Recomendaciones técnicas para la realización de ensayos de carga estática en la cimentación de plantas fotovoltaicas

Este artículo incluye una serie de recomendaciones para el planeamiento de campañas de ensayos de carga estática que permitan estimar las características del terreno de cara al diseño de cimentaciones de plantas solares fotovoltaicas mediante pilotes cortos hincados. Son recomendaciones basadas en la experiencia de Orbis Terrarum tras participar en la investigación geotécnica y ensayos de carga de más de un centenar de plantas en diversos países del mundo que totalizan más de 3.500 Mw construidos, interviniendo en trabajos geotécnicos de todo tipo y en las diferentes fases de los proyectos o de las obras: estudios geológico-geotécnicos de viabilidad o de detalle, campañas de hinca de perfiles metálicos y pruebas estáticas de carga, asistencia técnica a proyectistas o constructores, ingeniería de detalle, etc.

En general, la gran mayoría de las estructuras que soportan los paneles y seguidores solares que conforman estas plantas se cimientan mediante perfiles metálicos hincados en el terreno, buscando una optimización de costes y plazos de ejecución, compatible con la seguridad estructural de la construcción. Es este tipo de cimentación la que aborda el artículo, factible en general en un abanico muy amplio de tipos de terrenos, ya sea mediante perfiles simplemente hincados en suelos de compacidad o consistencia baja a alta, o con actuaciones previas a la hinca como la pre-perforación y mejora del material de relleno del taladro con material granular, mortero de cemento e incluso hormigón.

Estas cimentaciones vienen ejecutándose con perfiles metálicos de canto inferior a 200-250 mm con una profundidad de empotramiento en el terreno superior a 1,50 m, respondiendo a una tipología de pilote aislado corto. Para su diseño habrá que tener en cuenta las normas, guías y códigos aplicables en cada país así como toda referencia bibliográfica técnica útil usualmente aceptada por la comunidad geotécnica que tienda a enriquecer la conclusiones del informe. Hay que destacar el tratamiento que se le da al análisis a este tipo de ensayos en el ‘Eurocódigo 7: Proyecto Geotécnico. Parte 1: Reglas Generales’, si bien se dispone además de otras publicaciones oficiales que tratan este tipo de cimentación con rigor técnico.

La tipología de cimentación descrita, de perfiles metálicos cortos sometidos a cargas que podríamos calificar como moderadas, permite poder dimensionarla a partir de sencillos ensayos de carga estática a escala real. En otro tipo de obras civiles de mayor envergadura se está más habituado a determinar las características resistentes del terreno a partir de expresiones analíticas de guías y recomendaciones empleando para ello los valores de parámetros geotécnicos representativos (densidad, cohesión, resistencia al corte sin drenaje, ángulo de rozamiento interno, etc.) y de resistencia última (punta, fuste a tracción, fuste a compresión, etc.) obtenidos a partir de los ensayos de campo (resistencia a la penetración estándar, ensayos presiométricos, etc.) y de ensayos de laboratorio.

Los ensayos de carga estática a escala real en ningún caso pueden ser sustitutivos de la realización de un buen estudio geológico-geotécnico ni pueden ser argumento para minimizar el alcance de éste.

Todo lo contrario, el éxito de una campaña de ensayos de carga estática depende en gran medida de su adecuado planeamiento y para ello es fundamental disponer de un estudio geotécnico con un alcance correcto que provea de datos útiles y reales. No hay que olvidar, además, la necesidad formal o administrativa en cuanto a la realización del estudio geológico-geotécnico derivada de la legislación vigente.

El alcance de este tipo de estudio para plantas fotovoltaicas y las directrices básicas para su planeamiento ya fueron objeto de otro artículo por parte de Orbis Terrarum (ver ‘Especificaciones técnicas para la solicitud de un estudio geológico-geotécnico en plantas fotovoltaicas’, Interempresas, septiembre de 2016 y actualización de 2018). Entre los aspectos que debe recoger el estudio geotécnico para la valoración técnica y económica de la posterior campaña de ensayos de carga estática cabe destacar tres de ellos:

• Zonificación de los distintos tipos de terreno en función de la geología. En especial, detección de zonas existentes de rellenos antrópicos o de baja capacidad soporte del terreno y zonas ocupadas en planta por las futuras instalaciones fotovoltaicas en las que esté previsto desmontar o rellenar.

