Nuevo prototipo de cimentación prefabricada con amplio espectro de aplicación geotécnica y estructural

Nuevo prototipo de cimentación prefabricada con amplio espectro de aplicación geotécnica y estructural. Autor: Cascón Fernández-Martos, Carlos Tutor: Vázquez Carretero, Narciso Jesús Agradecimientos Quiero expresar mi más profundo agradecimiento a todas las personas que hicieron posible la realización de este trabajo. En primer lugar, agradezco a mis padres, Macarena y Carlos, por su amor, apoyo incondicional y por siempre creer en mí. Su confianza y sus enseñanzas han sido fundamentales para alcanzar mis metas y superar los desafíos que se presentaron en el camino. A mi hermana María, por su constante ánimo y apoyo. Su compañía y comprensión fueron un gran soporte durante todo este proceso. Quiero dedicar un especial agradecimiento a mi abuelo Laureano. Él inculcó en mí muchos valores y enseñanzas que han sido pilares en mi vida y en la consecución de este logro. Su memoria sigue siendo una fuente de inspiración para mí. A mi profesor Narciso, por sus correcciones y valiosas orientaciones a lo largo de este trabajo. Su guía ha sido esencial para mejorar y perfeccionar este proyecto. 2 Índice 1. Introducción.....................................................................................................................................8 1.1 Motivación................................................................................................................................ 8 1.2 Problemática general..............................................................................................................8 1.3 Cuestiones principales.............................................................................................................9 2. Objetivos........................................................................................................................................ 10 2.1 Objetivo general.................................................................................................................... 10 2.2 Objetivos específicos.............................................................................................................10 3. Método........................................................................................................................................... 11 3.1 Estado de la cuestión............................................................................................................ 11 3.2 Método....................................................................................................................................12 3.3 Delimitación del ámbito de estudio.................................................................................... 13 4. Sistemas tradicionales de cimentación prefabricada..............................................................14 4.1. Clasificación de sistemas de cimentación...............................................................................14 4.1.1 Cimentaciones directas..................................................................................................... 14 4.1.2 Cimentaciones profundas..................................................................................................15 a. Clasificación de pilotes de acuerdo con su forma de trabajo...................................16 i. Pilotes por punta...........................................................................................................16 ii. Pilotes por fuste............................................................................................................ 16 b. Clasificación de los pilotes de acuerdo con el material............................................. 17 i. Madera.......................................................................................................................... 17 ii. Acero.............................................................................................................................17 iii. Hormigón Armado...................................................................................................... 18 4.2. Unión entre cimiento y estructura..............................................................................................19 4.2.1 Unión tipo cáliz.....................................................................................................................20 4.2.2 Unión con acoples mecánicos..........................................................................................21 4.2.3 Unión mediante barras de anclaje...................................................................................22 4.2.4 Unión mediante placa de anclaje................................................................................... 23 4.2.5 Unión con cajones y pernos...............................................................................................24 4.2.6 Unión postensada............................................................................................................... 25 4.3 Casos prácticos de referencia....................................................................................................26 4.3.1 Edificio de viviendas protegidas de alquiler para jóvenes en Banyoles......................26 4.3.2 Residencia de estudiantes en el Campus de Montilivi en Girona................................ 29 4.3.3 Residencia de estudiantes en el Campus de Sant Cugat del Vallès...........................31 5. Nuevos métodos de cimentación prefabricada....................................................................... 33 5.1 Nuevas técnicas de cimentación.............................................................................................. 33 5.1.1 Cimentaciones compuestas de un encepado y un elemento hincado.....................33 a. Piloedre...............................................................................................................................33 b. Diamond Pier..................................................................................................................... 35 3 c. Mega-Anchor.....................................................................................................................36 5.1.2 Cimentaciones sobre tornillos............................................................................................37 a. Pilote helicoidal de Keller................................................................................................. 38 b. Tornillo de cimentación de Krinner..................................................................................39 c. Tornillo de cimentación de EcoGround......................................................................... 40 5.1.3 Cimentaciones sobre plásticos..........................................................................................41 a. Lankhorst.............................................................................................................................42 b. Izodom................................................................................................................................ 43 5.1.4 Cimentaciones semiprefabricadas de hormigón armado............................................43 a. Monachino Technology................................................................................................... 44 b. Canacintra.........................................................................................................................45 5.2 Casos prácticos de referencia....................................................................................................47 5.2.1 Escuela de surf en la playa de Hossengor....................................................................... 47 5.2.2 Pabellón Möbius en San Sebastián...................................................................................48 5.2.3 Viviendas vacacionales en La Roca del Vallès...............................................................48 5.2.4 Muro de contención para carretera de circunvalación en Seúl................................. 49 6. Técnicas aplicables al prototipo de cimentación.....................................................................50 6.1 Pinturas de alta resistencia a la corrosión...........................................................................50 6.2 Tipos de punta para tornillos.................................................................................................51 6.3 Sistemas de disipación de energía...................................................................................... 52 7. Conclusiones..................................................................................................................................54 7.1. Conclusiones sobre los sistemas tradicionales de cimentación prefabricada............. 54 7.2. Conclusiones sobre los nuevos métodos de cimentación prefabricada......................54 7.3. Conclusiones sobre las técnicas aplicables al prototipo de cimentación....................57 8. Nuevo prototipo de cimentación prefabricada........................................................................ 58 8.1 Descripción del sistema y usos previstos..............................................................................58 8.2 Cálculo de las prestaciones del prototipo..........................................................................63 8.2.1 Estado Límite de hundimiento.....................................................................................64 a. Resistencia al hundimiento del bloque de hormigón............................................ 64 b. Resistencia a hinca de los pilotes de rosca.............................................................65 8.2.2 Capacidad estructural del encepado......................................................................66 8.2.3 Capacidad estructural del pilote...............................................................................69 8.2.4 Dimensionado de los elementos constructivos.........................................................70 8.3 Caso de estudio..................................................................................................................... 73 8.3.1 Estimación de cargas...................................................................................................73 8.3.2 Características del terreno..........................................................................................77 8.3.3 Nuevo proyecto de cimentación y estimación de costes......................................78 a. Estimación de costes utilizando el Prototipo SPC................................................... 80 b. Estimación de costes de la cimentación existente................................................80 8.4 Líneas futuras de la investigación........................................................................................ 81 4 9. Anejo de cálculo...........................................................................................................................83 9.1 Tabla resumen de los datos de partida contemplados en el caso de estudio................... 83 9.2 Tabla resumen de los datos de resistencia del prototipo obtenidos..................................... 84 10. Bibliografía................................................................................................................................... 85 11. Normativa de aplicación........................................................................................................... 86 12. Listado de imágenes...................................................................................................................86 5 Sinopsis y palabras clave ¿Cuáles son las innovaciones en el ámbito de la cimentación prefabricada? ¿Están estas cimentaciones pensadas para adaptarse a todo tipo de estructura y terreno? La mayor parte de los esfuerzos innovadores desarrollados y patentados se centran en cimentaciones para estructuras ligeras, con cargas inferiores a 100 kN. Sin embargo, pueden revisarse con una perspectiva más universal, adaptándose a edificios de mayor escala, prefabricados o no prefabricados, y sirviendo para diferentes tipos y condiciones de terreno. En el presente trabajo se analizarán los avances más relevantes, se sintetizarán los conceptos fundamentales que rigen el campo de la cimentación prefabricada y se realizará un ejercicio propositivo con un amplio espectro de aplicación. Palabras clave: cimentación, prefabricación, patentes, nuevos sistemas, innovación. 6 Synopsis and Keywords What are the innovations in the field of prefabricated foundations? Are these foundations designed to adapt to all types of structures and terrains? Most innovative efforts developed and patented focus on foundations for light structures, with loads under 100 kN. However, they can be reviewed from a more universal perspective, adapting to larger scale buildings, whether prefabricated or not, and serving various types and conditions of terrain. This paper will analyze the most relevant advances, synthesize the fundamental concepts governing the field of prefabricated foundations, and propose an exercise with a wide range of applications. Keywords:foundation, prefabrication, patents, new systems, innovation. 