Diseño de micropilotes: conceptos previos y normativa

¿Cómo podemos asegurar la idoneidad de los micropilotes? Te explicamos esto y mucho más en este fragmento de texto, extraído de uno de los módulos del “Curso de Diseño y ejecución de micropilotes

1. Introducción al diseño

1.1. Conceptos previos

Durante el diseño de cualquier elemento con responsabilidad estructural en contacto con el terreno, hay que realizar siempre las siguientes comprobaciones para asegurar la idoneidad del mismo:

• Comprobar que el entorno de trabajo es adecuado para los equipos que realizarán la ejecución: maniobrabilidad, gálibo, condiciones de rodadura, presencia de taludes, distancia a estructuras o servicios, sensibilidad a vibraciones, presencia de cavidades (karstificaciones, galerías de minería, túneles, bodegas, etc.), terrenos especiales (expansivos, colapsables, susceptibles de sinéresis, arcillas rápidas, etc.), presencia de fallas, etc.

• Asegurar que la capacidad resistente del elemento –denominado habitualmente tope estructural en cimentaciones profundas- frente a los esfuerzos a los que se encontrará sometido (compresiones, tracciones, cortante, flexión, torsión, inestabilidad por pandeo, abolladura, etc.) se encuentra asegurado en todos sus puntos con un factor de seguridad adecuado al nivel de incertidumbres del proyecto.

• Estudiar la resistencia de la conexión del elemento profundo con el sistema de encepado y, si se trata de un proyecto de recalce, se debe también comprobar la resistencia de la conexión con la estructura preexistente.

• Determinar que los mecanismos de trasmisión de esfuerzos desde el elemento estructural al terreno no provoque fallos por rotura o excesos de movimientos que puedan comprometer la integridad estructural y la funcionalidad y estética de la propia estructura o de otras aledañas. Esta comprobación deberá incluir los posibles efectos de grupo según la configuración, sección y espaciado de los elementos.

• Evitar daños en el entorno físico de la obra: estructuras civiles o de edificación, viales, elementos naturales, servicios, etc., tanto durante las diferentes fases de ejecución de la estructura como durante la vida útil de la misma.

• Comprobar que la inclusión de elementos artificiales en el terreno no provoque un impacto negativo sobre los regímenes de circulación hidrológica: efectos pantalla de cimentaciones profundas o muros de contención subterráneas, que puedan derivar aguas subálveas, aparición de fenómenos de turbulencia y arrastre en cursos fluviales, comunicación de acuíferos, favorecimiento de la aparición de subpresiones, etc.

• En estructuras sometidas a cargas dinámicas (puentes de ferrocarril, pedestales de máquinas con vibraciones, zonas sísmicas, etc.), verificar que no se producen daños.

• Asegurar la durabilidad de los elementos estructurales en contacto con el terreno para la vida útil del proyecto.

En general, para reducir los costes y plazos asociados a la perforación de elementos profundos, uno de los principales objetivos del diseño es tratar de reducir el número de elementos necesarios, utilizando para ello secciones de alta capacidad, si es posible. Esta alta capacidad debe armonizar tanto una buena resistencia estructural a nivel de las secciones con esfuerzos pésimos, así como un buen desarrollo de resistencias por parte del terreno.

En el caso particular de los micropilotes, desde el punto de vista de la elección del tipo de armado (barras o elementos tubulares), en el caso en el que existan ciertos esfuerzos laterales las armaduras tubulares se revelan como más eficientes, al poder desarrollar mayores brazos mecánicos con el menor coste.

En EEUU, según la FHWA, los diámetros exteriores de armaduras de acero tubular más utilizados son los de 141, 178 y 245 mm, en calidad N80. En España, diferentes fabricantes pondrán a nuestra disposición diversos diámetros, por lo que es importante consultar en el entorno especializado del proyecto cuáles son los materiales disponibles (sigue siendo relativamente común tener que realizar algún cambio en fase de ejecución del tipo de armado por no encontrar un fabricante que proporcione exactamente el tipo de armadura buscado, por lo que esa consulta previa suele ser recomendable para evitar cambios respecto al diseño original). A modo de ejemplo, se pueden comparar las geometrías propuestas con la GMOC con algunas propuestas comerciales:

