Carlos Fernández Tadeo, CFT & Asociados, S.L.

Los pilotes de hormigón prefabricados ehincados son una buena opción para lascimentaciones de estructuras en suelos blandoso sueltos. En los últimos años, su utilización nose ha visto muy afectada por la drásticareducción de actividad sufrida en laconstrucción, que si ha afectado a otrosmétodos de pilotaje. Probablemente ello esdebido a que ofrecen un precio muycompetitivo y a que su ejecución es muy rápiday limpia.

La instalación de pilotes mediante hinca es elmétodo más antiguo de construcción depilotes. Durante milenios se hincaron solopilotes de madera, pero ahora sonpredominantemente de hormigón (armado opretensado) y de acero (tubos o perfiles). Latecnificación creciente de la construcción llegóhace décadas a la hinca de pilotes, que se haconvertido en una actividad de altaproductividad, al conjugar prefabricación entaller y mecanización de la puesta en obra. Lospilotes se prefabrican en un proceso industrial,se transportan a obra, y allí se instalan conmaquinaria especializada que es operada porsolo dos personas.

Precisamente debido a esa alta tecnificación,la construcción de pilotes hincados se haconvertido en una actividad especializada queejecutan muy pocas empresas en España y quepocos consultores geotécnicos dominan. EnCFT & Asociados fuimos conscientes, hace yamás de una década, de la necesidad existente enla comunidad geotécnica de disponer deexpertos y de métodos de ensayoindependientes, por lo que iniciamos un caminolargo y escondido, pero lleno de satisfacciones,que ha pasado por la formación de nuestropersonal, por la cooperación con expertosinternacionales, y por la obtención de equipos ysoftware especializados para el proyecto y elensayo de los pilotes hincados. En este caminohemos aprendido mucho y hemos ayudado anuestros clientes a optimizar sus cimentacionesmediante pilotes hincados, a probar sucapacidad de carga y a controlar la calidad de suejecución.

Fase de proyectoComo en todos los proyectos de

cimentaciones, es fundamental realizar un buenreconocimiento del subsuelo. Los ahorros que

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Diseño y pruebas depilotes prefabricadoshincados

1. Hinca de piloteprefabricado.

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en estos casos genera el disponer de un buenestudio geotécnico suelen ser importantes, yaque se puede afinar mucho más en el cálculo ydiseño del pilotaje. Por desgracia, todavía seencuentran casos de reconocimientos pocoprofundos que ni siquiera alcanzan la longitud depilote recomendada, faltos de ensayos de campo(SPT, piezocono, etc.), con pocos ensayos delaboratorio, y con recomendaciones pocojustificadas.

En general, el diseño del pilotaje hincado noes de gran complejidad, si se dispone de un buenestudio geotécnico y se siguen los criterios denormas y códigos reconocidos, como el CódigoTécnico de la Edificación CTE DB-SE C:Cimientos, la Guía de Cimentaciones en Obrasde Carreteras del Ministerio de Fomento, y laROM 0.5-05 de Puertos del Estado. También sonde ayuda los programas informáticosespecializados en diseño de cimentaciones,algunos de ellos gratuitos como el programaDriven de la FWHA (USA), que se puedeobtener en nuestra webhttp://www.fernandeztadeo.com/soft.htm.

Sin embargo, todavía en muchos casos sesigue el criterio, que sugieren a veces lasempresas especializadas de pilotes hincados, deque el único método de diseño posible es cargarel pilote en fase de proyecto a su topeestructural y luego en obra hincarlo hasta que dé"rechazo" según alguna fórmula semiempírica,que normalmente tiene más de 100 años. Estamanera de proyectar y construir puede llevar aproblemas en la ejecución, como: longitudes depilote diferentes de las que cabría esperar segúnel estudio geotécnico y los cálculos de capacidad,descontrol presupuestario consiguiente,inseguridad sobre la capacidad real de carga delos pilotes, modificaciones del proyecto deencepados y estructura, y otros similares.

