Pruebas de carga rápida de pilotes en Barcelona

Pruebas de carga rápida de pilotes en Barcelona

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 71)
Moscoso del Prado Mazza, Nicolás; Allnamics España, Barcelona, España.
Fernández Tadeo, Carlos; CFT Asociados, Barcelona, España.
Bielefeld, Marcel; Allnamics, La Haya, Países Bajos.

Comprobar las cimentaciones profundas es una parte importante de las fases de diseño y construcción de un proyecto, verificando que el comportamiento de los pilotes, que los criterios de cálculo y los parámetros utilizados en ellos, son conformes con los requisitos previos. Para ello, se dispone de varios métodos de prueba de carga de pilotes, dos de los cuales se utilizaron en un proyecto en Barcelona.

Introducción

En 2017 se inició en Barcelona la construcción de un proyecto importante con pilotes “in situ” de gran diámetro. Debido a las dimensiones del proyecto, los resultados de los reconocimientos geotécnicos y las cargas de servicio requeridas, entre 6 y 8 MN, se realizaron pruebas de carga para asegurar que los pilotes tenían la capacidad portante necesaria.

Para ello, se preseleccionaron unos pilotes en los que realizaron pruebas de carga bidireccionales. En este tipo de prueba se posiciona un cilindro hidráulico embebido cerca de la punta del pilote. Una vez el hormigón ha fraguado, se aplica presión en el cilindro, que empuja entonces a las dos partes del pilote separadas por el cilindro en sentidos opuestos. La presión se incrementa gradualmente hasta que una de las secciones alcanza el fallo geotécnico o se llega al límite de empuje del cilindro. En ese momento, la prueba termina y se considera que la capacidad de carga del pilote es al menos el doble de la carga que produjo el fallo.

En las pruebas de carga bidireccionales es crucial establecer la localización correcta del cilindro con antelación, tratando de que el cilindro hidráulico divida al pilote en dos partes con igual resistencia del terreno. En caso contrario, esta prueba puede subestimar la capacidad portante del pilote, no llegando a probar toda la capacidad de la sección resistente. Desafortunadamente, los resultados de la primera prueba bidireccional en el proyecto de Barcelona fueron insuficientes por este motivo. Se decidió entonces realizar pruebas de carga de contraste con otro método lo suficientemente rápido para no generar retrasos en la obra.

Pruebas de carga rápida de pilotes en Barcelona

Figura 1. Dispositivo StatRapid listo para una prueba de carga en Barcelona.

Métodos de pruebas de carga en pilotes

Las pruebas de carga estáticas se consideran las más fiables. Estas pruebas aplican una carga estática reproduciendo el comportamiento del pilote durante si vida útil. La carga se obtiene a través de pesos muertos colocados sobre una estructura de reacción sobre la cabeza del pilote o, más generalmente, mediante el anclaje de la estructura de reacción al terreno. Un cilindro hidráulico procede a aplicar la carga gradualmente sobre la cabeza del pilote, registrándose en el proceso los valores de la carga aplicada y del asiento de la cabeza del pilote. Se trata de un proceso largo, tanto para la construcción del sistema de reacción como para la prueba en sí misma. Esto genera que las pruebas de carga estática tengan un coste alto, además de que la movilización de los elementos de reacción afecta también a la logística de la obra, como puede verse en la Figura 2.

Pruebas de carga rápida de pilotes en Barcelona

Figura 2. Comparación entre dispositivo StatRapid, a la izquierda, y prueba de carga estática, a la derecha, en Singapur.

En la década de 1960 se desarrolló una alternativa a las pruebas estáticas: las pruebas de carga dinámica. La principal característica es la productividad del método y la reducción de los elementos de reacción a utilizar. Sólo se requiere una maza de aproximadamente 2% de la carga máxima de prueba para golpear la cabeza del pilote. El impacto genera ondas de presión que son monitorizadas por sensores. Los datos se analizan posteriormente con técnicas de equiparación de señales para estimar la capacidad portante del pilote. Sin embargo, las ventajas en cuanto a reducción de coste y de duración sacrifican la precisión de los resultados. Además de ello, las pruebas dinámicas incluyen resistencias viscosas y de inercia que disipan energía. Por lo tanto, se debe aplicar una energía de impacto todavía mayor para poder movilizar una carga de prueba más alta, lo que puede llegar a dañar al hormigón del pilote. Para evitar estos inconvenientes de las pruebas de carga dinámica y ganar tiempo evitando la construcción de una maza de impacto localmente, se decidió realizar pruebas de carga rápida con el equipo StatRapid de Allnamics, disponible para su traslado inmediato.

