Calculo de Cimentaciones Simiprofundas Para Postes y Lineas Electricas

Cálculo y Diseño de Cimentaciones Semiprofundas

Cimentaciones de Torres de Telecomunicaciones, de Apoyos de Líneas Eléctricas, de Aerogeneradores y de estructuras similares

©José Carlos Calvo Corrales Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura INGENOA SERVICIOS AVANZADOS, S.L. Diciembre, 2013

Cálculo y Diseño de Cimentaciones Semiprofundas Cimentaciones de Torres de Telecomunicaciones, de Apoyos de Líneas Eléctricas, de Aerogeneradores y de estructuras similares

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................. 2 INDICE DE TABLAS ................................................................................................... 2 0.

RESUMEN Y PROLOGO ..................................................................................... 3

1.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 5

2.

OBJETIVOS...................................................................................................... 14

3.

METODOLOGÍA .............................................................................................. 15

4.

PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO ..................................................................... 17 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

MÉTODOS EXISTENTES ................................................................................... 17 MÉTODO DE SULZBERGER ............................................................................... 19 MÉTODO DEL BLOQUE RÍGIDO ......................................................................... 23 MÉTODOS CLÁSICOS DE DIMENSIONAMIENTO DE CIMENTACIONES DIRECTAS ................ 26 CONSIDERACIONES RESPECTO DE LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO ........ 28 CONSIDERACIONES RESPECTO DEL DIMENSIONAMIENTO DE LAS CIMENTACIONES TIPO POZO DE CIMENTACIÓN..................................................................................................... 29 4.7 CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS .................................................................. 30 5.

CALCULOS REALIZADOS .................................................................................. 32 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

CONSIDERACIONES PREVIAS ............................................................................. 32 ACCIONES A NIVEL DE CIMENTACIÓN .................................................................. 32 MÉTODO DE SULZBERGER ............................................................................... 36 MÉTODO DEL BLOQUE RÍGIDO ......................................................................... 42 MÉTODOS CLÁSICOS DE DIMENSIONAMIENTO DE CIMENTACIONES DIRECTAS ................ 45

6.

COMPARATIVA DE LOS METODOS DE CALCULO ANALIZADOS ....................... 50

7.

CONCLUSIONES .............................................................................................. 54

8.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 56

9.

ANEXO 1: HOJAS DE CÁLCULO EMPLEADAS ................................................... 57

© José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

1


ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA

PÁGINA

Fig. 1: Torre metálica de celosía de 20 m de altura para telecomunicaciones móviles ferroviarias

6

Fig. 2: Torre metálica tubular para telecomunicaciones

7

Fig. 3: Apoyos (torres) de hormigón para líneas eléctricas

8

Fig. 4: Apoyo (torre) de celosía metálica para líneas eléctricas

8

Fig. 5 Detalle de pozo de cimentación de torre de telecomunicaciones ejecutado

9

Fig. 6 Detalle de pozo de cimentación de torre de telecomunicaciones en ejecución

9

Fig. 7: Esquema de cimentación estándar de apoyo (torre) de línea eléctrica

10

Fig. 8: Tipos principales de cimentación para torres

11

Fig. 9: Cuadro de aplicabilidad de tipos de cimentación

11

Fig. 10: Esquema de cargas y reacciones según el método de Sulzberger

20

Fig. 11: Esquema de acciones y reacciones actuantes según el método del Bloque Rígido

24

Fig. 12: Equivalencia entre cimentación con momento actuante y cimentación con carga excéntrica

26

Fig. 13: Obtención del área efectiva de una cimentación

27

Fig. 14: Alzado de torre de telecomunicaciones

34

Fig. 15: Detalle de alzado y planta de cimentación de torre de telecomunicaciones

35

Fig. 16: Relación ancho – coeficiente de compresibilidad (método de Sulzberger)

39

Fig. 17: Coeficiente de compresibilidad – Momento Resistente (método de Sulzberger)

40

Fig. 18: Coeficiente de compresibilidad – Momento resistente con Ct=Cb/2 (Sulzberger)

42

Fig. 19: Coeficiente de compresibilidad – Momento resistente (Bloque Rígido)

45

INDICE DE TABLAS

TABLA

PÁGINA

Tabla 1: Método de Sulzberger - Acciones sin mayorar

38

Tabla 2.- Variación de ancho de pozo al considerar Ct = Cb/2 (Sulzberger)

