La magia de las tensiones efectivas en geotecnia

Karl von Terzaghi (1883 – 1963) ://es.wikipedia.org/wiki/Karl_von_Terzaghi

Os presento uno de los conceptos básicos utilizados en geotecnia que, en ocasiones, complica a muchos de mis estudiantes cuando en la asignatura Procedimientos de Construcción explicamos algunos aspectos de la mejora de terrenos (columna de grava, precarga, drenes verticales, etc.). Se trata del concepto de “tensiones efectivas”, que hoy es sencillo, pero que confundió a numerosos ingenieros durante mucho tiempo.

La ley de elasticidad Hooke, donde la aplicación de una fuerza supone una deformación proporcional a la misma, desde luego no era aplicable directamente a muchos problemas que los ingenieros tenían con el terreno. Desde siempre se conoce que el comportamiento mecánico del suelo es algo complejo, pero era sorprendente, por ejemplo, que una carga aplicada sobre un terreno con nivel freático elevado, no se deformase. Y lo más sorprendente, es que, al cabo de cierto tiempo, sin modificar el estado de cargas, el terreno se deformara “por arte de magia”.

Este problema ingenieril traía de cabeza a muchos ingenieros hasta los primeros años del siglo XX. Si se analiza un suelo desde el punto de vista “microscópico”, la transmisión de esfuerzos se realiza mediante cadenas de partículas, unas apoyadas con otras. Lo que es peor, si este suelo es de partículas tan finas como son las arcillas, la fuerza de gravedad pierde importancia frente a las fuerzas fisico-químicas. La solución es entender la mecánica del suelo como si fuera un medio continuo, es decir, desde el punto de vista “macroscópico”. Tal simplificación necesita un marco teórico de partida que fue postulado por uno de los grandes genios y padre de la mecánica de suelos: Karl von Terzaghi (Praga, 2 de octubre de 1883 – Winchester, Massachusetts, 25 de octubre de 1963).

Su aportación genial fue formular un postulado acerca de lo que denominó como “tensiones efectivas“. Como todo postulado que se precie, se trata de una proposición no evidente por sí misma, ni demostrada, pero que se acepta, ya que no existe otro principio al que pueda ser referida. De todos modos, las evidencias empíricas del correcto funcionamiento de este postulado hace que hoy día se admita en el campo de la mecánica de suelos porque permite explicar multitud de problemas geotécnicos. Terzaghi definió el concepto de tensiones efectivas, en 1923, partiendo de resultados experimentales. De forma muy simple, diremos que las tensiones efectivas que actúan en el terreno son el exceso de tensión sobre la presión intersticial del agua presente en él. Y lo más importante de todo ello es que son las tensiones efectivas las que pueden provocar cambios en la deformación del terreno. Pero vamos a reproducir (González de Vallejo et al., 2004) las dos partes fundamentales del enunciado de su postulado, según las propias palabras de Terzaghi:

“Las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales σ1, σ2 y σ3 , que actúan en ese punto. Si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión u, las tensiones principales totales se componen de dos partes. Una parte, u, llamada presión neutra o presión intersticial, actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas en todas direcciones y con igual intensidad. Las diferencias σ’1 = σ1 – u, σ’2 = σ2 – u, σ’3 = σ3 – u  representan un exceso de presión sobre la presión neutra u, y actúan exclusivamente en la fase sólida del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas.

Cualquier efecto medible debido a un cambio de tensiones, tal como la compresión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, es debido exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas”.

Podemos sacar varias conclusiones directamente de este postulado:

  1. Si en un suelo saturado no hay cambios de volumen ni de distorsión, eso significa que las tensiones efectivas no han cambiado.
  2. Como el agua no es capaz de soportar tensiones tangenciales, las que existan en un suelo saturado la debe absorber el esqueleto sólido del suelo.
  3. Si a un suelo saturado se le permite el drenaje (disipación de la tensión intersticial), entonces este suelo se deforma y se modifica su resistencia a corte. Al fenómeno se denomina consolidación.

