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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.26 no.3 Santiago dic. 2011

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732011000300001 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 26 N°3, Diciembre de 2011 www.ing.puc.cl/ric PAG. 245-268

Una mirada a medio siglo de cimentaciones laminares, métodos de cálculo e investigaciones asociadas en Cuba

 

A look at half a century of shells foundations, methods of calculation and associate research in Cuba

 

Ángel Emilio Castañeda*1, William Cobelo*, Yoermes González*, José Álvarez*

* Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría", Ciudad de la Habana. CUBA

Dirección para Correspondencia


RESUMEN

El trabajo presenta un resumen de las cimentaciones laminares más significativas construidas en Cuba en los últimos decenios y los desarrollos asociados a estas en cuanto a métodos de cálculo de láminas y cascarones de geometría compleja mediante superficies y cuerpos de referencia, a partir de la generalización del método de las solicitaciones proyectadas (Pücher, 1934) con el empleo de superficies de referencia (Hernández, 1970) y otros desarrollos alcanzados en la mecánica del sólido deformable mediante el Método de la Dualidad (Rianitsiyn, 1974; Castañeda, 1993) y la Analogía estático-geométrica en la mecánica del sólido deformable (Castañeda, 1985). Incluye además una síntesis de las investigaciones desarrolladas en los últimos años sobre el estado tenso-deformacional del suelo bajo cimentaciones laminares para chimeneas de 74,5 m en Centrales Azucareros (Cobelo, 2004), estudios comparativos realizados a estas con el empleo del MEF (González, 2010) y otros proyectos investigativos en ejecución actualmente (Álvarez, 2010).

Palabras Clave: Cimentaciones laminares, métodos de cálculo, coordenadas relativas, solicitaciones proyectadas, deformaciones proyectadas


1. Introducción 

La ingeniería estructural en Cuba durante la segunda mitad del siglo XX y primera década del XXI contiene experiencias y aportes al cálculo de las cáscaras que no pueden describirse sin observar tres hechos muy entrelazados entre sí: el proyecto y la construcción de cimentaciones laminares en edificios y depósitos elevados (la necesidad); el método de las Coordenadas Relativas que generalizó el método de las "solicitaciones proyectadas" en un plano cartesiano para el cálculo de láminas y cáscaras2 a cualquier superficie o cuerpo de referencia (la solución); y las investigaciones sobre el comportamiento tenso-deformacional de los suelos y su capacidad soportante bajo cimentoslaminares de revolución en chimeneas cortas con diversos modelos numéricos, basados en el método de los Elementos Finitos (la investigación aplicada). El artículo muestra una síntesis de los resultados más significativos de estoshechos, revela nexos y refiere fuentes para su estudio y extensión.

2. Discusión y desarrollo

El trabajo se subdivide en tres aspectos esenciales de las estructuras laminares en Cuba dentro del período (1955-2010): el proyecto y la construcción de cimientos laminares en edificios (Ruiz, 1962) y depósitos elevados (Hernández et al., 1968); el surgimiento del método de las Coordenadas Relativas (Hernández, 1970) y su posterior desarrollo como generalización del método de "solicitaciones proyectadas" (Pücher, 1934), que marcó la singularidad en los métodos de cálculo de cáscaras; y las investigaciones asociadas al estado tenso-deformacional del suelo en el nivel de solera y su capacidad soportante en suelos friccionales (C = 0) bajo cimentaciones laminares de revolución para chimeneas cortas (74,5m de altura). En él se revela la identidad, diferencia, nexos, y dinámica de estos aspectos, a la que responden los logros, las insatisfacciones y las nuevas tareas investigativas que se acometen.

2.1 Proyecto y construcción de cimientos laminares en Cuba

Las cimentaciones laminares en Cuba han cumplido más de cincuenta años. Los cimientos laminares, como solución estructural para edificios, depósitos elevados y chimeneas, enriquecen el patrimonio constructivo del país. Sin embargo, aún carecen de la generalización que sus ventajas económicas, constructivas y de diseño le conceden en condiciones donde predomina el diseño geotécnico por estabilidad, dada la corta duración de la carga ecológica dominante (vientos extremos) y la falta de antecedentes sísmicos significativos.

El uso decimentos laminares impulsó los métodos de cálculo de láminas y cascarones de geometría compleja mediante superficies y cuerpos de referencia en una línea de generalización del método de Pücher, y estimuló las investigaciones sobre el comportamiento de los suelos bajo cimentaciones laminares con aplicaciones ingenieras.