Pruebas de carga rápida

Las pruebas de carga rápida aplican una carga en condiciones cuasi-estáticas. Una de las primeras aplicaciones fue el dispositivo StatNamic, una abreviación de STATic y dynNAMIC, desarrollado en Canadá y en los Países Bajos en 1985, combinando las ventajas de las pruebas estáticas y dinámicas. En 2011, el dispositivo evolucionó en el actual StatRapid, capaz de realizar una prueba equivalente, pero incrementando su eficiencia gracias a su diseño modular, basado en una maza de caída libre sobre un sistema de muelles.

Básicamente, las pruebas de carga rápidas son tan veloces como las dinámicas, pero con una duración de aplicación de la carga lo suficientemente lenta para considerarse cuasi-estática. A medida que la duración de la carga se incrementa, los efectos dinámicos se reducen, y puede obtener una mayor concordancia con los resultados de las pruebas estáticas. La extensión de la duración del impacto se consigue utilizando una maza mayor, de entre el 5 y el 10% de la carga máxima de prueba, y un sistema de muelles. El comportamiento cuasi-estático resultante permite evitar la estimación de los complejos parámetros dinámicos de terreno. El análisis de las pruebas de carga rápida es directo e independiente del operador.

El método ha sido analizado por varios estudios comparativos entre pruebas StatRapid y pruebas estáticas, demostrando que son equivalentes. Una de las investigaciones empezó en el Tokyo Institute of Technology, llevando a la implementación del método en la normativa japonesa en 2002. Los Estados Unidos se sumaron en 2008, aprobando la prueba en la norma ASTM D7383-08, actualizada en 2010 como D7383-10. Los Países Bajos siguieron y la aprobaron en su norma CUR-H410 en 2011. Finalmente, el Comité Europeo de Normalización CEN aprobó las pruebas de carga rápida en 2016 como Norma EN-ISO-22470-10, de aplicación en España.

En el proyecto de Barcelona finalmente se eligió este método de prueba, debido a su fiabilidad y productividad, a estar respaldado por varias normativas internacionales y con décadas de experiencia práctica.

El dispositivo StatRapid

El dispositivo StatRapid consiste en un bastidor principal, una maza modular y un sistema de muelles especialmente diseñados. El sistema entero se transporta a la obra en un par de camiones.

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Figura 3. Camión cargado. De izquierda a derecha: sección superior e inferior del StatRapid y cabina de monitoreo.

Para el Proyecto en Barcelona se requería la configuración completa del dispositivo StatRapid de 8-12 MN, transportándose, en este caso, en 3 camiones. Una vez los camiones llegan a la obra, el dispositivo StatRapid es fácil de montar gracias a su diseño modular. Las operaciones de descarga y montaje del equipo para la primera prueba duran alrededor de tres horas, variable con la configuración de maza modular que se requiera en cada caso. Una vez el sistema está montado, el StatRapid es autosustentable.

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Figura 4. Montaje de la sección superior del StatRapid.

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Figura 5. El sistema de maza modular permite probar con cargas desde 0,5 MN hasta 8 MN y mucho más.

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Figura 6. Dispositivo StatRapid listo para una prueba en Barcelona.

Una vez el dispositivo está listo, la prueba en sí tarda 10-15 minutos aproximadamente por pilote. Al terminar la prueba, ya se puede desplazar hasta el siguiente pilote a probar. El dispositivo se puede desplazar en varias configuraciones: bastidor completo con todos, algunos o ningún módulo de la maza, o con el dispositivo totalmente desmontado, para ser montado de nuevo. El sistema StatRapid es capaz de probar entre 3 y 8 pilotes al día, dependiendo de la distancia entre los pilotes a probar, de la configuración del dispositivo y de la capacidad de la grúa. En este Proyecto se escogió una grúa de 400 toneladas para mover el dispositivo completamente montado y cargado, como puede verse en la Figura 7. La buena coordinación a pie de obra, junto con la grúa seleccionada, permitieron probar hasta 6 pilotes en un día.

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Figura 7. Desplazamiento del dispositivo StatRapid con la configuración completa.

La instrumentación instalada en la cabeza del pilote monitorea la carga aplicada mediante células de carga, y los asientos mediante un sistema óptico Reyca y acelerómetros. Las mediciones de aceleración se utilizan también para analizar el comportamiento cuasi-estático del pilote y su componente inercial, como prescribe el Método del Punto de Descarga UPM. Esto es requerido por las normativas EN-ISO, ASTM y CUR para obtener la curva de carga-asiento.

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Figura 8. Configuración de la instrumentación en la cabeza del pilote durante una prueba de carga StatRapid.