Como entretenimiento práctico podéis deducir cómo la tensión efectiva en un punto de un estrato situado bajo nivel freático es igual al producto de la profundidad del punto en el estrato multiplicado por el peso específico sumergido del material de dicho estrato. Asimismo, si existen distintos estratos, es la suma de las alturas de los posibles estratos por sus correspondientes pesos específicos sumergidos.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.

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Normativa peruana sobre suelos y cimentaciones

¿Es bueno aplicar una norma que se utiliza en un país distinto al nuestro? Esta pregunta se repite muchas veces cuando se abren debates, sobre todo en España sobre el uso de los Eurocódigos (véase el caso de la Instrucción de Hormigón Estructural). Es evidente que en cada país se utiliza un tipo de norma que, si bien tiende a unificar aquellas partes comunes asentadas en el ámbito técnico y científico, en numerosas ocasiones se adapta a la idiosincrasia del país y sus circunstancias. Aspectos como el riesgo sísmico o geológico, materiales y procedimientos constructivos más empleados, sistemas de control de calidad en el sector, etc., hacen que se particularicen o resalten determinados aspectos de cada norma. No obstante todo lo anterior, sería un gran avance unificar normas y criterios, aunque en cada país se adoptaran coeficientes de seguridad o parámetros de diseño particulares.

En este caso os presento la Resolución Ministerial nº 406-2018-vivienda por la que se publica la Norma Técnica E.050 sobre “Suelos y Cimentaciones” del Perú. Agradezco el documento a Christian Martín Torres Delgado. Es una de las ventajas de estar conectado a las redes sociales, en este caso LinkedIn, que permiten compartir conocimiento técnico de forma ágil. Espero que el documento os sea de interés.

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Columnas de gravas

Figura 1. Tratamiento del terreno con columnas de grava en función de la altura del terraplén. Fuente: Carlos Oteo

Las columnas de grava constituyen un método de mejora de terrenos cohesivos blandos mediante la rigidización que produce la introducción de columnas de grava en los orificios creados por el vibrador o equipo de pilotaje convencional, según sea el método de ejecución escogido. Aumenta la capacidad portante del terreno, la estabilidad al deslizamiento en terraplenes, acelera el proceso de consolidación del terreno (constituyen drenes verticales) y provoca una reducción de los asientos en servicio. Se aplica sobre arenas limosas, limos, limos arcillosos, arcillas y rellenos heterogéneos.

En casos en los que además de una preconsolidación es necesario un refuerzo del terreno, como en el caso de terraplenes elevados, que precisan de terrenos portantes de mayor resistencia, la inclusión de columnas de grava permite solucionar el problema.

La columna de grava puede realizarse mediante un pilotaje convencional o mediante el uso de vibradores especiales que aplican la vibrosustitución. La técnica mediante pilotaje convencional puede ser por sustitución o por desplazamiento, y la vibrosustitución puede realizarse en vía seca  o en vía húmeda. No hay que confundir este método con el de vibrocompactación (vibroflotación).

Figura 2. Ámbito de aplicación de las técnicas

Como limitación de esta técnica, en suelos blandos originales que tengan baja capacidad portante para soportar la resistencia lateral que le pueden exigir las columnas cargadas, con resistencias a corte sin drenaje cu ≤ 0.015 MPa.

Figura 3. Relaciones asiento-tiempo en terraplenes con diferentes tratamientos. Fuente: Carlos Oteo

A continuación os dejo un catálogo de Terratest sobre columnas de grava que creo os puede ampliar la información al respecto.

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Os pasos varios vídeos de esta técnica de mejora de terrenos. Espero que os sean útiles.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

MONTEJANO, J.C. (2017). Ejecución de columnas de grava como refuerzo de la cimentación de un parque eólico en Nouakchott, Mauritania. Interempresas.net

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

Problemas con la perforación o la hinca de pilotes ante información confusa del terreno

Reconocimiento geotécnico. https://www.arqhys.com/construccion/reconocimiento-geotecnico.html

En algunos artículos anteriores hemos descrito algunos procedimientos constructivos de los distintos tipos de pilotes. También se han comentado en artículos anteriores algunas técnicas relacionadas con los informes geotécnicos.

