Cuál es el objetivo y el contenido de un estudio de mecánica de suelos para el diseño geotécnico de una cimentación? RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN

Transcripción

1 Cuál es el objetivo y el contenido de un estudio de mecánica de suelos para el diseño geotécnico de una cimentación? Francisco García Jarque y Raúl Jean Perilliat RESUMEN Se presenta, con base en un criterio del estructurista, un análisis conceptual de elementos, considerados representativos, que pueden llevar a discrepancias y errores importantes en el diseño de cimentaciones. En cada concepto se proponen planteamientos para definir las bases para ejecutar un trabajo integral entre las dos especialidades y un mejor diseño de cimentaciones y excavaciones. Concluyendo en la necesidad de establecer de manera normativa los objetivos y elementos mínimos requeridos para un diseño geotécnico de las cimentaciones. ABSTRACT It is presented, with a structural criteria, a conceptual analysis of elements, considered representative, which may lead to important discrepancies and errors in the design of foundations. In each concept is proposed approaches to define the basics for the execution of an integral work between the two specialties and a better design of foundations and excavations. Concluding in the need to establish in a normative way the objectives and minimum elements required for the geotechnical design of foundations. INTRODUCCIÓN El presente artículo tiene como propósito el realizar una crítica constructiva de los estudios de mecánica de suelos cuyo objetivo sea el diseño geotécnico de la cimentación de una estructura. A continuación se hace una descripción de algunos conceptos importantes desde la perspectiva del proyecto estructural, con el único objetivo de que no existan discrepancias para ejecutar un proyecto geotécnico y estructural congruente. CONCEPTO.- COMUNICACIÓN ENTRE EL ESPECIALISTA EN GEOTÉCNIA Y EL ESTRUCTURISTA El ingeniero geotecnista es un especialista en mecánica de suelos, realiza el diseño conceptual de una cimentación, mientras que el ingeniero estructurista realiza, tanto el diseño estructural de la misma como el de la superestructura. Desafortunadamente hay muy pocos ingenieros que dominen ambas áreas, por lo que es muy importante tener una adecuada comunicación durante el intercambio de datos y parámetros entre ambos especialistas para un satisfactorio diseño geotécnico/estructural de la cimentación. CONCEPTO.- MODELOS Por lo general el ingeniero estructurista elabora un modelo muy complejo de la superestructura y al subsuelo lo representa con tres resortes (Figura a), mientras que el ingeniero en geotécnica puede elaborar un modelo muy complejo del subsuelo y representa a la superestructura por medio de una masa y un resorte (Figura b). Lo deseable es elaborar modelos completos que representen adecuadamente tanto al subsuelo como a la superestructura (Figura c) y por supuesto, el grado de complejidad de los modelos debe ser congruente con la importancia de la estructura. Por lo que se requieren modelos integrales adecuados que proporcionen la información necesaria y suficiente para el diseño geotécnico/estructural tanto de la cimentación, como de la superestructura. Director, Garcia Jarque Ingenieros S.C., Av. Río Churubusco No. 39, Col. Pedro Ma. Anaya, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P , México, Teléfono: ; garciajarque@garciajarque.com Gerente, Jean Ingenieros S.C., Barranca del muerto 0-30, Col. Guadalupe Inn, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 000, México, Teléfono: (55) ; rjean@jeaningenieros.com

