N° 34: Fundaciones II, consideraciones estructurales. Parte 3: Pilotes

Por Arnaldo Gutiérrez

Palabras claves o descriptores: pilotes, pilas, pilotines, micropilotes, efectividad de pilotes en grupo. Diseño de pilotes. Recomendaciones constructivas.

JUSTIFICACIÓN Y ALCANCE

Cuando el Informe Geotécnico1 recomienda pilotes como solución de fundaciones, compete al ingeniero estructural revisar para su aprobación o modificación el armado propuesto por la empresa responsable de la fabricación e instalación de los pilotes.

[1] Ver en el Anexo:


Figura 1.  Sistema de fundación profunda con pilotes [fotografías de internet].


a) Colocación de armadura de refuerzo en pilote excavado y vaciado en sitio.

b) Armadura de un pilote excavado y vaciado en sitio. Debe completarse con el acero de refuerzo transversal antes del vaciado del concreto del cabezal de pilotes. 


C) Hincado de pilote prefabricado. 

NOCIONES SOBRE PILOTES

El diseño, detallado, construcción e instalación de los pilotes es responsabilidad de las empresas especializadas, pero el ingeniero estructural necesita conocer los principios que rigen su comportamiento y proyecto, tanto para la revisión y posterior modificación o aprobación del diseño y detallado propuesto, como para interpretar el Informe Geotécnico e interactuar adecuadamente con los especialistas en Geotecnia y Mecánica de Suelos, y los otros profesionales involucrados en el proyecto, la construcción y la inspección de la obra con pilotes.

Definición

Un fabricante de pilotes los define como miembros estructurales con una relación (Longitud /Sección transversal) ≥ 5, prefabricados para ser hincados, excavados o perforados para ser vaciados con concreto en sitio, con la capacidad de soportar fundamentalmente cargas axiales individuales aplicados en su tope, y en algunos casos los empujes laterales del suelo.

Para los ingenieros (estructurales, geotécnicos y de mecánica de suelos y fundaciones), los pilotes son los miembros estructurales que transmiten las cargas transferidas por la estructura a través de los estratos más blandos e inestables hasta las capas más duras y estables bajo el suelo en que se asienta la estructura. Pero también como miembros estructurales de gran esbeltez con sección transversal circular o poligonal que penetran suelos de poca capacidad portante para alcanzar estratos más profundos del suelo para transferirles las cargas de la estructura.

Clasificación

El Informe Geotécnico especifica los pilotes por la manera de instalarlos y por la forma como trabajan. Recomendamos ampliamente consultar los Documentos complementarios (documentos finales del cuadero) / Apuntes pilotes UBA

Los pilotes se clasifican según el material empleado en su fabricación (madera, concreto, acero, mixtos); por la forma de ejecución y colocación (prefabricados (hincados, vibrados) o vaciados in situ (perforados, excavados con tubos recuperables o tubos perdidos); por su diámetro y capacidad resistente. Por la forma de trabajar (de punta, por fricción lateral, o una combinación de ambos); por la profundidad alcanzada, y según la sección transversal (I, H, huecas o macizas: circulares, cuadradas, poligonales), perfil longitudinal (constante, troncocónico, escalonado, en bulbo).

Los pilotes de concreto son los más versátiles y los que mejor se adaptan a las condiciones específicas de cada obra. Esencialmente son pilotes vaciados en sitio o pilotes prefabricados fuera de la obra e hincados en el sitio. Para pilotes de madera o de acero, véase en el Anexo: Documentos complementarios > Potencialidades de la construcción con pilotes.

Por el diámetro de su sección transversal, D, se clasifican en:

Pilotines   10 cm   ≤  D  ≤  20 cm

Pilotes      20 cm  ≤  D   ≤  80 cm

Pilas         80 cm  ≤  D   ≤  220 cm

Por su instalación, los pilotes pueden ser excavados o hincados.