7 1. Introducción 1.1 Motivación La motivación de este trabajo surge de una combinación de curiosidad general, interés por el campo de las estructuras y por ampliar mi conocimiento en el área de la prefabricación. Desde el inicio de mis estudios en arquitectura, he sentido una fascinación por el mundo de las estructuras y su impacto en el proyecto. Esta pasión me ha llevado a explorar diversas áreas dentro de la arquitectura, con el objetivo de comprender mejor los principios y las técnicas que sustentan las construcciones contemporáneas. En particular, el auge de la prefabricación en el sector de la construcción ha despertado mi interés debido a su potencial para transformar los procesos constructivos y mejorar la eficiencia en la utilización de recursos. La investigación realizada revela un creciente número de patentes desarrolladas en la última década, lo cual refleja el dinamismo y la innovación en este campo, algunas de ellas desarrolladas por investigaciones en universidades. Este fenómeno ha despertado mi curiosidad y motivación para explorar las diferentes soluciones que se están desarrollando. La oportunidad de contribuir al conocimiento en este campo y de participar en el desarrollo de soluciones innovadoras que promuevan la eficiencia en la construcción ha sido otro importante impulso para llevar a cabo este trabajo. A través del análisis de los avances más recientes y la propuesta de un prototipo versátil, espero poder aportar nuevas ideas y perspectivas que contribuyan al avance de la industria de la construcción prefabricada. 1.2 Problemática general La construcción sostenible se ha convertido en un imperativo global, impulsado por la necesidad de reducir el impacto ambiental de las actividades humanas. En este contexto, la industria de la construcción enfrenta el desafío de encontrar soluciones innovadoras que permitan maximizar la eficiencia en el uso de recursos, sin comprometer la calidad y la seguridad de las estructuras. Uno de los aspectos cruciales en la construcción de cualquier edificación es la cimentación, que proporciona la base sólida sobre la cual se erige toda la estructura. Tradicionalmente, las cimentaciones han sido construidas in situ, utilizando hormigón vertido en el lugar de la obra. Sin embargo, este método presenta inconvenientes en términos de tiempo, costos y generación de residuos. En este sentido, la prefabricación se sitúa como una alternativa prometedora para mejorar la eficiencia en la construcción de cimentaciones. La capacidad de fabricar elementos de cimentación de manera controlada en entornos industriales ofrece numerosas ventajas, incluida la reducción de los tiempos de construcción, la optimización de los recursos y la minimización de los desperdicios. 8 A pesar de las ventajas evidentes de la prefabricación en el ámbito de la cimentación, persisten desafíos y áreas de oportunidad que requieren atención. Entre ellos, la adaptabilidad de los sistemas prefabricados a diferentes estructuras y condiciones geotécnicas, y la necesidad de desarrollar soluciones versátiles implementadas en varios proyectos de construcción. 1.3 Cuestiones principales El presente trabajo se sustenta en tres hipótesis principales que guiarán la investigación y el análisis subsiguiente, proporcionando una base sólida para abordar las principales preguntas y establecer expectativas sobre los resultados esperados. Cuestión 1: ¿Cuáles son las innovaciones en el ámbito de la cimentación prefabricada? Se parte de la premisa de que existen innovaciones significativas en el ámbito de la cimentación prefabricada, impulsadas por la necesidad de mejorar la eficiencia, la calidad y la sostenibilidad en la construcción. Se ha estudiado una amplia variedad de tecnologías y conceptos innovadores aplicables a este campo. Cuestión 2: ¿Están estas cimentaciones pensadas para adaptarse a todo tipo de estructuras? Se plantea la cuestión de que las cimentaciones prefabricadas no están totalmente adaptadas para absorber las cargas específicas de diferentes tipos de estructuras de manera óptima. Se han encontrado limitaciones en la capacidad de adaptación de los sistemas prefabricados existentes. Cuestión 3: ¿Existen conceptos o técnicas ajenos al ámbito, aplicables a la cimentación prefabricada? Existen conceptos y tecnologías aplicables específicamente al ámbito de la cimentación prefabricada que actualmente no se utilizan en dicho campo. En el mundo de los tornillos autoperforantes para madera, hay ciertos conceptos que podrían extrapolarse a un tornillo de cimentación. Por ejemplo, el diseño de una punta especial podría mejorar la instalación de estos pilotes, incluso en suelos inicialmente desfavorables como cierto tipo de roca. 9 Existen dos tipos principales de cimentaciones profundas: los micropilotes y los pilotes. Los micropilotes, con un diámetro máximo de aproximadamente 300 milímetros, son comparativamente más flexibles que los pilotes, que tienen un diámetro superior a los 300 milímetros. La respuesta ante cargas como sismos o cargas verticales varía entre estos dos tipos de estructuras. Debido a las limitaciones de carga de un micropilote individual, a menudo es necesario utilizar varios elementos para un solo apoyo de la estructura. En estos casos, se emplea un encepado que transmite la carga a varios micropilotes, o incluso zapatas combinadas o losas de cimentación apoyadas en varios pilotes en casos más complejos. Los pilotes están asociados con cargas elevadas y suelos superficiales desfavorables, pero condiciones favorables en estratos profundos del suelo, donde se transmitirán las cargas de la estructura. En cuanto a los sistemas constructivos, los pilotes pueden ser de varios tipos, pero para el desarrollo de este trabajo, únicamente se tratará de pilotes o micropilotes de carácter prefabricado. a. Clasificación de pilotes de acuerdo con su forma de trabajo. i. Pilotes por punta En terrenos donde se encuentre un estrato notablemente más resistente a cierta profundidad, las cargas del pilotaje se transmitirán principalmente a través de la punta del pilote. Cuando un pilote necesita llegar a un estrato de soporte con una resistencia considerable en comparación con los estratos superiores, contribuirá a la resistencia tanto por punta como por fricción. Sin embargo, para activar la resistencia por fricción, se necesita un desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo. Dado que la rigidez del suelo sobre la punta del pilote puede ser relativamente baja, justifica la búsqueda de un estrato inferior como apoyo. ii. Pilotes por fuste En terrenos donde la capacidad portante aumenta gradualmente con la profundidad, pero no hay un estrato claramente más resistente, los pilotes transmitirán su carga al suelo principalmente a través del fuste. Estos pilotes son comúnmente conocidos como "flotantes" o "por fricción". La posibilidad de fricciones negativas debido a la consolidación de estratos superiores tiene la ventaja de la presencia del estrato rígido inferior en los pilotes que trabajan por punta, pero los pilotes flotantes pueden penetrar en el terreno a velocidades similares al asentamiento del suelo circundante. Además, las cimentaciones sobre pilotes de fricción 16 son altamente vulnerables a solicitaciones sísmicas. Los momentos de vuelco pueden causar remodelamiento en el suelo alrededor del pilote, reduciendo así su capacidad portante. Edificaciones en las situaciones descritas han sufrido hundimientos súbitos después de terremotos. Para prevenirlo se recomienda utilizar una losa pilotada en cimentación. b. Clasificación de los pilotes de acuerdo con el material. i. Madera Los pilotes de madera han sido ampliamente utilizados en la historia debido a su disponibilidad y economía, especialmente en áreas donde este material es abundante. Sin embargo, no pueden soportar los esfuerzos asociados con un hincado fuerte, que a veces es necesario para penetrar estratos muy resistentes. Aunque se pueden reducir los daños en las puntas utilizando regatones de acero, el riesgo de romper los pilotes es elevado si no se limita la carga de hincamiento en la cabeza o el número de golpes. Los pilotes de madera pueden perdurar mucho tiempo cuando están permanentemente rodeados por suelo saturado, están expuestos a la pudrición por encima de la zona de saturación. En algunas áreas, pueden ser afectados por insectos como las termitas. El periodo útil de los pilotes de madera por encima del nivel freático puede prolongarse significativamente mediante el tratamiento a presión con creosota. Los pilotes de madera en aguas saladas y parcialmente estancadas también pueden ser atacados por varios organismos marinos, como el teredo y la limnoria. El deterioro puede ser completo en unos pocos años o, en condiciones extremadamente desfavorables, en solo unos meses. ii. Acero Los tubos de acero son ampliamente utilizados como pilotes, generalmente rellenados de hormigón posteriormente a ser hincados, al igual que los perfiles de acero en forma de H, que se emplean cuando las características del terreno requieren un hincado de mayor fuerza, profundidades excepcionalmente grandes o cargas de trabajo elevadas. Los pilotes de perfiles de acero en H penetran en el terreno con mayor facilidad que otros tipos, en parte debido a que desplazan relativamente poca tierra. Por lo tanto, se utilizan con frecuencia para alcanzar estratos con una gran capacidad de carga a profundidades significativas. Sin embargo, si el proceso de hincado es difícil, especialmente si el terreno superior contiene obstrucciones o grava gruesa, las alas pueden dañarse y los pilotes pueden torcerse o doblarse. Estos defectos pueden ser evidentes durante el hincado, y en 17 caso de que las condiciones sugieran la posibilidad de daños, se recomienda reforzar las puntas de los pilotes. Los pilotes de acero como el resto de los elementos metálicos de la estructura están sujetos a la degradación. Aunque el deterioro generalmente es insignificante o despreciable si todo el pilote está hincado en un suelo natural, puede ser más pronunciado en algunos rellenos porosos debido al oxígeno encapsulado. Cuando los pilotes se extienden hasta el nivel del suelo o más allá de él, las áreas inmediatas por encima y por debajo del nivel del suelo son significativamente sensibles. Una medida de protección efectiva para el acero es recubrir las áreas vulnerables con hormigón, formando un encepado. En el anexo D, de la UNE-EN 14199 se proporciona una guía de carácter informativo sobre la pérdida de espesor de acero a considerar en obras de edificación. iii. Hormigón Armado Poco después de 1900, se idearon varios tipos de pilotes de hormigón. Desde entonces, han surgido numerosas variantes, y en la actualidad existe una amplia gama de pilotes entre los cuales el arquitecto puede valorar el más adecuado para una obra específica. Los pilotes prefabricados de hormigón se diseñan en diversas formas, siguiendo la norma Tecnológica NTE-CPP 78. Un tipo muy utilizado, especialmente para los soportes de los puentes y en edificaciones, es de sección rectangular, reforzado en su interior con acero y acabado en punta para facilitar su hincado. Estos pilotes requieren refuerzos para soportar su manipulación antes de ser hincados, así como los esfuerzos de hincado. Si la longitud necesaria se subestima, es difícil prolongarlos y cortarlos resulta costoso, por lo que los fabricantes los ofrecen en diversas medidas. Además, los pilotes prefabricados pueden ser pretensados. El pretensado busca reducir las grietas por tensión durante su manipulación e hincado, y proporcionar resistencia a los esfuerzos de flexión. La mayoría de los pilotes de hormigón pueden ser hincados hasta alcanzar una alta resistencia sin daños, lo que permite asignarles cargas admisibles mayores que a los pilotes de madera en condiciones normales. Además, no se deterioran bajo condiciones normales y pueden utilizarse por encima del nivel freático. Sin embargo, las sales del agua de mar y la humedad marina pueden corroer la armadura interior de los pilotes a través de fisuras en el hormigón, lo que provoca el desprendimiento del hormigón al formarse óxido. La mejor protección es emplear un recubrimiento de hormigón adecuado a la degradación y el ambiente químico. 