Losas Combinadas con Pilotes: economizando la cimentación.3 julio, 2012   Cimentaciones, Geotecnia, Hormigón   20 CommentsUna de las pocas cosas “buenas” que tiene la crisis (seamos positivos) es que nos obliga a esforzarnos a buscar nuevos métodos y caminos para hacer las cosas de la mejor manera y, sobre todo, de la manera mas económica. Si la labor del ingeniero es hacer lo que cualquier otro puede hacer pero que además funcione, sea seguro e infinitamente mas barato, eso quiere decir que la “crisis” nos obliga a ser “mejores ingenieros”.

Es por ello que os presento las “Losas Combinadas con Pilotes” ó LCP (“Kombinierte Pfahl-Platten Gründung”, KPP en alemán, “Piled Raft Foundation” en inglés ó Losas de Fundación Combinadas con Pilotes, LFCP, en Latinoamérica) que es un tipo de cimentación que, aunque ya se usan en centro Europa desde los años setenta, en España su uso es casi nulo. Es más, cuando hace 4 años tuve la suerte de calcular una en un edificio en Motril (Granada) no conseguí ninguna referencia de ninguna obra anterior en España y creo que desde entonces solo se ha utilizado para la cimentación de un estribo de un pequeño puente en la provincia de Granada (que yo tenga constancia claro).

 Imagen 1.

¿En qué consiste una LCP? En general, es usual ir a losas cuando el terreno tiene una suficiente consistencia y no es de esperar grandes asientos. En el caso contrario (grandes asientos esperables), se recurre a encepados de pilotes. Con el primer sistema (ver imagen 1.a) conferimos la transmisión de las cargas totalmente a la losa y con el segundo (ver imagen 1.b) la conferimos totalmente a los pilotes despreciando lo que pueda contribuir el encepado. Pues bien, una LCP (ver imagen 1.c) es una cimentación que está en el punto intermedio entre losa y encepado de pilotes, consiguiendo minorar en gran medida tanto los asientos esperables si se hubiera elegido una cimentación losa, como el coste de hacer un encepado plagado de pilotes. Es decir, funciona, es seguro y es mucho más barato ¿Por qué no usarlo?

Básicamente, con el uso de LCP, se logra que una parte de la carga de la estructura (y no toda) sea traspasada a mayores profundidades. Esto hace, por lo tanto, que las LCP sean particularmente efectivas cuando la calidad del suelo, como es lo típico, mejora con la profundidad.

Una LCP se caracteriza por el coeficiente αKPP, que representa la relación entre la carga que toman los pilotes y la carga total de la cimentación:

Este coeficiente puede tomar valores entre 0 y 1. En caso de que αKPP = 1, se trata de un encepado con pilotes; para αKPP = 0 se trata de una cimentación directa (losa en este caso). La experiencia muestra que para obtener una reducción efectiva de los asientos el valor αKPP debe ubicarse cerca de 0,6.

El problema con este tipo de cimentaciones radica en la modelación de la interacción entre los elementos portantes losa y pilotes, lo cual es necesario para el diseño. Si ya con encepados tenemos que tener en cuenta la interacción entre pilotes (efecto grupo) ahora tenemos unas cuantas más interacciones;

concretamente:   Mientras que para el diseño de un encepado de pilotes, basta con adoptar un modelo de la capacidad de carga de los pilotes despreciando el encepado del lado de la seguridad, para las LCP se hace necesario conocer con mucha mayor precisión las características de la relación carga-deformación de los pilotes, dado que el comportamiento del conjunto depende fuertemente de éstos. Por ejemplo, pilotes muy rígidos podrían producir punzonamiento de la losa (la losa en este caso es de menor espesor que el encepado para conferir al sistema de flexibilidad), mientras que pilotes muy poco rígidos llevarían a asientos diferenciales importantes. El cálculo se dificulta por el hecho que además de la influencia recíproca entre la losa y los pilotes, existen interacciones de grupo entre los pilotes, entre pilotes y suelo y además entre losa y suelo, las cuales también deben ser consideradas en el diseño. Esto hace que el cálculo de las LCP sea un problema complejo, que por lo general sólo puede ser resuelto mediante métodos numéricos bajo la suposición de una ley de comportamiento del suelo no-lineal.Esto exige un gran esfuerzo de proyecto y cálculo, así como la ejecución pruebas de carga de pilotes, mediciones geotécnicas para la observación del comportamiento del edificio y para la verificación de los cálculos realizados…etc, pero la reducción del coste de la cimentación puede merecer la pena.

