Alguna vez te has preguntado ¿Qué tanto influye la selección del coeficiente de balasto en el diseño de una cimentación? En este post, podremos hacernos una idea mediante la evaluación de un sencillo ejemplo.
Descripción
El coeficiente de balasto es un parámetro geotécnico que depende no sólo del tipo de suelo sino de la geometría de la cimentación, y es fundamental en el diseño asistido por software de elementos finitos. En este post, no hablaremos sobre cómo obtener o estimar este valor (pueden encontrar un artículo muy interesante ya publicado en el blog, por el autor David Millones), más bien nos concentraremos en observar la influencia que tiene este parámetro en el diseño de una zapata. Cabe mencionar que la variación o influencia dependerá del tipo y la forma de la cimentación seleccionada y además de las cargas actuantes sobre ésta.
Caso de Estudio
Se evaluará una zapata cuadrada aislada con B=3.0m, la cual corresponde a una cimentación central de un edificio educativo con claros de alrededor de 5.0m.
Las cargas actuantes son las siguientes:
Tabla 1. Cargas.
Para la selección de los coeficientes de balasto se tomó el valor promedio de los parámetros de módulos de reacción de subrasante K0.3 encontrados en el libro: Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, los cuales son valores referenciales válidos para un predimensionamiento. Se han numerado los diferentes valores de “k” en la siguiente tabla.
Tabla 2. Coeficientes de balasto promedio según tipo de suelo.
Después de esto, se realiza la corrección de los valores según las dimensiones de la zapata, utilizando las formulaciones de Terzagui (1955), las cuales también dependen del tipo de suelo.
Para una zapata cuadrada de lado B(m), se tiene lo siguiente:
Corrección para suelos cohesivos:
Corrección para suelos arenosos:
Se muestran a continuación los valores corregidos.
Tabla 3. Valores de módulo de balasto corregidos.
El modelo matemático se realizó en el programa ETABS, por medio de elementos tipo SHELL con una discretización del tamaño de malla de 0.3×0.3m, se aplicaron las cargas, coeficientes de balasto según el tipo de suelo y se definieron casos no lineales de carga, incluyendo la acción conjunta de la fuerza axial y los momentos. Los factores y combinaciones de carga en servicio utilizados se resumen en la tabla siguiente.
Tabla 4. Combinaciones de carga.
Resultados
Los resultados de interés en esta ocasión son la presión máxima y la deformación máxima.
Tabla 5. Resultados ordenados de mayor a menor valor de k.
Gráfico 1. Coeficiente de balasto vs presión de suelo máxima
Gráfico 2. Coeficiente de balasto vs deformación de zapata máxima
Figura. 1. Presiones de suelo, envolvente en servicio (kgf/cm2)
Figura. 2. Deformaciones, envolvente en servicio (mm)
Comentarios
Se puede observar una variación considerable en los resultados de presión máxima en las zapatas, notando que, a mayor valor de k, mayor es la presión máxima obtenida. Si se comparan los valores extremos de arcilla – rígida y arena seca o húmeda – densa, se obtiene una variación del 92.7%, mientras que, al comparar la variación entre suelos tipo arenosos, se obtuvo un 73.7%. Cabe mencionar que, cuando el coeficiente de balasto es mayor, se produce una concentración de presión en el punto de aplicación de la carga como es el caso de las arenas densas.
En cuanto a las deformaciones sucede lo inverso, a mayor valor de k, la deformación disminuye, lo cual concuerda con lo esperado, ya que el suelo es más denso y menos propenso a deformarse. Al comparar los valores extremos se obtiene un 99.6% de variación, mientras que, en suelos arenosos un 81%.
Aunque este ejemplo es únicamente con fines ilustrativos, hace evidente la importancia de estimar cuidadosamente y bajo el criterio de un ingeniero geotécnico y estructural el valor del coeficiente de balasto a utilizar en el diseño final.
Referencias
- Millones, D. (Agosto 2021). Inesa-Tech. Aprende cómo estimar el Coeficiente de Balasto Vertical en Cimentaciones Superficiales.
- Braja M. Das. (2012) Fundamentos de Ingenieria de Cimentaciones. México D.F: CENGAGE Learning.
- Tribedi Apurba. (Nov. 2018). Structure Magazine. Variable Modulus of Subgrade Reaction. Obtenido de https://www.structuremag.org/?p=13868.