2 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 04 a) b) c) Figura Representación del subsuelo y la superestructura desde un punto de vista estructural (a), geotécnico (b) e integral (c) CONCEPTO 3.- ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS, CONTENIDO Y NORMAS No existen normas, especificaciones o reglamentos de mecánica de suelos a nivel nacional que indiquen cuales son los objetivos, así como el contenido mínimo de un estudio de mecánica de suelos cuyo propósito sea el diseño de una cimentación. En muy pocos Estados de la República Mexicana hay normas para el diseño geotécnico de la cimentación. Por otra parte, el contenido de los estudios de mecánica de suelos difieren sustancialmente de la persona o empresa que lo haya elaborado y se acentúa más dependiendo de la localidad. Los estudios contienen muchos resultados de pruebas de laboratorio, pero las recomendaciones geotécnicas se limitan a dar capacidades de carga, sin haber hecho un estudio adecuado del sistema de cimentación conveniente y sin mencionar los asentamientos esperados. En muchos casos no se hace realmente el diseño geotécnico de la cimentación el cual no solamente consiste en emitir capacidad de carga para distintos tipos de cimentación: zapatas, losas, cajones, pilas, pilotes, etc. a diferentes profundidades. Sería recomendable y necesario que La Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica elaborase normas sobre el contenido de un estudio de mecánica de suelos para el diseño de cimentaciones. CONCEPTO 4.- CORRESPONSABILIDAD EN MECÁNICA DE SUELOS (D.F.) Hay excavaciones y construcciones de cimentaciones que son muy complejas, como pueden ser: cimentaciones y excavaciones profundas, cimentaciones en suelos blandos, cimentaciones construidas en etapas, muros de contención, cimentaciones de grandes inmuebles, etc. El corresponsable en seguridad estructural es normalmente un especialista en estructuras, pero muy pocas veces es un especialista en geotecnia, por lo cual se considera necesario un corresponsable en geotecnia para aquellas obras cuya excavación y cimentación sean complejas y/o puedan tener afectaciones a construcciones vecinas. CONCEPTO 5.- EXCENTRICIDADES En general el arquitecto diseña la estructura sin tomar en cuenta las dificultades que se tendrán para el diseño geotécnico de la cimentación. Las excentricidades, si no son corregidas y en función del tipo de cimentación, pueden generar desplomes importantes de la estructura. Para algunos geotecnistas las excentricidades son muy importantes, para otros no lo son. En muchos estudios de mecánica de suelos no se emiten recomendaciones sobre la corrección de la excentricidad. En las normas o especificaciones no hay un valor límite admisible de excentricidad.

3 FP A B A04 3 C D E A04 A04 A07 FN A06 A03 S A A03 A06 A05 PLANTA TIPO Figura Planta tipo con excentricidad CONCEPTO 6.- ADMISIBLE El término admisible difiere, en general, del lenguaje del estructurista y del geotecnista. ADMISIBLE Aquella resistencia o capacidad de carga que está afectada por un factor de seguridad previamente definido. Las acciones se comparan sin un factor de carga. ÚLTIMA Aquella resistencia o capacidad de carga que está afectada por un factor de reducción de resistencias y cuyas cargas se afectan por factores de carga. En las NTC-RDF 004 de cimentaciones (NTC DCC, 004) se mencionan los estados límite de falla y de servicio, sin mencionar capacidad de carga admisible, sin embargo, en muchos estudios se hace referencia a dicho término habiendo afectado la capacidad de carga por factores de carga y resistencia. Si se confunden los términos capacidad de carga admisible y última comparándolas de manera errónea con las cargas no correctas, factorizadas o sin factorizar, se pueden cometer errores muy importantes. En la Figura 3 se presenta un párrafo de un estudio de mecánica de suelos. Se indica la capacidad de carga admisible afectada por un factor de reducción de resistencia, lo que no es correcto. Tampoco debe haber capacidades de carga para condiciones estáticas y dinámicas, bajo el concepto de capacidad de carga última esta debe ser única. 3

