UNIÓN DE UN MICROPILOTE A CIMENTACIÓN EXISTENTE EN RECALCES ESPECIALES (2ª PARTE): CONEXIÓN ENTRE LA ZAPATA Y LA LECHADA O MORTERO DE CEMENTO.

Para contextualizar, la 1ª parte del artículo (leer artículo aquí) se fundamentaba en un caso práctico real de recalce de cimentación para un edificio existente con zapatas aisladas sobre un terreno de alta expansividad. Se comprobaron las zapatas existentes como encepados, ya que pudimos acceder a la información del tipo de acero y hormigón, dimensiones y armado inferior dispuesto en las mismas, según proyecto original (que tiene una antigüedad de casi 20 años). La comprobación como encepado se calculó de acuerdo con lo dispuesto en el art. 58.4.1.2 de la EHE-08 (cálculo de encepados rígidos). La armadura inferior será la encargada de soportar el esfuerzo de tracción Td solicitado para la trasmisión de cargas del pilar a los micropilotes. En este caso concreto, la cuantía existente cumplía sobradamente con la necesaria para resistir la tracción de cálculo (TdX=TdY). También se procuró proyectar los micropilotes lo más cerca a las caras del pilar (siempre que permitiera su ejecución) para que el grupo de dos o tres de micropilotes estuviesen lo menos alejados entre sí provocando que esta tracción fuera la menor posible.

Recordemos que el post anterior, basándonos en dicho caso, lo dedicamos a responder la siguiente cuestión:

¿Cuánto resiste la unión entre la lechada o mortero del micropilote y su armadura tubular?

Se partió de la premisa que la carga total que debe transmitir la zapata (transformada en encepado) se debe hacer a través de la superficie de contacto de camisa metálica del micropilote embebido en la cimentación recalzada. El inconveniente surgía al calcular el rozamiento entre ambos, siendo claramente insuficiente en comparación con la carga que el micropilote era capaz de aguantar. El canto de la zapata es el existente, por lo que no podíamos aumentarlo hasta desarrollar el rozamiento necesario (no resultaría tampoco económico). La alternativa por la que optamos fue soldar barras corrugadas lateralmente al tubo metálico. Hay otras soluciones de conexión, como por ejemplo con placas de reparto y rigidizadores, chapas soldadas longitudinalmente, etc..., algunas de las cuales se pueden ver en el Apéndice 5 de la Guía para el proyecto de ejecución de micropilotes en obras de carretera.

Y aquí subyace una cuestión peliaguda que genera debate. La comprobación de bielas y tirantes de la tubería del micropilote al encepado existente no está recogida en la bibliografía existente, ni existe, que yo sepa, ningún apoyo numérico que ayude a justificar cuando la armadura tubular actúa como una inclusión rígida que ocupa prácticamente la totalidad del canto de la zapata que se recalza. Esta es una de esas lagunas normativas aún sin resolver.

El problema es que en el micropilote, al tener mucha menos sección que un pilote, se hace crítica la comprobación de la biela de compresión especialmente en el nudo. Y con los cantos de zapatas normales sería muy difícil de cumplir el ángulo máximo permitido de la biela tal como viene definido en la EHE. Para obra nueva, en el método de bielas y tirantes no tenemos limitación en el canto de encepado al poder proyectarlo. Sin embargo en recalces, la única forma de creernos que el modelo de bielas y tirantes es correcto (y de hecho, la práctica demuestra que funciona) es asumir que, de alguna manera, se reparten. Pero...¿cómo? 

Una forma de explicarlo es que la biela, en el caso de micropilote, se podría considerar no en la cabeza sino en el cono de transferencia de carga que se forma a lo largo del anclaje de cada barra corrugada. Es decir, conceptualmente la carga que baja por el pilar, al transmitirse por la biela comprimida, no se centrará únicamente en la sección transversal del tubo, sino que al estar incluido monolíticamente dentro del seno de la zapata que se recalza, el prisma que materializa la biela, se va abriendo sobre la proyección del alzado de la armadura tubular, por lo que el área de hormigón involucrada es mucho mayor y el reparto más homogéneo. Una forma de validar este razonamiento sería realizar un modelo de elementos finitos que permitiera entender el funcionamiento interno y cómo varían las tensiones principales o bien mediante métodos de optimización de energía de deformación (gracias a David Boixader y José Antonio Agudelo).

