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¿Tengo que hacer pruebas de carga estática de pilotes si hago pruebas dinámicas?

Cada vez es más frecuente ejecutar las cimentaciones profundas mediante la técnica de pilotes prefabricados hincados. Los pilotes de hormigón se prefabrican en planta, se transportan por carretera a la obra y se instalan en el terreno mediante un martillo de hinca.

El proceso tiene ventajas e inconvenientes, como todo. Entre las primeras está que el contratista principal no tiene que aportar hormigón para los pilotes, ni retirar tierra excavada y residuos, y la obra es mucho más limpia. Entre los inconvenientes destaca que en muchos casos es difícil estimar a priori la longitud que tendrán estos pilotes al final del proceso de hincado, por lo que la medición real puede diferir bastante de la prevista.

Otra ventaja de los pilotes hincados es que su proceso de instalación con el martillo permite conseguir una cierta indicación de la resistencia con que ha quedado cada pilote individual. En esta otra entrada del blog se amplía la información sobre las tecnologías existentes: «¿Cómo compruebo que mis pilotes prefabricados hincados tienen resistencia suficiente?»

Allí se explica que la técnica de comprobación más utilizada es la de pruebas de carga dinámica sobre los pilotes prefabricados hincados, aprovechando el golpeo del mismo martillo de hinca que está instalando los pilotes e instrumentando éstos para captar la fuerza y la velocidad de la onda generada por el impacto.

A partir de estas ondas, se puede calcular la resistencia del pilote y su comportamiento carga-asiento en condiciones estáticas, utilizando programas de cálculo electrónico, como se explica en la entrada citada.

Pero las pruebas de carga dinámica (DLT «Dynamic Load Test») no son lo mismo que las tradicionales pruebas de carga estática, en las que se aplica la carga al pilote en escalones mediante un gato hidráulico, y el asentamiento de la cabeza del pilote se mide directamente. Siempre se ha considerado que las pruebas estáticas (SLT «Static Load Test») son las que más se acercan al comportamiento real del pilote en servicio, puesto que se aplican unas cargas reales y se miden asentamientos reales, sin necesidad de cálculos de ordenador complicados que siempre incluyen un cierto grado de interpretación subjetiva.

Los códigos de diseño geotécnico piden que las pruebas dinámicas (DLT) se contrasten con pruebas estáticas (SLT). Tal es el caso del Código Técnico de la Edificación español (CTE) y de otros. Ver otra entrada de este blog titulada «Utilización de pruebas de carga en el diseño de pilotes».

Hasta ahora no había normas españolas para la realización de pruebas de carga de pilotes, pero ya hay tres normas europeas aprobadas que UNE tiene en fase de publicación en español, tal como se indica en el enlace del párrafo anterior. Pero lo que no dice ningún código ni ninguna norma, ni español ni internacional, es como se hace ese contraste entre DLT y SLT. Es decir, los códigos técnicos más o menos obligatorios dicen que hay que hacer contrastes entre pruebas dinámicas y estáticas, pero no está definido en ningún sitio como se hace ese contraste y en base a cuales criterios.

A continuación, voy a exponer algunas consideraciones sobre las circunstancias reales que se va a encontrar el técnico que afronte un contraste entre pruebas de carga de pilote realizadas por diferentes técnicas.

¿Cuál es la carga de hundimiento en una prueba estática?

Hay casos muy evidentes, como el de la gráfica de la prueba real en un micropilote que figura a continuación, en la que se alcanzó una carga máxima de unas 100 t y luego el micro siguió bajando sin posibilidad de estabilizar la carga más que en un valor inferior de 80 t. Aquí está claro que la carga de hundimiento es de 100 t.

Este no es el caso más normal en una prueba SLT. Lo usual es que al aumentar la carga el asentamiento también se incremente progresivamente, sin producirse un punto de hundimiento claro, como se ve en el siguiente gráfico carga-asiento de una prueba estática real.

