PRINCIPIOS FUNDAMENTALES PARA EL DISEÑO SEGURO Y EFICIENTE DE CIMENTACIONES

El diseño de cimientos implica esencialmente dos consideraciones básicas.

Los objetivos principales del diseño de ingeniería son la seguridad, la facilidad de servicio y la economía. La seguridad y la capacidad de servicio se pueden mejorar aumentando los márgenes de diseño o los niveles de seguridad para reducir la probabilidad de falla. Sin embargo, esto generalmente aumenta los costos. Las consideraciones de economía general en el diseño implican equilibrar el mayor costo asociado con una mayor seguridad (y un mejor desempeño) con las pérdidas potenciales (costos, vidas y otros factores) que podrían resultar de un desempeño insatisfactorio o falla. El criterio básico de diseño es que la resistencia del sistema debe ser mayor que los efectos de carga impuestos, logrando al mismo tiempo un nivel aceptable o requerido de seguridad y desempeño.

El diseño debe garantizar un riesgo aceptable o un nivel de seguridad requerido; pero ¿cómo racionalizar cuál es un nivel de riesgo aceptable o tolerable?

La probabilidad de falla asociada con un diseño determinado debe ser compatible con el nivel de riesgo que las personas (es decir, la sociedad) están dispuestas a aceptar en situaciones específicas o de obras naturales y construidas. Esto se conoce como riesgo tolerable. El riesgo tolerable se refiere a la voluntad de vivir con un riesgo para asegurar ciertos beneficios y con la confianza de que el riesgo se controla o gestiona adecuadamente.

El nivel de seguridad deseado especificado para el diseño está definido por los códigos de práctica jurisdiccionales pertinentes. Los códigos generalmente describen buenas prácticas de diseño de ingeniería recomendadas mediante la definición de un conjunto de requisitos o disposiciones que tienen como objetivo lograr un nivel mínimo de calidad técnica y el nivel de seguridad deseado o especificado. Los códigos pueden verse como documentos para el aseguramiento de la calidad del diseño de estructuras e instalaciones de ingeniería. Los códigos son documentos legales y, como tales, la ley exige su cumplimiento. Un código representa un medio legal para facilitar que los ingenieros tomen decisiones de diseño sensatas y racionales. Ayuda al ingeniero a tomar las decisiones "correctas" que conduzcan a estructuras suficientemente seguras. Un buen código no necesariamente conduce a que no haya fallas, pero conduce a situaciones de diseño donde el número de fallas es aceptable o el nivel de riesgo es tolerable.

El proceso de diseño de cimientos está inherentemente involucrado en grados significativos y variables de incertidumbre. Se deben tener en cuenta estas incertidumbres durante el diseño. Las fuentes de incertidumbre se pueden agrupar en cuatro categorías principales:

Las incertidumbres anteriores involucran aspectos estructurales y geotécnicos y otras consideraciones que contribuyen al riesgo general. Las filosofías y procedimientos de diseño estándar generalmente tienen en cuenta la incertidumbre mediante la aplicación de factores de seguridad específicos para gestionar el riesgo de manera satisfactoria. En el diseño de esfuerzo de trabajo (permisible), esto es manejado por el factor global de seguridad; mientras que en el diseño de estados límite, se utiliza el uso de factores parciales separados sobre cargas y resistencias. La variabilidad natural del suelo y la evaluación de las propiedades geotécnicas suelen constituir la mayor incertidumbre, proporcional a los complejos procesos geológicos implicados en la deposición y formación de suelo y roca.

Por el contrario, los errores graves, incluidos los errores humanos u omisiones que ocurren en la práctica, no se cuantifican ni se tienen en cuenta mediante factores de seguridad en el diseño. Estos errores generalmente se manejan o se mitigan mediante programas de control y garantía de calidad, y revisiones independientes de terceros en proyectos más grandes. Cabe señalar que los errores graves o humanos probablemente sean responsables de la mayoría de las fallas que ocurren.

El proceso de diseño geotécnico, en lo que se refiere al diseño de cimientos, se resume esquemáticamente en la Figura 1. El proceso de diseño comienza con la descripción del proyecto (por ejemplo, un edificio con requisitos específicos de capacidad y capacidad de servicio según las necesidades del cliente). Una cuestión básica de diseño, desde la perspectiva de los ingenieros geotécnicos, está relacionada con la determinación del tipo y tamaño más apropiado de las unidades de cimentación.