18 4.2. Unión entre cimiento y estructura. Considerando el objetivo, que es el diseño de un prototipo de cimentación, resulta crucial estudiar la unión entre el cimiento y la estructura. El apartado de criterios generales de diseño de la Norma de Construcción Sismorresistente especifica que las especiales características de los nudos y las discontinuidades que pueden llegar a existir entre las diferentes juntas de las estructuras prefabricadas no permiten contar con el monolitismo del nudo rígido, en general. La conexión adecuada entre los diferentes elementos de una estructura prefabricada, como pilares, muros, vigas o escaleras, es crucial para garantizar la ductilidad. Aunque es esencial la sección de cada componente, son las uniones las que definen el comportamiento global de la estructura frente a las diferentes solicitaciones. En función del número de restricciones del nudo ante desplazamientos y giros, podemos dividir estos en: empotramiento o nudo rígido, nudo articulado y apoyo simple. La técnica constructiva empleada en la unión determina las restricciones del nudo. Una unión rígida, en principio, es aquella que limita los tres desplazamientos y los tres giros en un plano de tres dimensiones. Por otra parte, la unión articulada limita los desplazamientos, pero permite los giros. Es posible diseñar uniones articuladas entre cimiento y soporte con cierta capacidad para transmitir momentos en determinadas direcciones. El nuevo prototipo de cimentación debe ser lo más adaptable a un número elevado de estructuras, sin limitaciones en la ductilidad global o el nivel de arriostramiento necesario. Por lo tanto, la solución adoptada debe ser lo más flexible posible. Fig.03 Tipologías de conexión entre zapata y soporte Fuente: Elaboración propia El diseño de la unión entre la estructura y la cimentación prefabricada es fundamental para garantizar la integridad y la eficiencia del conjunto. A continuación, se presentan seis tipos de uniones comúnmente utilizados: 19 4.2.1 Unión tipo cáliz. Este método constructivo consiste en introducir parte del pilar dentro zapata para posteriormente hormigonar la junta con mortero de alta resistencia. Este tipo de unión resulta en un nudo rígido capaz de resistir momentos de mediana magnitud en las dos direcciones perpendiculares a la zapata. La calidad y la resistencia de la unión viene dada por las superficies de contacto entre el pilar y la zapata. La unión gana resistencia cuanto mayor sea esta superficie, por eso en muchos casos esta presenta bordes rugosos en zigzag. Este método es más estandarizado en edificios de baja altura y estructuras ligeras, aunque puede adaptarse a edificaciones de más plantas mediante sistemas de anclaje adicionales. Anclajes compuestos por pletinas de acero en ambas caras de la superficie de contacto entre elementos. Fig.04 Esquemas de unión tipo cáliz Fuente: Elaboración propia La unión de tipo húmeda se lleva a cabo con el uso de mortero fluido y de baja retracción para unir las superficies de la zapata y del pilar o soporte. La empresa Noxifer ha desarrollado un sistema de chapa prefabricada que sirve a modo de encofrado perdido, para zapatas in situ. Este sistema llamado Cubix, se introduce en la zapata en el momento previo al hormigonado. Está formado por una chapa grecada, que incorpora cierto grado de rugosidad en la superficie del cáliz. La distancia de empotramiento del pilar en la zapata es un aspecto importante. Se sugiere un valor mínimo basado en la geometría del pilar o la longitud de anclaje de los redondos con los que está armado el pilar. La ductilidad y la resistencia proporcionadas por esta unión deben ser comparables o superiores a las de una zapata in situ. 20 4.2.2 Unión con acoples mecánicos. Este método constructivo consiste en unir el pilar prefabricado mediante unos tiradores metálicos dispuestos en la zapata antes del hormigonado. Esta unión se puede realizar de dos formas: soldada o atornillada. En el método de unión soldada, las barras dispuestas en la zapata se sueldan a los acopladores, que están situados en la placa de ensamblaje del pilar. Estos acoples deben estar ligeramente sobredimensionados y recubiertos con mortero para garantizar la continuidad estructural. Este método se puede ejecutar de varias maneras, aunque la más estandarizada es colocar acopladores mecánicos en cada esquina de la unión. Fig.05 Esquemas de unión con acoples mecánicos Fuente: Elaboración propia Otra forma de conseguir la unión es colocando los acopladores mecánicos en la parte inferior de cada pilar, asegurando que la barra de refuerzo continúe longitudinalmente por la zapata. Posteriormente es aconsejable recubrir la unión con mortero de alta resistencia. Esta técnica se recomienda especialmente para pórticos que requieran una resistencia elevada al giro en una de las direcciones en los apoyos. Es por ejemplo, el caso de naves industriales de un único pórtico y con un momento de inercia predominante. En ambas técnicas, los pernos principalmente actúan en tracción transmitiendo los giros, mientras que el hormigón que los recubre trabaja en compresión. Es crucial que los acoples mecánicos sean capaces de resistir esfuerzos a compresión mayores que las barras anclaje. Uno de los fabricantes más estandarizados que trabaja con este tipo de uniones es el grupo Peikko. 21 4.2.3 Unión mediante barras de anclaje. Este método constructivo consiste en disponer unos redondos en la zapata prefabricada a modo de esperas, para posteriormente ser introducidos en el pilar prefabricado. En su sección inferior, este pilar contiene unos conductos corrugados que sirven como vainas para las esperas. Durante el proceso de montaje del pilar, este se deja descender sobre las esperas asegurándose de que estas son introducidas en los conductos corrugados del pilar. Estos conductos cuentan, a su vez, con dos orificios al exterior, sobre los cuales, después del aplomado del pilar, se inyecta un hormigón de alta fluidez. Esta técnica se utiliza principalmente en edificaciones de gran altura que requieren uniones rígidas. De la misma forma que la unión anterior también es posible invertir los elementos de solape, es decir, es posible embeber los conductos en la zapata y que sea el pilar el que cuente con las esperas en la sección inferior. Fig.06 Esquemas de unión mediante barras de anclaje Fuente: Elaboración propia Este método se considera eficiente y muy similar al anclaje que existe entre un pilar y una zapata in situ, con la peculiaridad de que el hormigón utilizado en la obra es mínimo. El vertido del mortero puede realizarse por gravedad o con cierta presión. Es fundamental comprobar la correcta ventilación de los conductos para prevenir la formación de cavidades de aire durante el vaciado. Durante el izado del pilar prefabricado, se deben tomar precauciones para proteger las barras de refuerzo y evitar daños o pequeñas desviaciones. Aunque este método presenta ventajas como su sencilla instalación y confiabilidad estructural, también tiene desventajas considerables, como la posible rotura a compresión que puede experimentar el mortero en los conductos corrugados, lo que afecta enormemente a su eficacia. 22 4.2.4 Unión mediante placa de anclaje. Este método constructivo consiste en disponer una placa base en la cara superior de la zapata. Esta placa anclada a la zapata a través de pernos crea una superficie metálica sobre la que disponer a su vez la placa metálica del soporte. Se considera una alternativa viable en hormigón prefabricado y especialmente en estructuras metálicas. Este método tiene la virtud de poder nivelar rápidamente el pilar y ajustar su altura utilizando las tuercas unidas a los anclajes metálicos, lo que puede resultar de utilidad en suelos relativamente blandos donde el apuntalamiento temporal es complicado. Aunque en la mayoría de los casos este sistema puede considerarse como un nudo rígido, se puede diseñar como un nudo articulado. Según la forma de disponer los cordones de soldadura es posible utilizar estos a modo de rótula, permitiendo pequeños giros en una de las direcciones. Sin embargo, también puede proporcionar resistencia completa a giros si se fija adecuadamente la placa. Fig.07 Esquemas de unión mediante placa de anclaje Fuente: Elaboración propia Es fundamental dejar un espacio para el llenado con mortero sin retracción para que los pernos queden embebidos correctamente y la placa se ajuste adecuadamente. El tamaño de la placa debe calcularse según las solicitaciones del pilar y las condiciones de la conexión con la zapata. Es importante evitar la rotura frágil del acero soldado en la placa base para mantener la ductilidad del pilar ante eventos sísmicos. Esto se puede lograr mediante una mejor calidad de soldadura, acoplamientos mecánicos adicionales o un sobredimensionamiento de los elementos de la placa base. 23 4.2.5 Unión con cajones y pernos. La unión con cajones y pernos es similar a la unión con acoples mecánicos mencionada anteriormente. La diferencia principal es que, además de utilizar pernos en uno de los dos elementos constructivos, también se disponen cajones especiales de sujeción con pernos en el segundo. Lo más habitual es disponer de estos cajones reforzados con acoples mecánicos en las esquinas del pilar. Esta unión también requiere de un lecho de mortero en la junta, al igual que en la placa base, para garantizar la continuidad estructural, y puede incluir enlaces de refuerzo soldados a las piezas metálicas para evitar el desplazamiento lateral. Los elementos de arriostramiento especial son en la mayoría de las ocasiones cajones metálicos soldados a las barras de anclaje longitudinal y estos quedan a su vez embebidos en el pilar prefabricado. Tienen perforaciones para el atornillado de las barras provenientes de la zapata y pueden incluir ganchos para proporcionar un sistema de anclaje adicional. Estos cajones varían en diseño según el fabricante. Uno de ellos es el grupo Peikko, el cual tiene un amplio catálogo de productos. Fig.08 Esquemas de unión mediante barras de anclaje Fuente: Elaboración propia, adaptado y recuperado el 04 de Abril de 2024 del sistema Peikko Group Aunque en la mayoría de los casos este sistema puede considerarse como un nudo parcialmente rígido, se puede diseñar para permitir un pequeño porcentaje de giro en una dirección. Esto se consigue colocando una única línea de pernos perpendiculares al pórtico. La cama de mortero debe tener un espesor reducido para evitar el pandeo de los redondos embebidos en la zapata bajo compresión. Se sugiere enviar los dispositivos a pruebas para verificar su comportamiento estructural, incluyendo pruebas de carga axil, cortante y de momento. 24 4.2.6 Unión postensada. La unión postensada es la menos común de todos los métodos y suele aplicarse principalmente en uniones viga-soporte. Ofrece una construcción rápida que reduce la deformación a peso propio, lo que la hace interesante en luces elevadas. Aunque las conexiones prefabricadas sin postensado son más populares, esta metodología ha ganado terreno en Japón, especialmente desde que el código estructural contempla utilizar tensores de forma separada el resto de la estructura, lo que mejora los tiempos de construcción. Fig.09 Esquemas de unión postensada Fuente: Elaboración propia, adaptado y recuperado el 05 de Abril de 2024, de Nishiyama & Watanabe Las figuras presentadas muestran diversas propuestas de conexión postensada. Por ejemplo, una de las uniones comunes consiste en dejar varios cables embebidos en una pletina de acero anclada en la parte inferior de la zapata, tomando la precaución de reforzar con juntas de caucho en los apoyos para mejorar la capacidad de disipación de la unión. Por otro lado, otros autores presentan una propuesta donde los cables atraviesan la zapata y llegan hasta el pilar, con anclajes de seguridad soportados por una platina de acero, en la cara superior del pilar. Además, se estudió otra técnica que aplica el post-tensado tanto al soporte como a la zapata, con cables tensados en posición horizontal entre las superficies externas del cimiento. Rematado con un vertido de mortero sobre los conductos donde se sitúan los cables tensados. Esta solución puede ser muy interesante de cara a diseñar un elemento prefabricado superficial como un encepado que requiera estar unido con otros elementos longitudinalmente. Dentro de las ventajas de esta unión destaca la facilidad de armado y montaje sin la necesidad de utilizar encofrados y la gran capacidad de transmitir las cargas al terreno fruto de la carga de pretensado cable. 25 Fig.15 Planta de cimentación de la residencia de estudiantes en el Campus de Sant Cugat Fuente: Elaboración propia 32 5. Nuevos métodos de cimentación prefabricada 5.1 Nuevas técnicas de cimentación. Se considerarán todos los sistemas de cimentación con algún grado de prefabricación que, ya sea por su forma o su concepto, se distingan claramente de las cimentaciones con hormigón in situ. Con el objetivo de facilitar la comprensión de cada sistema, se ha decidido agrupar las técnicas según sus similitudes constructivas. 