ENSAYO DE PENETRACIÓN DE PILOTES

1. ¿Qué es el ensayo de integridad PIT y cómo se lo hace?
El PIT es un ensayo que visa principalmente determinar la variación a lo largo de la
profundidad de las características del hormigón de pilotes de fundación. La forma usual del ensayo consiste en la colocación de un acelerómetro de alta sensibilidad en la cabeza del pilote bajo prueba, y en la aplicación de golpes con un martillo de mano ( . Al acelerómetro se lo fija por medio de un material viscoso, generalmente cera de petróleo. Los golpes generan una onda de tensión, que recorre el pilote y sufre reflexiones al encontrar cualquier variación en las características del material (área de sección, peso específico o módulo de elasticidad). Esas reflexiones causan variaciones en la aceleración medida por el sensor. El equipo hace un registro de la evolución de esa aceleración con el tiempo (en realidad es más usual convertirse la aceleración para velocidad, mediante la integración de la señal). Como la onda camina con una velocidad fija, conociéndose esa velocidad de propagación y el tiempo transcurrido entre la aplicación del golpe y la llegada de la reflexión correspondiente a la variación de características es posible determinar la exacta localización de esa variación. Es usual la aplicación de varios golpes secuenciales, para que el equipo PIT saque el promedio de las señales correspondientes. Ello permite el "filtro" de interferencias aleatorias, sobresaliendo en la señal apenas las variaciones causadas por las reflexiones de la onda.

2. ¿Cuáles son los usos del PIT?
El uso más común del ensayo PIT es detectar fallas en el hormigonado de pilotes moldados "in situ". Sin embargo, el ensayo puede también ser usado para determinar o confirmar la longitud de pilotes de hormigón. Vea más adelante consideraciones sobre la precisión de esas medidas.

3. ¿Como funciona el PIT?
Cuando se golpea un pilote con un martillo, una onda de tensión es generada. Esta onda se propaga a lo largo del fuste con una velocidad que es función exclusivamente de las características del material del pilote. La velocidad de propagación c es dada por:

donde E es el módulo de elasticidad, g es la aceleración de la gravedad y es la densidad del material del pilote.

Para el hormigón, la velocidad de onda varia conforme sus características, pero los valores usuales de velocidad de propagación de onda para pequeñas deformaciones (como es el caso del PIT) están entre 3700 m/s y 4300 m/s, pudiendo decirse que 4000 m/s es un valorpromedio.

A la medida que se propaga, la onda sufre reflexiones en su trayecto. Esas reflexiones pueden ser provocadas por variaciones en las características del material del pilote, por la presencia de fricción o resistencia de punta, o aun por la punta del pilote. Se define como
"impedancia" del pilote a la expresión:

donde Z es la impedancia, y A es el área de sección del pilote.

 

Cualquier variación de impedancia a lo largo del pilote provoca reflexiones de la onda. Estas reflexiones, al alcanzar el punto donde está instalado el sensor, provocan una variación brusca en la velocidad de desplazamiento de la partícula en este punto. Un aumento de impedancia causa una queda en la velocidad, y una disminución de impedancia causa su aumento. El final del pilote se comporta como una gran disminución de impedancia, y por lo tanto puede ser visto como un aumento de velocidad. La figura abajo muestra una simulación de lo que sucede en el caso de un pilote que posee una reducción de impedancia en la mitad superior de su fuste:

La parte superior de la figura muestra la evolución de la velocidad con el tiempo, que es lo
que muestra el equipo PIT. Abajo, en colores, está la trayectoria de la onda. Como puede ser visto, al alcanzar la disminución de impedancia parte de la onda es reflejada, y parte prosigue hasta la punta, donde es nuevamente reflejada. En la figura arriba ya aparece una
de las dificultades en la interpretación de las señales del PIT: al alcanzar la cabeza, la parcela de la onda que fue reflejada por la irregularidad es nuevamente reflejada, retornando a la irregularidad donde es una vez más reflejada para retornar a la cabeza. Ello
causa un segundo aumento en la velocidad, que podría ser confundido con una segunda
irregularidad. Por lo tanto, cualquier irregularidad ubicada arriba de la mitad del fuste del
pilote torna difícil la detección de otros eventuales daños ocurriendo abajo de esa irregularidad. Vamos a analizar ahora que es lo que se pasa en el caso de un pilote que posee un ensanchamiento también a partir de algún punto situado arriba del medio del
pilote.

