CONSTRUCCIÓN DE PILOTES FRANKI

INTRODUCCION

El sistema FRANKI para construcción de pilotes vaciados in-situ, fue concebido en 1911 en Bélgica por Edgar Frankignoul. A partir de dicha fecha su uso se ha difundido en todo el mundo; en el Perú, se construyen pilotes FRANKI hace más de 40 años.

Los equipos y procedimientos para la construcción de pilotes FRANKI, se han perfeccionado y optimizado desde su concepción inicial, sin embargo, los principios básicos del sistema se han mantenido inalterables.

¿Qué es un pilote FRANKI? - un pilote vaciado a presión in- situ con bulbo o ensanchamiento en su base de apoyo.

Como se indica en el párrafo anterior, son dos las particularidades más saltantes que distinguen al pilote FRANKI de los otros tipos de pilotes. La primera de ellas, el "vaciado a presión in-situ", esta referida al procedimiento constructivo, el cual, como se detalla más adelante, permite construir una columna dentro del suelo inyectando concreto con gran energía. La segunda particularidad, el "bulbo", está referida a la forma del pilote, el cual tiene en la base un ensanchamiento que permite obtener una mayor área de contacto pilote-suelo, lo cual a su vez redunda en una mayor capacidad de carga del pilote.

2. PILOTE FRANKI ESTANDAR

El Pilote Franki Estándar es un pilote de concreto armado con base ensanchada, hincado y vaciado en sitio utilizando un tubo molde recuperable. Su aplicación es prácticamente universal, es decir es utilizable en casi cualquier tipo de terreno que exige cimentación profunda. Como "pilote de punta" deriva la mayor parte de su capacidad de soporte de la base ensanchada apoyada en estratos resistentes, considerándose la fricción lateral en el fuste generalmente como un factor adicional de seguridad. Es también completamente factible utilizar pilotes Franki como "pilotes de fricción".

2.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO

Su construcción se lleva a cabo mediante el procedimiento ilustrado en la figura 2 y descrito a continuación:

1º Se coloca el tubo molde sobre el terreno, se vierte en él una cantidad de material granular (suficiente llenar 50 a 80 cm. en el fondo del tubo) que es compactado por medio de un pilón de 1.4 a 5 toneladas, formando un tapón adherido por fricción al extremo inferior del tubo molde.

2º Por efecto de los golpes del pilón sobre el tapón, el tubo penetra en el terreno desplazando un volumen de suelo igual a su volumen, lo que comprime fuertemente al terreno. Debido al tapón ni el agua, ni el suelo tienen posibilidad de penetrar dentro del tubo, obteniéndose un pozo absolutamente estanco.

3º Una vez alcanzada la profundidad prevista según los resultados del estudio de suelos, se mide el rechazo. Habiéndose comprobado que el rechazo es satisfactorio, se expulsa el tapón golpeándolo fuertemente y sujetando al mismo tiempo el tubo molde por medio de cables.

4º Se confecciona el "bulbo" o "base ensanchada" inyectando en el suelo, mediante enérgicos golpes del pilón, tandas sucesivas de concreto semi-seco. Cuando el suelo ya no admite más concreto y se produce un ligero ascenso del tubo, se da por terminada la construcción de la "base ensanchada".

5º Se introduce la armadura y se procede a la confección del fuste del pilote, compactando sucesivas capas de concreto semi-seco de aproximadamente 30 centímetros de espesor; paralelamente se va levantando el tubo molde, verificando que siempre quede en el fondo una cantidad de concreto que no permita la penetración de agua o suelo en el tubo.

6º De este modo, se obtiene un pilote con base ensanchada y paredes rugosas, fuertemente empotrado en el suelo.

El Concreto "semi-seco" mencionado anteriormente, tiene una consistencia diferente a la del concreto convencional. Es un concreto con relación agua/cemento muy baja (del orden de 0.30), su consistencia es tal que al comprimir en el puño una bola de concreto, deje la palma de la mano húmeda y mantenga su forma al abrir el puño.

