Cálculo de micropilotes de cimentación.

Como me he pasado al lado oscuro, he tenido descuidado el tema de los micros pero vamos a irlo solucionando poco a poco. Me pasa una cosa curiosa. Conforme voy haciendo las entradas, más me voy dando cuenta de la cantidad de cosas que hay que ir incluyendo para hacer más fácil este mundillo de las cimentaciones especiales. Y me preocupa, sobre todo, hacerlo de manera ordenada. Por eso, lo primero de hoy es pedir disculpas si no soy capaz de escribir tan ordenadamente como pretendo ni de transmitirlo de una manera amena.

De la misma forma, y porque cada uno sabe de lo que sabe (aunque curiosidad me sobra), tengo mucha información, textos, programas de cálculo (propios) y demás que me gustaría compartir. Pero, en fin, dadme tiempo y ya veremos cómo lo arreglamos.

Al tajo. Para calcular micropilotes de cimentación barajamos normalmente tres métodos diferentes en función de los datos de los que dispongamos: 

• Cálculo usando una resistencia por punta y una resistencia por fuste.
•  Cálculo usando la teoría de Bustamante, que también sirve para los anclajes.
•  Cálculos un pelín más complicados, considerando también la repercusión del pandeo, etc.

Vamos con el primero

Tanto para calcular los pilotes como los micros, en general los estudios geotécnicos en este país suelen dar unos parámetros que son la resistencia por punta y la resistencia por fuste.

Lo primero es decir que ambas resistencias dependen del tipo de terreno y que, como se puede intuir, a mejor terreno (más resistente) los valores de las mismas aumentan.

La carga de hundimiento por fuste no es más que la oposición lateral del terreno a que el elemento se hunda y funciona básicamente por rozamiento, Es función del área de micro o de pilote que está en contacto con el terreno y su resultado final va a ser el producto del área lateral del micro en contacto con el terreno por la resistencia por fuste.

Y, como es evidente, la carga de hundimiento por punta no es más que la oposición que hace el terreno para evitar que el elemento se hunda y su resultado será, evidentemente, el área neta de la punta del elemento por la resistencia por punta.

Y como en geotecnia somos tan “arriesgados”, ambos valores vendrán afectados por un coeficiente de seguridad que puede variar entre 2 y 3.

Con lo que la carga que un pilote es capaz de transmitir al terreno vendrá dada por la expresión:

Si consideramos que el elemento tiene un diámetro Ø

Perdonad, no me he podido resistir a empezar a poner fórmulas porque creo que es importante. Ahora, traducción al cristiano.

La carga de hundimiento de un elemento cualquiera, pilote o micro que atraviesa varios estratos hasta llegar a una capa resistente donde se pueda empotrar, se calcula de siguiente forma (suponiendo que sabemos los valores de la resistencia por fuste de todos los estratos y la resistencia por punta del estrado donde vamos a empotrar):

1.  La carga de hundimiento de por fuste total será la suma de todas las relativas a cada estrato. O sea, calculamos el área lateral por resistencia por fuste de cada estrato, las sumamos todas y la dividimos por el coeficiente de seguridad del fuste.
2.  La carga de hundimiento por punta la obtenemos multiplicando el área del elemento por la resistencia por punta del estrato donde se empotra y lo dividimos por el coeficiente de seguridad de punta.
3. Sumamos las dos y ya está.

Y, claro, la carga de hundimiento total debe ser inferior a la carga que le transmite el pilar a través del encepado correspondiente. Si no, mal vamos.

¿Y qué coeficientes de seguridad tomamos? Ya hemos comentado que debe ser un valor entre 2 y 3, a juicio del calculista. A estas alturas yo ya he visto de todo pero recomiendo tomas 2 para el fuste y 3 para la punta. ¿Por qué la diferencia? Porque el fuste se moviliza antes que la punta.

Otro comentario interesante a tener en cuenta que tiene que ver con el orden de magnitud. La resistencia por fuste es, normalmente, menor de 10 tn/m² mientras que la de punta puede tener cualquier valor.

Más comentarios importantes: en el caso de los micropilotes, que son de pequeño diámetro, muchas veces se desprecia la resistencia por punta. Así de chulos somos…..

Seguiremos.

Dimensionamiento de armado de pilotes

Bueno, pues suponiendo que ya sabemos el número de pilotes que vamos a poner bajo cada pilar, ahora hay que ver como armamos cada uno de los pilotes.