La creciente complejidad de lascimentaciones profundas, impulsada en granparte por el auge de las construcciones enmedio “off-shore” (plataformas petrolíferas,aerogeneradores marinos, etc), está haciendonacer nuevos y sofisticados métodos de diseñode los pilotajes, como el método británico“Imperial College Pile design method” (ICP).Por otro lado, el proceso de convergencia detecnologías en la Unión Europea, cuyo objeto esfacilitar la libre competencia entre empresas detodos los países del continente, está creandonuevas normativas técnicas como los

Eurocódigos de construcción. El Eurocódigo 7“Proyecto Geotécnico” desarrolla los temas deproyecto y construcción de obras de ámbitogeotécnico. En España fue publicado por Aenorcomo norma no obligatoria con referenciaUNE-ENV 1997-1. Existe ya una propuesta deAnejo Nacional Español del EC7, queprobablemente será aprobada por Aenorpróximamente, y que será previsiblementerefrendado por decreto del Ministerio deFomento en el BOE, lo que convertirá al EC7 ya su Anejo Nacional en norma obligatoria ennuestro país. La creciente internacionalizaciónde la actividad de nuestras constructoras yconsultoras hace que muchas de ellas esténtrabajando en otros países europeos en los queel EC7 ya está plenamente en vigor, propiciandoasí que el EC7 se haya empezado a utilizartambién en España. En lo que se requiere aldiseño de pilotes, el EC7 prioriza el diseño enbase a pruebas de carga sobre otros métodosde cálculo clásicos basados en fórmulasanalíticas. Por todo ello, es de prever que en lospróximos años sea necesario incrementar elnúmero de empresas e ingenieros especialistasen pruebas de carga de pilotes, para poderatender la creciente demanda que se generará.

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2. Pantalla deentrada de

datos delprograma

GRLWEAP.

3. Curva de hinca obtenida con GRLWEAP.

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Algunos de los códigos españoles másmodernos, como el CTE y la ROM 0.5-05 dePuertos del Estado, ya incluyen criterios paracalcular los pilotes hincados teniendo en cuentacoeficientes de seguridad diferentes en funcióndel método de cálculo utilizado y de loscontroles que se hagan en obra. En su artículo2.4 el CTE DB-SE C describe los coeficientesde seguridad generales que se deben utilizar enel proyecto geotécnico. En lo referente apilotes, indica los coeficientes parciales γR deminoración de la resistencia del terreno alhundimiento que figuran en la Tabla 1.

A la vista de esta tabla, resulta evidente lagran ventaja económica que puede suponer lautilización de pruebas de carga en un proyectoen el que el haya un número significativo depilotes, incluso antes de que entre en vigor elEC7 en España.

Fase de contratación de laempresa de pilotaje

La selección de una empresa especializada enla construcción e hinca de pilotes prefabricadosde hormigón armado es bastante sencilla, ya

que hay muy pocas empresas en España quetrabajen con este tipo de pilote, y las que hayson grandes y solventes. Lo que resultaimportante es conocer los requisitos técnicos yde control que se deben exigir en lacontratación, que pueden resumirse acontinuación.

1. Descripción completa de la tipología depilotaje ofertada, características, juntas entretramos prefabricados, sistema de hinca, etc. Aser posible avalada por reconocimientosoficiales del sistema tipo DITE o similar.

2. Justificación de que con la maquinaria dehinca que se va a utilizar se podrán alcanzarlas profundidades especificadas en elproyecto, sin quedarse cortos los pilotes, niresultar dañados por exceso de hinca. Estajustificación debe hacerse medianteprogramas de ordenador que utilicen lateoría de la ecuación de la onda, ya que elimpacto del martillo se propaga a lo largo delpilote como una onda de choque. Los másutilizados internacionalmente son GRLWEAPy TNOWAVE.

3. Presentación de las curvas de hinca para cadatipo de pilote y martillo a utilizar. Estas curvasrelacionan gráficamente la resistencia a lahinca y el "rechazo" o penetración para undeterminado número de golpes, y permitentener previsto a priori cuál es el momento enque debe detenerse la hinca, siempre queestemos en la longitud y el estrato de sueloprevistos en proyecto. Estas curvas de hincase pueden obtener de fórmulassemiempíricas antiguas como la de Hiley o laholandesa, pero hoy día es más recomendableutilizar los mismos programas de ordenadorcitados antes, que se basan en el método máspreciso de la ecuación de la onda.

