19 junio, 2024 4:49 pm

Cimentaciones profundas con pilotes metálicos

Alejandra Hernández Hernández Ingeniera civil con experiencia en el sector público.

Rigoberto Torres Villeda Ingeniero civil con especialidad en diseño de estructuras de acero.


Los pilotes de acero se han utilizado en todo el mundo desde hace más de 120 años y su durabilidad ha superado todas las estimaciones teóricas de durabilidad, especialmente en suelos muy agresivos o contaminados por productos químicos. No hay casos reportados en la bibliografía internacional de falla estructural causada por corrosión de pilotes de acero.

 

En este artículo se presenta información técnica basada en los métodos de ingeniería aceptados por los reglamentos, en pruebas experimentales y datos precisos de obras ejecutadas con esta solución. Los ingenieros que diseñen con este método de cimentaciones deben tomar en cuenta las mismas consideraciones que para cualquier otro tipo de cimentación profunda, estimando todas las características del sitio y basándose en un estudio detallado de mecánica de suelos que proporcione la suficiente información geotécnica para estimar con mayor apego a la realidad la capacidad de carga de los pilotes y para evaluar el método de hincado más adecuado para garantizar una buena ejecución en los trabajos de instalación de los pilotes. Se han realizado diversas pruebas de carga estáticas y también pruebas de carga dinámica con el fin de entender mejor el comportamiento de carga-descarga de estas soluciones en particular y lo que se refiere a la resistencia por fricción y resistencia desarrollada en la punta de los pilotes metálicos.

 

Antecedentes

A lo largo de la historia, el uso de pilotes ha sido la solución a problemas de cimentación de estructuras en suelos poco competentes en los que se requiere desplantar los elementos de la cimentación en estratos profundos con mejor comportamiento mecánico.

La evolución en los procedimientos constructivos y la necesidad de ejecutar obras de infraestructura rápidamente han llevado a innovar en el tipo de material con que se fabrican los pilotes.

El uso de pilotes metálicos en un principio se relacionaba directamente con obras marítimas y portuarias, con elementos tubulares de acero hincados en el lecho marino. Hoy en día el sistema de pilotes metálicos en obras tierra adentro con secciones I o H ya es una realidad.

 

Criterios para el diseño de pilotes metálicos

Diseño geotécnico

La carga estructural admisible, también denominada carga característica, es la máxima carga que el pilote podrá resistir, ya que corresponde a la resistencia estructural del acero que compone el pilote. Sin embargo, es necesario un pilote con una longitud tal que permita alcanzar esa carga desde el punto de vista del contacto pilote-suelo. Este procedimiento constituye lo que se denomina “previsión de la capacidad de carga”.

En la figura 1 se muestran dos situaciones de pilotes del mismo tipo, hincados en el mismo suelo. El caso a corresponde a pilotes con mismo perímetro “U” y misma área de punta “A”, pero con diferentes longitudes, de tal suerte que el pilote con mayor longitud presentará mayor capacidad de carga. El caso b presenta dos pilotes con la misma longitud, pero con perímetro “U” y área de punta “A” diferentes; en este caso el pilote de mayor perímetro y área presentará mayor capacidad de carga. En consecuencia, el proyecto de una cimentación consiste en optimizar perímetros y áreas de punta en función de las características de resistencia del suelo y de las limitaciones de los equipos de hincado.

Es evidente que, en esa optimización y siempre que sea posible, deben utilizarse pilotes así como equipos que permitan instalarlos en una longitud tal que pueda alcanzarse la carga estructural admisible, pues esa es la máxima carga que el pilote puede soportar. Sin embargo, esto no siempre es posible, y de manera general la carga admisible del pilote será menor que la carga estructural. Por ello es que no existen tablas de cargas admisibles de pilotes metálicos (o de otro tipo).

