal durante el ensayo de campo es de 75% del último.


TABLA Nº 2
ESFUERZO Y CARGA EN TENDON


Figura 9. Inestabilidad de Muros con Anclaje

CIMENTACIONES: Capacidad de Carga ANCLAJES.


La capacidad última de carga en anclajes rectos y tipo campana en suelos puramente cohesivos, está gobernada por la adhesión a lo largo del eje más la capacidad  de carga de arranque de las campanas.

La adhesión del eje se calcula de la manera convencional para tomar en cuenta la pérdida de resistencia a lo largo del eje debido a alteraciones. En arcillas muy rígidas a duras, la adhesión es de 30 a 40% de la resistencia cortante no drenada.

La capacidad portante de carga de la campana se determina en base a la resistencia cortante no drenada del suelo en el área de la campana fuera del eje.


Para anclajes de eje recto instalados bajo presión de enlechado alta, la capacidad de carga está gobernada por el esfuerzo efectivo residual atrapado que actúa en la zona de anclaje. Las presiones de enlechado son 150 psi o más. En anclajes de este tipo no puede predecirse la carga en base a consideraciones teóricas; debe utilizarse la experiencia local o datos empíricos en la predicción de carga. La siguiente tabla resume
el rango de capacidad de carga de anclajes de pequeño diámetro (4”) a alta presión en varios tipos de suelos.
 

La capacidad de carga de un anclaje no puede se predicha con precisión, depende de la condición del suelo y de la técnica de perforación utilizada. La experiencia es importante, pero los ensayos in-situ son necesarios. Cada anclaje de producción debe ser ensayado a una carga mayor que la de diseño. También deben efectuarse ensayos a largo plazo (horas o días). La cantidad de ensayos de campo depende de la experiencia con el tipo de suelo, tipo de estructura y el riesgo.




TABLA Nº 1
TIPOS DE ANCLAJES


CIMENTACIONES ANCLAJES: Métodos.


Los anclajes inyectados a presión de 4 pulgadas de diámetro son los más comunes.

1 Anclajes Inyectados a Presión

Estos anclajes se instalan con equipo móvil, de tipo neumático. El entubado se avanza ya sea con el extremo abierto o el extremo cerrado. En el caso de perforar con extremo abierto, se remueve el material desde dentro; en el caso de perforar con extremo cerrado, se utiliza un punto expandible. El procedimiento es perforar o introducir el entubado, introducir el tirante y después cementar con lechada el anclaje mientras se retira el entubado. Como en el caso de anclaje de mayor diámetro, la zona libre de adherencia se rellena con arena, lechada pobre, o lechada aplicada con presión mínima. El propósito del relleno con arena o lechada pobre es prevenir la transferencia de carga a la zona libre de adherencia.

Anclajes recementables son esencialmente los mismos que los anclajes de pequeño diámetro inyectados a presión, excepto que se coloca una tubería perforada en el anclaje antes del enlechado a baja presión.

Después de la fragua de la lechada inicial, es posible inyectar lechada a presiones altas (150-500 psi) a través de la tubería. Las perforaciones en  la tubería pueden aislarse por medio de empaques para permitir una inyección a presión alta localizada. La lechada a alta presión produce grietas en la lechada del anclaje inicial, permitiendo la penetración localizada de la lechada en el terreno adyacente. Teóricamente se
puede reinyectar muchas veces, pero en la práctica no se reinyecta más de dos a tres veces. En la mayoría de casos sólo se reinyecta una vez.

2 Anclajes Tipo Campana

Estos anclajes son aplicables mayormente en suelos puramente cohesivos, tales como arcillas muy rígidas a duras. La lechada se bombea  a presión baja o el concreto se coloca después de retirada la herramienta de corte.

3 Anclajes con Taladro de Eje Derecho

En el caso de taladros de vástago hueco, usualmente de diámetro de 12 a 14 pulgadas, la lechada se coloca bajo presiones de hasta 150 psi mientras se retira el taladro. Estos anclajes se aplican en arcillas muy rígidas a duras y en ciertas arenas.