Pilotes excavados y vaciados en sitio

Durante la construcción de los pilotes excavados y vaciados en sitio se extraen masas del suelo y posteriormente se vacía concreto directamente sin el uso de camisa, por lo que presentan irregularidades en su fuste que contribuye a su resistencia portante. Las máquinas rotativas contemporáneas permiten construir pilotes de grandes diámetros, entre 60 y 120 cm. Para evitar la disgregación o derrumbe del suelo dentro de la excavación, se emplea lodo bentonítico, que presiona lateralmente las paredes de la excavación evitando su derrumbe. Este material no se mezcla con el concreto y durante el proceso del vaciado del concreto lo va desplazando. El lodo bentonítico puede recuperarse. Este tipo de pilotes son aptos para resistir las cargas de punta.

Las pilas coladas son pilotes excavados en que las máquinas rotativas son reemplazadas por cucharones en forma de almejas, que al dejarse caer sobre el suelo sacan grandes masas de suelo. Las dimensiones de las pilas van desde 0.53 x 1.85 m a 2.20 x 3.30 m.

Pilotes hincados

Son pilotes hincados son introducidos en el suelo sin excavación previa. Generan un desplazamiento del suelo compactándolo alrededor del pilote y densificando parcialmente el suelo. Sus diámetros están comprendidos entre 40 y 70 cm. Los pilotes hincados resisten las cargas principalmente por fricción en su fuste, aunque el bulbo en su parte inferior proporciona suficiente capacidad resistente de punta.

Por la forma en que transmiten las cargas de la estructura al suelo, los pilotes trabajan de punta o por la fricción de su fuste, y también combinando ambas resistencias, como muestra la Figura 2.

Figura 2: Clasificación de pilotes por la forma en que transmiten las cargas de la estructura al suelo [Lange y Ramírez, 1970].

En todo pilote, ya sea hincado o vaciado en sitio, se desarrollará en mayor o menor grado una resistencia por fricción contraria a las cargas aplicadas al pilote. Esta fricción depende de varios factores, entre los que se mencionan: La textura de la superficie del pilote y las formas de la sección transversal y de la sección longitudinal. No hay diferencia apreciable entre pilotes de sección cilíndrica o cónica, cuando atraviesan estratos de arcillas blandas o medias. En las arenas los pilotes cónicos son más efectivos.

La fricción negativa ocurre cuando un estrato actúa sobre el pilote aumentando su carga, pudiendo causar asentamientos y fallas. La carga producida por la fricción negativa puede ser grande y depende del espaciamiento entre pilotes y de la profundidad del estrato. Generalmente se considera como fricción negativa la que ejerce un suelo de relleno sobre el pilote. Ver en Anexos: Documentos complementarios > Fricción negativa en pilotes.

Figura 3 Pilotes de fricción [Lange y Ramírez, 1970].

Figura 4 Tipos de fricción en el fuste del pilote [Lange y Ramírez, 1970].

JUSTIFICACIÓN DEL USO DE PILOTES

Las fundaciones con pilotes son más costosas y de mayor dificultad constructiva que las fundaciones superficiales, por lo que la decisión de usarlos debe estar plenamente justificada por un Informe Geotécnico2. La siguiente lista (no jerarquizada), orienta en la selección del tipo de pilotes más apropiado:

  • Los estratos superficiales del terreno son excesivamente compresibles y las fundaciones directas dan lugar a asentamientos locales excesivos o inaceptables.

  • Alta probabilidad de una falla local del suelo al superarse su capacidad portante, por lo que debe buscarse estratos profundos más firmes para descargar las cargas mediante las fundaciones indirectas o profundas.

  • Aseguramiento de la estabilidad y funcionalidad de las fundaciones.

  • Existencia de socavación.

  • Características de los estratos del subsuelo.

  • Menor perturbación del suelo.

  • Condiciones del nivel freático que pueden afectar la estabilidad, el servicio y el mantenimiento de la construcción.

  • Construcción cercana a taludes potencialmente inestables.

  • Sistemas de fundaciones con condiciones de cargas o de solicitaciones inclinadas u horizontales de magnitudes elevadas.

  • Presencia de substancias o materiales en el suelo que puedas dañar al pilote.

  • Profundidad y diámetros requeridos.

  • De ser necesario, adaptabilidad a longitudes variables.

  • Facilidad de incrementar el número de pilotes en el sitio, en caso de ser necesario.