Geometrías más habituales de armaduras tubulares según la GMOC (donde Dp es el diámetro de perforación, D el diámetro de la camisa de perforación y de el diámetro exterior de la armadura tubular)

 

Catálogo de armaduras tubulares N80 (Melma)

Catálogo de armaduras tubulares N80 y autoperforantes (Sisgean)

En este módulo, particularizando nuestro estudio a los micropilotes, describiremos en el segundo capítulo las comprobaciones necesarias para asegurar el tope estructural y la durabilidad de este tipo de cimentaciones para, a continuación, determinar en el capítulo 3 cómo se puede realizar un diseño geotécnico equilibrado para evitar problemas de rotura del terreno, asientos excesivos, movimientos laterales por encima de un umbral límite, etc., así como las precauciones de diseño en refuerzos de laderas, que será el objetivo del tema 4. Además, repasaremos en el capítulo 5 qué herramientas de control existen a nuestra disposición para asegurar que nuestros objetivos de diseño resultan debidamente ejecutados y si realmente responden al comportamiento que habíamos previsto a priori.

 

1.2. Normativa

Para realizar las diferentes comprobaciones de cálculo de los micropilotes, en el presente módulo emplearemos principalmente el enfoque de diseño explícitamente contemplado por la “Guía para el proyecto y la ejecución de Micropilotes en obras de Carretera” (en lo que sigue, denominada GMOC de forma simplificada), aunque haremos mención de otras normativas en algunos apartados por su utilidad. Así, el enfoque utilizado será el correspondiente al método de los coeficientes parciales de seguridad, análogo en su mecánica a los métodos LFD (Load Factor Design) o LRFD (Load and Resistance Factor Design) que aparecen descritos en algunos de los reglamentos en habla inglesa de uso más extendido en el mundo, como las estadounidense “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications” (de la que se ha publicado su 8ª edición en 2017).
Así, siguiendo la nomenclatura contenida en la GMOC, en general, para cualquiera de los posibles modos de fallo del micropilote se deberá verificar:

 

 

Donde:
• Rd: Resistencia de cálculo a un modo de fallo (se obtiene minorando los valores característicos de las propiedades resistentes de los materiales –acero, lechada- o del terreno, según el modo estudiado)
• Ed: Esfuerzo de cálculo para el mismo modo de fallo (se obtiene a partir de las acciones mayoradas)

Antes de pasar a describir las formulaciones específicas que utilizaremos en el presente curso para el diseño de micropilotes, debemos recordar que la GMOC también admite (apartado 3.2.1.) la utilización de métodos que utilicen factores de seguridad globales, de forma análoga a los métodos denominados por sus siglas inglesas ASD (Allowable Stress Design) –denominado alternativamente SLD (Service Load Analysis) si se comparan fuerzas actuantes y resistentes-, lo que en algún caso puede generar confusión.

En efecto, la convivencia actual de los métodos de factores parciales con los de factores globales puede ser en algunos casos fuente de errores si no analizamos debidamente las bases de cálculo de la normativa que estemos utilizando en cada caso. Aunque la tendencia actual de las normativas más modernas (como la mencionada AAHSTO, la GMOC o el Eurocódigo 7) es a implementar metodologías LRFD, que cuentan con una sólida base estadística, estos métodos todavía coexisten con los ASD, más basados en reglas empíricas y en el juicio de los técnicos que los aplican, además de ser formalmente diferentes en su formulación.

Así, en el caso concreto del diseño de micropilotes, hoy en día siguen existiendo ciertos reglamentos y guías que no se encuentran todavía armonizadas, como es el caso en obras de carretera del manual “Micropile Design and Construction” (2005) de la FHWA, todavía vigente, que sigue implementando el enfoque ASD, entrando en contradicción con la AASHTO LRFD, que prevé el enfoque LRFD para micropilotes, o con la propias publicaciones de la FHWA para superestructuras de puentes “LRFD for Highway Bridge Superestructures” (2015) o para cimentaciones de puentes en general (pero no específicamente para micropilotes) “Implementation of LRFD Geotechnical Design for Bridge Foundations” (2011).