De manera aproximada, sin tener que recurrir a modelos de elementos finitos de comportamiento no-lineal, se puede obtener un encaje de este tipo de cimentación de la siguiente manera:Se puede modelizar la losa de manera tradicional con resortes lineales según el coeficiente de balasto del terreno y dimensiones de la losa (formulaciones de Terzaghi, de Vesic, Vogt…) y modelizar el pilote como un único resorte individual lineal con rigidez vertical Kv.

Para evaluar la rigidez vertical del pilote individual podemos usar, por ejemplo, la formulación propuesta por la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera del Ministerio de Fomento:

Pero este modelo lineal propuesto no tiene en cuenta todas las interacciones que hemos explicado antes ni la no linealidad del terreno, por lo que le hace falta una cosa: que unos alemanes simpáticos y de nombre casi impronunciable realicen estudios con modelos no lineales a base de curvas tensión-deformación de pilotes reales y nos ofrezcan coeficientes de modificación del valor Kv para poder tener en cuenta dichas interacciones  y no lienalidades. Concretamente en “Katzenbach, R. et al.: Análisis del comportamiento estructural de LCP Pfahlsymposium; Braunschweig 1999” se nos ofrece un coeficiente ξ con el que modificar Kv de la forma:

KvLCP = Kv · ξ

Y este ξ viene en función de la longitud de los pilotes “L”, su diámetro “D”, la distancian entre ellos “e” y su posición relativa dentro de la losa:

 

Como ya digo, este método aproximado solo sirve para hacer un encaje preliminar pero si hacéis números os asombrareis de la reducción del coste

económico de la cimentación. Concretamente, en el caso que tuve la suerte de calcular, obtuvimos una reducción del 55% sobre el coste de la cimentación si la elección hubiera sido de encepado de pilotes y conseguimos reducir los asientos máximos teóricos en torno al 45% de los esperados si hubiéramos construido una cimentación directa tipo losa.Para el que quiera saber más sobre el tema, comentar que existe una “Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000” donde se describe exhaustivamente este tipo de cimentación.

Desde aquí, mi llamamiento a que aprovechemos esta “crisis” para desarrollarnos más como ingenieros, como por ejemplo, en la búsqueda de la optimización de lo que ya conocemos.

FUENTES:-Concepción y diseño: Losas de fundación combinadas con pilotes. Aldo Guzmán G.et all.

-Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000

Espero que haya gustado.

Pilote (cimentación)

Hincado de pilotes en la modernización de vías férreas en Chojnów, Polonia.

Se denomina pilote a un elemento constructivo utilizado para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante zapatas o losas.

Tiene forma de columna colocada en vertical en el interior del terreno sobre la que se apoya el elemento que le trasmite las cargas (pilar, encepado, losa...) y que trasmite la carga al terreno

por rozamiento del fuste con el terreno, apoyando la punta en capas más resistentes o por ambos métodos a la vez.

