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Tipos de Pilotes de Cimentación en una Construcción

Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera, usados para construir cimentaciones de pilotes, que son profundas y más caras que las cimentaciones superficiales.

A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para garantizar la seguridad estructural.

Cuando los estratos superficiales del suelo de fundación, no son lo suficientemente resistentes para soportar las cargas impuestas por las bases directas de la super-estructura, se pueden producir:

  • Asentamientos locales excesivos e inadmisibles
  • Falla del suelo, al superar su capacidad portante

Para solucionar este problema, se deben buscar estratos profundos más firmes, de modo de transmitir a ellos las cargas actuantes, mediante fundaciones indirectas o profundas, las cuales se pueden clasificar en:

  • Pilotines o micropilotes (10 cm ≤ D ≤ 20cm)
  • Pilotes (20 cm < D ≤ 80 cm)
  • Pilas (80 cm < D ≤ 220 cm)

Donde «D» es el diámetro de su sección transversal.

Cuando las condiciones del suelo son tales que es necesario el uso de pilotes, la elección más adecuada de los mismos involucra tomar en consideración diversos factores, tales como las características del subsuelo, la profundidad necesaria, la magnitud de las cargas impuestas, el espaciamiento, métodos de ejecución, dimensiones, etc.

Sin embargo, se debe tener en cuenta que el análisis de las fundaciones, conjuntamente con los principios de la mecánica de suelos, no se ajusta a reglas fijas ni ecuaciones matemáticas exactas sino aproximadas, y que el terreno es un medio elástico heterogéneo, del cual se obtienes sólo datos cercanos a la realidad variables con el tiempo.

Necesidad de las cimentaciones con pilotes

Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales. Las siguientes son algunas de éstas:

1. Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil para soportar la carga transmitida por la superestructura, se usan pilotes para transmitir la carga al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte.

Cuando no se encuentra un lecho de roca a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno, se usan pilotes para transmitir gradualmente la carga estructural al suelo.

La resistencia a la carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistencia por fricción desarrollada en la interface suelo-pilote.

figura 1
figura 2

2. Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura.

Esta situación se encuentra generalmente en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y en las cimentaciones de estructuras altas que están sometidas a fuerzas severas por viento y/o Sismo.

figura 3

3. En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser expansivos y colapsables. Esos suelos se pueden extender hasta una gran profundidad debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se expanden~contraen conforme el contenido de agua aumenta y disminuye, y la presión de expansión de tales suelos es considerable.

Si se usan cimentaciones superficiales la estructura puede sufrir daños considerables. Sin embargo, las cimentaciones con pilotes se consideran como una alternativa cuando los pilotes se extienden más allá de la zona activa, que se expande y contrae.

figura 4

Suelos como el loes son colapsables. Cuando el contenido de agua de esos suelos aumenta, sus estructuras se rompen.

Un decremento repentino en la relación de vacíos del suelo induce grandes asentamientos de estructuras soportadas por cimentaciones superficiales. En tales casos, se usan las cimentaciones con pilotes en las que éstos se extienden hasta estratos de suelo estable, más allá de la zona de cambios posibles de contenido de agua.

4. Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótanos debajo del nivel freático, son sometidas a fuerzas de levantamiento.

Los pilotes se usan a veces para esas cimentaciones y así resistir la fuerza de levantamiento.

figura 5

5. Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones con pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno.

figura 6

Aunque numerosas investigaciones, tanto teóricas como experimentales, han sido conducidas para predecir el comportamiento y la capacidad de carga de pilotes en suelos granulares y cohesivos, los mecanismos no son aún plenamente entendidos y tal vez nunca lo sean. El diseño de cimentaciones con pilotes se considera como un «arte», resultado de las incertidumbres implícitas en el trabajo con algunas condiciones del subsuelo

Tipos de pilotes y sus características estructurales

Se usan diferentes tipos de pilotes en el trabajo de construcción, dependiendo del tipo de carga por tomarse, de las condiciones del subsuelo y del nivel del agua freática. Los pilotes se dividen en los siguientes tipos:

  1. Pilotes de acero
  2. Pilotes de concreto
  3. Pilotes de madera
  4. Pilotes compuestos.

Pilotes de Acero

Los pilotes de acero son en general construidos a base de tubos o de secciones H laminadas de acero. Los pilotes de tubos se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las secciones de patín ancho y las secciones l de acero también se usan como pilotes; sin embargo, las secciones H para pilotes son usualmente preferidas porque sus espesores de alma y patines son iguales. En los perfiles de patín ancho y vigas l, los espesores del alma son menores que los espesores de los patines.

