La interacción suelo-estructura es aquella parte de la Ingeniería que estudia el comportamiento del terreno de cimentación cuando este se ve afectado por la presencia y rigidez de la propia estructura. (Beltrán, 2009).
Es decir, la interacción suelo-estructura no es mas que conocer cual es el comportamiento del suelo al estar en contacto con una estructura. La importancia de esta interacción es evidente ya que ningún edificio al momento de su diseño podría evitar el contacto con el suelo de fundación. Es necesario aclarar que la estructura puede influir en el suelo de fundación en condiciones estáticas o en condiciones dinámicas.
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| Fig. 1 Interaccion Suelo-Estructura. |
Según Beltrán (2009), la interacción estática suelo-estructura (IESE) considera para el calculo de las deformaciones del terreno la rigidez de la estructura y establece que debe existir una compatibilidad de deformaciones entre la estructura y el suelo. Es decir, los desplazamientos tanto de la subestructura como los del terreno deben ser iguales.
Se deduce entonces que la interacción estática suelo-estructura solo toma en cuenta las cargas gravitacionales, es decir, el peso propio de la estructura (carga permanente) y el peso producto del uso de la edificación (carga variable), mientras que la interacción dinámica suelo-estructura (IDSE) toma en consideración solicitaciones externas como cargas de viento, movimientos sísmicos, entre otros.
Debido a que la interacción dinámica suelo-estructura es un tema muy extenso y complejo, se decidió enfocar el contenido de esta guía en el estudio de la interacción estática suelo-estructura.
Según se ha visto esta interacción consta de dos partes, el suelo y la estructura. para fines de esta guía el suelo a estudiar serán las arcillas expansivas, las cuales se definen como suelos formados por partículas finas que están propensas a sufrir notables cambios de volumen al variar su porcentaje de hidratación.
Las arcillas están compuestas por diferentes minerales. Uno de ellos, la montmorillonita, sufre expansión entre sus capas al interactuar con agua, ya que los enlaces químicos entre las capas son débiles. Ademas, al ser una partícula muy pequeña, tiene una superficie específica muy alta de aproximadamente 800 m2/gr, esto le permite absorber más agua.
Las arcillas expansivas se caracterizan por tener el siguiente comportamiento:
• Contracción debido al secado.
• Expansión al humedecerse.
• Fenómeno de consolidación.
• Desarrollo de presiones de expansión cuando esta confinada.
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| Fig. 2 Suelos expansivos. |
Una de las teorías que estudia este tema es la de Emil Winkler (1867), la cual establece:
Que el esfuerzo en el suelo, en todos los puntos del plano de contacto de la base resulta proporcional al asentamientos producido.
σ=K∗∆
Donde:
σ= esfuerzo.
K = coeficiente de rigidez del suelo (modulo de balasto).
∆=asentamiento.
Esta proporcionalidad entre los esfuerzos y los asentamientos producidos solo es posible cuando se considera que la base es rígida..
Por lo tanto el modulo de balasto del suelo viene dado por la expresión:
K= σ/∆
Es decir, plantea una relación entre esfuerzos y deformaciones de carácter lineal.
Vale destacar, que el uso del modo de balasto se considera representativo, cuando la rigidez del terreno, aumenta con la profundidad, lo cual es posible determinar con pruebas de penetración estándar; en la sección de misceláneos se ilustra un reporte de resultados de una prueba de este tipo.
Las características de rigidez o flexibilidad de la zapata aislada, condicionan el tipo de deformaciones (asentamientos o levantamientos que estas puedan sufrir).
Según Fratelli (1993) si una base se considera infinitamente rígida y el suelo es isótropo y homogéneo tendrá la siguiente distribución de presiones.
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| Fig. 3 Distribución de presiones de contacto para bases infinitamente rígidas sin fricción apoyadas en suelos ideales |
En referencia a la imagen anterior se evidencia que en los suelos granulares la presión ejercida resulta mayor en el centro que en los bordes de la base, porque las partículas tienden a desplazarse en dirección a la zona mas descargada.
Por el contrario en los suelos arcillosos los esfuerzos son mayores en los bordes de la base y menores en el centro.
Esto se debe a que los suelos granulares se confinan donde se aplica la carga y por lo tanto su rigidez es mayor, es decir, son mas rígidos en el centro que en los bordes, mientras que en los suelos cohesivos ocurre todo lo contrario son mas rígidos en los bordes que en el centro.