¿Cómo se determina la carga de hundimiento del pilote en este caso? Hay muchos criterios. A continuación expongo lo que dicen los códigos geotécnicos españoles al respecto:

  • El Código Técnico de la Edificación CTE dice que se produce el hundimiento «cuando la carga vertical sobre la cabeza del pilote supere la resistencia del terreno causando asientos desproporcionados». Es decir, el CTE deja el criterio de definir la carga de hundimiento del pilote tras una prueba SLT en manos de los responsables técnicos del proyecto, pudiendo haber criterios diferentes sobre lo que se considera «desproporcionado».
  • Las Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas de Puertos del Estado Español ROM 0.5-05 dicen que se produce el hundimiento del pilote con descensos de su cabeza «iguales o superiores al 10% de su diámetro». En el caso de la gráfica anterior, se trataba de un pilote prefabricado de sección 40 x 40 cm, lo que significa un diámetro equivalente en pilote circular de 46,2 cm. Si se considera que el hundimiento se produce al alcanzar un asiento igual al 10% del diámetro (46,2 mm), en la misma gráfica anterior comprobamos que se llegó a 4,2 MN de carga en la prueba sin alcanzar el criterio de hundimiento.
  • La Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento dice que se produce el hundimiento «cuando las cargas verticales agotan la resistencia del terreno a compresión». En el caso del gráfico carga-asiento anterior, la determinación del momento en que la resistencia del terreno «se agota» queda al criterio subjetivo de quien interprete la prueba.

Hay otros criterios en los códigos internacionales que son más precisos a la hora de asignar la carga de hundimiento del pilote a partir de los resultados de una prueba SLT en que la curva carga-asiento muestra un crecimiento progresivo sin un pico máximo claro.

El primero de estos criterios es el de Davidson, muy difundido en Norteamérica y que es el más recomendado por Pile Dynamics Inc., los creadores de uno de los sistemas electrónicos de pruebas de carga dinámica PDA y del software de análisis Capwap, el más utilizado en España. A continuación figura un gráfico con la aplicación de este criterio para la misma prueba SLT anterior, que define la carga última del pilote como el punto en el que la curva carga-asiento del pilote obtenida en la prueba cruza con una recta elástica del pilote supuestamente aislado y trabajando como columna (segmento azul), que tiene como origen un asiento inicial de 4 mm + b/120, siendo b el diámetro equivalente del pilote, y como pendiente EA/L, siendo E (Módulo elástico del pilote), A (sección transversal), L (Longitud). La carga de hundimiento obtenida con esta construcción gráfica para este pilote es de 3,8 MN.

El segundo de estos criterios para determinar la carga de hundimiento en la prueba es el que figura en la norma internacional de prueba de carga estática de pilotes EN ISO 22477-1 (en fase de publicación por UNE en España), que define la carga de fluencia como aquella a la que el pilote empieza a tener asientos que no estabilizan bien bajo carga mantenida. Por simplificar, en los gráficos carga-asiento anteriores se ha dibujado solo la última lectura de cada escalón de carga, pero si ponemos todas las lecturas de asiento en cada escalón de carga tenemos una curva como la siguiente, en la que se aprecia mejor la estabilización de asientos en cada escalón.

Si dibujamos cada uno de los asientos medidos en el periodo de estabilización de cada escalón en función del tiempo de mantenimiento del escalón en escala logarítmica, tenemos esta otra gráfica.

Y si calculamos a partir de esta gráfica anterior un factor de fluencia para cada escalón de carga, definido en la norma EN-ISO como el cociente entre el incremento de asiento y el logaritmo del tiempo (o como la pendiente de cada tramo de escalón), tenemos este otro gráfico Carga – Factor de Fluencia.

El punto de máxima curvatura de esta línea (o el punto de corte entre las asíntotas de su tramo inicial y del final) indica la carga de fluencia. De acuerdo con esta definición, la carga a la que la fluencia se convierte en excesiva en la gráfica anterior, que se considera como carga de hundimiento, estaría en 3,5 MN aproximadamente.

Como consecuencia de lo anteriormente expuesto, se puede afirmar que no hay una respuesta única a la pregunta hecha antes sobre como podemos deducir la carga de hundimiento del pilote tras realizar una prueba de carga estática vertical a compresión. En el caso real anterior:

  • El criterio de ROM 0.5-05 dice que la prueba no alcanzó el hundimiento, por lo que la carga de hundimiento del pilote sería > 4,2 MN.
  • Otros códigos geotécnicos españoles no definen un método preciso para obtener la carga de hundimiento.
  • El criterio norteamericano de Davidson da una carga de hundimiento de 3,8 MN.
  • El criterio de la norma EN-ISO da una carga de hundimiento de 3,5 MN.