41

Tabla 3: Procedimiento de cálculo del Bloque Rígido- Torre de 40 m - Acciones sin mayorar

44

Tabla 4: Calculo del área eficaz y de la tensión media transmitida

47

Tabla 5: Método de Sulzberger - Acciones sin mayorar, sin considerar colaboración lateral del terreno


49

2


0. RESUMEN Y PROLOGO

Resumen Las cimentaciones semiprofundas o pozos de cimentación son uno de los tipos de cimentaciones más usados en la actualidad, por su empleo sistemático en las torres de telecomunicaciones, de líneas eléctricas y estructuras similares, y sin embargo también son el tipo de cimentación más desconocido y menos tratado por la normativa y literatura geotécnica. Por ello en el presente trabajo se pretende clarificar los procedimientos o métodos de cálculo específicos existentes para este tipo de cimentaciones, mediante su aplicación a un caso concreto de este tipo estructuras. De esta manera

se

realizara

un

estudio

de

los

diferentes

métodos

de

dimensionamiento específicos para pozos de cimentación, cimentaciones semiprofundas, existentes, realizando una comparación crítica entre ellos, mediante su aplicación a un caso concreto de estructuras que utilizan este tipo de cimentaciones de forma habitual, de tal forma que podamos establecer unas recomendaciones y criterios para el dimensionado óptimo de este tipo de cimentaciones.

Palabras clave: cimentaciones semiprofundas, pozos de cimentación, Sulzberger, bloque rígido, cimentación de torres.

Abstract The semi-deep foundations, or caissons are one of the most used types of foundations today for routine use in telecom towers, power lines towers and similar structures, and yet they are also the most unknown type of foundation and less treated by the rules and geotechnical literature. Therefore, in the present work is to clarify procedures or specific calculation methods exist for this type of foundation, through its application to a particular case of these structures. This will make a study of the different design methods caissons or semi-deep foundations specific existing, making a critical comparison between them, through their application to a specific case of structures that © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

3


use this type of foundation as usual, so that we can establish recommendations and criteria for optimum design of such foundations.

Key words: semi-deep foundations, caissons, Sulzberger, rigid block, tower foundation

Prólogo El presente trabajo es una versión revisada del trabajo de investigación realizado por el autor en septiembre del 2013 como Trabajo Final del Máster Universitario Oficial en Investigación en Ingeniería y Arquitectura (periodo de formación de los estudios de Doctorado) en la Universidad de Extremadura.


4


1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad existen innumerables estructuras de aplicación industrial y tecnológica que presentan unas características específicas y particulares en cuanto a la resolución de su cimentación o unión con el terreno. Concretamente en la actualidad, gracias al desarrollo de las tecnologías de la información y comunicaciones y de las energías renovables, las estructuras esbeltas tipo torre han proliferado con asiduidad, dando soporte a infraestructuras vitales para el desarrollo y progreso humano.

Estas estructuras tipo torre dan soporte, bien a antenas de comunicaciones, bien a aerogeneradores1, o bien a líneas eléctricas y de telecomunicaciones en general. La peculiaridad de este tipo de estructuras en cuanto a sus cimentaciones radica, por un lado, en que gran parte de las mismas se ejecutan como pozos de cimentación de hormigón con profundidades relativamente importantes, del orden de los 3 m a 3,5 m (de cara a asegurar el empotramiento o anclaje de la torre en la cimentación con suficientes garantías de resistencia al arranque y funcionamiento conjunto), y por otro lado, en la propia peculiaridad de las cargas que actúan sobre ellas, en las que predominan los momentos de vuelco provenientes, en general, de los esfuerzos horizontales provocados por el viento actuado sobre las torres2, frente a las tradicionales cimentaciones de edificación y obra civil, en las que las cargas son generalmente centradas y verticales.

