Losas Combinadas con Pilotes: economizando la cimentación.

Una de las pocas cosas “buenas” que tiene la crisis (seamos positivos) es que nos obliga a esforzarnos a buscar nuevos métodos y caminos para hacer las cosas de la mejor manera y, sobre todo, de la manera mas económica. Si la labor del ingeniero es hacer lo que cualquier otro puede hacer pero que además funcione, sea seguro e infinitamente mas barato, eso quiere decir que la “crisis” nos obliga a ser “mejores ingenieros”.

Es por ello que os presento las “Losas Combinadas con Pilotes” ó LCP (“Kombinierte Pfahl-Platten Gründung”, KPP en alemán, “Piled Raft Foundation” en inglés ó Losas de Fundación Combinadas con Pilotes, LFCP, en Latinoamérica) que es un tipo de cimentación que, aunque ya se usan en centro Europa desde los años setenta, en España su uso es casi nulo. Es más, cuando hace 4 años tuve la suerte de calcular una en un edificio en Motril (Granada) no conseguí ninguna referencia de ninguna obra anterior en España y creo que desde entonces solo se ha utilizado para la cimentación de un estribo de un pequeño puente en la provincia de Granada (que yo tenga constancia claro).

 

Imagen 1.

¿En qué consiste una LCP? En general, es usual ir a losas cuando el terreno tiene una suficiente consistencia y no es de esperar grandes asientos. En el caso contrario (grandes asientos esperables), se recurre a encepados de pilotes. Con el primer sistema (ver imagen 1.a) conferimos la transmisión de las cargas totalmente a la losa y con el segundo (ver imagen 1.b) la conferimos totalmente a los pilotes despreciando lo que pueda contribuir el encepado. Pues bien, una LCP (ver imagen 1.c) es una cimentación que está en el punto intermedio entre losa y encepado de pilotes, consiguiendo minorar en gran medida tanto los asientos esperables si se hubiera elegido una cimentación losa, como el coste de hacer un encepado plagado de pilotes. Es decir, funciona, es seguro y es mucho más barato ¿Por qué no usarlo?

Básicamente, con el uso de LCP, se logra que una parte de la carga de la estructura (y no toda) sea traspasada a mayores profundidades. Esto hace, por lo tanto, que las LCP sean particularmente efectivas cuando la calidad del suelo, como es lo típico, mejora con la profundidad.

Una LCP se caracteriza por el coeficiente αKPP, que representa la relación entre la carga que toman los pilotes y la carga total de la cimentación:

Este coeficiente puede tomar valores entre 0 y 1. En caso de que αKPP = 1, se trata de un encepado con pilotes; para αKPP = 0 se trata de una cimentación directa (losa en este caso). La experiencia muestra que para obtener una reducción efectiva de los asientos el valor αKPP debe ubicarse cerca de 0,6.

El problema con este tipo de cimentaciones radica en la modelación de la interacción entre los elementos portantes losa y pilotes, lo cual es necesario para el diseño. Si ya con encepados tenemos que tener en cuenta la interacción entre pilotes (efecto grupo) ahora tenemos unas cuantas más interacciones; concretamente:  Mientras que para el diseño de un encepado de pilotes, basta con adoptar un modelo de la capacidad de carga de los pilotes despreciando el encepado del lado de la seguridad, para las LCP se hace necesario conocer con mucha mayor precisión las características de la relación carga-deformación de los pilotes, dado que el comportamiento del conjunto depende fuertemente de éstos. Por ejemplo, pilotes muy rígidos podrían producir punzonamiento de la losa (la losa en este caso es de menor espesor que el encepado para conferir al sistema de flexibilidad), mientras que pilotes muy poco rígidos llevarían a asientos diferenciales importantes. El cálculo se dificulta por el hecho que además de la influencia recíproca entre la losa y los pilotes, existen interacciones de grupo entre los pilotes, entre pilotes y suelo y además entre losa y suelo, las cuales también deben ser consideradas en el diseño. Esto hace que el cálculo de las LCP sea un problema complejo, que por lo general sólo puede ser resuelto mediante métodos numéricos bajo la suposición de una ley de comportamiento del suelo no-lineal.