Podéis consultar el siguiente documento realizado por Juan Herrera y Jorge Castilla, de la UPM: “Utilización de técnicas de sondeos en estudios geotécnicos“:  http://oa.upm.es/10517/1/20120316_Utilizacion-tecnicas-sondeos-geotecnicos.pdf

 

Sin embargo, aquí quiero resaltar algunos casos concretos donde los informes geotécnicos pueden confundir al constructor y llevarlo a errores durante la perforación o hinca de los pilotes (Rodríguez Ortiz, 1982):

  1. Capas delgadas de arenisca floja o vetas de arena cementadas. Las coronas de sondeo las traspasan y disgregan, confundiéndose con arenas. Las barrenas que perforan los pilotes son de diámetro mayor y no tienen potencia suficiente para romper estas capas, con lo que se hace necesario un trépano. En el caso de hinca, se suele dar rechazo al llegar a estas capas, deteniéndose la hinca, lo que supone un riesgo de punzonamiento bajo las cargas de trabajo.
  2. Las vetas carbonatadas y costras, de naturaleza evaporítica y de espesores variables, con elevadas resistencias. Los sondeos a rotación disgregan las gravas presentes, otras veces se sacan testigos rocosos que se confunden con gravas o bolos calcáreos. Son errores de apreciación que, unido a la difícil correlación entre los cortes geotécnicos, provocan que pasen desapercibidas estas vetas y causen problemas en la hinca y en la perforación.
  3. Las vetas silicatadas se confunden con los cantos de sílex. Son capas de extraordinaria dureza que hace difícil la penetración de los pilotes, incluso con espesores de pocos centímetros.
  4. Bloques erráticos u obstáculos de tamaño similar al diámetro del pilote. Pueden dificultar enormemente el hincado o la perforación.
  5. Confusión entre roca sana y alterada en el apoyo del pilote, que puede magnificar o infravalorar la capacidad portante prevista.
  6. Evaluación de la resistencia de una capa rocosa para predecir si la excavación debe realizarse con trépano, tricono o elementos de corte rotativo.
  7. La estructura del substrato rocoso debe caracterizarse geológicamente y con reconocimientos puntuales para determinar si las fracturas impiden la perforación rotativa para un determinado diámetro.
  8. Los sondeos pueden interpretar una estabilidad de las paredes diferente a la perforación del pilote, pues los diámetros son diferentes. Si el terreno lo permite, se prefieren los sondeos helicoidales, pues se aproximan mejor a las condiciones de perforación del pilote.
  9. La permeabilidad del terreno y la presencia de capas granulares abiertas pueden impedir la perforación con lodos, debiéndose recurrir a la entubación. Un sondeo convencional puede pasar por alto este aspecto, salvo que se hagan pruebas de bombeo o permeabilidad.

Veamos este vídeo de geotecnia.ONLINE sobre las cinco cosas que debemos hacer antes de empezar con los sondeos o perforaciones de un estudio del terreno. El contenido se relaciona con lo que hemos contado anteriormente.

 

Referencias:

RODRÍGUEZ ORTIZ, J.M. (1982). Reconocimientos del terreno para pilotajes, en ROMANA, M. (Ed.): Apuntes sobre pilotes. Universidad Politécnica de Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Zonas de un anclaje

Figura 1. Componentes de un anclaje activo

Un anclaje es el elemento capaz de transmitir esfuerzos de tracción desde la superficie del terreno hasta una zona interior del mismo. En artículos anteriores vimos el concepto y la clasificación de los anclajes, la forma de ejecutar un anclaje y aspectos relacionados con la seguridad en su ejecución. En este artículo vamos a describir brevemente las diferentes zonas de un anclaje.