4 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 04 Qa = { c Nc + P v ( Nq - ) γ B N γ } FR + Pv en donde : Qa : Capacidad de carga admisible del suelo de apoyo de las zapatas, en ton/m² Considerando una cohesión del material de apoyo de la cimentación de 6 ton/m², un ángulo de fricción interna de 0 º y un peso volumétrico de.5 ton/m³ (determinados mediante pruebas triaxiales efectuadas en las muestras cúbicas obtenidas), se obtuvo una capacidad de carga admisible en condiciones estáticas para fines de diseño de 4 ton/m² para zapatas aisladas y de ton/m² para zapatas corridas, y en condiciones dinámicas de 6.5 ton/m² para zapatas aisladas y de 4.5 ton/m² para zapatas corridas Figura 3 Transcripción de párrafo de un estudio de mecánica de suelo donde se indica la capacidad de carga admisible afectada por el factor de reducción de resistencia CONCEPTO 7.- BULBOS DE PRESIÓN Y PROFUNDIDAD DE SONDEOS En muchos casos no se toman en cuenta la superposición de bulbos de presión, por ejemplo, en grandes unidades habitacionales o bien por la simultaneidad de construcción de inmuebles cercanos en una ciudad; y sólo se emiten recomendaciones de cimentación para el inmueble individual. En otros casos no se hacen sondeos profundos y se intenta resolver la cimentación de grandes unidades habitacionales a partir de pozos a cielo abierto. Otro de los problemas es que no se valoran cuidadosamente las afectaciones sobre construcciones vecinas existentes. Como resultado de esta deficiencia se tendrán desplomes, afectaciones y mal comportamiento de las cimentaciones. Figura 4 Esquema de concentraciones estructurales que generan bulbos de presión que afectan al conjunto de construcciones

5 Figura 5 Afectaciones sobre construcciones vecinas por superposición de los bulbos de presión CONCEPTO 8.- CAPACIDAD DE CARGA Los estudios geotécnicos no tienen como único objetivo proporcionar capacidades de carga para distintos tipos de cimentaciones y profundidades; sino por el contrario hacer el diseño geotécnico de la cimentación. Por ejemplo la Figura 6 y la 7, extraídas de estudios de mecánica de suelos, se dan capacidades de caga a distintas profundidades para dos tipos cimentaciones; mientras que en la tabla de la Figura 8 se proporcionan capacidades de carga por sondeo. En la Figura 9 se muestra el diseño de cimentación para un mismo predio en el cual la capacidad de caga difiere sustancialmente. Figura 6 Capacidad de carga para una cimentación superficial 5

6 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 04 Figura 7 Capacidad de carga para una cimentación profunda Figura 8 Capacidad de carga por sondeo

7 Figura 9 Diseño de cimentación de un mismo predio con capacidades de carga diferentes Es importante que en el estudio geotécnico se defina el tipo de cimentación adecuado contemplando las características de la estructura. CONCEPTO 9.- EXCAVACIONES PROFUNDAS. Con respecto a las excavaciones cuyos cortes son estabilizados con anclas ha habido fallas importantes por lo que es necesario hacer una revisión de la normativa vigente, principalmente lo relacionado con empujes hidrostáticos y definir con precisión las longitudes y ángulos de las anclas. CONCEPTO 0.- MÓDULOS DE REACCIÓN DEL SUELO. El modelar una cimentación con resortes asignándoles el módulo de reacción del suelo realmente representa el comportamiento de la cimentación? El módulo de reacción del suelo depende de las rigideces del suelo y de la estructura se toman en cuenta al determinarlos? A continuación se transcribe un párrafo de un estudio de mecánica de suelos: Considerando las características de rigidez de la cimentación que más adelante se define, la deformabilidad de los materiales del subsuelo y la presión de contacto aplicada a los materiales de apoyo por la cimentación, el módulo de reacción del suelo deberá considerarse de kg/cm³. Para el diseño de las cimentaciones es muy común utilizar módulos de reacción k para considerar la deformación del suelo en una estructura. Sin embargo entre los geotecnistas no existe un consenso para obtenerlo; algunos recomiendan pruebas de placa y otros lo determinan en base a la deformabilidad del suelo. Generalmente se recomienda un solo valor, habiendo normalmente tres condiciones a revisar, asentamientos inmediatos, a largo plazo y rigidez del suelo ante un sismo. Los asentamientos de una losa de una estructura normalmente se obtienen al centro considerando cargas uniformes y en la realidad, cuando las cargas bajan por muros, la deformación de la cimentación puede ser totalmente invertida a la considerada por una bajada de cargas simplificada (uniforme). 7