Y ahora, retomando la continuación al hilo de la 1ª parte del artículo, nos queda contestar a la siguiente pregunta:

"¿Cuánto resiste la unión entre la lechada o mortero del micropilote y el cimiento existente?”

B) TRANSMISIÓN ENTRE LA LECHADA O MORTERO DEL MICROPILOTE Y EL HORMIGÓN DE LA ZAPATA EXISTENTE:

Recordamos que aunque en nuestro proyecto la compresión máxima calculada para el micropilote más cargado es de 376 KN, para no ir tan afinados vamos a utilizar como "número gordo" la máxima carga que es capaz de aguantar el tubo de acero y que correspondía a 521,04 KN (52,10 Tn para los nostálgicos del sistema de unidades MKS). ₍₁₎

Partimos de la hipótesis de considerar que el hormigón del cimiento existente es de calidad buena. La resistencia última (Ru,d) de la unión a la zapata existente será el la superficie de contacto (S) entre la lechada y el cimiento multiplicado por la tensión rasante última de cálculo (τr,u).  

Para nuestro ejemplo, el término de superficie de contacto sería:

Para el término de la adherencia, la “Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera” en la tabla A-5.2 indica los valores a considerar, salvo en el caso del hormigón, que es el que nos interesa, teniendo la deferencia de remitirnos al artículo 47 de la EHE.

Acudimos raudos a dicho artículo que indica lo siguiente:

47.2. RESISTENCIA A ESFUERZO RASANTE EN JUNTAS ENTRE HORMIGONES

La comprobación del estado límite último a esfuerzo rasante se realizará comprobando que:

τ_r,d ≤ τ_r,u

siendo:

τ_r,u Tensión rasante de agotamiento correspondiente al estado límite último de resistencia a esfuerzo rasante según se indica a continuación, supuesto que el espesor medio mínimo del hormigón a cada lado de la junta es de 50 mm, medido normalmente al plano de la junta, pudiéndose llegar localmente a un espesor mínimo de 30 mm.

47.2.1. Secciones sin armadura de cosido de la junta

La tensión rasante de agotamiento τ_r,u tiene como valor:

Donde:

β: Factor que adopta los siguientes valores:

ü  0,80 en superficies de contacto rugosas de secciones compuestas en las que existe una imbricación tal que se impide el cabalgamiento de una de las partes de la sección compuesta sobre la otra, tales como las configuraciones en cola de milano, y siempre que la superficie quede abierta y rugosa tal y como se obtiene en la fabricación de viguetas con máquina ponedora.

ü  0,40 en superficies intencionadamente rugosas, con rugosidad alta.

ü  0,20 en superficies no intencionadamente rugosas, con rugosidad baja.

fck: Resistencia característica a compresión del hormigón más débil de la junta.

fct,d: Resistencia de cálculo a tracción del hormigón más débil de la junta.

Bajo solicitaciones de fatiga o de tipo dinámico los valores correspondientes a la contribución por cohesión entre hormigones β(1,30 – 0,30fck/25) fct,d se reducirán en un 50%.

Cuando existan tracciones normales a la superficie de contacto (por ejemplo, cargas colgadas en la cara inferior de una viga compuesta) la contribución por cohesión entre hormigones se considerará nula (β · fct,d = 0).

