El Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles o NATM (1948-1964)

Considerado por algunos como una clasificación geomecánica más, toca hablar ya del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, también conocido por las siglas NATM (New Austrian Tunelling Method).

En primer lugar se debe puntualizar que no se trata de un «método«, propiamente dicho, sino más bien de una «filosofía de actuación«, llegando a decir el propio Bieniawski en 1989 que «the word -method- in the english translation is unfortunate, as it has led to some misunderstanding”.

En segundo lugar hay que decir que lo de «Nuevo» es porque ya existía un Método Austríaco de construcción de túneles, como existen también el Método Alemán, el Belga o el Inglés, aunque el tema del nombre daría para mucho, ya que este método recibe diferentes nombres dependiendo de cuándo, dónde y quién lo use.

A lo que vamos, desarrollado y patentado (Patentschrift Nr. 165573, Österreichisches Patentamt) por Rabcewickz, Müller y Pacher entre 1948 y 1964, el método está basado en la clasificación geomecánica de Lauffer y en los trabajos teóricos de Fenner y Kastner (también austríacos), y consiste, en esencia, en comparar las curvas características del terreno con los resultados de la instrumentación in situ y estudiar cuál es el sostenimiento que puede funcionar mejor en cada caso.

A partir de este estudio se desarrollaron veinte principios fundamentales, siendo cinco los más importantes:

Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos locales de tensión que se producen durante la excavación.
Utilizar métodos de excavación que minimicen el daño producido al macizo, con gunitados de protección nada más excavar.
Instrumentar las deformaciones en función del tiempo, con ayuda de clasificaciones geomecánicas y ensayos de laboratorio.
Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo de meteorizaciones, decompresiones, decohesiones, etc, con la velocidad adecuada, para evitar el comienzo de daños.
Colocar el revestimiento definitivo, si es necesario, también flexible, minimizando así los momentos flectores, añadiendo resistencia adicional con cerchas o bulones, pero no con secciones rígidas.

¿Qué quiere decir todo esto, exactamente?

Pues que, sabiendo cómo se deforma teóricamente el macizo, durante la excavación se debe utilizar la instrumentación para comprobar si vamos bien o no y, de acuerdo con eso, ir dimensionando un sistema flexible de sostenimiento. Es decir, consiste en hacer las cosas con cuidado y bien de acuerdo a lo que vamos viendo, nada más que eso.

Lo bueno del método:

Es económico, un revestimiento flexible casi siempre es más barato que uno rígido.
Altera poco el terreno, lo cual viene bien a largo plazo.

Lo malo del método:

Exige un cuidado continuo, saber hacerlo bien, estar pendiente en todo momento a la instrumentación… y usarlo dónde toca, y eso suele excluir a los suelos blandos.

Como pasa siempre, el método tiene defensores y detractores y, por extraño que pueda parecer, todos tienen razón, el problema no es el método, sino usarlo mal, aunque según algunos esto no sea más que una mala excusa.

Puede que no existan las verdades absolutas, pero en cuestiones relacionadas con el terreno y la geotecnia, «lo barato sale caro» se aproxima mucho. Aceptar la oferta más barata sabiendo que no es la opción correcta no es ético, y menos todavía en suelos blandos en entornos urbanos, en los que tanto el riesgo como los posibles daños son muy elevados.

Algunos enlaces relacionados:

Límites de Atterberg, si, pero… ¿quién fue Albert Atterberg?

Es casi imposible hablar de mecánica de suelos sin mencionar en algún momento los límites de plasticidad de Atterberg, tanto que casi siempre se nombran como «límites de Atterberg» simplemente, pero… ¿quién fue Albert Atterberg?

Albert Mauritz Atterberg nació el 19 de marzo de 1846 en Härnösand (Suecia), una pequeña ciudad pesquera en la que su padre, Anders Magnus, era constructor y concejal. Estudió Química en la Universidad de Uppsala y continuó trabajando allí hasta 1877, investigando los derivados del molibdeno y del nitrógeno, especializándose posteriormente en el estudio de los terpenos.

En julio de 1877 es nombrado Director de la «Chemical Station and Seed Control Institution» de Kalmar, donde centra sus investigaciones en clasificar y ordenar las distintas variedades de semillas de avena y maiz, obteniendo muy buenos resultados.