Así, en los años cincuenta del pasado siglo se proyectó y construyó en la Habana el primer cimiento laminar en forma de balsa poligonal (folded plate) con losa atirantada superior para sustentar un edificio de 24 pisos (94m de altura sobre el nivel de solera),capaz de soportar vientos huracanados con una presión lateral de 300 kg/m2 sobre un suelo con una capacidad soportante no superior a 3 kg/cm2, que ha vencido satisfactoriamente la prueba del tiempo. Este cimiento, con una superficie en planta de 2100 m2 (77,2 x 27,2) y un módulo transversal plegado de 8m y 45cm de espesor (Figura 1), obra del Dr. Ing. Sixto Ruiz Alejo (1932), representó una nueva concepción de cimentación para la época, con una disminución de un 30% en el costo de su construcción frente a una solución de balsa nervada con vigas trapezoidales, a precios fijos de aquel momento, sin incluir el beneficio de las cisternas. (Ruiz, 1962).

Figura 1. Cimentación laminar de placa poligonal (Folded Plate) para edificio alto en Ciudad de la Habana (Cortesía del Dr. Ing. Sixto Ruiz Alejo)

Además, la limitada disponibilidad y el alto costo de la madera para la construcción de depósitos tipo INTZE en el país, impulsó una nueva tipología de depósitos elevados por la tecnología de moldes deslizantes, denominada tipo "Güines", en reconocimiento al primer depósito, proyectado y construido de forma totalmente laminar, en la localidad de Catalina de Güines, Provincia Habana en 1965 (Hernández et al., 1968).

Este depósito, de 280m3 de capacidad y 27m de altura, quedó conformado por una cimentación laminar tronco-cónica de hormigón armado con 10m de diámetro máximo y 2,20 de diámetro mínimo en el fuste, 30cm de espesor promedio y un ángulo de inclinación en la base de 30°. El cimiento fue hormigonado contra terreno natural, emparejado con una formaleta giratoria,y cerrado en sus bordes superior e inferior por un anillo cuadrado con 70cm de lado. Posee además, una pequeña placa circular de 60cm de espesor en la zona interior del fuste. El fuste es un cilindro de 2,50m de diámetro exterior y 27m de altura, construido mediante encofrado deslizante (Figura 2). El vaso y la tapa fueron hormigonados alrededor del fuste, antes del izaje.La nueva tipologíaexigió un sistema de encofrados metálicos de directrices cónicas para el hormigonadode los depósitos y sus tapas en torno al fuste, hasta su posterior izado.

Figura 2. Primer depósito elevado tipo "Güira" con cimiento laminar tronco-cónico, construído eb Catalina de Güines, la Habana, 1965 (Hernández y Rubiera, 1968)

El desarrollo internacional de las estructuras tipo "torre" a partir de los años sesenta del siglo XX produjo un significativo impulso a las cimentaciones laminares en todo el mundo, y Cuba no fue una excepción. Hermann Rühle, Vicepresidente de la Asociación Internacional de Estructuras Laminares (IASS) señaló, en aquel momento, que: "La forma de cimentación más adecuada para estructuras de radio de esbeltez entre 0,1 y 0.05 es una cáscara cónica cerrada con un anillo exterior. En el caso de las chimeneas esta solución puede tener el inconveniente de requerir un diámetro considerable... En el caso de suelos y subsuelos pobres las cimentaciones circulares de estructuras tipo torre requieren anillos de gran diámetro. Sin embargo las cáscaras son la forma más adecuada de enlazar el fuste y el anillo exterior" (Rühle, 1967).

A finales de los años sesenta, y en correspondencia con esta idea, se proyectó por el Dr. Ing. José (Pimpo) Hernández (1936-2003), y se construyó por el Arquitecto José Licea Delgado (1930-1985) en Cuba, una cimentación laminar de revolución en forma de Campana de Gauss, siguiendo una propuesta de Havelka para cimentaciones tipo torre (Leonhardt, 1967), con 10,80m de diámetro máximo, 2,10m de profundidad, 20 cm de espesor y un fuste de la torre de elevación con 3,00m de diámetro (Figura 3) para un deposito elevado de 200 m3 de capacidad y 20m de altura en la ciudad de Matanzas, que ha soportado vientos extremos de 240 km/h, con rachas superiores a los 320 km/h, medidos en el lugar, sin afectaciones estructurales.

