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miércoles, 14 de noviembre de 2012

El Diseño Racional en la Ingeniería Geotécnica (II)


Primera parte en ...


Diseño Racional en la Ingeniería Geotécnica


Ahora se tratarán dos casos de aproximación del Diseño Racional a la Ingeniería Geotécnica, el primero de ellos referido al diseño moderno de pavimentos y el segundo caso al diseño de cimentaciones superficiales y especialmente Zapatas. Estos sirven para ilustrar la creciente importancia de la aplicación del método sistemático y riguroso (aplicación de una rutina monótona), a favor de implementar correctamente las teorías de confiabilidad que permiten construir modelos geotécnicos simplificados y orientados hacia un comportamiento más real del terreno.

Naturaleza cíclica de las cargas que actúan en un pavimento


El diseño, análisis y evaluación estructural de las condiciones de los pavimentos, comúnmente se basan en el análisis de la teoría elástica multicapas; este acercamiento ofrece la posibilidad de una solución racional al problema de diseño. El éxito de esta aproximación depende de la precisión y la manera en que las propiedades de los materiales son evaluadas y utilizadas. 
Se ha prestado mucho énfasis a los procedimientos de diseño en los pavimentos; éstos han cambiado desde los métodos empíricos hasta los métodos mecanicistas, basados en el acercamiento más racional en su diseño (Monismith, 1962). Las principales razones de este cambio son las condiciones cambiantes en la estructura del pavimento ante la solicitación móvil de los vehículos cargados, ya que experimentan dos tipos de esfuerzos: los estáticos por sobrecarga y los dinámicos causados por el movimiento vehicular. Otras consideraciones importantes son el desarrollo de nuevos materiales utilizados en la construcción, nuevas configuraciones de pavimentos y la disponibilidad que nos da la utilización de las computadoras. Dentro de los métodos racionales se encuentran los procedimientos de diseño mecanicistas; su funcionamiento es estimado y basado en las propiedades mecánicas fundamentales de las capas del pavimento. (Zaman et al., 1994) 
El acercamiento mecanicista en el diseño involucra el análisis teórico y el cálculo de esfuerzos y deformaciones en lugares críticos, como resultado de las aplicaciones de carga originadas por las ruedas cargadas. 
Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terracerías y el terreno de cimentación, se ven sometidos a cargas dinámicas de diversas magnitudes que le son transmitidas por el tránsito vehicular. 

El patrón de esfuerzos inducidos a una estructura de pavimento como resultado del tránsito de vehículos es muy complejo. Un elemento de pavimento está sujeto a pulsos de carga que involucran componentes de esfuerzos normales y cortantes. Los esfuerzos son transitorios y cambian con el tiempo conforme la carga avanza. El esfuerzo cortante cambia de sentido conforme la carga pasa, provocando así una rotación de los ejes de esfuerzos principales. (Lekarp et al., 1997)
El concepto de módulo de resiliencia está ligado invariablemente a un proceso de carga repetida. El parámetro Módulo de Resiliencia, a través de las investigaciones, se ha constituido como un elemento fundamental en el diseño de pavimentos y ha despertado gran interés en el desarrollo de procedimientos de diseño con bases mecanicistas; los cuales lo introducen como un elemento que caracteriza de manera racional el comportamiento esfuerzo-deformación de los materiales que conforman la estructura. Otra gran ventaja es que, con el avance en la computación, se ha podido someter al análisis teorías que pueden aplicarse en forma práctica a las condiciones de diseño. 
Actualmente existe una gran tendencia a utilizar los métodos de diseño mecanicistas, ya que muchas agencias están incorporando este parámetro para sus diseños; una de ellas es la guía AASHTO (1993), en cuya aplicación se emplean y se toman en cuenta muchos aspectos como: tránsito, comportamiento del pavimento durante su vida útil, características del suelo que es empleado en las diferentes capas, condiciones ambientales, drenaje, confiabilidad, etc. Este diseño se efectúa mediante nomogramas de diseño o catálogos de estructuras. 

Además, por el amplio uso de la computadora, la tendencia es a utilizar directamente los nuevos métodos de diseño; empleando modalidades distintas en el análisis estructural, considerando sistemas multicapas o mediante la aplicación de programas que emplean el elemento finito.

Se ha llevado a la práctica estudios que tratan de correlacionar los valores de Módulo de Resiliencia con el VRS (Valor de Resistencia de la Subrasante, obtenido a partir del ensayo de placa y también correlacionado con el CBR), muchas de estas correlaciones no han tenido la respuesta que se esperaba, respaldando la correlación con un parámetro intermedio. La desventaja que presentan estas correlaciones es simple porque los errores se van generando, cada vez que es adicionada una correlación (Soutgate y Mahboub, 1994). 
Por la tendencia en el diseño de pavimentos, el módulo de resiliencia esta considerado a ser el sustituto del VRS, dado que existe una preferencia por el desarrollo de métodos racionales, basados en la caracterización de las propiedades mecánicas de los materiales que conforman la estructura del pavimento. Estos métodos permiten relacionar los niveles de solicitación de las cargas que son trasmitidas al sistema estructural. La respuesta obtenida permite predecir en principio, los niveles de deterioro esperados a partir de ensayos probados en laboratorio y del comportamiento observado en el campo. 