Como puede observarse en la Figura 9, la logística de la obra no se vio afectada por las pruebas. El dispositivo ocupa un área de 4×4 m, espacio más que suficiente para que los trabajos continuasen sin dilación. El acceso solo se vio interrumpido cuando el dispositivo debía de moverse al otro lado del camino, bloqueándolo durante unos 15 minutos con la grúa. Esto fue altamente valorado por el promotor y el constructor, siendo una de las grandes ventajas de las pruebas de carga StatRapid.

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Figura 9. Sistema óptico Reyca para monitorizar desplazamientos a altas velocidades.

Metodología de las pruebas StatRapid

Las pruebas StatRapid son pruebas de carga rápida, con una tasa de aplicación de la carga veloz pero dinámicamente lenta. La carga se aplica mediante una maza de caída libre que impacta sobre la cabeza del pilote. La duración de la aplicación se extiende mediante el sistema de muelles especialmente desarrollados para el StatRapid, resultando un empuje suave del pilote. La amortiguación genera bajas tensiones en la cabeza del pilote. Es, por lo tanto, un método especialmente conveniente para pilotes “in situ”, que generalmente tienen hormigón de inferior resistencia que los pilotes prefabricados. Las tensiones de impacto que generan las pruebas dinámicas en este rango de capacidad nominal, 6 a 8 MN, hubieran sido peligrosas para los pilotes de este proyecto.

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Figura 10. Ciclo de carga StatRapid.

Una vez la maza aplica una presión en la cabeza del pilote, rebota hacia arriba debido al sistema de muelles. En ese momento se activa un mecanismo de frenado que impide rebotes no deseados o ciclos extra de carga en el pilote. Debido al diseño modular del dispositivo y a su altura de caída regulable, se pueden aplicar todo tipo de cargas de prueba dentro del rango del dispositivo, de 0,5 a 12 MN, en el caso del dispositivo utilizado en este proyecto.

StatRapid en obra – realizando el ensayo

Para configurar el dispositivo, la maza modular y el sistema de muelles, se realizan simulaciones previas por ordenador. En ellas se comprueba que se cumplan los requisitos para las pruebas rápidas y se optimiza la configuración del dispositivo. Estas simulaciones se realizan con el programa Allwave-RLT, basado en la ecuación de la onda, que simula el comportamiento del pilote en base a los reconocimientos geotécnicos realizados y a las características del pilote.

Las pruebas de carga rápida como StatRapid, basadas en una maza de caída libre y un sistema de muelles, siguen un protocolo para cada prueba, compuesto habitualmente de 2 a 5 ciclos de carga gradualmente incrementada. Debido a la cantidad de pilotes a ensayar en este proyecto, en las primeras pruebas se realizaron 5 ciclos de carga, para definir bien el comportamiento del suelo en este proyecto. Las siguientes pruebas se pudieron optimizar con solo dos ciclos de carga, en base a los resultados de las primeras, obteniendo la rigidez inicial del terreno en el primer ciclo, y en el segundo movilizando directamente la capacidad estática deseada. Cuando la rigidez inicial del terreno no concordaba con la del resto de pilotes probados, se realizaron ciclos de carga adicionales, para definir con precisión la curva carga-asiento resultante de la prueba.

Pruebas de carga rápida de pilotes en Barcelona

Figura 11. Resultados de tres ciclos de carga.

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Figura 12. Resultados del StatRapid: en azul, curva de carga asiento movilizada, en rojo, curva carga asiento final corregida según tipo de suelo.

Conclusiones

En 2017, un proyecto de grandes dimensiones en Barcelona necesitaba verificar la capacidad portante de los pilotes in situ ya ejecutados. Las pruebas de carga bidireccionales originalmente realizadas fueron poco concluyentes. Debido a que todas las partes estaban convencidas de que los pilotes instalados debían de tener mayor capacidad portante, se realizaron pruebas adicionales para demostrar esa hipótesis.

El método StatRapid fue una alternativa interesante. Introducía tensiones bajas en el pilote, estaba adaptado a todo tipo de pilotes y era eficiente y fiable, permitiendo ajustar el factor de seguridad. Este método de prueba fue finalmente escogido gracias al respaldo y a la aprobación de varias normativas internacionales, así como por las décadas de experiencia en todo el mundo.

StatRapid demostró ser un método muy eficiente, probando la suficiente capacidad portante de los 25 pilotes ensayados para todas las cargas de servicio, en solo una semana y media, con un promedio de tres pilotes diarios. Una buena coordinación a pie de obra, junto con una acertada elección de la grúa y del método de prueba, resultaron clave para desbloquear el proyecto. La nueva delegación de Allnamics en España, recientemente abierta en Barcelona, ofrece a promotores, proyectistas y contratistas una herramienta adicional para garantizar unas estructuras más seguras y optimizadas.

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