En el caso de estructuras de edificación, en el IBC-2012 (International Building Code) incluso se da la circunstancia de que en su articulado todavía conviven las metodologías ASD y LRFD en diferentes escenarios de diseño, estando específicamente prescrito el ASD en el caso de cimentaciones.

Por ello, a la hora de determinar las combinaciones de cargas y la resistencia del terreno, se debe tener claro el método utilizado, ya que esto puede ser una fuente de errores de bastante relevancia (sigue siendo todavía relativamente común encontrar esta clase de errores en la actualidad).

Para entender que significan cada uno de estos enfoques y sus implicaciones en el diseño de los micropilotes, podemos describirlos brevemente (Bridge Design Practice, Caltrans, 2015):

• ASD (Allowable Stress Design): Diseño por tensión admisible (también conocido como diseño por tensión de trabajo, WSD, o método de los coeficientes globales, en la práctica española).

Este enfoque se basa en imponer que la máxima solicitación esperable sobre un elemento estructural (compresión, tracción, etc.) no sobrepase una cierta resistencia admisible (que será igual a la resistencia esperable de ese elemento para ese tipo de esfuerzo, dividida por un factor de seguridad adecuado). Estas magnitudes de carga y resistencia suelen describirse, habitualmente, en forma de tensiones. Matemáticamente:

 

 

Donde:
: Efecto conjunto de las cargas de servicio, obtenido por análisis elástico en la estructura, sin mayorar
o Rn: Resistencia nominal (límite elástico, carga de pandeo, etc.)
o FS: Factor de seguridad (se puede basar en estudios previos, experiencia, etc., y suelen ser sugeridas por diferentes normas)

Este método considera que la variabilidad estadística esperable de cada diferente tipo de carga en una determinada combinación de cargas es idéntica. Además, no realiza un tratamiento estadístico de la probabilidad de que pueda verificarse simultáneamente la aparición de una carga total superior a la esperada y una resistencia menor a la estimada, dejando esta labor en un único factor de seguridad global.

LFD (Load Factor Design): Diseño por factor de carga o diseño último.

Este método considera que algunas cargas variables (como las cargas de tráfico y el viento) tienen una mayor variabilidad que las cargas muertas o el peso propio de los elementos estructurales. Para materializar esta realidad, esta metodología introduce el uso de ciertos coeficientes parciales de mayoración de cargas gi, diferentes para cada una de ellas:

 

 

Donde:
o gi: Factores parciales de mayoración de cargas
o F: Factor reductor de la resistencia

El factor reductor de la resistencia F tiene en cuenta la posibilidad de que el elemento comprobado pueda tener alguna merma geométrica, de que la resistencia de alguno de sus materiales constituyentes inferior a la esperada o de que el método de cálculo de la resistencia no sea considerado como muy preciso.

Aunque el método es un avance en la consideración de las diferencias de variabilidad estadística de las diferentes cargas, tampoco aborda estadísticamente –al igual que el ASD- la probabilidad de que puedan producirse simultáneamente solicitaciones excesivas y resistencias insuficientes respecto a lo previsto, y suele basar los factores de seguridad parciales en función de experiencias previas o del juicio del técnico. Por ello, el método LFD es formalmente muy semejante al enfoque LRFD, pero la calibración de sus coeficientes de seguridad no tiene la base probabilística de este último.

LRFD (Load and Resistance Factor Design): Diseño por factores de carga y de resistencia, o diseño último, implementados en España para el diseño de cimentaciones como los métodos de estados límite, en los que se emplean coeficientes parciales no solamente para las acciones y sus efectos, así como a la resistencia en su conjunto y a los parámetros característicos de los materiales (tanto de los estructurales como los que definen el comportamiento y propiedades resistentes del terreno).

A diferencia, del ASD o el LFD, este enfoque es de tipo probabilístico, y considera que tanto los valores de las cargas como los de la resistencia son variables aleatorias independientes, con funciones de distribución de frecuencias relativas diferentes.

Según esta metodología, se considerará que la resistencia de un elemento estructural frente a un modo de fallo determinado (compresión o flexión de una cimentación profunda, corte generalizado de un terreno, etc.) se habrá obtenido con un cierto grado de incertidumbre (fruto de la naturaleza variable de características de los materiales, de errores y defectos constructivos, de las propias incertidumbres de los diferentes tipos de ensayos que permiten definir dichas características, de la fiabilidad descriptiva y predictiva de los modelos constitutivos y de los modelos de cálculo –elástico, plástico, no lineal, segundo orden, edométrico, reológico, etc.-, de la evolución en el tiempo de las propiedades resistentes, etc.).

