“RIGIDIZACIÓN DEL SISTEMA DE FUNDACIÓN PARA MINIMIZAR LA APARICIÓN DE FISURAS EN LAS ESTRUCTURAS POR LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES”

Gallardo López Gabriela Edith

Ingeniera Civil

gaby58edith@gmail.com

INTRODUCCIÓN

La omisión del estudio geotécnico en un proyecto estructural, puede llevar a cometer graves errores en el diseño de cimientos, más aun si se funda sobre arcillas compresibles, con el posible descenso inadmisible de apoyos que provocan en el edificio fisuras de elementos arquitectónicos y en casos más críticos agrietamientos en miembros estructurales de la edificación.

La mayor parte de los asentamientos humanos en la ciudad de Tarija se encuentran sobre suelos compresibles, estos suelos no causan problemas, a menos que las estructuras que se construyen sobre ellos sean diseñadas inadecuadamente sin considerar el posible asentamiento diferencial del suelo, que puede generar solicitaciones ajenas al diseño, alterando el aspecto de la estructura con la aparición de grietas significativas en las esquinas de las ventanas, puertas, muros y losas que causan daños estructurales, con esto se produce una pérdida completa  del confort de la estructura.

Desde hace más de 60 años se han desarrollado estudios y metodologías para predecir la respuesta de la edificación al asentamiento diferencial de las fundaciones, una tarea complicada debido a la particularidad de cada estructura y naturaleza de los materiales, algunos estudios relevantes son los realizados por Skempton y MacDonald (1956),  Burland y Wroth (1974) y Son y Cording (2011) que representan a las tendencias desarrolladas a lo largo del tiempo como son:  los métodos empíricos, los métodos basados en la ingeniería estructural y los métodos basados en modelaciones numéricas.

En este artículo se comprobará que el diseño de un sistema de cimentación de zapatas aisladas conectadas con vigas riostre hace posible la redistribución de solicitaciones y la disminución del valor de los asentamientos diferenciales a rangos de tolerancia admisibles.

FUNDAMENTACION TEORICA

Todo edificio a lo largo de su periodo de vida experimentará asentamientos que depende del tipo de suelo y del tipo de cimentación empleado.

En esta parte distinguimos dos tipos de asentamientos: asentamiento elástico, el cual se produce seguido al proceso constructivo por efecto de las cargas transmitidas y se da por la deformación elástica e inmediata del suelo, este asentamiento lo tenemos en todas las estructuras e indistintamente del tipo de suelo, el otro tipo de asentamiento y que es propio de las estructuras cimentadas en suelos arcillosos es el denominado asentamiento por consolidación primaria (durante la cual el exceso de presión de poro es gradualmente transferido a esfuerzos efectivos por la expulsión de agua de poro) y secundaria (ocurre después de la total disipación del exceso de presión de poro del agua cuando alguna deformación del espécimen tiene lugar debido al reajuste plástico de la estructura del suelo), y al ser la arcilla casi impermeable, la salida de agua tarda meses y aún años, por lo que la reducción de espacios vacíos del suelo es lenta y por tanto el asentamiento de la estructura es un proceso que está en función del tiempo.

Sin lugar a dudas el asentamiento por consolidación es de mucho cuidado, porque si no se tomó en cuenta desde un inicio, en unos cuantos años se puede tener grietas notables en los elementos de la estructura, tales como paredes, vigas, columnas, muros, etc. Y solucionar este problema es una tarea muy laboriosa y desde luego con valor económico muy representativo.

Interacción suelo-estructura con el método del coeficiente de balasto

El Método del Módulo de Balasto es conocido por el nombre de Método de Winkler, quien en 1867 fue su introductor, y sirvió de base para el estudio. Freire, M. (1999) considera que los resultados que históricamente ha proporcionado este método están avalados por la experiencia, factor de considerable importancia en un análisis como el que se aborda. Tal y como se ha señalado anteriormente, esto puede ser debido a que, en edificación convencional, las tensiones transmitidas al terreno son pequeñas, limitadas tanto por el coeficiente de seguridad, suficiente frente a hundimiento, como por la necesidad de limitar los asientos para que no resulten excesivos.

Asentamientos diferenciales admisibles

La nueva normativa boliviana no emite recomendaciones cuantitativas sobre la tolerancia de asentamientos, sino que lo deja abierto al criterio del ingeniero calculista, por ejemplo en el punto 18.10.2 acerca de los estados de carga de servicio en estructuras estáticamente indeterminadas dice:

El comportamiento en condiciones de carga de servicio debe determinarse mediante un análisis elástico, considerando las reacciones, momentos, cortantes y fuerzas axiales producidas por el pretensado, fluencia lenta, retracción, variaciones de temperatura, deformación axial, restricción de los elementos estructurales adyacentes y asentamiento de la cimentación. (NBHE 2016).