Así que, operando con cuidado y considerando por ejemplo un β=0.3 (rugosidad media entre baja y alta) que, en nuestra opinión, es mucho considerar si habéis visto y tocado lo suaves que quedan los taladros de las perforaciones en la zapata, resulta:

Siendo un valor tan bajo, y como no vamos a dejar el encepado como un colador, la alternativa que nos queda para trabajar con hormigón es aumentar el tamaño del taladro (y hasta un cierto límite), Los amigos de www.estructurando.net (ya lo analizaban en uno de sus post, indicando que en estos casos era bueno recurrir a la bibliografía clásica suficientemente probada, que es precisamente lo que hacen las empresas de cimentaciones especiales. Con su permiso utilizamos las dos referencias que publicaban para contrastar resultados con nuestro caso. Uno de ellos expuesto en las Jornadas Técnicas SEMSIG-AETESS “Recalce con micropilotes y otras técnicas especiales” del año 2012, donde figura que τr,u (valor admisible) es del orden de un 1/20 de la resistencia característica del hormigón de la zapata o encepado. Y el otro, extraído del libro “El lenguaje de las grietas” de D. Francisco Serrano Alcudia, encontramos que la τr,u (valor admisible) viene dada por la siguiente expresión: τr,u= (0.9/1.6)•(fck/1.5)^1/2.

 Aplicado a nuestro caso quedaría:

Ni que decir tiene la disparidad de criterios, obteniéndose el doble e incluso más del triple de resistencia de la obtenida siguiendo escrupulosamente la fórmula de la EHE-08.  ¿Con cual nos quedamos? La respuesta académica la dejamos para que alguien valiente  se pueda devanar los sesos como tema para su tesis doctoral.

En la práctica, está claro que para este tipo de recalces en edificación convencional la unión entre el mortero o lechada del micropilote y el hormigón de la zapata existente que va a servir de encepado no puede hacerse con hormigón. Por eso se recurre a un mortero expansivo (o sin retracción). Y de la misma forma que dijimos en la 1ª parte del artículo, a pesar de que evidentemente tienen una adherencia muy superior a la del hormigón, no debemos confiar la elección del mismo a la suerte de la constructora pensando que en ese momento nos favorece la alineación astral.

Nosotros, por ceñirnos al ejemplo real, aplicamos en este caso concreto un mortero técnico Aplicatec GROUT, aunque en el mercado hay muchas marcas y tipos. Es un Mortero fluido a base de cemento, de retracción compensada e inicialmente expansivo, altas resistencias mecánicas iniciales y finales y alta adherencia al hormigón. Incluso hay una versión con especificaciones sulforresistente, si se diera el caso. El único inconveniente (supongo que para no acostumbrarnos a la buena vida) fue que en la ficha técnica del producto no figuraba expresamente la tensión de arranque, así que tuvimos que hacer unos numeritos a partir de los datos del ensayo, según la UNE-EN 1881:2007, que le pedimos al fabricante:

El área de ensayo de la figura:

§   Ø del agujero sobre un hormigón patrón=3 cm

§   Profundidad del agujero=15 cm

§   (Con el producto, se embebe una barra corrugada de Ø 16 mm)

§   Superficie de paredes de taladro de Ø150 mm ₍₂₎ de proyecto con un espesor patrón de 3 cm=141,37 cm²

Según el ensayo, el resultado de tracción rompe como valor mínimo aproximado tanto en seco como húmedo a 12.700 Kgf ₍₁₎. La rotura o arrancamiento se produce entre la barra y el producto, por lo que en principio podríamos sugerir que la adherencia o resistencia al arrancamiento con el hormigón es igual o superior. Este razonamiento nos lleva a que las adherencias serían:

                12.700Kgf / 141,37 cm² = 89,83 Kg/cm² (que extrapolados a la perforación real a realizar ₍₂₎ de 2.670,36 cm² nos arroja 239.878Kgf)

Para el caso de la Fuerza mínima, en el ensayo de arrancamiento no se producirá un desplazamiento >0.6 mm para una carga de 75 KN, obteniendo: 

                7.500 Kgf / 141,37 cm² = 53,05 Kg/cm² (que extrapolados a la perforación a realizar de 2.670,36 cm² nos da 141.668,67 Kgf)

Si comparamos estos 53 Kg/cm² del Aplicatec GROUT con otro producto adecuado, por ejemplo, el sika GROUT 218, para espesores de pared entre 3-8 cm en las propiedades ensayo de adherencia al acero en barras lisas encontramos ≈ 3N/mm². Como hay que tener en cuenta siempre un margen de seguridad, seguramente SIKA, con buen criterio ha asegurado ese valor de 30 Kg/cm² respecto a los 53 Kg/cm² del Aplicatec GROUT. Para que os hagáis una idea, la mayor parte de las casas comerciales suelen garantizar una tensión de adherencia mínima de 4 N/mm2 (40 Kg/ cm²).