5.1.1 Cimentaciones compuestas de un encepado y un elemento hincado. Estas soluciones comparten la característica de estar compuestas por dos elementos principales: un encepado que actúa como una unión rígida y un elemento hincado en el terreno. Este diseño es análogo al concepto de un encepado utilizado en pilotes prefabricados, pero adaptado para cimentaciones superficiales. Además, todas estas soluciones incorporan elementos inclinados hincados como parte de su diseño. Todos ellos presentan la característica de que este elemento inclinado es de acero, dado que en todos los casos estos elementos trabajan por flexión. Fig.16 Cimentaciones compuestas de un encepado y un elemento hincado Fuente: Elaboración propia a. Piloedre El Piloedre es un poliedro de hormigón armado que posee cuatro perforaciones en su volumen, a través de las cuales se introducen cuatro micropilotes de acero tubular. Además, cuenta con un agujero roscado para la fijación de placas metálicas desde las cuales se puede levantar una estructura. Con un peso aproximado de 30 kg, el Piloedre es fácilmente manipulable, al igual que los micropilotes, que tienen un diámetro de 40 mm y una longitud de 120 cm. Gracias a su diseño, todas las piezas del Piloedre pueden embalarse de manera eficiente, lo que se traduce en costos de producción y transporte reducidos. La instalación se realiza con un martillo o martillo eléctrico, clavando los tubos de acero en el terreno y sellando la 33 apertura superior con una tapa de plástico. No requiere ningún tratamiento adicional y está listo para soportar cargas, siendo necesario solo un obrero para su instalación. En cuanto a su resistencia, el Piloedre está recomendado para una carga de compresión de hasta 70 kN y puede soportar esfuerzos de tracción vertical de hasta 40 kN. Sin embargo, esta carga puede variar según el tipo de suelo en el que se instale la cimentación. Como cimentación superficial, se utiliza únicamente en situaciones en las que se emplearían zapatas tradicionales. Este sistema no es recomendado en terrenos sueltos o flojos, como algunas arcillas. Además, su instalación implica una simplificación notable respecto a los métodos tradicionales de cimentación, con criterios de mínimo impacto ambiental y la capacidad de reutilización, lo que supone una ventaja importante frente a otro tipo de soluciones. Fig.17 Comparación entre una zapata de un metro de lado y un piloedre Fuente: Internet, adaptado y recuperado el 17 de Marzo de 2024, de http://www.estructurando.net/ La imagen detalla cómo se comporta el suelo mediante el Método de Elementos Finitos (MEF), permitiendo una comparación directa entre la interacción del suelo con una cimentación superficial y un Piloedre. Este enfoque de modelado computacional ofrece una perspectiva precisa de cómo se distribuyen las fuerzas y las deformaciones en el suelo en respuesta a la carga de cada tipo de cimentación, lo que ayuda a comprender mejor su comportamiento en una variedad de condiciones y tipos de terreno. La comparación entre ambos modelos demuestra que a partir de 150 kN la zapata de un metro de lado presenta mayor asiento que la simulación del Piloedre. 34 Fig.18 Ensayo en el momento de rotura Fuente: Internet, recuperado el 17 de Marzo de 2024, de http://www.estructurando.net/ Durante el ensayo, se sometió la estructura a cargas de hasta 310 kN antes de que se produjera la rotura, como se puede apreciar en las imágenes. Estas fotografías muestran claramente la formación de fisuras en el terreno circundante, lo que indica la presencia y la distribución de los tubos que componen la cimentación. Lo más sorprendente es que, a pesar de la aplicación de una carga considerable, el sistema no mostró fragilidad. Esta observación es especialmente notable desde el punto de vista de la resistencia ante fuerzas axiles y esfuerzos combinados, ya que sugiere una capacidad excepcional del material para absorber cargas y resistir tensiones. Recomendaciones de uso La recomendación de uso del sistema Piloedre se basa en el anejo de cálculo proporcionado por la marca comercial en su documento para la Evaluación Técnica Europea. Este recomienda el piloedre para terrenos como arcillas medias o duras (300-500 kN/m2) o para terrenos granulares medios o altos (>20 NSPT). En el supuesto de establecer una resistencia de referencia para cargas de compresión en suelos propicios, se sugiere una magnitud de 70 kN. En el evento de exceder este valor, se recomienda considerar la implementación de agrupaciones de piloedres o la exploración de alternativas en sistemas de cimentación. b. Diamond Pier El sistema Diamond Pier presenta una notable relación con el Piloedre, siendo este último su precursor. Con dos años más de recorrido en su aplicación práctica, el Diamond Pier se ha situado como una solución innovadora para cimentaciones prefabricadas en EE. UU. 35 El Diamond Pier es un sistema de cimentación prefabricada que se compone de pilotes preinyectados de hormigón dispuestos en forma de diamante. Su instalación implica un proceso de perforación seguido por el relleno de hormigón en cada pilote, proporcionando así una base sólida y estable para la estructura. Este sistema destaca por su rápida y sencilla instalación, lo que lo hace atractivo para proyectos que requieren tiempos de ejecución reducidos. Fig.19 Imágenes del proceso de montaje Fuente: Internet, recuperado el 30 de Mayo de 2024, de https://www.fourgenerationsoneroof.com/ La principal diferencia entre el Piloedre y el Diamond Pier radica en su proceso de inyección de hormigón. Mientras que el Piloedre emplea un diseño con un poliedro de hormigón y tubos de acero, el Diamond Pier consiste en pilotes de acero preinyectados de hormigón dispuestos en forma de diamante. El diseño del encepado del Diamond Pier está especialmente adaptado para la casa prefabricada de madera americana. Recomendaciones de uso En cuanto a su capacidad máxima de carga, se estima que cada unidad puede soportar cargas de compresión que oscilan entre 4.200 y 6.400 libras, lo que equivale aproximadamente a 18 a 29 kN. Los terrenos favorables para este sistema de cimentación son similares a los del sistema Piloedre. c. Mega-Anchor El sistema Mega-anchor se distingue por estar completamente fabricado con acero galvanizado, cumpliendo con las normativas de diseño australiana AS 2159 y AS 4312. Su proceso de montaje se inicia con el replanteo preciso, utilizando una cuerda, un spray para marcar y una plomada para localizar la posición exacta de cada anclaje. A continuación, se procede a la alineación de los anclajes con la ayuda de una herramienta de alineamiento Mega-anchor, asegurándolos en su posición. Luego, se hincan los tres micropilotes con un martillo eléctrico, verificando la plomada antes de hincarlos 36 completamente. Los micropilotes se fijan al soporte central mediante tornillos hexagonales autorroscantes, y se ajusta la altura de la cimentación cortando el montante central sobrante. Seguidamente, se coloca el montante superior, que cuenta con agujeros pre-taladrados para una instalación sencilla. Por último, se dispone el arriostramiento necesario, utilizando abrazaderas específicas según el tipo de anclaje, pudiendo formar arriostramientos de diferentes formas según las necesidades específicas del proyecto. Fig.20 Mega-Anchor Fuente: Internet, recuperado el 30 de Mayo de 2024, de https://www.fourgenerationsoneroof.com/ Una de las ventajas que presenta este sistema frente al sistema Piloedre es su capacidad para generar arriostramientos entre las diferentes piezas. Por otro lado, debido a su capacidad portante reducida, es propenso a generar agrupaciones de soportes en los apoyos de la estructura con este sistema. Recomendaciones de uso La marca no ofrece datos sobre los suelos en los que ha realizado las pruebas. Pese a esto por similitudes constructivas se puede tener como referencia los suelos favorables para el Piloedre. Arcillas medias o duras (300-500 kN/m2) o terrenos granulares medios o altos (>20 NSPT). En el supuesto de establecer una resistencia de referencia para cargas de compresión en suelos propicios, se sugiere una magnitud de 30 kN. Es posible aumentar la resistencia realizando agrupaciones de estos elementos. 5.1.2 Cimentaciones sobre tornillos. Los tornillos de cimentación son otra alternativa en el campo de las cimentaciones prefabricadas. Su proceso de montaje simple los hace atractivos para diferentes aplicaciones. A diferencia de los pilotes de acero, son más compactos y diseñados como cimentaciones superficiales, ya que su bulbo de presiones rara vez excede los 4 metros de profundidad. Trabajan principalmente por su fuste roscado, comprimiendo las capas del terreno alrededor de los mismos. Esta característica, junto con su facilidad de instalación y 37 manejo, los convierte en una opción eficiente y versátil en diferentes proyectos. Aunque existen numerosas patentes y variantes en este sistema, este trabajo se centrará específicamente en tres tipos de tornillos de cimentación. Fig.21 Cimentaciones sobre tornillos Fuente: Elaboración propia a. Pilote helicoidal de Keller El pilote helicoidal o de rosca no es un concepto novedoso. De hecho, sus primeros antecedentes datan de 1836, cuando Alexander Mitchell patentó un pilote con una punta helicoidal para la cimentación de proyectos en suelos saturados como pantanos y marismas. Desde entonces, esta técnica ha evolucionado continuamente hasta la actualidad. La idea de una cimentación desmontable tuvo cierto desarrollo en las décadas de 1970 y 1980, con diversos estudios centrados en cómo una pieza podría ser introducida y extraída del terreno. Los diferentes modelos compartían una premisa común: un pilote de acero tubular con una o varias hélices que permitieran atravesar los estratos del suelo. Se dedicaron esfuerzos al diseño de las piezas individuales, prestando especial atención a la punta que se introduce en el terreno y al otro extremo donde podrían realizarse acoples de más secciones para lograr mayor profundidad y longitud. Fig.22 Pilote helicoidal Keller Fuente: Internet, recuperado el 30 de Mayo de 2024, de https://www.keller.com/expertise/techniques/ 38 La empresa alemana Keller ha aplicado estos conceptos a la cimentación ligera. Estos cuentan con amplio catálogo comercial con diferentes tipos de pilotes en función de las condiciones geotécnicas. El proceso de instalación de los pilotes tipo tornillo afecta el diseño. En suelos que no presentan problemas para este tipo de pilotes, la instalación generalmente no suele alterar la geometría de la punta. El proceso de instalación implica avanzar el pilote en el suelo utilizando un motor de par hidráulico, lo que resulta en que las hélices penetren en el suelo mediante rotaciones, aplicando un momento de giro en la cabeza del eje. Cuando el paso de cada hélice es uniforme, facilita aún más la instalación, ya que cada hélice subsiguiente sigue la misma trayectoria que la anterior. Recomendaciones de uso Uno de los principales factores por lo que se dejó de utilizar el pilote de rosca es por su complicado predimensionado, en el cual, se debía tener en cuenta tanto, el área de la hélice, la curvatura de la placa, la distancia entre hélices, el número de hélices y su distancia con respecto al apoyo. Hoy en día las propias empresas suministradoras especifican la capacidad resistente de los pilotes. Por ejemplo, en el caso de condiciones de terreno propicias, la empresa Mecasolar asegura una carga última arrancamiento de 90 kN en terrenos cohesivos y de 100 kN en terrenos granulares. Las condiciones del suelo, como los suelos rocosos, el lecho de roca con los cantos rodados, presentan complicaciones para los pilotes helicoidales. Sin embargo, estas dificultades pueden ser mitigadas mediante estrategias como el uso de una superficie de punta más afilada en áreas con roca débil, lo que mejora la penetración. En última instancia se puede mejorar el terreno mediante una excavación en la zona del pilote. b. Tornillo de cimentación de Krinner El tornillo de cimentación sigue el mismo principio mecánico que el tornillo helicoidal con la diferencia que la superficie de la hélice es más reducida, sin embargo, esta carencia se resuelve aumentando el número de hélices y la separación entre estas. Una de las principales empresas suministradoras en España es la empresa Krinner. El tornillo de cimentación del sistema Krinner se fabrica utilizando acero galvanizado en caliente con un espesor de 4 milímetros y una forma cónica, lo que facilita su instalación directamente en el terreno mediante maquinaria especializada. Estos tornillos se producen en Europa con acero de alta calidad conforme a la norma DIN EN 10025-2:2004-10 y en acero S355. Las dimensiones de estos tornillos varían desde los 0,50 metros hasta los 2,10 metros de longitud, y se presentan como una única pieza. No obstante, se puede alcanzar cualquier profundidad con un modelo de tornillo que permite ampliar la longitud. 39 Fig.23 Tornillo de cimentación Krinner Fuente: Internet, recuperado el 30 de Mayo de 2024, de https://www.krinner.io/ Se encuentran disponibles en diámetros que oscilan entre los 60 milímetros y los 168 milímetros. La forma cónica de los tornillos contribuye significativamente a su capacidad de carga, ya que aprovecha tanto el rozamiento como la geometría para garantizar una fijación sólida. Recomendaciones de uso Para establecer una resistencia de referencia para cargas de compresión en suelos blandos, que por otra parte son los que menos capacidad tienen, se recurre a los datos que ofrece la compañía. La resistencia a axil dependerá del modelo escogido variando entre 30 kN y 70 kN para cargas puntuales. Al igual que ocurre con los pilotes helicoidales, estos también encuentran ciertas limitaciones en terrenos con lecho rocoso y en ciertos tipos de suelos granulares. