Resumen
Ante la amplia variación en las velocidades de las ondas recolectadas a través de los ensayos de integridad PIT, buscamos esclarecer una cuestión hasta entonces solo intuitiva: ¿existen diferencias significativas en la propagación de la onda en pilotes reforzados y no reforzados? Para investigar, construimos tres pilotes de igual longitud: uno totalmente reforzado, otro con 60% de refuerzo y un tercero con solo esperas de 1,5m.
Además, nuestro objetivo fue establecer una tabla de referencia asociando la resistencia medida por rotura de probeta del concreto con las velocidades registradas por el PIT inmediatamente después de los ensayos.
Introducción
Con el objetivo de contribuir al conocimiento de nuestros colegas geotécnicos, dedicamos recursos significativos, incluyendo tiempo y esfuerzo, para mejorar nuestra comprensión del ensayo de integridad de baja deformación (PIT).
Durante más de tres meses, nos involucramos desde la planificación hasta el monitoreo, lo que incluyó el establecimiento de un laboratorio para la rotura de 20 probetas del concreto de los pilotes, la preparación de un lugar separado para los ensayos, la adquisición de equipos de perforación, la fabricación de los refuerzos, la contratación de concreto premezclado, la asistencia en la remoción de tierra y en la instalación de las armaduras, además del tiempo de ingenieros y técnicos para la rotura de las probetas, la recolección y el tratamiento de las señales, entre otras actividades.
Ensayos de integridad
El ensayo de integridad de baja deformación consiste en un procedimiento no destructivo que tiene como principal objetivo detectar alteraciones relevantes de las impedancias a lo largo de la longitud de los pilotes de fundación.
El ensayo se ejecuta con la ayuda de un acelerómetro de alta sensibilidad instalado en la superficie de la cabeza de los pilotes. Después de la instalación del acelerómetro con cera fijadora, se aplican golpes consecutivos con un martillo de mano, instrumentado, de 1,277 kg.
Los golpes desferidos generan ondas, conforme se representa en la figura 1, que se propagan por toda la extensión de la longitud (dL) del pilote de ensayo.
Cuando esas ondas se encuentran con alguna alteración de característica a lo largo de la longitud del pilote, ocurren reflexiones, que son el foco de estudio de este ensayo.
Con base en la teoría de la propagación de la onda de tensión (Liang y Rausche, 2011), se analizan, con la ayuda de sensores, las reflexiones de onda, que ocurren a partir de los cambios de características. Estas reflexiones de onda se denominan impedancias.
De los golpes aplicados, se seleccionan aquellos considerados los más representativos a través del equipo “PIT Collector” del fabricante Pile Dynamics Inc., (PDI).
El ensayo se repite, por lo menos tres veces, desplazando el acelerómetro en diferentes posiciones. En algunos casos el ensayo se repite diversas veces con el objetivo de eliminar posibles interferencias aleatorias. Las señales se transfieren a una computadora para su debido procesamiento y almacenamiento.
Normas Técnicas
No existe un documento establecido por consenso y aprobado por la Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT) que especifique ensayos de integridad para los pilotes de fundación. GEOTESTE utiliza la norma de la “Internacional: Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity of Deep Foundations”: (ASTM, D5882 -07). En Brasil, la ABNT NBR 6122-10 especifica la necesidad de la ejecución de ensayos de integridad, para pilotes excavados con lodo bentonítico, en todos los pilotes de la obra.
Ensayos de integridad
Descripción del Ensayo:
Con la ayuda de un martillo (con aproximadamente 1,277 kg) una onda característica del material del pilote. La velocidad de propagación (c) es dada por:
Donde:
E=Módulo de elasticidad
γ = Densidad del material del pilote
g = Gravedad
La velocidad para el concreto sufre variaciones, que pueden ocurrir por diversos motivos tales como: curado y variación en la dosificación. A pesar de esas variaciones, los valores usuales de velocidad de propagación de onda para pequeñas deformaciones (como es el caso del PIT) están entre 3000 m/s y 4000 m/s.
Durante la propagación de la onda, naturalmente habrá obstáculos. Esos obstáculos provocan reflexiones. Esas reflexiones pueden ser provocadas por variación en la característica del material, por presencia de fricción lateral, resistencia de punta, variación relevante en el área del pilote o incluso por la punta del pilote.