Es muy importante tener en cuenta las propiedades mecánicas de los materiales que constituyen las capas del pavimento, ya que de ellas depende la obtención del módulo de resiliencia (Witczak et al., 1995). 

Dado que la carga aplicada usualmente es pequeña, la prueba del módulo de resiliencia es una prueba no destructiva y la misma probeta puede ser utilizada para varios ensayos bajo cargas y condiciones ambientales distintas.

Prueba triaxial del Módulo de Resiliencia

Diseño racional de Cimentaciones superficiales


Cada estructura de ingeniería, sea un edificio, un puente, un pavimento de carretera o una vía de ferrocarril, consta de una superestructura (por encima del suelo) y de una cimentación (por debajo de la superficie del suelo).

Fundación Superficial - Zapata Aislada

La función de la fundación es la de transmitir la carga de la superestructura al suelo o la roca subyacente, cualquiera sea el caso. Un diseño adecuado de la cimentación tiene que asegurarse de que ningún componente ni de la superestructura o de la fundación, experimente peligro de ningún tipo en este proceso de transmisión de carga.

El método convencional de diseño de una zapata es el de asumir este cimiento como rígido y la distribución de la presión de contacto en la superficie de contacto entre la base de una cimentación y el suelo de soporte como plana, es decir, uniforme o variando uniformemente, dependiendo de si la fundación soporta una carga simétrica o excéntrica. Esta suposición de una distribución de la presión de contacto plana, está lejos de la realidad y, por tanto, para ser realistas en el diseño, la flexibilidad de la zapata y el tipo de suelo (que en conjunto dan lugar a una distribución variable de la presión de contacto) debe ser considerada (Kurian, 1992).

Debido al gran crecimiento de la capacidad informática y debido a los obstáculos planteados por las soluciones clásicas, los métodos numéricos (diferencias finitas, elementos finitos, etc.) han acudido en ayuda del diseñador de fundaciones en la forma de paquetes fáciles de usar, para incorporar esta flexibilidad en el diseño de la zapata.

El sistema de cimentación comprende dos componentes: 

  1. La parte estructural de fundación, como la zapata o el pilote, y 
  2. La cimentación natural, que pretende indicar y describir el suelo.

Del mismo modo, el diseño del sistema de cimentación consta de dos fases. Estas se conocen como: 

  1. El diseño geotécnico, y 
  2. El diseño estructural. 

El objetivo del diseño geotécnico es esencialmente para llegar a las dimensiones en planta de la fundación, satisfaciendo los parámetros de diseño del suelo, tales como la capacidad portante y los asentamientos. El diseño estructural se inicia sólo después de que se completa el diseño geotécnico, el cual determina el espesor de la zapata y también cuantía y la ubicación del refuerzo. Sin embargo, el diseño tiene que ser llevado a cabo de acuerdo con los códigos locales de práctica.

Cimentaciones superficiales

Las estructuras de cimentación habitualmente se dividen en superficiales o profundas sobre la base de su profundidad con relación a su anchura, siendo la división típica el valor unitario para la comparación de la relación (Df/B), es decir, DfB≤ 1 para cimentaciones superficiales y DfB> 1 para cimentaciones profundas.

La diferencia real entre cimentaciones superficiales y profundas se basa en la respuesta estructural, así como la profundidad a la que se adopta la fundación. Así, la flexión es la acción estructural predominante en el caso de cimentaciones superficiales. El comportamiento de cimentaciones profundas podría dar lugar a cargas axiales y laterales, además de los momentos de flexión y momentos de torsión. La interacción suelo-cimiento profundo, requiere un análisis detallado. las fundaciones superficiales o zapatas pueden ser de varios tipos, y se pueden clasificar más aún en:

  • Continuas (o Zarpas (Strip Footings)): Estos cimientos se utilizan sobre todo para los muros de carga y son generalmente de sección transversal rectangular.
  • Zapatas Independientes (Aisladas o Continuas): Estas zapatas son generalmente utilizadas para columnas individuales y pueden ser de formas rectangulares o trapezoidales, cuadradas o circulares.
  • Zapatas en Cinta (Strap Footing): Estas zapatas soportan más de una columna o muro.
  • Zapatas Combinadas: Este tipo de fundación se utiliza para dos o más columnas en una fila. Estas son generalmente de forma rectangular, trapezoidal o de tipo voladizo con dos zapatas interconectadas.
  • Losas de Cimentación (Mat Foundations): Estas fundaciones soportan arreglos bidimensionales (regulares o irregulares) de columnas.
  • Placas de cimentación o balsas (Raft/Slab Foundation): Se utilizan generalmente para dos o más columnas en varias hileras, mediante placas en concreto reforzado. Estas pueden ser de forma rectangular, cuadrada, circular, octagonal o en forma anular. También pueden ser utilizadas si la presión admisible (de contacto) de diseño del suelo es muy baja. Son también comúnmente denominadas Mat Foundations.