En el mismo sentido la distribución de presiones para bases flexibles se muestra a continuación:
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| Fig. 4 Distribución de presiones de contacto para bases flexibles en suelos cohesivos |
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| Fig. 5 Distribución de presiones de contacto para bases flexibles en suelos granulares. |
En el caso de bases flexibles el esfuerzo es constante pero los asentamientos no, debido a las deformaciones que esta sufre al aplicar cargas. En los suelos granulares como son más rígidos en el centro que en los bordes los mayores asentamientos ocurren en los extremos, mientras que en los suelos cohesivos los mayores asentamientos van a estar en el medio.
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| Fig. 6 Distribución de presiones simplificada. |
Esta es la distribución simplificada que se adopta en el estudio de las presiones de contacto, quedando su variación sujeta a las excentricidades que puedan existir, como se aprecia en las siguientes imágenes.
Cuando la cimentación esta sometida a momentos entonces aparece un valor de excentricidad que se obtiene de dividir el momento flector entre la carga axial y se puede ver que:
Las cimentaciones que generan excentricidad menor a B/6 tendrán un comportamiento como el que se muestra a continuación donde los valores de esfuerzo determinan un diagrama de flexo compresión y se tiene que verificar que el esfuerzo máximo sea menor al esfuerzo admisible del suelo.
De igual forma cuando las cimentaciones generan excentricidades mayores a B/6 se tiene una zona en tracción que posee condiciones de esfuerzos inversa a la condición de flexo compresión que se observo en el diagrama anterior, lo que ocurre en este caso es que el esfuerzo máximo que se calcula al estar distribuido en un área mas pequeña se va a traducir en una concentración de esfuerzos en un extremo de la cimentación y que si no se tiene controlado adecuadamente esta tracción se puede propiciar la rotación de la fundación.
Una vez aplicados estos conceptos básicos de interacción suelo-estructura surge un tema de interés representado por las condiciones de servicio de la zapata en cuestión, es decir, los asentamientos y las expansiones donde estas están cimentadas.
En el campo de los asentamientos idealizaremos la zapata como un cuerpo rígido lo cual permite ilustrar conceptos de interés como el de distorsión angular.
Explicando un poco que son los asentamientos, se pueden definir como el descenso que experimenta una estructura a medida que se consolida el suelo bajo la misma.
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| Fig. 7 Asentamientos uniformes. |
Son uniformes cuando las cargas que soporta la base son igualmente distribuidas y producen un único descenso.
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| Fig. 8 Asentamientos diferenciales. |
Son diferenciales cuando la capacidad resistente del suelo es variable y cuando las cargas no se aplican uniformemente sobre el suelo.
En los suelos granulares el máximo asentamiento ocurre tan pronto como son aplicadas las cargas, mientras que en los suelos cohesivos el asentamiento ocurre en un lapso prolongado de tiempo.
Los asentamientos uniformes producen asentamientos totales, esta deformación total no genera grandes problemas estructurales, el problema sería más de funcionalidad, de drenaje, entre otros, pero la estructura no necesariamente estaría sometida a concentraciones de esfuerzos.
Los asentamientos diferenciales generan rotaciones, estas rotaciones se traducen en concentraciones de esfuerzos sobre los elementos estructurales, que a su vez se transmiten a los elementos no estructurales que son los primeros en revelar la existencia de este problema. Estos asentamientos diferenciales son muchísimo más nocivos que los asentamientos uniformes. El asentamiento diferencial puede calcularse de la siguiente manera:
∆ρ=ρmax-ρmin
Una variable importante que interviene en los asentamientos diferenciales es la separación entre apoyos (l), de manera que si los apoyos poseen una menor distancia entre sí, la pendiente es mucho más pronunciada, por lo que si la separación entre estos es mayor la pendiente va a ser suavizada.
Entender esto es entender los conceptos claves de lo que es la distorsión angular. La distorsión angular se puede calcularse de la siguiente manera:
Distorsión angular = ∆ρ/l
En este punto retomamos el tema de presiones de contacto y se puede ver que uno de los factores que aumentan los asentamientos diferenciales en las cimentaciones es la diferencia en las presiones de contacto. En la práctica usual se decide colocar en una edificación la misma dimensión de fundación en todos los apoyos por facilidad y convencionalismo constructivo, ahí aunque estamos manteniendo la misma geometría de la cimentación tenemos que tomar en cuenta que cada columna o cada apoyo va a tener un nivel de carga diferente las cuales generan una presión de contacto diferente los cueles generarían asentamientos diferenciales.
Para entender hasta que punto estos asentamientos pueden ser nocivos para las edificaciones el profesor Bjerrum en el año 1963 estableció un rango de daños en ciertas edificaciones con diversos usos a partir de la distorsión angular reportada.