CIMENTACIONES - ANCLAJES Elementos básicos.


Un prerrequisito para la utilización de un sistema con anclajes, es que un estrato portante adecuado del subsuelo debe encontrarse dentro de una longitud económica a la excavación. Los estratos portantes más comunes en el caso de anclajes son: suelos cohesivos de muy rígidos a duros, arenas y gravas medianamente a muy densas y roca. Suelos cohesivos rígidos y suelos granulares sueltos también puede proporcionar un buen anclaje, a menores capacidades.

La Figura 7 representa un anclaje, que consiste de tres componentes principales: la zona de anclaje, el tirante y la reacción en el muro. La Tabla Nº 1 y  la Figura 8 presentan los tipos más comunes de anclajes. La elección del tipo de anclaje depende del suelo en donde se formará el anclaje.

Figura 7.  Zona de Anclaje y Zona Libre de Adherencia


TABLA Nº 1
TIPOS DE ANCLAJES


                                                               Figura 8.  Tipos de Anclajes

DISEÑO E INSTALACIÓN: Apuntalamiento y entibación - Soporte Lateral.


1 Diseño

Los códigos de diseño en acero deben utilizarse para los esfuerzos, cuando la excavación está a su máxima profundidad. Si se trata de situaciones temporales en el curso de la excavación, se puede justificar un aumento de hasta el 20% por encima de los valores del código.

Las conexiones entre puntual, viga correa y pantalla son sumamente importantes, probablemente conduzcan a mayores dificultades que el dimensionamiento de los miembros en sí. Un mal detalle puede conducir a pandeo, giro y rotación de los miembros.

2 Instalación

Precarga

Cuando los miembros se instalan sin precarga sistemática, usualmente un extremo está soldado, y el otro extremo se bloquea y tranca por medio de planchas y cuñas de acero.

La precarga se utiliza hoy en día de manera rutinaria, no solamente para controlar la carga en el miembro, sino para remover los “huelgos” del sistema puntal-viga correa-pantalla-suelo. Como resultado, la precarga limita los desplazamientos.

En la Figura 6 se presentan dos métodos posibles de precarga. En el método de acuñamiento, se introducen placas y cuñas entre el extremo del puntal y la viga – correa, después que los gatos han alcanzado la carga deseada. En el método de tubería telescópica, la tubería interior se suelda a la tubería exterior, después de alcanzar la carga deseada.

El problema es determinar la magnitud apropiada de la precarga. La rigidez de un miembro excesivamente precargado puede atraer carga por exceso de la carga de diseño, ya sea por elevación de temperatura o algún tipo de operación durante la construcción. Por otro lado, si la precarga es muy baja, no existirá ningún beneficio del proceso. Por lo general, se precarga los miembros de los entibados apuntalados hasta un 50% de la carga de diseño.

Temperatura

Una variación normal del 10 al 20% del promedio puede anticiparse. Se han reportado variaciones entre 0.5 kips por °F y 1.5 kips por °F. La variación de carga debido a cambio en temperatura corresponde a la ecuación de un miembro de acero perfectamente empotrado, modificada por un factor que toma en cuenta el módulo de deformación del suelo. A suelo más rígido, un mayor incremento de carga en el miembro debido a cambio de temperatura. Es por lo anterior que debe tenerse especial cuidado en sistemas rígidos tales como en roca fracturada, till glacial y arcillas lutáceas. 

Es conveniente proporcionar protección solar a los miembros ante la luz solar para evitar efectos de temperatura. También se pinta los miembros con pintura reflectora o se rocía con agua.


Figura 6.  Detalles de Preesfuerzo

CIMENTACIONES: Soporte Lateral

Las Figuras 4 y 5 presentan el soporte lateral de una pantalla en un corte por apuntalamiento en el entibado y por anclaje.