En los anclajes se distinguen las siguientes zonas (Figura 1):

  • Zona o bulbo de anclaje: es la parte solidaria al terreno en profundidad, encargada de transferirle los esfuerzos. Tiene características muy distintas dependiendo del procedimiento constructivo empleado. Teóricamente se trataría de una parte fija, es decir, que no se movería ni durante el tesado ni durante la movilización del empuje activo. En la práctica se puede mover algo, pero no debe despegarse del terreno, pues entonces desaparecería la capacidad del anclaje.
  • Zona libre: es la parte en la que la armadura es independiente del terreno que la rodea, de forma que está libre su deformación al tensionarse. En efecto, la capacidad de deformación de esta zona libre es la que provoca la progresiva puesta en carga del anclaje. Conviene una longitud mínima de unos 5 m para que el esfuerzo aplicado se vea poco afectado por los posibles desplazamientos de la cabeza respecto a la zona de anclaje al terreno. Puede garantizarse la independencia del anclaje respecto al terreno en esta zona mediante camisas de PVC o metálicas. Sin embargo, debe garantizarse su protección contra la corrosión.
  • Cabeza: es la unión de la armadura a la placa de apoyo, sobre la que se ejerce la fuerza estabilizadora sobre la estructura. Dependen de cada fabricante y son similares a las utilizadas en hormigón pretensado.

En la Figura 2 se puede observar la cabeza para un anclaje de 8 torones.

Figura 2. Cabeza para un anclaje de 8 torones. https://publicworkstoolscad.blogspot.com/

Os dejo una animación de Keller Cimentaciones respecto a la ejecución de una inyección.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Ejecución de un anclaje

Figura 1. Perforación para anclaje en muro de micropilotes. Imagen: V. Yepes

En un artículo anterior se repasó el concepto y la clasificación de los anclajes. Aquí se van a comentar brevemente los aspectos más relevantes de la ejecución de un anclaje.

Para ejecutar un anclaje se introduce la armadura en una perforación previamente realizada en el terreno al que quedan unidos con la lechada de cemento que se inyecta a continuación. Las operaciones, por tanto, son las siguientes:

  1. Perforación.
  2. Colocación del cable o bulón y ejecución del bulbo de anclaje para su fijación en el fondo de la perforación.
  3. Tensado del cable, en su caso.
  4. Inyección de la lechada y cierre de la cabeza del anclaje.

La perforación, normalmente a rotación o rotopercusión, desde 68 mm de diámetro para barras de 25 mm, hasta más de 200 mm para anclajes más complejos. En cuanto al resto de sus componentes, los anclajes pueden ser diferentes en función de la resistencia del propio anclaje y del terreno. La Figura 1 muestra la perforación de una viga riostra sobre un muro de micropilotes para realizar un anclaje al terreno. Las Figuras 2 y 3 muestran detalles de la maquinaria empleada en la realización de las perforaciones para los anclajes.

Figura 2. Maquinaria de perforación a rotopercusión. www.desdeelmurete.com

 

Figura 3. Detalle de la perforación para anclaje en muro pantalla. www.desdeelmurete.com

En los anclajes activos es primordial que el cable quede sujeto en el fondo de la perforación antes de tesar. Para ello se emplean diversos sistemas según el tipo de anclaje, con dispositivos que aíslan el bulbo de anclaje del resto de la perforación. De esta forma se impide que la lechada inyectada en la zona de empotramiento se extienda al resto del cable antes del tensado. El dispositivo más frecuente es un obturador o casquillo expansivo. La inyección en esta zona se efectúa a través de una tubería de PVC situada en el interior de la vaina que cubre el cable, a una presión que puede llegar a unos 2,5 – 3,0 MPa. Estas tuberías van provistas de válvulas anti retorno que pueden taponarla a diferentes profundidades para obtener una mayor penetración al inyectar.

Una vez asegurado el empotramiento, se tensa el cable con gatos hidráulicos bloqueando el extremo en la placa de anclaje con tuercas o conos de anclaje controlando el diagrama de tensiones-alargamientos, que debe coincidir con el teórico si la fijación en el fondo es efectiva (ver Figura 4).

