La incertidumbre en la Ingeniería de Cimentaciones
Según el diccionario de la Real Academia Española, la incertidumbre es la falta de certidumbre, es decir, la falta de certeza sobre algo. En cualquier proyecto de Ingeniería de Cimentaciones, la incertidumbre se encuentra asociada fundamentalmente a tres aspectos:
Conocimiento restringido del terreno
Incluso con exploraciones exhaustivas, el conocimiento del terreno es limitado, ya que las investigaciones solo cubren una porción específica del área estudiada.
Comprender los mecanismos de interacción suelo-estructura
La comprensión de cómo interactúan el suelo y la estructura es incompleta e imperfecta, por ejemplo, basta con mencionar dos tópicos que aún hoy en día son objeto de investigación, aunque sean fundamentales en el día a día de los proyectos geotécnicos: 1) ¿Cuál es la profundidad efectiva y la distribución de los esfuerzos transmitidos desde la cimentación? Y 2) ¿Cómo determinar el valor de módulo de elasticidad a considerar para la estimación de asentamientos a corto plazo? Dos ejemplos que hablan por sí solos.
Predicción de solicitaciones sobre la cimentación
La dificultad inherente en la predicción de las solicitaciones que actuarán sobre la cimentación, 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 componente adicional de incertidumbre en el diseño de la cimentación.
Figura 1: Investigación Geotécnica (Nuevas Herramientas)
El factor de seguridad en el diseño de cimentaciones
Para abordar y compensar las fuentes de incertidumbre, se utiliza un factor de seguridad (FS) en el diseño de las cimentaciones. El valor del FS depende del grado de certeza sobre varios aspectos relacionados con el terreno y la estructura. Entre las particularidades que influyen en el valor del factor de seguridad cabe mencionar (Coduto, 2001):
Relación costo-beneficio en el diseño de cimentaciones
Estas particularidades tienen un impacto importante en la relación costo-beneficio del diseño de las cimentaciones. Por lo tanto, la inversión en un estudio geotécnico completo y bien ejecutado influye directamente en la optimización económica del diseño de las fundaciones.
El Factor de Seguridad y el control de asentamientos
Resulta oportuno mencionar que, aunque siempre es esencial considerar los estados límite últimos de las estructuras para demostrar que no se derrumbarán, el principal criterio de diseño para muchas de ellas, en particular los cimientos, es la necesidad de limitar los movimientos y asentamientos del terreno. En la práctica, esto suele considerarse mediante la aplicación de un factor sobre la carga de colapso (Atkinson, 2007).
Casos prácticos de aplicación del factor de seguridad en cimentaciones
¿Qué significa el emplear un factor sobre la carga de colapso? Para comprender el concepto, pensemos en dos casos prácticos: el primero, un talud contiguo a un edificio residencial, para el cual típicamente se exige un FS de alrededor de 1.5 contra la falla, y de 1.2 contra la acción sísmica; el segundo caso corresponde a las cimentaciones de una estructura aporticada de 3 plantas, para la cual se exige un FS de 3 ¿No parece incoherente?
Figura 2: Casos prácticos de aplicación del factor de seguridad en cimentaciones
En realidad, lo que es importante es tomar en cuenta que, el elevado factor exigido para los cimientos de la estructura aporticada no es realmente un factor de seguridad, sino un factor para limitar el asentamiento, puesto que, si la carga de colapso de una cimentación se reduce en un factor de 3, los asentamientos resultantes serán necesariamente pequeños.
Factores de seguridad (FS) y Factores de carga (Lf) en una cimentación
En la siguiente Figura se muestra la relación entre la carga y el asentamiento en una cimentación, en la parte a) se observa el asentamiento “ρ” de una cimentación con una carga vertical creciente “V”, y en la parte b) puede observarse una carga de colapso “Vc” y una carga segura “Vs” que es aproximadamente el 80% de "Vc", lo que corresponde a un factor de seguridad de aproximadamente 1.25. También se observa en la figura una carga admisible "Va", para la cual los asentamientos son pequeños.
Figura 3: Factores de seguridad y de carga en una cimentación (Fuente: Atkinson, 2007).
La carga de seguridad Vs viene dada por la siguiente ecuación, donde FS es, como se mencionó, un factor de seguridad:
La carga admisible Va viene por la siguiente ecuación, donde Lf es un factor de carga.
Valores típicos para FS y Lf en Ingeniería de Cimentaciones
Los valores de FS en Ingeniería de Cimentaciones suelen oscilar entre 1.25 y 1.50, dependiendo de las consecuencias de la falla y de las incertidumbres en los análisis, en la determinación de las cargas y de los parámetros geomecánicos del suelo.
Los valores de Lf en Ingeniería de Cimentaciones se sitúan normalmente entre 1/4 y 1/3, dependiendo de la sensibilidad de la estructura a los movimientos y las incertidumbres en los análisis, en la determinación de las cargas y en los parámetros geomecánicos del terreno.
Importancia de comprender los conceptos en la práctica de la Ingeniería Geotécnica
En conclusión, la incertidumbre es inherente a la Ingeniería de Cimentaciones y se origina en varias fuentes, como el conocimiento limitado del terreno, la comprensión incompleta de los mecanismos de interacción suelo-estructura y la dificultad en la predicción de las solicitaciones. Para abordar estas incertidumbres, se utiliza el factor de seguridad en el diseño de las cimentaciones.
Es fundamental que el Ingeniero Geotécnico comprenda y maneje estos conceptos en la práctica, ya que constituyen la base sobre la cual se asientan los criterios de diseño basados en estado límite último (ULS) y en estado límite de servicio (SLS).
REFERENCIAS
•Atkinson, J. (2007) “The Mechanics of Soils and Foundations”. Second Edition. CRC Press – Taylor & Francis Group. Abingdon, UK.
•Coduto, D. (2001) “Foundation Design: Principles and Practices”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
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