Desde  el punto de vista mecánico, la diferencia esencial es que el entibado proporciona soporte en el borde de la excavación. Los anclajes se extienden detrás del borde y prerefuerzan un bloque de suelo. En este proceso, la masa de suelo comprendida entre anclajes tiende a deformarse como una unidad.

El aspecto más atractivo del sistema de anclajes es que deja libre la excavación, y puede avanzarse la construcción de una manera más rápida.

 Figura 4. Corte Soportado por Entibado



 Figura 5.  Corte Soportado por Anclajes


CIMENTACIONES: Muros Permanentes.


La presión en sótanos y paredes de subterráneos está controlada por el hecho que los muros son rígidos y no se deforman. Otro factor de consideración es si el muro tiene relleno o se ha vaciado directamente contra una ataguía (Figura 3).

a) Muro de Concreto Vaciado contra Ataguía.- Utilice la presión en reposo (KO) que aumenta linealmente con la profundidad.

b) Relleno Suelto.-  Con arena o grava, utilice la presión activa (KA).
Con material arcilloso utilice  la presión en reposo (KO)

c) Relleno Compacto.-  Los datos de observación de campo presentan bastante dispersión, de KO a varias veces KO. La distribución es irregular. En suelo granular puede utilizarse una distribución uniforme, de igual magnitud a la presión en reposo.

Figura 3.   Presión Lateral en Muro Rígido

CIMENTACIONES: Anclajes.


Los anclajes se diferencian de los entibados con puntales en los siguientes aspectos:

a) Los anclajes se ensayan al 125% de la carga de diseño, luego se reduce la carga y se ajusta al 75% o más de la carga de diseño. Este proceso remueve alguna de las anomalías que causan variaciones de carga, inherentes a las entibaciones apuntaladas, que pueden o no ser precargadas. Si los puntales son precargados, generalmente lo son al 50% de su carga de diseño. En conclusión, se cree que el proceso de instalación de anclajes conduce a un mejor control de la carga y su distribución.

b) Los datos experimentales en anclajes no muestran un incremento de carga al profundizarse la excavación, sino que mantienen una carga constante. A diferencia de los puntales en entibaciones, que aumentan su carga con la excavación, los anclajes mantienen una carga lateral predeterminada por la precarga y el sellado.

La menor fuerza lateral está asociada a la condición “activa”. La condición activa involucra una deformación lateral para alcanzar dicha condición. Si no se permitiese ningún movimiento horizontal, obtendríamos la presión en reposo.

Debido a la precarga de los anclajes, se desarrolla una distribución uniforme, de la presión en pantallas con anclajes para condiciones de suelo generales, a excepción de casos en arcilla media a blanda.

Cuando se desea minimizar los desplazamientos en la cercanía a la excavación, los anclajes deben ajustarse al 100% de la carga de diseño. En este caso la carga de diseño debe calcularse en base al coeficiente “KO” en reposo (0.4 a 0.5 para arena densa a suelta). En el caso en que los desplazamientos no sean críticos, puede
utilizarse el promedio de KA  y KO. En el caso particular de arcilla rígida a muy rígida y arenas con cohesión, se sugiere utilizar una presión uniforme produciendo la misma fuerza que el diagrama empírico de entibaciones apuntaladas.

CIMENTACIONES: Suelos Estratificado.


Pueden existir problemas de escoger el diagrama apropiado en suelos estratificados.

Una forma de resolver el problema es determinar el empuje lateral por medio del cálculo de la presión activa y luego escoger una relación apropiada de (Pt/PA). También se podría calcular la fuerza activa por medio de coeficientes activos para los diversos estratos, o si la geometría es complicada, por soluciones gráficas. Mediante este procedimiento el diseñador debe aplicar su mejor juicio en la distribución vertical de
fuerzas dentro del corte.

CIMENTACIONES: Reglas de Peck para Entibaciones


Las reglas prácticas para determinar los diagramas de diseño en entibaciones apuntaladas, se basan en datos reales de campo. Históricamente dichos datos provienen de mediciones de cargas en puntales, de las cuales se ha determinado diagramas equivalentes de presión. Las reglas prácticas más conocidas y utilizadas
para determinar la magnitud y distribución de presiones de tierra en entibaciones fueron desarrolladas por el Profesor Ralph Peck hace más de 40 años. Dichas reglas todavía están vigentes.

