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septiembre - octubre 2018número 71

BIM: Láser Escáner GLS-2000 BIM: Láser Escáner GLS-2000

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En 2017 se inició en Barcelona la construcciónde un proyecto importante con pilotes “in situ” degran diámetro. Debido a las dimensiones delproyecto, los resultados de los reconocimientosgeotécnicos y las cargas de servicio requeridas,entre 6 y 8 MN, se realizaron pruebas de carga paraasegurar que los pilotes tenían la capacidadportante necesaria.

Para ello, se preseleccionaron unos pilotes en losque realizaron pruebas de carga bidireccionales. Eneste tipo de prueba se posiciona un cilindrohidráulico embebido cerca de la punta del pilote.Una vez el hormigón ha fraguado, se aplica presiónen el cilindro, que empuja entonces a las dos partesdel pilote separadas por el cilindro en sentidosopuestos. La presión se incrementa gradualmentehasta que una de las secciones alcanza el fallogeotécnico o se llega al límite de empuje delcilindro. En ese momento, la prueba termina y seconsidera que la capacidad de carga del pilote es almenos el doble de la carga que produjo el fallo.

En las pruebas de carga bidireccionales es crucialestablecer la localización correcta del cilindro conantelación, tratando de que el cilindro hidráulicodivida al pilote en dos partes con igual resistenciadel terreno. En caso contrario, esta prueba puedesubestimar la capacidad portante del pilote, nollegando a probar toda la capacidad de la secciónresistente. Desafortunadamente, los resultados de

la primera prueba bidireccional en el proyecto deBarcelona fueron insuficientes por este motivo. Sedecidió entonces realizar pruebas de carga decontraste con otro método lo suficientementerápido para no generar retrasos en la obra.

Pilotes

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Pruebas de carga rápidade pilotes en Barcelona

Moscoso del Prado Mazza, Nicolás; Allnamics España, Barcelona, EspañaFernández Tadeo, Carlos; CFT Asociados, Barcelona, Españ

Bielefeld, Marcel; Allnamics, La Haya, Países Bajos

Comprobar las cimentaciones profundas es una parteimportante 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, sedispone de varios métodos de prueba de carga de pilotes,

dos de los cuales se utilizaron en un proyecto en Barcelona.

Figura 1. Dispositivo StatRapid listo para unaprueba de carga en Barcelona

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Métodos de pruebas de carga enpilotes

Las pruebas de carga estáticas se consideran lasmás fiables. Estas pruebas aplican una carga estáticareproduciendo el comportamiento del pilotedurante si vida útil. La carga se obtiene a través depesos muertos colocados sobre una estructura dereacción sobre la cabeza del pilote o, másgeneralmente, mediante el anclaje de la estructurade reacción al terreno. Un cilindro hidráulicoprocede a aplicar la carga gradualmente sobre lacabeza del pilote, registrándose en el proceso losvalores de la carga aplicada y del asiento de lacabeza del pilote. Se trata de un proceso largo,tanto para la construcción del sistema de reaccióncomo para la prueba en sí misma. Esto genera quelas pruebas de carga estática tengan un coste alto,además de que la movilización de los elementos dereacción afecta también a la logística de la obra,como puede verse en la Figura 2.

En la década de 1960 se desarrolló unaalternativa a las pruebas estáticas: las pruebas decarga dinámica. La principal característica es laproductividad del método y la reducción de loselementos de reacción a utilizar. Sólo se requiereuna maza de aproximadamente 2% de la cargamáxima de prueba para golpear la cabeza del pilote.El impacto genera ondas de presión que sonmonitorizadas por sensores. Los datos se analizanposteriormente con técnicas de equiparación deseñales para estimar la capacidad portante delpilote. Sin embargo, las ventajas en cuanto areducción de coste y de duración sacrifican laprecisión de los resultados. Además de ello, laspruebas dinámicas incluyen resistencias viscosas yde inercia que disipan energía. Por lo tanto, se debeaplicar una energía de impacto todavía mayor parapoder movilizar una carga de prueba más alta, loque puede llegar a dañar al hormigón del pilote.Para evitar estos inconvenientes de las pruebas decarga dinámica y ganar tiempo evitando laconstrucción de una maza de impacto localmente,se decidió realizar pruebas de carga rápida con elequipo StatRapid de Allnamics, disponible para sutraslado inmediato.

Pruebas de carga rápida

Las pruebas de carga rápida aplican una carga encondiciones cuasi-estáticas. Una de las primerasaplicaciones fue el dispositivo StatNamic, unaabreviación de STATic y dynNAMIC, desarrolladoen Canadá y en los Países Bajos en 1985,combinando las ventajas de las pruebas estáticas y

dinámicas. En 2011, el dispositivo evolucionó en elactual StatRapid, capaz de realizar una pruebaequivalente, pero incrementando su eficienciagracias a su diseño modular, basado en una maza decaída libre sobre un sistema de muelles.

