Influencia de las propiedades del suelo en diseño de cimentaciones

Se presentan los aspectos más importantes que gobiernan el diseño de  cimentaciones,  y se hace énfasis en la influencia de las propiedades del suelo, como son:  profundidad de cimentación, asentamientos, expansiones, contenido de sales, capacidad  portante y el esfuerzo máximo por asentamiento del suelo. Se han modelado y diseñado  varias zapatas conectadas en función del esfuerzo neto, número de pisos, separación de  columnas,  y se ha determinado el área de zapatas y secciones de vigas de conexión y sus  aceros; mostrándose que con mayor capacidad portante del suelo, se reducen el acero y el  concreto de las cimentaciones. También se  mencionan los aspectos  constructivos de las  cimentaciones, y se dan recomendaciones para prevenir los daños por excavación.

INTRODUCCIÓN

El estudio de Mecánica de Suelos es básico para realizar el diseño de cimentaciones. Van a  afectar el diseño de cimentaciones: el tipo de suelo  (cohesivo, granular, mixto, de alta o  baja plasticidad), la variación de estratos, la consistencia (media, blanda, dura), las  propiedades físicas y mecánicas (cohesión,  ángulo de fricción interna, índice de  compresión), la ubicación del nivel freático, la profundidad de cimentación, la capacidad  portante por resistencia, la capacidad portante por asentamiento, el esfuerzo neto, los  asentamientos diferenciales y totales, los agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos), la  expansibilidad y fuerza expansiva del suelo, la estabilidad del talud de la excavación, las  especificaciones de las Normas peruanas de  estructuras, etc. Sólo si conocemos esto  procedemos a diseñar la cimentación, en caso contrario el diseñador se convierte en un  peligro público.

Fig. (1). Desmoronamiento de un talud en suelo arenoso con poca cohesión en Lambayeque.

PROFUNDIDAD DE CIMENTACIÓN

–McCarthy recomienda cimentar por debajo del nivel activo o erosión potencial, si se trata de arenas compactas. En el caso de arcillas o limos firmes, recomienda cimentar por debajo del nivel activo por cambios de volumen.

–Manuel Delgado Vargas, en su libro “Ingeniería de Cimentaciones”, afirma que se requiere cierta profundidad de cimentación, para evitar la socavación del suelo por debajo del cimiento superficial, siendo ésta de 0.50 m.

–Para el ATM, Army Technical Manual (Manual técnico del ejercito de EEUU.) y el AFM, Air Force Manual, la profundidad de cimentación debe ser de 1.20m, para considerar el cambio de volumen del suelo, debido al efecto del hielo y deshielo.

–En las Normas Peruanas de Estructuras, se especifica que debe ser de 0.80 m, y si se usa albañilería portante con losa de concreto armada en dos sentidos, y viga perimetral que sea de 0.40 m.

–Carlos Crespo Villalaz da una ecuación para determinar la profundidad de cimentación Df, en función del índice plástico (IP):

Donde: Df está en metros, γ es el peso específico de masa en ton/m3, e IP en porcentaje. Por ejemplo para IP = 10%, y γ = 1.8 ton/m3, Df = 1.44 m.

EL PROCESO CONSTRUCTIVO

Se debe considerar el aspecto constructivo en el diseño de cimentaciones. Hay problemas éticos, legales y de calidad profesional del diseñador, cuando ocurre un accidente o falla en la obra. Por ello, es necesario conocer la responsabilidad del diseñador y del constructor, o del diseñador estructural respecto a los demás profesionales (sanitarios, mecánico-eléctricos).

Es peligroso excavar sin soportes. A veces la edificación vecina es de adobe, y su nivel de cimentación es más alto que la nueva cimentación. Si falla la edificación vecina, ¿la responsabilidad es del constructor, del diseñador o del que hizo el estudio de suelos?.

La presencia de napa freática en una edificación con sótano obliga a colocar obras de drenaje. A quién le corresponde esta decisión, ¿al ingeniero sanitario, al diseñador estructural o al constructor?. Hay que colocar impermeabilizantes, water-stop. cementos hidráulicos, etc.

Respecto a las excavaciones para las cimentaciones y ademes, Peck, Hanson y Thornburn, en el libro “Ingeniería de Cimentaciones”, página 205, afirman lo siguiente: “Ordinariamente, el ingeniero especialista en cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de excavación en un lugar dado, ni de diseñar el apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta operación corresponde al contratista. Sin embargo, generalmente es obligación del ingeniero aprobar o recusar el procedimiento de construcción propuesto por el constructor y revisar el proyecto del apuntalamiento”. (Las negritas son nuestras).

Fig. (2). Colocación de armadura de cimentación por tramos, por edificación de adobe vecina. Proyecto: Hostal Camgo en Chiclayo.

Fig. (3). Colocación de sistema de drenaje, antes y debajo de la cimentación. Proyecto: Sede Central de las Fiscalías del Distrito Judicial de Lambayeque. Chiclayo.

ZAPATAS CONECTADAS

Están formadas por zapatas acopladas con vigas de conexión (o vigas de atado). Se colocan vigas de conexión, para evitar los desplazamientos horizontales, soportar los momentos de las columnas (especialmente por sismo), disminuir el efecto de los asentamientos diferenciales y, para soportar los momentos, debido a la excentricidad de la carga de la columna y la reacción del suelo, que se produce en las zapatas excéntricas.

Según el código europeo llamado Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras sismorresistentes, la colocación de vigas de atado, es obligatorio en estructuras construidas en zonas sísmicas. Además deben colocarse en ambas direcciones formando una retícula.

