El blog de Alvaro Boiero

"Vive como si fueras a morir mañana. Aprende cómo si fueras a vivir siempre" Mahatma Gandhi

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Fundaciones en la Ingenieria Civil

“Cualquier estructura no es más resistente que sus conexiones”. Aunque es usual que esta afirmación invoque imágenes de las conexiones entre miembros estructurales individuales, también aplica a aquellas entre la superestructura y el terreno que las soporta. Básicamente, esta conexión es la fundación. Aún los antiguos constructores sabían que las estructuras más cuidadosamente diseñadas, podían fallar si no estaban soportadas por las fundaciones adecuadas (Coduto, 2001).

Contenido

¿Qué son las fundaciones?

Vamos a comenzar con una pregunta en apariencia sencilla, pero que muchas veces es difícil de contestar con exactitud. Como ya se mencionó arriba, las fundaciones son las conexiones entre lo que se conoce como superestructura y el terreno que la soporta. Pero esta conexión tiene una particularidad: los miembros que conecta (la superestructura y el terreno) pueden poseer rigideces muy diferentes. Es por eso que las fundaciones deben ser diseñadas de tal manera que la máxima presión transmitida de la superestructura al terreno, no cause una deformación excesiva o la ruptura del suelo que la soporta (Taylor, 1948).

 

Las cargas de la superestructura son transmitidas por columnas, por muros de carga, o por otros miembros de carga, hacia las fundaciones. En algunos casos, el material de fundación es un suelo muy resistente, por lo que, de acuerdo a la experiencia, usualmente no se esperan problemas importantes relacionados con las fundaciones. En otros casos, el material inmediatamente debajo de la estructura puede ser de calidad tan pobre, que las cargas de la superestructura deben ser transmitidas mediante pilotes a estratos más profundos, de mayor resistencia.

 

La analogía de la clepsidra puede sernos útil para comprender mejor la interacción superestructura-fundaciones (Gutiérrez, 2016). El Ingeniero Estructural responsable de diseñar la estructura, va concentrando las cargas que actúan sobre las losas de los pisos a las vigas, y de las vigas a las columnas o muros de apoyo, hasta llegar en forma de carga concentrada a las fundaciones. A partir de ahí, el Ingeniero Geotécnico, en un proceso inverso para que las cargas concentradas no generen las falla del terreno, “expande” las cargas puntuales. Debe buscar soluciones de fundaciones ensanchando su superficie, en el caso de fundaciones superficiales, y cuando sean fundaciones profundas, tratar de llevar las cargas concentradas directamente a los estratos resistentes del suelo o de lograr un área de contacto suficientemente grande para disipar las solicitaciones por fricción con el suelo que atraviesa.

Figura 1Analogía de una clepsidra con las metodologías empleadas por los ingenieros estructurales y los ingenieros geotécnicos para tratar las cargas estructurales (Fuente: Gutiérrez, 2016)

Un factor importante a tomar en cuenta, es que las fundaciones deben ser diseñadas y construidas de tal forma que aseguren la estabilidad de la superestructura durante toda la vida útil de la misma. De acuerdo a ello, es evidente que las mismas deben ser diseñadas tomando en consideración las condiciones más desfavorables esperadas, las cuales deben ser adecuadamente identificadas por el Ingeniero Geotécnico al momento de realizar el estudio de suelos para el proyecto.

 

Otro factor a tomar en cuenta son las cargas que transmitirá la superestructura: ¿de qué tipo (axial, lateral, momentos) serán? ¿Cuál es la magnitud estimada de las mismas? ¿Qué criterio de diseño se empleará? Dedicaremos otro post a este aspecto. Sin embargo, es algo que debe considerarse desde el principio como un aspecto fundamental para el diseño.

 

Considerando lo mencionado hasta aquí, estamos entonces en capacidad de dar respuesta a la pregunta formulada en el título de la sección: ¿qué son las fundaciones? Pues bien, podemos contestar esta pregunta afirmando que las fundaciones son los miembros que conectan la superestructura con el terreno, y cuya función primordial es transmitir las cargas al mismo, asegurando que: 1) no se produzca la ruptura del suelo; y 2) no se generen deformaciones excesivas del suelo; de tal manera que la funcionalidad de la superestructura no se vea afectada durante la vida útil de la misma.

