Investigación numérica de los efectos de los parámetros del suelo en la capacidad de carga a tracción axial de novedosos pilotes helicoides circulares para fotovoltaica

Soportes solares más resistentes frente al viento

A medida que los parques solares se extienden por campos y desiertos, sus soportes metálicos deben resistir vientos fuertes que intentan arrancarlos del suelo. Los ingenieros han comenzado a usar un nuevo tipo de cimiento de acero en espiral denominado pilote helicoide circular para anclar las estructuras fotovoltaicas, pero cómo los distintos tipos de suelo ayudan u obstaculizan realmente a estos pilotes seguía siendo incierto. Este estudio emplea simulaciones por ordenador para desentrañar cómo las propiedades clave del terreno controlan la resistencia al arrancamiento de estos pilotes especiales, ofreciendo orientación para instalaciones solares más seguras y fiables en todo el mundo.

Un nuevo tipo de cimentación en espiral

Los pilotes helicoidales tradicionales se asemejan a un eje de acero con una o más placas planas, algo así como un tornillo gigante. El pilote helicoide circular sustituye las placas discretas por una superficie en espiral continua envuelta alrededor del eje. Esta geometría puede tener mayor o menor torsión y puede instalarse mediante rotación, mediante presión, o por una combinación de ambos procedimientos. Proyectos de campo en Japón, China y Corea del Sur han demostrado que los pilotes helicoides circulares pueden soportar cargas hacia abajo y hacia arriba mucho mayores que los pilotes rectos simples. Sin embargo, la mayoría de trabajos previos se realizaron en tanques de ensayo con arena en laboratorio, por lo que quedaban preguntas abiertas sobre cómo suelos reales con arcilla, cohesión y rigideces variables afectan su comportamiento.

Ensayos virtuales en terrenos realistas

Para investigar estas cuestiones, los autores construyeron un modelo por ordenador tridimensional detallado de un único pilote helicoide circular rodeado de suelo. Emplearon software industrial para representar el pilote de acero como un material elástico y el terreno mediante un modelo geotécnico común que incluye tanto resistencia como deformación. El pilote simulado se instaló y luego se tiró hacia arriba por etapas, reproduciendo ensayos a escala real realizados en ceniza volcánica y arcilla marina. Cuando el equipo comparó las curvas calculadas de carga frente a desplazamiento con siete conjuntos de mediciones in situ, el ajuste fue cercano, lo que da confianza en que el pilote virtual se comportó como el real.

Cómo el pilote moviliza su resistencia

Tanto los ensayos como las simulaciones mostraron que la resistencia al arrancamiento no alcanza un pico y luego cae bruscamente. En cambio, la fuerza necesaria para seguir tirando del pilote aumenta de forma suave conforme la cabeza se desplaza hacia arriba, con un crecimiento que se va desacelerando gradualmente. No existe un punto de fallo nítido. Para el diseño, esto significa que la capacidad última no puede leerse a partir de un único valor máximo; debe definirse usando niveles de desplazamiento acordados o mediante ajuste de curvas. El estudio examinó varias opciones prácticas y encontró que cuando el pilote alcanza su estado último, el movimiento ascendente en la cabeza es del orden de una décima parte del diámetro del pilote. La carga correspondiente a este desplazamiento coincide estrechamente con el valor dado por un método ampliamente usado de intersección de curvas, por lo que tomar la fuerza a una décima del diámetro como capacidad última a tracción es un atajo razonable.

Qué propiedades del suelo importan más

Tras validar su modelo, los investigadores variaron sistemáticamente propiedades clave del suelo dentro de rangos realistas para emplazamientos de parques solares. Cambiaron la rigidez del suelo, cuánto se contrae lateralmente al comprimirse, su resistencia por cohesión interna, su resistencia por fricción y la rugosidad del contacto entre pilote y suelo. Para cada caso tiraron del pilote hasta varios niveles de desplazamiento y registraron la fuerza resistente. En todos los escenarios, un suelo más fuerte o más rígido incrementó siempre la capacidad a tracción. Sin embargo, no todas las propiedades tuvieron la misma importancia. Usando varios métodos complementarios de sensibilidad, incluidos cambios de un solo factor, planes de ensayo estructurados y medidas estadísticas de similitud, hallaron de forma consistente que la cohesión del suelo era el factor dominante, seguida por la rigidez y el ángulo de fricción. La contracción lateral y la fricción directa en la superficie pilote-suelo tuvieron una influencia mucho menor.

Orientaciones para cimentaciones solares más seguras

En términos claros, este trabajo muestra que los pilotes helicoides circulares anclan mejor cuando el propio suelo está bien cementado y es razonablemente rígido, y que su resistencia última se alcanza tras un movimiento de arrancamiento modesto pero no despreciable. Para los ingenieros que diseñan soportes fotovoltaicos, los resultados señalan qué ensayos de suelo son los más relevantes y sugieren un desplazamiento objetivo práctico que puede sustituir a una definición de fallo más compleja. Al centrarse primero en la cohesión, después en la rigidez y la fricción, y tratar otros parámetros como secundarios, los diseñadores pueden gestionar mejor la incertidumbre en las condiciones del terreno y aprovechar de forma más eficiente este prometedor tipo de pilote en la expansión de la energía solar.

Cita: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Palabras clave: pilote helicoide circular, capacidad de carga a tracción, cimentaciones fotovoltaicas, sensibilidad a parámetros del suelo, análisis por elementos finitos