Sistemas de Cimentación Profunda: Diseño y Ejecución de Pilotes Estructurales

1. Introducción a las Pilas Estructurales

El objetivo principal de las pilas es soportar esfuerzos verticales y proporcionar resistencia lateral, minimizando los asientos estructurales. Pueden exhibir un comportamiento rígido (enfrentando esfuerzos laterales) o dúctil (ante sobrecargas).

Aplicaciones Específicas

• Estructuras Portuarias: Se emplean pilas pretensadas de hormigón debido a las mayores cargas que soportan en comparación con las estructuras terrestres.
• Puentes Costeros: Se utilizan pilas de acero tipo H, pilas tubulares de acero (que soportan un gran esfuerzo de tensión) y micropilotes penetrados en roca.
• Estructuras Offshore: Se enfrentan a altos esfuerzos, cargas cíclicas y condiciones extremas de tamaño y longitud.

2. Fabricación de Pilas Tubulares de Acero

La fabricación implica el enrollado longitudinal de placas y su posterior soldadura. Se producen en segmentos de 1,5 metros. Para unir dos segmentos, se aplica un desfase de 90 grados.

Existen pilas enrolladas en forma de espiral (ejemplo: $\phi$ 1m, $e$ 28mm). Estas no son recomendadas en entornos offshore debido a los esfuerzos cortantes que experimentan.

3. Transporte de Pilas

Métodos de Transporte

El transporte se realiza mediante embarcaciones, apilando los elementos. Las secciones de las pilas se integran en un rack o rejilla y se fijan con cadenas. Si no se utilizan racks, las pilas deben soportar su propio peso (aplicando una estrategia de apile y estiba máxima).

• Autoflotación: Se logra mediante el uso de plásticos, boyas o elementos flotantes. Es relevante para depósitos en el fondo marino, donde los extremos de las piezas deben ir cerrados.
• Transporte por Jacket: Las pilas van flotando integradas en la estructura jacket. Para el hincado posterior, los jackets disponen de guías en sus patas.

Proceso Constructivo de una Jacket

1. Transporte.
2. Volteo.
3. Viaje final.
4. Posicionamiento (Fondeo): Implica el volcado vertical.
5. Instalación de Pilas (Martilleo): La pila interior sobrepasa el terreno para iniciar la penetración. Durante este proceso, la pila sufre esfuerzos axiales y de flexión.

4. Instalación y Conexión de Pilas

Procedimiento de Hincado

Se utilizan guías verticales para añadir secciones de manera sencilla.

Elementos de Soporte y Revisión

• Elementos Auxiliares: Líneas de tensión (en aguas poco profundas) o equipos ROV/sonar de corto alcance.
• Protocolo de Revisión de Fallo (Modelo Americano): Este protocolo evalúa los momentos de pandeo, las cargas axiales y la resistencia intrínseca de la pila.

En estructuras offshore con grandes diámetros, es común el uso de martillos de alta energía (diésel, hidráulico o de vapor).

Optimización del Espesor

El espesor de las pilas generalmente varía con la longitud para optimizar el material en función de los esfuerzos previstos. Sin embargo, si el terreno es deficiente, el espesor se dimensiona atendiendo a las condiciones del suelo.

Interconexión y Soldadura

Las pilas se interconectan utilizando guías de posicionamiento y soldadura. Se emplean bridas como elementos temporales de ayuda para asegurar el alineamiento adecuado durante la soldadura. La grúa no libera los elementos hasta que están completamente colocados y soldados.

Los extremos de las pilas son prebiselados para garantizar la penetración total de la soldadura. En penetraciones en roca, el extremo se refuerza para contrarrestar el efecto rebote.

Sellado de Pilotes

El sellado se realiza mediante la inyección de lechada. En casos de grandes solicitaciones, la protección es doble:

• Sellados Activos: Se expanden por la presión del agua.
• Sellados Pasivos: Consisten en una tapa de caucho flexible.

5. Métodos de Penetración e Hincado

Cuando la penetración es difícil, se pueden aplicar las siguientes estrategias:

1. Usar una pared más gruesa (incrementar el espesor).
2. Utilizar martillos más grandes (con un cabezal más pesado).
3. Echar un chorro de agua a presión en el interior de la pila para romper el menisco entre el suelo y el extremo inferior.
4. Perforar o taladrar el menisco.

6. Inserción de Pilas Secuenciales

Insertar la primera pila al nivel requerido puede ser inviable en ciertas condiciones, por lo que frecuentemente se aplica una pila interna.

Proceso de Inserción Doble

1. Se hinca la primera pila.
2. Se retira el material del interior de la primera pila.
3. Se hinca la segunda pila (con un diámetro menor, $\phi$), eliminando así la fricción para alcanzar mayor profundidad.
4. Finalmente, se inyecta lechada en la zona interpilas.

Esta técnica, aunque puede optimizar recursos, conlleva un sobrecoste. Además, existe el riesgo de provocar una reducción en la capacidad portante y la resistencia debido a la discontinuidad de los esfuerzos tangenciales generados.