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¿Cómo compruebo que mis pilotes prefabricados hincados tienen la resistencia suficiente?

Se hincan pilotes para la cimentación de estructuras en suelos blandos porque son muy cómodos de ejecutar. Lo puedes comprobar en este vídeo.

El diseño previo de los pilotes se realiza habitualmente mediante un cálculo analítico que  estima su resistencia por fuste y por punta en función de las características del terreno y que permite calcular la longitud del pilote a hincar. Otro método de diseño cada vez más extendido es el de la realización de unas pocas pruebas de carga previas.

Pero luego necesitamos algún sistema para comprobar que la resistencia del pilote ya hincado se corresponde con la que estaba prevista por el diseño previo. El método más antiguo es comprobar la penetración (o “rechazo”) del pilote tras una andanada de golpes con el martillo de hinca: parece lógico pensar que cuanto menos penetre el pilote, más resistencia tiene. Existen muchas fórmulas para calcular la resistencia del pilote a partir de la medición del rechazo. A continuación figura la fórmula de Hiley, que es la que recogen algunos códigos geotécnicos españoles, como la ROM 0.5-05 de Puertos del Estado, de donde está copiada la figura.

Como se puede observar en la fórmula y en la descripción de los parámetros que intervienen en ella, sólo hay un dato que se mide realmente, que es el rechazo, pero el resto son parámetros y coeficientes cuyo valor no siempre se conoce bien y que tienen una variabilidad grande, por lo que la fiabilidad del resultado de resistencia obtenido con estas fórmulas es muy grande. En consecuencia, los códigos exigen unos coeficientes de seguridad muy altos aplicables a los resultados de las fórmulas de hinca.

El desarrollo de los computadores, de los métodos numéricos de cálculo, y de la instrumentación electrónica, ha permitido avances notables en la comprobación de la resistencia de un pilote hincado mediante pruebas dinámicas de golpeo, hasta tal punto que las fórmulas de hinca están prácticamente prohibidas en los códigos geotécnicos de la mayoría de países avanzados.

En la figura siguiente, obtenida  también de la ROM 0.5-05, se esquematiza el modelo más popular desde hace décadas para el cálculo numerico y electrónico, que utiliza la ecuación de la onda que se propaga en un medio unidimensional. El modelo discretiza el pilote en varios tramos con masa y elasticidad, y la interacción en el fuste y en la punta entre esos tramos de pilote y el suelo se simula mediante esquemas de masas suspendidas, muelles y amortiguadores viscosos.

El programa de cálculo más conocido, que utiliza un modelo matemático de este estilo, es GRLWeap, cuya pantalla principal de entrada de datos se puede ver a continuación.

Con este tipo de programas se puede obtener la resistencia del pilote que corresponde a un determinado rechazo medido, con mayor precisión que con las fórmulas de hinca. Estos programas también permiten hacer simulaciones previas de una hinca completa, para comprobar si el martillo previsto podrá llevar el pilote hasta la profundidad esperada, con tensiones inducidas por el golpeo que sean admisibles, y estimar la duración de la hinca.

Todavía quedan parámetros en el cálculo que pueden tener una cierta variabilidad, como son los que se refieren a la eficiencia del martillo, y a las características de las diferentes capas de suelo en la zona en que está hincado el pilote. Si se realiza una hinca con el pilote instrumentado con acelererómetros y medidores de deformación, se pueden comparar los datos medidos con los que se habían estimado en el cálculo previo. De ese modo se pueden modificar los parámetros del programa para ajustar el modelo. En la siguiente figura se pueden observar dos curvas ajustadas, una de golpes necesarios para hincar 25 cm (que es una forma de medir el rechazo), y otra de la energía transmitida por el golpe a medida que el pilote va penetrando. Una vez ajustado el modelo, nos permite calcular un resultado de resistencia del pilote mucho más exacto.

Otra curva importante que se obtiene de este cálculo numérico es la denominada “curva de rechazo”, que para un pilote de tamaño y peso determinado, hincado a una determinada profundidad, con un martillo definido y con altura de caída específica, nos permite conocer la resistencia del pilote en función del rechazo medido.