Por otra parte, el elemento que se diseña estará sometido a unos determinados esfuerzos, producto de la combinación de una serie de acciones con una cierta variabilidad, algunas de las cuales, incluso, solo pueden determinarse con modelos probabilísticos de predicción (viento, sismo, etc.). Además, los métodos LRFD admiten que en cualquier diseño existe una cierta probabilidad de fallo, por lo que la calibración de los coeficientes parciales de seguridad tendrá como objeto minimizar esa probabilidad.

Si representamos las curvas de distribución de frecuencias relativas de carga y resistencia, admitiendo que son variables aleatorias normales, obtendremos una gráfica como ésta:

 

Figura 1 1. Distribución de frecuencias relativas del efecto de las cargas Q y de la resistencia R (Fuente: Caltrans)

 

En esta figura, Q y R representan respectivamente los valores medios de las cargas y de la resistencia. El diseño del elemento frente al estado límite que se quiere comprobar será correcto siempre y cuando la resistencia sea mayor que el efecto de las cargas. Como se puede observar en la zona de solape de curvas de distribución, existe una cierta probabilidad, deseablemente pequeña, de que la resistencia pueda ser inferior a las cargas. Así, la probabilidad de que R<Q es función de los valores medios de cargas y resistencias y de su dispersión.

Sin embargo, en un diseño determinado, nuestros cálculos nos llevaran a una cierta carga nominal Qn y resistencia nominal Rn, que no tienen por qué coincidir con los valores medios de cada magnitud. Así, las normativas que implementan los métodos LRFD han calibrado, precisamente, los factores parciales de seguridad de forma independiente para cargas y para resistencias, con el objetivo de separar lo suficiente las curvas de frecuencia de ambas variables, haciendo que su área de solape sea inferior a un valor aceptable.

Para calibrar esos valores de factores parciales, se definió un índice de confiabilidad b (reliability index) que tenía en cuenta la forma y posición de las distribuciones de frecuencias de carga y resistencias, a partir de un tratamiento estadístico de diferentes tipos de solicitaciones, por un lado, y materiales, por otro:

 

 

Donde:
o R y Q: Valores medios de cada distribución de valores resistentes y cargas
: Coeficientes de variación de cada distribución (también denominados desviaciones estándar relativas, iguales al valor de la desviación estándar dividido por la media)

En el caso de la AASHTO LRFD, se realizó el tratamiento estadístico de unos 200 puentes en todo Estados Unidos, con diferentes materiales, terrenos, solicitaciones, etc., eligiendo un valor de b=3.5 como objetivo.

Finalmente, antes de entrar en la descripción de las principales consideraciones de diseño para micropilotes, es importante resaltar una última cuestión: incluso cuando dos normativas utilizan el mismo enfoque, por ejemplo el ASD, no tienen por qué utilizar los mismos coeficientes de seguridad, por lo que los resultados con una u otra pueden diferir sensiblemente, en ocasiones.

Por ello, es muy importante guardar consistencia en todos los cálculos, evitando utilizar simultáneamente normativas que puedan ser contradictorias entre sí (lo que tiene una gran importancia a efectos de responsabilidad civil del técnico de diseño: como veremos a modo de ejemplo, un diseño del tope estructural de un micropilote frente a esfuerzos de compresión mediante la AASHTO LRFD suele ser menos conservador que el contemplado por el IBC, aunque se encuentra más del lado de la seguridad que la FHWA).

Además, no podemos olvidar, aunque a priori resulta evidente para cualquier técnico, que una cimentación no “sabe” si las cargas que recibe son de una grúa portuaria, un pilar de edificación o una pila de un puente, poner algunos ejemplos. Sin embargo, el hecho de utilizar una normativa de un ámbito (por ejemplo, civil) para otro (por seguir ilustrándolo, edificación), puede suponer una fuente de conflicto durante un juicio sobre fallos estructurales por una cuestión de índole estrictamente legal.

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