  • Disponibilidad de equipos.

  • Topografía del sitio de trabajo.

  • Accesibilidad al lugar de construcción y facilidades para instalar, maniobrar y operar los equipos. Época del año que impiden o limitan la construcción.

  • Posibilidad de daños a construcciones vecinas y colindantes3.

  • Magnitud de las cargas impuestas incluyendo las de transporte y las del método de ejecución.

  • Capacidad soporte; comportamiento a fuerzas axiales y de flexión de los pilotes.

  • Nivel freático con respecto a las capas de asiento de los pilotes

  • Hincado o vaciado por encima o por debajo del nivel del agua.

  • Daños a los pilotes una vez colocados4.

  • Facilidad de corte u otros medios para conseguir la cota tope del pilote.

  • Tiempo de ejecución.

  • Experiencia de la empresa o constructor con un determinado tipo de pilotes.

  • Facilidad de instalación de los pilotes con cierto ángulo de inclinación.

  • Preferencias personales del ingeniero o del propietario de acuerdo con sus experiencias anteriores con un determinado tipo de pilotes.

  • Costos de fabricación, transporte y colocación.

  • Comparación beneficios costos.

  • Ventajas y desventajas comparativas de los diferentes tipos de pilotes5.

Notas

Recomendamos ver en los anexos, documentos complementarios:

El uso de pilotes en la tecnología de construcción simultánea hacia arriba y hacia abajo es uno de los casos en el que el costo de los pilotes es superado por los beneficios. En la construcción tradicional se invierte (“se entierra”) mucho dinero en las fundaciones antes de que se haga visible la estructura para iniciar la preventa. Con la tecnología de la construcción simultánea de las fundaciones y la estructura se anticipan los tiempos de preventa.

Accidentes en la construcción con pilotes:

[5] El Informe Geotécnico especifica los diámetros y las profundidades que deben alcanzar los pilotes. Pero como no todas las empresas especializadas disponen de todos los tipos de pilotes, el ingeniero estructural debe evaluar opciones, como se mostrará en el próximo Cuaderno 35, Cabezales de pilotes.

CAPACIDAD PORTANTE DE LOS PILOTES

El cálculo geotécnico de los pilotes se hace mediante las fórmulas estáticas de la Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones basadas en estudios previos del terreno, sin menoscabo del uso de las fórmulas dinámicas a criterio de los ingenieros responsables del proyecto y la construcción6 (Bowles, 1995: Cap.17). Entre las fórmulas más difundidas se encuentran las de: Vierendeel (1906), Benabenq (1911), Döhr (1922), Karl Terzaghi y Ralph Peck (1946), la de Meyerhof (1953), Albert Caquot y Jean Kérisel(1956), Dunham (1970).

[6] Como recurso docente para ilustrar el efecto confinante del suelo en la hinca de un pilote, impidiendo su pandeo, el siguiente Anexo recoge la tradición de cómo los fabricantes de armas en Toledo demostraban la calidad de sus aceros: Documento complementario > Potencialidades de construcción con pilotes y Cómo perforar una moneda con una aguja.

Ver en Anexos > Ayudas para el proyecto:

Ver también los ejemplos entregados con el Cuadernos del Ingeniero N° 29 y Cuaderno del Ingeniero N° 30 (Gutiérrez, 2016).

Los pilotes también se diseñan estructuralmente para resistir las fuerzas axiales de tracción, que son resistidas únicamente por el acero de refuerzo. Geotécnicamente, la tracción es resistida por la fricción a lo largo del fuste o por el anclaje de la punta proporcionado por el bulbo en su base.

Ver en Anexos:

Pruebas de carga en pilotes

Las pruebas de carga se realizan in situ en pilotes de pruebas con el fin de determinar la capacidad resistente de los pilotes a usar. La información más importante que se obtiene de estas pruebas es la medición de la relación carga – asentamiento del pilote.

Ver en Anexos: Ayudas para el proyecto > Pruebas a tracción de un pilote

Evaluación pilotes en grupos

La experiencia ha demostrado que la resistencia de pilotes en grupos es generalmente menor a la suma de las resistencias individuales de cada uno de ellos, trabajando tanto de punta como por fricción, porque la separación puede ser insuficiente y causar la superposición de los bulbos de presiones en la punta o las presiones a lo largo del fuste.