Esto exige un gran esfuerzo de proyecto y cálculo, así como la ejecución pruebas de carga de pilotes, mediciones geotécnicas para la observación del comportamiento del edificio y para la verificación de los cálculos realizados…etc, pero la reducción del coste de la cimentación puede merecer la pena.

De manera aproximada, sin tener que recurrir a modelos de elementos finitos de comportamiento no-lineal, se puede obtener un encaje de este tipo de cimentación de la siguiente manera:

Se puede modelizar la losa de manera tradicional con resortes lineales según el coeficiente de balasto del terreno y dimensiones de la losa (formulaciones de Terzaghi, de Vesic, Vogt…) y modelizar el pilote como un único resorte individual lineal con rigidez vertical Kv.

Para evaluar la rigidez vertical del pilote individual podemos usar, por ejemplo, la formulación propuesta por la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera del Ministerio de Fomento:

Pero este modelo lineal propuesto no tiene en cuenta todas las interacciones que hemos explicado antes ni la no linealidad del terreno, por lo que le hace falta una cosa: que unos alemanes simpáticos y de nombre casi impronunciable realicen estudios con modelos no lineales a base de curvas tensión-deformación de pilotes reales y nos ofrezcan coeficientes de modificación del valor Kv para poder tener en cuenta dichas interacciones  y no lienalidades. Concretamente en “Katzenbach, R. et al.: Análisis del comportamiento estructural de LCP Pfahlsymposium; Braunschweig 1999” se nos ofrece un coeficiente ξ con el que modificar Kv de la forma:

KvLCP = Kv · ξ

Y este ξ viene en función de la longitud de los pilotes “L”, su diámetro “D”, la distancian entre ellos “e” y su posición relativa dentro de la losa:

 

Como ya digo, este método aproximado solo sirve para hacer un encaje preliminar pero si hacéis números os asombrareis de la reducción del coste económico de la cimentación. Concretamente, en el caso que tuve la suerte de calcular, obtuvimos una reducción del 55% sobre el coste de la cimentación si la elección hubiera sido de encepado de pilotes y conseguimos reducir los asientos máximos teóricos en torno al 45% de los esperados si hubiéramos construido una cimentación directa tipo losa.

Para el que quiera saber más sobre el tema, comentar que existe una “Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000” donde se describe exhaustivamente este tipo de cimentación.

Desde aquí, mi llamamiento a que aprovechemos esta “crisis” para desarrollarnos más como ingenieros, como por ejemplo, en la búsqueda de la optimización de lo que ya conocemos.

FUENTES:

-Concepción y diseño: Losas de fundación combinadas con pilotes. Aldo Guzmán G.et all.

-Guía para el diseño, análisis y la construcción de las losas combinadas con pilotes, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000

Espero que haya gustado.


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José Antonio Agudelo Zapata

Ing. Caminos, Canales y Puertos y Máster de Estructuras por la Universidad de Granada. Cofundador y responsable de Estructurando.net

28 Responses to Losas Combinadas con Pilotes: economizando la cimentación.

  1. Muy interesante, amigo. Solo objetar una manía personal, y es que el tema este de asimilar la interfaz suelo losa como un conjunto de muelles de constante el coeficiente de balasto es un número muy gordo y no me gusta mucho porque en muchas ocasiones el comportamiento de un suelo no responde de manera aproximada a un muelle, pero bueno, para gustos los colores, está claro. Enhorabuena.

    • Hola Jose¡¡ Pues si, la verdad que no es la mejor manera el asimilar el suelo a un muelle, pero la rapidez con la que te ofrece resultados (algunas veces no tan número gordos) es la causante de la fiebre de este método por la mayoría de los programas comerciales. De todas maneras, tampoco me fio yo mucho de la alternativa a modelizar el terreno con elementos finitos al que hay que caracterizarlo con dol mil parámetros que al fina se acaba inventando el ingeniero… aunque digan que eso es mas exacto… A ver si un dia hago un post sobre modelizar el terreno con muelles no lineales, elastoplasticos, que se asemejan un poco mas a la realidad (un pasito mas). Un saludo¡¡¡

      • Miguel Molinos dice:

        En respuesta al comentario de ingenierodelacrisis, me gustaría puntualizar que principalmente el problema de emplear el modelos de muelles en suelos radica (o eso nos enseñan ahora en la escuela) en la propia heterogeneidad de los suelos. Es decir, si tenemos un suelo del que podemos sacar unos parámetros elásticos decentes el método del coeficiente de balasto da unos resultados bastante buenos.
        En mi opinión no es bueno desterrar los viejos métodos , apoyarse exclusivamente en los métodos numéricos y creernos que eso es una bola de cristal porque se corre el riesgo de olvidar la idiosincrasia de los suelos.