Dado que los pilotes de cimentación se dimensionan a compresión, vamos a ir a cuantía mínima. Normalmente los calculas una vez y luego los usas. Vamos a ver el armado de los pilotes de 450 mm de diámetro:

Los de 550:

Y finalmente los de 650:

Me vais a permitir que haga una serie de comentarios que me parecen importantes, sobre todo a la hora del dimensionamiento:

La norma actual española dictamina que, por razones de durabilidad, toda estructura hormigonada contra el terreno debe tener un recubrimiento mínimo de 7 cm en vez de los 5 que se usaban en la versión anterior, instrucción que se aplica a todo tipo de estructuras (zapatas, losas, etc) y no sólo a pilotes. La verdad es que han complicado mucho la correcta ejecución de los pilotes de pequeño diámetro porque se hormigonan con mucha dificultad (no cabe el tubo TREMIE). Por cierto, ya aprovechando, el tubo TREMIE de una sola pieza es garantía de un incorrecto hormigonado.

• Si se hace un estudio del pilote cargado con un axil y un momento, modelizando el terreno como tipo WINCKER (cambiando la constante en función de cada estrato de terreno, claro está), se puede comprobar que el momento se amortigua entre los 5 y los 6 metros. Vamos, que no hace falta más armadura por mucho que lo diga el arquitecto de turno a no ser que haya algún otro motivo (y puede haberlo). Señores, dimensionamos por motivos técnicos, no para aliviar los miedos de nadie.

Para la organización de los pilotes, el CTE lo organiza de la siguiente manera:

• Los pilotes de menos de 45 cm no se pueden ejecutar aislados a no ser que sea un proyecto de escasa repercusión (un día deberíamos hablar del término repercusión)
• Los pilotes entre 45 y 1 metro se pueden dimensionar aislados siempre que vayan arriostrados en dos direcciones perpendiculares (luego se pueden dimensionar a compresión)
• A partir de un metro se pueden dimensionar pilotes únicos sin necesidad de arriostrar luego, cuidado con esto.

Seguiremos.

Topes estructurales, encepados múltiples

Así, hemos concluido que el tope estructural del pilote se obtendrá multiplicando su área por el coeficiente de trabajo de hormigón. Para que resulte más fácil de aclarar, os pongo una tabla con las capacidades portantes de los pilotes con diferentes topes estructurales.

Como norma general, trabajaremos con un coeficiente de trabajo de 35 kg/cm² para pilotes in situ y si el terreno es realmente bueno y hacemos un CPI-7 muy claro podríamos pasar a 40.

Seguimos hablando desde el punto de vista estructural. En una planta de un edificio, de la que tenemos la bajada de cargas y el plano de planta, ¿cuántos diámetros distintos ponemos? ¿Sólo pilotes únicos? Si ponemos pilotes múltiples debajo de un pilar, ¿qué capacidad portante consideramos?

Cuando trabajaba en Pilotes Sánchez recuerdo que me enseñaron que en obras de menos de 1000 metros es una locura trabajar con más de dos diámetros. Parece un criterio lógico. Es más. Si se dimensiona una obra para varios diámetros, se pueden producir los siguientes problemas:

• Hay que trasladar utillaje de perforación de cada uno de los diámetros. Y eso se lleva en una góndola y cuesta dinerito.
•  A más diámetros distintos, más maniobras de cambio de barrenas y menos producción.
•  A mas diámetros distintos, más armaduras distintas, más complicación en la organización de la obra y más posibilidades de que existan equivocaciones.

Con lo que el criterio anterior parece correcto.

Siguiendo con este criterio, cuando aumentan las cargas de los pilares parece lógico ir a una agrupación de pilotes de diámetro pequeño antes que ir a un pilote de diámetro más grande del que nos van a salir pocas unidades.

Cuando usamos pilotes en grupos hay dos posibilidades, de acuerdo a lo recogido en el libro de José María Rodríguez Ortiz “Curso aplicado de Cimentaciones”:

1.   En el caso de pilotes de hinca, la resistencia del grupo de pilotes es incluso mayor que las sumas de los componentes porque durante la hinca se comprime el terreno. En cualquier caso, se considera, del lado de la seguridad, la resistencia total como la suma de la resistencia de cada uno de los pilotes del grupo.

2.   En el caso de los pilotes in situ, depende del terreno y de la separación entre los pilotes

• Para pilotes en arena y con distancias entre ejes de entre dos y cuatro diámetros, se puede tomar la suma del total como el 70% de la suma individual de los componentes.
• Para pilotes en arcilla y con distancias entre ejes de entre dos y 3 diámetros se considera una eficiencia de los pilotes que viene dado por la fórmula:

donde m es el número de pilotes por fila, n el número de pilotes por columna, Ф=arctg (d/2s), siendo s la separación de los pilotes entre ejes y d el diámetro del pilote.