La metodología más utilizada actualmente para comprobar la resistencia de pilotes hincados es la realización de pruebas de carga dinámica al cabo de unos días o semanas tras la hinca. Se dan golpes con el martillo de hinca al pilote, movilizando su resistencia por fuste y punta, captando las ondas generadas en el pilote mediante acelerómetros y medidores de deformación.

Ensayo dinámico de pilote hincado

Se obtienen así curvas de fuerza y velocidad como las de la figura siguiente, donde en la parte inferior se ha dibujado la onda de fuerza ascendente y la onda de fuerza descendente, que son la solución matemática de la ecuación de la onda.

Estas curvas de fuerza y velocidad captadas por la instrumentación durante la prueba permiten realizar unos cálculos simplificados de resistencia del pilote, cuyos resultados normalmente se obtienen inmediatamente en la pantalla del equipo de toma de datos. Pero lo usual es realizar unos cálculos más complejos con un modelo matemático similar al explicado arriba, modificando los parámetros del modelo para conseguir que la curva de fuerza del modelo se ajuste lo más posible a la real obtenida en el golpe de prueba. Una vez conseguido así el ajuste del modelo matemático, el programa realiza un cálculo estático en el modelo, obteniendo la resistencia movilizada en la prueba por fuste y por punta, y en cada uno de los segmentos en que se ha discretizado el pilote. El programa de este tipo más conocido es Capwap, de Pile Dynamics. A continuación figura una salida gráfica de este programa.

En definitiva, disponemos de metodologías variadas para comprobar la resistencia última de un pilote hincado, que prácticamente no incrementan el coste de la obra, y que permiten eliminar las frecuentes dudas que aparecen en este tipo de cimentaciones hincadas.

Para más información, puedes utilizar nuestro formulario de contacto.

Utilización de pruebas de carga en el diseño de pilotes

En España hay tres códigos técnicos para el diseño de pilotes: uno obligatorio para edificación, unas recomendaciones geotécnicas para obras de carreteras, y otras para obras marítimas. Las referencias completas de los documenteos son las siguientes:

  • Código Técnico de la Edificación (CTE), Documento Básico SE-C: Seguridad Estructural, Cimientos. Ministerio de la Vivienda (2006). Descarga gratuita en Internet aquí.
  • Guía de cimentaciones en obras de carreteras. Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento (2003). Descarga gratuita en Internet aquí.
  • Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias (ROM 0.5-05), Puertos del Estado, Ministerio de Fomento (2005). Descarga gratuita en Internet aquí.

Además, recientemente se ha aprobado en nuestro pais una revisión del Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas generales, Norma UNE-EN 1997-1, que incluye el esperado Anejo Nacional que coordina los tres códigos españoles citados con el Eurocódigo 7 vigente en Europa y con sus criterios de diseño. Se puede adquirir aquí.

Considero que puede ser útil resumir los coeficientes de seguridad más importantes que estos códigos especifican para el cálculo de las cimentaciones por pilotaje.

En la primera tabla que figura a continuación, tomada del CTE obligatorio para edificios, figuran las tensiones máximas a las que se pueden cargar los pilotes, en función del procedimiento constructivo y del tipo de pilote.

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De ella se pueden deducir los topes estructurales de algunos tipos frecuentes de pilotes. Por ejemplo, un pilote barrenado sin control de parámetros puede ser cargado hasta 3,5 MPa, o hasta 3,5 x 1,25 = 4,4 MPa si se realizan ensayos de integridad estructural en esos pilotes. Mientras que un pilote prefabricado de hormigón armado e hincado, construido con hormigón de 50 MPa de resistencia característica, puede ser cargado hasta 0,3 x 50 = 15 MPa, es decir, más del triple que en el caso del pilote barrenado.

Los códigos de diseño admiten varios métodos para calcular la capacidad resistente del suelo al hundimiento ante la carga que le transmite un pilote. Los más conocidos son los métodos analíticos, que utilizan fórmulas basadas en las propiedades del suelo como el ángulo de rozamiento interno, la cohesión, y otras, que se suelen obtener mediante ensayos de laboratorio sobre muestras de suelo obtenidas en sondeos. También se utilizan métodos de cálculo basados en ensayos “in situ” que miden la resistencia del suelo, como el SPT, los penetrómetros dinámicos y estáticos, y los presiómetros. Otro método de cálculo que está ganando importancia en los códigos de diseño es el de las pruebas de carga sobre pilotes reales, e incluso algún código como el Eurocódigo 7 lo considera como el método preferente de diseño de pilotes.