Y en el punto 9.2.3 sobre las solicitaciones impuestas:

Los estimativos de asentamientos diferenciales, la fluencia lenta, la retracción, la expansión de hormigones de contracción compensada o las variaciones de temperatura deben basarse en una evaluación realista de tales efectos puedan ocurrir durante la vida útil de la estructura. (NBHE 2016).

En este caso se considera conservador adoptar valores admisibles recomendados por algunos autores que realizaron estudios empíricos, como los indicados por Sowers(1962).

METODOLOGIA

Para efectos de esta investigación se analizará y determinará las cargas del emplazamiento hipotético de un edificio de tres niveles y azotea, el cual abarca una superficie asimétrica de 144.94 m² en planta,  con diferentes distribuciones de luces que varían desde los 2.40m hasta las 6.20 m. Para facilitar el cálculo de las cargas que se transmitirán en el terreno se usará el programa estructural RAM Advance 9.0, el mismo considera la interacción suelo-estructura a través del coeficiente de Balasto.

Figura 1. Edificio hipotético.

La estructura se apoyará en los suelos arcillosos del campus universitario “El Tejar” de los cuales se realizarán pruebas de caracterización en laboratorio para conocer sus propiedades físicas y mecánicas.

Se realizará un análisis estructural del edificio aporticado encontrando diferentes valores de la constante de resorte (diferente para cada zapata), y con los valores de estas constantes se calcularán los asentamientos elásticos de los apoyos que están en función de la carga transmitida.

Los asentamientos por consolidación serán calculados utilizando la teoría unidimensional de Terzaghi, utilizando los parámetros obtenidos del ensayo de consolidación en laboratorio del estrato de apoyo.

Los asentamientos elásticos y por consolidación se sumarán para obtener asentamientos totales, se cuantificarán los asentamientos diferenciales y se compararán con los asentamientos admisibles, en caso de comprobar que son inadmisibles  y que podrían generar fisuras en la estructura se analizará el sistema de fundación de vigas arriostradas a las zapatas aisladas como una medida para reducir los asentamientos diferenciales a valores admisibles.

Para este trabajo de investigación se identificó una zona de estudio de suelos, ubicada en el Campus Universitario: “El Tejar”.

Estratificación

Figura 2. Perfil estratigráfico y nivel de desplante. Fuente: Elaboración Propia.

Resistencia al esfuerzo cortante y Capacidad última de carga

Con los parámetros obtenidos de los resultados de la prueba de corte directo se pudo calcular la capacidad de carga del suelo donde se fundará la estructura, se usó las teorías de Terzaghi y Meyerhof con un coeficiente de seguridad igual a 3.

COHESIÓN	Φ
0,20	12
σadm (kg/cm2)
1,52

                                                    Figura 3. Envolvente de falla.  

Consolidación

Figura 4. Curva edométrica. Fuente elaboración propia

Estimación de asientos

El tiempo calculado en el que termina la consolidación primaria (t₁) es de 1.47 años y considerado el tiempo de vida útil de la estructura igual a 30 años (t₂) se calcula los asentamientos por consolidación secundaria para los diferentes puntos de apoyo.

Figura 5. Numeración de zapatas y pórticos. Fuente: Elaboración propia.

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

Estructura sin vigas riostre

Zapatas conectadas	L(cm)	Rotura de muros Enlucidos fisurables	Daños severos en edificios aporticados de H°A°	Asentamiento diferencial real de la estructura	Observaciones	Pórtico
		0,001L	0,0025L
		S (cm)	S (cm)	S (cm)
11 y 12	325	0,325	0,813	0,379	Fisura de muros	3
17 y 18	227	0,227	0,568	0,315	Fisura de muros	4
1 y 6	395	0,395	0,988	0,472	Fisura de muros	5
2 y 7	395	0,395	0,988	0,569	Fisura de muros	6
3 y 8	395	0,395	0,988	0,471	Fisura de muros	7
4 y 9	395	0,395	0,988	0,577	Fisura de muros	8
5 y 10	395	0,395	0,988	0,790	Fisura de muros	9

Tabla 2. Comparación del asentamiento diferencial admisible con el calculado para la estructura sin vigas riostre.

Diseño de las vigas riostre.

Figura 6. Solución de la reacción de deformaciones suelo-viga. Fuente: Seely E.B. and Smith J.O “Advanced mechanics of materials”.

Momentos inducidos por los asentamientos diferenciales

Se calcularon los momentos inducidos en las vigas de arriostre por el asentamiento diferencial de apoyos dado por la siguiente expresión:

(1)

Las inercias necesarias para que las vigas de arriostre cumplan con el propósito de reducir los asentamientos diferenciales a valores admisibles y así evitar fisuras en las estructuras se grafican para encontrar una correlación que sirva para diseño preliminar en otros proyectos de diseño de fundaciones con una longitud de separación entre zapatas de 3m a 4m. los valores corresponden a la última iteración de secciones, donde además se tomó en cuenta la reacción del suelo, peso propio y peso del suelo por encima de la viga.