1

En el caso de las cimentaciones de aerogeneradores, de manera habitual estas suelen ser dimensionadas de manera similar a las cimentaciones superficiales tradicionales, zapatas, consintiendo las mismas en zapatas de grandes dimensiones, en las que la relación canto/ancho es muy pequeña, por lo que en ellas no se suele considerar la colaboración lateral del terreno y su comportamiento estructural, al ser más flexibles que los pozos de cimentación, necesita de fuertes armados. No obstante consideramos que el empleo de cimentaciones en pozo, cimentaciones semiprofundas, está especialmente indicado para las cimentaciones de estas estructuras, dado las solicitaciones predominantes en ellas, momentos de vuelco, por todo lo que en el presente trabajo se expondrá. 2 Estas estructuras también están sometidas a los esfuerzos horizontales provenientes de la acciones de sismo, si bien en el ámbito estatal español, en aplicación de la normativa sismoresistente vigente, suelen ser las acciones de viento las que producen las solicitaciones más desfavorables y por tanto las generalmente consideradas en el cálculo de estas estructuras, y de sus cimentaciones. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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Además, de manera lógica, el usar pozos de cimentación es una forma óptima de resolver estas cimentaciones, por cuanto este tipo de cimentaciones, por sus mayores profundidades de cimentación, resisten mejor los esfuerzos horizontales y momentos de vuelco (solicitaciones predominantes en las cimentaciones de este tipo de estructuras).

En las figuras 1 a 6 siguientes se exponen algunos ejemplos de este tipo de estructuras cuyas cimentaciones consisten en un pozo o “dado” de hormigón (cimentaciones monobloques). Fig. 1: Torre metálica de celosía de 20 m de altura para telecomunicaciones móviles ferroviarias

Fuente: elaboración propia (Torre GSM-R Línea AVE La Sagra – Toledo)


6


Fig. 2: Torre metálica tubular para telecomunicaciones

Fuente: http://www.semi.es/lineas-de-negocio/comunicaciones-es-0-266/redes-de-telecomunicaciones.html (diciembre 2013)


7


Fig. 3: Apoyo (torre) de hormigón para líneas eléctricas

Fuente: http://www.romerohormelec.com/Hvh.htm (diciembre 2013)

Fig. 4: Apoyo (torre) de celosía metálica para líneas eléctricas

Fuente: elaboración propia © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

8


Fig. 5: Detalle de pozo de cimentación de torre de telecomunicaciones ejecutado

Fuente: http://www.inframetel.com/telecomunicaciones/obra-civil/cimentaciones-y-excavaciones/ (diciembre 2013)

Fig. 6: Detalle de pozo de cimentación de torre de telecomunicaciones en ejecución

Fuente: http://www.inframetel.com/telecomunicaciones/obra-civil/cimentaciones-y-excavaciones/ (diciembre 2013) © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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Fig. 7: Esquema de cimentación estándar de apoyo (torre) de línea eléctrica

Fuente: Especificación Técnica ET/ 5021 - Apoyos y armados para líneas de distribución AT, Ed. 2. (HidroCantábrico Distribución Eléctrica, 2001).

Como ya se ha indicado, las peculiaridades de estas cimentaciones, unidas a consideraciones constructivas motivadas por el necesario empotramiento o anclaje de dichas estructuras en sus cimentaciones3, hacen que el tipo de cimentación habitualmente usada en estas estructuras sean los pozos de cimentación, cimentaciones semiprofundas, por cuanto las cimentaciones superficiales tradicionales, zapatas, no son idóneas para soportar este tipo de cargas, y por cuanto las cimentaciones de tipo profundo, pilotes o micropilotes, por sus mayores costes económicos, reducen su uso a casos aislados en donde los tipos de cimentaciones anteriores resultan inviables, Figuras 8 y 9.

3

Normalmente en este tipo de cimentaciones, pozos de cimentación para torres eléctricas, de telecomunicaciones o estructuras similares, las profundidades mínimas son del orden de los 2 a 3 m, de cara a asegurar la unión de la estructura con su cimentación y su funcionamiento conjunto. La determinación de esta profundidad mínima deberá realizarse para cada caso particular y tipo de torre, atendiendo a la adherencia acero – hormigón, superficie de contacto (parte de la estructura o de los pernos de anclaje embebido en la cimentación) y esfuerzos máximos de tracción y compresión en el montante más desfavorable de la torre embebido en la cimentación, o perno de anclaje a la cimentación más desfavorable. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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Fig. 8: Tipos principales de cimentación para torres