Las exigencias de esta cimentación, unido a los antecedentes del proyecto y construcción de un depósito en forma de "gota de agua" para la planta de tratamiento de la ciudad de Santiago de Cuba unos años antes (Figura 3), llevaron a Pimpo Hernández a desarrollar, en 1969, un novedoso método de cálculo de láminas que generalizó el método de "solicitaciones proyectadas" sobre un plano cartesiano (Pücher, 1934) por un método, denominado "Coordenadas relativas", dada su posibilidad de utilizar otras superficies de referencia y seleccionar la más adecuada al cálculo de cada lámina, incluida la posibilidad de que la ecuación de la lámina pueda sustituirse sólo por una función escalar de las líneas de curvatura de la superficie de referencia, en la dirección del vector normal a la misma (Hernández, 1970). El cálculo del cimiento laminar de revolución con directriz en forma de Campana de Gauss no hubiese podido lograrse, en aquel momento, sin un desarrollo de los métodos de cálculo como el que implicó esta generalización del Método de Pücher mediante Coordenadas Relativas, finalmente calculado sobre un plano polar conforme.

Figura 3. Cimiento laminar en forma de Campana de Gauss (Matanzas) y depósito elevado en fora de "gota de agua" (Santiago de Cuba) del Ing. José E. (Pimpo) Hernández

La Conferencia Internacional sobre "Cimientos para estructuras tipo torre" desarrollada por la IASS en 1970 y la VIII Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos y Cimentaciones de 1973 marcaron una síntesis prolífera de las investigaciones sobre esta temática. Sin embargo, las investigaciones experimentales y los modelos numéricos para los problemas relacionados con la interacción suelo-lámina, la distribución de las presiones de contacto entre suelo y cimiento, el cálculo de asientos, la capacidad soportante de los suelos y el estudio de las zonas de plasticidad contenida por efecto de concentración de tensiones en cimentos laminares sobre arenas, arcillas y suelos blandos en general, estaban aún en ciernes y se identificaban como un problema de investigación a futuro.

Ya fueran los 45cm de espesor en el "folded plate" del edificio en la Habana, los 30 cm del cimiento en Güines, o los 20cm del cimiento en forma de Campana de Gauss en Matanzas, los cimientos laminares iniciaron su presencia en la ingeniería estructural en Cuba al unísono de su entorno internacional y arrastraron consigo el desarrollo de los métodos de cálculo y las inquietudes sobre el comportamiento de los suelos, en una época en que Nabor Carrillo, ex-Rector de la UNAM, prologaba los primeros libros publicados en México sobre "Mecánica de suelos", escritos por Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico.

2.2 El desarrollo del método de las coordenadas relativas

El método de las Coordenadas Relativas para el cálculo membranal de láminas fue desarrollado y aplicado a casos de cubiertas, depósitos y cimentaciones en una serie de artículos de la Revista "Ingeniería Civil" a comienzo de la década de los años setenta (Hernández et al, 1973; 1974-a; 1974-b; 1975-a; 1975-b) a partir de dos ideas básicas (Figura 4-a).

- Definir una superficie de referencia arbitraria S, de geometría conocida, en función de sus líneas de curvatura (α1, α2) mediante el vector de posición de un punto arbitrario P de su superficie como:

- Definir la función f=f 1, α2) como ecuación escalar relativa de la lámina S* que se desea calcular con respecto a la superficie de referencia arbitraria S y sus líneas de curvatura (α1, α2), mediante una función de las distancias PP**, medidas en la dirección del vector normal a la superficie de referencia hasta alcanzar cada punto S* de la lámina real a calcular.

Con lo cual, la ecuación relativa de la superficie S* de la lámina real queda expresada en función de las líneas de curvatura de la superficie de referencia como:

(1)

Y toda la geometría de la lámina real S* se puede expresar así en función de los Parámetros de Lamé [(A]1,A2) los vectores unitarios y sus derivadas en la superficie de referencia S, así como la ecuación relativa f=f 1, α2) entre ambas superficies, con lo que se puede generalizar el concepto de "solicitaciones proyectadas" al relacionarse las longitudes de arco y vectores unitarios de ambas superficies mediante relaciones del tipo:

 

(2)

αi-> Coordenadas Gaussianas/Gaussian Coordinates; Ai-> Parámetro de Lamé/Lamé Parameter;dsi->Diferencial de arco/Differential arc Ri—> Radio de Curvatura Gaussiana/Gaussian Curvature Radius Oi Radio de Curvatura Geodésico/Geodesic Curvature Radius

Donde el caso f=0 , implica que la superficie de referencia S coincide con la superficie media de la lámina S* que se desea calcular en líneas de curvatura, lo que provoca que Κi= 1, Bi= ßi=0, etc. o para el caso α1= x; α2= y; y f ((α1, α2) = z (x,y) coincidiría con Pücher, y la superficie de referencia sería un plano cartesiano (x,y).