Figura 4. Tesado de cables de un anclaje activo. http://www.fernandeztadeo.com/anclajes.htm

Con el cable en tensión, se inyecta la lechada en el resto de la perforación a una presión del orden de 3 MPa. No deben pasar más de 8 – 12 horas tras la perforación para minimizar la alteración y descompresión de las paredes del terreno. Con la rosca sana, los esfuerzos del cable pueden transmitirse al terreno directamente a través de la lechada; en caso contrario, que es lo más común, independizando la armadura del terreno por medio de una vaina en la que se inyecta la lechada y los productos anticorrosión. La lechada se dosifica con abundante cemento, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,6 (0,4 para sellado entre la armadura y las vainas anticorrosión. Es necesario el uso de aditivos. El fraguado tarda de 3 a 7 días. En la Tabla 1 se reflejan las características de los cables más empleados.

Tabla 1. Características de los cables más empleados actualmente (Y 1860 S7 15.20)

Límite elástico (N/mm2) 1670
Carga de rotura (N/mm2) 1860
Nº de alambres 7
Diámetro nominal (pulgadas – milímetros) 0,6 – 15,2
Área (mm2) 140
Límite elástico unitario (kN) 260
Módulo de deformación (N/mm2) 200 000

 

En los anclajes pasivos el diámetro de las armaduras está comprendido entre 16 a 40 mm. Se emplean aceros dúctiles, con alargamientos en rotura superiores al 4% para reducir la probabilidad de la rotura frágil del perno. En estos anclajes la transferencia de esfuerzos entre la armadura y el terreno es directa a través de la lechada. Su ejecución es más sencilla que en los activos. La armadura se introduce en la perforación y una vez fijada (algunos pernos van provistos de un casquillo expansivo situado en su extremo que lo fija al fondo de la perforación), se rellena inyectando una lechada con una dosificación similar a la de otros anclajes (a/c ≈ 0,4 – 0,6). La lechada protege el cable y transmite las tensiones entre la armadura y el terreno. En la Tabla 2 se recogen las características de las barras de anclaje más habituales.

Tabla 2. Características de las barras de anclaje más habituales.

Tipo de barra Límite elástico (N/mm2) Carga de rotura (N/mm2)
Corrugada, Gewi o similar 500 550
Dywidag 850 1050

Os dejo a continuación algunos vídeos que espero sean de vuestro interés.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Los pilotes metálicos

Figura 1. Hinca inclinada de pilotes metálicos. Fuente: http://sheetpiling.arcelormittal.com/

Los pilotes metálicos hincados son pilotes de desplazamiento que empezaron a utilizarse en 1890. Actualmente son de acero, si bien en España prevalecen los pilotes de hormigón. Son perfiles laminados en caliente, con diversas secciones transversal y longitudinal. El transporte de estos elementos es sencillo y se pueden instalar nada más recibirlos en obra. Los pilotes metálicos se pueden agrupar atendiendo a su puesta en obra: pilotes hincados o pilotes roscados.

Su alta resistencia a compresión facilita atravesar los estratos duros; asimismo, son resistentes a flexión y cizallamiento, lo que permite la hinca inclinada sin riesgo de fisuración. Se alcanzan profundidades elevadas mediante soldadura o atornillado de tramos contiguos. Además, son fáciles de recuperar salvo que se les dote de algún dispositivo como unas aletas soldadas o anclajes.

Son pilotes relativamente costosos y la hinca puede ser ruidosa. Sin embargo, el principal inconveniente es la corrosión, especialmente en climas cálidos o con alternancia de humedad y sequedad. Para protegerlos se recubren de pinturas anticorrosivas y se sobredimensiona su sección para incluir el deterioro previsible. No obstante, el pilote metálico no suele plantear problemas cuando queda permanentemente bajo el agua, al igual que los de madera. Así lo corroboran numerosas obras marítimas cimentadas con estos elementos.