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, existe la posibilidad de excavar, introducir el tornillo y rellenar con hormigón. Todo lo que implique excavación empobrece el sistema constructivo ya que elimina a su vez una de sus principales prestaciones. c. Tornillo de cimentación de EcoGround Otra patente emergente es la desarrollada por el equipo de EcoGround en Suecia. El diseño de este tornillo guarda relación con el mencionado anteriormente, pero destaca por mantener un fuste muy esbelto y completamente cilíndrico. El tornillo de cimentación del sistema EcoGround se fabrica utilizando acero galvanizado en caliente con un espesor de 5 milímetros. Estos tornillos se producen en Europa con acero SO 630 FE 360A y cuentan con una vida útil de 125 años. Las etapas de instalación incluyen el replanteo, pre-perforación, nivelación e instalación del tornillo. Se realizan pruebas de compresión, tracción y esfuerzos laterales para garantizar su resistencia y estabilidad. Una ventaja significativa de estos tornillos es que pueden 40 desinstalarse sin necesidad de realizar excavaciones, lo que preserva la integridad del lugar de instalación. Recomendaciones de uso Estos tornillos funcionan con eficacia en suelos blandos. La resistencia a axil dependerá del modelo escogido variando entre 20 kN y 50 kN para cargas puntuales, según la casa comercial. Como el resto de los sistemas tipo tornillo, estos también encuentran ciertas limitaciones en terrenos con lecho rocoso y en ciertos tipos de suelos granulares. Una de las alternativas para cimentar en dicho tipo de suelo es realizar una excavación previa 5.1.3 Cimentaciones sobre plásticos. En el contexto actual de la ingeniería y la construcción, el auge de la impresión 3D ha revolucionado la forma en que se diseñan y fabrican una amplia gama de estructuras y componentes. Fig.24 Cimentaciones sobre plásticos Fuente: Elaboración propia Esta tecnología innovadora ofrece la capacidad de crear objetos tridimensionales de manera rápida, eficiente y personalizada, utilizando una variedad de materiales, incluidos polímeros plásticos de alta resistencia. En el campo de las cimentaciones sobre plástico, la impresión 3D ha abierto algunas posibilidades, para la fabricación de elementos estructurales y geotécnicos personalizados. Estas cimentaciones minimizan en gran medida 41 5.2.2 Pabellón Möbius en San Sebastián. De la misma forma que en el edificio anterior, el pabellón Möbius se lleva a cabo mediante el sistema Piloedre. Se diseña como parte del proyecto San Sebastián 2016 Baitara Baita, en colaboración con la Universidad del País Vasco y la Universidad de Deusto. Este edificio está concebido como un lugar de recogimiento y encuentro entre diversas religiones y espiritualidades presentes en San Sebastián. El diseño del pabellón fue seleccionado entre ocho propuestas presentadas en 2015 por los estudiantes de último año de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la UPV/EHU. Los alumnos de esta escuela participaron tanto en el diseño como en la construcción de esta estructura singular, que formaría parte de su campus. Fig.31 Pabellón Möbius, imágenes tomadas en la ejecución de la obra Fuente: Internet, recuperado el 04 de Abril de 2024, de https://piloedre.es/galeria/ El diseño incluyó la utilización de 30 piloedres como cimentación, y el desafío consistía en que los propios estudiantes, sin experiencia previa en trabajos de construcción, pudieran instalarlos de manera autónoma. La instalación se llevó a cabo en dos jornadas laborales, con la colaboración tanto de profesores como de alumnos. 5.2.3 Viviendas vacacionales en La Roca del Vallès. En el municipio barcelonés de La Roca del Vallès se ha desarrollado un proyecto innovador que consta de cuatro viviendas unifamiliares de carácter vacacional, todas construidas utilizando madera contralaminada (CLT). Esta elección de material no solo resalta por su sostenibilidad y eficiencia. Un aspecto destacado de este proyecto es la elección de los tornillos de cimentación de la marca Krinner para la base estructural. Concretamente, se han instalado 71 tornillos distribuidos cada 2 o 3 metros, proporcionando una base sólida y estable para las viviendas. El uso de estos tornillos ofrece ventajas significativas en rapidez de instalación, reducción de impacto ambiental y adaptabilidad a diferentes tipos de suelo blando. 48 Fig.32 Viviendas vacacionales, imágenes tomadas en la ejecución de la obra Fuente: Internet, recuperado el 28 de Marzo de 2024, de https://www.ecoresystems.es/proyectos Un elemento clave detrás de este proyecto es la estructura metálica que une todas las cabezas de los tornillos. Esta estructura proporciona un soporte rígido y uniforme para los paneles de CLT que constituyen las paredes y techos de las viviendas. Además de garantizar la estabilidad estructural, esta configuración permite una fácil instalación de los paneles y asegura la integridad del conjunto. 5.2.4 Muro de contención para carretera de circunvalación en Seúl. En el último caso práctico, situado en Seúl, consiste en un muro de contención prefabricado para superar una diferencia de cota de más de 15 metros entre dos carreteras de circunvalación de la ciudad. El sistema constructivo empleado está compuesto por dos piezas semiprefabricadas de la empresa Monochino Technology. La primera pieza es la zapata del muro de contención, que consiste en un encofrado de hormigón armado en el cual se preinstalan todas las armaduras en el taller. La segunda pieza es el muro prefabricado vertical, que se introduce parcialmente en la primera pieza en el momento previo al hormigonado. Fig.33 Muro de contención para obras en carretera, imágenes tomadas en la ejecución de la obra Fuente: Internet, recuperado el 29 de Mayo de 2024, de https://www.monachinotechnology.com/realizaciones 49 6. Técnicas aplicables al prototipo de cimentación. En este segmento, se explorarán diversas tecnologías que podrían aplicarse al prototipo de cimentación, considerando aspectos aún no incorporados en los sistemas contemporáneos. Un punto crucial a discutir es el tipo de esmalte, pintura o acabado necesario para resistir la corrosión, dado el potencial contacto de los elementos hincados con agua o sustratos que puedan contener oxígeno en sus poros, incrementando así el riesgo de corrosión. Además, se examinarán los tipos de puntas utilizadas en tornillos y tirafondos, y se evaluará la viabilidad de su aplicación en el terreno, en el contexto de la cimentación. Este análisis permitirá explorar nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia y durabilidad de los sistemas de cimentación. Por último, se estudiarán los sistemas de disipación de energía y su potencial utilidad en el ámbito de la cimentación. Se investigará cómo estas técnicas podrían optimizar el rendimiento y la seguridad de las estructuras, ofreciendo soluciones innovadoras para afrontar los desafíos en este campo. A través de esta investigación, se busca identificar y comprender las tecnologías emergentes que podrían enriquecer y potenciar el desarrollo de nuevos sistemas de cimentación, promoviendo así avances significativos en la industria de la construcción. 6.1 Pinturas de alta resistencia a la corrosión A la hora de diseñar un elemento metálico, que posiblemente estará en ocasiones por debajo del nivel freático, es necesario considerar el acabado o pintura que va a protegerlo frente a la corrosión del medio. Uno de los documentos técnicos que mejor explica el proceso de corrosión y las posibles formas de solucionarlo es la Norma Técnica NAP 2-1-1.2, redactada por la empresa Renfe para el mantenimiento de infraestructuras ferroviarias. En este documento se explican las consideraciones generales que se deben tener en cuenta al aplicar una protección en una superficie metálica. La efectividad protectora de este tipo de revestimiento aumentará significativamente mientras se mantenga intacto y sin alteraciones a lo largo del tiempo. Su capacidad anticorrosiva se verá comprometida por el deterioro del recubrimiento, agravando este proceso por el efecto nocivo y de cuña de los productos de la corrosión depositados entre el metal y el recubrimiento. Las pinturas se presentan en forma líquida, pastosa o en polvo sólido, y, al ser aplicadas en su forma líquida, experimentan una transformación física o química, convirtiéndose en una película sólida y continúa adherida a la superficie sobre la cual se han aplicado. Este proceso de conversión puede ser lento o rápido, y se lleva a cabo mediante la evaporación 50 de los disolventes y a través de reacciones con el oxígeno y la humedad del aire, principalmente. Uno de los proyectos de investigación de la empresa Rothoblaas es el desarrollo del recubrimiento C5 EVO, diseñado específicamente para resistir la corrosividad atmosférica de clase C5. Esta clase se refiere a zonas con una alta concentración de sales, cloruros u otros agentes corrosivos derivados de procesos industriales, como áreas cercanas al mar o con alta contaminación industrial. El recubrimiento está compuesto por una multicapa de base orgánica con una capa funcional. La capa superior cumple una función sellante, retrasando el inicio de la reacción de corrosión hasta 3000 horas, lo que aumenta significativamente la durabilidad y protección del material. El CTE establece que la vida útil de una estructura de edificación es normalmente de 50 años, lo que hace que cualquier pintura aplicada una única vez, antes de la instalación, sea insuficiente. Además, existe el riesgo de que la pintura se desprenda parcialmente durante el proceso de construcción, lo que agrava la degradación del metal debido al efecto de cuña, como se ha comentado anteriormente. Por lo tanto, se desaconseja enérgicamente su utilización en suelos químicamente agresivos. Por consiguiente, al igual que con el resto de los tornillos de cimentación estudiados, el acabado de las partes metálicas estará galvanizado, proporcionando la protección adecuada contra la corrosión en suelos no desfavorables. 6.2 Tipos de punta para tornillos La punta de un tornillo de madera es un componente crucial que facilita el proceso de hincado o instalación en diversas aplicaciones. Esta parte del tornillo está diseñada para penetrar fácilmente en el material al que se está fijando, lo que permite una instalación más eficiente y segura. La forma y el diseño de la punta del tornillo pueden variar según el tipo de material al que se destina y el propósito específico de la fijación. Por ejemplo, las puntas afiladas son ideales para materiales blandos como madera, ya que penetran con mayor facilidad sin necesidad de realizar perforaciones previas. Por otro lado, las puntas autorroscantes están diseñadas para materiales más duros como metal o plástico, donde necesitan crear su propio camino a medida que se hincan. Además de facilitar el proceso de hincado, la punta del tornillo también contribuye a la precisión y estabilidad de la fijación. Una punta bien diseñada asegura que el tornillo se inserte correctamente y se mantenga en su lugar sin desviarse. Esto es especialmente 51 importante en aplicaciones donde se requiere una sujeción firme y duradera como es una cimentación. Un ejemplo que actualmente solo se encuentra en tornillos de madera es la punta de tres espinas. Esta punta está equipada con elementos en relieve cortantes y una rosca tipo paraguas que alcanza el extremo. Esta característica asegura un agarre inicial rápido y una instalación sencilla, reduciendo el esfuerzo de torsión en el tornillo y minimizando el daño en la madera. La punta de tres espinas presenta un comportamiento similar al de un tornillo estándar insertado con preagujero y tiende a ser similar al de un tornillo con punta autoperforante. Este concepto puede ser aplicado a los tornillos de cimentación, dado que uno de sus principales inconvenientes son los suelos muy duros. Además, reducir el momento torsor necesario para hincar los pilotes, equivale al empleo de una maquinaria de menor escala, repercutiendo en el costo de la instalación. Fig.34 Esquema de comportamiento de la punta de tres espigas Fuente: Elaboración propia, adaptado y recuperado el 04 de Abril de 2024, de https://www.rothoblaas.es/ 6.3 Sistemas de disipación de energía Los disipadores de energía son dispositivos diseñados para absorber parte de la energía sísmica, evitando así que esta se disipe mediante deformaciones inelásticas o daños en los elementos estructurales. Un invento español es el Egeomol-av, diseñado por los hermanos Signes Orovay. Utilizando neumáticos usados y plásticos reciclados, este dispositivo se comporta como un condensador de energía situado entre el edificio y las ondas sísmicas, llegando a absorber hasta el 90% de ellas, a la vez que ayuda a resolver parte de los problemas originados por los residuos plásticos y los neumáticos usados. Podría ser de interés incorporar algún sistema como Egeomol-av en la unión del edificio con la cimentación, en futuras líneas de investigación, especialmente en casos de estructuras muy rígidas. Esto ayudaría a reducir las fuerzas sísmicas transmitidas a la cimentación y, en consecuencia, disminuiría el riesgo de daños estructurales durante eventos sísmicos, mejorando así la seguridad y la resiliencia del edificio. 52 Fig.35 Esquema de comportamiento del sistema ante las acciones sísmicas de componente horizontal Fuente: Elaboración propia, adaptado y recuperado el 04 de Abril de 2024, de http://www.estructurando.net/ Este sistema de disipación puede aplicarse de dos formas diferentes, aislando la estructura completa del edificio o aislando a partir de la unión entre cimiento y estructura. En cimentaciones directas, al contar con una superficie de apoyo horizontal puede ser interesante aplicar la primera forma de disipación. Si por el contrario, la cimentación es de tipo profunda la única forma de introducir la disipación de energía es amortiguando el contacto del cimiento con el resto de la estructura del edificio. 53 7. Conclusiones Las conclusiones derivadas de la investigación realizada van dirigidas principalmente hacia la creación y diseño de un nuevo prototipo de cimentación. Este nuevo prototipo de cimentación ha de suplir las posibles faltas o carencias de los sistemas actuales. Al igual que en el cuerpo del trabajo se va a diferenciar entre los sistemas tradicionales prefabricados y los nuevos métodos de cimentación. Las diferencias entre ambos hacen imposible establecer unas conclusiones comunes. 