• Definir mediante ensayos de penetración las zonas en las que a priori la hinca de los perfiles es viable y las zonas en las que no es viable, de cara a prever en la campaña de ensayos de carga la necesidad de realizar trabajos complementarios a la simple hinca del perfil: perforaciones, tratamiento de las perforaciones, etc.

• Detectar riesgos geológicos del propio terreno que puedan afectar a las cimentaciones: colapsabilidad, expansividad, inundabilidad, zonas erosionables, etc., así como otros aspectos que pudieran afectar a los perfiles del cimiento como la corrosividad.
• Una primera estimación de la resistencia del terreno por fuste de cara a establecer un primer valor de la longitud de empotramiento de las hincas.

Además del conocimiento del terreno que nos aporta el estudio geotécnico, la otra parte importante a la hora de planificar y realizar una campaña de ensayos de carga estática debería ser el conocimiento del orden de magnitud de las acciones que la estructura transmite al terreno.

Disponer de ambos documentos, estudio geotécnico y estudio de cargas sobre el terreno, permitirá evaluar el número de ensayos a realizar y densidad de puntos de ensayo por zonas, prever el empotramiento de los perfiles en el terreno, necesidades de preparación del terreno previa a la hinca, incrementos de carga a realizar durante los ensayos, etc.

No existe hasta el momento normativa específica que establezca el número de ensayos para este tipo de construcciones. El número de ensayos a realizar en una parcela estaría sujeto a dos factores fundamentales principalmente: la superficie de la parcela y la heterogeneidad litológica existente en la parcela.

Las diversas especificaciones técnicas de campañas de este tipo que han llegado hasta Orbis Terrarum ya ponen de manifiesto la falta de criterios comunes cuantitativos y/o cualitativos entre los diversos peticionarios de este tipo de campañas a la hora de establecer el número de ensayos de carga para un proyecto, habiéndose recibido criterios que dependen de la potencia instalada (quizás motivados más por temas económicos tratando de limitar el gasto del estudio en función de la potencia) o que simplemente lo dejan al libre albedrío del ofertante.

Orbis Terrarum propone como dato básico de partida para la determinación del número de ensayos la superficie en planta de la zona ocupada por los paneles. Tras estudiar y analizar un número significativo de campañas cuyo planteamiento en cuanto al número de ensayos ha parecido razonable, ya sean campañas propias ejecutadas por Orbis Terrarum u otras realizadas por otras empresas que se han supervisado o realizado algún tipo de ampliación técnica, se propone la siguiente expresión para determinar el número de ensayos:

Donde:

• N= Número total de ensayos a realizar (tracción, compresión y carga lateral)
• S= Superficie de la parcela (Ha)

Expresión que se deduce de la tendencia media de la curva ‘Superficie-Número de ensayos por Ha’ que se presenta en la figura 2. La curva roja representa la línea de tendencia media que mejor se ajusta a la serie de datos puntuales de las campañas de ensayos de carga estática de las que se ha dispuesto información.

Tal como ya se ha citado, hay factores como la mayor o menor variabilidad litológica o los cambios de espesor y/o resistentes que estas litologías tienen tanto en planta como en profundidad que pueden hacer necesario incrementar o disminuir el número de puntos de ensayo. En este sentido, los datos puntuales de las campañas de los que se ha dispuesto han servido también para establecer dos envolventes que reflejarían la variabilidad litológica y resistente del terreno respecto la curva media propuesta. La figura 2 también muestra una envolvente superior (curva marrón) que podría servir como referencia para parcelas complejas en cuanto a su cartografía, con gran variabilidad tanto en unidades geológicas diferenciadas como en sus características resistentes incluso dentro de la propia formación y, una curva inferior (curva naranja), representativa de zonas de estudio con una significativa homogeneidad litológica y de resistencia del terreno.