La estimación de la capacidad de carga puede llevarse a cabo por diferentes vías, ya sea mediante factores de capacidad de carga a partir de parámetros de resistencia al corte (mecánica de suelos clásica) o métodos empíricos basados en los resultados de exploraciones de campo, debido al éxito en la difusión y práctica en el continente americano de la prueba de penetración estándar (SPT, por sus siglas en inglés) y el cono eléctrico (CPT).

Corrosión

Los pilotes de acero se han usado en todo el mundo desde hace más de 120 años y su durabilidad ha superado todas las estimaciones teóricas, especialmente en suelos muy agresivos o contaminados por productos químicos. No hay casos reportados en la bibliografía internacional de falla estructural causada por corrosión de pilotes de acero. De hecho las abundantes fuentes disponibles indican que los suelos naturales son tan deficientes en oxígeno que el acero no es afectado por la corrosión de manera significativa, independientemente del tipo de suelo y de sus propiedades.

Normatividad

En el Eurocode 1993-5: Design of Steel Structures. Parte 5: Piling (1993) se indica que el espesor a ser descontado del pilote está en función de las características del suelo y de la vida útil del proyecto.

Se considera que las velocidades de corrosión de terrenos compactados son menores que las encontradas en terrenos no compactados, donde el contenido de oxígeno es muy superior.

Es importante resaltar que el Eurocode reúne la experiencia práctica de muchos países europeos con diferentes condiciones de clima y suelos, lo que hace que su uso sea extremadamente amplio y confiable.

En México, las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Acero (NTC-RSSE, 2017) señalan en su apartado 11.8 (Durabilidad): “Los elementos de acero estructural expuestos a la intemperie se protegerán contra la corrosión (excepto los de acero especial intemperizable); cuando sea imposible protegerlos después de la fabricación y montaje de la estructura, en su diseño se tendrán en cuenta los efectos perjudiciales de la corrosión, por ejemplo, aumentando el grueso de las paredes de los perfiles respecto al necesario por resistencia.”

El Instituto Mexicano de la Construcción en Acero (IMCA, 2015) especifica, en concordancia con las NTC, que “los componentes estructurales deben diseñarse para tolerar la corrosión o deben protegerse contra ella”.

 

Hincado de pilotes

En suelos que requieren cimentaciones profundas, los perfiles metálicos constituyen una solución alternativa a los demás tipos de pilotes. El sistema de hincado debe estar siempre bien ajustado a fin de que, durante la ejecución, se garantice la integridad de los perfiles.

Los empalmes o uniones deben ser diseñados para resistir todas las solicitaciones que puedan ocurrir durante la manipulación, hincado y uso del pilote. Aunque las conexiones pueden ser hechas con soldadura a tope de penetración, según las dificultades de la obra, se recomienda traslapar uniones soldadas, siguiendo las recomendaciones generales contenidas en el manual del Instituto Estadounidense de la Construcción en Acero (AISC, por sus siglas en inglés) o en el manual del IMCA en sus versiones más recientes (véase figura 2).

 

Hincado con martillos diésel

Estos son los más utilizados para el hincado de pilotes en sitios fuera de costa. Están compuestos esencialmente por un martinete, un yunque y un sistema de inyección de combustible.

Los martinetes diésel pueden tener dos variantes: de extremo abierto y de extremo cerrado. En la base de la cubierta de ambas variantes, entre el extremo inferior del martillo y del yunque, está una cámara confinada, dentro de la cual se produce la explosión del combustible que a su vez libera una mezcla de gases; al estar en confinamiento, la fuerza generada eleva el martillo (véase figura 3).

 

Hincado con martillos hidráulicos

Los primeros martillos hidráulicos aparecieron hace ya una década en trabajos costa adentro (plataformas petroleras), en donde su buen desempeño en el hincado de elementos sumergidos bajo el agua garantiza su éxito. En pocos años se desarrollaron obras con este método de hincado en puertos y obras fuera de costa.