7.1. Conclusiones sobre los sistemas tradicionales de cimentación prefabricada. Durante mucho tiempo, el hormigón armado ha sido el método predominante para la cimentación, tanto en su forma superficial o directa como profunda. Naturalmente, los primeros avances en prefabricación surgieron al replicar este proceso en talleres con un estricto control de calidad. Sin embargo, se cuestiona la sostenibilidad de estos sistemas en actividades como el transporte, movimiento de tierras o la maquinaria de hincado de pilotes. A pesar de su similitud con la cimentación in situ, la prefabricación requiere resolver diferencias inherentes, como la correcta unión entre los soportes de la estructura y la cimentación. Entre todas las opciones de unión entre la zapata y un pilar, la placa base se considera una de las soluciones más estandarizadas y adaptables para una variedad de estructuras, ya sean metálicas o de muros de carga como el sistema CLT. También es posible adaptar la placa base a soluciones con pilares de hormigón armado, utilizando cajones con pernos soldados como el sistema de Peikko Group. Al tratarse de un nudo rígido o parcialmente rígido, la cimentación ha de transmitir correctamente el momento al terreno, sin comprometer la estabilidad de la estructura. En todos los casos prácticos, aunque se hayan utilizado edificios generados a partir de módulos habitacionales prefabricados, se han encontrado dificultades para resolver la unión entre el módulo y la cimentación. Ha sido necesario utilizar hormigón in situ para completar parte de la obra, desde el apoyo con el terreno hasta el arriostramiento. Para el diseño del prototipo se va a tomar como referencia los módulos habitacionales de la empresa Compact Habit, con la intención de que el nuevo diseño sea capaz de mejorar los problemas encontrados en las tres intervenciones estudiadas. 7.2. Conclusiones sobre los nuevos métodos de cimentación prefabricada. Es evidente reconocer que todos los esfuerzos están dirigidos hacia la obtención de sistemas que permitan abordar la cimentación de manera más sostenible. En los diversos tipos de sistemas, se observa una preocupación por reducir al mínimo el movimiento de tierras. No solo se busca limitar este movimiento, sino que también se intenta utilizar maquinaria ligera y métodos de instalación que requieran trabajo manual. 54 Otro aspecto que se cuida y que llama mucho la atención al revisar los diferentes catálogos comerciales es la preocupación por hacer los sistemas lo más fácilmente transportables y manipulables posible. Un transporte sencillo hace que los sistemas sean económicamente sostenibles y funcionales, proporcionando ventajas significativas en comparación con los métodos de cimentación tradicionales. Un ejemplo claro de esto es la cimentación de la escuela de surf en Hossengor, Francia, mencionada en los casos prácticos de referencia. La característica que convirtió al Piloedre en una de las pocas opciones viables fue su capacidad de ser transportado por operarios, ya que el edificio se encontraba en medio de una duna protegida, donde no era posible acceder con vehículos. Otra característica que se observa en los diferentes métodos de cimentación es su capacidad de ser recuperables y reutilizables. Esto se aplica tanto a las cimentaciones compuestas por un encepado y varios elementos hincados, como en el caso de los tornillos de cimentación. El hecho de que muchos de estos sistemas puedan ser reutilizados añade una versatilidad que no se encuentra en los métodos de cimentación más tradicionales. Estos sistemas son especialmente adecuados para proyectos de arquitectura o instalaciones que están diseñadas para un uso efímero. Por ejemplo, el apuntalamiento de muros de interés cultural o el levantamiento de un campo de placas fotovoltaicas, como pequeños pabellones instalados en parajes naturales que requieren cierto grado de protección. Para el desarrollo de un prototipo que intente mejorar los métodos de cimentación actuales, es necesario conocer los principios estructurales sobre los que se apoyan las diferentes ideas. En el caso de las cimentaciones formadas por un encepado y un elemento hincado, como el Piloedre o el Diamond pier, existe una constante en su diseño y es el elemento hincado de forma diagonal. Las barras diagonales ofrecen una amplia resistencia ante esfuerzos axiles de compresión y tracción. La explicación de este fenómeno se encuentra en el Documento de Adecuación al Uso del sistema Piloedre. Al asumir que la barra se hinca en el terreno a lo largo de toda su longitud y no puntualmente, se puede considerar la sección virtual de terreno, comprendido entre cada barra y la superficie como un muro de pilotes dispuestos verticalmente. Cada tramo de barra se discretiza y se considera como un pilote clavado. 55 Fig.36 Efecto muro de pilotes sobre las barras de un Piloedre Fuente: Internet, recuperado el 29 de Marzo de 2024, de https://piloedre.es/ Las barras de anclaje se discretizan en secciones para considerar la variabilidad de las propiedades del terreno en función de la profundidad. Además, se emplea un enfoque parecido al de una cimentación profunda que trabaja por punta y por fuste. Por lo tanto, la resistencia al hincamiento de cada barra es proporcional a su diámetro. Otro sistema altamente eficaz en suelos blandos son los tornillos de cimentación. Inicialmente, estos tornillos fueron utilizados para cimentar faros o muelles debido a su excelente desempeño en este tipo de terrenos. Sin embargo, la popularidad de los tornillos de cimentación comenzó a declinar con el desarrollo del martillo de vapor, que complementaba los pilotes hincados, reduciendo así la necesidad de mano de obra requerida para los tornillos de cimentación. Con el avance tecnológico, los accionamientos hidráulicos de par comenzaron a impulsar cada vez más el uso de los tornillos de cimentación en todo el mundo. Inicialmente diseñados para resistir cargas de tracción, estos tornillos se adaptaron rápidamente para soportar cargas de compresión. Fig.37 Esfuerzo de compresión y tracción sobre un pilote helicoidal Fuente: Adaptado de Schmidt, R, Nasr, M, 2004. Pilotes helicoidales: usos y consideraciones estructurales. 56 Como se puede apreciar en la figura anterior, el pilote helicoidal opera tanto por punta como por rozamiento del fuste. Los tres factores principales que influyen en la capacidad portante última de los pilotes helicoidales son la distancia entre las hélices, el empotramiento del pilote y las propiedades del suelo circundante. Las hélices tienen la función de aumentar la superficie cilíndrica que trabaja por fricción. Se podría visualizar la posibilidad de combinar los beneficios estructurales de los pilotes hincados en diagonal con el potencial de ampliar la sección de trabajo a través de la fricción que ofrecen los pilotes con rosca. Muchas de las primeras cimentaciones mediante pilotes de rosca en faros ya incorporaban la inclinación para favorecer la distribución de cargas, como se evidencia en el caso del Faro de Wyre en Inglaterra o el Muelle de Tharsis en España. Por otro lado, como se ha observado en los casos prácticos, la facilidad de construcción, el tiempo requerido y la mínima perturbación del terreno hacen que estas soluciones sean una alternativa muy atractiva en comparación con las soluciones convencionales. La principal limitación que se puede señalar en este tipo de cimentaciones ligeras son sus restricciones estructurales, ya que quedan muy cerca del umbral establecido por una edificación convencional. Estas cimentaciones pueden encontrar su aplicación en cierto tipo de estructuras de CLT o Steel Frame de poca altura. 7.3. Conclusiones sobre las técnicas aplicables al prototipo de cimentación. Las pinturas para prevenir los efectos de la corrosión en piezas estructurales son esenciales en zonas climáticas agresivas. Sin embargo, en el caso de los tornillos de cimentación, debido a la vida útil del edificio establecida por el Código Técnico de la Edificación (CTE), el uso de pinturas anticorrosivas resulta insuficiente. Por tanto, es preferible emplear otros tratamientos al acero, como el galvanizado, o trabajar con aleaciones que lo conviertan en inoxidable. Por lo tanto, para el desarrollo del prototipo se ha descartado el uso de pinturas. Otro tema de interés es el tipo de punta empleada para los tornillos de cimentación. Tras estudiar las diferentes soluciones empleadas en madera, se ha considerado oportuno implementar un tipo de punta especial conocido como punta de tres espigas. Esta consiste en tres pletinas que facilitan el hincado de la primera rosca, reduciendo así el par de fuerza necesario para clavar el pilote. 57 8.2.1 Estado Límite de hundimiento. La resistencia a compresión de la cimentación se calcula como la suma de la resistencia al hundimiento del bloque de hormigón y la resistencia al hinca de los pilotes de rosca. a. Resistencia al hundimiento del bloque de hormigón La determinación de esta resistencia se realiza mediante un método de cálculo que se basa en la fórmula de Terzaghi para calcular la capacidad de carga de la cimentación, tomando en consideración las propiedades del terreno. El bloque de hormigón genera tensiones y deformaciones únicamente en los primeros dos metros de profundidad bajo el bloque. Por lo tanto, se puede considerar que el bloque de hormigón actúa como una cimentación directa, y su mecanismo de resistencia puede ser simulado utilizando los métodos tradicionales de fallo basados en la fórmula de Terzaghi para la capacidad de carga. Los factores de capacidad de carga Nc, Nq y Nɣdependen del ángulo de fricción interna del terreno (ϕ). Nq = (1+ sin ϕ)/(1- sin ϕ) · eπ· tan ϕ(ecuación 01) Nc= (Nq-1) · cot ϕ(ecuación 02) Nɣ=1,5· (Nq-1) · tan ϕ(ecuación 03) La carga máxima (qu) [kN/m2] se obtiene de la ecuación de Terzaghi. qu=(c· Nc) + (p0· Nq)+ (1/2 · ɣ· B· Nɣ) (ecuación 04) En caso de requerirse la aplicación de un coeficiente de seguridad de acuerdo con el método de diseño seleccionado, la carga máxima admisible resultante (qa) se obtiene aplicando este coeficiente (ɣR) sobre la carga máxima calculada. qa = qu/ɣR (ecuación 05) Rc= qa· B2(ecuación 06) Donde: qa: carga máxima admisible del terreno [kN] Rc: resistencia a hundimiento del bloque de hormigón [kN] Parámetros del terreno y de la cimentación necesarios para el cálculo: ●Coeficiente de fricción interno (ϕ). ●Cohesión (c). ●Sobrecarga sobre el terreno adyacente a la cimentación (p0). ●Densidad del terreno (ɣ). ●Ancho transversal del bloque de hormigón (B). 64 b. Resistencia a hinca de los pilotes de rosca Para el análisis de los pilotes de rosca, se parte del supuesto de que el perfil se introduce en el terreno a lo largo de toda su longitud en lugar de hacerlo de manera puntual, lo que permite tratarlo como un muro de pilotes dispuestos verticalmente para fines de cálculo. Cada sección de la barra se divide en tramos discretos, considerados como pilotes clavados individualmente. Se empleará el método de cálculo propuesto por Mitsch y Clemence en 1985 para los pilotes de rosca. Este método implica la consideración de un pilote virtual formado por el suelo atrapado entre las hélices del pilote real. En otras palabras, se asume que las hélices tienen la capacidad de movilizar el terreno entre ellas, creando un pilote virtual con un diámetro igual al de las hélices. En el primer cálculo, las barras de anclaje se dividen en secciones para obtener la variación de las características del terreno en función de la profundidad. Se asume un mecanismo resistente similar al de la punta de una cimentación profunda, y se determina la resistencia a través de la punta. Se aplicará un coeficiente reductor de 0,7 a la resistencia al hincamiento, basado en el coeficiente de eficacia mencionado en el apartado 5.3.4.1.4 del Documento Básico SE-C del CTE, que está asociado a la reducción de la carga de hundimiento de un conjunto de pilotes cuando la distancia entre ellos es menor a un diámetro. Rs = Rp· 0,7· (nº de pilotes) (ecuación 07) Donde: Rs: resistencia a hinca descendente debido al efecto muro de pilotes. Rp: resistencia asumida por la punta en una barra. Rp= (qpf + qpc)· Ap (ecuación 08) Donde: qpf: resistencia friccional por punta de una barra. qpc: resistencia cohesiva por punta de una barra. Ap: área de la punta. La proyección horizontal se considera para barras inclinadas. qpf= fp · σ'vp · Nq ≤ 20 MPa (ecuación 09) Donde: fp (factor corrector) = 3. σ'vp: presión vertical efectiva a nivel de punta antes de la instalación de la barra. Se utiliza el valor de la densidad del terreno (ɣ). 