Si se utilizan métodos analíticos para el diseño, los tres códigos españoles citados no dan los mismos valores para el coeficiente de seguridad reductor de la capacidad de carga calculada. En la siguiente tabla hay una comparación. Se ha extraido de un artículo presentado en un reciente congreso europeo sobre el tema.

tabla-2-lovainaDado que las pruebas de carga son el método más real de estimar la capacidad de carga de un pilote, los códigos permiten en ese caso la aplicación de coeficientes de seguridad inferiores para la reducción de la resistencia del terreno así calculada. En el CTE aparece la tabla siguiente sobre coeficientes de reducción de la resistencia característica del terreno al hundimiento del pilote, en función del método de cálculo utilizado. Se puede ver que la disminución en los coeficientes reductores es importante si se realizan pruebas de carga, lo que en obras con muchos pilotes puede compensar de sobras el coste de dichas pruebas.

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Las recomendaciones ROM 0.5-05 de Puertos del Estado incluyen una detallada tabla con los coeficientes de seguridad para la reducción de la resistencia característica del terreno al hundimiento del pilote, en función del tipo de pilotaje y del método de diseño utilizado. Es curioso que solo contempla la utilización de pruebas de carga en el diseño para el caso de pilotes hincados.

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En el CTE aparecen un par de tablas que permiten calcular la resistencia característica del terreno al hundimiento del pilote en función del número de pruebas de carga realizadas en una cimentación. La primera tabla es para pruebas de carga estática.

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Y la segunda es para pruebas de carga dinámica.

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Los códigos españoles no citan normas de ensayo para las pruebas de carga estática o dinámica de pilotes, ya que todavía no existe normativa española o europea aprobada, por lo que es habitual referirse a normativa ASTM norteamericana a la hora de realizar pruebas de carga en pilotes:

  • “Standard Test Method for Deep Foundations Under Static Axial Compressive Load”, ASTM D 1143M (pruebas de carga estática).
  • “Test Method for High Strain Dynamic Testing of Piles”. ASTM D 4945 (pruebas de carga dinámica).

El Comité Europeo de Normalización CEN está desarrollando dos normas para estas pruebas, todavía no aprobadas definitivamente:

  • “Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 1: Pile load test by static axially loaded compression”, prEN ISO 22477-1 (pruebas de carga estática).
  • “Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 4: Testing of piles dynamic load testing”, prEN ISO 22477-4 (pruebas de carga dinámica).

CEN tiene ya aprobada otra norma para pruebas de carga rápida en pilotes, que es un tipo de prueba intermedio entre carga estática y carga dinámica, que en España no tiene todavía tradición:

  • Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 10: Testing of piles: rapid load testing, EN ISO 22477-10:2016.

De lo anterior se deduce que las pruebas de carga de pilotes son un instrumento válido para el diseño de una cimentación profunda, permitiendo en muchos casos la consecución de ajustes importantes en su presupuesto y una reducción de incertidumbres de proyecto que, cuando aparecen, suelen desmbocar en retrasos, disputas y pérdidas económicas.

Para más información o consultas sobre el argumento, pueden utilizar el siguiente formulario de contacto.

 

INGE y CFT & Asociados firman un acuerdo para la colaboración en la realización de pruebas de carga de pilotes

INGE y CFT & Asociados han firmado el pasado mes de septiembre un acuerdo de colaboración para sumar sus recursos y experiencia en el campo de la instrumentación geotécnica y estructural y en el de pruebas de pilotes. El objetivo es ofrecer al mercado de los pilotes y las cimentaciones profundas un servicio altamente especializado de pruebas de carga estáticas y dinámicas.

Las pruebas de carga estática permiten conocer el comportamiento real de los pilotes en el terreno. Se realizan en la fase de proyecto de la cimentación o en la fase de construcción, como comprobación del diseño realizado. Dadas las elevadas cargas a aplicar, generalmente del orden de cientos o miles de toneladas, son ensayos costosos, por lo que la participación de consultores especializados y con medios adecuados es fundamental para el éxito técnico y económico de las pruebas.