¿Cuál es la precisión de las pruebas de carga dinámica?

Antes de entrar de lleno en el argumento del contraste entre pruebas dinámicas y estáticas de carga de pilotes, conviene conocer algunos aspectos importantes referentes a las pruebas dinámicas.

El primero es el tiempo transcurrido desde la hinca del pilote hasta su prueba. El avance del pilote en la hinca va produciendo la rotura del suelo. Eso implica que al finalizar la hinca el pilote tiene menos resistencia que la que tendrá al cabo de un tiempo, cuando el suelo haya podido recuperar sus propiedades resistentes. En suelos granulares eso puede requerir pocos días, pero en suelos cohesivos requiere normalmente varias semanas. Si hacemos la prueba DLT al finalizar la hinca para aprovechar que el martillo ya lo tenemos sobre el pilote, la resistencia del pilote obtenida en la prueba va a ser inferior a la que tendrá después de un tiempo de reposo. Esta recuperación de resistencia se denomina «setup» en inglés, y puede llegar a ser un factor de 10 en algunos suelos cohesivos. Hay excepciones: en algunos suelos la resistencia no aumenta con el tiempo sino que disminuye (relajación), pero son casos muy raros que se pueden encontrar en la literatura especializada.

En pilotes hincados, esto pasa tanto si las pruebas son SLT como si son DLT, por lo que a la hora de realizar contrastes entre ambas pruebas hay que tener en cuenta este efecto. Lo más adecuado sería realizar las dos pruebas sobre un mismo pilote casi simultáneamente, pero esto no suele ser posible en la realidad de las obras. Sería ideal disponer entonces de unos datos de «setup» para cada tipo de suelo, pero eso no existe desgraciadamente, dado que la variabilidad es enorme. En definitiva, los resultados de las pruebas de carga sobre pilotes hincados por cualquier método están relacionados con el tiempo transcurrido desde la hinca hasta la prueba.

A continuación hay un gráfico carga-asiento con un contraste real entre una prueba DLT y una SLT sobre sendos pilotes prefabricados hincados iguales, situados en el mismo encepado a poca distancia. La prueba dinámica se realizó 6 días después de la hinca y la estática 53 días después de la hinca.

El segundo aspecto importante a considerar en las pruebas DLT es que su resultado depende de la energía aplicada por el impacto del martillo en la prueba. Es decir, si el golpe es flojo, la resistencia del pilote medida en la prueba será pequeña. Y si el golpe es fuerte, la resistencia puede ser superior. El motivo es que si el golpe es flojo se movilizará poco rozamiento lateral y poca compresión en la punta, por lo que la reacción del suelo -que transmite el sistema de ondas que se forma en el pilote y que capta la instrumentación- será pequeña, sin llegar a alcanzar la capacidad de carga real de ese pilote. Eso puede pasar por varios motivos, entre ellos: a) el martillo utilizado en la prueba no suministra energía suficiente; b) no se pueden dar golpes más fuertes porque se alcanza el límite de resistencia del material del pilote.

En las pruebas estáticas también puede suceder algo similar, cuando el sistema de aplicación de la carga (gato + reacción) no es capaz de alcanzar la carga de hundimiento del pilote, o cuando expresamente se realiza una prueba de carga sin el objeto de alcanzar el hundimiento. En estos casos, algunos autores han recomendado metodologías numéricas y gráficas para extrapolar los resultados de las pruebas, buscando determinar una carga de hundimiento. Mi opinión es que entonces ya no estaríamos hablando del resultado de una prueba de carga, sino de una pura especulación teórica, que no tiene mucho que ver con lo que es una prueba experimental.