Por último, se quiere recalcar en la calidad en la ejecución de los ensayos. Como se puede intuir, la expresión propuesta lleva en las grandes superficies de investigación a un número de ensayos grande. No debe caerse en la inercia de una ejecución rutinaria, sin análisis de resultados en paralelo, que lleve a la pérdida de atención sobre los ensayos y a la posibilidad de realizar ensayo tras ensayo sin ningún valor añadido al estudio.

El rendimiento de ensayos por día es muy variable y depende del procedimiento de ensayo en cuanto a los escalones de carga, preparación del perfil (pre-perforación o no), tiempo de estabilización del desplazamiento, etc. Se juzga que un rendimiento medio en los casos en los que la reacción se realiza con maquinaria pesada podría estar en torno a los 15 ensayos/día con un máximo del orden de 18 ensayos/día.

Siempre debe ser prioritario contar con ensayos correctamente ejecutados que con muchos ensayos de dudosa calidad e interpretación.

Es condición previa antes de realizar una campaña de ensayos de carga estática conocer si es factible la hinca de los perfiles o conocer si es necesaria la realización de algún tipo de trabajos previo para facilitar su hinca (pre-perforación por ejemplo). Es por ello que en la fase de estudios de viabilidad es básico determinar la capacidad del terreno para admitir una cimentación mediante perfiles hincados, ya sea como parte ineludible del estudio geotécnico a través de ensayos de campo del tipo penetración dinámica continua, o mediante el planteamiento de una campaña previa de hinca de perfiles, que además, permitiría tener datos preliminares del comportamiento del terreno frente a esfuerzos axiales y laterales.

Realizar la campaña de ensayos de carga estática en fase de proyecto con perfiles de forma y dimensiones similares a los diseñados es fundamental para proyectar la longitud de empotramiento de los perfiles y determinar con la mayor aproximación posibles los parámetros de resistencia última del terreno y estimación de los desplazamientos de les estructuras.

Mientras que para un estudio de viabilidad el objetivo fundamental es evaluar si este método constructivo es adecuado y predimensionar la longitud de empotramiento, el procedimiento de ensayo en la fase de proyecto debe sugerir una carga máxima similar a la del cálculo de la estructura, es decir, los valores de cálculo de las acciones (cargas mayoradas) de tracción, compresión y carga lateral que el perfil transmite al terreno en el ensayo deben ser conocidos a la hora de realizar el procedimiento o, como mínimo, unos valores muy aproximados.

Se quiere hacer hincapié sobre el carácter estático de las cargas aplicadas. Aunque se realicen ciclos de carga-descarga, las cargas se aplican durante un tiempo determinado que permita la estabilización de los desplazamientos y deben considerarse como estáticas. En el caso que nos ocupa, las acciones transitorias o variables del sismo, viento o nieve son consideradas como habitualmente se tratan según la normativa vigente en el cálculo de cimentación de estructuras de edificación, obra civil, etc.

En cuanto al efecto de la posible fatiga del terreno durante la hinca del perfil (carga dinámica), se juzga que la realización del ensayo inmediatamente después de la hinca ya lleva en el resultado del ensayo implícito el efecto que hubiera podido causarse de disminución resistente del terreno por la acción puntual de la carga dinámica durante la hinca, si bien es un aspecto sobre el que es difícil establecer un criterio único.

En algunos terrenos más sensibles a la variación de su resistencia en función de la humedad, obliga a simular situaciones de saturación en el terreno perimetral al perfil mediante inundación.

Otros efectos de pérdida de resistencia a largo plazo de terrenos sensibles ante cargas repetitivas queda fuera del alcance de estos ensayos. También el caso de efectos como la licuefacción, expansividad-retracción del terreno o heladicidad.

4.1.- Equipos de ensayos

La maquinaria y equipos de medida que emplea Orbis, necesarios para estos ensayos son básicamente:

• Equipo de hinca.