Fuente: elaboración propia

Fig. 9: Cuadro de aplicabilidad de tipos de cimentación

Fuente: elaboración propia

En este contexto, nos encontramos con la necesidad de realizar el diseño y calculo de este tipo de cimentaciones de tal manera que se obtengan cimentaciones seguras y económicamente viables. Sin embargo se da la circunstancia de que este tipo de cimentaciones no están claramente contempladas ni en las distintas normativas geotécnicas o de construcción españolas, ni en los documentos técnicos oficiales españoles de recomendaciones geotécnicas y de cimentación. Ni el CTE SC-C - Código Técnico de la Edificación - Documento Básico SE-C (Ministerio de Fomento, 2008), ni las Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias - ROM 0.5-05 (Puertos del Estado, 2005), ni la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2003), establecen

de

manera

detallada

procedimientos

de

cálculo

y/o

dimensionamiento específicos para este tipo de cimentaciones, haciendo, en el mejor de los casos, meras consideraciones genéricas y remitiéndose a procedimientos específicos existentes en la literatura técnica4. 4

El CTE concretamente incluye a los pozos de cimentación en el mismo grupo que las cimentaciones superficiales, bajo la denominación de cimentaciones directas, y les aplica los mismos © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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Es más, ni siquiera el Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Líneas Eléctricas de Alta Tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-LAT 01 a 09 (Ministerio de Industria, 2008) establece procedimiento alguno para el cálculo de estas cimentaciones, cuando son precisamente las Líneas Eléctricas de Alta Tensión (sus torres o apoyos) uno de los ámbitos de aplicación habitual de este tipo de cimentaciones. Este reglamento, en lo relativo a cimentaciones de torres (apoyos) simplemente establece una serie de consideraciones de carácter general a tener en cuenta, aunque como veremos más adelante, algunas de sus consideraciones, ángulo máximo de giro de la cimentación y coeficiente de seguridad al vuelco, hace pensar que sus autores se “refieren” al método de Sulzberger (también conocido en el sector eléctrico como “Método Suizo5”).

Por otro lado en la literatura técnica de cimentaciones también escasean los procedimientos o métodos de cálculo específicos para este tipo de cimentaciones, las cuales, en general, remiten a realizar su cálculo bien como cimentación superficial bien como cimentación profunda, en función de la asimilación más adecuada en cada caso a juicio del técnico calculista.

Debido a lo anterior, el dimensionamiento y cálculo de este tipo de cimentaciones carece de referencias, normativas o técnicas, claras, dando lugar, bien al empleo de distintos métodos y procedimientos de cálculo, bien al empleo del mismo método pero con procedimientos y consideraciones distintas, todo en función de la formación y experiencia de cada técnico involucrado. Dando lugar, por tanto, a una gran variabilidad de resultados, y

procedimientos de cálculo. La ROM 0.5-05 en su artículo 3.5.1. expone “Las cimentaciones semiprofundas (…..) pueden estudiarse con los procedimientos que aquí se indican (para cimentaciones superficiales) despreciando parte del empotramiento en el terreno. En la literatura técnica existen procedimientos especiales para evaluar la mejora que la profundidad adicional introduce y su consulta puede ser de interés (…)”, y la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera dice en su apartado 4.1. “Las cimentaciones semiprofundas, también denominadas cimentaciones en pozo, deben estudiarse mediante procedimientos específicos“. 5 Esta denominación de “método Suizo” me la he encontrado de manera muy abundante en multitud de proyectos de torres de telecomunicaciones y de líneas eléctricas, en los que sus autores denominaban también así a este método, sin indicar referencia alguna en la mayoría de los casos, y en otros simplemente aduciendo que es un método tradicionalmente usado en Suiza, entre otros paises. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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de consecuencias, tanto desde el punto de vista de la garantía de seguridad de la cimentación, como desde el punto de vista de la economía de estas cimentaciones.

Como

hemos

estado

diciendo

hasta

ahora,

consideramos

a

las

cimentaciones monobloques usadas en la estructuras tipo torre en los sectores de la energía y las telecomunicaciones como cimentaciones semiprofundas6, porque aunque estas cimentaciones suelen tener su plano de apoyo a una profundidad del orden de una vez su ancho7, su funcionamiento, motivado por las cargas actuantes (momentos volcadores) y su geometría (monobloques), suele representarse de una manera más real mediante los procedimientos específicos para el cálculo de cimentaciones semiprofundas que más adelante veremos.

