Pilotes helicoidales de acero para fundaciones

Pilotes helicoidales de acero para fundaciones

Francis Pfenniger
Arquitecto Editor

Uno de los aspectos más importantes de una construcción está en la correcta fundación que permite transmitir al terreno las cargas y esfuerzos a los que puede estar expuesta una estructura. El cálculo y diseño de las fundaciones depende de la calidad del terreno y de las cargas a las que estará sometido el edificio o la estructura. Será responsabilidad del estudio de mecánica de suelos proveer la información necesaria para el diseño de la fundación por parte del responsable del proyecto de cálculo del edificio. Con frecuencia observamos que la construcción de una fundación demanda grandes esfuerzos, altos costos y una obra especialmente invasiva sobre el terreno. En la actualidad, este último aspecto es crítico: cada vez más se toma conciencia de la importancia de lograr soluciones en las que se remueva y altere lo menso posible el terreno en que se ha de fundar un edificio. Siendo la fundación una variable de gran importancia en la edificación, es también la actividad probablemente menos visible. Sin embargo y más allá de las analogías bíblicas, es -y valga la redundancia- una actividad fundamental.

Entre las diferentes tipos de fundaciones que se han desarrollado para resolver este aspecto de la construcción figuran las fundaciones en base a pilotes y entre éstas últimas, las soluciones que representan los pilotes helicoidales de acero.
En un principio, los pilotes helicoidales fueron desarrollados por el ingeniero Alexander Mitchel en la década de 1830 para el anclaje de faros, como se observa en la figura siguiente.


Foto 1: Plano de  fundaciones helicoidales Screw Pile Company. Fuente: https://www.technometalpost.com/en-CA/advantages/helical-piles/

A partir de este momento, se han aplicado soluciones basadas en el mismo concepto, incorporando las mejoras que la tecnología y el conocimiento  permitieron. Este invento marcó una revolución en la ingeniería y se aplicó ampliamente en la cimentación de faros y obras civiles de muelles y puentes. Hoy, después de 170 años de desarrollo, las fundaciones en base a pilotes helicoidales son usadas tanto en edificios mayores y complejos como en obras menores y/o transitorias.

Básicamente consisten en un eje central, usualmente de acero de sección circular de diversas dimensiones y espesores, al que se le han agregado alas helicoidales continuas o aisladas que permiten actuar como un tornillo. En el extremo inferior lleva una cabeza de perforación de acero de alta resistencia que hace posible la perforación en distintos tipos y calidades de subsuelo. Este tornillo varía en sección y longitud según lo disponga el cálculo específico para cada caso de acuerdo a la condición del terreno y las características del edificio. Básicamente actúa como un gran tornillo fijado al terreno que resiste las cargas de compresión y de tracción a las que puede estar expuesto el edificio. Se instala con maquinaria básica que permite mecanizar tanto la rotación como agregar la carga necesaria para la perforación y penetración en el terreno aunque para proyectos o elementos menores se pueden instalar incluso manualmente.

Foto 2 – pilote helicoidal de acero con inyección de cemento grout. Fuente https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/

Las ventajas que este sistema produce son muchas y de variada índole. De partida se elimina toda la obra de excavación de una fundación tradicional, evitando grandes movimientos de tierras y traslado de excedentes. Del mismo modo, evitan la preparación, transporte, vaciado, consolidación y curado del concreto que usualmente se usa en cimentaciones. Por lo mismo, dejan una reducida huella sobre el terreno y reducen el impacto ambiental a lo mínimo. Otro aspecto importante es que se trata de una faena rápida que permite la puesta en servicio del pilote en forma inmediata, pudiendo soportar cargas una vez completada y verificada la instalación. Existen soluciones secas simplemente atornilladas y soluciones en las que se agrega un cemento tipo grout para mejorar la distribución de las cargas y el contacto con el terreno. A diferencia de las fundaciones tradicionales de hormigón, los pilotes roscados son una fundación completamente reversible, pudiendo retirarse sin mayores costos ni faenas invasivas o destructivas. Como la profundidad de fundación es variable en cada caso, muchas veces las empresas que proveen y/o fabrican los pilotes helicoidales ofrecen soluciones  atornilladas que permiten acoplar módulos sucesivos a medida que avanza la faena.
 