Las recomendaciones para las separaciones entre pilotes, s, están basadas principalmente en la forma en que trabaja el pilote en el suelo. Cuando trabajan de punta se pueden colocar más cerca, con un mínimo de s = 60 cm. En cambio cuando trabajan por fricción, se pueden distanciar bastante más, con un mínimo de s = 75 cm. Para pilotes vaciados en sitio, s ≥ 90 cm.

Para la determinación de la capacidad portante por la acción de grupo, existen varios criterios y fórmulas de efectividad. Se define como efectividad de un grupo de pilotes a la relación de la capacidad de un grupo de pilotes a la relación entre la capacidad real de carga del pilote en grupo y la del pilote individual aislado. Ver discusión más amplia y ejemplos en la referencia (Fratelli, 1993).

En pilotes en grupo que trabajan por punta, con separación s de 1.75 a 2 veces el diámetro D del pilote, se admite una efectividad del grupo de 1.00. Para pilotes a fricción hincados en suelos cohesivos, se emplean los valores publicados por Kérisel(1967) para suelos arcillosos con valores de efectividad de 0.55 para s = 2.5D hasta 1.0 para s = 10D. Es interesante encontrar que la efectividad de 0.95 corresponde a una separación entre pilotes de s = 8D. Esta es la separación especificado en la Subsunción 11.4.6.5 de la norma sismorresistente COVENIN 1756:2001 para no considerar el efecto de grupo de pilotes. Por la bibliografía citada para respaldar la disposición normativa (Baltrop, N. and Adam, S., 1991. Dynamics of fixed marine structures. London, Butterworworth Heinemann) suponemos que se adoptó de los pilotes debajo de estructuras marinas sujeta a la acción de las olas, en que para evitar la abrasión deben separarse un mínimo de 5D.

Como la reducción del valor de la capacidad por pilote depende de la forma y tamaño de la sección del grupo de pilote, de las separaciones entre ellos y de sus longitudes, alternativamente a reducir la carga teórica que actúa por pilote, generalmente resulta más económico incrementar la capacidad portante de cada pilote aumentando su longitud, de manera tal que cuando se aplique el factor de efectividad resulte el valor nominal total que el grupo debe soportar.

Asentamiento de los grupos de pilotes

De manera similar a otros sistemas de fundación, los pilotes en grupo pueden asentarse bajo las cargas impuestas por la estructura. Entre las causas de estos asentamientos se destacan la consolidación del suelo bajo las puntas de los pilotes o de los estratos que atraviesan los pilotes. La erosión del subsuelo bajo las puntas de los pilotes. Variación del nivel freático. Deslizamiento relativo de los pilotes respecto al suelo. Repartición no uniforme de las tensiones de fricción a lo largo del fuste de los pilotes. La posibilidad de que se produzca fricción negativa en los pilotes. Más de este tema especializado en la bibliografía (Fratelli, 1993).

Véase también el Anexo: Ayudas para el proyecto de cabezales > Recalce con pilotes de control

EL PROYECTO ESTRUCTURAL DE PILOTES

Al revisar la propuesta de pilotes del Estudio Geotécnico o de las empresas especializadas en pilotes, el ingeniero estructural debe tener presente las siguientes disposiciones normativas para pilotes de concreto:

En aquellos pilotes que embebidos en rellenos, suelos blandos o suelos potencialmente licuables se dispondrá acero transversal de confinamiento a lo largo de siete diámetros medidos desde la cara inferior del cabezal, y en toda la longitud del pilote dicho refuerzo será extendido dentro de la longitud del cabezal.

Los pilotes vaciados en sitio se armarán en toda su longitud con un porcentaje mínimo de acero longitudinal no menor del 0.5 % del área exterior pero nunca menor de 6 cabillas longitudinales y zunchos no menores del No. 3 con paso no mayor de 25 cm. La armadura debe ser suficiente para resistir las fuerzas de tracción en el pilote. 

RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS PARA PILOTES

Figura 5. Descabezamiento de pilote [fotografías de internet].

El método constructivo debe contemplar las características del terreno para evitar daños o discontinuidades en el pilote durante el proceso de instalación. También la influencia del método de construcción en la capacidad de carga del pilote y en la rigidez del conjunto suelo-pilote. Deberá investigarse la existencia de tensiones residuales en el pilote asociado con el método constructivo para tomarlas en cuenta.

Ver en Anexos:

BIBLIOGRAFÍA COMENTADA

  • ACI Committee 318 (2014). Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-14) y Comentario a Requisitos de Reglamento par Concreto Estructural (ACI 318RS-14). Farmington Hills, MI, 592 p. Debido a la restructuración del contenido de esta edición del ACI 318-14 con respecto a las ediciones previas, se sugiere al interesado descargar gratuitamente de internet la Transition Key: 318-14 to 318-11, y viceversa 318-11 to 318-14. Para el diseño de fundaciones consultar los Capítulos 13. Cimentaciones; 21. Factores de reducción de resistencia y 22. Resistencia de las secciones de los miembros.

  • Arnal, Henrique y Neri, Elinor (2013). Guía práctica para el proyecto de obras en concreto estructural. Pendiente de publicación. Para la conmemoración de los 50 años de la Facultad de Ingeniería de la UCAB, Caracas, en octubre 2013 se preparó esta actualización de la Guía práctica para el cálculo de obras de concreto con especial atención a la norma sísmica COVENIN 1756:98, que fue una edición interna de la Sala de Estructuras del Ministerio del Desarrollo Urbano, MINDUR, Caracas.

  • Bonucci M., Yiselle (2012). Dibujo de estructuras de concreto armado dirigido a los estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad de Carabobo. Trabajo de Ascenso a la Categoría de Profesor Asistente. UC, Valencia, 195 p. Dibujar a mano alzada es una de las llamadas “competencias” que debe adquirir el futuro ingeniero.

  • Bowles, Joseph (1995). Foundation analysis and design. 5taedición, Mc Graw Hill, Singapore, 1230 p. McGraw Hill Kogakusha, Tokio, 519 p. Relacionados con este Cuaderno, los capítulos: Cap. 16. Pilotes individuales. Capacidad estática, cargas laterales; Cap. 17 Análisis dinámico de pilotes individuales; Cap. 18 Grupo de pilote, con las Secciones. 18.8 Fricción negativa (también en una carpeta del Anexo Documentación complementaria); 18.9 Grupo de pilotes bajo cargas lateralmente y 18.10 Análisis matricial de pilotes en grupos.

  • Comisión Permanente de Normas para Estructuras de Edificaciones, MINDUR (1999). Sector Construcción, Mediciones y Codificación de Partidas para Estudios, Proyectos y Construcción. Parte IIA. Edificaciones. Norma Venezolana COVENIN 2000-92, 1003, 375 páginas + Parte 2: Edificaciones. Suplemento de la Norma COVENIN –MINDUR 2000/II.-92, COVENIN 2000-2:1999, 135 páginas. Ver en el Anexo: Ayudas para el proyecto de cabezales > Partidas de obra con pilotes

  • Epelboim, Salomón; Arnal, Henrique (1985). Manual para el Proyecto de Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones. Publicado por primera vez por Comisión de Normas para Edificaciones del Ministerio del Desarrollo Urbano de la República de Venezuela, Mindur, Caracas, 910 p. Posteriormente la Fundación Juan José Aguerrevere, Fondo Editorial del Colegio de Ingenieros de Venezuela, realizó un par de ediciones. El Manual está basado en las normas Estructuras de concreto armado para edificios Covenin - Mindur 1753, Edificaciones antisísmicas Covenin-Mindur 1756; Acciones mínimas para el proyecto de edificaciones Covenin-Mindur 2002; Cálculo de la acción del viento en el proyecto de edificaciones Covenin-Mindur. La información referente a pilotes se mantiene vigente, como se podrá apreciar en el Anexo: Ejemplos.