Figura 4. Coordenadas Relativas entre dos superficies (4 a) y entre dos medios tridimensionales (4 b)

El método de las Coordenadas Relativas abrió así no menos de tres nuevos caminos al cálculo de las estructuras laminares:

- Estableció la base geométrica para generalizar las ideas de Pücher relativas a la introducción de "solicitaciones proyectadas" sobre un plano cartesiano y creó la posibilidad de seleccionar la superficie de referencia S más adecuada para el cálculo de cada cáscara en función de su forma, cargas y/o condiciones de apoyo (Ejemplo: plano polar o cilindro coaxial para una cáscara de revolución con cargas en la dirección del vector; plano cartesiano para el cálculo de un paraboloide hiperbólico de base rectangular, paralela a sus asíntotas, etc.).

- Aportó una nueva vía para calcular cáscaras de forma compleja, carentes de expresión analítica para describir su superficie media, si se establece, por vía analítica o numérica, una ecuación relativa de las distancias entre la superficie media de la cáscara S* y una superficie de referencia S conocida, mediante una función del tipo f=f 1, α2)

- Amplió las posibilidades de calcular, en "solicitaciones proyectadas", problemas de contorno que posean una forma geométrica más simple sobre una superficie de referencia S que sobre la superficie media real S* de la cáscara, como es el caso de dos cilindros de igual diámetro, que corten sus ejes longitudinales a 90 grados, y cuya curva alabeada de intersección en el espacio, proyecta, como contorno, una línea recta diagonal sobre un plano cartesiano, seleccionado como superficie de referencia S para su cálculo.

Una prueba de las potencialidades de este enfoque geométrico surgía, casi simultáneamente, en la segunda mitad de los años setenta cuando un grupo de investigadores del Instituto de Aviación de Kazan (Paimuchin et al., 1975; 1977; 1980), sin hacer uso del método de las "solicitaciones proyectadas" de Pücher, propusieron una ecuación geométrica similar para el cálculo aproximado de cáscaras rebajadas y establecieron las ecuaciones básicas para el cálculo de cáscaras de formas complejas como las "linternas" y otras piezas de aviones desde esta perspectiva geométrica, con enfoques lineales y no lineales en el cálculo de cáscaras tipo "sándwich" de espesores constantes y variables, mediante superficies aproximadas de cálculo.

Mientras, en Cuba, desde la segunda mitad de los años setenta y hasta la década de los noventa, continuaron las investigaciones en el método de las Coordenadas Relativas con "solicitaciones proyectadas" y se alcanzaron nuevos resultados que permitieron la nificación de las Coordenadas Relativas con los métodos tradicionales de la geometría diferencial de cáscaras no referida a líneas de curvatura (Castañeda, 1984-a) y su generalización para cáscaras de espesores medios y gruesos, que no puedan ser reducidas a una superficie media (Castañeda, 1985; 1995), mediante la introducción de la ecuación relativa entre dos medios tridimensionales S z y S z*, y sus desarrollos derivados en geometría diferencial (Figura 4-b),

(3)

Donde, la geometría del medio tridimensional real Sz*1, α2, Z*), queda en función de la geometría del medio tridimensional de referencia Sz*1, α2, Z) para todo: z=z* D; o z = z*/D siempre y cuando:

(4)

En estos trabajos (Castañeda, 1985; 1995) se establecieron las condiciones de ortogonalidad de los vectores unitarios en la superficie media de la cáscara mediante su ecuación en coordenadas relativas β1= 0, o β2 = 0, asociados al caso en que (ω= 90°); las condiciones de rebajamiento de una cáscara sobre su superficie de referencia cuando no se requiera de solicitaciones y deformaciones proyectadas (si β1 y β2 tienden a cero simultáneamente), rectificando criterios de Paimuchin V.N. sobre las condiciones de ortogonalidad y rebajamiento de estas cáscaras con respecto a sus superficies de cálculo, además de formularse las relaciones geométricas en coordenadas relativas para un sistema de referencia no ortogonal, en correspondencia con los criterios geométricos para un punto de una cáscara gruesa (Goldenveizer, 1953).