En sucesivas entregas describiremos los distintos tipos de pilotes metálicos: hincados (perfiles circulares, en H o tubulares), atornillados y de disco.

Os dejo esta presentación donde podéis conocer los aspectos básicos de este tipo de pilotes.

En este vídeo podemos observar la hinca de pilotes metálicos sobre el río Paranapura.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Emparrillados de cimentación

Figura 1. Emparrillado de cimentación. Fuente: puntaltec.com

Los emparrillados recogen los pilares de la estructura en una única cimentación, consistente en zapatas corridas entrecruzadas en malla habitualmente ortogonal, de gran rigidez (Figuras 1 y 2). Al igual que en las vigas de cimentación, los emparrillados son menos sensibles a las heterogeneidades, oquedades o a los defectos locales del terreno. Suelen emplearse cuando la presión admisible del terreno es baja, existe una elevada deformabilidad o se esperan importantes asientos diferenciales, aunque la alternativa es la losa de cimentación. En la Figura 3 se observa una especie de emparrillado de cimentación que usa elementos para aligerar lo que sería una losa y que en una vivienda sirve de forjado sanitario.

Figura 2. Esquema de emparrillado de cimentación. Fuente: http://www.elconstructorcivil.com/

 

Figura 3. Emparrillado de cimentación con aligeramientos Daliforma. Fuente: http://www.admasarquitectura.com/

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Apuntes sobre la ingeniería en el Renacimiento

Hombre de Vitruvio, dibujo de Leonardo da Vinci, expresión del canon estético renacentista.
Hombre de Vitruvio, dibujo de Leonardo da Vinci.

Resulta difícil resumir en un pequeño post todo lo relacionado con la ingeniería que tuvo lugar en un periodo tan apasionante como el Renacimiento. Tras la “oscura” Edad Media, el renacer del hombre como centro del conocimiento y la vuelta atrás en busca de los clásicos supone un avance de gran trascendencia en todos los órdenes del saber y del conocimiento. Vamos, pues, a realizar una pequeña -y siempre imperfecta- incursión en este periodo, a sabiendas de que nos vamos a dejar muchas cosas por el camino. Dejo, por tanto, algunos enlaces a otras páginas para aquel interesado en ampliar la información.

El Renacimiento (siglos XV y XVI) fue un periodo de reactivación científico y tecnológico. Junto con la posterior Ilustración, supusieron un revulsivo ideológico que tuvo su manifestación en el interés por la técnica y los procedimientos constructivos. Los ingenieros nuevamente fueron miembros de una profesión respetada e incluso algunos de ellos recibieron buena paga. Su ingeniería se diferencia claramente de la medieval, al estar claramente influenciada por los clásicos, y en especial por Vitrubio, cuyos textos fueron descubiertos en 1415 en el monasterio de San Gallo. Igual que en las restantes manifestaciones artísticas o científicas, el renacimiento de la técnica tuvo su origen y alcanzó su más alto nivel en Italia.

Nicolás García Tapia (citado por Sáenz, 1993) señala, entre las principales características de la ingeniería renacentista, las siguientes: se instaura una visión humanística de la técnica; aparece la figura del ingeniero teórico, con creciente separación de la técnica de las ciencias herméticas; los ingenieros mejoran su condición social respecto a los alarifes tradicionales y aumentan su movilidad y sus posibilidades de contratación por diversos países; nace la técnica experimental; se establece una nueva concepción de los sistemas mecánicos y se generalizan las invenciones de toda índole. Un buen resumen de la ingeniería de esta época se encuentra en un reciente número monográfico de la Revista del Ministerio de Fomento sobre “Ingeniería, Cartografía y Navegación en la España del Siglo de Oro” (Varios autores, 2005).

