Cálculo de asentamientos con Diamonds – entrevista con Dorothée De Pauw

1. Cuéntanos más sobre su participación en el cálculo de análisis de suelos

Estoy encantada de hablar sobre los asentamientos del terreno, ya que este tema es muy importante para mí. Dentro de BuildSoft, personalmente he estado muy involucrada en los cálculos y el análisis de los asentamientos del terreno, más concretamente en las verificaciones. Comenzando con algunos conocimientos básicos sobre el asentamiento del terreno que aprendí en la universidad, investigué exhaustivamente los códigos de diseño, los parámetros del suelo, el comportamiento del terreno y los cálculos de los asientos. Me llamó la atención cuán amplio era el tema del "suelo" y cuán generalizadas está la información y las reglas de diseño. Además, solo puede encontrar algunos ejemplos de diseño detallados para los cálculos del suelo. Mis expectativas con respecto a códigos de diseño como el Eurocódigo 7 eran altas, aunque me quedé intrigada sobre dónde podría encontrar las fórmulas de diseño.

2. ¿Cuáles son las limitaciones del Eurocódigo 7 a la hora de realizar el cálculo de los asentamientos?

Desafortunadamente el Eurocódigo 7 no proporciona fórmulas de diseño o prescripciones para el cálculo de asentamientos, solo ofrece posibles estrategias y métodos de diseño. Se establece que “Deben utilizarse métodos comúnmente reconocidos para evaluar los asentamientos”. Sin embargo, estos métodos establecen que se debe considerar el perfil de las capas de suelo, incluir el efecto de los cimientos vecinos y calcular los asentamientos inmediatos y diferidos. Estos puntos son esenciales de conocer y deben verificarse con cada método que se utilice. De lo contrario, sus cálculos no cumplen con los requisitos de los Eurocódigos. Pero no se detalla cómo se deben tener en cuenta todos estos aspectos en el análisis del terreno.

Esta filosofía "general y abierta" se encuentra en todo el Eurocódigo 7. A diferencia de otras partes del Eurocódigo, el Eurocódigo 7 tiene un número reducido de fórmulas listas para usar o reglas de diseño de tipo "receta". Al principio, me pareció de alguna manera "decepcionante". No entendía por qué había tan poca información práctica, aunque aprendí que hay una buena razón para ello. El diseño geotécnico es único. No se puede comparar con otras prácticas de diseño en la industria de la construcción. Los modelos comúnmente utilizados varían de un país a otro porque las geologías son diferentes. Además, muchas prácticas se denominan “tradiciones locales”. Estas diferencias no se pueden armonizar fácilmente.

3. ¿Cuáles son algunos ejemplos de métodos para modelar el suelo para el cálculo del asentamiento en el Eurocódigo?

Existen básicamente 2 métodos: el método de elasticidad ajustada y el método de tensión-deformación. En BuildSoft, nos enfocamos en el método de tensión-deformación. Este método consiste en calcular la distribución de tensiones en el suelo debido a la carga de la cimentación. El cálculo de la deformación en el suelo a partir de las tensiones se realiza utilizando valores de módulos de rigidez u otras relaciones tensión-deformación determinadas a partir de ensayos de laboratorio o de campo. A continuación, se debe integrar las deformaciones verticales para encontrar los asentamientos. Para utilizar el método de tensión-deformación, se debe seleccionar un número suficiente de puntos dentro del suelo debajo de la cimentación y calcular las tensiones y deformaciones en dichos puntos. Es indispensable un conocimiento adecuado de la mecánica del suelo, así como de los datos reales del terreno.

4. ¿Cuáles son los métodos más utilizados para modelar en la práctica el suelo para el cálculo de los asentamientos?

El método más conocido para el cálculo de asentamientos es probablemente el modelo de Winkler o modelo de muelles. Este modelado suele ser 1D, y se considera que el suelo es un material elástico y lineal. Todo el comportamiento del suelo está representado por una sola constante de resorte, también conocida como el "módulo de balasto o coeficiente de reacción de la subrasante". Solo necesita un parámetro y todo el software de ingeniería estándar, incluido Diamonds, es compatible con esta funcionalidad. Aunque este método parece muy fácil, es más desafiante de lo que piensas: si solo utilizas un parámetro para representar el suelo, debes asegurarte de que su valor sea el correcto. Y ahí es donde la mayoría de la gente se equivoca: utiliza valores derivados de experiencias anteriores, hábitos o lo que ha encontrado en libros o en internet. Esto podría funcionar para tener una idea del comportamiento de una losa o de una cimentación superficial, pero no brindará resultados de cálculo de asentamientos precisos. El modelo de Winkler no considera el perfil estratigráfico completo (a menos que realice un ensayo de placa de carga), ni el efecto de los cimientos vecinos ni los asentamientos diferidos.

Podría trabajar con fórmulas analíticas (semi) empíricas para tensiones y asentamientos, combinadas con resultados de ensayos de campo. El foco se sitúa entonces en la superestructura al considerar el comportamiento general del suelo en el análisis global de la estructura. Este método se puede usar para cálculos manuales simples utilizando una hoja de cálculo o se puede encontrar en un software de análisis estructural general como Diamonds.

Por último, el software especializado de análisis de suelos utiliza el método de los elementos finitos para modelar el comportamiento del terreno, considerando datos reales del suelo a partir de ensayos de campo o de laboratorio. Estos modelos pueden ser tanto 2D como 3D.

5. Asentamiento global vs asentamiento diferencial: ¿cuáles son los asentamientos admisibles?

Cuando se habla de asentamiento admisible, los Eurocódigos distinguen varios componentes, como el asentamiento total (o global), el asentamiento relativo (o diferencial), la rotación, la inclinación, etc.

