Distribución de presiones sobre la Cimentación
La función principal de un sistema de cimentación consiste esencialmente en transmitir la acción de las cargas puntuales o distribuidas sobre el terreno, cumpliendo con los requisitos de resistencia y rigidez exigidos para garantizar la estabilidad y correcto funcionamiento del sistema estructural de la edificación.
Sobre el sistema de cimentación se generarán presiones de contacto “p” que son consecuencia de las fuerzas actuantes “Q”, por supuesto bajo condiciones de equilibrio estudiadas en la mecánica clásica. A partir de las presiones de contacto generadas es posible realizar el análisis estructural completo del elemento en cuestión, por lo cual es de suma importancia utilizar el método de cálculo más conveniente para estimar dicha presión de contacto según sea el caso.
La distribución de presiones sobre el sistema de cimentación va a depender de varios factores, tales como:
Interacción Suelo-Cimentación-Estructura
La deformación que experimenta un determinado sistema de cimentación depende tanto de las características del elemento de cimentación como de las propiedades elásticas del suelo de soporte. Esto puede expresarse de la siguiente forma:
Estos dos planteamientos se traducen en una única condición denominada Interacción Cimentación-Suelo de Soporte. La vinculación de la estructura soportada con el sistema de cimentación conduce a que la condición indicada anteriormente, genere una relación de rigidez conjunta estructura-cimentación, que produce de forma más específica una Interacción Suelo-Estructura.
Bajo este enfoque se han estudiado muchos modelos que permiten representar la respuesta del suelo de soporte bajo diversas estructuras de cimentación, siendo el de mayor aceptación y el más utilizado desde hace más de un siglo el modelo de Winkler (1867).
Coeficiente de Balasto
El modelo de Winkler (1867) supone que la presión “p” que actúa en un punto de la interfase cimentación-suelo, es función lineal de la deflexión “y” del terreno en el mismo punto. Para relacionar estos dos parámetros se pueden representar mediante una constante de proporcionalidad “ko” denominada Módulo de Reacción del Terreno o Coeficiente de Balasto. Dicha relación se expresa de la siguiente manera:
p = ko y
Este comportamiento desde el punto de vista mecánico es simulado mediante una “cama” de resortes-suelo en la que cada uno de ellos actúa de forma independiente. Para el análisis de sistemas de cimentación se utiliza un módulo de reacción “k” tal que k = Ko B, donde B es el ancho del elemento de cimentación.
Esto trae como consecuencia que la selección de un valor de módulo de reacción adecuado sea un punto crítico en la aplicación del método y aunado a la gran diversidad de recomendaciones que existen para su selección, se ha producido cierto desconcierto en la aplicación del método, siendo el juicio y la experiencia los principales factores que intervienen en su selección.
Enfoques para considerar Interacción Suelo-Estructura
Es por ello que se han generado diferentes enfoques para considerar la interacción suelo-estructura en el diseño de cimentaciones entre los cuales se citan:
Modelos Simplificados (Winkler de un parámetro, Vlasov de 2 parámetros, Kerr de 3 parámetros): Planteamiento mediante ecuaciones diferenciales que vinculan deflexiones o momentos con parámetros del suelo.
Modelos del Semiespacio Elástico (Iterativos, Solución directa mediante vinculación de las ecuaciones matriciales en una sola): Se discretiza la superficie de contacto cimentación-suelo y se establecen ecuaciones para el asentamiento debajo de cualquier área. Se utilizan métodos matriciales.
Modelos con base en Elementos Finitos: Se utilizan computadores con suficiente memoria y capacidad numérica para poder llegar a la solución del problema de la siguiente manera:
Actualmente, debido al gran avance que ha experimentado la informática a través de los computadores personales, el modelo con base en elementos finitos se puede considerar como uno de los de mayor aceptación y de mayor aplicabilidad en el diseño de sistemas de cimentación.
Conclusiones
La consideración de la interacción suelo-estructura en el diseño de cimentaciones conduce a la determinación de deflexiones, momentos flectores y fuerzas de corte en vigas y placas de cimentación cimentadas sobre un medio elástico; con la finalidad de obtener las solicitaciones que permiten completar el diseño estructural de los elementos según los criterios establecidos en la normativa vigente y conforme al buen criterio ingenieril del proyectista.
Artículo adaptado de SISMICA Magazine – Edición Octubre 2011
En el Módulo 7 del “Curso en Ingeniería Sismo-Geotécnica e Interacción Suelo-Estructura” podrás estimar el Coeficiente de Balasto calibrado según las deformaciones esperadas, a ser utilizado en análisis con interacción estática suelo-estructura.