Figura 7. Asentamiento diferencials Vs Inercia. Fuente: Elaboración propia

Figura 8. Variación de los asentamientos totales. Fuente: Elaboración propia

Asentamiento Inicial (cm)	Asentamiento consolidación primaria (cm)	Asentamiento consolidación secundaria (cm)	Asentamiento total (cm)
0.72	2.87	1.96	5.54
0.87	2.75	1.95	5.57
0.84	2.70	1.95	5.50
0.69	2.97	1.96	5.62
0.54	2.90	1.96	5.40
1.01	2.86	1.96	5.82
1.13	2.77	1.96	5.85
1.17	2.73	1.95	5.85
1.01	3.02	1.96	5.99
0.88	2.95	1.96	5.79
1.03	2.84	1.96	5.82
1.16	2.66	1.95	5.78
1.11	2.77	1.96	5.83
0.85	3.18	1.96	5.98
0.88	2.97	1.96	5.80
0.89	3.18	1.96	6.03
0.97	3.06	1.96	5.99
1.00	3.04	1.96	6.00

Tabla 3. Resumen de asentamientos con las vigas riostre.

Una vez configurado el arriostramiento de las zapatas se procedió a recalcular la redistribución de fuerzas, el cálculo de las presiones sobre el terreno, los asentamientos iniciales, asentamiento por consolidación primaria y asentamiento secundario; se comprobó que todos los asentamientos diferenciales son admisibles.

CONCLUSIONES

·        Se comprobó que las vigas de arriostre conectadas a zapatas aisladas es una alternativa para reducir los asentamientos diferenciales, la viga de arriostre redistribuye y uniformiza las cargas transmitidas a los cimientos por el desplazamiento diferencial de apoyos, por consiguiente los asentamientos tienden a uniformizarse; al estar conectada a la base de las zapatas transmite fuerzas verticales cumpliendo su función de viga de equilibrio, si se colocase por encima del desplante de la fundación generaría momentos flectores en las columnas, lo que requiere un rediseño de estos elementos, sin embargo este no es el caso de estudio.

·        Las secciones óptimas de las vigas de arriostre varían desde 30cmx40cm hasta secciones de 35cmx50cm, dimensiones bastante razonables para reducir los asentamientos diferenciales a valores considerados admisibles.

·        Con las vigas arriostradas a las zapatas, el asentamiento inmediato es del orden de 1 cm y el asiento diferido tomando en cuenta un tiempo de consolidación de 30 años es alrededor de 5 cm, así que la suma de ambos nos da un asentamiento a largo plazo de aproximadamente 6cm, y comparando con el valor de asentamiento admisible calculado para el suelo (S_adm= 19.47cm)  es mucho menor, y además se verifica que con las vigas de arriostre los asentamientos diferenciales son menores que 0.001L (asentamiento diferencial permisible, Sowers) cumpliendo de esta manera los estados límites de servicio.

·        Mediante los ensayos de consolidación se pudo establecer que el suelo de fundación se encuentra normalmente consolidado, debido a su historia de esfuerzos requiere un análisis cuantitativo del asentamiento por consolidación ya que este tipo de suelos sometidos a esfuerzos de contacto relativamente altos, presentan mayor deformación vertical y por lo tanto requieren un estudio más detallado de la consolidación debido al porcentaje que representa del asentamiento total, lo que se verifica con los resultados obtenidos: El asentamiento promedio teórico por consolidación primaria presentó un porcentaje del orden del 50% y el asentamiento promedio por consolidación secundaria es del orden del 34% sumando un total de 84% del asentamiento total estimado.

·        Los valores de los asentamientos obtenidos son teóricos y la mayoría de las veces son superiores a los reales debido a la variación de las condiciones in situ.

BIBLIOGRAFÍA

Calavera, J. (1982) Cálculo de estructuras de cimentación. Cuarta edición. Instituto de Materiales y Construcciones.

Delgado, V.M. (1998) Interacción suelo estructura. Primera edición. Escuela Colombiana de Ingeniería.

Freire, M. (1999) “Precisiones para el empleo del método del Módulo de Balasto en Edificación” en Informes de la Construcción. Volumen 51, número 463, pp 23-35.

Freire, M. (2000) “Interacción del Suelo, cimiento y Estructura: El caso de las Zapatas” en Informes de la construcción. Volumen 52, número 471, pp 45-58.

Crespo, C. (2004) Mecánica de Suelos y Cimentaciones. Quinta Edición, México, Editorial Limusa.