Índice  [ocultar] 

1   Tipos de pilotes

o 1.1   Primeros Pilotes

o 1.2   Pilotes   in situ

1.2.1   Pilote in situ de desplazamiento con azuche

1.2.2   Pilote in situ de desplazamiento con tapón de gravas

1.2.3   Pilote in situ de extracción con entubación recuperable

1.2.4   Pilote in situ de extracción con camisa perdida

1.2.5   Pilote in situ perforado sin entubación con lodos tixotrópicos

1.2.6   Pilote in situ barrenado sin entubación

1.2.7   Pilote in situ barrenado y hormigonado por tubo central de barrena

o 1.3   Pilotes hincados

o 1.4   Pilotes prefabricados

o 1.5   Pilotes excéntricos

2   Principio de funcionamiento

3   Precauciones constructivas

o 3.1   Colocación de hormigón   in situ

o 3.2   Vaciado con el método   tremie

4   Ensayos de integridad para pilotes

5   Reparación de pilotes

6   Véase también

7   Referencias

Tipos de pilotes[editar]

Primeros Pilotes[editar]

Es el tipo de pilote más antiguo, normalmente de madera, y se inventó para hacer cimentaciones en zonas con suelo húmedo, con el nivel freático alto o inundadas. Eran de madera, troncos sencillamente descortezados y su capacidad portante se destacaba bien llegando a un capa del terreno suficientemente resistente, o bien, por rozamiento del pilote con el terreno.

Pilotes in situ[editar]

Proceso de ejecución de un pilote in situ.

Hincado de pilotes para un puente enEstados Unidos.

La denominación se aplica cuando el método constructivo consiste en realizar una perforación en el suelo a la cual, una vez terminada, se le colocará un armado en su interior y posteriormente se rellenará con hormigón.

En ocasiones, el material en el que se está cimentando, es un suelo friccionante (como son arenas, materiales gruesos y limos, los cuales pueden ser considerados como materiales friccionantes ya que al poseer una estructura cohesiva tan frágil, cualquier movimiento como el que produce la broca o útil al perforar o la simple presencia de agua en el suelo entre otros, hace que se rompa dicha cohesión y el material trabaje como un suelo friccionante), es por ello que se presentan desmoronamientos en el interior de las paredes de la perforación; a este fenómeno se le denomina "caídos", es por ello que se recurre a diversos métodos para evitar que se presente.

Por la forma de ejecución del vaciado, se distinguen básicamente dos tipos de pilotes: los de extracción y los de desplazamiento. Un pilote de extracción se realiza extrayendo el terreno, mientras que el de desplazamiento se ejecuta compactándolo. En ambos casos se utilizan diferentes técnicas para mantener la estabilidad de las paredes de la excavación.

Los tipos de pilotes in situ está recogidos en las Normas Tecnológicas de la Edificación.1

Pilote in situ de desplazamiento con azuche[editar]

Usualmente como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno, después de atravesar capas blandas. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos granulares medios o flojos, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia

Pilote in situ de desplazamiento con tapón de gravas[editar]

Usualmente como pilotaje trabajando por fuste en terrenos granulares de compacidad media o en terrenos con capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia.

Pilote in situ de extracción con entubación recuperable[editar]

Este tipo de pilote se ejecuta excavando el terreno y utilizando una camisa (tubo metálico a modo de encofrado), que evita que se derrumbe la excavación. Una vez completado el vaciado, y según se va hormigonando el pilote, se va retirando gradualmente la camisa, que puede ser reutilizada nuevamente.

Usualmente como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme, prácticamente homogéneo.

Pilote in situ de extracción con camisa perdida[editar]

Se ejecuta por el mismo sistema del tipo in situ de extracción con entubación recuperable, con la diferencia de que la camisa metálica no se extrae, sino que queda unida definitivamente al pilote.

Usualmente como pilotaje trabajando por punta apoyado en roca o capas duras de terreno y siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua, o exista flujo de agua y en algunos casos con capas de terreno coherente blando; cuando existan capas agresivas al hormigón fresco. La camisa se utilizará para proteger un tramo de los pilotes expuesto a la acción de un terreno agresivo al hormigón fresco o a un flujo de agua. La longitud del tubo que constituye la camisa será tal que, suspendida desde la boca de la perforación, profundice dos diámetros por debajo de la capa peligrosa.