4. Plan de control de calidad a implantar en laejecución, tanto en la fase de prefabricaciónde pilotes en planta como en la de hinca en

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Tabla 1

(1) Métodos de cálculo basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo).(2) Métodos de cálculo basados en fórmulas analíticas (corto plazo), métodos basados en pruebas de carga hasta rotura y

métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga.

4. Prueba de carga dinámica.

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obra. Deben incluirse pruebas finales deejecución mediante ensayos dinámicos yestáticos de carga. También pueden realizarseensayos de integridad estructural por elmétodo sónico con martillo de mano.

Fase de ejecución del pilotajehincado

Es frecuente que en obra se realice unaprimera tanda de hinca de pilotes repartidospor todo la zona de trabajo, al objeto dezonificar el terreno y comprobar el diseño deproyecto. También es habitual que algunas deestas primeras hincas se controlenelectrónicamente, mediante las denominadaspruebas de carga dinámica con analizadorelectrónico de hinca.

La prueba de carga dinámica de un piloteconsiste básicamente en dejar caer una masaimportante desde una cierta altura sobre lacabeza del pilote, aprovechando para ello elmismo martillo que está realizando la hinca. Lacabeza del pilote se instrumenta medianteacelerómetros y extensímetros electrónicos,para captar la aceleración y la deformacióngeneradas por la onda de impacto quedesciende por el pilote, realizándose despuéscálculos en ordenador con la informaciónobtenida. Se utilizan para ello modelosmatemáticos que simulan el comportamientodel pilote y su interacción con el suelo pormedio de la ecuación de la onda. Los programasmás utilizados son CAPWAP y TNOWAVE.

Con estas pruebas se obtiene una estimaciónde capacidad de carga por fuste y por punta, asícomo una estimación de curva carga-asiento delpilote en comportamiento estático. La normaaplicable para el ensayo en obra es la ASTMD4945 "Standard Test Method for High-StrainDynamic Testing of Piles". Este ensayo tiene unalarga tradición de 40 años en pilotes hincados, ydesde hace más de 20 años se utiliza también enpilotes "in situ". Los contratistas de pilotajetienen equipos para realizar la toma de datos enobra, y también los programas de ordenadornecesarios para el tratamiento de datos enoficina, realizando estas pruebas comoautocontrol de calidad. El control de calidadexterno, o control de recepción por parte delpromotor o de la dirección de obra, se realizamediante la intervención de consultoresespecializados independientes, que disponen de

equipos de toma de datos y de softwareinformático propio. En este caso es necesarioprever que el contratista facilite su martillo dehinca para la realización de las pruebas.

Es habitual dejar pasar una o varias semanasdesde la hinca hasta la realización de la pruebade carga dinámica, ya que las característicasresistentes del terreno van aumentando con elpaso del tiempo. Al finalizar la hinca, el terrenoalrededor del pilote está alterado y no tienetanta capacidad de carga como después de untiempo suficiente para que el suelo alrededordel pilote vuelva a consolidarse. Este efecto esmás importante en suelos arcillosos y menos ensuelos arenosos.

El Código Técnico de la Edificación especifica

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5. Equipo analizador de hinca.

6. Sensores electrónicos sujetos al pilote.

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estas pruebas en algunos casos. En su artículo5.4.4, dedicado a los ensayos de pilotes, el CTEDB-SE C: “Cimientos” considera necesariorealizar pruebas de carga dinámica en lospilotes prefabricados hincados utilizados en lacimentación de edificios de categorías C-3 y C-4, que corresponden a las construcciones demás de 10 plantas, sin contar los sótanos, y a losconjuntos monumentales o singulares.