        Por cierto, un post muy interesante !

      • Luis Crespo dice:

        Se podría modelizar con plaxis el conjunto (losa, pilote y terreno) y aparentemente es más exacto, pero también es verdad que según la magnitud de la cimentación se suele disponer de uno o dos sondeos como mucho y si el suelo es heterogéneo en cuanto a su potencia y en cuanto a sus propiedades, la simplificación de extrapolar lo demás habría que ver que exactitud tiene, yo he intentado instrumentalizar varios pilotes con extensómetros mediante becas para estudiarlo, pero entre que ya no hay obras y las que hay es difícil de acceder, habrá que esperar y pedírselo a los “Reyes Magos”……

        • Hola Luis,

          Interesante lo que dices. Lo que no se si Plaxis sería válido para estudiar este caso pues abría que ver si el modelo tensodeformacional del terreno que usa junto al modelo de contacto con el hormigón, tienen en cuenta todas las interacciones que se dan entre pilote-losa-terreno. Aveces los modelos que vienen implementados funcionan muy bien para casos normales pero cuando pones un sistema nuevo, el modelo no considerar nuevos efectos de interacción. Lo que si creo es que merecería la pena comprobarlo.

          Un saludo.

      • Elias Dimas dice:

        Espero puedas darte el tiempo para realizar ese post sobre los muelles no lineales elastoplasticos, la verdad seria muy interesante saber mas sobre estos temas, gracias por las publicaciones

  2. LUIS ÁLVAREZ ESPEJO dice:

    Felicidades, como siempre, muy interesante y muy útil.

  3. En la Torre de Cristal hicieron algo parecido, pero con pantallas en lugar de pilotes.
    http://e-ache.com/uploads/pd-downloads/249.pdf

  4. Gracias Luis y Manuel¡¡¡

  5. Buenas tardes.

    Antes de todo tu artículo describe perfectamente el mecanismo de trabajo de una losa pilotada.

    Aportamos a tu blog que nuestra empresa, llamada Ingeosolum, emplazada en Madrid, España, lleva calculando y ejecutando losas pilotadas y losas micropilotadas en los últimos 7 años.

    Os adjuntamos un vínculo en el cual podrán descargar una nota técnica de una Losa Pilotada Termoactiva que proyectamos y realizamos:

    http://cl.ly/252D0U08113P3P0v2w1z

    Si quieren más información no duden en visitar nuestros blog:

    http://ingeosolum.blogspot.com.es/

    También pueden visitar nuestros canales de youtube:

    http://www.youtube.com/user/ingeosolum?feature=results_main
    http://www.youtube.com/user/ingeosolumjo?feature=results_main

    Saludos a todos.

    Julio César Ortigosa

  6. […] de que habla sobre el nuevo Prontuario Informático del Hormigón Estructural del IECA, el de las Losas Combinadas con Pilotes, o el de Refuerzo de fibra de […]

  7. Manolo dice:

    Hola Antonio, enhorabuena, todo bien explicado, sabes donde puedo encontrar la bibliográfica es un caso que me interesa mucho. saludos y gracias por compartir.

  8. Manolo dice:

    por cierto estoy de acuerdo contigo, el modelo de cálculo dependerá de los datos que tengas, no vale de nada un plaxis modelizado con correlaciones no va a aportar nada diferente a la modelización con muelles.

    saludos

  9. Sonia G. dice:

    Hola a todos; tengo que calcular una losa micropilotada y me gustaría conseguir la bibliografía que indicas en el blog. El colegio dispone de ella?

