Evolución del Tope Estructural en pilotes

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Hace poco, durante una revisión estructural en el trabajo, me asaltaron con la duda de si el concepto del Tope Estructural de un pilote era algo que se circunscribía solo a España y si tenía sentido con las nuevas normativas españolas y europeas.

En el post de hoy vamos a explicar este concepto, a qué se debe, su implicación en los cálculos y os contaremos cuáles son sus orígenes, las discrepancias entre normativas y recorrido en otras internacionales.

El concepto de Tope estructural se encuentra a caballo entre una comprobación geotécnica y una estructural. Se trata de una comprobación de tensión máxima de trabajo de un pilote dependiendo del material del que está hecho, el proceso constructivo del mismo y del terreno en que se coloca. Es decir, se está admitiendo que la calidad del material del que está hecho el pilote, por las circunstancias que rodean la ejecución, no puede garantizarse de la misma manera que si se tratara de una simple columna hecha del mismo material. Eso se debe a que, en pilote in situ, la calidad del hormigón, por contaminaciones durante la ejecución, no puede garantizarse y, en cuanto a los pilotes prefabricados hincados, el trato que reciben es tan duro, que puede provocar fisuras o comienzo de desagregación.

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En todas las normativas que he tenido acceso, el tope estructural se calcula como:

Donde A es el área de las sección del pilote y σ es las tensión de trabajo de este, que depende, como hemos indicado, de

  1. el tipo de material del pilote;
  2. el procedimiento de ejecución;
  3. el terreno.

La comprobación que hay que realizar es que las cargas en nuestro pilote, Q, sean siempre menores o iguales que nuestro tope estructural.

Y esta limitación es importante puesto que si no podemos cargar un pilote más que su Tope Estructural, aunque el terreno permita considerar mayor resistencia al darle mayor longitud al pilote, no se podría contar con esta precisamente porque antes se produciría el agotamiento por el tope.

Por tanto, nos debe asaltar dos preguntas fundamentales al respecto:

  1. ¿Qué valor de tensión de trabajo σ hay que aplicar en nuestros cálculos?
  2. ¿Qué combinación de acciones hay que considerar para esta limitación de carga?

Como dijo Jack el Destripador, “Vamos por partes”.

Tensión de trabajo σ.

En cuanto a la tensión de trabajo, la normativa más antigua que dispongo es la Norma Tecnológica NTE “Pilotes in situ” de 1977. En esta normativa la tensión de trabajo para pilotes de hormigón in situ (ojo que estamos hablando de hormigones de fck=17.5 MPa y aceros equivalentes al B400S) se fijaba en:

  • Para pilotes ejecutados en seco
  • Para pilotes ejecutados en agua  

Con c’ un valor de eficiencia que depende del número de pilotes en el encepado:

Parece ser que con este factor C’ lo que se quería tener en cuenta eran flexiones no consideradas en el cálculo como consecuencia de una excentricidad o inclinación de los pilotes.

Un tiempo después, en 1979, en la épica obra del Profesor Jiménez Salas “Geotecnia y Cimientos II”, D. Ricardo Marsal, por entonces Profesor adjunto de la Cátedra de Geotécnia y Cimientos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid, realiza una recopilación de diversas especificaciones extrajeras de esta tensión de trabajo y confecciona el siguiente tope:

Donde

Sa, Sb, Sc son el área de acero, hormigón y la camisa metálica del pilote respectivamente.

fyk, fck, f’yk son las resistencias características de los distintos materiales (que por aquel entonces tampoco eran muy altos).

α,β,γ, coeficientes de minoración según la siguiente tabla:

De forma más reciente, la Guía de Cimentaciones de Carretera, de 2004, define las tensiones de trabajo para el tope estructural según la siguiente tabla:

Y un año después, en 2005, las Recomendaciones de Obras Marítimas ROM-05 de forma similar recoge:

El Código Técnico de la Edificación CTE, en 2006 recoge:

Y por último, en el anejo nacional del Eurocódigo 7, en su versión del 2016, se recoge que para pilotes en edificación se tiene:

Y para pilotes en el resto de estructuras:

Para pilotes hincados:

¿Y qué pasa al otro lado del charco?

Pues si nos vamos a la ACI 543R-12 “Guide to desing, manufacture, and instalation of concrete piles” no nos menciona el “tope estructural” pero si nos habla de “allowable service capacity”, algo así como tensión permitida en servicio en pilotes:

Y nos comenta que otras normativas como el Uniform Building Code (1997) o el International Building Code (2006) realizan limitaciones de tensiones en servicio similares. Incluso llega a apuntar que estas recomendaciones se remontan a publicaciones de los años 70.

Para que os hagáis una idea, el International Building Code de 2018 apunta:

Combinaciones de cargas

Una vez que sabemos obtener nuestro tope estructural, cabe preguntarse sobre qué combinación de acciones hay que aplicar esta limitación.

Tradicionalmente, se ha estado limitado a las cargas en servicio. Es decir, una combinación donde estaban las cargas desfavorables y sin mayorar.

Y así se hacía hasta que el CTE sugiere limitar en el mismo grado tanto la combinación de servicio característica como las combinaciones accidentales y sísmicas.

La Guía de Cimentaciones de Carretera se moja un poco más y aplica esta limitación a un nuevo concepto, la Carga de Servicio, que no es más que una composición de las combinaciones características, cuasi-permanente y sísmica, tomando el mayor valor de los tres siguientes:

a) La carga vertical sobre el pilote más solicitado en situación persistente con la combinación de acciones casi-permanente.

b) La carga vertical sobre el pilote más solicitado en cualquiera de las situaciones y combinaciones de acciones que se indican a continuación, dividida por 1,10.

  • El mayor valor de entre los correspondientes a las combinaciones de acciones características (en situaciones persistentes o transitorias y de corto plazo).
  • El mayor valor de entre las situaciones transitorias y de corto plazo con la combinación de acciones casi permanente.

c) La carga vertical sobre el pilote más solicitado en cualquier situación accidental, dividida por 1,25.

Un poco complicado pero mantiene a raya todas las combinaciones de acciones con diferente grado de permisibilidad.

Y por último, el Eurocódigo 7 no se calienta la cabeza y asume que el tope estructural es exclusivo para la combinación casi-permanente y no menciona la combinación accidental o sísmica.

Llama la atención que algunas normas o ignoren la situación sísmica o la pongan en el mismo grado que las combinaciones de servicio. Esto puede hacer que en lugares con sismo alto, dado que las tensiones de trabajo son similares en todas las normas, el pilote pueda estar o muy o nada condicionado, según la normativa que se aplique.

Conclusiones.

Como hemos podido señalar, el concepto de Tope Estructural viene de largo (al menos de los años 70 del siglo pasado) y es usado tanto en España como en normativa internacional desde entonces.

Se trata de una limitación tensional debido a la incertidumbre del grado de acabado del pilote y es fundamental para el dimensionamiento del pilote. Y por lo que se ve, en temas sísmicos, depende mucho de la normativa que estemos utilizando para que pueda estar condicionada nuestra cimentación.

Por último, parece que la Guía de Cimentaciones de Carretera es la que mejor controla las tensiones en todas las combinaciones de acciones en el pilote, otorgando a cada combinación distinto grado de seguridad. Está acorde con lo que se ha hecho de forma habitual en el control de las tensiones en el terreno en caso sísmico.


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