El tercer aspecto importante a tener en cuenta es el componente subjetivo que tienen las pruebas DLT. Es decir, operadores diferentes trabajando con el mismo software sobre un mismo fichero de datos tomado en una prueba dinámica en obra pueden obtener resultados de resistencia del pilote muy diferentes. Los estudios más modernos hablan de diferencias de resultados entre operadores de hasta un 40% o más. El motivo es que los modelos matemáticos que contienen los programas de análisis de DLT son bastante complejos, con decenas de parámetros que el operador puede modificar para ajustar lo más posible el modelo a los datos reales de la prueba. Para evitar este problema se ha desarrollado otro método de pruebas de carga de pilotes que es el de carga rápida (RLT «Rapid Load Test»), en el que también se golpea la cabeza del pilote con una maza, pero con el impacto muy amortiguado con dispositivos especiales, lo que simplifica mucho el análisis posterior de los datos y elimina el componente subjetivo del operador. Más información en esta otra página del blog «Pruebas de carga rápida en pilotes».

Es decir, no solo es importante que los equipos y el software utilizados en DLT tengan una reputación contrastada, sino que resulta más importante todavía que los técnicos que utilizan estas herramientas estén debidamente formados y tengan amplia experiencia, tanto los que realizan las pruebas y toman los datos en obra como los que luego realizan en gabinete el análisis de los datos y la modelización con el software.

¿Es factible realizar contrastes entre pruebas DLT y SLT?

Los códigos de diseño de pilotes recomiendan contrastar las pruebas dinámicas DLT con pruebas estáticas SLT, pero hemos visto que no es tan sencillo ni directo. Se deben tener en cuenta algunos factores importantes, entre ellos los siguientes:

  • El metodo utilizado para la determinación de la carga de hundimiento a partir de la curva carga-asiento en la prueba estática.
  • La influencia del tiempo transcurrido desde la hinca hasta las pruebas.
  • La energía aplicada en las pruebas.
  • La formación y la experiencia de los técnicos que realizan las pruebas.

A continuación figura un ejemplo real con otro gráfico carga-asiento con un contraste realizado en similares condiciones que el anterior. La prueba dinámica se realizó 21 días después de la hinca y la estática 75 días después de la hinca. El criterio de Davidson para la prueba SLT da una carga de hundimiento de 2,9 MN, prácticamente igual que la prueba DLT.

En geotecnia estamos acostumbrados a utilizar varios ensayos o pruebas diferentes para determinar un cierto parámetro del suelo que nos interese tener en cuenta para diseñar una cimentación. Pero ya nadie se pone a contrastar el SPT con el cono estático, o el presiómetro con la placa de carga. Es más, solemos considerar como muy positivo el poder disponer de varios ensayos diferentes para así conseguir una visión más completa del problema geotécnico desde distintos ángulos. Del mismo modo, los contrastes entre pruebas DLT (o RLT) y SLT no tienen por qué ser una norma, sino simplemente una oportunidad más de obtener información relevante sobre nuestro proyecto de pilotaje.

Lo importante es hacer pruebas de carga sobre los pilotes para comprobar su comportamiento real ante las cargas de diseño, dadas las incertidumbres que dejan otros métodos de cálculo. Los métodos de prueba a utilizar en cada caso podrán elegirse en función de las circunstancias particulares de cada proyecto, y probablemente lo óptimo sea hacer el mayor número posible de pruebas diferentes y adaptar luego los coeficientes de seguridad al programa de pruebas realizado.

Para más información, puedes utilizar nuestra página de contacto.

Presentación de las pruebas de carga rápida StatRapid en las 6ª Jornadas Luso Españolas de Geotecnia

En mayo de 2018 se realizaron en las Islas Azores dos congresos geotécnicos de primer nivel, el 16 Congreso Nacional de Geotecnia de Portugal y las 6ª Jornadas Luso Españolas de Geotecnia. Una de las presentaciones más novedosas fue la que realizó el ingeniero español Nicolás Moscoso del Prado Mazza, titulada «Rapid Load Testing: una técnica eficiente para pruebas de carga en pilotes», según un artículo firmado conjuntamente con Marcel Bielefeld, de Allnamics (Países Bajos) y Carlos Fernández Tadeo, de CFT & Asociados (España).