Es posible ver que ahora la reflexión causada por la irregularidad es volcada hacia abajo, mientras las reflexiones secundarias provocadas por la irregularidad son volcadas la primera hacia arriba, la segunda hacia abajo, y así por adelante. Finalmente, vamos al caso de un estrechamiento situado en la mitad superior del pilote:

Por analogía, es posible concluir que en el caso que el pilote tenga un ensanchamiento en
lugar de estrechamiento, la señal de velocidad presentaría un pico hacia abajo seguido de
un pico hacia arriba. Por lo tanto, para localización de estrechamientos, que es lo que generalmente causa preocupación, debe buscarse picos volcados hacia arriba, seguidos (o no) de picos volcados hacia abajo. Picos en un orden inverso a ese significarían
ensanchamientos, que normalmente no preocupan.

4. ¿El PIT da alguna información en cuanto a la capacidad de carga del pilote?
No. Para determinación de la capacidad de carga del pilote deben ser usados otros procesos, como el Ensayo Dinámico o Prueba de Carga Estática.

5. ¿Es un Ensayo nuevo?
El ensayo PIT es basado en una teoría conocida hace mucho tiempo. Sin embargo, solamente con el progreso de la electrónica y de la computación fue posible empezar a sacar provecho de esa teoría. En el inicio, sistemas rudimentales eran usados en el ámbito de investigación, consistiendo de acelerómetros conectados a complicados sistemas amplificadores, cuyas señales eran visualizadas en osciloscopios tipo "storage". La señal obtenida tenía que ser fotografiada para posterior análisis. Con el tiempo, fueron
construídos equipamientos específicos, dotados de recursos tales como cálculo del promedio de varias señales, filtros digitales, etc. Paralelamente, fueron desarrollados programas de computador para auxilio en el diagnóstico (análisis en el dominio de la frecuencia, determinación del probable perfil del pilote, etc.). El PIT fue inicialmente desarrollado y usado en Europa, donde era mayor la demanda por ensayos de pilotes excavados. Solamente en el final de la década de 1980 surgió el primer equipamiento desarrollado por la PDI norte americana, y el ensayo comenzó a popularizarse en aquel
continente.

6. ¿Puede hacerse el PIT en cualquier tipo de pilote?
Para que el ensayo PIT pueda ser realizado, es necesario que el pilote tenga un área de sección que permita la colocación del sensor, la aplicación de los golpes y la propagación
de la onda. Eso dificulta la aplicación de este método en pilotes metálicos. En ese tipo de pilote, aunque se consiga posicionar los sensores y aplicar los golpes, la pequeña área de
sección con relación a la longitud implica en una rápida disipación de la onda, tornando difícil detectar la reflexión de la punta. En el caso de pilotes pre moldeados, esas consideraciones muchas veces también se aplican. Además, ese tipo de pilote suele tener
empalmes. Si el contacto de dos elementos empalmados fuese absolutamente perfecto, la onda sería capaz de pasar por el empalme sin sufrir cualquier reflexión. Sin embargo, un
contacto perfecto en la práctica es imposible. Cuánto mayor el porcentaje de superficie en
contacto, menor la reflexión, y mejor deberá funcionar el ensayo. Sin embargo, en ciertos casos, principalmente si el empalme está en una región de fuerte fricción, la parcela de la
onda que pasa por el empalme podrá ser demasiado pequeña para que el equipo sea capaz de detectar sus reflexiones. En estos casos, el pilote parecerá interrumpido en el empalme, cuando en realidad eso no ocurre. Otra dificultad está en el caso de pilotes que presentan varios cambios de impedancia a lo largo del fuste. Es el caso por ejemplo de pilotes inyectados bajo presión (pilotes raíz y otros). Las reflexiones secundarias provocadas por la primera gran variación de área de sección que encuentra la onda pueden hacer con que resulte muy difícil el diagnóstico del pilote abajo de ese punto.
En resumen, el ensayo PIT es ideal para pilotes moldados "in situ" en general, excepto pilotes inyectados bajo presión. Como regla general, el ensayo tiene funcionamiento óptimo si la relación entre la longitud y el diámetro del pilote no es muy superior a 30. Si el pilote es hueco, debe tomarse como diámetro el de una sección con área equivalente. Para el calculo de la longitud, puede deducirse trechos en agua o que traviesan regiones de suelo sin fricción lateral. Ello no significa que el ensayo no puede ser hecho en pilotes que no atienden a esos criterios. Sin embargo, en esos casos el diagnóstico podrá limitarse a una cierta longitud de pilote, o tendrá que aceptarse la posibilidad del resultado no ser conclusivo.