• Perforadora para la realización de taladros con utillaje capaz de perforar hasta un máximo de 200-250 mm de diámetro.
• Dispositivo de carga con una capacidad mínima de 50 kN que permita ejercer la carga sobre el perfil en cualquier dirección y sentido.
• Marco rígido para ejercer compresiones.
• Dinamómetro digital con certificado de calibración y capacidad mínima para medir en cualquier dirección hasta 50,0 kN.
• Micrómetro digital o analógico para medida de desplazamientos con rango suficiente para medir el desplazamiento máximo esperado y precisión de 0,01 mm.
• Elementos auxiliares: eslingas, fijación perfil-dispositivo de carga, etc.

La aplicación de la carga al perfil podrá llevarse a cabo bien mediante la construcción de un marco de carga, o aprovechando maquinaria pesada como reacción del ensayo ejerciendo la carga mediante sistema de poleas o polipasto en el caso de los ensayos de carga axial de tracción y de carga lateral, o gato hidráulico en el caso de ensayos de compresión. También es habitual ejercer la carga con el propio sistema hidráulico del equipo.

4.2.- Método de ensayo

La ejecución de los ensayos de carga en perfiles hincados en el terreno y en particular en lo referente al número de escalones de carga, su duración e instantes de medida, debe ser tal que permita extraer conclusiones sobre el comportamiento de los desplazamientos absolutos y de los desplazamientos residuales o no recuperables. Las cargas deben aplicarse de tal forma que se puedan extraer conclusiones sobre la carga última del terreno, en especial en el ensayo de carga axial a tracción, puesto que para este tipo de instalaciones suele ser la acción más restrictiva en cuanto a estado límite último de capacidad portante del terreno.

No es admisible para la obtención de la carga crítica o carga última de la fase elástica la extrapolación del gráfico carga-desplazamiento obtenido en base a los resultados de otros ensayos y, en caso de no alcanzarse la carga última del terreno en un ensayo, se deberá adoptar la carga máxima aplicada en el ensayo como carga última.

Es recomendable realizar un ensayo por perfil hincado, bien el ensayo de carga lateral, bien un ensayo de carga axial, tratando de alcanzar en cada caso la resistencia última del terreno, la máxima carga que permita el dispositivo de carga, o la máxima carga que permita el propio perfil. No obstante, la práctica más extendida es la de aprovechar el perfil hincado para realizar los dos ensayos, que será la que se describe a continuación. Se juzga válida esta práctica, si bien, en general, lo correcto será la realización primero del ensayo de carga lateral y, posteriormente, comprobado que el perfil no ha sufrido deformaciones de consideración y es apto para el segundo ensayo, el de carga vertical. Esta pauta no deberá tomarse como norma general y dependerá del comportamiento del terreno y del perfil en los primeros ensayos.

4.2.1.- Ensayo de hinca

Durante la hinca de los perfiles debe tomarse el tiempo de hinca por tramos de perfil, lo que permitirá determinar la velocidad de hinca y estimar rendimientos en obra. Además, será un dato cualitativo adicional que, junto con otros resultados de ensayos del estudio geotécnico servirán para acotar con mayor precisión las zonas de diferente comportamiento resistente.

A modo de ejemplo, se adjunta figura con mapa de isolíneas de los tiempos de hincado en pruebas realizadas para un proyecto en Egipto.

Figura 4.- Ejemplo de mapa de isolíneas de tiempo de hincado.

4.2.2.- Ensayo de perfiles bajo carga lateral

Para comprobación del estado límite último de resistencia del terreno, los ensayos de carga lateral se realizarán con varios empotramientos en el terreno Li con la finalidad de determinar el empotramiento de proyecto necesario para soportar una carga lateral de cálculo con una seguridad adecuada frente a la rotura del terreno, es decir, para satisfacer para todas las combinaciones de carga que:

Donde:

• F_{tr, d} = Valor de cálculo de la carga lateral sobre el perfil que se transmite al terreno.
• R_{tr, d} = Valor de cálculo de la resistencia del terreno con perfil cargado transversalmente.

El valor de R_tr es el valor que se deduce del ensayo al que habrá que aplicar el correspondiente factor de minoración, y el valor de F_tr, _d será proporcionado por el calculista de la estructura.