65 Nq: factor de capacidad de carga. qpc= Np·cu (ecuación 10) Donde: Np: depende del empotramiento de la barra. Se supone un valor de 9. cu: resistencia a cortante del suelo sin drenaje. Es equivalente a la cohesión. Una vez calculada la resistencia a causa de la inclinación de los pilotes debido al efecto de muro de pilotes, se procede al cálculo de la resistencia por fuste y punta de los pilotes de rosca. Para ello, siguiendo el método propuesto por Mitsch y Clemence, se estima el fuste efectivo como el volumen atrapado entre las hélices del pilote. Esta consideración es posible debido a que la separación entre hélices es menor a 0,5 metros. En el caso de trabajar con separaciones entre roscas mayores, sería más apropiado considerar cada hélice como una cimentación superficial independiente. En este segundo caso, es importante asegurar que los bulbos de tensiones de cada hélice no afecten a la rosca inferior. Considerando el pilote virtual, la carga de hundimiento se calcula mediante la siguiente expresión: Qu pilote = 2πRL(c+σv· K0· tan(ϕ)) + πRB 2(1,30· c· Nc+σv· Nq) (ecuación 11) Donde: R: radio medio de las hélices Rb: radio de la hélice inferior L: longitud entre la primera hélice y la última c: cohesión K0: coeficiente lateral de empuje ϕ: ángulo de rozamiento interno del terreno σv: tensión efectiva en el nivel de las hélices 8.2.2 Capacidad estructural del encepado. Conocida la respuesta del terreno, es necesario asegurar la capacidad estructural del encepado que contendrá las cabezas de los pilotes de rosca. Dado que se trata de un elemento compuesto por hormigón armado, se iniciará describiendo la geometría del dado de hormigón que conforma el encepado y luego se procederá a deducir el armado de la pieza en función de esta geometría. Para el cálculo de las dimensiones del encepado se tendrá en cuenta el procedimiento incluido en el libro Números Gordos en el proyecto de estructuras de Juan Carlos Arroyo Portero, además de respetar los mínimos impuestos por el CTE-DB-SE-C. 66 Fig.43 Esquema resumen de las acciones y dimensiones principales del prototipo Fuente: Elaboración propia La dimensión del canto del encepado está condicionada por dos factores principales. El primero es la longitud de anclaje de las barras de acero de la placa base, que se coloca en la parte superior del encepado. El segundo factor es la rigidez deseada del encepado, de manera que cumpla con la condición de que el vuelo del encepado sea menor que el doble de su canto (v ≤ 2h). 67 hanclaje = 15∅2+10 (ecuación 12) h = v/2 (ecuación 13) Donde: hanclaje: anclaje de la placa base sobre el encepado h: canto mínimo del encepado ∅: diámetro de las barras de anclaje v: vuelo del pilote Las dimensiones de la base del encepado, el CTE-DB-SE-C establece que, en agrupaciones de pilotes, como es el caso, la separación mínima entre estos debe ser de al menos 3 veces el diámetro del pilote. Esta norma general tiene como fundamento la correcta distribución de esfuerzos en el caso de pilotes de hormigón verticales. De manera indirecta, se busca que las bielas de compresión del encepado tengan una inclinación menor a 30º. Sin embargo, en el caso de pilotes inclinados, la excentricidad natural generada por la agrupación de pilotes alrededor de un centro se resuelve por medio de geometría. l = 3D + D + 0,60 (ecuación 14) Donde: l: base del encepado D: diámetro del pilote metálico Para el cálculo de la armadura, es importante tener en cuenta que la principal encargada de absorber las tracciones es la parrilla inferior. Esta se dimensiona para asumir que el encepado es infinitamente rígido y que los pilotes de rosca están articulados en la cabeza a efectos de cálculo. Para calcular la armadura de la parrilla inferior, es necesario conocer la carga que será transmitida desde el apoyo del pilar hasta los pilotes. Ai= (Td/fyd)· 10 (ecuación 15) Td= 1,5· (Nk· v)/2h (ecuación 16) Donde: Ai: armadura de longitudinal inferior Td: esfuerzo de cálculo fyd: límite elástico del acero Nk: axil característico de soporte v: vuelo del encepado h: canto del encepado 68 De forma complementaria a la parrilla inferior es necesario dimensionar la parrilla inferior y con ella los cercos verticales que rodean al dado de hormigón. En ambos casos se van a dimensionar mediante la cuantía geométrica mínima establecida por la Norma EHE-2008. La parrilla superior va a ser calculada suponiendo la cuantía de una losa y los cercos suponiendo la cuantía de los nervios de un forjado de unidireccional. As=2‰· l· h (ecuación 17) Ac=4‰· l· h (ecuación 18) Donde: As: armadura de longitudinal superior Ac: armadura de los cercos l: base del encepado h: canto del encepado 8.2.3 Capacidad estructural del pilote. Para concluir, se procederá a verificar el tope estructural del pilote según lo establecido en el apartado 5.3.8.1 del DB-SE-C. El tope estructural representa el valor de cálculo de la capacidad resistente del pilote. Este tipo de pilote de rosca consta de dos partes: el fuste metálico y las hélices que conforman las roscas. Sin embargo, es el fuste de acero, el responsable de soportar las tensiones de compresión resultantes de la correcta transmisión de esfuerzos al terreno. Por lo tanto, es necesario verificar que la sección de acero de cada pilote resiste las tensiones de compresión. Para ello, la norma recomienda contar con el 30% del límite elástico del acero empleado. Qtope = σ · A (ecuación 19) Donde: Qtope: tope estructural σ: tensión de cálculo = [0,3· fyk] A: área de la sección de acero Finalmente es necesario añadir un último requisito contemplado en el artículo 7.7.3 de la norma UNE 126699:2016. Dónde explica que conviene limitar la energía transferida por el dispositivo de hincado, de forma que la tensión máxima generada en los pilotes de acero durante la hinca no sobrepase 0,9 veces la resistencia elástica característica del acero. Qhinca = 0,90· fyd· A (ecuación 20) 69 Donde: Qhinca: fuerza empleada para hincar el pilote fyd: límite elástico del acero A: área de la sección de acero 8.2.4 Dimensionado de los elementos constructivos. Una vez se han explicado las principales ecuaciones que rigen el prototipo de cimentación se procede a justificar la sección del perfil y tipo de acero empleado en los pilotes; y las dimensiones finales del encepado y el despiece de la armadura. Por un lado, el material que se utilizará para los pilotes es acero S 355 J0H. Todos los tornillos de cimentación del mercado emplean acero de alta resistencia con límites elásticos superiores a 300 N/mm². Por otro lado, se va a tomar como tope estructural por pilote la cifra 250 kN. Despreciando la resistencia aportada por encepado como cimentación superficial, y tras haber sometido el prototipo a diferentes condiciones geotécnicas se ha estimado su límite ante esfuerzos de compresión en 1.000 kN por apoyo. Por lo tanto, si cada encepado está formado por cuatro pilotes de rosca cada uno ha de transmitir al terreno al máximo de la capacidad admisible del prototipo 250 kN. Es entonces cuando la única incógnita es el área de acero empleado. Tope estructural Límite elástico Tensión de cálculo Sección mínima de acero Perfil empleado Sección de acero 250 (kN) 355 (N/mm2) 106,50 (N/mm2) 2347 (mm2) CHS 120X7 2500 (mm2) Tab.01 Tabla de dimensiones del fuste de acero Finalmente se opta por un perfil laminado circular hueco CHS de 120 milímetros de diámetro y 7 milímetros de espesor, con el que se cumple el requerimiento. Para el cálculo de las dimensiones del encepado, es necesario conocer varios factores. Entre estos se incluyen: el diámetro de los pilotes, calculado en 120 milímetros; el tipo de acero y el diámetro de la armadura de la placa base, asumidos como acero B 400S y 16 milímetros respectivamente; y la carga máxima de compresión que puede soportar el prototipo, previamente estimada en 1000 kN. Axil característico Diámetro del pilote Diámetro armadura Canto mínimo Longitud de anclaje Canto definitivo 1000 (kN) 0,12 (m) 16 (mm) 40 (cm) 48,40 (cm) 50 (cm) Tab.02 Tabla de dimensiones del encepado Axil característico Diámetro del pilote Canto mínimo Longitud de anclaje Lado definitivo 1000 (kN) 0,12 (m) 40 (cm) 48,40 (cm) 1 (m) Tab.03 Tabla de dimensiones del encepado 70 Como resultado se obtiene un canto para el encepado de 50 centímetros, pudiendo anclar correctamente la placa base. El dado de hormigón tendrá una superficie de 1 metro cuadrado, formado por dos lados iguales de 1 metro de longitud. Axil característico Esfuerzo de cálculo Vuelo Canto definitivo Armadura necesaria Armado Armado real 1000 (kN) 270 (kN) 18 (mm) 50 (cm) 6,75 (cm2) 6Ø 12mm 6,79 (cm2) Tab.04 Tabla de armado de la parrilla inferior Base Canto CGM Armadura necesaria Armado Armado real 100 (cm) 50 (cm) 1,80 (‰) 3,51(cm2) 5Ø 10mm 3,93 (cm2) Tab.05 Tabla de armado de la parrilla superior Base Base CGM Armadura necesaria Armado Armado real 100 (cm) 100 (cm) 4 (‰) 16,85 (cm2) 9Ø 16mm 18,1 (cm2) Tab.06 Tabla de armado de los cercos verticales Base Canto CGM Armadura necesaria Armado Armado real 100 (cm) 50 (cm) 4 (‰) 2,60 (cm2) 4Ø 10mm 3,14 (cm2) Tab.07 Tabla de armado de los cercos horizontales Como resultado se obtiene: una armadura para la parrilla inferior compuesta por 6 Ø 12 mm una armadura superior compuesta por 5 Ø 10 mm, cercos verticales de compuestos por 9 Ø 16 mm y cercos horizontales compuestos por 4 Ø 10 mm. Fig.44 Esquema resumen del armado base del encepado Fuente: Elaboración propia Dado que la transmisión de esfuerzos del pilar a los pilotes es elevada se ha considerado implementar una armadura de refuerzo. Esta está generada por una armadura inclinada en la dirección de descenso de cargas, reforzando el tetraedro formado por las bielas de compresión. La armadura de refuerzo está compuesta por 4 Ø 16 mm. 71 Fig.45 Esquema resumen del armado del encepado Fuente: Elaboración propia 72 8.3 Caso de estudio Se lleva a cabo un proyecto de cimentación utilizando el prototipo SPC, tomando como referencia los edificios del apartado 4.3 Casos de estudio. En estos ejemplos, la cimentación estaba compuesta por una mezcla de elementos prefabricados junto con pozos o vigas riostras in situ. El objetivo del ejercicio es replicar la cimentación de uno de estos casos con dicho prototipo, teniendo en cuenta la geometría, el número de plantas y el tipo de terreno. En los tres casos, el edificio estaba compuesto por un módulo prefabricado 3D, específicamente por el módulo eMii-C de hormigón de la empresa comercial catalana Compact Habit. A continuación, se detalla el caso correspondiente al punto 4.3.1, el Edificio de viviendas protegidas de alquiler para jóvenes en Banyoles. Se elige centrar la atención en este edificio debido a su escala manejable y su considerable número de plantas. 8.3.1 Estimación de cargas Para la estimación de cargas, se lleva a cabo un predimensionado considerando los valores establecidos por la norma CTE-SE-AE. Para las acciones permanentes, como el peso propio de la estructura, se emplea la estimación de cargas realizada en la Evaluación Técnica Europea del Módulo industrializado de hormigón armado para edificación Compact Habit, la cual está disponible en la página web de la empresa. Se selecciona el módulo con mayor espesor, estimando su peso propio en 9 kN/m². Para las acciones variables, y considerando principalmente su uso residencial, se tomará en cuenta la Tabla 3.1 de la norma CTE-SE-AE. Esta tabla estima una carga uniforme de 2 kN/m² para suelos destinados al uso residencial, y una carga uniforme de 1 kN/m² para cubiertas accesibles exclusivamente de forma privada. Respecto a la sobrecarga de nieve, se consultará la Tabla E.2 de la norma CTE-SE-AE. Para la zona climática tipo 2 (Gerona), se estima una carga uniforme de 0,4 kN/m². Acciones .variables Nieve qn 0,4 kN/m2 Sobrecarga de uso Residencial vivienda 2 kN/m2 Cubierta transitable 1 kN/m2 Viento* Acciones .permanentes Peso propio Módulo industrializado de hormigón Compact Habit 9 kN/m2 Tab.08 Tabla resumen de las acciones Considerando que el predimensionado busca determinar una carga característica de componente vertical para comprobar la resistencia al hundimiento de la cimentación, no se ha considerado el cálculo ni la estimación de las fuerzas del viento. 73 a. Estimación de costes utilizando el Prototipo SPC En el caso de la cimentación mediante el Prototipo SPC, se va a considerar el pilote de rosca como un tornillo de cimentación de la casa comercial Krinner con las mismas medidas de longitud y diámetro. Por otra parte, para el encepado se va a tomar el precio de la base de datos de una viga de hormigón prefabricado con las mismas dimensiones que el ancho del encepado. Posibles partidas Código Unidad Medición Precio Unitario (€) Importe (€) Total (€) Transporte, puesta en obra y retirada del equipo 01.01 ud 1,00 510,00 510,00 Pilote roscado metálico con forma de tornillo M114x2100 - M24 "KRINNER" 01.02 ud 120,00 204,78 24.573,60 Encepado de hormigón armado 01.03 m3 30,00 305,18 9.155,40 Placa de anclaje 01.04 ud 30 20,51 615,3 Piezas auxiliares 01.05 ud 120,00 50 6.000 40.854,30 Tab.10 Tabla de precios estimados mediante la cimentación con el prototipo SPC b. Estimación de costes de la cimentación existente En el caso de la cimentación existente en el edificio, todos los elementos constructivos están contemplados en el “Generador de Precios” de CYPE. Se han tenido en cuenta los pilotes prefabricados originales en el edificio estimando que cada uno de ellos tiene 8 metros de longitud. Posibles partidas Código Unidad Medición Precio Unitario (€) Importe (€) Total (€) Excavación, en suelo de arcilla semidura, con medios mecánicos, y carga a camión. 02.01 m3 100,00 6,05 605,00 Transporte de tierras con camión a vertedero específico 02.02 m3 100,00 4,05 405,00 Viga de cimentación prefabricada 02.03 m 100,00 204,76 20.476,00 Placa de anclaje 02.04 ud 30 20,51 615,3 Zapata de hormigón armado in situ 02.05 m3 61 198,99 12.138,39 Pilote prefabricado de hormigón armado 02.06 m 240 57,16 13718,4 Hormigón de limpieza 02.07 m3 10 88,53 885,3 48.843,39 Tab.11 Tabla de precios estimados mediante la cimentación original Comparando ambas cimentaciones, se observa como la existente es alrededor de un 20% más cara, que la propuesta con el prototipo SPC. Esto se debe a que la cimentación actual cuenta con una serie de pilotes prefabricados que encarecen la cimentación alrededor de un 30%. En el supuesto de no necesitar pilotes, como el resto de los casos de estudio, la cimentación a través del prototipo SPC sería menos económica que la solución existente. En este punto es donde habría que valorar positivamente otras prestaciones del prototipo frente a una cimentación convencional. 