En 1900, a los 54 años, y como algo secundario, decide estudiar las propiedades físicas de los suelos en función de su granulometría, buscando una manera rápida de clasificar los suelos agrícolas. En 1901 presenta un primer sistema de clasificación de suelos, en el que ya establece el tamaño 0,002 mm como límite entre las arenas y los suelos finos, división que se ha mantenido hasta hoy.

En 1903 publica una serie de artículos sobre los distintos comportamientos de las arenas en función de su granulometría y composición, pero continúa sin poder clasificar la fracción fina del suelo. A diferencia de las arenas, la granulometría no explica el comportamiento de los suelos finos y, además, los ensayos de granulometría por sedimentación son demasiado lentos, todo lo contrario de lo que está buscando. Decide cambiar de estrategia y estudiar otra propiedad de los suelos finos, la plasticidad.

En 1908 publica en revistas nacionales sus primeros resultados sobre la plasticidad del suelo y su relación con los distintos grados de humedad, en 1911 publica sus resultados en revistas internacionales y pronto recibe los primeros elogios. Así, en 1913, el Congreso de Berlín de la «International Society of Soil Science» adopta su clasificación de suelos, en 1915, el «U.S. Bureau of Standards» recomienda utilizar su método y en 1937 el «U.S. Bureau of Chemistry and Soils» lo acepta también (aunque se debe tener en cuenta que Arthur Casagrande modificó en 1932 la forma de obtener dichos límites).

Aunque Atterberg sospechaba que eran los minerales derivados del hierro los que proporcionaban al suelo esa plasticidad, y que ésta podía ser más o menos acusada dependiendo de su estructura química, no llegó a concluir sus investigaciones, al fallecer en 1916, a la edad de 70 años.

Fue nombrado Caballero de la Orden de Vasa en 1898, miembro de la Academia de Agricultura en 1900 y Caballero de la Orden Nordstjaman en 1911, recibió la Medalla de Oro de la Academia de Agricultura en 1913 y fue Presidente de la «International Commissión on Mechanical and Physical Soil Research» entre 1910 y 1915.

Dicen los textos que su trabajo encontró un campo de aplicación muy alejado del previsto cuando Karl Terzaghi se dio cuenta del enorme potencial que tenían los límites de Atterberg en el estudio geotécnico de los suelos… cosa que no termina de quedar clara si tenemos en cuenta que a principios del siglo XX la geotecnia sueca era de las más avanzadas del mundo (con especialistas como Fellenius, Olsson o Pettersson) y que ya en 1915 se utilizaba en Suecia un penetrómetro de cono de caída libre, el llamado «swedish fall cone test».

Fuente:

– Blackall, T. E. (1952). «A. M. Atterberg 1846-1916,» Geotechnique, 3(1), pp. 17-19.

Pilotes Franki al desnudo

La publicidad vende el producto «por los ojos». Los publicistas saben perfectamente que, por muchos datos técnicos que pongan, lo primero que hará el cliente será mirar las fotos y, francamente, no se ven por ahí muchas fotos de pilotes Franki…

Haz la prueba. Un coche pequeño y económico saldrá rodeado de coches mucho más grandes y contaminantes (a ser posible, inmovilizados en un atasco); un coche deportivo circulará en solitario por una carretera de montaña llena de curvas; y una moto de gran cilindrada… es muy probable que salga con una chica ligera de ropa, también con muchas curvas, en una postura próxima al esguince cervical.

En los catálogos de soluciones geotécnicas también hay fotos, pero como las obras no son algo muy atractivo (y mucho menos durante la ejecución), en lugar de poner a gente llena de barro hasta las orejas, colocan esquemas y dibujos de colores.

El problema es que un esquema puede ser muy claro, pero también irreal. Por ejemplo, en el caso de los catálogos de pilotes… ¿hasta qué punto es cierto eso de que los pilotes Franki tienen la punta ensanchada?

Vayamos por partes, ¿qué es un pilote Franki?