Pilotes de concreto

Los pilotes de concreto se dividen en dos tipos básicos: pilotes prefabricados y colados in situ.

Los pilotes prefabricados se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados u octagonales en su sección transversal.

El refuerzo se proporciona para que el pilote resista el momento flexionante desarrollado durante su levantamiento y transporte, la carga vertical y el momento flexionante causado por la carga lateral. Los pilotes son colados a las longitudes deseadas y son curados antes de ser transportados a los sitios de trabajo.

Los pilotes colados in situ (colados en el lugar) se construyen haciendo un agujero en el terreno y llenándolo luego con concreto. Varios tipos de pilotes de concreto colados en el lugar se usan actualmente en construcción, y la mayoría han sido patentados por sus fabricantes. Esos pilotes se dividen en dos amplias categorías: con ademe y sin ademe. Ambos tipos tienen un pedestal en el fondo.

Pilotes de madera

Los pilotes de madera son troncos de árboles a los que se les ha quitado las ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de los pilotes de madera es de entre 10 y 20 m. Para calificar como pilotes, la madera debe estar recta, sana y sin defectos.

Los pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado; por tanto, la capacidad del pilote es por lo general limitada aproximadamente a un valor de entre 220 y 270 kN. Zapatas de acero se usan para evitar daños a la punta (fondo) del pilote. La parte superior de los pilotes de madera también se puede dañar durante la operación de hincado.

Para evitar daño a la parte superior del pilote se usa una banda o capuchón metálico. El agrietamiento de las fibras de madera causado por el impacto del martillo se denomina astillado.

Pilotes Compuestos

Las porciones superior e inferior de los pilotes compuestos están hechas de materiales diferentes, como de acero y concreto o madera y concreto. Los pilotes de acero y concreto consisten en una porción inferior de acero y en una porción superior de concreto colado en el lugar.

Este tipo de pilote se usa cuando la longitud del pilote requerido para un apoyo adecuado excede la capacidad de los pilotes de concreto simple colados en el lugar. Los pilotes de madera y concreto usualmente consisten en una porción inferior de pilote de madera debajo del nivel freático permanente y una porción superior de concreto.

En cualquier caso, la formación de juntas apropiadas entre dos materiales disímiles no es fácil y, por esa razón, los pilotes compuestos no son muy usados.

Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de pilotes

Varios factores determinan la selección de los pilotes para una estructura particular en un sitio específico.

En la siguiente tabla haremos una breve comparación de las ventajas y desventajas de los varios tipos de pilotes con base en el material del pilote.

TIPOS DE PILOTESVENTAJASDESVENTAJAS
Pilotes de MaderaFáciles de obtener en zonas boscosas. Económicos.
Posibilidad de aserrarlos cuando se alcanza el estrato resistente
Susceptibles de ser atacados por microorganismos y putrefacción.
Fáciles de romper mediante los golpes de martinetes.
Difíciles de alargar.
Pilotes de AceroFáciles de acortar y alargar soldando nuevos tramos.
Resistentes a los golpes de martinetes.
Gran capacidad de carga.
Difíciles de proteger contra la corrosión.
Precio elevado.
Las secciones I pueden pandear
Prefabricados de Concreto ArmadoGran durabilidad.
Buena capacidad portante.
Resistencia a la acción agresiva de suelos con sustancias químicas.
No les afecta la fluctuación del nivel freático.
Equipo de hincado costoso.
Poco resistente para el acarreo y manipulación.
No se los puede alargar.
Pilotes de Concreto PretensadoFácilmente extensibles a la longitud deseada cuando se construyen con dovelas cortas acoplables.
Secciones reducidas y livianas, de fácil manejo y transporte.
Muy resistentes a la corrosión.
Costo elevado.
Requieren excavación previa.
No se los puede alargar cuando se construyen en una sola pieza en la altura total del pilote.
Pilotes Vaciados In Situ con tubos recuperables o excavados y perforadoSe pueden construir de cualquier dimensión y a la profundidad deseada.
Muy resistentes.
No producen grandes vibraciones en los edificios vecinos.
Costo elevado.
Necesitan equipos especiales de excavación y colocación en obra.
Peligro de sifonamiento.

La capacidad resistente de un pilote, referida a las cargas que soporta como miembro estructural dependes de la calidad de los materiales usados, el tipo de solicitación impuesta y las dimensiones de su sección transversal.

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