Básicamente, las pruebas de carga rápidas sontan veloces como las dinámicas, pero con unaduración de aplicación de la carga losuficientemente lenta para considerarse cuasi-estática. A medida que la duración de la carga seincrementa, los efectos dinámicos se reducen, ypuede obtener una mayor concordancia con losresultados de las pruebas estáticas. La extensión dela duración del impacto se consigue utilizando unamaza mayor, de entre el 5 y el 10% de la cargamáxima de prueba, y un sistema de muelles. Elcomportamiento cuasi-estático resultante permiteevitar la estimación de los complejos parámetrosdinámicos de terreno. El análisis de las pruebas decarga rápida es directo e independiente deloperador.

El método ha sido analizado por varios estudioscomparativos entre pruebas StatRapid y pruebasestáticas, demostrando que son equivalentes. Unade las investigaciones empezó en el Tokyo Instituteof Technology, llevando a la implementación delmétodo en la normativa japonesa en 2002. LosEstados Unidos se sumaron en 2008, aprobando laprueba en la norma ASTM D7383-08, actualizadaen 2010 como D7383-10. Los Países Bajossiguieron y la aprobaron en su norma CUR-H410en 2011. Finalmente, el Comité Europeo deNormalización CEN aprobó las pruebas de cargarápida en 2016 como Norma EN-ISO-22470-10, deaplicación en España. En el proyecto de Barcelona finalmente se eligió

este método de prueba, debido a su fiabilidad yproductividad, a estar respaldado por variasnormativas internacionales y con décadas deexperiencia práctica.

Cimentaciones

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Figura 2. Comparación entre dispositivoStatRapid, a la izquierda, y prueba de cargaestática, a la derecha, en Singapur

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El dispositivo StatRapid

El dispositivo StatRapid consiste en un bastidorprincipal, una maza modular y un sistema de muellesespecialmente diseñados. El sistema entero setransporta a la obra en un par de camiones.

Para el Proyecto en Barcelona se requería laconfiguración completa del dispositivo StatRapid de8-12 MN, transportándose, en este caso, en 3camiones. Una vez los camiones llegan a la obra, eldispositivo StatRapid es fácil de montar gracias a sudiseño modular. Las operaciones de descarga ymontaje del equipo para la primera prueba duranalrededor de tres horas, variable con laconfiguración de maza modular que se requiera encada caso. Una vez el sistema está montado, elStatRapid es autosustentable.

Una vez el dispositivo está listo, la prueba en sítarda 10-15 minutos aproximadamente por pilote.Al terminar la prueba, ya se puede desplazar hastael siguiente pilote a probar. El dispositivo se puededesplazar en varias configuraciones: bastidorcompleto con todos, algunos o ningún módulo de la

maza, o con el dispositivo totalmente desmontado,para ser montado de nuevo. El sistema StatRapid escapaz de probar entre 3 y 8 pilotes al día,dependiendo de la distancia entre los pilotes aprobar, de la configuración del dispositivo y de lacapacidad de la grúa. En este Proyecto se escogióuna grúa de 400 toneladas para mover el dispositivocompletamente montado y cargado, como puedeverse en la Figura 7. La buena coordinación a pie deobra, junto con la grúa seleccionada, permitieronprobar hasta 6 pilotes en un día.

La instrumentación instalada en la cabeza delpilote monitorea la carga aplicada mediante célulasde carga, y los asientos mediante un sistema ópticoReyca y acelerómetros. Las mediciones deaceleración se utilizan también para analizar elcomportamiento cuasi-estático del pilote y sucomponente inercial, como prescribe el Método delPunto de Descarga UPM. Esto es requerido por lasnormativas EN-ISO, ASTM y CUR para obtener lacurva de carga-asiento.

Como puede observarse en la Figura 9, lalogística de la obra no se vio afectada por laspruebas. El dispositivo ocupa un área de 4x4 m,espacio más que suficiente para que los trabajoscontinuasen sin dilación. El acceso solo se vio

Pilotes

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Figura 3. Camión cargado. De izquierda aderecha: sección superior e inferior delStatRapid y cabina de monitoreo

Figura 4. Montaje de la sección superior delStatRapid

Figura 5. El sistema de maza modular permiteprobar con cargas desde 0,5 MN hasta 8 MN ymucho más

Figura 6. Dispositivo StatRapid listo para unaprueba en Barcelona

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interrumpido cuando el dispositivo debía demoverse al otro lado del camino, bloqueándolodurante unos 15 minutos con la grúa. Esto fuealtamente valorado por el promotor y elconstructor, siendo una de las grandes ventajas delas pruebas de carga StatRapid.

