Uso de los micropilotes autoperforantes Ischebeck TITAN en aplicaciones permanentes

Casimiro Molina Cobos; Ing. Caminos, Canales y Puertos; Jefe Dpto. Técnico Ischebeck Ibérica, S.L.09/12/2020

El sistema autoperforante Ischebeck TITAN cuenta con una homologación oficial para su uso en aplicaciones permanentes. Se trata de la Aprobación Técnica Z-34.14-209 [1], otorgada por el Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) con base en la normativa europea vigente.

Fig. 1 – Aplicación del sistema autoperforante Ischebeck TITAN en la estabilización de un talud.

1.- Introducción

El uso de barras de acero huecas en la ejecución y armado de micropilotes, anclajes y bulones (soil nails) fue desarrollado por la compañía Friedr. Ischebeck GmbH, Ennepetal (Alemania), datando las primeras patentes registradas del año 1984. Desde entonces, el sistema autoperforante Ischebeck TITAN ha sido ampliamente utilizado en todo el mundo.

En Alemania, desde el año 1983, se requiere de una Aprobación Técnica para el uso de los micropilotes de inyección como aplicación permanente. Friedr. Ischebeck GmbH ha realizado desde entonces un gran esfuerzo en investigación y desarrollo para obtener y mantener la Aprobación Técnica Z-34.14-209, que contempla aspectos relacionados con el diseño, cálculo, aplicación, ejecución de los micropilotes y supone en sí misma una garantía de calidad del sistema y de cada uno de sus componentes.

2.- Descripción del sistema

Se trata de un sistema geotécnico compuesto, formado por un elemento portante de acero de rosca continua y un cuerpo o bulbo inyectado de lechada de cemento. El elemento portante transmite (por adherencia) las cargas originadas por la estructura al cuerpo inyectado (admitiendo cargas de tracción, compresión y cargas cíclicas), y éste las transfiere al subsuelo circundante mediante fricción.

Fig. 2 – Ejecución de un micropilote Ischebeck TITAN en el recalce de una cimentación.

La barra hueca roscada cumple con 3 funciones (3 en 1): varillaje de perforación, tubo de inyección y elemento portante (armadura), permitiendo así alcanzar elevados rendimientos en la ejecución.

Las barras Ischebeck TITAN cumplen con las exigencias requeridas al acero utilizado como armadura en el hormigón armado (Eurocódigo 2, UNE-EN 10080, DIN 488, entre otras), en términos de resistencia, ductilidad y geometría de rosca, garantizando así una adecuada transmisión de cargas al cuerpo inyectado circundante. La materia prima es acero estructural de grano fino S 460 NH, según UNE-EN 10210. De este modo, se dispone de un acero de armado de gran tenacidad, ductilidad y con un alto valor de resiliencia, que implica un riesgo mínimo de daños iniciales en el material debido al proceso de perforación por rotopercusión. Se garantiza así la calidad del miembro portante tras la ejecución.

Fig. 3 – Elementos del sistema autoperforante Ischebeck TITAN.

El método de instalación consta de 2 fases:

Paso 1: Perforación directa. Perforación a rotopercusión con inyección inicial estabilizadora simultánea (lechada de cemento con alto ratio A/C, en función de la naturaleza del subsuelo). La inyección estabiliza las paredes de la perforación y realiza un lavado de la misma, transportando el detritus hacia el exterior (Fig. 4).

Fig. 4 – Método de instalación. Paso 1: Perforación directa.

Paso 2: Inyección dinámica. Una vez alcanzado el final de la perforación, se realiza una inyección simultánea con un movimiento continuo de rotación, con una lechada de cemento más densa que en el Paso 1 (relación A/C=0.4-0.5), desde el fondo de la perforación y hasta que la lechada final rebose por la boca del taladro (Fig. 5).

Fig. 5 –Método de instalación. Paso 2: Inyección dinámica.

Como consecuencia de este proceso de instalación, se produce:

Un aumento o mejora de la adherencia del bulbo con el terreno (en suelos) con respecto a una inyección convencional realizada en una sola fase.
Un aumento del diámetro del bulbo respecto al estricto de la boca de perforación, que depende de la naturaleza del suelo.

Fig. 6 – Ejecución de un anclaje Ischebeck TITAN en el arriostramiento de una pantalla de tablestacas.

