Conexión de micropilotes con estructuras existentes de hormigón

Abstract

Los micropilotes son pilotes de pequeño diámetro que se construyen mediante la introducción de una armadura cilíndrica en una perforación del terreno y la posterior inyección de lechada de cemento que termina rellenando y recubriendo dicha armadura. Su uso para el recalce de cimentaciones de hormigón es, actualmente, la técnica más utilizada y extendida, y se materializa conectando varios micropilotes a una cimentación superficial. La manera habitual de realizar la unión de los micropilotes con la cimentación superficial es mediante la conexión directa, en la que los micropilotes se ejecutan perforando el suelo por rotación sobre la propia cimentación. De esta forma, la conexión directa micropilote-cimentación se genera por el contacto entre materiales hormigonados en distintas fases. En concreto, por el contacto entre el hormigón de la cimentación y la lechada del micropilote en la superficie cilíndrica de perforación.

El diseño de los recalces requiere la verificación de varias comprobaciones geotécnicas y estructurales que aseguren la correcta transmisión de cargas estructura-terreno. Entre ellas, la comprobación de la conexión directa es la más limitante, ya que los últimos cambios normativos han reducido a la mitad la resistencia en la interfaz lechada-hormigón, denominada como tensión de adherencia. Anteriormente, esta tensión de adherencia se calculaba con la formulación de resistencia a cortante del hormigón, mientras que ahora se equipara a la tensión rasante en juntas de hormigones. Este cambio, parece adecuado cualitativamente al ser la resistencia por el contacto de dos materiales hormigonados en dos fases, tal y como ocurre realmente, pero no estaría avalado cuantitativamente por los resultados experimentales ya publicados. Dichos resultados muestran que la tensión de adherencia real es muy superior a los valores teóricos que arrojarían las fórmulas de tensión rasante en juntas de hormigonado.

La consecuencia directa de este cambio normativo es que, en muchos casos, para un mismo nivel de cargas, ahora es necesario construir más micropilotes con el único fin de repartir las cargas entre un mayor número de perforaciones, y reducir así la carga que recibe cada conexión. Por lo que, por un lado, este cambio normativo ha incrementado el empleo de materiales de construcción con elevado coste económico e impacto ambiental. Y, por otro lado, el incremento de excavación resultante supone un mayor volumen de materiales de desecho a llevar a vertedero.

Dada esta situación, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es el diseño de un nuevo sistema de conexión directa que aumente la resistencia respecto a la conexión directa convencional. El nuevo sistema consiste en construir un sobre-ancho con la lechada del micropilote cuya función es generar un tope en la conexión que evite el deslizamiento relativo del micropilote por la perforación de la cimentación. Dada la forma que adquiere el nuevo sistema de conexión, se ha denominado conexión directa con sombrero. Así, este diseño cambia la resistencia por contacto actual a un modelo de resistencia por punzonamiento, en el que se emplearía la resistencia por cortante anterior, que incrementaría la resistencia de la conexión directa. De este modo, la comprobación asociada a la conexión dejaría de ser limitante, volviendo a los diseños previos de recalces con menor coste económico y menor generación de volumen de residuos, lo que reduciría a su vez el impacto de este tipo de estructuras sobre el medio ambiente.

Para cumplir este objetivo se estudia la conexión directa desde tres perspectivas diferentes. La primera es el estudio de la repercusión económica del cambio normativo. La segunda es la caracterización de la conexión directa convencional y del nuevo sistema de conexión mediante experimentación en laboratorio. La tercera es la simulación numérica mediante el método de elementos finitos de la conexión directa convencional y con sombrero.

La perspectiva económica se aborda calculando los presupuestos de 29 obras ya ejecutadas con la normativa vigente, cuyos resultados se comparan con los presupuestos que se obtienen al emplear las fórmulas aplicadas en las últimas décadas. Este análisis determinístico se ha completado con otro probabilístico mediante una simulación Monte Carlo.

La experimentación en laboratorio se ha desarrollado a partir de un Diseño de Experimentos en el que el factor principal es el tipo de conexión directa: convencional o con sombrero. Asimismo, también se han incluido otros factores que se prevé controlan la resistencia de la conexión, como son el diámetro de perforación, o la resistencia del hormigón de la cimentación. El Diseño de Experimentos se compone de 40 probetas a escala real ensayadas a compresión, cuyo diseño final se ha definido gracias al ensayo previo de 8 probetas a escala reducida.

Por último, la simulación numérica proporciona una valiosa información sobre el estado tensional que se genera en el micropilote, en la conexión y en la cimentación. De esta forma, es posible verificar los modos de fallo producidos en las diferentes probetas ensayadas, permitiendo establecer estrategias para evitar cada uno de estos modos de fallo.

Respecto a los resultados, el estudio económico indica que los cambios normativos han supuesto un incremento económico medio del 40% en los presupuestos de los proyectos de recalce que, en algunos casos, puede llegar al 60%. Asimismo, este estudio muestra que, a partir de tensiones de adherencia de 0,6 MPa no se producen ahorros significativos, y que no sería económicamente eficiente superar el valor umbral de 1,0 MPa.

Los resultados experimentales de la conexión directa muestran unos valores de tensión de adherencia dentro del rango 1,0-2,0 MPa, muy superiores a los valores teóricos que se desprenden de las formulaciones de las normativas que se vienen aplicando actualmente. Además, indican que el nuevo sistema de conexión es estadísticamente un 39% más resistente, por lo que su uso estaría justificado, incrementando sustancialmente el nivel de seguridad de la conexión. Además, su implementación representaría un sustancial ahorro económico y la reducción de impactos ambientales derivados de un menor uso de materiales de construcción y la reducción de residuos.

Por último, la simulación numérica de las probetas ensayadas a compresión con elementos finitos identifica claramente las zonas más tensionadas de las conexiones, al coincidir con aquellas en las que se producen los diferentes modos de fallo. Si bien no ha sido posible calibrar el modelo numérico con los resultados experimentales, éste sí que ha servido para advertir las tracciones que se generan en el bloque de hormigón de la probeta por efecto Poisson del micropilote en la conexión, que supondrían un riesgo de rotura monolítica y frágil de la cimentación. Por lo tanto, aunque los modelos utilizados no son capaces de predecir con exactitud los valores numéricos de los ensayos realizados, sí que son de gran ayuda para predecir cualitativamente el comportamiento tensional de ambos tipos de conexión.