Como ya se mencionó, pueden ser de acción simple y de doble acción; en el segundo caso utilizan la presión hidráulica para levantar el martillo y luego acelerar la caída del martinete brindándole un mayor impulso (véase figura 4).

Vibrohincadores

Los martillos vibrohincadores fueron inicialmente desarrollados en Alemania y en la antigua Unión Soviética (actual Rusia) alrededor de 1930-1931. Su funcionamiento básicamente consiste en girar masas excéntricas en sentido contrario, como se muestra de manera esquemática en la figura 5.

Los martillos vibratorios por lo general se clasifican de acuerdo con la frecuencia que imponen las masas excéntricas, en:

Control y monitoreo de pilotes

Los pilotes metálicos pueden ser hincados con la utilización de martillos de caída libre, martillos hidráulicos, martillos diésel, martillos neumáticos y martillos vibratorios. La elección de uno u otro martillo depende, principalmente, de las características del suelo, de la longitud del pilote y del nivel de ruido y de la vibración. De la buena elección del martillo resultará un mejor desempeño del proceso de hincado, en particular en cuanto a las vibraciones y el ruido generado, que hoy en día son la condicionante para la elección del tipo de hincado del pilote y del tipo de martillo.

 

Pruebas de carga dinámicas

Esta prueba se basa en la ecuación de la onda y es más completa que el repique. Consiste en acoplar al pilote un par de transductores de deformación específica y un par de acelerómetros posicionados en planos ortogonales, para corregir eventuales efectos debidos a la flexión del pilote en función de la no coincidencia del golpe del pilar con el eje de dicho pilote (véase figura 6). Esos transductores son conectados en línea (on line) a un analizador PDA (pile driving analyser) como el mostrado en la figura 7.

El PDA procesa los datos recibidos de los transductores y obtiene señales de velocidad (integración de la aceleración) y fuerza (ley de Hooke aplicada a la señal de deformación específica).

La interpretación de las señales indica la estimación de la carga movilizada durante cada golpe de la maza.

 

Pruebas de carga estáticas

Consisten en aplicar al pilote una carga y medir los desplazamientos correspondientes. Por lo tanto, se emplea un gato hidráulico que reacciona contra un sistema de vigas metálicas, que a su vez se ancla en tirantes o en pilotes de tracción.

La utilización de pilotes metálicos facilita la ejecución de pruebas de carga estática, pues se pueden utilizar pilotes del propio conjunto como elementos de tracción, conforme se muestra en la figura 8.

Se pueden realizar una o varias pruebas estáticas, que deben ser una herramienta para verificar que los pilotes instalados tengan una capacidad de carga al menos igual a la requerida por el proyecto.

 

Conclusiones

Son muchas las razones para utilizar pilotes metálicos; sus ventajas sobre otros tipos de sistemas son:

Bajo nivel de vibración durante el hincado, tanto con martillos como con vibrohincadores.

Posibilidad de hincado en suelos de difícil penetración, como arcillas rígidas a duras, estratos rocosos, arenas mal graduadas sin el inconveniente de la “extracción” de pilotes vecinos existentes ya hincados y sin pérdidas por pilotes dañados.

Resistencia a esfuerzos elevados de tensión y de flexión.

Facilidad de corte y empalmes, que reduce desperdicios producto de la variación de la cota de apoyo del estrato resistente.

Posibilidad de hincarlos en longitudes muy largas sin desplazar gran cantidad de material, por lo que requieren menor energía y facilitan una mayor profundidad de empotre dentro de la capa dura.

La sección transversal de un pilote metálico no necesita ser constante en toda su extensión, ya que la carga que en ella actuará decrece con la profundidad, esto es, la sección de un pilote podrá variar (decrecer) con la profundidad

 

Referencias

Eurocode 3: Design of Steel Structures. Parte 5: Piling (1993). European Committee for Standardization. Bruselas.
Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, IMCA (2015). Manual de construcción en acero. 5a ed. México: Limusa.

 

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