Diseño eficiente de encepados

¿Qué es un encepado?

Un encepado es una losa de hormigón ampliamente empleada en cimientos de edificaciones, puentes, estructuras marinas y otras infraestructuras pesadas, especialmente cuando las condiciones del terreno no son adecuadas para cimientos superficiales. El objetivo principal es repartir las cargas de la superestructura entre los pilotes, los cuales transfieren dichas cargas a las capas más profundas y estables del suelo o roca.

Los tipos de pilotes se diferencian por diversos criterios:

• Según el material (hormigón, acero, madera, ...)
• Según el método de instalación (hincado, perforado, atornillado, etc.).
• Según su función (de apoyo, de fricción, combinados, etc.).
• Tipos especiales (micropilotes, tablestacas, ...)

El diseño adecuado de los pilotes es crucial para controlar los asentamientos, los cuales se consideran en el diseño de la superestructura. Este diseño depende del entorno, como las características del suelo y el asentamiento máximo permitido, definido según el tipo de superestructura y el diseño global. Esta tarea es generalmente responsabilidad del ingeniero geotécnico.

Regresamos al diseño de encepados. Como se indicó, un encepado suele ser de hormigón armado, y aquí interviene el ingeniero estructural, quien debe diseñar el encepado para resistir las fuerzas de la superestructura y definir la distribución de las cargas entre los pilotes individuales.

Diseño de un encepado

En términos generales, se deben considerar múltiples factores que influyen en el resultado final:

• Material: Típicamente de hormigón armado.
• Espesor: El espesor de una cimentación de encepado depende de las cargas que deba soportar y de la separación de los pilotes.
• Forma y tamaño: La forma y el tamaño vienen determinados por la disposición de los pilotes y la naturaleza de las cargas de la estructura. Las formas más comunes son la rectangular, la cuadrada y la triangular.
• Refuerzo del encepado: Se proporciona un refuerzo adecuado para soportar los momentos flectores y las fuerzas cortantes.
• Alineación: La alineación y el posicionamiento adecuados de los pilotes son cruciales durante la construcción para garantizar que el encepado pueda transferir las cargas eficazmente.

Desde este punto, se tiene claridad sobre lo que se debe diseñar y es importante evaluar los métodos y opciones disponibles para llevarlo a cabo.

Enfoque empírico y Método de bielas y tirantes

Un enfoque básico consiste en utilizar guías fundamentadas en relaciones empíricas que consideran la alineación de pilotes, espesores, dimensiones y otros factores, para luego diseñar la armadura aplicando el método de bielas y tirantes.

El método de bielas y tirantes es una técnica de diseño utilizada en ingeniería estructural, especialmente para estructuras de hormigón armado. Es particularmente eficaz para analizar y diseñar áreas donde los supuestos convencionales de la teoría de vigas no son aplicables, como en zonas con distribuciones complejas de tensiones, conocidas como regiones de discontinuidad (regiones D), presentes cerca de aberturas, apoyos y puntos de carga. Este método simplifica los patrones complejos de tensión en un modelo idealizado formado por bielas, tirantes y nodos.

Para emplear el método de bielas y tirantes, se iniciará desarrollando un modelo idealizado de celosía que represente el flujo de fuerzas en la región D, identificando las ubicaciones y orientaciones de bielas, tirantes y nudos. Luego, se calculará las fuerzas en cada elemento mediante el análisis del modelo. Verifique que cada biela, tirante y nudo puede soportar las fuerzas determinadas. Asegúrese de la capacidad de las bielas de hormigón para resistir la compresión, de los tirantes de acero de refuerzo para la tracción y de los nudos para la transferencia de fuerzas.

El método de bielas y tirantes es una potente herramienta de ingeniería estructural, especialmente para regiones complejas en estructuras de hormigón. Sin embargo, presenta varias desventajas:

• Complejidad y conocimientos técnicos: El diseño mediante bielas y tirantes requiere un alto nivel de conocimientos y experiencia. Puede resultar complejo y difícil determinar el modelo al principio.
• Demanda mucho tiempo: Desarrollar un modelo preciso de bielas y tirantes y realizar los cálculos necesarios puede llevar mucho tiempo.
• Supuestos de simplificación: Se basa en simplificaciones e idealizaciones de la distribución real de tensiones. Estas suposiciones no pueden reflejar perfectamente el comportamiento real de la estructura.
• Naturaleza iterativa: El proceso puede ser iterativo y requerir múltiples ajustes del modelo para lograr un diseño aceptable. Este carácter iterativo puede aumentar la complejidad y el tiempo necesario.
• Conservador: En ocasiones, el método puede dar lugar a diseños demasiado conservadores y en consecuencia emplear más material del necesario, lo que puede incrementar los costes.
• No es del todo versátil: Determinar el modelo de bielas y tirantes correcto para formas atípicas puede ser complicado o incluso imposible.

Asimismo, es necesario añadir otros cálculos y verificaciones, como la resistencia al punzonamiento y las comprobaciones de reglas de detallado según normativa.