La razón para usar un concreto como el descrito, es que éste debe ser capaz de desplazar un cierto volumen de suelo al ser compactado y expulsado a través del fondo del tubo molde; esto no sería posible si se usara un concreto con consistencia plástica, ya que el pilón al golpear se introduciría o sumergiría dentro del concreto plástico sin lograr expulsarlo del tubo molde. Sin embargo, la fragua y la alta resistencia del concreto están plenamente garantizadas por la alta energía utilizada en su compactación, lo que produce un concreto de alta densidad, y por el hecho de utilizarse una cantidad de agua tan baja, que es casi la estrictamente necesaria para producir la hidratación del cemento (la relación agua/cemento mínima para producir la hidratación del cemento es del orden 0.2)

2.2 EL PILOTE FRANKI Y EL SUELO

Todo pilote al ser instalado o construido modifica las propiedades del suelo.

En general, los pilotes hincados desplazan suelo y producen vibraciones al ser introducidos. En suelos granulares, el desplazamiento y las vibraciones producen densificación o compactación, lo cual significa que el suelo mejora sus propiedades de resistencia. En suelos cohesivos, el desplazamiento produce "remoldeo" (ruptura de la estructura del suelo) y una sobrepresión hidrostática, lo cual da lugar a una reducción de resistencia pero parte o toda la resistencia se recupera después de la disipación de sobrepresiones y la consolidación del suelo.

Los pilotes perforados excavados no desplazan suelo pero producen descompresión, es decir, quitan el confinamiento al suelo. Esta descompresión reduce la resistencia tanto en suelos granulares como cohesivos.

Los pilotes Franki son pilotes hincados, por lo tanto desplazan suelo, con la particularidad que en ellos es posible controlar a voluntad el volumen de suelo que desplazan y las vibraciones que producen. El volumen que desplazan es controlado por la cantidad de concreto que se inyecta en el suelo. Las vibraciones son controladas variando la energía de hinca (altura de caída del pilón) y/o la frecuencia de los golpes.

La posibilidad de controlar el volumen desplazado y las vibraciones, permite compactar a voluntad los suelos granulares, haciendo posible:

- Aumentar la capacidad de carga por punta del suelo tanto como se desee; esto se logra construyendo el bulbo del tamaño necesario para que el estrato resistente sea compactado lo suficiente para desarrollar la capacidad de carga que se quiera alcanzar.

- Desarrollar mayor fricción lateral que con otros tipos de pilotes, ya que el suelo a lo largo del fuste queda fuertemente comprimido por el desplazamiento que produce tanto la hinca como el apisonado del concreto.

- Apoyar los pilotes en estratos de suelo granular relativamente delgados sobreyacentes a estratos compresibles, reduciendo los asentamientos gracias al efecto de distribución de presiones que generan el bulbo y el suelo denso que lo circunda. En estos casos los pilotes Franki pueden ser construidos con longitudes considerablemente menores que otros tipos de pilotes.

2.3 CAPACIDAD DE CARGA

La capacidad de carga del pilote es, en realidad, la capacidad de carga del suelo que lo soporta.

En pilotes de fricción la capacidad de carga depende fundamentalmente de la adherencia pilote-suelo y del área lateral y longitud del pilote. Se determina utilizando fórmulas estáticas, en las cuales es importante escoger adecuadamente los parámetros de resistencia del suelo.

En pilotes de punta la capacidad de carga depende fundamentalmente del área de la base del pilote (2 a 4 veces la sección del fuste, en el caso de pilotes Franki) y de la capacidad de carga unitaria del suelo. Puede determinarse también utilizando fórmulas estáticas; en obra estos pilotes siempre son hincados hasta alcanzar un "rechazo" calculado mediante fórmulas dinámicas.

2.4 DIMENSIONES Y CARACTERISTICAS TIPICAS

A continuación se presenta un cuadro con las características de los pilotes Franki típicos:

DENOMINACION UNIDAD PILOTES FRANKI TIPICOS

Diámetro Nominal mm. 300 355 406 450

Diámetro de Cálculo cm. 32.5 38.0 43.1 47.5

Sección del Fuste (Min) cm² 830 1,134 1,459 1,772

Perímetro del Fuste (Mín) cm 102 119 135 149

Momento de Inercia (Mín) cm4 54,737 102,132 169,300 249,761

Armadura Longitudinal - Mínimo - Máximo

4 Ø 1/2"8 Ø 1/2"

5 Ø 1/2"8 Ø 3/4"

4 Ø 5/8"10 Ø 3/4"

5 Ø 5/8"12 Ø 3/4"

Zuncho Normal Ø1/4" @ 15 Ø1/4" @ 15 Ø1/4" @ 20 Ø1/4" @ 20

Espaciamiento Mínimo entre Ejes de Pilotes

m. 1.00 1.10 1.25 1.40

Cargas deTrabajo Usuales:

- Cargas Permanentes . Compresión . Tracción . Lateral

- Cargas Eventuales . Compresión . Tracción . Lateral

Ton.Ton.Ton.