En principio, un pilote Franki es, simplemente, una versión mejorada de los pilotes hincados Simplex, patentada en 1909, en Bélgica, por Edgar Frankignoul (como ingeniero) y Edmond Baar (como socio capitalista). Lo que ocurre es que la idea funcionó bien y estos pilotes pronto se hicieron muy populares (con gran asombro de sus vecinos, para los que «idea belga» es algo así como un oxímoron, a juzgar por la cantidad de chistes de belgas que hay).

¿En qué consiste el pilote Franki?

Pues el esquema de ejecución es bastante simple, consta de una entubación metálica con un tapón de hormigón en la punta. El conjunto entubación + tapón se va hincando «a golpes» mediante una maza hasta llegar a la profundidad deseada, una vez allí, se sujeta la entubación y se expulsa hacia abajo (también a golpes) el tapón de la punta, creando así un bulbo o «punta ensanchada» a base de compactar el terreno, lo que hace que este pilote sea también muy eficiente trabajando a tracción.

Este es el típico esquema de un pilote Franki:

pilote Franki, geotecnia, mecánica de suelos, soil mechanics

Vale, pero… ¿de verdad es así?

Pues, lógicamente, depende del terreno, pero viendo las siguientes fotografías, tomadas en el Technology Park de Zwijnaarde, en Bélgica, parece que si, que en realidad, sí existe una «punta ensanchada»:

(como otras veces, si pulsas en las fotos las verás mucho mejor)

En cuanto a datos técnicos, aunque estos pilotes pueden llegar hasta profundidades de 30 metros, su longitud óptima de trabajo se sitúa por debajo de los 20 metros, en los que pueden soportar cargas de trabajo de hasta 200 toneladas con diámetros de 0,70 metros.

Evidentemente, el sistema ha sufrido modificaciones durante estos 100 años transcurridos, pero en esencia sigue siendo el mismo. En este folleto [pdf] de la empresa argentina ARTILES se pueden ver cómo son las versiones más actuales de este método.

Las fotos son de Flickr, del usuario zement, el esquema está tomado de la página web belga de Franki Geotechnics.

La Clasificación Geomecánica de Protodyakonov

Muy utilizada en los antiguos «países del este», la clasificación geomecánica de Protodyakonov, de principios del siglo XX (años 30), permite calcular la carga que ejerce el terreno sobre el sostenimiento del túnel en función de dos factores, únicamente:

La anchura del túnel (B)
El coeficiente de resistencia (f)

Este coeficiente depende de la resistencia a compresión simple (RCS), el ángulo de rozamiento interno (φ) y la cohesión (c) del terreno, de forma que para rocas, «f» vale una décima parte de la resistencia a compresión simple (en MPa), mientras que para suelos se toma f = tg φ + c/RCS

El planteamiento teórico del método es muy similar al utilizado posteriormente en la clasificación geomecánica de Terzaghi, aunque Protodyakonov simplifica mucho las expresiones al considerar que las cargas de compresión creadas por el terreno se distribuyen de forma parabólica (como antifunicular de las cargas, evidentemente).

Prodyakonov, geotecnia, mecánica de suelos, soil mechanics

A grandes rasgos, lo que hace es:

Considerar un arco parabólico triarticulado trabajando a compresión.
Plantear el equilibrio de fuerzas, compensando las cargas verticales y horizontales mediante el factor «f» (a modo de coeficiente de rozamiento).
Buscar la mayor altura estable «h» que puede desarrollar el terreno, obteniendo así la igualdad h = B/2f

Una vez conocida esa altura «auto-estable» (por llamarla de algún modo), tenemos delimitadas dos zonas con distinto comportamiento. Por encima de la parábola el terreno quedará sustentado por un «efecto arco» (también llamado «arqueo» o «efecto silo»), mientras que el terreno situado por debajo de la parábola cargará directamente sobre el sostenimiento.

Como se conoce la ecuación de esa parábola, se puede medir esta cantidad de terreno, obteniendo una carga total sobre el revestimiento de:

Q = (1/3) · γ · B²/f

O, en términos de tensión sobre la sección:

σ = (1/3) · γ · B/f

(siendo γ la densidad del material)

Es decir, valores muy similares a los que se obtienen aplicando el método de Terzaghi.

