Resumen:
A través de este trabajo 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 esta solución de cimentaciones deben tomar en cuenta las mismas consideraciones que para cualquier otro tipo de cimentación profunda, estimando todas las características del sitio y con base a 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 a lo que se refiere con la resistencia por fricción y resistencia desarrollada en la punta de los pilotes de acero.
1 Introducción
A lo largo de la historia, el uso de pilotes ha sido la solución a problemas de cimentación de estructuras desplantadas en suelos poco competentes que requieren 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 usos en obras marítimas y portuarias con elementos tubulares de acero hincados en el lecho marino. Hoy en día el sistema de pilotes de acero en obras tierra adentro con secciones IR, HR o HP ya es una realidad.
2 Criterios para el diseño de pilotes metálicos
2.1 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”.
Por lo tanto, 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, se deben utilizar pilotes y equipos que permitan instalarlos en una longitud tal que la carga estructural admisible pueda ser alcanzada, pues ésa es la máxima carga que el pilote puede soportar. Pero no siempre eso es posible y, de una manera general, la carga admisible del pilote será menor a la carga estructural.
3 Durabilidad
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 literatura internacional de falla estructural causada por corrosión de pilotes de acero. La abundante literatura disponible ha indicado que los suelos naturales son tan deficientes en oxígeno que el acero no es apreciable afectado por la corrosión, independientemente del tipo de suelo y de sus propiedades.
3.1 Normatividad
Eurocode 1993-5:
Design of Steel Structures – Part 5: Piling (1993) indica que el espesor a ser descontado del pilote es función de las características del suelo y de la vida útil del proyecto.
Se considera que las velocidades de corrosión de terrenos compactados sean menores que las encontradas en terrenos no compactados, donde el contenido de oxígeno es muy superior.
Es importante resaltar que Eurocode reúne la experiencia práctica de muchos países europeos, con diferentes condiciones de clima y suelos, 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 en capítulo 21 (Cimentaciones con miembros de acero), apartado 21.1.4 Durabilidad, indican al calce:
“La tabla 21.1.4.1 presenta los valores mínimos de espesores de sacrificio (mm) que se deberán considerar para estructuras temporales y definitivas. Se podrá utilizar algún otro método, siempre y cuando lo apruebe la Administración”.
4 Hincado de pilotes
En suelos que requieren cimentaciones profundas, los perfiles de acero 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 Mexicano de Construcción en Acero o en las Normas Técnicas Complementarias para diseño y construcción de estructuras de Acero en sus versiones más recientes.
4.1 Hincado con martillos diésel o hidráulicos
Estos son los más utilizados para el hincado de pilotes en sitios fuera de la costa. Estos están compuestos esencialmente de un martinete, un yunque y un sistema de inyección de combustible.
Figura 1. Martillo hidráulico
4.2 Vibro-hincadores
Su funcionamiento consiste en girar masas excéntricas, en sentido contrario.
Los martillos vibratorios son generalmente clasificados de acuerdo con la frecuencia que imponen las masas excéntricas en:
- Baja frecuencia: aquellas con frecuencia inferior a 20 Hz (1.200 rpm).
- Frecuencia normal: presentan frecuencias entre 20 Hz (1.200 rpm) y 33 Hz (2.000 rpm).
- Alta frecuencia: presentan frecuencias superiores a 35 Hz (2.000 rpm).
Figura 2. Vibrohincador
5 Control y monitoreo de pilotes
5.1 Pruebas de carga dinámicas
Esta prueba, basada en la Ecuación de la Onda, y más completo 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 poder corregir eventuales efectos debido a la flexión del pilote en función da la no coincidencia del golpe del pilar con el eje del pilote. Esos transductores son conectados “on line” a un analizador PDA (Pile Driving Analyser).
El PDA procesa los datos recibidos de los transductores y los procesa obteniendo señales de velocidad (integración de la aceleración) y de fuerza (Ley de Hooke aplicado a la señal de deformación específica). La interpretación de las señales indica la estimativa de la carga movilizada durante cada golpe de la maza.
5.2 Pruebas de carga estáticas
Las pruebas de carga estática 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 de acero facilita la ejecución de pruebas de carga estática, pues se pueden utilizar pilotes del propio conjunto como elementos de tracción, conforme se muestra.
Figura 3. Prueba de carga estática
Acero, presente y futuro de la construcción