Así, se introdujeron en la teoría membranal los "corrimientos proyectados" (Castañeda,1981-a) y las "deformaciones proyectadas" (Castañeda,1982-a; 1982-b, 1982-c) para trasladar todo el proceso de cálculo a la superficie de referencia en problemas hiperestáticos, apoyados en el método de la dualidad de las ecuaciones estático-geométricas (Rianitsyn, 1974) y el método de los Trabajos Virtuales (Hernández, 1982), creándose condiciones para la obtención de las ecuaciones básicas de la teoría de la flexión tipo Love-Kirchoff, y tipo Timoshenko, en Coordenadas Relativas con solicitaciones, deformaciones y corrimientos proyectados en la superficie de referencia (Castañeda, 1983-a; 1983-b y 1983-c) lo que era vital para dar integralidad y complementación al método en los casos "no membranales", extender los resultados a experimentos físicos en laboratorios estructurales (1984-b), y conformar un enfoque estático-geométrico integral que generalizara el Método de Püsher para cualquier superficie de referencia en teoría membranal, flexión y en el análisis de cáscaras gruesas, que fue el resultado más significativa de esta etapa en cuanto al desarrollo de los métodos de cálculo (Figura 5).

Las ecuaciones de equilibrio (2.5), geométricas (2.6), físicas o constitutivas (2.7), de solicitaciones proyectadas a solicitaciones reales (2.8) y de deformaciones proyectadas a deformaciones reales (2.9) en Coordenadas Relativas para la teoría de la flexión tipo Love-Kirchoff en la cual el elemento recto y normal a la superficie media de la cáscara permanece recto y normal después de la deformación, contiene para (f = 0) los casos clásicosen coordenadas intrínsecas de Gauss; y para α1= x; α2=y; y f (α1, α2)= z(x, y) las ecuaciones de Pücher, lo que muestra la validez de este enfoque así como las nuevas posibilidades creadas para establecer y resolver los problemas de contorno (plano polar, cilindro coaxial, etc.) con solo introducir los parámetros geométricos de su primera y segunda forma cuadrática si se dispone de una función del tipo f = f (α1, α2).

Además,el método de la Dualidad (Tabla 1),aplicado entre las ecuaciones de equilibrio (2.5) y las ecuaciones geométricas (2.6), corroboró las relaciones entre el vector de los desplazamientos proyectados (lineales y angulares) como consecuencia de despreciar las deformaciones de cortante (Qi) en la Teoría de Love-Kirchoff y considerar la rigidez infinita de la cáscara con respecto a la torsión en un eje normal a su superficie media como corresponde a este enfoque.

Figura 5. Modelación del Método de Pücher en Coordenadas Relativas para los diferentes niveles de análisis de cáscaras: a)Membrana; b) Flexión; c) Cáscaras gruesas.

Ecuaciones de equilibrio en solicitaciones proyectadas

(5)

Donde:

q1; q2; qn; m1; m2: Son fuerzas y momentos másicos en la dirección

Q1 y Q2: Son los esfuerzos cortantes proyectados

Ecuaciones geométricas en deformaciones y desplazamientos proyectados

Donde

Y:

(6)

 

Ecuaciones físicas constitutivas en solicitaciones y deformaciones proyectadas.

(7)

E: Módulo de elasticidad/Elasticity modulus; µ:Coeficiente de Poisson/Poisson ratio; h: Espesor/Thickness

Ni ,Nj:Solicitación normal/Projected normal solicitation; Nij: Solicitación tangencial proyectada/Projected tangential solicitation

Mi ,Mj:Solicitación de torsión proyectada/Projected torsional solicitations; Mij:Solicitación de flexión proyectada/Projected bending solicitation

εi ,*εj:Deformación longitudinal proyectada/Projected longitudinal deformation Yij:Distorsión proyectada/Distortion projected

Ki ,Kj:Deformación de torsión proyectada/Projected torsional deformation Kij:Deformación de flexión proyectada/bending deformation projected

 

Relaciones entre solicitaciones proyectadas y solicitaciones reales

(8)

Relaciones entre deformaciones proyectadas y las deformaciones reales

(9)

El método de las Coordenadas Relativas busca hoy nuevos desarrollos en torno a la obtención de Ecuaciones de Compatibilidad de las Deformaciones tipo Saint Vennat y Funciones de Tensión tipo Airy, Maxwell o Morera mediante el método de la Dualidad (Rianitsyn, 1974) y la Analogía estático-geométrica (Castañeda, 1985, 1993) para el cálculo con solicitaciones y deformaciones proyectadas mediante métodos inversos y semi-inversos asociados al grado de hiperestaticidad de las cáscaras, con soluciones en Diferencias Finitas, donde el operador transpuesto de la ecuación diferencial ordinaria:

t¡ene Ia forma y el operador transpuesto de la ecuación diferencial en derivadas parciales:

(10)

 

(11)

Cuando a(0), a(1)... a(m), y b(0), a(1)... b(m), son funciones de las diferentes variables y (k€N), lo que permite obtener las ecuaciones geométricas de la transposición de las ecuaciones de equilibrio (Rianitsyn, 1974) como se muestra en la Tabla 1 que introduce por filas las ecuaciones de equilibrio (2.5) y extrae por columnas las ecuaciones geométricas (2.6).