Pilote in situ perforado sin entubación con lodos tixotrópicos[editar]

Es un pilote de extracción, en el que la estabilidad de la excavación se confía a la acción de lodos tixotrópicos. Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. Cuando se atraviesen capas blandas que se mantengan sin desprendimientos por efecto de los lodos.

Pilote in situ barrenado sin entubación[editar]

Barrena para la ejecución de pilotes.

Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en capa de terreno coherente duro. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme prácticamente homogéneo o coherente de consistencia media en el que no se produzcan desprendimientos de las paredes.

Pilote in situ barrenado y hormigonado por tubo central de barrena[editar]

Usualmente como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. También como pilotaje trabajando por fuste y punta en terrenos de compacidad o consistencia media, o en terrenos de capas alternadas coherentes y granulares de alguna consistencia

Se trata de pilotes por desplazamiento de las tierras por medio de una barrena continua. Posteriormente se ejecuta el hormigonado por bombeo por el tubo central existente en el interior de la barrena.

Este sistema resulta apropiado para suelos blandos e inestables y con presencia de agua. La armadura se introduce una vez perforado y hormigonado el pilote, por lo que genera el inconveniente de que debido a la densidad del hormigón, la longitud de armado no supera los 7,00-9,00 m.

Pilotes hincados[editar]

Hincado de pilotes para la construcción de un muelle en Tampa, Florida.

Muro de pilotes tangentes en Dresden, Alemania. Una técnica muy utilizada es crear una barrera de

pilotes y luego excavar para construir muros soterrados.

Consiste en introducir elementos prefabricados de hormigón similares a postes de luz o secciones metálicas por medio de piloteadoras en el suelo.

Dichos elementos son colocados verticalmente sobre la superficie del terreno y posteriormente "hincados" en el piso a base de golpes de "martinete", esto hace que el elemento descienda, penetrando el terreno, tarea que se prolonga hasta que se alcanza la profundidad del estrato

resistente y se produzca el "rechazo" del suelo en caso de ser un pilote que trabaje por "punta", o de llegar a la profundidad de diseño, en caso de ser un pilote que trabaje por "fricción".

Pilotes prefabricados[editar]

Los pilotes prefabricados pertenecen a la categoría de cimentaciones profundas, también se los conoce por el nombre de pilotes premoldeados; pueden estar construidos con hormigón armado ordinario o con hormigón pretensado.

Los pilotes de hormigón armado convencional se utilizan para trabajar a compresión; los de hormigón pretensado funcionan bien a tracción, y sirven para tablestacas y cuando deben quedar sumergidos bajo el agua. Estos pilotes se clavan en el terreno por medio de golpes que efectúa un martinete o con una pala metálica equipada para hincada del pilote.

Su sección suele ser cuadrada y sus dimensiones normalmente son de 30 cm x 30 cm o 45 cm x 45 cm También se construyen con secciones hexagonales en casos especiales. Están compuestos por dos armaduras: una longitudinal con cuatro varillas de 25 mm de diámetro, y otra transversal compuesta por estribos de varilla de 8 mm de sección como mínimo. La cabeza del pilote se refuerza mediante cercos con una separación de 5 cm en una longitud de un metro. La punta va reforzada con una pieza metálica especial para facilitar la hinca.

Pilotes excéntricos[editar]

Los pilotes excéntricos son los que se ubican fuera de los ejes de las columnas y de las contratables en edificios urbanos con estructura reticular, ofreciendo ventajas sustanciales respecto de los tradicionales instalados a cielo abierto antes del desplante de la edificación, colados en sitio o prefabricados hincados a golpes de martillo y coincidentes con los ejes, lo que dicho en otras palabras significa que los pilotes excéntricos pueden instalarse después de haberse iniciado la construcción del edificio. Cuando éste ya tiene algún peso se usa como lastre gratuito para dar la reacción de hincado al equipo hidráulico que es compacto, silencioso, sin vibraciones, limpio y de mayor capacidad que la dada con golpes de martillo.