De forma aproximada, Protodyakonov dio los siguientes valores para el coeficiente de resistencia «f»:

La experiencia en los países soviéticos muestra que este método funciona más o menos bien para profundidades comprendidas entre B/(2·tg φ) y B/tg φ

Si alguien quiere ampliar la información le recomiendo consultar el enciclopédico «The Art of Tunnelling» de Karoly Szechy o, ya en español, el tomo II del «Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres» de Alfonso Rico y Hermilo del Castillo (del que he tomado el esquema), en el que este método aparece muy bien explicado y comentado (parte del capítulo está disponible en Google Books).

Ensayos SPT, en cualquier sitio y a cualquier hora

En el MOMA, el Museum Of Modern Art de Nueva York, hay una sección para esos objetos que, por su diseño, han conseguido ser «algo más», entre ellos, allí, en mitad de una sala, hay un Jeep de 1952. El vehículo-para-todo que utilizó el ejercito americano durante la 2ª Guerra Mundial, con más de 600.000 unidades fabricadas, y que llegó a definirse como «la mayor contribución de los Estados Unidos a las operaciones de guerra modernas«.

Hay dos versiones sobre el nombre «Jeep«. La oficial es que, al ser su código interno «GP» (de «General Purpose Vehicle» o vehículo multipropósito) empezaron a llamarlo «Ge-Pe» y terminaron en «Jeep». La no oficial, que recibió el nombre de Eugene the Jeep, una especie de oso o perro narizón de color amarillo que salía en los dibujos de Popeye, sólo sabía decir «jeep» y era capaz de llegar a cualquier sitio (aquí se llamó Eugenio en algunos números).

No sé cuál de las dos explicaciones es más o menos creíble, lo que si es cierto es que, una vez acabada la guerra, cada modelo de Jeep que salía de fábrica era mejor y más potente que el anterior, tanto que incluso se llegó a vender como «minitractor» para labores agrícolas.

Bien, ¿y qué tiene que ver el Jeep con la geotecnia?, se estarán preguntando los más impacientes.

Pues este anuncio, publicado en agosto de 1954 en la revista Fortune, (pulsa sobre las imágenes para verlas mejor).

Como se puede ver, es un Jeep modificado para hacer ensayos de penetración SPT, y no se trata de un «tuning» cualquiera, es uno de los 28 Jeeps que utilizaba en aquel momento la RAYMOND CONCRETE PILE COMPANY, la empresa que desarrolló el ensayo SPT tal y como lo conocemos hoy en día.

Según dice aquí, podía llegar a cualquier parte, ya fuera por malos terrenos o por estrechos solares urbanos, permitiendo investigar el terreno ocho horas al día. Personalmente me ha encantado lo de «Para construir algo grande, lo primero es tomar muestras de suelo«, 55 años después, todavía hay gente que no lo tiene muy claro.

El texto del anuncio es:

«In building anything big, the first step is soil sampling. Gow Division of the Raymond Concrete Pile Company, 57-year-old construction company with projects around the world, keeps its 28 ‘Jeeps’ going eight hours a day in its work of investigating soil conditions to furnish information to architects and designers so they can determine the best type of foundations for construction projects of all kinds. Here is one of Raymond’s ‘Jeeps’ with power take-off being used to operate an exploratory boring outfit. The manager of Raymond’s Gow Boring Division says: «We were the first to use the ‘Jeep’ in soil testing work, and we have been using more and more ‘Jeeps’ ever since. The ‘Jeep’ helps cut our costs by getting more done. It can maneuver over rough ground in the country and get into tight spots between buildings in the city. It furnishes the power for operating our rigs and carries our equipment quickly from job to job so that we’re always ready to go.»

Confirmando aquello de «el arca fue construida por aficionados, el Titanic por profesionales«, he encontrado más información en la página web de un aficionado, con imágenes de un ejemplar que todavía funciona, incluso hay una animación flash del ensayo SPT.

PD: Para los aficionados a los comics, una cosa más, Eugene the Jeep se llamó Pilou-Pilou en Francia y Franquin se inspiró en él para uno de sus personajes más conocidos, el marsupilami («marsupial-pilou-ami» o «amigo-marsupial-pilou»). Por supuesto, también es amarillo.