Pruebas de carga StatRapid: rápidas y eficientes en todo tipo de pilotes

Tras diseñar la cimentación de una estructura, el cliente o contratista ha de asegurarse que los pilotes instalados se comportan conforme al diseño. Para comprobar la capacidad portante de los pilotes existen tres tipos de pruebas: Las pruebas de carga estáticas, las dinámicas y las rápidas.

Las pruebas estáticas son lentas y costosas. Las pruebas dinámicas son rápidas, pero tienen una precisión reducida debido a la variabilidad de los resultados. Las pruebas de carga rápida son una alternativa, siendo realizadas desde hace décadas por Allnamics, utilizando el método StatRapid. Allnamics España estrenó recientemente estas pruebas en España.

Las pruebas de carga en pilotes se realizan para comprobar que los pilotes tienen la capacidad requerida para soportar la estructura a construir. Aplicando una carga en un pilote instrumentado con sensores, estas pruebas son capaces de determinar el desplazamiento del pilote frente a la carga, definiendo así la curva de carga-asiento. Esta curva se utiliza para confirmar que los parámetros de diseño, factores de seguridad y asientos están dentro de los límites del diseño y las diferentes normativas. Dependiendo de la fase del proyecto, las pruebas de carga se pueden utilizar para optimizar las dimensiones en la fase de diseño o para control de calidad en fase de construcción. Varios tipos de pruebas están disponibles variando en precio, fiabilidad y productividad.

Las pruebas de carga estáticas aplican una carga estática sobre el pilote, reproduciendo su comportamiento durante su vida útil. La carga se puede obtener mediante pesos muertos o por anclajes al terreno que permiten aplicar fuerzas de reacción que se transfieren gradualmente en cabeza del pilote de manera ‘estática’. La prueba completa tiene una duración extensa, tanto las preparaciones previas como la prueba en sí misma. El método es costoso, debido a su duración y en parte poco práctico debido a la movilización de pesos muertos o anclajes al terreno, afectando también a la logística de la obra.

En los años 60, se desarrolló una alternativa simultáneamente en Europa y en Estados Unidos: las pruebas de carga dinámicas. En la prueba se impacta una carga reducida en caída libre sobre la cabeza del pilote, de aproximadamente 2% de la carga a comprobar, muy inferior al 110% de las pruebas estáticas. El impacto genera ondas de presión que se propagan por el pilote, monitoreadas por extensómetros y acelerómetros. Los datos se analizan con programas basados en la ecuación de la onda, estimando la capacidad portante del pilote mediante las técnicas de equiparación de señales. El método está especialmente recomendado para pilotes hincados, utilizando directamente el martillo de hinca como dispositivo de carga dinámica. La mayor ventaja es la corta duración, tanto de las preparaciones previas como de la prueba en sí misma, reduciendo de manera significativa los costes de la prueba. Sin embargo, las pruebas de carga dinámica sacrifican la precisión, comparadas con las pruebas estáticas. Varios estudios comparativos realizados por investigadores internacionales, utilizando los mismos datos, dan lugar a resultados diferentes, poniendo de relieve la variabilidad del método.

La necesidad de un método eficiente, fiable y preciso para la pruebas era aún una prioridad. StatNamic, una abreviación de STATic y dynNAMIC, se desarrolló en Canadá en 1985. Se trata de un método nuevo de pruebas de carga para pilotes de alta capacidad, que combinó las ventajas de las pruebas estáticas y de las dinámicas, sorteando la mayoría de sus limitaciones: la prueba de carga rápida. En 1988, algunos ingenieros de Allnamics, trabajando en ese momento en el instituto de investigación holandés TNO, se unieron a la investigación. Junto con la corporación Berminghammer, crearon en 1989 el primer dispositivo StatNamic.

La prueba StatNamic fue la primera de las denominadas posteriormente como pruebas de carga rápida. Básicamente, la prueba es tan rápida como una prueba dinámica, pero lo suficientemente lenta para evitar un impacto que genere ondas de presión. En su lugar se aplica una carga cuasi-estática en la cabeza del pilote. Al aumentar la duración de la carga aplicada, los efectos dinámicos se reducen, ofreciendo mayor concordancia con las condiciones estáticas que se tratan de reproducir. El comportamiento cuasi-estático del terreno evita las complejas y variables estimaciones de los parámetros dinámicos del suelo que se usan en las pruebas dinámicas. El método StatNamic se hizo muy popular y continúa siéndolo, por ejemplo, en Asia. Años más tarde, Allnamics desarrolló un método equivalente mejorado, basado en el método StatNamic: el StatRapid.