En las pruebas de carga dinámica se utiliza una maza que impacta sobre el pilote para movilizar su resistencia por punta y por fuste. Mediante instrumentación electrónica es posible captar su comportamiento y obtener después por cálculo numérico la capacidad portante del pilote. Las pruebas dinámicas se emplean habitualmente para comprobar la capacidad de carga de pilotes prefabricados de hormigón hincados con martillo.

inge_10aniversario-01Instrumentación Geotécnica y Estructural, S.L. (INGE) es una empresa con sede en Asturias, especializada en actividades de consultoría y servicios en las áreas de Geología y Geotecnia, Ingeniería Civil e Instrumentación y Control Estructural.

Carlos Fernández Tadeo & Asociados, S.L. (CFT & Asociados) es una empresa con sede en Barcelona, especializada en la realización de ensayos y pruebas de pilotes y cimentaciones profundas, y en el suministro de equipos para ensayos geotécnicos.

Pruebas de carga dinámica en pilotes hincados en Perú

Durante los últimos meses hemos trabajado en la realización de pruebas de carga dinámica sobre pilotes prefabricados hincados en la cimentación de un nuevo tanque de crudo de la refinería de Talara, Perú.

IMG_0986En las pruebas de carga dinámica se utiliza el martillo de hinca o una maza que cae e impacta sobre el pilote para movilizar su resistencia por punta y por fuste, captando su respuesta mediante instrumentación electrónica, y obteniendo después por cálculo numérico la capacidad portante del pilote.

Se utilizan para ello modelos matemáticos que simulan el comportamiento del pilote y su interacción con el suelo por medio de la ecuación de la onda. El equipo utilizado para la toma de datos ha sido el PDA, y el programa utilizado ha sido CAPWAP, ambos construidos por la empresa especializada Pile Dynamics. Con estas pruebas se ha podido obtener una estimación de la capacidad de carga por fuste y por punta de los pilotes probados, y de la curva carga-asiento en comportamiento estático.

Para más información no dudes en utilizar nuestro formulario de contacto.

Control de calidad y pruebas de carga de pilotes en Guatemala

CFT & Asociados suministra equipos técnicos y presta servicios de asesoramiento y apoyo al laboratorio guatemalteco Precon en el inicio de su actividades de control de calidad y pruebas de carga de pilotes.

PAX PreconHemos facilitado a Precon asesoría experta durante el proceso de compra de un equipo electrónico para realizar pruebas de carga dinámica en pilotes prefabricados hincados y en pilotes perforados colados in situ. En base a esta colaboración, Precon ha adquirido un equipo PDA de la empresa Pile Dynamics, su personal técnico ha recibido la formación necesaria para su empleo y para la utilización del software asociado, y se está planificando una campaña de pruebas de carga dinámica de pilotes en las cimentaciones de puentes.

PET_system01Para el control de calidad de pilotes mediante ensayos de integridad estructural, hemos suministrado a Precon un equipo Pet que utiliza el método sónico. Este método está basado en la propagación de una onda generada por el golpeo de la cabeza del pilote con un martillo de mano.

Además de Precon en Guatemala, otras empresas en América Latina y en África están recibiendo equipos y apoyo técnico por nuestra parte para iniciar actividades de ensayos y pruebas de pilotes en países como México, Panamá, Colombia, Ecuador, Bolivia, Chile, Argentina, Paraguay, Brasil, Angola, Mozambique, Guinea Ecuatorial, Nigeria y Egipto.

Para recibir más información sobre el tema puede utilizar nuestro formulario de contacto.