7. ¿Cómo es la preparación de los pilotes para el PIT?
La parte quizás más importante para el éxito del ensayo PIT es la preparación del pilote. Es
necesario primeramente eliminar todo el hormigón de mala calidad por ventura existente en la cabeza. Enseguida es necesario crear una superficie nivelada y lisa con un esmeril (foto). La cabeza del pilote deberá estar perfectamente accesible y seca ( foto). De ya haber sido lanzado el hormigón de la base del cabezal, el pilote tendrá que ser aislado de esa base, mediante el rompimiento de una estrecha región alrededor del pilote. No importa si hay agua alrededor del pilote, con tal que su cabeza esté seca, y que sea posible el acceso del operador. De ninguna manera se puede usar argamasa o cualquier otro material en la cabeza del pilote. El acelerómetro y los golpes tienen que ser aplicados en material idéntico al del resto del pilote.
No es requisito del ensayo que los pilotes hayan sido desmochados hasta el nivel de corte. Sin embargo, se sugiere que siempre que posible el ensayo sea hecho con los pilotes ya en esa situación. La principal razón para eso es que, caso sea detectado algún problema más serio entre el punto del ensayo y el nivel de corte, podrá ser imposible para el ensayo determinar el estado del pilote abajo del daño. Con eso, el ensayo tendrá que ser repetido para ese pilote.

8. ¿Cuánto tiempo hay que esperar entre el hormigonado y el ensayo PIT?
El proceso de fragüe del hormigón muchas veces no es homogéneo a lo largo del pilote. De esa manera, al intentar ensayar un pilote todavía en proceso de fragüe, las diferencias de resistencia del hormigón podrán ser detectadas como posibles daños. Por esa razón, en general es recomendable esperar hasta que el hormigón alcance por lo menos su
resistencia de proyecto, antes de empezar el ensayo del pilote.

9. ¿Qué es el PIT-FV?
Una de las dificultades originales del ensayo PIT era la de detectar daños próximos de la
cabeza, ya que las reflexiones correspondientes a esos defectos llegan a la cabeza mientras aún perdura el pico referente al golpe del martillo. Para compensar esa dificultad
fue idealizado el PIT-FV, que exhibe la señal de la fuerza aplicada por el martillo junto con la
señal de velocidad tradicional. La fuerza aplicada por el martillo es medida a través de un acelerómetro acoplado al mismo. La señal de ese acelerómetro es multiplicada por la masa del martillo, para obtención de la fuerza, y el valor así obtenido es dividido por la impedancia del pilote, para exhibición junto con la señal de velocidad. Para el cálculo de la impedancia, el equipo usa los valores de la velocidad de onda y el área de sección de la cabeza como informados por el operador, y asume un peso específico padrón para el hormigón del pilote.
Puede probarse que la velocidad y la fuerza dividida por la impedancia serán coincidentes,
siempre que no haya reflexión de la onda. En el momento que alguna reflexión llega a la cabeza, esa coincidencia (llamada "proporcionalidad" entre fuerza y velocidad) dejará de existir. La señal de fuerza solamente será mayor que cero mientras el martillo esté en contacto con el pilote. Ese es exactamente el período de tiempo correspondiente al pulso
inicial de velocidad. Por lo tanto, si las señales de fuerza y velocidad fueren perfectamente
coincidentes durante el tiempo en que la fuerza es mayor que cero, eso significa que el pilote no posee cualquier variación de impedancia a lo largo de la longitud equivalente al desplazamiento de la onda en ese tiempo. Por otro lado, si en algún instante la velocidad es mayor que la fuerza, eso significa que hay una disminución de impedancia. Ya una señal de velocidad menor que la fuerza significa un aumento de impedancia.

10. ¿Es posible hacer el PIT si el cabezal ya está ejecutado?
Sí, a pesar de que en general las señales obtenidas en esas condiciones son de más difícil interpretación. Lo aconsejable en esos casos es si necesario acceder al fuste a través de excavación, y hacer un "nicho" en el fuste para colocación del sensor y aplicación de los golpes. ( croquis; foto). Los golpes pueden ser aplicados encima del cabezal, con
peores resultados.

11. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas del PIT?
El ensayo PIT tiene ventajas que lo hicieron muy popular:

- Ejecución muy rápida. Estando los pilotes preparados, no es raro hacerse más de 50
ensayos por día.

- Es capaz de detectar daños en la superficie del fuste.

-No exige preparación durante la ejecución del pilote. Así, puede ser hecho en
cualquier pilote de la obra.

-Equipamiento liviano y portátil, exigiendo un mínimo de recursos de la obra durante los ensayos.

-De las pocas maneras existentes para obtener informaciones sobre la integridad de
los pilotes, el PIT es sin duda la más rápida y barata.

En contrapartida, ese ensayo tiene algunas desventajas y limitaciones:

- Poca precisión en la evaluación de la intensidad del daño. Ello puede hacer con que
sean detectados daños que no comprometerían la utilización del pilote, con
consecuente perdida de tiempo para la obra.

