Diseño de fundaciones para estructuras

Previo al diseño de estructuras es importante comenzar por lo básico, definiendo que una cimentación corresponde al conjunto de elementos estructurales de una edificación, cuyo objetivo es transmitir cargas al suelo de forma adecuada. Es decir, transmitir las cargas de forma tal que:

1. El suelo no sufra fallas por carga.
2. Que el suelo no presente deformaciones excesivas.

En cuanto a las fundaciones, estas se subdividen en dos grandes grupos: cimentaciones superficiales y cimentaciones profundas. Grupos que a su vez se subdividen en otros tipos de fundaciones particulares, para responder a las solicitaciones impuestas por los diferentes tipos de estructuras.

Si bien las cimentaciones superficiales se subdividen en muchos tipos se presentan en este texto solo las más típicas.

Zapatas aisladas:

Corresponden a un bloque de concreto con dimensiones B y L (ancho y largo) similar o regularmente inferiores al doble de la menor dimensión, sobre las cuales se apoyan las cargas a transmitir.

Zapatas corridas:

Al igual que las zapatas aisladas corresponden a un bloque de concreto con dimensiones B y L, aunque en este caso una de las dimensiones es sustancialmente mayor a la otra.

Losas de cimentación:

Corresponde a un bloque de gran tamaño, el cual usualmente soporta toda la estructura a cimentar.

Respecto a las fundaciones profundas en el texto a presentar solo se explica el funcionamiento de los pilotes, pues otros tipos de fundaciones de este tipo como micropilotes presentan funcionamientos parcialmente similares. Los pilotes son elementos usualmente cilíndricos que se construyen o hincan en el suelo, el cual gracias a su geometría, permite alcanzar profundidades mayores donde los suelos son más competentes.

 

Una vez definidos los tipos de fundaciones básicas, es necesario comprender que para el diseño de fundaciones, se requiere de unos insumos mínimos, los cuales provienen de la información de la obra a fundar (un ejemplo de esto corresponde a la implantación de la obra, los asentamientos permisibles, cargas aplicadas y la localización y condición de estructuras cercanas) y la información de la caracterización e historia del suelo (Geología regional y local, geomorfología, acuíferos y nivel freático y caracterización mecánica del suelo). En conclusión, el insumo básico para el diseño de fundaciones, proviene del trabajo en conjunto de muchas áreas de la ingeniería y la arquitectura involucradas en el diseño de las obras.

Diseño de fundaciones superficiales

 

Tal como se mencionó, el diseño de fundaciones tanto superficiales como profundas requiere de la verificación de la capacidad de carga del suelo y la determinación de los asentamientos.

Luego la modelación matemática de la condición y el comportamiento del suelo requiere de algunas suposiciones entre las que se encuentran:

• El suelo es isotrópico y homogéneo.
• La cimentación es finita y presenta dimensiones definidas (ecuaciones actuales del suelo).
• La superficie de falla que soporta la carga de la fundación, forma dos superficies circulares que se extienden desde la base de la zapata, hasta la superficie del terreno, donde el suelo por encima de la profundidad de desplante aporta a la resistencia al esfuerzo cortante.

Respecto a la forma de calcular las capacidades de carga, se encuentran en la literatura diferentes metodologías, las cuales cambian dependiendo del tipo de suelo, norma de diseño y condiciones de la transmisión de cargas a la fundación. Respecto a estas ecuaciones lo importante no es la complejidad de los cálculos, sino entender que todas tienen el mismo principio, en el cual la capacidad de cargas es función de los parámetros de resistencia del suelo (cohesión y ángulo de fricción) y la geometría y localización de la fundación.

En cuanto a la estimación de asentamientos inmediatos de una fundación superficial, esta se calcula bajo diferentes metodologías, donde en general todas emplean, los parámetros de deformación del suelo (módulo elástico y relación de Poisson) y las condiciones de esfuerzo adicional aplicado al suelo. Estos esfuerzos suelen calcularse empleando las distribuciones de Boussinesq las cuales se estiman para diferentes tipos de fundación a diferentes profundidades, razón por la cual es indispensable entender el tipo de fundación a emplear para calcular esta deformación del suelo.

 

Diseño de fundaciones profundas

 

Al igual que para las fundaciones superficiales, para la modelación matemática de las fundaciones profundas, se requiere de unas suposiciones entre las que se encuentran.

• Suelo isotrópico y homogéneo (Cada estrato de suelo)
• Cimentaciones finitas con dimensiones establecidas.
• La resistencia de los pilotes se logra tanto por la capacidad en la punta del pilote como por la fricción a lo largo del fuste.

Ahora bien la capacidad de carga de las fundaciones profundas tal como lo indican las suposiciones, se desarrolla por la capacidad de la punta, o la del fuste o por una combinación entre ambas

Esta capacidad por punta depende entonces del área del pilote en la base y el esfuerzo admisible que desarrolla el suelo, el cual suele calcularse de forma similar a como se realiza para una fundación superficial (ecuaciones que dependen tanto del ángulo de fricción del suelo, como la cohesión).

Ahora bien, la capacidad por fuste depende del área de la superficie del pilote y de la fricción desarrollada entre el suelo y el pilote, para el cálculo de esta fricción, suelen emplearse metodologías como alfa o beta, los cuales estiman un factor de adherencia dependiendo de las características del suelo y el tipo de pilote.

En cuanto al cálculo de las condiciones de deformación del suelo (o medición de asentamientos inmediatos) este se calculan por la suma de las deformaciones causadas por la carga que llega a la punta, la carga que llega al fuste y la deformación que sufre el elemento estructural al soportar la carga.

Finalmente, una vez entendidos los factores que intervienen en el cálculo de capacidad de carga, para fundaciones superficiales y profundas. Y las metodologías básicas para la estimación de asentamientos. Presento a continuación una serie de consejos básicos para intentar definir el tipo de fundación.

• Zapatas aisladas: se emplean típicamente cuando se tienen elementos individuales como columnas, donde las dimensiones de las zapatas deben ser adecuadas para soportar tanto las cargas verticales como las laterales y los momentos. En algunas ocasiones este tipo de zapatas se unen mediante vigas de hormigón armado.
• Zapatas corridas: suelen usarse para la cimentación de muros o estructuras de contención, las cuales deben ser elementos continuos de largo importante.
• Losas: Estas se usan cuando nos encontramos con un terreno de baja resistencia o un suelo heterogéneo en el que pueden aparecer asientos diferenciales. Estas fundaciones son muy adecuadas para el soporte de grandes momentos o cargas particulares.
• Pilotes: se construyen en casos donde se deban soportar cargas muy altas y la construcción de losas no se pueda realizar. Ya sea por espacio, por costos o donde existan materiales competentes a profundidades mayores, las cuales impliquen que la construcción de pilotes es más económica o funcional.