Aenor nombra a Carlos Fernández Tadeo experto representante en el grupo de trabajo europeo para la redacción de nuevas normas sobre pruebas de carga no-estática de pilotes

El pasado mes de noviembre de 2012 se celebró en la Universidad Politécnica de Cataluña una reunión del Comité Técnico nº 341  de CEN, el Comité Europeo de Normalización, que se ocupa de investigaciones y ensayos geotécnicos (ver información del comité en este enlace). En dicha reunión se aprobó la creación de un nuevo Grupo de Trabajo WG 7 para la redacción de nuevas normas europeas de pruebas de carga de pilotes de tipo no-estático.

cen-logoAenor ha nombrado representante español en este nuevo grupo de trabajo a Carlos Fernández Tadeo. El grupo ya tiene sobre la mesa un borrador de nueva norma europea para pruebas de carga rápida de pilotes, también denominadas RLT (Rapid Load Test), basado en los desarrollos del equipo Statnamic en Holanda y Reino Unido desde hace más de 20 años, junto a los de otros equipos especializados que se están utilizando en pruebas de carga rápidas en Europa, Norteamérica y Japón. En la siguiente web se puede conseguir información sobre este borrador.

Las pruebas de carga no-estáticas más conocidas son las pruebas de carga dinámica de pilotes prefabricados hincados, también denominadas DLT (Dynamic Load Test), que se vienen realizando desde hace más de 30 años en todo el mundo y también en España. CFT & Asociados SL somos consultores especializados en este tipo de pruebas (más info). Con los mismos criterios y equipos electrónicos se realizan también pruebas de carga dinámica en pilotes perforados y hormigonados “in situ”, utilizando dispositivos de impacto construidos expresamente para las pruebas. También somos consultores en este tipo de pruebas, muy extendidas en Centroeuropa y Norteamérica.

Las pruebas de carga rápida RLT son de tipo semidinámico. Mientras que en las pruebas dinámicas la carga producida por el impacto en el pilote tiene una duración de unas milésimas de segundo y se produce una onda de tensión que se propaga hacia abajo por el pilote, en las semidinámicas RLT la duración del impacto es algo más lenta, unas décimas de segundo, y no se produce la onda de tensión en el pilote sino que el pilote se mueve de manera monolítica. El sistema de pruebas RLT más conocido es el Statnamic, aunque en Japón también se han desarrollado varios sistemas que se utilizan en casi toda Asia.

Diseño y pruebas de pilotes prefabricados hincados

Este es el título del artículo de Carlos Fernández Tadeo sobre pilote prefabricados hincados publicado en la revista Obras Urbanas, que puedes descargar aquí.

Los pilotes de hormigón prefabricados e hincados son una buena opción para las cimentaciones de estructuras en suelos blandos o sueltos. En los últimos años, su utilización no se ha visto muy afectada por la drástica reducción de actividad sufrida en la construcción, que si ha afectado a otros métodos de pilotaje. Probablemente ello es debido a que ofrecen un precio muy competitivo y a que su ejecución es muy rápida y limpia.

La instalación de pilotes mediante hinca es el método más antiguo de construcción de pilotes. Durante milenios se hincaron solo pilotes de madera, pero ahora son predominantemente de hormigón (armado o pretensado) y de acero (tubos o perfiles). La tecnificación creciente de la construcción llegó hace décadas a la hinca de pilotes, que se ha convertido en una actividad de alta productividad, al conjugar prefabricación en taller y mecanización de la puesta en obra. Los pilotes se prefabrican en un proceso industrial, se transportan a obra, y allí se instalan con maquinaria especializada que es operada por solo dos personas.

Equipo de hinca de pilotes

Precisamente debido a esa alta tecnificación, la construcción de pilotes hincados se ha convertido en una actividad especializada que ejecutan muy pocas empresas en España y que pocos consultores geotécnicos dominan. En CFT & Asociados fuimos conscientes, hace ya más de una década, de la necesidad existente en la comunidad geotécnica de disponer de expertos independientes, por lo que iniciamos un camino largo y escondido, pero lleno de satisfacciones, que ha pasado por la formación de nuestro personal, por la cooperación con expertos internacionales, y por la obtención de equipos y software especializados para el proyecto y el ensayo de los pilotes hincados. En este camino hemos aprendido mucho y hemos ayudado a nuestros clientes a optimizar sus cimentaciones mediante pilotes hincados, a probar su capacidad de carga y a controlar la calidad de su ejecución.