Orígenes de la Ingeniería de Fundaciones Moderna

A pesar de que los que constructores han reconocido la importancia de fundaciones firmes a lo largo de incontables generaciones, y la historia de la construcción de fundaciones se extiende por miles de años, la disciplina Ingeniería de Fundaciones como la conocemos hoy en día, no comenzó su desarrollo hasta finales del siglo XIX (Coduto, 2001). En muchas construcciones antiguas (y no tan antiguas, vale decirlo), los diseños de fundaciones estuvieron basados únicamente en experiencias previas, intuición, y sentido común. A través de ensayo y error, los constructores desarrollaron reglas para el dimensionamiento y construcción de fundaciones.

 

Uno de los primeros vestigios de que los ingenieros comenzaron a investigar el comportamiento de las fundaciones y a desarrollar metodologías de diseño más racionales, no basadas únicamente en reglas empíricas, aparece hacia 1873, cuando el arquitecto Frederick Baumann publicó una obra titulada The Art of Preparing Foundations, with a Particular Illustration of the “Method of Isolated Piers” as Followed in Chicago (ver Figura 2). En este documento, se reconoce que el suelo es un material compresible, y clasifica los suelos de fundación como terrenos sólidos, terrenos compresibles, y terrenos semi-fluidos. Asimismo, se propone que el área de la fundación debe ser proporcional a la carga aplicada, y que esta carga no debe ser excéntrica. El documento incluye, además, valores de presión de contacto admisible para suelos de Chicago, y especifica también tolerancias para asentamientos totales y diferenciales.

Figura 2 Portada de documento publicado por F. Baumann en 1873

Otro ejemplo del proceso de racionalización del diseño de fundaciones, lo constituyen los muros portantes de mampostería, construidos en New York (USA) durante el siglo XIX. De acuerdo a Powell (1884), los muros portantes de mampostería construidos sobre grava compactada, deberían estar soportados por zapatas corridas de ancho igual a 1,5 veces el ancho del muro; para el caso de muros instalados sobre arena o arcilla dura, el ancho de la fundación debía ser igual a 3 veces el ancho del muro.

 

Un caso particular que ilustra la aplicación de nuevas ideas en el diseño de fundaciones, de manera de asegurar la funcionalidad de la estructura a largo plazo, es el de la torre Eiffel, ubicada en París, Francia (Coduto, 2001). Esta torre, que constituye uno de los monumentos más visitados en el mundo actualmente, fue construida para la Paris Universal Exposition de 1889, y su diseñador y constructor, Gustave Eiffel, tenía plena conciencia de la importancia de las fundaciones. La torre Eiffel está ubicada en las adyacencias del río Sena, sobre un terreno difícil que incluye rellenos no compactados y suelos aluviales blandos y poco densos. Eiffel llevó adelante una exploración completa del subsuelo, empleando para ello tubos de 200 mm de diámetro rellenos con aire comprimido. El aire evitaba que el agua entrara en el tubo, lo cual permitió recuperar muestras de elevada calidad. Basado en la exploración realizada, Eiffel construyó las fundaciones de las dos patas situadas más lejos del Siena en un terreno de buena calidad, por encima del nivel freático; mientras que las fundaciones de las otras dos patas, adyacentes al Siena, requirieron excavar alrededor de 12 m debajo de la superficie del terreno (unos 6 m debajo del nivel freático) para quedar apoyada sobre un terreno firme. Como resultado de la importancia que Gustave Eiffel otorgó a la exploración del terreno y al diseño de las fundaciones, la Torre Eiffel lleva más de 120 años en funcionamiento, sin sufrir asentamientos diferenciales importantes.

La Ingeniería de Fundaciones comenzó a desarrollarse de manera más acelerada alrededor de la década de 1920, como consecuencia del empuje otorgado por la aparición de la obra pionera de Karl Terzaghi, Erdbaumechanick auf Bodenphysikalischer Grundlage, en 1925. Este desarrollo tuvo como mayor impacto el de proveer una mejor base teórica para el diseño de fundaciones, a partir de la cual se mejoraron y desarrollaron nuevos métodos constructivos. Así, actualmente es posible construir fundaciones en sitios en los cuales se consideraba imposible o impráctico hacerlo bajo a luz de las prácticas antiguas.

Clasificación de Fundaciones

Las fundaciones, como ya se mencionó, son los elementos que conectan la superestructura con el terreno. Estos elementos pueden estar construidos con concreto, acero, madera, o incluso otros elementos (Coduto, 2001).

