Libro de Diseño de Cimentaciones

El diseño de cimentaciones es una disciplina de la ingeniería civil que se enfoca en la planificación, cálculo y diseño de las bases o fundamentos sobre las cuales se apoyarán edificios, puentes, estructuras y cualquier otro tipo de construcción. Las cimentaciones son esenciales para transmitir las cargas de la estructura al suelo de manera segura y estable, asegurando la estabilidad y la seguridad de la construcción a lo largo del tiempo.

El diseño de cimentaciones implica considerar una serie de factores, como la naturaleza y las propiedades del suelo en el sitio de construcción, las cargas que la estructura deberá soportar, las condiciones geotécnicas y sísmicas del área, y las normativas de construcción aplicables.

Tipos de Cimentaciones

Existen dos tipos principales de cimentaciones:

1. Cimentaciones Superficiales: Estas cimentaciones se utilizan cuando las cargas de la estructura se distribuyen principalmente en la capa superficial del suelo. Los tipos más comunes de cimentaciones superficiales incluyen las zapatas (cimientos de losas) y las losas de cimentación. El diseño de cimentaciones superficiales involucra el cálculo de la capacidad de carga del suelo y la distribución adecuada de la carga para evitar asentamientos excesivos.
2. Cimentaciones Profundas: Estas cimentaciones se utilizan cuando el suelo superficial no tiene la capacidad de carga adecuada o cuando las cargas deben transferirse a capas más profundas y resistentes del suelo. Los pilotes y las columnas de cimentación son ejemplos de cimentaciones profundas. El diseño de cimentaciones profundas implica la selección de la longitud y el diámetro adecuados de los pilotes, así como la evaluación de la capacidad de carga del suelo en profundidad.

El proceso de diseño de cimentaciones implica una evaluación detallada de las condiciones geotécnicas del sitio, la determinación de las cargas y momentos que actuarán sobre la estructura, el cálculo de la capacidad de carga del suelo, y la elección de un tipo de cimentación adecuado para cumplir con los requisitos de seguridad y estabilidad. Además, el diseño debe cumplir con las normativas y estándares de construcción locales y nacionales.

En resumen, el diseño de cimentaciones es esencial para garantizar la seguridad y durabilidad de las estructuras construidas sobre ellas, ya que una cimentación adecuadamente diseñada distribuye las cargas de manera eficiente y evita problemas como asentamientos excesivos, hundimientos o colapsos estructurales.

Conceptos Básicos sobre Cimentaciones

Tal como lo estableciera el Prof. Peck, la Mecánica de Suelos es una ciencia y la Ingeniería de Cimentaciones es un arte. Esta distinción debe ser bien entendida si se desea alcanzar progreso y eficiencia en ambos campos.

Los atributos necesarios para practicar con éxito la ingeniería de cimentaciones son:

1. Conocimiento de antecedentes.
2. Familiaridad con la Mecánica de Suelos.
3. Conocimiento práctico de Geología.

Peck (1962) ha indicado que el atributo más importante de los tres es el conocimiento de antecedentes. La experiencia debe contribuir a la formación profesional, y por lo tanto debe buscarse y seleccionarse. Según Peck, la experiencia profesional no es una consecuencia del tiempo transcurrido en el ejercicio, sino más bien de la intensidad con que se adquiere y asimila tal experiencia.

Los innumerables hechos acumulados durante la vida profesional no tendrían ningún valor si éstos no se pudieran organizar y aplicar a nuevos problemas. La Mecánica de Suelos hizo posible lo anterior en el diseño y construcción de cimentaciones. No obstante, hay que aclarar que la Mecánica de Suelos no es un substituto de la experiencia, su gran papel consiste en darle un mayor significado.

Tanto la familiaridad con la Mecánica de Suelos como el conocimiento práctico de la Geología, son atributos básicos del Ingeniero de Cimentaciones. El conocimiento de la Geología permite evaluar las discrepancias de las hipótesis simplificadoras que deben realizarse en los cálculos, con la realidad. La geología local debe entenderse antes de poder cuantificar los posibles errores en los cálculos y predicciones en la Ingeniería de Cimentaciones. Además, un buen programa de exploración del subsuelo es imposible de realizarse sin un buen conocimiento práctico de la geología.

Esfuerzo efectivo

El esfuerzo efectivo en cualquier dirección está definido como la diferencia entre el esfuerzo total en dicha dirección y la presión del agua que existe en los vacíos del suelo. El esfuerzo efectivo es, por lo tanto, una diferencia de esfuerzos.

Naturaleza del Esfuerzo Efectivo

El suelo es una estructura semejante a un esqueleto de partículas sólidas en contacto, formando un sistema intersticial de vacíos intercomunicados. Los vacíos del suelo están total o parcialmente llenos de agua. La interacción entre la estructura del suelo y el fluído de los vacíos determina el comportamiento, desde el punto de vista de la ingeniería, único y dependiente del tiempo, de la masa del suelo.

La compresibilidad de un suelo sujeto a carga o descarga, es principalmente su capacidad de deformación de vacíos, usualmente por desplazamiento de agua. La resistencia de un suelo es su capacidad última de resistencia a tal carga.

Los esfuerzos cortantes sólo pueden ser resistidos por la estructura de las partículas sólidas, pues el agua no tiene resistencia cortante. Por otro lado, el esfuerzo normal en cualquier plano es la suma de dos componentes: una debida a la carga transmitida por las partículas sólidas de la estructura del suelo, y la otra, una presión del fluído en los espacios vacíos.

Cálculo del Esfuerzo Efectivo

El esfuerzo efectivo requiere que se determinen separadamente el esfuerzo total y la presión de poros en suelos saturados. Considérese una condición típica de terreno en reposo, tal como se ilustra en la Fig. 1. El nivel freático se encuentra en la superficie. El esfuerzo vertical a una profundidad D se calcula determinando el peso total de una columna de suelo por área unitaria a la profundidad D.

El esfuerzo vertical σv sería igual a γD, donde γ es el peso específico total del suelo. En este caso los planos vertical y horizontal son planos principales, no existiendo esfuerzos cortantes en dichos planos. En general, el esfuerzo total vertical y el horizontal no son iguales.

La presión de poros, μ, se determina considerando una columna vertical de agua. La presencia del suelo no afecta la presión de los poros. De este modo, μ = γw D, donde γw es el peso específico del agua, que es igual a 1 gr/cc ó 1 ton/m3

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