La Figura 1 indica como se desarrolla un diagrama aparente de presión de tierra, a partir de mediciones de cargas en puntales. El diagrama de presión de diseño es realmente una envolvente que cubre la gran dispersión de datos debido a las variaciones de técnicas constructivas. En base a lo anterior, la fuerza total calculada de la envolvente trapezoidal empírica (Pt) es mayor que la fuerza activa real (PA) que existiría en una sección dada.

La Figura 2 resume las reglas prácticas de Peck para la distribución de presiones en
entibados, en varios tipos de suelos. Debe enfatizarse lo siguiente:

1) Se aplica a excavaciones profundas, mayores de 6 metros

2) Los datos empíricos se obtuvieron de mediciones en entibaciones apuntaladas, no con  anclajes

3) Las mismas simplificaciones usadas en el desarrollo de los diagramas aparentes de presión de tierra deben utilizarse en el cálculo de las cargas en puntales. Una ilustración muy simple es que se asume rótulas en los apoyos para determinar el diagrama aparente

4) La envolvente empírica refleja todas la anomalías que normalmente ocurren en la construcción de este tipo de proyectos: secuencia de construcción, temperatura, acomodo entre pantalla y apoyos, etc.

5) Los diagramas para arenas se desarrollaron en lugares con nivel freático deprimido, luego las presiones hidrostáticas deben ser añadidas por separado. En suelos cohesivos el diagrama de presión se basa en pesos específicos totales, sin considerar la distribución de la presión de poros, por lo que no hay que añadir presiones de poros para suelos cohesivos.

6) El comportamiento de una excavación en arcilla depende mucho del Número de Estabilidad, N.

7) No es necesario tomar en especial consideración el balance de fuerzas por debajo del nivel de excavación (activo y pasivo).

Figura 1.  Método Empírico para el Desarrollo del Diagrama de Presión de Tierra


Figura 2.  Diagramas de Presión para Entibaciones de Terzaghi y  Peck (1967)

CIMENTACIONES - Presión de tierra.

Cuando los esfuerzos horizontales y verticales en un punto son esfuerzos principales:

Donde:

PANTALLAS:

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE CIMENTACIONES - Introducción


Es frecuente, sobre todo en ciudades, tener que realizar excavaciones verticales, porque la existencia deedificios o calles próximas no permite utilizar taludes inclinados. Cuando el terreno no es de buena calidad y no permite una excavación vertical sin apoyo, se debe utilizar sistemas de soporte lateral. Una solución, si  los lados de la excavación están próximos, es apuntalar una pared contra otra. También se puede apuntalar una pared contra un montículo provisional dejado en el centro de la excavación o contra la losa de la base del sótano. Los métodos anteriores se conocen como entibaciones.

Cuando los lados de la excavación están alejados, o cuando no es posible interferir con la excavación, se utilizan pantallas. Las pantallas pueden ser rígidas o flexibles y estar en voladizo o ancladas.

En este artículo se tratarán los sistemas de soporte lateral de excavaciones profundas, entendiéndose que son aquellas que tienen una profundidad mayor que 6 metros. En estos casos deben considerarse las dimensiones de la excavación y las características del subsuelo.

Los aspectos de diseño y construcción  de sistemas de soporte lateral de excavaciones serán cubiertos. Además, se comentará brevemente sobre la presión de tierras en muros temporales utilizados para soportar la excavación y la estructura permanente a ser construida dentro de la excavación misma.

Debe tenerse en mente que los sistemas de soporte lateral se construyen conforme se profundiza la excavación.

También debe recordarse que no se construye relleno sobre la estructura, sino que la masa de tierra se retiene en su sitio. Se demostrará que dichos factores influencian los desplazamientos que ocurren con la excavación y las presiones que se desarrollan en las estructuras de retención.