Tabla 1. Relación transpuesta del método de la dualidad para la teoría de Love-Kirchoff

 

2.3 Investigaciones del estado tenso-deformacional de los suelos bajo cimentaciones laminares de revolución por el Método de Elementos Finitos (MEF)

En la primera década del siglo XXI en Cuba se han realizado investigaciones en modelos basados en el Método de Elementos Finitos (SIGMA/W, PLAXIS, ABAQUS) sobre el comportamiento de cimientos laminares de revolución (de directriz recta y parabólica) (Figura 6) y de los suelos bajo cimentaciones laminares con carga axial-simétrica (Cobelo, 2004; González, 2010) para la determinación de distribución de presiones de contacto, asientos, capacidad soportante de suelos y solicitaciones en la estructura, considerando la interacción suelo-lámina. Estos trabajos se esarrollan en tres etapas de investigación como alternativas de cimentación para chimeneas cortas de 74,5m de altura, estructura típica en los centrales azucareros cubanos.

Figura 6. Características generales de la modelación de la cimentación por el MEF

Los estudios para estas chimeneas se realizaron sobre una cimentación geotécnicamente diseñada de 16m de diámetro, conformada por dos láminas: una cúpula invertida de 8m en el fondo del fuste, que trabaja totalmente a compresión, y una lámina tronco-cónica empotrada en el fuste y libre en el borde exterior del cimiento. La lámina tronco-cónica en todos los casos fue dividida en 10 secciones transversales con 3, 5 y 9 puntos definidos sobre cada sección, con las que se evaluaron las solicitaciones radiales (Nr) y circunferenciales (Nφ) en la superficie media. Al hormigón estructural se le atribuyó un modelo de comportamiento lineal-elástico, con E=2,16x107kPa y Coeficiente de Poisson μ=0,176.

En la primera etapa (Cobelo, 2004) se desarrolló un experimento 32 con permutaciones de suelos en el núcleo, bajo el nivel de solera y suelo de rehincho; valores del ángulo de fricción interna φ' (φ'1=200, φ'2=30º y φ'3=40°) y Módulos de Elasticidad (E01=7260kPa, E02=11000kPa y E03=30000kPa), con tres geometrías cónicas, constructivamente competitivas y diferenciadas por el ángulo (α) de inclinación de la directriz respecto al plano de la base (26,5°, 35° y 45°) y una relación f/a (0,5; 0,7 y 1,0), que determinó 27 experimentos numéricos, realizados mediante el Software SIGMA/W del GeoSlope v5.13, repetidos para modelos elásticos y elasto plásticos (Tipo Mohr-Coulomb) de comportamiento del suelo, hasta un total de 54 casos estudiados.

En la segunda etapa (González, 2010) se planteó otro experimento numéricodonde se consideraron los 45 casos homogéneos de suelos en el núcleo, bajo el nivel de solera y suelo de rehincho para los mismos valores de ángulo de fricción interna φ' y Módulo de Elasticidad de los suelos E0i para las tres geometrías tronco cónicas anteriores y dos nuevas geometrías parabólicas de curvatura Gaussiana negativa (la más desfavorable) con el empleo del PLAXIS 2D v8.2, para confrontarlos con los resultados de la primera etapa.

En la tercera etapa, aún en ejecución, se realizan nuevos experimentos numéricos para todas las permutaciones de suelos en el núcleo, bajo el nivel de solera y en el rehincho, con modelos de comportamiento elástico y elasto-plástico de este, mediante el empleo del programa ABAQUS sobre láminas de revolución de doble curvatura y de curvatura Gaussiana positiva, incrementando el número de nodos sobre cada sección transversal de la lámina, los que se confrontan con los resultados de las soluciones inversas en Coordenadas Relativas y Teoría de la Flexión tipo Love-Kirchhoff mediante la aplicación del método de Diferencias Finitas.