80 8.4 Líneas futuras de la investigación. El proceso de diseño es inherentemente un complejo proceso de ensayo y error, donde la experimentación y la iteración desempeñan un papel fundamental en la búsqueda de soluciones óptimas. En este sentido, el desarrollo de este primer prototipo de cimentación ha sido una parte de este proceso, explorando diferentes soluciones y métodos para abordar el desafío planteado como objetivo de este trabajo. La investigación realizada hasta el momento ha proporcionado una sólida base para comprender la viabilidad y eficacia del prototipo de cimentación en ciertos contextos geotécnicos, destacando en arcillas blandas y arenas sueltas. Sin embargo, existe un amplio margen para continuar esta investigación y expandir su aplicación a diferentes tipos de suelo. De la misma forma, se podría estudiar su uso en diversas soluciones edificatorias, donde quizás su uso y prestaciones sobresalgan frente a la cimentación prefabricada tradicional. Otra línea de investigación podría ser su aplicación en instalaciones fotovoltaicas, gracias a su carácter reutilizable. Uno de los elementos más susceptibles de ser optimizado es el encepado. El encepado propuesto en el prototipo no es más que un resultado fruto del compendio de normativas adaptadas al trabajo del hormigón en la obra y que no contempla una solución fabricada en taller. Sería interesante justificar la viabilidad de un encepado con una forma óptima, tanto para la fabricación como para el transporte y la puesta en obra. Esto requeriría estudiar el comportamiento del encepado utilizando métodos de cálculo por elementos finitos para comprender mejor su respuesta ante diferentes esfuerzos. Fig.52 Diferentes alternativas del prototipo SPC variando el número de pilotes y el tipo de solución Fuente: Elaboración propia 81 Además, se podría explorar la posibilidad de diseñar variantes del prototipo que requieran menos pilotes, manteniendo al mismo tiempo niveles aceptables de resistencia y estabilidad. Esto implicaría un análisis detallado de las cargas actuantes y la distribución de esfuerzos, así como la optimización de la disposición y dimensionamiento de las piezas del prototipo en consecuencia. La capacidad de adaptar el diseño del prototipo para satisfacer las necesidades específicas de diferentes proyectos podría mejorar significativamente su viabilidad y utilidad en el campo de la ingeniería civil y la construcción. Al buscar constantemente formas de mejorar la eficiencia y competitividad del prototipo, se puede avanzar hacia soluciones de cimentación más sostenibles y económicamente viables. 82 9. Anejo de cálculo 9.1 Tabla resumen de los datos de partida contemplados en el caso de estudio. Características del Terreno Ángulo de rozamiento interno 30 (º) Cohesión 10 (kPa) Densidad 11,77 (kN/m3) Características Básicas [Prototipo SPC] Longitud de los tubos 1,3 (m) Cota de la cimentación 1 (m) Ángulo del pilote con respecto al terreno 75 (º) Diámetro del fuste de acero 0,12 (m) Base del bloque 1 (m) Esfuerzos y Geometría Máxima capacidad a flexión de los tubos 250 (kN*m) Esfuerzo vertical representativo 1000 (kN) Profundidad del prototipo 2,26 (m) Sobrecarga sobre el terreno adyacente 0,00 (kN/m2) Resistencia a hincamiento 0,7 (u) Factor corrector efecto muro de pilotes 3 (u) Empotramiento de la barra 9,00 (u) Resistecia a cortante 9,09 (kPa) Coeficiente de presión pasiva del terreno 3,00 (u) Tensión vertical 26,54 (kPa) Radio medio de las hélices 0,3 (m) Radio de la helice inferior 0,3 (m) Longitud entre la primera hélice y la última 1 (m) Área de la sección de acero 2500 (mm2) Coeficiente de seguridad Coeficiente de mayoración de acciones variables 1,35 (u) Coeficiente de mayoración de acciones permanentes 1,5 (u) Coeficiente de minoración de resistencia 1,5 (u) Tab.12 Tabla resumen de los datos de partida contemplados en el caso de estudio 83 9.2 Tabla resumen de los datos de resistencia del prototipo obtenidos en el caso de estudio. Ecuaciones características Ecuación 01 Nq 22,352 (u) Ecuación 02 Nc 37,01 (u) Ecuación 03 Nγ 20,61 (u) Ecuación 04 qu 491,32 (kN) Ecuación 05 qa 327,55 (kN) Ecuación 06 Rc 327,55 (kN) Ecuación 07 Rp 11,54 (kN) Ecuación 08 Rs 4,12 (kN) Ecuación 09 qpf 20,05 (kPa) Ecuación 10 qpc 81,82 (kPa) Ecuación 11 Qu pilote 241,92 (kN) Ecuación 11 Qu pilotes 967,68 (kN) Ecuación 12 hanclaje 0,48 (m) Ecuación 13 h 0,5 (m) Ecuación 14 l 1,01 (m) Ecuación 15 Ai 6,75 (cm2) Ecuación 16 Td 270 (kN) Ecuación 17 As 3,51 (cm2) Ecuación 18 Ac 2,6 (cm2) Ecuación 19 Qtope 266,25 (kN) Ecuación 20 Qhinca 319,5 (kNm) Ecuación 00 Ed/Rd 70 (%) Tab.13 Tabla resumen de los datos de resistencia del prototipo obtenidos en el caso de estudio La ecuación 00 verifica el cumplimiento del estado límite último de hundimiento, mostrando el cociente de dividir la carga axil estimada, calculada a partir del área de influencia del soporte y la resistencia del prototipo, dada por la interacción con el terreno. En el caso del estudio seleccionado, el prototipo más cargado estaría operando al 70% de su capacidad máxima. Sin embargo, el límite impuesto de 1000 kN por apoyo restringe la capacidad máxima del encepado y del fuste metálico tubular de cada pilote. Lo que significa, que en este caso, la capacidad estructural de los elementos constructivos es sensiblemente más restrictiva que las condiciones de terreno. 84 10.Bibliografía GARCÍA, A. (1998). "La evolución de las cimentaciones en la historia de la arquitectura, desde la prehistoria hasta la primera revolución industrial." Universidad Politécnica de Madrid, pp. 115-120. GARZA, L. (2012). "Diseño de estructuras de cimentación de acuerdo a NRS-10." Universidad Nacional de Colombia, pp. 11-32. GRUPO DE INGENIERÍA GRÁFICA Y SIMULACIÓN. (2010). "Cimentaciones pilotaje." Universidad Politécnica de Madrid, Disponible en: https://www.moodle.upm.es/ocw/pluginfile.php/267/mod_label/intro/cimentaciones_pilotaj e_120307.pdf, pp. 11-20. LLORENS, J. (2010). "Cimentaciones prefabricadas para módulos de vivienda 3D." [Fecha de consulta: 12 de Abril de 2024], pp. 06-08. MECA-SOLAR (2013). "MECASCREW: El tornillo universal, adaptable a todas las estructuras y terrenos." [pdf online]. [Fecha de consulta: 5 de Marzo de 2024]. Disponible en: data_sheet_tornillo_es.pdf. MELGA, P. (2016). "Estudio y desarrollo de nuevas técnicas y sistemas de cimentación." Universidad de Sevilla, Disponible en: https://idus.us.es/handle/11441/45768, pp. 11-30. NOVAS, J. (2010). "Sistemas constructivos prefabricados aplicables a la construcción de edificaciones en países en desarrollo." Universidad Politécnica de Madrid, Disponible en: https://studylib.es/doc/8927729/tesis-master-joel-novas-cabrera, pp. 11-25. PENAGOS, J. (2017). "Guía de diseño de cimentaciones superficiales prefabricadas para edificaciones." Universidad EIA, pp. 32-70. PERÉZ, M., y OCHOA, R. (2006). "Prefabricación, base del cambio en la construcción." Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, pp. 1-5. PILOEDRE (20 de Abril de 2017). Ficha Técnica Piloedre [pdf online]. [Fecha de consulta: 16 de Febrero de 2024]. Disponible en: http://www.piloedre.es/ PILOEDRE (8 de Mayo de 2017). Documento de Adecuación al Uso [pdf online]. [Fecha de consulta: 16 de Febrero de 2024]. Disponible en: http://www.piloedre.es/ PILOEDRE (19 de Febrero de 2018). Evaluación Técnica Europea [pdf online]. [Fecha de consulta: 16 de Febrero de 2024]. Disponible en: http://www.piloedre.es/ RENFE (Junio de 1999). "Estructuras Metálicas corrosión. Sistemas de pintado." [pdf online]. [Fecha de consulta: 12 de Abril de 2024]. Disponible en: https://www.adif.es/sobre-adif/red-ferroviaria/informacion-general 85 11.Normativa de aplicación ●CTE DB SE-C-2019 ●EN 1993-5 ●UNE-EN 14199-2006 ●UNE-EN 1993-1-8 ●UNE-EN 1536-2000 ●UNE-EN 1537-2001 ●UNE-EN 1538-2000 ●UNE-EN 12063-2000 ●UNE-EN 12699-2001 ●UNE-EN 12715-2001 ●UNE-EN 12716-2001 12.Listado de imágenes Fig.01 Representación esquemática del método de estudio empleado Fig.02 Representación en planta y sección de un muro de contención con neumáticos, elaboración propia Fig.03 Tipologías de conexión entre zapata y soporte, elaboración propia Fig.04 Esquemas de unión tipo cáliz, elaboración propia Fig.05 Esquemas de unión con acoples mecánicos, elaboración propia Fig.06 Esquemas de unión mediante barras de anclaje, elaboración propia Fig.07 Esquemas de unión mediante placa de anclaje, elaboración propia Fig.08 Esquemas de unión mediante barras de anclaje, elaboración propia Fig.09 Esquemas de unión postensada , elaboración propia Fig.10 Planta de cimentación del edificio de de viviendas protegidas de alquiler para jóvenes, elaboración propia Fig.11 Interpretación propia de la sección constructiva existente en el edificio, elaboración propia Fig.12 Suspensión de las vigas semiprefabircadas, Cimentaciones prefabricadas para módulos de vivienda 3d Fig.13 Planta de cimentación de la residencia de estudiantes en el Campus de Montilivi, elaboración propia Fig.14 Suspensión de las vigas semiprefabircadas, Cimentaciones prefabricadas para módulos de vivienda 3d Fig.15 Planta de cimentación de la residencia de estudiantes en el Campus de Sant Cugat, elaboración propia Fig.16 Cimentaciones compuestas de un encepado y un elemento hincado, elaboración propia Fig.17 Comparación entre una zapata de un metro de lado y un piloedre, http://www.estructurando.net/ Fig.18 Ensayo en el momento de rotura, http://www.estructurando.net/ Fig.19 Imágenes del proceso de montaje, https://www.fourgenerationsoneroof.com/ Fig.20 Mega-Anchor, https://www.fourgenerationsoneroof.com/ Fig.21 Cimentaciones sobre tornillos, elaboración propia Fig.22 Pilote helicoidal Keller, https://www.keller.com/expertise/techniques/ Fig.23 Tornillo de cimentación Krinner, https://www.krinner.io/ Fig.24 Cimentaciones sobre plásticos, elaboración propia Fig.25 Bloques de cimentación Lankhorst, https://www.archiexpo.es/prod/lankhorst/ Fig.26 Bloques de cimentación Izodom, https://izodom.pl/katalog-produktow/ Fig.27 Cimentaciones de semiprefabricadas de hormigón armado, elaboración propia Fig.28 Zapata semiprefabricada Monachino Technology, https://www.monachinotechnology.com/ Fig.29 Zapata longitudinal semiprefabricada Canacintra, https://www.monachinotechnology.com/ Fig.30 Escuela de surf, imágenes tomadas en la ejecución de la obra, https://piloedre.es/galeria/ Fig.31 Pabellón Möbius, imágenes tomadas en la ejecución de la obra, https://piloedre.es/galeria/ 86 Fig.32 Viviendas vacacionales, https://www.ecoresystems.es/proyectos Fig.33 Muro de contención para obras en carretera, https://www.monachinotechnology.com/realizaciones Fig.34 Esquema de comportamiento de la punta de tres espigas, https://www.rothoblaas.es/ Fig.35 Esquema de comportamiento del sistema ante las acciones sísmicas, elaboración propia Fig.36 Efecto muro de pilotes sobre las barras de un Piloedre, https://piloedre.es/ Fig.37 Esfuerzo de compresión y tracción sobre un pilote helicoidal, adaptado de Schmidt, R, Nasr, M, 2004 Fig.38 Axonometría constructiva del prototipo SPC, elaboración propia Fig.39 Sección constructiva del prototipo SPC, elaboración propia Fig.40 Planta y detalles constructivos del prototipo SPC, elaboración propia Fig.41 Animación desplegada del proceso constructivo, elaboración propia Fig.42 Prototipo SPC instalado en el terreno, elaboración propia Fig.43 Esquema resumen de las acciones y dimensiones principales del prototipo, elaboración propia Fig.44 Esquema resumen del armado base del encepado, elaboración propia Fig.45 Esquema resumen del armado del encepado, elaboración propia Fig.46 Planta tipo del edificio de viviendas protegidas de alquiler para jóvenes, https://www.compacthabit.com/ Fig.47 Áreas de influencia del prototipo de cimentación, elaboración propia Fig.48 Combinación de acciones en situación permanente o transitoria, CTE-DB-SE Fig.49 Plano de tipo de suelo predominante en la provincia de Gerona, elaboración propia Fig.50 Plano de cimentación elaborado utilizado el prototipo de cimentación SPC, elaboración propia Fig.51 Comparación entre la sección constructiva, elaboración propia Fig.52 Diferentes alternativas del prototipo SPC variando el número de pilotes,elaboración propia Tab.01 Tabla de dimensiones del fuste de acero Tab.02 Tabla de dimensiones del encepado Tab.03 Tabla de dimensiones del encepado Tab.04 Tabla de armado de la parrilla inferior Tab.05 Tabla de armado de la parrilla superior Tab.06 Tabla de armado de los cercos verticales Tab.07 Tabla de armado de los cercos horizontales Tab.08 Tabla resumen de las acciones Tab.09 Tabla resumen de las acciones influyentes en la edificación Tab.10 Tabla de precios estimados mediante la cimentación con el prototipo SPC Tab.11 Tabla de precios estimados mediante la cimentación original Tab.12 Tabla resumen de los datos de partida contemplados en el caso de estudio Tab.13 Tabla resumen de los datos de resistencia del prototipo obtenidos en el caso de estudio 87