  10. Manolo dice:

    Gracias por los enlaces, lo de alemán por ahora no, quien sabe.

    saludos

  11. pablo pablito pablete dice:

    La referencia que das para el factor multiplicador de Kv también esta solo en alemán o hay versión en inglés?
    Katzenbach, R. et al.: Análisis del comportamiento estructural de LCP Pfahlsymposium; Braunschweig 1999

  12. pablo pablito pablete dice:

    Sabes como se puede conseguir? He buscado por todas partes en internet y no encuentro la manera….

  13. pablo pablito pablete dice:

    Decía el artículo, no el libro (ya lo he pedido esta semana)

  14. […] Losas Combinadas con Pilotes: economizando la cimentación […]

  15. José Luis López dice:

    Gracias por la aportación. Actualmente trabajo en Bogotá y este tipo de soluciones es bastante frecuente, por eso me viene muy bien la bibliografía que aportas

  16. Toni dice:

    Primero, gracias por la aportación.

    Por otra parte, ¿No habría que incluir también rigideces rotacionales y horizontales en sustitución de los pilotes?

    • Hola Toni,
      En el caso de una losa se puede suponer que las fuerzas horizontales son despreciables frente al peso de la losa por lo que no se consideran. Obviamente, si tuviéramos cargas horizontales no despreciables habría que considerar lo que dices pero así el problema se complicaría infinitamente pues habría que considerar el efecto del rozamiento del terreno con la losa y de la resistencia horizontal del pilote…
      Un saludo!

  17. Miguel Azcona Domínguez dice:

    Hola. Un poco tarde pero por si te interesa, puedo aportar que en la ciudad de Huelva hay varios edificios de viviendas (con unas 5 ó 6 plantas) construidos con losas combinadas con pilotes flotantes, construidos entre los años 2008 a 2011.
    Trabajo en Bureau Veritas, empresa de control de calidad, en el departamento de Control de Construcción, en Sevilla. En esos años el Seguro Decenal todavía daba bastante trabajo y fui yo quién hizo la revisión de proyectos. La empresa calculista fue siempre Calconsa.
    Lo normal en el Huelva son pilotes columna entre 25 y 30 m de longitud, pero en estos solares parece que no entraba o no podía llegar la máquina de pilotes necesaria, por lo que se optó por este sistema combinado.
    El estudio de esta cimentación Calconsa lo hizo mediante un método peculiar: los pilotes se llevan el 70% de la carga de los pilares y la losa el 30% restante. Así de simple, sin más justificación. Con estas cargas dimensionaban los pilotes flotantes (creo que eran de unos 15 m) como si no hubiera losa, mientras que la losa de 50 cm de canto la armaban empleando un modelo de losa sobre muelles de forma convencional, con ese 30% de la carga aplicada de forma superficial. Y tan contentos que estaban con ese “sistema de cálculo”.
    Cuando les dije que eso era pura arbitrariedad empezaron con que ya lo habían hecho así antes en Huelva sin problemas (no llegaron a decirme dónde exactamente). No conocía los estudios de los alemanes, pero yo empleé el mismo método que describes: la losa modelizada sobre muelles con el módulo de balasto y los pilotes como muelles especiales con la rigidez de la Guía de Ministerio de Fomento. El resultado fue que para mantener los pilotes propuestos (las máquinas que podían hacer el trabajo mandaban) hubo que incrementar el canto de las losas, aunque no recuerdo bien cuanto.
    El sistema combinado parece que ha funcionado, ya que no nos han notificado fallo alguno de estos edificios y al ser la OCT nos hubieran llamado si se hubiera producido algún problema.

    • carlos H dice:

      Hombre!! Miguel Azcona. Qué alegría leerte por casualidad. Me alegra ver que estás como siempre, donde siempre y al pie de este cañón tan pesado y complejo que es la Edificación. Leyendo tu comentario no parece haber pasado el tiempo en que compartimos tanto intenso trabajo ahí donde tú sigues. Muy interesante tu aporte. Efectivamente, recuerdo empresas como Pryconsa o Islacanela S.A , Iscasa etc…que nos hacían algunos encargos como OCT por Huelva y tus revisiones de proyecto al detalle. Un abrazo!! C.Huelva.

  18. Anónimo dice:

    Muchas gracias por el post y muy interesante , y muy interesante los comentarios

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