Las pruebas de carga rápida (RLT) o quasi-estáticas iniciaron su desarrollo hace 30 años, y disponen ya de norma europea EN ISO 22477-10:2016 “Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 10: Testing of piles: rapid load testing” (en fase de publicación por Aenor-UNE), y de norma estadounidense ASTM D7383 – 10 “Standard Test Methods for Axial Compressive Force Pulse (Rapid) Testing of Deep Foundations”.

El artículo presenta una revisión de las pruebas de carga rápida de pilotes, proporcionando una perspectiva histórica de su desarrollo hasta nuestros días, así como las bases teóricas del método. También contiene algunos estudios de caso. Se puede encontrar y descargar en nuestra página de Documentos.

En 2017 se realizaron las primeras pruebas de carga rápida en pilotes de gran diámetro en España, realizadas por Allnamics en el Puerto de Barcelona. En sólo una semana, Alnamics realizó con éxito 25 pruebas de carga rápida de 10 MN (1.000 t) de carga.

Para más información, utilice nuestra página de contacto.

Pruebas de carga rápida en pilotes por primera vez en España

Las pruebas de carga en pilotes permiten conocer su capacidad de carga última, o simplemente su comportamiento ante cargas conocidas. Se realizan en muchos proyectos para comprobar el diseño previo basado en cálculos analíticos que utilizan parámetros geotécnicos del suelo obtenidos mediante ensayos en laboratorio o mediante ensayos «in situ». Las pruebas de carga también se utilizan directamente como base para el diseño posterior del pilotaje, según una tendencia que va tomando fuerza en las normas europeas de diseño de cimentaciones.

Tradicionalmente las pruebas de carga vertical de pilotes se han realizado por el método estático, cargando lentamente la cabeza del pilote mediante un cilindro hidráulico y midiendo el asentamiento que se va produciendo al incrementar la carga, obteniéndose así la curva carga-asiento. Estas pruebas estáticas son lentas y costosas, puesto que duran muchas horas o incluso días y que hay que disponer una estructura de reacción anclada al terreno mediante otros pilotes o micropilotes.

La aparición de los computadores y de la instrumentación electrónica trajo una alternativa a las pruebas de carga estática: las pruebas de carga dinámica, que son habituales en pilotes hincados, y que tambien se realizan en pilotes perforados. En las pruebas dinámicas se aprovecha la onda de impacto que genera el martillo en el pilote para captar la información de la resistencia que opone el suelo, mediante una instrumentación del pilote y un software informático adecuados.

Las pruebas de carga dinámica son una buena alternativa a las pruebas estáticas en los pilotes hincados, puesto que ya hay un dispositivo de carga disponible en obra, que es el martillo de hinca, lo que evita el elemento de reacción de las pruebas estáticas y permite hacer muchas pruebas de carga dinámica en un día. Pero en pilotes perforados no se tiene ese dispositivo de impacto en obra, lo que habitualmente requiere la elaboración de un dispositivo en obra, que implica tiempo y dinero, y hace que las pruebas de carga dinámica en pilotes perforados no suelan presentar ventajas prácticas con respecto a las pruebas estáticas convencionales.

Para poder realizar pruebas de carga más rápidas que las estáticas en los pilotes perforados nacieron hace tres décadas varios tipos de dispositivo de impacto amortiguado que permiten realizar otras pruebas de carga denominadas como semidinámicas o «rápidas», que también se conocen por las siglas RLT (Rapid Load Test). Mediante estos dispositivos se aplica una carga de impacto amortiguada por diferentes métodos, con una duración de aplicación de la carga 10 veces superior a la de los martillos de hinca, lo que hace que no se genere onda de impacto y que el comportamiento del pilote sea más parecido al de una prueba estática. Las curvas carga-asiento, medidas directamente por la instrumentación durante la prueba, se suelen corregir para tener en cuenta los efectos de inercia del pilote y de comportamiento viscoso del suelo.

El dispositivo RLT más conocido es el Statnamic, que utiliza la fuerza generada por un cilindro de combustión interna instalado sobre la cabeza del pilote, con unos contrapesos como reacción. En Europa, Japón y Sudeste de Asia se van imponiendo otros dispositivos que no necesitan combustible para aplicar la carga, lo que les permite sortear las legislaciones medioambientales cada vez más restrictivas.