Ton.Ton.Ton.

307.51.5

45112.2

55142.8

85204.3

70173.5

105265.0

90224.5

135336.8

2.5 VENTAJAS DE LOS PILOTES FRANKI

Además de las ventajas derivadas de la posibilidad de compactar controladamente el suelo circundante al bulbo y al fuste, los pilotes Franki ofrecen las siguientes ventajas derivadas del proceso constructivo:

- Minimizan el riesgo de obstrucciones (piedras, bolones, troncos de árboles, etc.) que pudieran encontrarse por encima del estrato resistente, ya que se pueden aplicar golpes de hasta 25 ton-m de energía casi en forma directa sobre el obstáculo, haciendo posible romperlo o desplazarlo.

- Permiten controlar las vibraciones inherentes a la hinca, reduciendo la altura de caída del pilón y/o frecuencia de los golpes, en los casos que éstas pudieran afectar a edificaciones vecinas.

- Su construcción es relativamente silenciosa, ya que no se producen contactos o golpes metal-metal los cuales son inseparables del hincado con martillo Diesel.

- El concreto es vaciado en seco, sin que haya posibilidad que el agua o el suelo puedan contaminarlo.

- Su construcción puede hacerse antes que las excavaciones para los cabezales o para sótanos; en estos casos el hincado del tubo molde se efectúa desde el nivel previo a la excavación y, sin embargo, el vaciado del concreto del pilote se realiza sólo hasta la cota requerida.

- El fuste es construido con la longitud estrictamente necesaria, no habiendo el problema que el pilote pueda quedar corto o largo.

- Su construcción se efectúa en forma rápida, no siendo necesario contar con el tiempo requerido por los pilotes prefabricados para alcanzar la resistencia que les permita ser hincados.

- La armadura de refuerzo es diseñada para las cargas que le aplica la estructura que soporta, no siendo necesario adicionales para soportar esfuerzos hincado y/o izaje.

3. PILOTES DE DENSIFICACION

Los pilotes Franki de Densificación son utilizados para el mejoramiento de suelos de cimentación, con el fin de incrementar su resistencia y permitir la utilización de cimentaciones superficiales convencionales, sin necesidad de recurrir a cimentaciones profundas.

Su construcción se lleva a cabo con el mismo procedimiento utilizado para la construcción de los pilotes de concreto vaciados in-situ, con la diferencia que en lugar de utilizar concreto en la confección del fuste se utiliza grava (o arena) conformando las llamadas "columnas de grava (o arena)".

El mejoramiento en suelos granulares se consigue por la compactación que producen el desplazamiento de suelo y la vibración que ocurren durante la construcción del pilote. En suelos cohesivos el mejoramiento se logra por el efecto combinado del

reforzamiento que significa la presencia de columna densas de grava (o arena) y la aceleración de la consolidación por el drenaje a través de las columnas de grava (o arena).

Los parámetros que controlan el grado de densificación de los suelos granulares son: el espaciamiento entre pilotes y el volumen de grava o arena que se inyecta en el suelo. Existen métodos analíticos aproximados que permiten estimar dichos parámetros partiendo de la densidad relativa inicial del suelo y del grado de densificación que se quiere alcanzar. Sin embargo, debe verificarse con ensayos in-situ, el grado de densificación que se está alcanzando y efectuar los ajustes que fueran necesarios al espaciamiento entre pilotes y al volumen que se inyecta.

4. EQUIPOS PARA CONSTRUCCION DE PILOTES FRANKI

Existen diferentes modelos de equipos para la construcción de pilotes Franki, cada uno de los cuales se adapta a un determinado tamaño de pilote, o, a condiciones particulares del terreno. Básicamente todos los equipos tienen los siguientes elementos:

- Una pluma o torre, que hace las veces de guía durante el hincado, la cual, al ser solidaria al resto del equipo, permite una precisión alta en la inclinación o verticalidad de los pilotes.

- Un conjunto de winches impulsados por un motor Diesel, con los cuales se opera el pilón o martillo de caída libre y se tiemplan los cables para extraer el tubo molde.

Estos equipos permiten hincar pilotes a distancia de hasta 0.75 m. de un obstáculo.