Los campos de aplicación del sistema son múltiples, a destacar:

Cimentaciones y recalces
Anclajes al terreno
Estabilización de taludes
Túneles y minería

Fig. 7 – Aplicación del sistema en el sostenimiento de un túnel.

3.- Definición de aplicación permanente

El Eurocódigo 0 (UNE-EN 1990): 'Bases de Cálculo de Estructuras' [2], establece una serie de criterios a tener en cuenta para definir la vida útil de diseño de las estructuras, clasificándolas en distintas categorías en función de su naturaleza (Tabla 1).

Tabla 1 – Vida útil de proyecto indicativa, Tabla 2.1 de [2].

Las edificaciones convencionales y las estructuras de ingeniería civil están dentro de las categorías 4 y 5, respectivamente. Estas estructuras tienen un carácter permanente, con una vida útil de diseño que llega hasta los 100 años.

Los micropilotes autoperforantes Ischebeck TITAN pueden emplearse en la construcción de nuevas estructuras o en actuaciones de refuerzo/rehabilitación de las mismas. El uso de éstos como aplicación permanente, homologados para ello por la Aprobación Técnica Z-34.14-209 [1], está ampliamente extendido y encaja perfectamente dentro de todas las categorías definidas en la tabla 2.1 del Eurocódigo 0 – EN 1990 [2] (Tabla 1).

Por otro lado, el Eurocódigo 7 (EN 1997-1): 'Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas Generales' [3], prescribe que los elementos geotécnicos especiales, como es el caso de micropilotes, anclajes y bulones (soil-nails), tienen un carácter permanente si su vida útil de diseño es superior a 2 años.

4.- Durabilidad de los elementos geotécnicos compuestos en la Normativa Europea

Entre otras medidas, la protección contra la corrosión de los elementos geotécnicos compuestos, como es el caso de los micropilotes o los soil-nails, mediante el encapsulamiento suficiente en lechada de cemento está aceptado en las Normas Europeas UNE-EN 14199 [5] y UNE-EN 14490 [6], que regulan la ejecución de estos trabajos geotécnicos especiales.

En dichas normas se presentan valores de referencia para el recubrimiento de lechada de cemento necesario para alcanzar la protección requerida.

Norma UNE-EN 14199 “Ejecución de trabajos geotécnicos especiales: Micropilotes” [5] (Tabla 2):

Tabla 2– Orientación sobre el recubrimiento mínimo (en mm) de la armadura para micropilotes realizados in situ, Tabla B.1 de [5].

Norma UNE-EN 14490 'Ejecución de trabajos geotécnicos especiales: Claveteado de suelo (Soil Nailing)' [6] (Tabla 3):

Tabla 3 – Guía sobre el recubrimiento mínimo con lechada de las partes metálicas en una perforación, en función de la condición del suelo y de la vida de servicio, Tabla B.4 de [6].

5.- Durabilidad del sistema autoperforante Ischebeck TITAN

De acuerdo a la Aprobación Técnica Z-34.14-209 [1], la durabilidad (protección contra la corrosión) se garantiza únicamente a través del suficiente recubrimiento de la barra (elemento portante) con la lechada de inyección. A efectos de diseño, en el caso de una aplicación permanente, la capacidad portante interna de las barras se adopta en función del recubrimiento previsto (Tabla 4 y Tabla 5).

Tabla 4 – Resistencia característica R_k del elemento portante en micropilotes cargados a tracción, en función del recubrimiento de lechada c, extracto de [1].

Tabla 5 – Resistencia característica R_k del elemento portante en micropilotes cargados a compresión, en función del recubrimiento de lechada c, extracto de [1].

Las bocas de perforación del Sistema Ischebeck TITAN están diseñadas para proporcionar el recubrimiento suficiente de las barras con una lechada de cemento estructural (relación agua/cemento A/C<0,5).

La inyección dinámica, con presiones de inyección ≥ 5 bar, propia de la ejecución del sistema TITAN, permite asegurar un incremento del diámetro de la perforación respecto del diámetro estricto de las bocas. Según la referencia bibliográfica 'Recommendations on Piling' (EAP 2012) [7], de la German Geotechnical Society (DGGT), a efectos de verificaciones geotécnicas y de recubrimiento de lechada, se puede considerar en esta tipología de micropilotes un incremento de 20 mm adicional al diámetro estricto de la boca de perforación. En el caso concreto de un micropilote Ischebeck TITAN, basado en datos empíricos, el fabricante sugiere considerar los siguientes valores del diámetro del bulbo obtenido:

d + 75mm en gravas
d + 50mm en arenas y gravas arenosas
d + 25mm en suelos cohesivos
d + 10mm en roca disgregada

d= diámetro de la boca de perforación

Cabe resaltar que es muy importante haber realizado la ejecución de una manera correcta por un instalador experimentado, siguiendo en todo momento las recomendaciones del fabricante.