Uno de estos dispositivos es StatRapid, de Allnamics, que recientemente ha realizado las primeras pruebas de carga de pilotes por el método RLT en España. Las pruebas se han realizado por Allnamics, con un dispositivo StatRapid propio, en Barcelona con nuestra colaboración, sobre pilotes de 1,5 m de diámetro, alcanzándose cargas de 12 MN (1200 t).

La carga se aplica mediante una maza de masa modulable con caída libre regulable en altura, que impacta sobre un sistema de amortiguación formado por prismas de caucho. La medida de la carga aplicada se realiza mediante células de carga, y la medida del desplazamiento de la cabeza del pilote mediante acelerómetros y un nivel óptico automático.

Mediante una grúa de gran tonelaje se desplazaba el dispositivo completo de un pilote a otro preparado para la prueba, pudiéndose realizar así varias pruebas en un día.

StatRapid y otros métodos para pruebas de carga rápida en pilotes están amparados por la norma europea EN ISO 22477-10:2016 «Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 10: Testing of piles: rapid load testing» (en fase de publicación por Aenor-UNE), y por la norma estadounidense ASTM D7383 – 10 «Standard Test Methods for Axial Compressive Force Pulse (Rapid) Testing of Deep Foundations».

Para más información, ruego que utilices nuestro formulario de contacto, o el teléfono allí indicado.

 

 

¿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 Guía de cimentaciones en obras de carreteras del Ministerio de Fomento de España, 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 de la ROM 0.5-05 de Puertos del Estado, 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.

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.

Práctica española en diseño de pilotes

La Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica (ISSMGE) ETC3_2016realizó en 2016 un simposio europeo dedicado exclusívamente al diseño de pilotes y a la implantación en ese ámbito de los criterios del Eurocódigo 7 en los diferentes países de Europa. El simposio contó con cerca de 200 participantes, una docena de ellos provenientes de España.

Uno de los aspectos más interesantes del simposio fue la recopilación en un volumen de los diferentes procedimientos de diseño y cálculo de pilotajes en los países europeos. El artículo sobre la práctica española fue redactado por José Estaire y Carlos Fernández Tadeo. En él se recogen los criterios habituales en España para el diseño de pilotes en relación a los criterios del Eurocódigo 7, así como las especificaciones al respecto contenidas en el Anexo Nacional Español al EC7.

El artículo se puede descargar en el siguiente enlace a nuestra página de documentos sobre ensayos y pruebas de pilotes

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Próximo congreso europeo sobre diseño de pilotes

La Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica –ISSMEG– tiene un Comité Europeo sobre Pilotes –ETC3 Piles– que ha convocado un interesante congreso Logo-ETC3-zwart-e1435065648457sobre diseño de pilotes con el lema Design of Piles in Europe, How did Eurocode 7 change daily practice?

El congreso se realizará en Lovaina (Bélgica) los días 28 y 29 de abril de 2016. Entre los argumentos a tratar destacan:

  • Diseño de pilotes según el Eurocódigo 7. Situación actual y perspectivas.
  • Métodos de cálculo basados en los parámetros del suelo y en pruebas de carga.
  • Comparación de los sistemas de diseño de pilotes en diferentes países europeos.
  • Diferentes métodos para realizar pruebas de carga de pilotes: estáticas, dinámicas y rápidas.
  • Efectos de cargas cíclicas en el diseño de pilotes off-shore.
  • Normalización de la ejecución de pilotes en Europa.
  • Control de calidad, ensayo y monitorización de pilotes.
  • I+D sobre pilotes en Europa.

Si estás interesado en recibir más noticias o en inscribirte en el congreso, puedes contactar con nosotros a través de nuestro formulario de contacto, directamente en la página web del congreso, o a través de la Sociedad Española de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnia –SEMSIG-.

Prueba de carga dinámica de un pilote barrenado existente

En los trabajos de rehabilitación y de reforma de estructuras de edificación existentes, es frecuente encontrar cimentaciones por pilotaje de las que no se tiene ninguna información del proyecto original, o las informaciones disponibles son insuficientes para estimar su resistencia. Pero el diseñador de la nueva estructura necesita conocer la capacidad de carga de esos pilotes preexistentes para evaluar su posible idoneidad para el nuevo proyecto. Normalmente se realizan catas en el terreno para conocer el número y diámetro de los pilotes bajo los encepados, y se realizan reconocimientos geotécnicos mediante perforación de sondeos y otros métodos con objeto de identificar los diferentes niveles geotécnicos en el subsuelo y sus propiedades. Pero en muchos casos todavía quedan dudas sobre la capacidad de carga real de esos pilotes preexistentes.