Con todos estos valores vamos a rematar aplicándolo a nuestra obra:

El mortero tiene que tener una adherencia con el hormigón de la zapata que es la que asegura la unión, por supuesto hasta una determinada fuerza F.

Al utilizar un hormigón ligeramente expansivo, seguro que tendrá mucha adherencia en comparación con el hormigón, pero ¿cuánta?

Usando, por ejemplo, la de SIKA, si la adherencia mínima es 30 Kg/cm²;                        F= 2.670,36  cm² x 30 Kg/cm² =80.110 Kg

Con el hormigón sin embargo teníamos una miseria de 0,25 Mpa, es decir 2,5 Kg/cm²;     F= 2.670,36  cm² x 2,5 =6.675 Kg

Ya tenemos unos valores que, aunque muy alejados, nos sitúan en un orden de magnitud. Supongamos que "ni tanto ni tan calvo" y que los 30 Kg/cm² son en condiciones extremas de laboratorio, por lo que tomamos a ojo, muy del lado de la seguridad, por ejemplo un 30 % menos obteniendo una F= 56.077 Kg (56 Tn) algo superior a las 52 Tn máximas que es capaz de aguantar el propio tubo de acero (36 Tn reales del micropilote más cargado). La conclusión es que usando un mortero ligeramente expansivo para materializar la unión de las cabezas de micropilotes en lugar del hormigón (que ha quedado demostrado que es inviable), estamos relativamente tranquilos en la comprobación entre lechada del micropilote y la unión con la zapata existente para estas cargas normales en edificación. No obstante es importante comprobarlo siempre, sobre todo para cargas superiores o espesores menores de zapata.

Antes de terminar quiero precisar que estos cálculos se han hecho siguiendo los datos del ensayo aportado por la empresa del GROUT, y que se trata de resultados de laboratorio en unas condiciones idóneas que evidentemente no se pueden dar en obra. No pretendemos por tanto sentar cátedra sobre este asunto, sino simplemente mostrar de manera informal el razonamiento que seguimos, a falta de cualquier reglamentación normativa, para un caso real por si puede ser útil a otros técnicos en similares circunstancias. Se buscaba, por tanto, tener un orden de magnitud mediante unas operaciones sencillas más que un resultado exacto (difícil de obtener en la realidad diaria sin un laboratorio a pie de obra) y siempre del lado de la seguridad.  Esta metodología no es la única solución ni la más precisa, pero nos permitió fabricarnos desde el concepto del problema la justificación que se precisaba en ese momento y que según las reglas de la sana crítica, como se indica al final de las periciales, "sometemos a cualquier otro mejor fundamento".

Bibliografía empleada:

§   EHE-08. Instrucción de hormigón estructural. Ministerio de Fomento.

§   Guía para el proyecto de ejecución de micropilotes en obras de carretera. Ministerio de Fomento. Dirección General de Carreteras.

§   Fichas técnicas y de ensayos del sikaGROUT-218 y del Aplicatec GROUT

§   UNE-EN 1881:2007. Productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón. Métodos de ensayo. Ensayo de los productos de sellado del anclaje por el método del arrancamiento.

§   http://estructurando.net

N.d.A:

₍₁₎ Por facilidad en las operaciones establecemos la equivalencia en la conversión de unidades de 1N/mm2 o 1Mpa = 10 Kg/cm2  y de  1KN=100 Kgf=0,1 Tn

₍₂₎ Aunque los micropilotes eran de Ø 150 mm, en realidad se utilizó un Ø 170 mm al atravesar las zapatas para tener mayor superficie de contacto del lado de la seguridad.