Las disposiciones presentadas en la Aprobación Técnica [1] se basan en el principio de la limitación de la abertura de fisura que se muestra en el cuerpo inyectado como consecuencia de la transmisión de cargas. En el estado de servicio, la diferencia de rigideces entre el acero y la lechada de cemento da origen a estados tensionales que se equilibran mediante la generación micro-fisuras, cuyo origen está en la rosca de la barra.

Se considera que un cuerpo de inyección con fisuras de abertura característica máxima w_k ≤ 0.1 mm proporciona un encapsulamiento impermeable, que garantiza la protección contra la corrosión de la barra de acero, incluso frente a las clases de exposición más desfavorables. Esta condición cumple con los requerimientos de limitación de abertura de fisura establecidos en el Eurocódigo 2 (EN 1992-1-1): 'Proyecto de estructuras de Hormigón' [4] para un sistema compuesto de características similares, como es el hormigón armado.

En el patrón de fisuración que se produce en el cuerpo de inyección cuando el elemento entra en carga influye de manera directa la geometría de la rosca. Las características de la rosca de las barras Ischebeck TITAN, con unos valores del área proyectada de corruga f_R muy por encima del valor mínimo especificado para las barras de armado convencionales, favorece la generación de un patrón regular de microfisuras que no dañan el cuerpo de inyección, al contrario de lo que ocurre con armaduras tubulares lisas e incluso con otras geometrías de rosca existentes en el mercado (por ejemplo, la rosca tipo R) (Fig. 8).

Fig. 8 – Protección contra la corrosión mediante recubrimiento con lechada de inyección.

Para la verificación del cumplimiento de este principio, y en el contexto del proceso de concesión y renovación de la Aprobación Técnica [1], se realizaron diversos ensayos de carga en micropilotes TITAN, exhumados tras haberse ejecutado en terreno, sometiéndolos a cargas de tracción correspondientes a su capacidad portante interna.

Las pruebas se realizaron aplicando incrementos de carga (escalones), registrándose en cada uno de ellos los datos relativos a la fisuración (abertura, dirección y separación entre fisuras). A modo de ejemplo, la Fig. 9 presenta los resultados de algunas de las pruebas realizadas a micropilotes TITAN 52/26 y TITAN 103/78. En ambos casos, el ensayo se realizó sobre barras unidas mediante manguitos de empalme.

Fig. 9 – Ensayos de tracción con medición de fisuración (Technische Universität München, 2000).

Las curvas de frecuencia de fisuración muestran que el 100% de las fisuras registradas para una carga de 600 kN (TITAN 52/26) y 1.200 kN (TITAN 103/78) tuvieron un ancho de fisuración menor o igual a 0.10 mm y 0.05 mm, respectivamente.

6.- Conclusiones

La durabilidad de los micropilotes autoperforantes Ischebeck TITAN se garantiza a través del suficiente encapsulamiento (recubrimiento) de la armadura en la lechada de cemento de la inyección, sin necesidad de ningún tratamiento adicional y sin tener que considerar un espesor de acero de sacrificio en el diseño del elemento estructural.

El sistema cuenta con una homologación oficial para su uso en aplicaciones permanentes, la Aprobación Técnica Z-34.14-209 [1], otorgada por el Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), garantía de calidad del sistema y de cada uno de sus componentes.

7.- Referencias

[1] National Technical Approval Z-34.14-209: TITAN Injection Piles, German Institute of Building Technology – DIBt (2019)
[2] Eurocódigo 0 (UNE-EN 1990) – Bases de cálculo de estructuras (2019)
[3] Eurocódigo 7 (UNE-EN 1997-1) – Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas generales (2016)
[4] Eurocódigo 2 (UNE-EN 1992-1-1) – Proyecto de estructuras de hormigón. Parte 1-1: Reglas generales y reglas para edificación (2013)
[5] UNE-EN 14199 – Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Micropilotes (2019)
[6] UNE-EN 14490 – Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Claveteado del suelo (Soil nailing) (2013)
[7] Recommendations on Piling (EA-Pfähle 2012) – German Geotechnical Society (DGGT)