 

Estos elementos pueden ser divididos en dos categorías (Peck et al, 1953): fundaciones superficiales y fundaciones profundas. Las primeras transmiten las cargas a capas superficiales del terreno, relativamente cercanas a la superficie (típicamente, hasta 2 m a 2,5 m de profundidad, aunque algunas fundaciones superficiales de equipos industriales pueden apoyarse a profundidades superiores a 3,5 m); mientras que las segundas las transmiten a estratos resistentes más profundos. La Figura 5 muestra la clasificación de fundaciones en superficiales y profundas, con los principales tipos de cada una.

Figura 5 Clasificación de fundaciones

Algunos autores, como por ejemplo el mismo Terzaghi (1943), diferencian las  fundaciones superficiales y las profundas considerando la profundidad relativa de la cota de fundación Df y el ancho mínimo de la fundación B. Así, las fundaciones superficiales son aquellas que presentan una relación Df/B ≤ 1, mientras que las profundas presentan una relación Df/B > 1. Sin embargo, en mi opinión la diferencia conceptual entre fundaciones superficiales y profundas es obvia, por lo que no creo oportuno considerar este tipo de criterios para diferenciarlas.

Incertidumbres en la Ingeniería de Fundaciones

En una ocasión, el Dr. José Grases Galofre, destacado ingeniero y profesor venezolano, me habló sobre la definición de la Ingeniería Estructural: “La Ingeniería Estructural es el arte y la ciencia de modelar materiales que no comprendemos completamente, con formas que no podemos analizar de manera precisa, sometidas a fuerzas que no es posible predecir adecuadamente, de una manera en la cual la sociedad no tiene razones para sospechar nuestra ignorancia”. La definición no es suya, pero creo que es bastante precisa.

Esta definición puede ser aplicada perfectamente a la Ingeniería de Fundaciones. Aún bajo la luz de los enormes avances realizados en esta rama, todavía existen demasiadas lagunas en nuestros conocimientos de esta disciplina. Pero, ¿por qué existen tales lagunas?

En general, la mayor incertidumbre en cualquier proyecto de Ingeniería de Fundaciones es resultado de un conocimiento limitado de las condiciones del terreno. Aún las exploraciones más completas, empleando las mejores herramientas de muestreo, cubren solo una porción limitada del terreno, por lo que es necesario interpolar y extrapolar la información obtenida de tal exploración.

Otra fuente de incertidumbre, es nuestra comprensión incompleta e imperfecta de los mecanismos de interacción suelo-estructura. Por ejemplo, ¿cuál es la profundidad efectiva a la cual el suelo ya “no siente” los esfuerzos transmitidos desde la fundación? ¿cuál es la resistencia en una superficie de falla debajo de una fundación apoyada sobre un suelo estratificado? ¿cómo se desarrolla la resistencia por fuste en un pilote? ¿cómo cambian las propiedades del terreno adyacente a un pilote hincado? Estas cuestiones son objeto de continua investigación.

Por otro lado, es sumamente difícil predecir las solicitaciones que actuarán sobre la fundación, especialmente las cargas vivas y las inducidas por sismos o vientos. Además, la mayoría de las normas y códigos de diseño son conservadores a la hora de estimar estas solicitaciones, lo que introduce una fuerte componente de incertidumbre en el diseño de la fundación.

Figura 8 Fuentes de incertidumbre en la Ingeniería de Fundaciones

Factor de Seguridad en la Ingeniería de Fundaciones

Como ya se mencionó en el apartado 4, existe una gran incertidumbre en la Ingeniería de Fundaciones, asociada fundamentalmente a limitaciones en la información disponible, y a una compresión incompleta e imperfecta del comportamiento del terreno. Debido a ello, y a manera de compensación por estas incertidumbres, se emplea un factor de seguridad (FS) en el diseño de fundaciones.

 

El valor del factor de seguridad asumido en un diseño dado, está basado en numerosos factores, incluyendo los siguientes (Coduto, 2001):

 

  • La probabilidad aceptable de falla.
  • Consecuencias de la falla.
  • Incertidumbre asociada a las propiedades del terreno y a las cargas aplicadas.
  • Tolerancias constructivas.
  • Ignorancia sobre el comportamiento real de la fundación.
  • Relación costo-beneficio de un diseño excesivamente conservador.

De acuerdo a lo anterior, parece apropiado considerar al factor de seguridad como un valor asociado a diferentes grados de fiabilidad del diseño, o a la probabilidad de falla de la fundación. Sin duda, cualquier fundación puede fallar, pero algunas son más propensas a hacerlo que otras. Así, puede afirmarse que el factor de seguridad de diseño, define la estimación del diseñador entre el costo y la fiabilidad de la fundación.