Los componentes más importantes son el asentamiento global y el asentamiento diferencial. Estos se pueden estimar utilizando un software de análisis estructural. Aunque el Eurocódigo no proporciona valores límite para cada componente, publicaciones como las de Skempton & MacDonald brindan buenas estimaciones de los valores límite para evitar daños en la estructura.

En mi opinión, el asentamiento diferencial puede causar la mayor parte de los daños y grietas en el edificio. Para la losa apoyada sobre el terreno, ciertamente no es suficiente hacer solo el cálculo del asentamiento en un solo punto de referencia de la cimentación. Realmente puede equivocarse aquí, si solo evalúa el asentamiento total, especialmente cuando el comportamiento del suelo cambia a lo largo de las dimensiones de las losas o si hay una variación significativa de la carga.

6. ¿Cómo puede Diamonds ayudar a los ingenieros estructurales a realizar un análisis a través del perfil estratigráfico del terreno?

Como ya sabemos, un flujo de trabajo completo para calcular los asientos no está disponible en el Eurocódigo 7. Por lo tanto, debe confiar en la experiencia o en lo que ha aprendido en la universidad, que puede ser bastante limitado. Sería mejor si tuviera una sólida confianza en los métodos de cálculo que está utilizando. He aprendido que muchos ingenieros estructurales no saben cómo empezar con el cálculo del asentamiento del suelo. Esto se debe a que el campo de la ingeniería estructural ya de por sí es muy amplio y el campo geotécnico es, al menos, igual de significativo. Como tal, debe invertir tiempo y esfuerzo en la creación de sus hojas de cálculo. Por mi experiencia, sé que estas hojas de cálculo solo pueden funcionar para geometrías estándares de losas de cimentación, tales como rectangulares, cuadradas o circulares. Cualquier otra configuración, no quedará contemplada en ellas. Y ahí es donde entramos nosotros: Diamonds incluye una excelente funcionalidad para el cálculo de asentamientos del terreno, basada en los parámetros reales del suelo medidos in situ y a su vez, permite cualquier tipo de geometría de losas.

7. ¿Cuáles son las mejores prácticas para encontrar modelos manejables y fórmulas de diseño dadas las suposiciones de que el suelo es elástico y no lineal?

Por un lado, solo se puede relacionar con el Eurocódigo. En la parte 2 del Eurocódigo 7 se proporciona un ejemplo de un método semiempírico para calcular los asentamientos de cimentaciones superficiales sobre suelo granular, utilizando qc del CPT (Cone Penetration Test). Es importante saber que este método no se promociona como el método de referencia. Además, este método tiene varias limitaciones, como la geometría/forma de la losa y el tipo de carga. El método se puede utilizar para cálculos manuales, pero no es adecuado para convertirlo al software de análisis mediante elementos finitos.

Por otro lado, puede dedicar una cantidad significativa de tiempo en realizar su propia investigación. Y una tercera opción, y seguramente la mejor, es utilizar un software de análisis estructural con cálculos de asentamiento integrados que cumplan con el Eurocódigo.

8. Acerca del modelo de cálculo en Diamonds: ¿cómo encontrar la cota de cimentación adecuada para la losa en correspondencia con el comportamiento del suelo y todos los parámetros de entrada de los ensayos de campo?

El cálculo del asentamiento se basa en la hipótesis de que la flecha de la losa es igual al asentamiento del suelo. Por supuesto, así es como será la situación real. La losa se apoya en una superficie de muelles adecuadamente elegida, y en cada punto de la malla se considera un valor de muelle diferente. No conocemos los valores de dichos muelles de antemano. Estos, se determinarán iterativamente en función de los parámetros del suelo introducidos y de forma que el asentamiento sea igual a la flecha. En este proceso iterativo, utilizamos ecuaciones de suelo bien conocidas, como la fórmula de Boussinesq para la distribución de cargas en el suelo y de Terzaghi para el cálculo del asentamiento. Esto sigue completamente el método de tensión-deformación propuesto en el Eurocódigo.

9. ¿No necesita ingresar una tonelada de información para realizar un análisis de capas de suelo de este tipo?

No, usted no tiene que hacerlo. El valor más importante por introducir es la constante de compresibilidad “C” para cada capa de suelo que desea considerar. Luego, debe ingresar el peso del suelo seco y húmedo, generalmente entre 16 y 20 kN / m^3. Y eso es todo. La constante de compresibilidad se puede obtener de la "prueba de penetración del cono" (CPT) o se puede calcular a partir del índice de compresibilidad Cc y la relación de vacíos e0. En otras palabras, utilizamos datos reales del suelo medidos in situ. El perfil estratigráfico completo se puede importar fácilmente en Diamonds, por lo que no necesita ingresar capa por capa.

10. Comparta con nosotros una situación práctica relacionada con el análisis de asentamientos.

Las excavaciones son una práctica generalizada. Proporcionan un espacio de construcción adicional (por ejemplo, para aparcamiento) debajo del nivel del terreno. Adicionalmente, puede aprovechar el estado de precarga del suelo debido a la masa de suelo removida. La tensión de precarga reducirá significativamente los asentamientos finales, tanto globales como diferenciales. Cuando se trabaja con excavaciones, la presión del agua se vuelve relevante. Tanto la presión del agua hacia arriba como la horizontal deben tenerse en cuenta.

Si no hay (necesidad de) excavación, la precarga puede estar presente debido a la carga en la superficie del terreno. Tal es el caso de un edificio existente que se va a demoler o en un gran acopio de arena.

Finalmente, el nivel del suelo no es horizontal sino inclinado en algunos casos. Y la mayoría de las losas no son 100% rectangulares o cuadradas, sino que son de forma irregular.

Con Diamonds, puedes modelar todas estas situaciones prácticas.