  • Fratelli, María G. (1993). Suelos, fundaciones y muros. Caracas, 570 p. Texto altamente recomendable para ingenieros civiles, por lo completo y didáctico del tratamiento del diseño estructural de los sistemas de fundación. En particular los Capítulos 12 Fundaciones profundas. Pilotes y pilas y 13 Cabezales y grupo de pilotes

  • Gaylord, Edwin and Charles (1979). Structural Engineering Handbook, 2nd edition. McGraw Hill Book Company, 1264 p. Contiene un capítulo sobre fundaciones muy utilizado como referencia para la interpretación de los estudios geotécnicos y el diseño de sistemas de fundaciones. Ver Anexos: Ayudas para el proyecto de pilotes > Fórmulas geotécnicas para pilotes.

  • Gutiérrez, A (2017, 2016). Cuaderno del Ingeniero dedicados a Fundaciones: N°. 29 y Cuadero del Ingeniero N° 30, Consideraciones geotécnicas, Boletín de la Red Latinoamericana de Construcción en Acero N° 85, 2016. N° 31 y N° 32 Consideraciones estructurales, Boletines de la Red Latinoamericana de Construcción en Acero N° 86 y N° 87, 2017. N° 32 Fundaciones II: Consideraciones estructurales. Parte 2: Losas de Fundación, cuyos respectivos Anexos son pertinentes al presente Cuaderno. 

  • Gutiérrez, A. (2009, 1994 y 1995). Hemeroteca personal. Extractos pertinentes se han colocado en Anexos: Documentos complementarios > Potencialidades de la construcción con pilotes

  • Lange Acevedo, Germán y Jorge Ramírez Pláz, Jorge (1970). Lecciones de Fundaciones Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Civil, Universidad Santa María, Caracas, Abril 1970, 228 páginas. Se han tomado algunas notas y figuras de las clases del Dr. Otto Gratzer para incorporarlas en este Cuaderno.

  • Velásquez, José M. Apuntes de la asignatura Proyectos de Estructuras de Concreto. Facultad de Ingeniería, Universidad Católica “Andrés Bello”, Caracas. Incluye notas de sus cursos sobre Diseño estructural de fundaciones. Parte II. Cabezales y Pilotes, que dicta desde 1981. Además de su amplia y exitosa experiencia profesional (por ejemplo, ninguno de los edificios que proyectó reportó daños en el terremoto de Cariaco, 1997) y su sólida formación teórica, es un experto en los sistemas de fundación para todo tipo de edificaciones y equipos.

ANEXOS

Los Anexos están formados por los Documentos complementarios, las Ayudas para el Proyecto y los Ejemplos

DOCUMENTOS COMPLEMENTARIOS

Incluye los documentos que por dificultades en su obtención, o por señalar futuras tendencias en el tema, o para facilitar la posterior lectura del artículo principal sin necesidad de recurrió a internet. 

Se entregan tres trabajos independientes y 5 carpetas.

  • Apuntes Pilotes UBA
    Excelente resumen de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires que abarca desde los conceptos básicos a las prácticas constructivas. Recomendamos enfáticamente que sea uno de los primeros documentos a consultar.

  • Pilotes para torres autosoportadas
    Es un trabajo especial de grado, TEG, dedicado a los pilotes, que sin cabezal, se emplean en las torres de la industria eléctrica.

  • Potencialidades de la construcción con pilotes
    Contiene dos trabajos independientes:

Extracto del Trabajo de Grado Zonas consuelos compresibles en la ciudad de San Miguel y aplicabilidad de cimentaciones profundas, Septiembre 2004, 193 p., por Marvin  Segovia, T. S y Osman R. Alvarado Cruz, Universidad de Oriente, El Salvador.

AYUDAS PARA EL PROYECTO DE PILOTES

Esta carpeta agrupa tanto los documentos que apoyan, teórica y prácticamente, los ejemplos como la práctica de un proyecto.

Consta de 7 trabajos independientes y dos subtemas:

Tablas para pilotes:

Estudios especiales de suelo

EJEMPLOS

Se entregan ejemplos con la aplicación de los conceptos, metodologías y las disposiciones normativas mencionadas en el texto principal del Cuaderno.

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