Figura 1. El dispositivo StatRapid se transporta fácilmente en 2 ó 3 tráileres.

Las pruebas StatRapid son pruebas con una velocidad rápida de aplicación de carga, pero que dinámicamente es lenta. La carga se aplica dejando caer un peso muerto sobre el pilote. Debido al sistema de muelles dispuesto previamente en la cabeza del pilote, que están diseñados específicamente para las pruebas StatRapid, se empuja el pilote suavemente en el terreno. La amortiguación sobre la cabeza genera tensiones en el hormigón muy bajas, siendo idóneas para pilotes in situ, los cuales tienen generalmente hormigón de menor resistencia, lo que muchas veces hace que no puedan resistir las tensiones del impacto de las pruebas dinámicas.

Cuando la maza impacta sobre la cabeza del pilote, rebota hacia arriba debido al sistema de muelles, y se activa un mecanismo de agarre que previene rebotes de la maza sin control y ciclos de carga extra. Se puede conseguir un amplio rango de cargas de prueba, debido al diseño modular ajustable del dispositivo.

El dispositivo StatRapid consiste en un bastidor principal, unos pesos modulares, y el sistema de muelles y amortiguación diseñado específicamente. Toda la configuración se transporta en sólo unos camiones. Se necesitarán más o menos pesos modulares dependiendo de la carga máxima de prueba. Se utiliza una grúa para un montaje rápido y fácil del dispositivo StatRapid. Una vez montado, el dispositivo es autosustentable.

Figura 2. Esquema de las distintas pruebas de carga.

Figura 3. Se utiliza una grúa móvil para montar el dispositivo StatRapid. Una vez montado es autosustentable.

La instrumentación instalada en la cabeza del pilote monitorea la carga aplicada y los desplazamientos producidos. Las cargas se miden mediante células de carga calibradas, mientras que los desplazamientos se miden por dos métodos: un acelerómetro y un sistema óptico Reyca. Este sistema Reyca puede monitorear a altas frecuencias de muestreo.

Las aceleraciones medidas se utilizan de dos maneras. Para calcular desplazamientos, a través de su doble integral, y para tener una medición de comprobación del sistema óptico. También se utilizan para registrar los movimientos del pilote, mediante sus aceleraciones. Esto se requiere para controlar el comportamiento cuasi-estático del pilote y su componente inercial, cumpliendo con lo prescrito por el Método del Punto de Descarga (UPM) establecido en los estándares internacionales, la norma europea EN-ISO-22470-10, la norma estadounidense ASTM D7383-10 y la norma holandesa CUR-H410.

Allnamics tiene varios dispositivos disponibles, que pueden ensayar desde cargas relativamente bajas, 500 kN, hasta 8 MN, 16 MN y aún más.

Previamente a la prueba, se realizan simulaciones informáticas para optimizar la configuración del StatRapid, incluyendo el cumplimiento de los requisitos para pruebas de carga rápida según la normativa vigente. Basados en la investigación geotécnica, las dimensiones del pilote y el dispositivo a utilizar, la respuesta se simula mediante el programa Allwave RLT, un programa basado en la ecuación de la onda que permite simular la respuesta del pilote.

Las pruebas de carga rápida, basadas en un sistema de maza de caída libre y muelles, siguen un protocolo compuesto normalmente de 3 a 5 ciclos progresivos de carga. El primer ciclo empieza con una altura de caída (carga de prueba) pequeña, entre el 10% y el 40% de la capacidad portante esperada, para verificar la rigidez inicial del terreno. Las siguientes alturas de caída se estiman según la capacidad estática movilizada en el primer ciclo, ajustándose para alcanzar la carga de prueba prevista en un solo ciclo de carga o en varios. Las Figuras 10 y 11 muestran varios ciclos de carga y la curva carga-asiento derivada de ellos.

Las principales ventajas del método son la reducción de los costes y de la duración de las pruebas. Además, cualquier pilote puede ser probado, sin preparación y sin selección previa. El método StatRapid es especialmente adecuado para probar pilotes de hormigón barrenados, pilotes in situ, para control de calidad o para comprobar pilotes con registros de instalación pobres o incompletos. Las pruebas dinámicas no son en general aconsejables para pilotes ‘in situ’, puesto que, para llegar a movilizar suficiente resistencia del terreno, pueden introducir en el pilote altas tensiones de impacto, incluso por encima de la resistencia del hormigón.