En lo referido a las solicitaciones radiales (Nr) y circunferenciales (Nφ) en la superficie media de la lámina (Figura 7) los resultados de las dos primeras etapas muestran que la influencia de un tipo u otro de suelo friccional y su disposición en una u otra de las zonas identificadas tiene menor significación, para una misma geometría, que el modelo elástico o elasto-plástico de comportamiento físico-constitutivo que se asuma, y que esa influencia es menor incluso en la medida en que la lámina aumenta la relación f/a. Los dos primeros gráficos de Nr y Nφ que aparecen en la parte superior de la Figura 7 para f/a = 0,5 (26,5°) corresponden a comportamiento lineal-elástico del suelo, los dos siguientes a comportamiento elasto-plástico tipo Mohr-Coulomb para la misma geometría, y los dos últimos al mismo modelo lineal-elástico para f/a =1 (45°). En cada gráfico aparecen las variaciones de Nr y Nφ para las 9 combinaciones de suelos estudiadas, que confirman su comportamiento característico en estos casos.

Figura 7. Gráficos de Nr y Nφ para diferentes relaciones de f/a y modelos de suelos

 

Los resultados obtenidos mediante la modelación computacional con aplicación del M.E.F. que consideran la interacción suelo-estructura, permitieron introducir "factores de corrección a las solicitaciones membranales" Fcr y Fφ y el Efecto de Alteración Simple.

Las distribuciones de tensiones verticales ( σy) a nivel de solera, se correspondieron en todos los casos con los ensayos físicos de Szechy (1965), Nicholls e Izadi (1968) y Kurian (1983), ratificando que existe concentración de tensiones verticales hacia los bordes de los cimientos laminares cónicos y una redistribución plástica beneficiosa en la zona central (Figura 8).

Los desplazamientos verticales (sy) en la solera de los cimientos mostraron que el suelo confinado del núcleo no es incompresible y absorbe deformaciones verticales en parte del área de la solera, siendo estas más pronunciadas hacia el borde exterior, donde se aprecian zonas de plasticidad contenida en la vecindad del extremo de la láminao el anillo de borde (Figura 9).

Figura 8. Distribución de tensiones en la solera para suelo elasto-plástico en f/a=0,5

Figura 9. Distribución de asientos (sy)en la solera para suelo elástico y elasto-plástico en f/a = 0,5

Los estudios de capacidad de carga qu, de los suelos bajo los cimientos laminares analizados demuestran que en los mismos se alcanzan valores hasta 40% superiores a los de la ecuación de capacidad de carga de Terzaghi, 34% superiores a los determinados según el criterio de Hansen, y hasta un 20% sobre los calculados según el criterio de Meyerhof, en función del ángulo de inclinación de la directriz y de los tipos de suelo presentes en el núcleo, el relleno y la base. En la Tabla 2 se muestran los resultados de capacidad de carga qu obtenidos por M.E.F. para la variante geométrica f/a=0,7 en comparación con los métodos analíticos de Terzaghi, Hansen y Meyerhof, en función del ángulo de fricción del suelo.

Así, y de forma similar a otros investigadores (Rahman, 1987), fue estimado un factor de corrección Fq que modifica el coeficiente Nq calculado según Reissner (1924) [Braja (2000), Norma Cubana para el Diseño Geotécnico de Cimentaciones Superficiales (2007)] y que compatibiliza los valores de la capacidad de carga de los cimientos tronco-cónicos con los determinados para cimiento laminar corrido de sección triangular (Hanna y Rahman, 1990), con una nueva corrección por el efecto de la interacción suelo-lámina. Además, se establecieron coeficientes de forma Ss que, incorporados a la ecuación de capacidad de carga de Terzaghi (con coeficientes de capacidad de carga corregidos por el factor Fq), toman en consideración la influencia de la forma del cimiento en el incremento de qu (Tabla 3).

Tabla 2. Resultados de capacidad de carga qu en modelo de MEF y métodos analíticos en f/a = 0,7

Tabla 3. Coeficientes de forma corregido Ss para la capacidad de carga bajo láminas tronco-cónica