Las ventajas sustanciales de carácter financiero a favor del propietario y de tipo ingenieril a favor de los técnicos participantes, debidas al simple cambio de ubicación de los pilotes, son las siguientes:

Ahorro del tiempo total de construcción del edificio al eliminar del programa de obra el que

correspondería a la instalación tradicional de los pilotes hecha antes del inicio de la

construcción.

Se garantiza la verticalidad de los pilotes gracias al tipo de perforación en el subsuelo, que

guía la punta del pilote según la línea de la gravedad hasta llegar a la capa de apoyo.

Los pilotes pueden ser de cualquier tipo de funcionamiento, a saber: apoyados por punta,

flotantes, o de fricción negativa, según se haya decidido por el Estudio de Mecánica de

Suelos.

La totalidad de los pilotes apoyados en estrato duro se rebotan a la carga de prueba

cuando la punta llega al estrato y la fricción lateral es despreciable, garantizando la

inmovilidad de los pilotes bajo toda solicitación de carga y sin costo adicional para el

propietario. La inmovilidad se aprovecha en casos específicos para controlar los esfuerzos

y las deformaciones del conjunto “suelo-edificio-pilote”, instalando mecanismos modernos

a prueba de sismos muy enérgicos, tanto en obras nuevas donde han originado el

concepto "Construya Antes Hinque Después", o en edificios que ya estando en

funcionamiento requieren ser recimentados sin dejar de funcionar, para recuperar la

verticalidad perdida porque es riesgoso que se hayan reducido los factores de seguridad

de la estructura consumidos por la inclinación, la que pone en riesgo la seguridad de los

usuarios, la del propio edificio y la de las edificaciones adyacentes, así como las

instalaciones públicas bajo las banquetas y también para recuperar los niveles correctos

cuando aparentemente los edificios han “emergido” respecto del nivel de las banquetas en

la vía pública.

Cuando en las edificaciones se presentan problemas generados por un comportamiento

distinto del subsuelo al esperado por nosotros, como sucede en las zonas lacustres

sujetas a proceso de consolidación por pérdida de humedad, por sobrecarga o por el

efecto nocivo de sismos de alta energía, la excentricidad de los pilotes permite en todo

momento si fuere necesario o conveniente, cambiar su tipo de funcionamiento diseñado

de origen.

Principio de funcionamiento[editar]

Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Ambas dependen de las características del pilote y del terreno, y la combinación idónea es el objeto del proyecto. Para un pilote circular, hormigonado in situ y apoyado cuya punta inferior está sobre un estrato de resistencia apreciable la carga de hundimiento vienen dada por:

Donde:

, altura y diámetro del pilote.

, sobrecarga [kN/m2] sobre la base de cimentación del pilotaje.

, peso específico del terreno y coeficiente de rozamiento terreno-pilote.

 presión admisible sobre el estrato en que se apoya la punta del pilote.

Cabe señalar que, como en todo trabajo relacionado con la ingeniería geotécnica, existe cierto grado de incertidumbre en la capacidad final de un pilote. Es por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este campo tiene que ver con métodos que permitan hacer

un control de calidad a bajo costo del pilotaje antes de aplicar las cargas. El método más obvio aunque el más costoso es hacer una prueba de carga. Como métodos alternativos podemos mencionar: pruebas de resonancia, prensa hidráulica de Osterberg, pruebas de análisis de ondas, pruebas sísmicas.

En muchos casos las teorías que permiten estimar la resistencia de fuste y la resistencia de punta son de tipo empírico. Es decir, son el resultado de un análisis estadístico del comportamiento de ciertos pilotes en determinadas condiciones de terreno. Por lo tanto, es sumamente importante conocer el origen y las condiciones bajo las cuales determinadas fórmulas de cálculo son válidas.