Esas oscilaciones son llamadas impedancia (Z), que es dada por la
Donde:
E=Módulo de elasticidad
γ = Densidad del material del pilote
g = Gravedad
c = Velocidad de propagación de la onda
A partir de las diversas variaciones de impedancia, ocurren reflexiones de onda. Las reflexiones, retornan al punto donde está instalado el sensor, provocando una variación brusca en la velocidad de desplazamiento de la partícula en este punto. El aumento de impedancia es inversamente proporcional a la velocidad. El final del pilote representa una gran disminución del área, ocasionando un gran aumento de velocidad. La ilustración a seguir, ejemplifica lo que sucede en el caso de que un pilote posea una reducción de impedancia en la mitad superior de su fuste. El gráfico muestra la relación de velocidad/tiempo para el caso supramencionado.
De forma análoga es posible que haya un ensanchamiento relevante, causando un aumento de impedancia. En ese caso, por consecuencia habría una disminución de velocidad.
Otra posibilidad relevante es la disminución de la sección seguida de un ensanchamiento. En ese caso, la complejidad de la lectura es mayor, una vez que además de ocurrir la repetición del primer evento, ocurre la repetición del segundo, haciendo que el análisis sea muchas veces inconcluso.
Por analogía, podemos concluir que para la localización de estrechamientos, que son generalmente motivo de preocupación, se deben buscar picos orientados hacia arriba, seguidos (o no) de picos orientados hacia abajo. Los picos orientados hacia abajo generalmente representan ensanchamientos, que normalmente no preocupan.
Con relación a la punta del pilote tenemos prioritariamente dos situaciones. En la primera de ellas, conforme representación en la figura 4. El pilote presenta solo disipación importante de la sección hasta el fin del pilote por completo.
En la segunda situación representada en la figura 5, la reflexión de punta presentada por el gráfico ocurre hacia el lado opuesto, lo que sugiere un ensanchamiento, empotramiento o soporte de punta relevante.
Procedimientos
En este experimento, ejecutamos la construcción de tres pilotes excavados con diámetro de 40cm y hormigonados con un concreto de resistencia de 30Mpa (350kg de cemento por metro cúbico), el mismo utilizado en pilotes hélice continua, siendo este un estándar en la construcción de fundaciones.
Cada pilote fue excavado hasta una profundidad de 10 metros y tuvo 30cm de discos de espuma de poliestireno instalados en la punta.
Antes del hormigonado, un pilote, denominado TA, recibió un refuerzo integral. Otro pilote, llamado TB, tuvo un refuerzo de 5,7 metros y un gato para la ejecución de ensayo bidireccional. El tercer pilote, denominado TNA, tuvo solo esperas con 1,5m. Esas esperas fueron colocadas para facilitar la conexión con el bloque a ser confeccionado para la realización del ensayo de carga estático.
Durante el proceso de hormigonado, se recolectaron 20 muestras del concreto para la realización del ensayo de rotura de probetas, permitiendo el seguimiento de la evolución de la resistencia del material. Esas muestras, con diámetro de 10cm y altura de 20cm, fueron almacenadas en un tanque de agua conteniendo agua y cal, conforme recomendación de la norma específica.
La evolución de la resistencia está presentada en los gráficos a seguir.
Conclusiones
- Los pilotes reforzados presentan una mayor velocidad de onda.
- La presencia de refuerzo a 9,7m o 5,7m no afecta la velocidad de la onda.
- La diferencia en la velocidad de la onda es más significativa en las etapas iniciales.
- Después del día 15, el aumento de la velocidad de la onda es mínimo.
- La velocidad de la onda se estabiliza alrededor de 3582m/s para pilotes no reforzados y muestra un ligero crecimiento para pilotes reforzados, alcanzando 4026m/s y estabilizándose en 4072m/s a partir de 27Mpa de resistencia.
- Entre 11MPa y 13MPa, hubo un aumento significativo en la velocidad de la onda para pilotes no reforzados (de 2750m/s a 3380m/s).
- El ensayo de integridad es eficaz, y la referencia de 4000m/s es válida después de dos semanas de curado del concreto.
Referencias
- ABNT (Asociación Brasileña de Normas Técnicas). NBR 6122 (2010): Proyecto y Ejecución de Fundaciones. Río de Janeiro.
- ABNT (Asociación Brasileña de Normas Técnicas). NBR 13208 (2007): Pilotes, Ensayo de carga dinámico. 2ª edición. Río de Janeiro.
- Ingeniería.PDI., Ensayo de Integridad PIT, “Pile Dynamics, Inc.” (PDI): Cleveland, Ohio, EE. UU.
- Liang, L., Rausche, F. | Octubre 2011, Quality Assessment Procedure and Classifications of Cast-In-Place Shaft using Low Strain Dynamic Test, Proceedings from Deep Foundations Institute 36th Annual Conference on Deep Foundations: Boston, MA; 553-562.