Entonces suele surgir la idea de realizar pruebas de carga en los pilotes. El metodo estático es el que parece más factible y conceptualmente más adecuado, pero en muchos casos no es posible realizar pruebas de carga estática, principalmente porque cargar el pilote mediante un cilindro hidráulico require disponer de una reacción que aguante el empuje del cilindro hacia arriba, normalmente un bastidor metálico anclado al terreno por diferentes métodos. Pero esto muchas veces no es posible, por falta de espacio, por falta de pilotes o micropilotes de reacción, por limitaciones presupuestarias u otras causas.

20151015090619En estos casos, la alternativa de realizar pruebas de carga dinámica suele ser buena, ya que permite evitar los inconvenientes indicados antes. No requiere disponer de un bastidor metálico anclado al terreno, sino solo de un dispositivo de impacto con una maza de caída libre de peso 1,5 a 2% de la carga máxima de prueba, y altura de caída regulable hasta 2 ó 3 m.

20151016015846Recientemente hemos realizado pruebas de este tipo para el diseño estructural de la reforma de un hotel cimentado con pilotes barrenados. En las fotos se puede ver la maza construida expresamente para las pruebas situada sobre una cata excavada para descubrir el pilote a probar, y la instrumentación instalada en el pilote para captar las ondas de fuerza y velocidad que se producen al impactar la maza contra la cabeza del pilote. Para la realización es estas pruebas fue necesario demoler parte del encepado y realizar antes un apeo del pilar.

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Ensayos y pruebas de pilotes en los entornos industrial y energético

Es sabido que el sector de la construcción en España está atravesando una época de menor actividad arrastrado por la crisis financiera global, que ha reducido drásticamente los presupuestos de inversión públicos y privados. En medio de esta situación general, la inversión industrial y energética parece que destaca sobre la de otros sectores, en parte por la necesidad de renovación y actualización de sus instalaciones, y también por la aparición de nuevas tecnologías que generan nuevas inversiones.

Portada_15_Jornada_SEMSIG_AETESS-137x300Las construcciones en estos entornos industrial y energético necesitan frecuentemente disponer de cimentaciones profundas. Hace unos meses, la Sociedad Española de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica SEMSIG realizó una jornada técnica sobre Geotecnia en los Entornos Industrial y Energético, lo que es un índice de la importancia que tiene este sector para los profesionales de la geotecnia y de las cimentaciones especiales.

Esta jornada nos dió la idea de recoger nuestras experiencias de realización de ensayos y pruebas de pilotes y cimentaciones profundas en los entornos industrial y energético, que pueden servir de orientación a aquellos inversores, proyectistas y constructores que necesiten disponer de instrumentos para el control del diseño y de la ejecución de las cimentaciones profundas de sus instalaciones. A continuación figuran algunos trabajos significativos, agrupados por tipos de instalaciones.

Centrales térmicas

  • Pruebas de carga dinámica de pilotes perforados y hormigonados «in situ», como la realizada en un pilote de la cimentación de la chimenea de la Central Térmica de Ciclo Combinado de Escombreras, en Cartagena. Ver más información en nuestra web.
  • Pruebas de carga estática de micropilotes, como las realizadas en las obras de Ampliación de la central térmica de Velillla del Río Carrión (Palencia).
  • Pruebas de carga estática en pilotes perforados y hormigonados «in situ» en la obras de construcción de la Central Térmica de ENEL en Algeciras.
  • Ensayos ultrasónicos «cross-hole» de integridad estructural de pilotes en las obras de construcción de la Central Térmica de Maasvlatke en el puerto de Rotterdam (Holanda).

Parques eólicos

  • Ensayos sónicos de integridad estructural de pilotes en las obras de construcción de los parques eólicos de Almendarache en Tarifa, de Cogollos (Burgos), de Fuente Salada y Los Collados en Villasilos (Burgos).