•  Para pilotes en roca se puede llegar a distancias hasta 1,5 diámetros sin reducir la carga total.

En la NTE “Acondicionamiento del terreno. Cimentaciones” se da un criterio de cálculo bastante aceptado y es el siguiente:

• La capacidad portante de los pilotes únicos se multiplica por 0,75.
• La capacidad portante de los pilotes dobles se multiplican por 1,75.
•  A partir de 3, se multiplica la capacidad portante de cada pilote por el número de pilotes de cada encepado

Seguiremos.

Empezamos con los cálculos.

Vamos a empezar a meter un poco de cálculo en las entradas. Empezaremos con el cálculo de pilotes in situ de cimentación, que nos dará además un posible método de cálculo de micropilotes. Después, haremos el planteamiento del cálculo de pantallas discontinuas de pilotes y micropilotes. Después, ya veremos, ¿no?

Vamos a centrarnos. Hemos realizado un estudio geotécnico de nuestro terreno, que puede ser una estructura de edificación o de obra civil. Lamentablemente (y es lamentable porque se va a gastar mucho dinero de más) se nos informa de que el terreno no es bueno porque no tiene buena capacidad portante para una cimentación directa y tenemos que recurrir a una cimentación mediante pilotes.

Bien. ¿Qué necesitamos para calcular una cimentación mediante pilotes? Hay que conseguir la siguiente documentación:

• Estudio geotécnico, o en su defecto, gráficas de sondeos, de penetrómetros, valores de resistencia por punta y por fuste, o parámetros del terreno.
• Plano de planta con el replanteo de pilares.
• Cargas de pilares en base de cimentación, SIN MAYORAR.

Nota: Os pido paciencia. Conforme voy escribiendo me doy cuenta de que hay cosas que no he comentado, como los ensayos de los estudios geotécnico. Abriré una nueva etiqueta y, poco a poco, lo iremos completando.

Vamos a ir poco a poco. Cuando hablamos de dimensionamiento de pilotes, hay que hacer dos cálculos diferenciados que se deben cumplir simultáneamente:

1. Hay que verificar que los pilotes son capaces de absorber la carga que transmiten los pilares. Esto se hace mediante el conjunto pilotes-encepados-viga de coronación. Esta es la parte estructural del cálculo  mecánica.
2. El pilote debe ser capaz de transmitir la carga al terreno mediante un rozamiento lateral (que es la resistencia por fuste) y la parte inferior del pilote (que es la resistencia por punta). Esta es la parte geotécnica del cálculo.

En esta entrada nos vamos a centrar en la parte estructural.

Capacidad portante del pilote.

¿Cuál es la máxima carga que es capaz de absorber un pilote? Viene definida por el tope estructural. ¿Y qué es?. Pues no es más que la sección del pilote por lo que consideremos que es capaz de trabajar el hormigón.

¿Pero esa no es la resistencia a compresión del hormigón que estamos utilizando? Pues no porque el hormigón que se usa en cimentaciones especiales está sujeto a varios aspectos que no podemos conocer:

• El primero es la profundidad. Vertemos el hormigón a través del tubo tremie a profundidades de hasta 40 metros. Parece prudente pensar que tenemos que ajustar el valor de la resistencia a compresión por la incertidumbre que esto supone. ¿Cómo está realmente el hormigón a 10, 20 o 30 metros?
• No tenemos garantías reales de cómo se ha vertido. Es lamentable, pero es así.
• Este es un concepto que se viene arrastrando por razones históricas desde que se iniciaron las cimentaciones especiales en España. A mi me han llegado a contar que, en las primeras pruebas que se hicieron para un muro pantalla, el hormigón se vertía directamente desde el camión, no se utilizaba Tremie, con lo que al desconocer el factor de segregación del hormigón por el vertido de altura, disminuyeron la resistencia del hormigón.

El valor que se considera del hormigón se denomina “coeficiente de trabajo del hormigón en cabeza”. El valor varía entre 35 y 50 kg/cm² normalmente y depende del criterio del calculista. En los libros de Jiménez Salas tenéis una explicación perfecta.

¿Qué dice la CTE? Os pongo la tabla explicativa a continuación.

O sea, que para un pilote, CPI-7, en seco, de Ø450 mm, sin control de parámetros, según la CTE su capacidad portante sería de :

Comentarios importante: para un hormigón HA-25, hemos tomado para la resistencia a compresión un coeficiente de seguridad de 6,25 (en vez de 250 kg/cm² hemos tomado 40)

Seguiremos.