Ensayo dinámico de carga de un pilote hincado

En el artículo se describen las prácticas recomendables en la fase de proyecto, en la contratación de la empresa especializada en pilotaje hincado y en la fase de ejecución del pilotaje. Las ventajas de realizar un buen diseño y un buen control del pilotaje hincado son las siguientes:

  • Reducción o eliminación de incertidumbres de proyecto: ¿Cual es la longitud adecuada de pilote en el subsuelo local para conseguir la resistencia necesaria? ¿Se podrán hincar hasta la profundidad necesaria con la maquinaria disponible?
  • Garantía de cumplimiento de plazos de ejecución, al minimizarse las paradas por circunstancias imprevistas. Un caso frecuente es que los pilotes se hinquen hasta rechazo a una profundidad muy superior a la prevista inicialmente en los cálculos, lo que produce paros en la producción hasta que se estudie el caso y se adopte una decisión. Lo mismo puede ocurrir en el caso contrario, cuando los pilotes alcancen el rechazo a profundidad inferior a la esperada.
  • Mayor control presupuestario, al evitarse sorpresas en la longitud hincada de pilote a la hora de la ejecución.
  • Reducción de costes: los códigos técnicos permiten utilizar en los cálculos unos coeficientes de seguridad más bajos cuando se realizan pruebas de carga, lo que permite abaratar la cimentación.
  • Mejor control de calidad realizando pruebas de carga de los pilotes, ya que se obtiene una comprobación de su capacidad resistente real.
  • Reducción de conflictos externos: el control de las vibraciones producidas por la hinca permite comprobar si se está sometiendo a las estructuras vecinas a movimientos excesivos, evitándose reclamaciones y litigios por este motivo.

NEWS nº 10

Hace una semana hemos enviado por email a nuestros clientes y amigos nuestro boletín NEWS nº 10, dedicado íntegramente a Diseño y Pruebas de Pilotes Prefabricados Hincados.

Equipo de hinca de pilotesAl final del boletín enumeramos las ventajas de contar con una consultoría independiente especializada en pilotes hincados. Las principales son:

  • Reducción de incertidumbres de proyecto.
  • Garantía de cumplimiento de plazos de ejecución.
  • Mayor control presupuestario.
  • Reducción de costes.
  • Mejor control de calidad.
  • Reducción de conflictos externos.

El boletín NEWS nº 10 lo puedes encontrar en nuestra página de Noticias y aquí.

Pruebas dinámicas de carga en micropilotes

El el pasado mes de octubre de 2012 se celebró en Sevilla (España) el 9º Simposio Nacional de Ingeniería Geotécnica, promovido por la Sociedad Española de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica (SEMSIG) y por la Sociedad Española de Mecánica de Rocas (SEMR), bajo el lema “Cimentaciones y Excavaciones profundas”. En el siguiente enlace puedes encontrar el índice de las ponencias y comunicaciones presentadas.

En dicho Simposio se presentó una comunicación titulada “Pruebas de carga dinámicas en micropilotes. Comparación con pruebas de carga estáticas”, realizada por Carlos Oteo, José Luis Arcos, Rafael Gil y Carlos Fdez. Tadeo, que recoge los resultados de un proyecto de investigación realizado por Rodio Kronsa y la Universidad de La Coruña, en el que ha colaborado CFT & Asociados. El texto completo en español figura en el siguiente enlace.

Las pruebas dinámicas de carga permiten simplificar y abaratar la realización de pruebas de carga en micropilotes en muchos casos. CFT & Asociados hemos colaborado con Rodio Kronsa en las pruebas de micropilotes realizadas por el método dinámico en algunas obras en España. Se utiliza el mismo equipo de toma de datos que en las pruebas dinámicas de pilotes prefabricados hincados, con un martillo de golpeo de menor dimensión. Para el análisis de los datos se utiliza el programa Capwap, que permite obtener la carga total movilizada en la prueba y su distribución en punta y en varios segmentos del fuste.

Para más información puedes utilizar nuestra página de contacto.

Cálculo y diseño de pilotes con STAAD Foundation

Si trabajas en el proyecto de cimentaciones, te puede interesar ver como trabaja el programa STAAD Foundation en en el cálculo y diseño de cimentaciones profundas por pilotes, tanto hincados como perforados.

La definición de la imagen es mejor en pantalla completa, poniendo la configuración de resolución de video al máximo de calidad.

CFT & Asociados somos Channel Partner de Bentley para toda su gama de software de obra civil.