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| Fig.10 Criterio de daños en estructuras. |
Otro de los factores de los que dependen los asentamientos es la rigidez de la fundación.En el caso de una zapata uniformemente cargada y flexible apoyada en una arcilla saturada el asentamiento no será uniforme, tendrá un mayor valor en el centro del área cargada y menor en los extremos, adoptando una forma similar a la que se muestra en la fig. (Beltrán, 2009).
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| Fig. 11 Perfil de asentamiento de una zapata flexible sobre arcillas expansivas. |
Por otra parte una zapata uniformemente cargada y flexible apoyada sobre un estrato granular, el asentamiento tendrá un mayor valor en los bordes y menor en el centro.
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| Fig. 12 Perfil de asentamiento de una zapata flexible sobre suelos granulares. |
Ahora bien, si se compara el perfil de esfuerzos con el de asentamientos se puede evidenciar que los asentamientos son mayores donde el suelo tiene menor rigidez.
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| Fig. 13 Perfil de esfuerzos y deformaciones en suelos cohesivos. |
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| Fig. 14 Perfil de asentamientos y deformaciones en suelos granulares. |
Comprendiendo los mecanismos de deformación en bases rígidas, es importante profundizar en el suelo de interés, representado por arcillas expansivas, donde los asentamientos que estas sufren ocurren diferidos en el tiempo, fenómeno que se conoce como consolidación, y es un ensayo regido por la norma ASTM 2435-90 y que lo pueden consultar en la sección de misceláneos, en esta sección se profundiza en la analogía de Terzaghi, teoría de esfuerzos efectivos y distribución de presiones con la profundidad, aspectos que ayudan a comprender el fenómeno de consolidación.
A grandes rasgos el ensayo consiste en aplicar a una muestra de suelo, previamente elaborada, una serie de cargas pre-establecidas con las cuales se obtienen, para cada una de ellas, valores de tiempo y deformación.
Los parámetros que intervienen en el proceso de consolidación y, por lo tanto, que se obtienen en la prueba son: deformación, relación de vacíos, carga, esfuerzo y tiempo, con dos de estos parámetros (esfuerzo y relación de vacíos) es posible generar la curva de compresibilidad.
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| Fig. 15 Curva de compresibilidad. |
En referencia a la imagen anterior se puede concluir que a medida que se aplican cargas a una muestra de suelo van disminuyendo los espacios vacíos en esta y al comenzar el proceso de descarga el suelo intenta regresar a su estado inicial pero debido a que no es un material elástico sino un material elasto-plastico no puede volver a su condición inicial.
Una de las aplicaciones de interés de esta curva de compresibilidad, es para establecer si la arcilla es pre-consolidada o normalmente consolidada, para ello es necesario conocer el esfuerzo efectivo del suelo (ver misceláneo) y con ayuda de la siguiente técnica se puede lograr.
Según Fratelli (1993) Para determinar en el laboratorio si una arcilla es normalmente consolidada o pre consolidada, se calcula el valor de la presión efectiva de la sobrecarga que soporta y se le designa por so. esta presión resulta el peso efectivo del suelo por encima del plano medio del estrato de arcilla que se analiza. El índice de vacíos correspondiente al estado natural del suelo sin disturbar es eo. trazando una vertical por so y una horizontal por eo en el diagrama de la curva de consolidación, se obtiene el punto S, como se indica en la siguiente figura.
La tangente a la parte derecha descendente de la curva corta a la horizontal trazada por eo en el punto Z. si Z queda ubicado a la izquierda de S, el suelo resulta normalmente consolidado, como se indica en el esquema a y si Z se ubica a la derecha, es pre consolidado (esquema b).
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| a) Arcilla normalmente consolidada. |
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| b) Arcilla preconsolidada. |
De las imágenes anteriores se puede deducir que las arcillas pre consolidadas son aquellas que anteriormente soportaron esfuerzos superiores a los que resiste en la actualidad, mientras que las arcillas normalmente consolidadas no han soportado cargas mayores que las actuantes. Esto significa que la altura de los estratos se ha mantenido constante en el tiempo.
Otro dato de importancia, es el concerniente a las curvas de consolidación, de la que se extraen datos claves para plantear la evolución de los asentamientos en el tiempo.
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| Fig. 16 Curva de consolidacion. |
Como se aclaro anteriormente los suelos arcillosos poseen distintos comportamientos, no solo ocurre el fenómeno de consolidación sino también el de expansión.
