"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).
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"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).
Entendiendo el comportamiento de las Fundaciones Superficiales
Las fundaciones son las conexiones entre la superestructura y el terreno, y aunque el comportamiento de estos elementos es complejo, es necesario comprender los principios básicos que lo rigen.
Contenidos
Comportamiento de fundaciones superficiales
En el texto clásico de Lambe & Whitman (1969), se incluye una fotografía muy ilustrativa (reproducida en la Figura 1), que muestra un modelo a escala realizado en laboratorio, en el que el terreno es representado por varillas cilíndricas, las cuales son cargadas por una zapata rígida.
Figura 1 Zonas de falla debajo de una zapata (Fuente: Lambe & Whitman, 1969).
Como se observa en la fotografía, las varillas son desplazadas de la zona inferior de la zapata, y, al mismo tiempo, se elevan las varillas más superficiales, ubicadas a los lados de la fundación.
Este modelo resulta excelente para intuir cómo puede desarrollarse una falla en suelos granulares. Pero, ¿cuál es el comportamiento de las fundaciones superficiales sometidas a carga en suelos reales?
La Figura 2 puede ayudar a contestar esta pregunta. En ella se muestra una cimentación simple de poca profundidad, con una presión de apoyo q, una presión de apoyo neta qn y un asentamiento ρ. Si la cimentación es rígida (por ejemplo, de concreto armado), el asentamiento ρ será uniforme y la presión de apoyo variará a lo largo de la cimentación. Si, por el contrario, la fundación es flexible (por ejemplo, un terraplén de tierra), la presión de apoyo será uniforme, pero los asentamientos variarán. La parte (a) de la Figura 2 ilustra los valores medios de q y ρ para cada caso, mientras que la parte (b) muestra la relación entre la presión de apoyo neta qn y el asentamiento ρ. Tal como se observa en la Figura 2 (b), a medida que la presión de apoyo aumenta, los asentamientos comienzan a acelerarse, y en algún momento se puede decir que la cimentación ha fallado debido a la magnitud de estos asentamientos.
Figura 2 Carga y asentamiento de una fundación (Fuente: tomado de Atkinson, 2007).
De acuerdo a lo anterior, puede afirmarse que las fundaciones no fallan en el sentido de que ya no puedan soportar una carga, o que la carga sobre ellas haya alcanzado un máximo o empiece a disminuir, sino que fallan porque se alcanzó un asentamiento límite admisible, por encima del cual la estructura deja de ser funcional.
Resulta obvio mencionar que las fundaciones no deben ser cargadas con presiones cercanas a su capacidad portante qc, ya que los asentamientos serían demasiado grandes y la estructura probablemente sufriría daños (aunque no colapse).
Así, para limitar los asentamientos a un valor admisible ρa es necesario reducir la presión de apoyo a una presión de apoyo admisible qa, como se muestra en la Figura 2 (b). En la práctica, esto se suele conseguir aplicando un factor de carga a la capacidad portante.
Efectos de condiciones de carga drenadas y no drenadas en las cimentaciones
Ya se ha mencionado que, en general, las fundaciones fallan porque se alcanzan ciertos niveles de deformación, a partir de los cuales la estructura pierde su funcionalidad. Esto podría sonar raro para quienes están acostumbrados a pensar en que el suelo falla por corte, generando un hundimiento repentino de la fundación. Aunque este caso es factible, en la práctica es muy poco frecuente y normalmente los problemas asociados a cimientos se deben a deformaciones excesivas del suelo de apoyo.
Ahora bien, ¿cómo influyen en el comportamiento de la fundación las condiciones de carga? ¿Cómo se producen los asentamientos bajo condiciones de carga drenadas y no drenadas?
Lo primero que es importante tomar en cuenta es que las condiciones de carga drenadas y no drenadas dependen de la velocidad de la carga, y estos conceptos son útiles para suelos finos, de baja permeabilidad, como arcillas francas o materiales gruesos con contenidos de partículas de arcilla superiores a 25-30%, con altos niveles de saturación. Para el caso de arenas, las condiciones siempre serán drenadas, dada la elevada permeabilidad de este tipo de materiales.
Aclarado el punto, vamos a revisar la Figura 4, tomada del texto de Atkinson (2007). La parte (a) de dicha figura, muestra la presión de apoyo neta de una cimentación, aumentada a qa lentamente, de manera que la carga sea drenada. Para este caso, los asentamientos aumentan en paralelo con la carga hasta el valor ρd, como se muestra en la parte (b) de la figura. La parte (c), ilustra el efecto de la misma carga, pero aumentada rápidamente, por lo que en este caso la carga es no drenada. Esta carga rápida produce un asentamiento inmediato, no drenado, denominado ρi, que se señala en la parte (d) de la figura. La carga no drenada incrementa la presión de poros en el suelo debajo de la fundación, y la disipación de esta presión en exceso ocasiona que se produzcan asentamientos por consolidación. El asentamiento en algún momento t después del de la consolidación es ρt, y el asentamiento final que ocurre después de un tiempo relativamente largo es ρ∞.
Figura 4 Efecto de la velocidad de la carga en los asentamientos de una fundación (Fuente: tomado de Atkinson, 2007).
Como se desprende del análisis anterior, es importante considerar el efecto de la velocidad de la carga al momento de diseñar una fundación. En general, en la práctica es usual el caso ilustrado por las partes (c) y (d) de la Figura 3. En caso de que existan las condiciones para que se produzca consolidación del terreno, podrán desarrollarse deformaciones a largo plazo, hasta alcanzar ρ∞. Caso contrario, las deformaciones serán a corto plazo, hasta niveles cercanos a ρi.
Consideraciones para diseño
Tal como señalan Lambe & Whitman (1969), y de acuerdo a lo expuesto en las secciones anteriores, el criterio básico para el diseño de una cimentación es que el asentamiento no debe superar cierto valor admisible.
A fin de que se cumpla este criterio básico, deberán estimarse todos o algunos de los siguientes valores (ver Figuras 2 y 3):
- La capacidad portante qc (para garantizar que la cimentación tiene un margen de seguridad adecuado contra el colapso).
- La presión portante admisible qa y los asentamientos drenados ρd o el asentamiento inmediato (no drenado) ρi, dependiendo de las condiciones de carga que prevalezcan en el proyecto.
- La consolidación después de la carga, el asentamiento final de consolidación ρ∞, y la variación del asentamiento ρt con el tiempo.
Finalmente, es importante mencionar que no todas las estructuras admiten el mismo nivel de asentamientos. Un tanque de almacenamiento de fluidos, por ejemplo, tendrá una tolerancia a las deformaciones diferente, digamos, a un equipo dinámico, una torre de un aerogenerador, o una estructura aporticada de acero. Pero este tema lo analizaremos con más detalle en un próximo post.
Referencias
- Atkinson, J. (2007) “The Mechanics of Soils and Foundations”. Second Edition. CRC Press – Taylor & Francis Group. Abingdon, UK.
- Das, B. (2009) “Shallow Foundations – Bearing Capacity and Settlement”. CRC Press – Taylor & Francis Group. Boca Raton, Florida, USA.
- Lambe, W. & Whitman, R. (1969) “Soil Mechanics”. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.