Para ayudar en el proceso de diseño y garantizar un nivel específico de seguridad y el cumplimiento de un nivel mínimo especificado de calidad técnica, los ingenieros consultan un código de práctica jurisdiccional. El propósito de los códigos es ayudar a los ingenieros a tomar decisiones de diseño apropiadas. Los códigos también pueden proporcionar orientación general para los requisitos de investigación del sitio. A partir de una interpretación de los resultados de la investigación, los ingenieros geotécnicos formulan un modelo geotécnico del sitio en términos de estratigrafía, condiciones del suelo y del agua subterránea, y propiedades de ingeniería. Los códigos y sus documentos de referencia también suelen proporcionar orientación para la elección de parámetros geotécnicos apropiados, presentan una discusión sobre la teoría y los modelos o ecuaciones de cálculo apropiados para las resistencias geotécnicas y especifican combinaciones de carga y efectos de carga para el diseño.

Los parámetros geotécnicos dependen de muchos factores y están sujetos a una variabilidad e incertidumbre inherentes significativas. No existe una respuesta única a las preguntas asociadas con los parámetros de resistencia al corte y deformación que son los más apropiados para propósitos de diseño. Dependiendo de la experiencia y el criterio pasados, diferentes ingenieros podrían llegar a utilizar diferentes valores de resistencia al corte o compresibilidad, incluso para el mismo sitio.

La selección de valores de diseño característicos de las propiedades del suelo y de la roca debe tener en cuenta las siguientes cuestiones:

La selección del procedimiento utilizado para determinar las resistencias geotécnicas últimas estará influenciada por el alcance de la investigación del sitio y la complejidad de las condiciones del subsuelo en el sitio. El procedimiento de cálculo o ecuación de diseño de la resistencia geotécnica suele basarse en teorías de elasticidad, plasticidad y otros marcos teóricos relevantes. Además, la capacidad de carga última y muchos parámetros de diseño geotécnico se seleccionan con frecuencia sobre la base de correlaciones empíricas con pruebas in situ, como la prueba de penetración estándar (SPT), la prueba de penetración de piezocono (CPT), la prueba de presiómetro y otras pruebas in situ. Estas correlaciones implican una incertidumbre inherente y pueden ser específicas del sitio.

Estas correlaciones empíricas deben aplicarse con criterio y cautela. Algunas personas sugieren que la comunidad geotécnica debería reducir, si no evitar, la dependencia de este tipo de modelos de correlación. Sin embargo, se espera que las correlaciones empíricas tradicionales sigan utilizándose y sigan siendo una parte integral de la práctica del diseño durante algún tiempo. Esto se debe a que la herencia profesional geotécnica está plasmada en correlaciones empíricas.

Un enfoque de diseño básico y sólido requiere una comprensión profunda de las cuestiones clave del diseño, del entorno geológico y las condiciones geotécnicas, y de la interacción entre ellas. En la mayoría de los casos, una buena comprensión de estos factores es tan importante, si no más, como los métodos analíticos/numéricos utilizados para el análisis y el cálculo. Es importante captar inicialmente la esencia del problema y luego proceder con un análisis simple y apropiado seguido de un nivel creciente de sofisticación y complejidad, según sea necesario o según lo exija el proyecto.

Para el modelo de cálculo y los efectos de la carga, los códigos especifican factores de seguridad destinados a producir un diseño con un riesgo o nivel de seguridad aceptable. Los factores de seguridad especificados ayudan a tener en cuenta y mitigar las incertidumbres en el proceso de diseño, como las relacionadas con cargas, propiedades de los materiales, ecuaciones de diseño y variabilidad inherente en las condiciones del terreno en el sitio. Para proyectos grandes, complejos y especiales que implican un alto grado de riesgo (por ejemplo, puentes de gran luz), una investigación exhaustiva del sitio puede proporcionar datos suficientes para que los parámetros geotécnicos de los estratos a varias profundidades se describan en términos de media. y desviación estándar. Si se dispone de datos suficientes para describir adecuadamente tanto las cargas como las resistencias, se puede utilizar para el diseño y la gestión de riesgos un método completo o totalmente probabilístico, que incluya la teoría de la confiabilidad.

Como se muestra en la Figura 1, el modelo geotécnico del sitio, el modelo de cálculo y los efectos de la carga se consideran en el análisis geotécnico de la capacidad de carga y asentamiento de los cimientos. Los resultados del análisis, cuando son adecuadamente atenuados o modificados por el criterio y la experiencia de ingeniería, se utilizan luego en el proceso de toma de decisiones sobre lo que constituye el tipo y tamaño más apropiado de unidad de cimientos para el edificio.