-Dificultad de detección de un segundo daño abajo de una grande variación de
características del material del pilote.

-Difícil interpretación de las señales obtenidas en algunos casos, inclusive por
influencia de la fricción de manto (que también provoca reflexiones de la onda).

-Imposibilidad de distinguir entre variación de área de sección y variación de calidad del
hormigón (peso específico y/o módulo de elasticidad).

-Limitación de longitud del pilote.

-Dificultad de detección de daño muy próximo de la punta.

12. ¿El Ensayo PIT es normalizado?
Mencionamos las siguientes normas internacionales:

-Alemania (Recomendación de la DGGT para futura inclusión en la norma DIN)

-Australia (AS2159-1995)

-China (JGJ 93-95)

-Estados Unidos (ASTM D-5882-96)

-Francia (Norme Française NFP 94-160-2; NFP 94-160-4)

-Inglaterra (Specification for Piling - Institution of Civil Engineers - capítulo 11.2)

13. ¿Cuál es la precisión del ensayo PIT?
La precisión del ensayo PIT es en general muy buena en la determinación de la ubicación
del daño, principalmente si es posible ver una clara reflexión de punta, y si la longitud del
pilote es conocida con precisión. Con esos datos, será posible determinar la exacta velocidad de propagación de la onda en el material del pilote. De no ser posible determinar
esa velocidad, puede usarse una velocidad típica para los pilotes de la obra, con pequeña
disminución de precisión.
Caso se desee saber la longitud de un pilote, una manera de determinar la velocidad de
propagación de la onda con precisión es instalar un segundo acelerómetro en el fuste del
pilote, a una distancia conocida de la cabeza. Aplicandose un golpe en la cabeza del pilote,
si es posible ver la reflexión de la punta será posible medir el tiempo trascurrido entre el
pasado de la onda por el acelerómetro y el arribo de la reflexión de punta, tiempo ese que
es lo que la onda lleva para recorrer la longitud total del pilote menos la distancia abajo de la cabeza donde fue instalado el sensor. A través del sensor colocado en la cabeza se puede determinar el tiempo trascurrido entre el golpe y la reflexión de punta, para la longitud total del pilote. Ello permite montar un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas (longitud del pilote y velocidad de propagación de la onda). Cuánto más distante de la cabeza está instalado el segundo sensor, mayor la precisión de la medida. Están disponibles acelerómetros especiales, dotados de un anillo que permite su fijación en el fuste del pilote por medio de un tornillo.

Sin embargo, en cuanto a la determinación de la intensidad de eventual daño el ensayo PIT
es bastante impreciso. Aun recursos como el programa PROFILE dan resultados apenas
aproximados, y no funcionan en todos los casos. La interpretación de la señal del PIT no es unívoca, o sea, hay más de un conjunto pilote-suelo capaz de generar una determinada
señal de velocidad. Así, debe siempre tenerse en cuenta que la presencia de suelo muy rígido firmemente agregado al pilote, o hasta la presencia de roca, puede causar un falso
aumento en la impedancia del pilote en la región de un eventual daño o falla. Además, la súbita disminución de la fricción de manto provocada por el suelo puede ser interpretada
como una reducción de impedancia.

14. ¿El PIT es confiable?
Es un tema controvertido. Algunos consultores son entusiastas del método, y otros lo ven
con reservas. Hay historias de éxitos y fracasos para justificar esas dos actitudes.
Acreditamos que el PIT es una herramienta útil, pero no puede ser visto como una verdad
absoluta. Tampoco puede exigirse que el PIT de resultados siempre conclusivos e incontestables. Sin embargo, es un ensayo muy útil para detectar fallas que de otra manera pasarían desapercibidas, muchas veces con grave riesgo para la estabilidad de la
construcción.
Sobre ese tema es muy interesante lo que dice la norma americana: "El ensayo de integridad puede no identificar todas las imperfecciones, pero puede ser una herramienta útil para identificar grandes defectos dentro de la longitud efectiva. Además, el ensayo tal vez identifique pequeñas variaciones de impedancia que pueden no afectar la capacidad de carga del pilote. Para pilotes con pequeñas variaciones de impedancia, el ingeniero debe juzgar en cuanto a su aceptabilidad, considerando otros factores como la redistribución de carga a pilotes adyacentes, transferencia de carga al suelo arriba del defecto, factores de seguridad aplicados, y requisitos de carga estructural."
Acreditamos que el PIT es adecuado para probar una gran cantidad o hasta mismo todos
los pilotes de hormigón en una obra, aumentando indiscutiblemente la confiabilidad de las
fundaciones. De los métodos de ensayo disponibles, es el más rápido y el que exige menor preparo del pilote.

CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN DEL EQUIPO