Precauciones constructivas[editar]

Colocación de hormigón in situ[editar]

La distancia mínima entre la piloteadora y la colocación del hormigón debe ser especificada. Se han realizado pruebas que muestran que las vibraciones provenientes de la piloteadora no tienen efectos contrarios sobre el hormigón fresco, y un criterio de un pilote abierto entre las operaciones de perforación y las de vaciado es considerado como satisfactorio.

La camisa, cascarón, tubo o tubería, debe ser inspeccionado justo antes a rellenarlo con hormigón y debe estar libre de material extraño y no contener más de diez centímetros de agua, a menos que se utilice el método tremie para introducir hormigón. El hormigón debe ser vertido en cada perforación o camisa sin interrupción. Si es necesario interrumpir el proceso de vertido de hormigón por un intervalo de tiempo tal que endurezca el hormigón, se deben colocar dovelas de acero en la zona superior hormigonada del pilote. Cuando el vaciado se suspende, todas la rebabas debe ser retiradas y la superficie del hormigón debe ser lavada con una lechada fluida.

Vaciado con el método tremie[editar]

El método tremie, de llenado por flujo inverso, se usa para verter hormigón a través de agua, cuando la perforación queda inundada. El hormigón se carga por tolva o es bombeado, en forma continua, dentro de una tubería llamada tremie, deslizándose hacia el fondo y desplazando el agua e impurezas hacia la superficie. El fondo del tremie se debe cerrar con una válvula para prevenir que el hormigón entre en contacto con el agua. El tremie llega hasta el fondo de la perforación antes de iniciarse el vertido del hormigón. Al principio, se debe elevar algunos centímetros para iniciar el flujo del hormigón y asegurar un buen contacto entre en hormigón y el fondo de la perforación.

Como el tremie es elevado durante el vaciado, se debe mantener dentro del volumen del hormigón, evitando el contacto con el agua. Antes de retirar el tremiecompletamente, se debe verter suficiente hormigón para desplazar toda el agua y el hormigón diluido.

Para vaciar el agua del tremie se puede utilizar una pelota de goma, o un tapón de corcho.

Ensayos de integridad para pilotes[editar]

Además de los métodos directos (inspección visual y sondeo geotécnico), existen diversas técnicas indirectas para detectar posibles anomalías en las cimentaciones profundas (pilotes y módulos pantalla principalmente).

Ensayo de transparencia sónica en cimentaciones profundas (sondeo sónico, ensayo sónico, cross-hole o crosshole). Detecta y localiza con precisión anomalías (deslavados, contaminación, inclusión,..., etc.). Se estudia la propagación de ultrasonidos entre parejas de tubos metálicos embebidos en el hormigón introduciendo en ellos unas sondas.

Ensayo de eco (martillo convencional). Permite evaluar la longitud del elemento por la medida del tiempo transcurrido entre un impacto y su reflexión. Se coloca en cabeza un acelerómetro y se la golpea con un martillo convencional. Requiere golpear sobre hormigón sano.

Ensayo de impedancia mecánica en cimentaciones profundas (martillo con sensor de fuerza). Además de la longitud, mediante la medida del impacto y de la respuesta vibratoria, valora la interacción con el terreno y los cambios de sección y/o de calidad del material. Se coloca en cabeza un geófono y se golpea con un martillo instrumentado. Requiere golpear sobre hormigón sano y alisado.

Reparación de pilotes[editar]

Hay fallas por corrosion o estructurales, muchas de las reparaciones son mediante un enchaquetado esto se hace mediante una cimbra en la forma del pilote pero con un diámetro mayor. En el espacio que queda se puede instalar varillas para reforzar la estructura y posteriormente vaciar mortero. En el caso de ser reparaciones submarinas hay grouts submarinos especiales que no se disgregan por ser más pesados que el agua.