Foto 3 – Pilotes helicoidales - cimientos de pilotes o anclajes helicoidales. Fuente: http://ww6.fliscrewpiles.co.uk/
 

   
Foto 4 - Soluciones manuales. Fuente: https://www.post-anchors.com/postanchors/ground-screw.html


Foto 5 – instalación de pilote helicoidal galvanizados. Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/


Figura 6 – instalación de pilote helicoidal de hacer mediante cabezal fijado a equipo de retroexcavadora. Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/

   
Fotos 7 -8:  Detalle de pilote helicoidal de acero negro y relleno de cemento grout. Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/

Las cabezas de término superior de los pilotes también se pueden ajustar y diseñar según los requerimientos del proyecto pudiendo recibir tanto vigas de fundación de acero o de hormigón o madera.

Foto 9 – Detalle de placa de término superior de un pilote de acero helicoidal.  Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/

Los pilotes helicoidales de acero son muy utilizados en diversas estructuras como obras agrícolas o soportes para equipos fotovoltaicos en las extensas granjas de celdas fotovoltaicas que se están instalando crecientemente, permitiendo una gran productividad y bajo impacto sobre el terreno. Dependiendo de las dimensiones de los tornillos a instalar la faena se puede realizar con equipos mayores (conectadas a maquinaria como retroexcavadoras, por ejemplo) o equipos manuales. Los equipos de instalación varían entre los distintos proveedores, pudiendo ser en base a energía eléctrica /o combustibles fósiles.

Foto 10 – detalle pilotes helicoidales de gran dimensión antes de su instalación. Fuente: terratorque.com/helical_piling_-screw_piles

Muy convenientes para fijar elementos de mobiliario urbano por su simpleza y velocidad de instalación, es una eficaz contribución a la ejecución de obras de mejoramiento urbano, especialmente en entornos consolidados y de uso intenso ya que su montaje se puede limitar a unas pocas horas sin necesidad de interrumpir mayormente el funcionamiento normal de la ciudad.


Fotos 11 a13  Cabezas de anclaje superior de pilotes de fundación helicoidales. Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/

       
Foto 14-15:  Pilotes helicoidales galvanizados en instalación obra agrícola y cabezales para recibir estructuras de madera. Fuente https://www.mdcreationsltd.com/krinner-ground-screws/
https://www.yourdeck.ca/deck-blog/helical-screw-piles-acq-approved/attachment/111/

Aunque el clima es una variable importante en la organización de cualquier faena, la instalación de los pilotes se puede realizar casi en cualquier condición. Ante los riesgos de corrosión responde con aceros galvanizados por inmersión en caliente, asegurando durabilidades que superan largamente la vida útil estimada del edificio.

   
Fotos 16 a 18 – Instalación de pilotes en condiciones extremas. Fuente: https://www.cmistructural.com/stelcor-piles-projects/#gallery-1-13

Por otra parte, gracias a su modularidad y a la condición de faena poco invasiva, es frecuente su utilización en entornos ya construidos o en la cimentación de equipos o nuevas estructuras.

Como se ve, estas soluciones cuya fabricación y construcción comenzara hace más de 170 años ofrecen hoy en día grandes posibilidades de uso extensivo tanto en obras menores como en edificaciones mayores. Presentes hace bastante tiempo en la Región, su uso masivo en edificación parece que recién se comienza a explorar. Ya se conocen proyectos para instalar a un costo muy competitivo fundaciones de este tipo para edificios de 4 pisos  en Chile y otros países. Bien soportados por empresas de ingeniería y mecánica de suelo, representan una gran oportunidad para el diseño de soluciones competitivas  en costos y, especialmente en plazos y facilidad de montaje. Un mundo por descubrir que excede, con mucho, lo poco que podemos haber insinuado en estas líneas.

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