 

¿Y qué significa esto en la práctica, en el día a día? Observando los factores que influyen en el valor de FS, resulta evidente que, cuando mayor sea la certeza que tenga el Ingeniero Geotécnico sobre estos factores (es decir, si cuenta con información completa del proyecto, uso de instalaciones, consecuencias potenciales de falla de las mismas, un estudio de suelos de calidad que provea información confiable sobre el terreno, ensayos de laboratorio apropiados y suficientes sobre muestras del terreno, entre otras cosas), pues podría asumirse un FS menor, optimizando así la relación costo-beneficio del diseño. Caso contrario, debe asumirse un FS mayor, lo cual incrementa las dimensiones de la fundación y, por ende, afecta negativamente la relación costo-beneficio del diseño.

 

En un próximo post vamos a ahondar en este tema tan importante, que afecta significativamente el costo de los proyectos. Pero ya tenemos información para comprender el concepto de factor de seguridad.

Exactitud en los Cálculos de Fundaciones

Dado que, en el estado actual del arte, no se tiene una comprensión completa del comportamiento de las fundaciones, la mayoría de los métodos de análisis y diseño disponibles incluyen una mezcla de técnicas racionales y empíricas.

 

Las técnicas racionales, son aquellas desarrolladas a partir de principios físicos y la tecnología de la ingeniería, que resultan muy útiles para describir mecanismos que comprendemos y que podemos cuantificar. Las técnicas empíricas, por su parte, están basadas principalmente en data experimental, y pueden ser de especial ayuda cuando se tiene una comprensión limitada de los mecanismos físicos.

 

Los métodos para analizar problemas de fundaciones incluyen modelos conceptuales simples, con poca data experimental para validarlos, o técnicas empíricas que reflejan únicamente algunos aspectos básicos de los mecanismos que controlan el comportamiento observado. Así, resulta fundamental la investigación en el campo de la Ingeniería de Fundaciones, de manera de calibrar, a partir de data experimental, los modelos racionales empleados, mejorando así la exactitud de las predicciones.

 

Considerando lo anterior, cabe preguntarse ¿cuál es la exactitud que se tiene al calcular una fundación? ¿qué tanto se aproxima el modelo empleado a lo que puede ocurrir en la realidad?

 

Podemos decir que, como regla general, la precisión y exactitud en cualquier cálculo de fundaciones dependerá no sólo del modelo empleado, sino de la información disponible para diseño (ver apartado 5), pero es una buena idea tener en mente dos cosas:

 

  1. Que el resultado obtenido es un orden de magnitud (por lo que no tiene sentido expresar los resultados con, por ejemplo, tres o cuatro valores decimales, como arrojan algunos programas de cálculo).
  2. Que, dado que se trata de órdenes de magnitud, puede considerarse que la predicción real puede estar en el orden de ±50%.

 

Lo anterior suscita un problema, si se quiere, filosófico: ¿para qué investigar el terreno si se tiene tanta incertidumbre en los datos y en los modelos que empleamos para predecir el comportamiento de las fundaciones? ¿para qué dedicar un esfuerzo a esto?

 

Estas preguntas pueden tener varias respuestas, pero en mi humilde opinión, el objetivo que se persigue es optimizar los costos del proyecto. Recuerden que, como dijo Terzaghi, “no hay gloria en las fundaciones”, dado que están ubicadas bajo el terreno, no se observan como podemos ver un edificio, un puente o cualquier otra estructura. Sin embargo, desde el punto de vista económico, en ocasiones la inversión en fundaciones es tan importante como la inversión en la superestructura.

Referencias

  • Baumann, F. (1873) “The Art of Preparing Foundations, with a Particular Illustration of the “Method of Isolated Piers” as Followed in Chicago”. Disponible en https://
  • books.google.co.ve/books?id=9uEtnQEACAAJ&printsec=frontcover&hl=es&source=gbs_ge_
  • summary_r&cad=0#v=
  • onepage&q&f=false.
  • Coduto, D. (2001) “Foundation Design: Principles and Practices”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
  • Gutiérrez, A. (2016) “Fundaciones I: Consideraciones Geotécnicas”. Disponible en http://
  • www.construccionenacero.com/comment/236.
  • Peck, R.; Hanson, W. & Thornburn, T. (1953) “Foundation Engineering”. First Edition. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.
  • Taylo, D. (1948) “Fundamentals of Soil Mechanics”. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.
  • Terzahgi, K. (1943) “Theoretical Soil Mechanics”. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.

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