Con el objetivo adicional de obtener datos de desplazamientos absolutos y remanentes para diferentes niveles de carga y para la carga máxima y con ello, estudiar también el cumplimiento del estado límite último de servicio de desplazamientos horizontales admisibles por la estructura, la carga máxima se tiene que aplicar en cuatro o cinco escalones de carga-descarga. Cada escalón debe ser un porcentaje de la carga máxima F_{tr, d}. Los desplazamientos se medirán en un punto del tramo que queda en voladizo del perfil mediante un micrómetro, debiéndose tomar el valor de desplazamiento en un punto lo más próximo posible al nivel del terreno.

Se recomienda que la carga máxima aplicada sea como mínimo el 120% del valor de cálculo de la carga lateral F_{tr, d}.

A modo de ejemplo, los escalones de carga y medida de desplazamiento que se podrían plantear en un procedimiento de ensayo de carga lateral podría responder al esquema:

• Aplicación del 40% del valor de cálculo de la carga lateral, F_{tr, d}, y lectura del desplazamiento tanto al obtenerse la carga, como transcurrido un tiempo ’t’.
• Transcurrido el tiempo ’t’ y anotado el desplazamiento, descarga y medida del desplazamiento remanente cuando éste queda estable.
• Repetición de los dos pasos anteriores para el 60%, 80%, 100% y 120% del valor de la carga lateral F_tr,d.

En cuanto a la altura de aplicación de la carga, debería ser tal que para la carga máxima, F_{tr, d}, se origine en la base del poste un momento similar al de reacción que se deduce del cálculo de estructura, M_d, y a veces compensar el cortante con una carga horizontal situada más abajo. En todo caso, para los tipos de perfil que se vienen usando en los cimientos de plantas fotovoltaicas, se recomienda que la altura de aplicación de la carga sea del orden de 1,0 m y que en ningún caso exceda de 1,5 m.

No se debe perder de vista que el objetivo del ensayo es la comprobación del estado límite último del cimiento a esfuerzos horizontales y que los desplazamientos absolutos y remanentes que se producen en el cimiento durante la vida útil de las estructuras sean admisibles por ésta. En todo caso, el ensayo siempre podrá proporcionar mediante un cálculo de retroanálisis un módulo de reacción horizontal equivalente del terreno para la longitud de empotramiento considerada (o coeficiente de balasto horizontal equivalente) que se podrá tener en cuenta para comprobar el cimiento mediante software específico para cualquier otra combinación de acciones de momento flector y cortante a transmitir al terreno (siempre y cuando sea para la misma longitud de empotramiento considerada en los ensayos de carga y retroanálisis realizado).

En cuanto a los valores de desplazamientos horizontales admisibles por el cimiento, deben ser definidos por el calculista y dependen del tipo de estructura, modulación, cargas, etc. A modo de ejemplo, se citan los valores más habituales que se vienen observando en los diferentes procedimientos de ensayo, y que se encuentran entre los 20-30 mm para los desplazamientos absolutos y los 10 mm para los desplazamientos remanentes.

En general, las cargas horizontales suelen ser de mayor entidad y por ello más limitativas en el diseño en las estructuras con seguidores solares. En las plantas con paneles fijos y estructuras tipo biposte la carga lateral es menos limitativa y se podría reducir el número de este tipo de ensayos.

4.2.3.- Ensayo de perfiles bajo carga axial

Para comprobación del estado límite último de resistencia del terreno para cargas verticales tanto a tracción como a compresión el procedimiento de ensayo es similar. Suele ser más determinante en este tipo de estructuras el esfuerzo axial de tracción, aunque no debe ser tomado esto último como norma general.

Al igual que en el caso de perfil sometido a carga lateral, los ensayos se realizarán con diversos empotramientos en el terreno L_i con la finalidad de determinar el empotramiento óptimo para soportar las cargas verticales con una seguridad adecuada frente a la rotura del terreno, es decir, para satisfacer todas las combinaciones de carga que:

Donde:

• F_{t, d} y F_{c, d} = Valores de cálculo (mayoradas) de la carga axial de tracción y compresión respectivamente que el perfil transmite al terreno.
• R_{t, d} y R_{c, d} = Valores de cálculo de la resistencia a tracción y compresión del terreno respectivamente para un perfil aislado en el estado límite último.