En la segunda etapa de las investigaciones se utilizó una "interfase",con un comportamiento elasto-plástico tipo Mohr-Coulomb, afectado por un coeficiente Rinter=0,666 [Ibañez (2000) y Cobelo (2004)],en toda la superficie de contacto entre el suelo y la lámina de cimentación. Con base en las experiencias de otros investigadores [Huat & Mohamed (2006) y Esmaili & Hataf (2008)] y el empleo del PLAXIS 2D, (González, 2010) se modificaron y ampliaron los modelos precedentes, aprovechando las ventajas de esta herramienta: generador automático de mallas no estructuradas y salida de datos particular de la relación carga-deformación en un proceso de ensayo virtual de capacidad de carga a través de la opción de cálculo "c-φ1 reduction", que permitió establecer otro criterio gráfico para la determinación de la capacidad de carga última. Los resultados del cálculo según este último criteriose exponen gráficamente (Figura 10) para cada profundidad de cimentación Df, y se incluyen las curvas de qu según los criterios de Terzaghi y Hansen [Braja (2000), Norma Cubana para el Diseño Geotécnico de Cimentaciones Superficiales (2007)] para cimientos circulares planos de igual área de la base, junto a la obtenida, en la primera etapa, para la lámina tronco-cónica de directriz recta f/a=07.

Las investigaciones previstas en la tercera etapa, con el programa ABAQUS y el empleo de métodos semi-inversos en Coordenadas Relativas, Teoría de la flexión y Diferencias Finitas, prevé introducir el efecto de la Fuerza Horizontal y la excentricidad de la carga vertical en la modelación computacional de estas cimentaciones laminares en chimeneas cortas.

Figura 10. Resultados de capacidad de carga qu para diferentes Df , según método "cφ' reduction"

3. Conclusiones

Las cimentaciones laminares del último medio siglo han enriquecido el patrimonio construido en Cuba y la cultura profesional de la ingeniería en el país en cuanto al desarrollo de nuevos métodos de cálculo e investigaciones asociadas, como parte de un proceso general de alcance global. Entre las conclusiones de este período se destacan tres aspectos:

- El buen comportamiento estructural de las cimentaciones laminares de los depósitos elevados construidos en Cuba en la década de los años 60 del pasado siglo se corresponde con los resultados beneficiosos que desde el punto de vista de distribución de presiones, asentamientos en el nivel de solera y capacidad de carga muestran las investigaciones más recientes en estructuras tipo torre (chimeneas cortas) con los modelos geotécnicos y computacionales basados en la aplicación del Método de Elementos Finitos (M.E.F.). Las distribuciones de tensiones y asentamientos en solera obtenidos por este método demuestran que el suelo confinado en el interior de la cáscara es sensiblemente deformable, tal y como planteaban las hipótesis de diseño de aquella época, pues absorbe una parte de estas tensiones y redistribuye mejor los esfuerzos y deformaciones con relación a un cimiento circular de base rígida.

- En el intervalo de geometrías analizadas (directrices entre α=26,5° (f/a=0,5) y α=45° (f/a=1,0)), constructivamente aceptable para este tipo de cáscaras, los resultados alcanzados sobre las desviaciones en las propiedades físico constitutivas de suelos friccionales (c = 0), corroboran que estas variaciones no introducen diferencias significativas, para fines de ingeniería, en los valores de las solicitaciones Nr y Nφ en función del ángulo de fricción interna del suelo. Además, estos resultados muestran que pequeñas variaciones en la directriz de la lámina por la tecnología constructiva empleada (in situ o prefabricada) no introducen tampoco grandes afectaciones en las solicitaciones interiores de la misma, mientras que el grado de compactación de los suelos dentro de la lámina y sobre el nivel de solera, que son variables que controla el ingeniero durante la ejecución de la obra, pueden tener una mayor significación en la distribución de tensiones y los asentamientos en el nivel de cimentación.

- El desarrollo de modelos y métodos de cálculo de láminas y cáscaras basados en el método de las Coordenadas Relativas, unido a las potencialidades de los métodos numéricos y su aplicación computacional (Método de las Diferencias Finitas, MEF, etc.) muestra cada día menos barreras, para que los ingenieros proyecten y construyan competitivas cimentaciones laminares, incluso considerandomodelos de suelos más complejos en su representación físico-matemática, pero mucho más cercanos a la realidad y evaluación experimental de sus diferencias específicas (Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, etc.).

4. Notas

2 El término "cáscara" o "cascarón" se utiliza en el texto para referirse a estructuras laminares (shells) de espesores medianos y gruesos, dentro de la definición brindada por la IASS (Asociación Internacional de Estructuras Laminares) cuyo comportamiento estructural exige considerar los efectos de fuerzas cortantes y momentos flectores sobre su superficie media, e incluso la posible composición de materiales tipo "sándwich" o de múltiples capas en general que requieran un estudio de distribución de tensiones, solicitaciones o corrimientos en su espesor

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E-mail: ecashevia@civil.cujae.edu.cu

Fecha de recepción: 14/ 02/ 2011 Fecha de aceptación: 01/ 10/ 2011