Se necesitan 3 condiciones para que exista expansión:
• Presencia de motmorillonita.
• Suelo no saturado.
• Existencia de una fuente de agua.
A continuación se muestra un video donde puede observar la reacción de un suelo arenoso y un suelo arcilloso al estar en contacto con el agua.
En el video se ve claramente como el suelo arcilloso absorbe el agua y aumenta en volumen, esto ocurre con un incremento mínimo de 1 o 2% en contenido de humedad.
Otro aspecto que gobierna las condiciones de servicio en las cimentaciones fundadas sobre suelos de naturaleza expansiva es la expansión propiamente dicha.
Según Fratelli (1993) los suelos expansivos pueden encontrarse en distintas áreas del planeta tales como: las zonas áridas de África, Egipto, Venezuela, España, México y al oeste de Estados Unidos. En Venezuela, específicamente en la ciudad de Santa Ana de Coro los suelos son sumamente expansivos por su alto contenido de motmorillonita.
Los suelos expansivos resultan ser un gran problema para la construcción porque los incrementos del volumen no se presentan de una manera uniforme, sino todo lo contrario, ya que pueden producirse incrementos en distintas zonas que podrían dañar severamente las estructuras si las cargas que estas trasmiten al suelo no son suficientes para contrarrestar el valor de la expansión.
Las primeras en sufrir los efectos de la expansión son las bases, cuando las bases son rígidas pueden soportar de mejor manera la expansión, mientras que las bases flexibles están propensas a sufrir un mayor impacto de la expansión.
Algunos de los ensayos para determinar la expansión de un suelo pueden ser: la prueba de expansión libre, la prueba de consolidación y la prueba de doble odómetro, Estos procedimientos han sido normalizados por la norma D 4546-96 de la ASTM (American Society for Testing and Material).
La prueba de expansión libre (método A) se realiza inundando la muestra y permitiendo que expanda verticalmente sin aplicarle ninguna sobrecarga. Posteriormente, la muestra se somete a varios incrementos de carga hasta que recupere la relación de vacíos que tenía antes de la saturación; la presión total aplicada hasta este punto se conoce como presión de expansión. La prueba deberá continuar con cargas adicionales y subsecuentes descargas como lo establece una prueba de consolidación convencional. Con la prueba de expansión libre puede determinarse: la expansión libre, el porcentaje de expansión para una presión vertical menor que la presión de expansión y la presión de expansión.
Lo práctico de esta prueba es que puede realizarse antes de comenzar la prueba de consolidación en caso que se evalúe una sola muestra o antes de la prueba de doble odómetro en caso que se desee evaluar una muestra en estado de humedad natural y otra muestra saturada.
Prueba de doble odómetro
Es un procedimiento de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de una consolidación. Los parámetros que se miden en el ensayo son la deformación volumétrica máxima, εvmáx y el esfuerzo equilibrio expansivo.
Para realizar este ensayo se utilizan dos consolidometros (A y B) que contienen muestras de suelos a estudiar labradas a partir de una muestra inalterada (calicatas) o de probeta compactada (muestra perturbada).
La muestra B se inunda con agua hasta lograr que se desarrolle toda su expansión (deformación volumétrica máxima, εvmáx) para lo cual se lleva un registro de control de deformación vs tiempo. Se continúa el ensayo aplicando una serie de incrementos progresivos de cargas las cuales definen una trayectoria de consolidación. Al aplicar la carga, el agua se evacua por dos piedras porosas, superior e inferior. Simultáneamente la pastilla A ha ido recibiendo incrementos de cargas progresivas definiendo una trayectoria de compresibilidad en su estado de humedad “natural” o de fabricación en condiciones parcialmente saturada.
La carga es incremental, para registrar las deformaciones (en el extensómetro) contra el tiempo. También carga vs relación de vacíos. Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas. Finalmente, la descarga se hace gradual.
La respuesta del suelo es diferente si se utilizan diferentes procedimientos. El método de expansión libre proporciona valores más altos de la presión de expansión y de incremento en el volumen de la muestra de suelo (Attom & Bakarat, 2000) comparado con otros métodos.
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| Fig. 17 Distribucion de los suelos expansivos en Santa Ana de Coro. |
Caracterización de los suelos expansivos en la ciudad de Santa Ana de Coro, Edo. Falcón. Venezuela.
Donde:
- IP: Índice de plasticidad
- σequ: Esfuerzo de equilibrio expansivo
- εvmáx: Deformación volumétrica unitaria máxima
- σexp: Presión de expansión
- LL: Límite líquido
- LP: Límite plástico
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