En la España de los Reyes Católicos y tras la Reconquista, la ingeniería estuvo muy cercana a las tropas combatientes. España se dividió administrativamente en regiones y por primera vez aparecen las Comandancias de Ingenieros, dependientes de Artillería, que unifican sistemas y criterios para la ejecución de obras de defensa. Se procedió a realizar una gran labor de restauración de castillos y de construcción de puentes y caminos. En 1474, una cédula de los Reyes Católicos prohíbe la construcción de nuevos castillos en España.

La especialización de numerosos Maestros Mayores de Obras o Alarifes, con fuerte tradición medieval, en obras muy específicas de defensa de ciudades y la progresiva evolución de los sistemas de ataque bélico, propician que se vaya recuperando el término romano de “ingenium” para denominar a las máquinas bélicas, fruto del ingenio de la persona que las concibe. Poco a poco, sobre el año 1540, va apareciendo la denominación de Ingeniero para el especialista en la construcción de fortificaciones, que acompaña a los ejércitos, facilitando los ataques a las ciudades o la defensa de las mismas, y cuyo arte se denomina poliorcética.

En Europa aparecen grandes arquitectos como Leone Battista Alberti. La publicación en 1485 del primer libro de arquitectura indica la inquietud que sentía por la divulgación del conocimiento. En la década de 1550 se hizo también famoso en Ferrara Giovanni Battista Aleotti. Las edificaciones del Renacimiento se caracterizan por construir un conjunto racional, cuyos elementos se hallan dispuestos según rigurosas normas de proporción, donde los elementos formales característicos son la construcción circular coronada por una cúpula y la división armónica de la superficie de los muros, entre otras. En la España de Carlos I se conocen numerosos ingenieros italianos que trabajan a las órdenes del emperador, así en el año 1552, encontramos a Gianbattista Calvi reforzando las fortificaciones de Roses, Barcelona y Tarragona. El mismo Carlos I creó en 1543 la Escuela de Artillería de Milán, para formar profesionales con conocimientos de matemáticas, física y construcción, siendo una de las primeras escuelas cuya vida se dilató a lo largo del siglo XVII.

Boceto de grúa ideada por Leonardo da Vinci
Boceto de grúa ideada por Leonardo da Vinci

Durante los siglos XV y XVI tienen también lugar desarrollos importantes en la dinámica moderna que permiten abandonar los postulados de Aristóteles que se habían estado utilizando prácticamente hasta entonces y que quedaban obsoletos. Florencia tuvo el más famoso ingeniero de todos los tiempos. Pocas veces ha sido bendecido el mundo con un genio como Leonardo da Vinci (1452-1519). Anticipó muchos adelantos del futuro; por nombrar algunos: la máquina de vapor, la ametralladora, cámara oscura, el submarino y el helicóptero. Pero, es probable que tuvieran poca influencia en el pensamiento de la ingeniería de su tiempo. Sus investigaciones eran una mezcolanza no publicada de pensamientos e ilustraciones. Era un investigador impulsivo, y jamás resumía su investigación para beneficio de otros a través de la publicación. En sus cuadernos hacía la anotación de sus investigaciones de derecha a izquierda, posiblemente por comodidad, debido a que era zurdo. Da Vinci fue, probablemente, el primero en describir y utilizar técnicas experimentales que hoy día son empleadas en los laboratorios más avanzados. También se puede decir que fue Leonardo el creador del armamento tal como hoy se concibe. Inventó, entre otras, una máquina para hincar pilotes.

Georgius Agrícola (1.494-1.555) y Galileo Galilei (1564-1642) establecieron las bases científicas de la ingeniería. El primero, en su obra póstuma De Re Metallica (1556) recopiló y organizó de forma sistemática todo el conocimiento existente sobre minería y metalurgia, siendo la principal autoridad en la materia durante cerca de 200 años. Galileo es conocido por sus observaciones astronómicas y por su declaración de que objetos de diferentes masas se ven sometidos a la misma “tasa” de caída. Sin embargo, Galileo fue un magnífico ingeniero, con sus proyectos sobre drenaje al pretender desecar las costas venecianas y dedicarlas al cultivo agrícola, o como ingeniero militar. Su contribución más importante en la construcción fue la “teoría de vigas” que tuvo su origen en el análisis comparativo entre las estructuras de los grandes barcos de madera y la de los botes, aunque sus predicciones fueron erróneas al no considerar la elasticidad de los materiales. Una de sus mayores contribuciones fue la formulación de un método científico, ampliamente aceptado. Uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la ingeniería mecánica lo realizó Simón Stevin en Holanda, a fines de la década de 1500. Mediante el “triángulo de fuerzas”, permitió a los ingenieros manejar fuerzas resultantes que actuaban en los miembros estructurales. Stevin escribió un tratado sobre fracciones y también realizó trabajos que llevaron al desarrollo del sistema métrico.