Fig.(4). Elevación y planta de zapata conectada

CAPACIDAD PORTANTE Y EL ESFUERZO NETO

Paras determinar la capacidad portante, comúnmente se utiliza la teoría de Terzaghi, que requiere del ensayo de corte directo. También se usa el equipo de Penetración Estándar (SPT). A pesar de que los valores de capacidad portante parecen de poca variación, por ejemplo de 0.5 a 1.0 kg/cm2, sus valores definen en gran medida el tipo de cimentación a usar, y el número de pisos de la edificación, porque cada piso adicional representa carga adicional.

Cuando la falla es por corte general, para zapata rectangular, la capacidad de carga límite vale:
qd = 1.3 c Nc + γ Z Nq + 0.4 γ B Nγ
Cuando la falla es por corte local y punzonamiento, para zapata rectangular:
qd = 1.3 c´ N´c + γ Z N´q + 0.4 γ B N´γ
donde:
qd = capacidad de carga límite en kg/m2.
c = cohesión del suelo en kg/m2.
Z = profundidad de desplante de la cimentación en metros
B = ancho de la zapata (o dimensión menor de zapata rectangular) en metros.
γ = Peso unitario del suelo en kg/m3.
Nc, Nq, Nγ = Factores de capacidad de carga.
c´= 2c/3

El estudio de suelos, determina la capacidad portante a la profundidad Df. A esa profundidad, el suelo soporta cargas producidas por el peso propio del relleno (γ*Df), y la sobrecarga de piso (Sc. piso, suele usarse 500 kg/m2). Por tanto, el esfuerzo neto (qneto), o útil para la estructura a construir, es lo que queda, después de descontarle a la capacidad portante o admisible, las cargas mencionadas.

qneto = qadmisible – γ*Df – Sc. piso
γ = peso unitario del suelo = peso volumétrico = peso específico de masa (kg/m3).

ASENTAMIENTOS DEL SUELO

Los asentamientos máximos permitidos, limitan los esfuerzos actuantes sobre el suelo. Con El Método de Schmertmann se determina la Curva de Campo, a partir de la Curva de Consolidación del laboratorio. Se ubica el punto B correspondiente a la carga de pre-consolidación obtenida con el Método de Casagrande. A partir de allí se obtiene se traza una paralela al tramo de descarga. Es necesario determinar la relación de vacíos eo, que tiene la muestra en su estado natural. Para ello se calcula la presión activa po = Peso específico x profundidad a la que ha estado sometida la muestra en su estado natural. A partir de allí se traza una vertical hasta interceptar a la línea anteriormente trazada, en el punto A. Desde el punto A se traza una horizontal, hasta interceptar el eje “Y”. Una vez determinado eo, se multiplica por 0.42, y se ubica ese punto en Y. A partir de allí se traza una línea paralela al eje “X”, la cual se va a interceptar en el punto C, con la prolongación del tramo virgen de la curva de laboratorio. Las líneas AB y BC, representan la Curva de Campo.

Fig.(5). Método de Schmertmann para calcular la curva de campo.

De la curva de campo se obtienen el Indice de recompresión Cr, y el índice de compresión Cc, que son las pendientes de las líneas AB y BC, en escala semilogarítmica.

El asentamiento de arcillas preconsolidadas se determina con la ecuación:

Aquí P es esfuerzo final a la que va a estar sometido el suelo, y H es la potencia activa.

El esfuerzo final P, es igual a la presión que tiene el suelo en su estado natural Po más la presión que produce la edificación σz.

La presión que produce la edificación, se calcula con la ecuación deducida de la solución de Boussinesq:

Dado que σz = f(w), siendo w = P/A, el esfuerzo de la zapata sobre el suelo, se deduce que, el esfuerzo sobre el suelo esta limitado también, por los asentamientos máximos permitidos.

La potencia activa (H), se considera como el espesor de suelo por debajo de nivel de solera que al ser comprimido por las presiones que el cimiento transmite, éstas generan deformaciones o desplazamientos apreciables desde el punto de vista práctico en la base de los cimientos. Se toma como potencia activa aquella profundidad donde se cumple que el esfuerzo vertical vale σ = 0.1 q. Para zapatas cuadradas, esta potencia activa vale H =1.5B a 2B, siendo B el ancho de zapata.

LIMITACIONES DE ASENTAMIENTOS

Sowers (1962) es el más estricto, y si existe probabilidad de asentamiento no uniforme, recomienda los asentamientos máximos:

El área de zapata es la necesaria, para soportar los esfuerzos provenientes de la superestructura. Para la zapata excéntrica conectada, se tiene:

Azap1 = P1 / qneto

B1=√(Azap/2)

EXPANSIBILIDAD DEL SUELO

Para esto hay que realizar el ensayo de Expansión libre o el ensayo de Presión de expansión, para determinar la fuerza expansiva. Los investigadores Holtz y Gibbs en su libro “Propiedades de ingeniería de las arcillas expansivas”, clasifica el Potencial de expansión según el valor del Indice plástico (IP):

En la ciudad de Iquitos, en el suelo subyacente al Malecón Tarapacá que colinda con el río Amazonas, la fuerza expansiva hacia arriba, determinada en laboratorio es de 5.00 kg/cm2. Kassiff, Liben y Wiseman, han encontrado la relación entre el IP y el probable levantamiento de arcillas compactadas, según el siguiente cuadro:

Articulo escrito por: Ing. William Rodriguez Serquén