Los valores R_{t, d} y R_{c, d} se deben deducir de los ensayos y el valor de F_{t, d} y F_{c, d} tendrán que ser conocidos a través del calculista de la estructura.

El esfuerzo de tracción o compresión puede ser aplicado en la cabeza del perfil hincado y deben medirse los desplazamientos que se obtienen en cada escalón de carga para estudiar también el estado límite último de servicio de movimientos verticales admisibles en cimiento por la estructura.

A modo de ejemplo, los escalones de carga y medida de desplazamiento que se podrían plantear en un procedimiento de ensayo de carga vertical podrían responder al esquema:

• Aplicación del 40% del valor de cálculo de la carga axial y lectura del desplazamiento tanto al obtenerse la carga, como transcurrido un tiempo ’t’.
• Transcurrido el tiempo 't' y anotado el desplazamiento, descarga y medida del desplazamiento remanente cuando éste queda estable.
• Repetición de los dos pasos anteriores para el 60%, 80%, 100% y 120% del valor de cálculo de las cargas axiales.
• Aplicación de nuevos incrementos de carga de 5,0 kN y medida del desplazamiento absoluto obtenido hasta que se obtenga la máxima resistencia del terreno o la máxima capacidad de carga disponible.

Es habitual plantear las campañas de ensayo sólo con ensayos de carga axial de tracción (además de los ensayos de carga lateral), obviando la compresión si la máxima carga de extracción supera la prevista a compresión. Muchas veces suelen ser más limitativa para el dimensionamiento de la estructura las cargas de tracción y, además, tanto en la bibliografía técnica usualmente aceptada como en las diferentes normas y guías de cimentación es frecuente encontrar la relación entre la resistencia por fuste para esfuerzos de tracción y la de compresión:

El contenido y alcance de un informe de este tipo debe ser fijado entre el ejecutor de los ensayos y su cliente, y puede ser desde un simple informe de carácter expositivo de los resultados (informe ‘factual’ tomando la denominación anglosajona) hasta un informe mucho más profundo o ingenieril analizando los resultados. El límite del alcance del informe o, dicho de otra forma, su contenido mínimo, deberá estar definido en las condiciones de la contratación de los trabajos.

En todo caso, se juzga que el informe de resultados debería contener el siguiente contenido mínimo:

• Antecedentes, definición del alcance del informe, localización de la zona objeto de estudio, descripción del emplazamiento, documentación de referencia y cualquier otra información disponible útil para la realización de los trabajos.
• Descripción y condiciones del terreno.
• Características geométricas y resistentes de los perfiles empleados.
• Descripción de los medios empleados para la hinca, dispositivos de carga y del sistema de reacción, equipos de medida.
• Datos de la hinca de los perfiles: longitud empotrada, tiempo de hinca por tramos representativos, actuaciones que hayan podido tenerse que hacer para la hinca del perfil y preparación de los ensayos (pre-perforación, relleno utilizado, etc.).
• Resultados de los ensayos, tanto numéricos (tiempo, carga y desplazamientos) como gráficos (curvas carga-desplazamiento).

Un informe de ingeniería o interpretativo que incluya un estudio más profundo de los ensayos debería incluir al menos:

• Análisis y cálculo de los parámetros característicos que gobiernan el comportamiento resistente del terreno tanto para acciones axiales como laterales.
• Determinar la resistencia última del terreno, para las distintas combinaciones de acciones.
• Analizar los estados límite de servicio en cuanto a movimientos admisibles del cimiento.
• Zonificar la parcela en función de los resultados de los ensayos y tratamiento estadístico.
• Dimensionar el cimiento para cada una de las zonas diferenciadas.
• Rendimientos de hincado.

Finalmente se quiere incidir en que las zonas de terreno ensayado deben ser representativas del estado futuro durante la obra, teniendo especial precaución en las zonas con rellenos de tierras.