Metodología de las pruebasStatRapid

Las pruebas StatRapid son pruebas de cargarápida, con una tasa de aplicación de la carga velozpero dinámicamente lenta. La carga se aplicamediante una maza de caída libre que impactasobre la cabeza del pilote. La duración de laaplicación se extiende mediante el sistema demuelles especialmente desarrollados para elStatRapid, resultando un empuje suave del pilote. Laamortiguación genera bajas tensiones en la cabezadel pilote. Es, por lo tanto, un métodoespecialmente conveniente para pilotes “in situ”,que generalmente tienen hormigón de inferiorresistencia que los pilotes prefabricados. Lastensiones de impacto que generan las pruebasdinámicas en este rango de capacidad nominal, 6 a8 MN, hubieran sido peligrosas para los pilotes deeste proyecto.

Una vez la maza aplica una presión en la cabezadel pilote, rebota hacia arriba debido al sistema demuelles. En ese momento se activa un mecanismode frenado que impide rebotes no deseados ociclos extra de carga en el pilote. Debido al diseñomodular del dispositivo y a su altura de caídaregulable, se pueden aplicar todo tipo de cargas deprueba dentro del rango del dispositivo, de 0,5 a 12MN, en el caso del dispositivo utilizado en esteproyecto.

Cimentaciones

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Figura 7. Desplazamiento del dispositivoStatRapid con la configuración completa

Figura 8. Configuración de la instrumentación enla cabeza del pilote durante una prueba de cargaStatRapid

Figura 9. Sistema óptico Reyca para monitorizardesplazamientos a altas velocidades

Figura 10. Ciclo de carga StatRapid

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StatRapid en obra – realizando elensayo

Para configurar el dispositivo, la maza modular yel sistema de muelles, se realizan simulacionesprevias por ordenador. En ellas se comprueba quese cumplan los requisitos para las pruebas rápidas yse optimiza la configuración del dispositivo. Estassimulaciones se realizan con el programa Allwave-RLT, basado en la ecuación de la onda, que simula elcomportamiento del pilote en base a losreconocimientos geotécnicos realizados y a lascaracterísticas del pilote.

Las pruebas de carga rápida como StatRapid,basadas en una maza de caída libre y un sistema demuelles, siguen un protocolo para cada prueba,compuesto habitualmente de 2 a 5 ciclos de cargagradualmente incrementada. Debido a la cantidadde pilotes a ensayar en este proyecto, en las

primeras pruebas se realizaron 5 ciclos de carga,para definir bien el comportamiento del suelo eneste proyecto. Las siguientes pruebas se pudieronoptimizar con solo dos ciclos de carga, en base a losresultados de las primeras, obteniendo la rigidezinicial del terreno en el primer ciclo, y en el segundomovilizando directamente la capacidad estáticadeseada. Cuando la rigidez inicial del terreno noconcordaba con la del resto de pilotes probados, serealizaron ciclos de carga adicionales, para definircon precisión la curva carga-asiento resultante de laprueba.

Conclusiones

En 2017, un proyecto de grandes dimensiones enBarcelona necesitaba verificar la capacidad portantede los pilotes in situ ya ejecutados. Las pruebas decarga bidireccionales originalmente realizadasfueron poco concluyentes. Debido a que todas laspartes estaban convencidas de que los pilotesinstalados debían de tener mayor capacidadportante, se realizaron pruebas adicionales parademostrar esa hipótesis.El método StatRapid fue una alternativa

interesante. Introducía tensiones bajas en el pilote,estaba adaptado a todo tipo de pilotes y eraeficiente y fiable, permitiendo ajustar el factor deseguridad. Este método de prueba fue finalmenteescogido gracias al respaldo y a la aprobación devarias normativas internacionales, así como por lasdécadas de experiencia en todo el mundo.

StatRapid demostró ser un método muyeficiente, probando la suficiente capacidad portantede los 25 pilotes ensayados para todas las cargas deservicio, en solo una semana y media, con unpromedio de tres pilotes diarios. Una buenacoordinación a pie de obra, junto con una acertadaelección de la grúa y del método de prueba,resultaron clave para desbloquear el proyecto. Lanueva delegación de Allnamics en España,recientemente abierta en Barcelona, ofrece apromotores, proyectistas y contratistas unaherramienta adicional para garantizar unasestructuras más seguras y optimizadas.

www.allnamics.es

Pilotes

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Figura 11. Resultados de tres ciclos de carga

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

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