Enfoque CSFM

Una opción alternativa es emplear métodos avanzados de elementos finitos, como el CSFM, disponible en IDEA StatiCa Detail.

CSFM son las siglas de Concrete Stress Field Method. Se trata de un método utilizado en ingeniería estructural para el análisis y diseño de estructuras de hormigón armado. El método se basa en el concepto de campo de tensiones, que representa la distribución de tensiones internas dentro de un elemento de hormigón. Tiene en cuenta la interacción entre el hormigón y la armadura. A pesar de su simplicidad, el método proporciona una descripción muy realista de la respuesta de una estructura de hormigón tanto en el Estado Límite Último (ELU) como en el Estado Límite de Servicio (ELS).

El método CSFM para elementos 2D ha sido validado por verificaciones teóricas y experimentales como por aplicaciones en estructuras reales y en la práctica profesional. A continuación, veamos algunos casos prácticos.

Ejemplo 1 - Encepado de hormigón con anclaje

En el primer ejemplo presentado a continuación, se observa el diseño de un encepado para dos pilotes, incluyendo el anclaje de una columna de acero. El diseño se realizó con todas las evaluaciones de ELU y ELS, empleando el método CSFM para elementos 2D en IDEA StatiCa Detail 2D. La imagen muestra el modelo básico y un resumen de los resultados obtenidos.

No todos los aspectos (como calcular el volumen de hormigón para un encepado de un grupo de 3 pilotes) pueden simplificarse con combinaciones del método CSFM 2D, lo que llevó a IDEA StatiCa a desarrollar el método CSFM 3D. Actualmente, se encuentra en fase BETA y está a disposición del público para que pueda probarlo. A medida que se realicen más estudios de verificación, se acercará su lanzamiento oficial. Aunque el uso más común será en anclajes y zapatas, este artículo ofrece una visión amplia de la aplicación futura del enfoque 3D a medida que evolucione.

Ejemplo 2 - Encepado triangular de hormigón

En la siguiente imagen se presenta un ejemplo de diseño de encepado triangular con tres pilotes, ideal para CSFM 3D, ya que la simplificación a una solución CSFM 2D no reflejaría adecuadamente la realidad. Con CSFM 3D, no solo es posible diseñar la armadura de tracción y verificar si el hormigón transfiere correctamente la compresión, sino también visualizar la distribución de cargas hacia cada pilote individual.

Las mayores ventajas del método son:

• Automatización: En IDEA Statica, el modelo de elementos finitos se crea automáticamente. No hay necesidad de largas definiciones de restricciones, y en comparación con los modelos de bielas y tirantes, no hay necesidad de conocer el comportamiento de la estructura de antemano.
• Representación precisa de las tensiones: Proporciona una representación más precisa de las distribuciones de tensiones en regiones complejas, en comparación con métodos más simples.
• Versátil en su aplicación: Puede aplicarse a una amplia gama de elementos estructurales y condiciones de carga.
• Mayor seguridad: Ayuda a diseñar estructuras más seguras al predecir con precisión los modos de fallo potenciales.

Conclusión

En el diseño de encepados de hormigón, es evidente desde el inicio que el encepado representa un caso típico de región de discontinuidad. Aunque las normativas y manuales ofrecen principios básicos sobre cómo proceder, es esencial comprender mejor el comportamiento estructural, especialmente cuando se enfrentan formas y alineaciones inusuales. Los encepados pueden presentar dificultades al simplificar la tarea a modelos 2D, siendo necesario abordar el problema en tres dimensiones para un análisis preciso. Además, dado que esta parte sostiene literalmente el resto de la estructura, su diseño cobra una importancia aún mayor, requiriendo la atención adecuada.

Tanto CSFM como los modelos de bielas y tirantes se utilizan para regiones complejas en estructuras de hormigón. Mientras que las bielas y tirantes simplifican la región en un modelo similar a un entramado con bielas, tirantes y nodos discretos, CSFM modela la distribución continua de tensiones dentro del hormigón. En resumen, el Método del Campo de Tensiones del Hormigón (CSFM) implementado en IDEA StatiCa Detail es una herramienta sofisticada para el diseño y análisis de estructuras de hormigón armado, ofreciendo una visión detallada de las distribuciones de tensiones y resultados precisos tanto para modelos 2D como 3D.

Recursos:

Hay muchos recursos sobre CSFM en el Centro de Soporte de IDEA StatiCa (incluyendo antecedentes teóricos, artículos de la base de conocimientos y verificaciones), así como estudios de terceros y artículos que están disponibles gratuitamente en Internet.

Fuentes externas de imágenes:

[1] https://www.eigenplus.com/design-steps-of-pile-foundation/

[2] https://www.thestructuralworld.com/wp-content/uploads/2018/07/PilecapDimensions.jpg

[3] https://www.nature.com/articles/s41598-022-14416-2

[4] https://www.linkedin.com/pulse/how-determine-pile-cap-depth-dr-subramanian-narayanan/