Manuscrito de Galileo Galilei sobre la teoría de vigas.

Se pasa, de los siglos XIV y XV, caracterizados por el desarrollo de la construcción, especialmente de castillos, alcázares, atalayas y torres vigías de defensa de la costa, al siglo XVI, centrado en la construcción de palacios y edificios de gran calidad arquitectónica debido a arquitectos de la talla de Juan de Herrera, constructor de El Escorial, de la fachada de la Catedral de Valladolid, etcétera. Algunos ingenieros de aquella época procedían del extranjero como es el caso de Juan Bautista Antonelli, quien dirigió varias obras de fortificación en España e incluso en ultramar, siendo de destacar, entre otras, los castillos del Morro y de la Punta en La Habana, empezados a construir en 1581. A Antonelli se le debe el enlace fluvial Madrid-Lisboa por el Tajo, Jarama y Manzanares, que permitía, en época de Felipe II, navegar en chalupa desde Madrid hasta Lisboa.

En aquellos tiempos España estaba considerada como el país europeo más avanzado en cuanto a conocimientos de fortificación y empleo de armas de fuego, siendo el primero en conocer las reglas, principios y enseñanzas del Arte del Ingeniero y Artillero que se ensañaba en su Academia de Ciencias de Madrid, ochenta años antes de que hubiese sido creada la Real Sociedad de Londres y la Academia Real de Ciencias de París.

En el siglo XVI fue preciso impulsar la agricultura y crear nuevas zonas de regadío, lo que obligó a la construcción de redes de canales, acueductos y presas. En España se construyó en 1594 el célebre dique de Tibi que durante muchos años, con sus 41 m de altura, fue el más alto de Europa. Los veintiún libros de los ingenios y las máquinas de Juanelo Turriano, escrito en 1568, fue el mejor tratado de construcción del siglo XVI. Era la época de Felipe II, que continúa la política de fortificaciones con los Antonelli, así como con Juan de Herrera y su discípulo Cristóbal de Rojas. Éste último escribió en 1598 la Teórica y Práctica de la Fortificación, que fue el primer tratado de fortificación impreso en España.

En el Renacimiento continúa la preocupación por las cimentaciones. Palladio plantea que los cimientos deberían ser el doble de gruesas que los muros soportados por ellas, una dimensión que podría modificarse según la calidad del suelo y la escala de la edificación. Según Alberti, la excavación de la cimentación debería ser horizontal, para evitar cualquier deslizamiento o movimiento y los muros deberían ubicarse en el centro de la zapata, recomendando abrir algunos pozos o fosos para conocer las características de los estratos presentes bajo la superficie. Existe en este momento una mayor preocupación sobre las cimentaciones y sus técnicas constructivas, si bien no es posible realizar un desarrollo evolutivo del diseño de las cimentaciones, pues fueron tan variadas como los edificios que sustentaban.

Referencias

  • SÁENZ, F. (1993). Los Ingenieros de Caminos. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería, nº 47. Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 305 pp.
  • VARIOS AUTORES (2005). Ingeniería, Cartografía y Navegación en la España del Siglo de Oro. Revista del Ministerio de Fomento, 542. 200 pp.
  • YEPES, V. (2009). Breve historia de la ingeniería civil y sus procedimientos. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil. Universitat Politècnica de València.

 

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