En las pruebas bidireccionales se debe elegir un pilote de antemano, debido a que necesitan preparaciones previas y posicionar un pistón hidráulico cerca de la punta del pilote. Esta preparación tiene cierta influencia en la calidad del pilote, no siendo tan representativo como el resto. En las pruebas bidireccionales se da presión hidráulica al pistón embebido, llevando la parte superior o inferior del pilote al fallo geotécnico. La capacidad de la sección sometida a rotura del suelo se utiliza para estimar la capacidad de la sección restante y, como consecuencia, la capacidad total de carga del pilote. Sin embargo, las pruebas StatRapid pueden medir la capacidad total del pilote sin extrapolar capacidades portantes parciales.

Varios estudios comparativos entre pruebas StatRapid y pruebas estáticas han demostrado que los resultados son similares. El método es directo y es independiente del operador o ingeniero supervisor. Ha sido aprobado y reconocido por varias entidades internacionales de normalización, incluyendo europeas. Se realizan a diario varias pruebas StatRapid en todo el mundo, incluyendo estudios comparativos con pruebas de carga estática.

Intrigados por la fiabilidad de este nuevo método de pruebas en pilotes, el Tokyo Institute of Technology, liderado por Prof. Osamu Kusakabe, formó un equipo de investigación para realizar ensayos comparativos entre pruebas estáticas y de carga rápida (Statnamic). Los resultados de esa investigación se presentaron en dos Seminarios Internacionales Statnamic, celebrados en Vancouver y Tokio en 1995 y 1998, y dieron lugar a la redacción de una norma japonesa para este nuevo método en 2002 por la Japanese Geotechnical Society (2002), siendo el primer país en hacerlo.

Estados Unidos se añadió en 2008, aprobando ASTM su norma para las pruebas de carga rápida, D7383-08, actualizada en 2010 como D7383-10. Mientras tanto, en Europa, un equipo de investigación multinacional compuesto por Holscher, Brassinga, Brown, Middendorp, Profittlich y Van Tol reagruparon sus investigaciones y experiencias independientes sobre Statnamic y StatRapid en la guía ‘CUR guideline of Rapid Load testing on Piles’ en 2011. De manera similar a lo sucedido en Japón, esta investigación dio lugar a la implementación de este método en la norma europea ISO-22477-10, aprobada por el Comité Europeo de Normalización CEN en 2016.

Las pruebas de carga StatRapid se realizaron por primera vez en España hace un año. Las pruebas bidireccionales inicialmente ejecutadas mostraron resultados poco concluyentes. No se pudo obtener la capacidad portante de los pilotes debido a que no se pudo movilizar carga suficiente. Las partes involucradas estaban convencidas de que los pilotes instalados debían alcanzar mayor capacidad, así que se ejecutaron pruebas adicionales para probar esta hipótesis. No se previeron pruebas bidireccionales adicionales debido a los retrasos que ocasionarían. Se eligieron las pruebas de carga StatRapid debido a su fiabilidad y a su rapidez. Se movilizó a la obra en Barcelona el dispositivo StatRapid de Allnamics y se probaron 25 pilotes de 1,5 m de diámetro en 9 días, con una media aproximada de 3 pilotes por día.

Los pilotes probados eran pilotes ‘in situ’ de gran diámetro, con cargas de servicio de entre 6 y 8 MN. El dispositivo StatRapid de 40 t disponía de un peso muerto de 40 toneladas, una altura de caída máxima de 4,0 m y un sistema modular de 16 muelles para aplicar la carga requerida. En cada pilote se aplicaron 3 ciclos de carga al objeto de dibujar la curva de carga-asiento comparable a una prueba estática.

En el caso de la obra en Barcelona, el equipo StatRapid pudo comprobar que la capacidad de carga de los pilotes probados era suficiente para soportar las cargas de servicio.

Las pruebas de carga estática se aceptan generalmente como el método más fiable para comprobar la capacidad de carga de los pilotes. Sin embargo, suelen ser pruebas de preparación y ejecución lentas que retrasan los proyectos con costosas consecuencias. Las pruebas de carga dinámicas, por otro lado, necesitan una estimación previa de varios parámetros del terreno, reduciendo la fiabilidad de sus resultados y haciéndolos dependientes del operador.

Actualmente, hay disponibles otros métodos más eficientes y productivos. Las pruebas StatRapid combinan las ventajas de las pruebas estáticas y dinámicas, siendo un método rápido y preciso para realizar pruebas de carga en pilotes. El método está basado en décadas de experiencia práctica y dispone de base científica, está respaldado por normativa internacional, y se utiliza en varios países por todo el mundo. Las pruebas StatRapid han llegado ya a España, con una experiencia muy positiva en Barcelona, proporcionando a diseñadores, propietarios y contratistas una herramienta adicional para garantizar estructuras más seguras y optimizadas.

Para mayor información contacte con Allnamics España en:

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