El ensayo de integridad estructural que serealiza en los pilotes hincados utiliza el métodosónico con martillo de mano, también conocidocomo de "impedancia mecánica". Consiste engenerar una onda sónica mediante un martillode mano que golpea la cabeza del pilote. Estaonda es reflejada por las discontinuidades delpilote, por su punta, o por cambios de seccióno variaciones del terreno que lo rodea. Losmovimientos consiguientes de la cabeza delpilote son captados por un acelerómetro, queenvía los resultados a un ordenador portátil. Enun ensayo normal, en la pantalla del ordenadoraparece una curva de velocidades con dospicos, el primero es el impacto del martillo y elsegundo el reflejo de la onda en la punta delpilote a la profundidad esperada. Si hubieraalgún fallo en el pilote hincado, la onda rebotaríaantes en la zona de rotura y quedaría marcadoun pico en la gráfica a esa profundidad. En

pilotes largos en arenas o en suelos flojos en losque su esbeltez (relación longitud/diámetro) seamayor que 30 ó 40 es difícil detectar el rebotede la onda sónica en la punta, ya que la señal sesuele perder, aunque sí se pueden detectardefectos en la parte superior del pilote. Enpilotes en arcilla y suelos duros el alcance esinferior, del orden de 15 ó 20 diámetros, ya quela arcilla se adhiere mucho al pilote, lo quefavorece la dispersión de la onda sónica hacia elterreno y dificulta la detección de la punta.También puede suceder que la onda rebote enuna junta de unión entre elementos de unpilote largo. En cuanto al momento de hacer elensayo, sucede lo contrario que con las pruebasde carga dinámica, ya que no interesa que elterreno se adhiera mucho al pilote para que laonda sónica no se disperse, por lo que debenhacerse cuanto antes tras la hinca.

La hinca de pilotes genera vibraciones en elsuelo. El control de esas vibraciones esfundamental para poder estimar sus posiblesefectos perjudiciales en las construcciones quese encuentren dentro de un cierto radio deinfluencia. En el caso de las vibracionesproducidas por voladuras, su control esobligatorio y forma parte de la rutina deltrabajo. Pero no pasa lo mismo en el caso de lahinca de pilotes, donde el control de lasvibraciones inducidas en las construccionesvecinas es recomendable para mantenerlasdentro de valores admisibles, evitándose así lasreclamaciones de los vecinos afectados, quepueden dar origen a paradas imprevistas de lostrabajos y a retrasos en el programa deejecución, con los perjuicios económicosconsiguientes.

Ventajas de realizar un buendiseño y un buen control delpilotaje hincado Reducción o eliminación de incertidumbres

de proyecto: ¿Cual es la longitud adecuada depilote en el subsuelo local para conseguir laresistencia necesaria? ¿Se podrán hincar has-ta la profundidad necesaria con la maquinariadisponible?

Garantía de cumplimiento de plazos de eje-cución, al minimizarse las paradas por cir-cunstancias imprevistas. Un caso frecuentees que los pilotes se hinquen hasta rechazo auna profundidad muy superior a la prevista

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7. Gráficos de fuerza y velocidad captados enuna prueba de carga dinámica.

8. Gráfico de salida de resultados de resistenciaa lo largo del pilote con programa CAPWAP.

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inicialmente en los cálculos, lo que produceparos en la producción hasta que se estudieel caso y se adopte una decisión. Lo mismopuede ocurrir en el caso contrario, cuandolos pilotes alcancen el rechazo a profundidadinferior a la esperada.

Mayor control presupuestario, al evitarsesorpresas en la longitud hincada de pilote a lahora de la ejecución.

Reducción de costes: los códigos técnicospermiten utilizar en los cálculos unos coefi-cientes de seguridad más bajos cuando serealizan pruebas de carga, lo que permiteabaratar la cimentación.

Mejor control de calidad realizando pruebasde carga de los pilotes, ya que se obtiene unacomprobación de su capacidad resistentereal.

Reducción de conflictos externos: el controlde las vibraciones producidas por la hincapermite comprobar si se está sometiendo alas estructuras vecinas a movimientos excesi-vos, evitándose reclamaciones y litigios poreste motivo.

Bibliografía Ministerio de Fomento, Dirección General de

Carreteras. PG3 art. 670 "Cimentaciones porpilotes hincados a percusión". Redacción dada enla O.C. 1382/02.

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