8 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 04 Figura 0 Esquema del análisis de diferentes tipos de cimentación utilizando resortes CONCEPTO.- PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE LA CIMENTACIÓN Y PROTECCIÓN A COLINDANCIAS. En pocos estudios se define el procedimiento constructivo de la cimentación y la protección a colindancias; es importante y necesario que se incluya. CONCEPTO.- COEFICIENTE SÍSMICO. Ha sido una mala costumbre que el geotecnista sea el que defina el coeficiente sísmico con base en la clasificación que hacen del suelo; en algunas ocasiones la clasificación del suelo, desde el punto de vista del geotecnista, no corresponde a la clasificación definida en los mapas de zonas sísmicas. Su recomendación debe limitarse a definir la estratigrafía para que con base en ella y en la ubicación del predio, el estructurista asigne el espectro de acuerdo a la norma, o bien que se defina el periodo del suelo. De acuerdo al Manual de Diseño por Sismo de CFE (008) se requerirá más información (peso volumétrico y espesor de cada estrato, módulo de rigidez en cortante, velocidad de onda de corte, etc.) para definir el espectro sísmico por lo que es necesario solicitar la información completa a partir de sondeos profundos. CONCEPTO 3.- CIMENTACIONES EXISTENTES. En muchos estudios no se hace la investigación de posible existencia de cimentaciones (Figura ), principalmente profundas; esto puede traer como consecuencia deficientes comportamientos de las cimentaciones y deterioro estructural. Esto genera, en el mejor de los casos, que se deba cambiar el tipo de cimentación. CONCEPTO 4.- ARANCELES Sería recomendable que La Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica defina unos aranceles en conjunto con el contenido mínimo del estudio de mecánica de suelos.

9 Figura Presencia de cimentaciones de construcciones previas CONCEPTO 5.- RECONOCIMIENTO. Es importante que La Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica trabaje por el fortalecimiento y reconocimiento del gremio. Si todo sale bien todo queda en el olvido y se da por aceptada la importante función del geotecnista, pero si algo sale mal es señalado. A continuación se transcribe un párrafo del Ing. Martinez Romero (+) : Por otra parte la evolución de las formas arquitectónicas modernas para las estructuras actuales «van con riendas sueltas» y el ingeniero en estructuras, con una falsa y quijotesca actitud, acepta el reto de darle a la misma un diseño, dimensiones y características que garanticen un determinado grado de seguridad y estabilidad, esforzándose por hacer realidad estas nuevas formas arquitectónicas, dentro de los reglamentos actuales. En estas condiciones, si la estructura se comporta adecuadamente en eventos sísmicos, se da por aceptada nuestra función y seguimos viviendo tranquilos e ignorados por la sociedad. En cambio si algo sale mal y la construcción presenta problemas, se nos llama a escena para responder por los hechos, cuando en realidad se debería de convocar en estos casos a un buen número de personas que intervienen en la estructura y su construcción. CONCLUSIÓN Es necesario que se establezca el objetivo completo del estudio de mecánica de suelos en conjunto con el diseño geotécnico de la cimentación y de los procedimientos constructivos de excavación y de la propia cimentación. Las capacidades de carga deben ser congruentes con la norma aplicada; el significado capacidad admisible difiere de capacidad última. Finalmente se señala que es necesaria y conveniente la intervención y experiencia del excavador. REFERENCIAS CFE. (008), Manual de diseño de obras civiles. Diseño por sismo, Comisión Federal de Electricidad, México. NTC DCC. (004). Normas técnicas complementarias para diseño y construcción de cimentaciones, Gaceta Oficial del Distrito Federal, II, México, 6 de octubre. 9