Plantas solares

  • Pruebas de carga estática horizontal y con momento flector en pilotes perforados y hormigonados «in situ» para la optimización del diseño de la cimentación de los colectores solares de la Planta Termosolar de Puertollano (Ciudad Real), de la Planta Solar Termoeléctrica Astexol-2 (Badajoz), y de la Planta Termosolar de Olivenza (Badajoz).
  • Ensayos sónicos  y ensayos ultrasónicos «cross-hole» de integridad estructural de pilotes perforados y hormigonados «in situ» en el control de calidad de la cimentación de las planta solares La Dehesa en La Garrovilla (Badajoz), La Florida en Alvarado (Badajoz), Vallesol-1 y Vallesol-2 en San José del Valle (Cádiz).
  • Pruebas de arrancamiento de pernos de anclaje para la cimentación de pilares metálicos estructurales, embebidos en pilotes perforados y hormigonados «in situ» de la Planta Solar Termoeléctrica Astexol-2 (Badajoz). FOTOS

Centrales nucleares

Plantas de hidrocarburos

  • Pruebas de carga dinámica vertical en pilotes perforados y hormigonados «in situ» de la Planta de Separación de Líquidos por Turboexpansión del Gran Chaco (Bolivia).
  • Pruebas de carga estática vertical a tracción en pilotes perforados y hormigonados «in situ» de la Planta de Separación de Líquidos por Turboexpansión del Gran Chaco (Bolivia).
  • Pruebas de carga dinámica en pilotes prefabricados e hincados en la cimentación de un tanque de crudo en la Refinería de Talara (Perú).
  • Ensayos sónicos y ultrasónicos «cross-hole» de integridad estructural de pilotes perforados y hormigonados «in situ» en el control de calidad de la cimentación de nuevos silos de 300 t en La Pobla de Mafumet (Tarragona), de nuevos silos en la planta química Bayer en Vila-seca (Tarragona), de estructuras de la Planta de Separación de Líquidos por Turboexpansión del Gran Chaco (Bolivia), y de nuevas estructuras en la Refinería BP de Castellón de la Plana.

Plantas de tratamiento de residuos

  • Ensayos ultrasónicos «cross-hole» de integridad estructural de pilotes en el control de calidad de la cimentación de la Planta de Tratamiento de Residuos del Puerto Autónomo de Marsella (Francia).

Fábricas de cemento

  • Pruebas de carga dinámica de pilotes prefabricados hincados en la cimentación de un silo de clinker en la fábrica de cemento de Carboneras (Almería).
  • Prueba de carga estática en pilote perforado y hormigonado «in situ» para la construcción de una nueva planta de cemento en el Puerto de Castellón de la Plana.

Industria alimentaria

  • Ensayos sónicos de integridad estructural de pilotes en la ampliación de la planta Damm en El Prat de Llobregat (Barcelona).

Industria química

  • Ensayos sónicos de integridad estructural de pilotes en la construcción de la planta ICI Paints en Vilafranca del Penedés (Barcelona.

Industria aeronáutica

  • Pruebas de carga estática sobre pilotes existentes en las cimentaciones de máquinas en la Planta Airbus de Puerto Real (Cádiz).
  • Ensayos sónicos de integridad estructural en la cimentación de la ampliación de la Nave Industrial Airbus-350 en Getafe (Madrid).

Parques industriales

  • Ensayos sónicos de integridad estructural de pilotes en las nuevas cimentaciones del Parque Logístico de la Zona Franca de Barcelona, y de varias naves industriales, como  en el Polígono Industrial Canraso de Tudela (Navarra).

Parques comerciales

  • Ensayos sónicos de integridad estructural de pilotes en las cimentaciones de nuevo centro comerciales Mercadona en Sant Antoni de Calonge (Girona).
  • Pruebas de carga dinámicaEnsayo sónico en lateral de pilote en pilotes prefabricados hincados en la cimentación de un nuevo centro comercial Aldi en Vallecas, Madrid.
  • Ensayos sónicos en la ampliación de un centro comercial Leroy Merlin en Sant Boi de Llobregat (Barcelona).

 

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