(a) Zapata Continua (L>>B) (b) Zapata Independiente (c) Zapata Combinada
(d)  Zapata en Cinta (e)  Placa o Balsa de Cimentación

Tipos comunes de cimentaciones superficiales

Diseño Convencional y Diseño Racional

En el diseño convencional de las zapatas, la presión de tierras se asume uniforme o variando linealmente en función de si la zapata soporta carga simétrica o excéntrico. 

Presión de contacto del suelo en el Diseño Convencional

Sin embargo, la verdadera distribución de la presión de contacto, que es el resultado de la interacción del suelo-cimentación, puede estar lejos de la distribución uniforme o lineal asumida. La distribución de la presión de contacto para una zapata flexible podría ser uniforme para arcilla y arena. La presión de contacto para zapatas rígidas es máxima en los bordes, en arcilla y para zapatas rígidas en arena, es mínima en los bordes. Las distribuciones típicas de asentamiento inmediato y la presión de contacto de las zapatas flexibles y rígidas se muestran en la siguiente figura.

Distribución típica de asentamientos inmediatos y presión de contacto en suelos

De ahí que la suposición de una distribución de presión uniforme en un diseño ligeramente inseguro para zapatas rígidas en arcillas, como el máximo momento de flexión en el centro, está subestimada. Producirá un diseño conservador para zapatas rígidas sobre suelos arenosos, mientras que el máximo momento de flexión es sobreestimado. Del mismo modo, los verdaderos momentos flectores y fuerzas de cortante en zapatas flexibles podrían tener una considerable variación con los valores de diseño obtenidos con la presunción de distribución uniforme de la presión de contacto.

Por tanto, la necesidad de desarrollar un diseño de fundación eficaz y seguro, se basa en una distribución realista de la presión del suelo, obtenida por el análisis racional de la interacción, conocido como diseño elásticos o flexibles, y surge de los inconvenientes anteriores (Kameswara Rao, 1969, 1971; Kurian, 1992).

Procedimiento para el Diseño Racional de zapatas

Las zapatas se pueden diseñar como se detalla a continuación:

  1. Calcular las cargas aplicadas en la parte superior de las zapatas. Dos tipos de cargas son necesarias, una para la determinación de la capacidad portante y otra para el análisis de asentamientos.
  2. Dibujar el perfil o los perfiles del suelo mostrando la estratificación del suelo en el sitio. Dibujar un bosquejo de la fundación propuesta sobre el perfil del suelo del lugar.
  3. Marcar el nivel máximo de agua a partir de los datos de las perforaciones.
  4. Determinar la profundidad mínima de las zapatas.
  5. Determinar la capacidad de carga del estrato de apoyo.
  6. Proporcionar los tamaños de la zapata.
  7. Comprobar si hay peligro de sobrecargar los estratos del suelo a mayor profundidad.
  8. Predecir los asentamientos totales y diferenciales.
  9. Comprobar la estabilidad debido a cargas excéntricas.
  10. Comprobar la elevación de zapatas individuales y de losas de cimentación y el apoyo de zapatas en taludes.
  11. Diseñar las zapatas.
  12. Comprobar si se requiere drenaje a nivel de cimentación, impermeabilización o control de humedad (Teng, 1964; Bowles, 1996; Tomlinson, 2001).

Para un diseño racional/elástico/flexible la presión de contacto debe ser calculada a partir del análisis del enfoque de la interacción suelo-estructura mediante vigas o placas sobre una fundación elástica.

Modelado de Interacciones Suelo-Estructura para el Diseño Racional de Fundaciones

La presión de contacto se toma como una presión uniforme/lineal/plana para el diseño convencional de una cimentación. Mientras que todos los demás requisitos y precauciones anteriormente listados son esencialmente los mismos para el diseño elástico/flexible/racional de las fundaciones, el uso de un modelo realista de interacción suelo-estructura puede hacer el diseño más racional.

Mientras las zapatas se pueden modelar como una viga (unidimensional) o una placa o una concha (bidimensional) y las teorías clásicas de flexión se pueden utilizar para la representación de su respuesta, la reacción del suelo debe ser incorporada en el análisis integrado de la ecuación de interacción suelo-estructura, mediante el modelado del suelo apropiadamente, utilizando diferentes modelos como Winkler (el más conocido) o Pasternak (Crandall, 1956; Timoshenko y Krieger, 1959; Leontev y Vlasov, 1966; Rao Kameswara, 1969).

Primera parte en ...

El Diseño Racional en la Ingeniería Geotécnica (I)

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Referencias:

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