6

Como expone Manuel Llorens Alcón (Jiménez Salas y otros, 1980), “…entenderemos como fundación por pozos aquellos elementos de cimentación que, con relativa poca profundidad, son capaces de transmitir al terreno todas las cargas actuantes de la estructura, de forma que las deformaciones de flexión que se producen en el cimiento puedan considerarse despreciables”. 7 Curiosamente, dado que en estos pozos de cimentación para torres la profundidad de cimentación suele mantenerse fija, variando solo los lados en función de las cargas actuantes y del terreno de cimentación, cuanto mayor son las cargas que soportan estas cimentaciones, menor suele ser la relación profundidad/ancho. Esto no deja de ser algo paradójico, pero implica una menor complejidad constructiva, y por tanto un menor coste de ejecución, dado que ampliar la profundidad de cimentación conforme aumentan las cargas actuantes, lo que sería la forma lógica de actuar de cara a mantener la reducción de la excentricidad de la carga por aumento de la contribución lateral del terreno, implicaría, para ciertas cargas, llegar a profundidades de cimentación no atacables con métodos convencionales de excavación. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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2. OBJETIVOS

Dar una respuesta a las circunstancias antes expuestas, de escasez de referencias, normativas o técnicas, claras de cara al dimensionamiento de las cimentaciones semiprofundas, tratando de clarificar los principales procedimientos de cálculo específicos existentes para este tipo de cimentaciones, estableciendo una comparativa entre ellos, y en función de esta, determinar una serie de consideraciones y recomendaciones de actuación, es lo que el presente trabajo pretende, de cara a tratar de unificar criterios de cálculo y diseño de este tipo de cimentaciones, al menos en cuanto a su utilización como cimentaciones de tipo monobloque de estructuras tipo torre.


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3. METODOLOGÍA

El desarrollo del presente trabajo se ha realizado en las siguientes fases:

1. Revisión bibliográfica. Se reviso la bibliografía y normativa básica española existente sobre cimentaciones, de cara a la identificación de métodos de cálculo validos y aplicables a las cimentaciones semiprofundas.

2. Selección de métodos de calculo De los métodos de cálculo de cimentaciones semiprofundas existentes se seleccionaron aquellos que fueran específicos para este tipo de cimentaciones, y más representativos, ya fuera por su mayor difusión o empleo, o por sus mayores referencias externas. Y se determino el método de cálculo “patrón” que fuera lo suficientemente aceptado y sancionado por la práctica, para validar a los anteriores.

3. Implementación de hojas de cálculo para la realización de los cálculos Una vez seleccionados los métodos de cálculo, tanto específicos de cimentaciones profundas como método “patrón”, se elaboraron las correspondientes hojas de cálculo para la realización de los mismos.

4. Establecimiento de las hipótesis y datos de partida Se establecieron las hipótesis a adoptar, en función de las singularidades de cada método de cálculo a emplear. Y se seleccionaron las acciones, tipo de torre, a considerar para los cálculos.

5. Realización de los cálculos Con las hojas de cálculo desarrolladas, y las hipótesis y datos de partida considerados, se procedió a realizar los correspondientes cálculos, variando aquellos parámetros que se estimaran oportunos de cara a determinar su influencia en los resultados.

6. Estudio de los cálculos realizados, y de sus resultados. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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Una vez realizado los cálculos, se procedió al estudio comparativo de los mismos.

Las fuentes documentales básicas que se han empleado en el desarrollo del presente trabajo se recogen en la bibliografía que le acompaña.


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4. PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO

4.1

Métodos existentes

Como se ha dicho anteriormente, la cimentación que se emplea habitualmente para las torres de los sectores de la telecomunicaciones y la energía consiste en un pozo de hormigón (cimentación semiprofunda), en el cual, o bien se empotra un tramo de la propia estructura (caso habitual en las torres metálicas de celosía) o bien se insertan los pernos de anclaje de la torre (caso habitual de las torres metálicas tubulares).

Para realizar el cálculo de las cimentaciones de soportes de este tipo (torres), cimentaciones de cierta profundidad sometidas a momentos de vuelco, existen varios procedimientos, que son, principalmente, los siguientes:

1. Método de Sulzberger 2. Método del Bloque Rígido 3. Métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones directas 4. Métodos numéricos (elementos finitos)

Los dos primeros son métodos analíticos y específicos para el cálculo de pozos de cimentación, cimentaciones semiprofundas, sometidos a esfuerzos horizontales y momentos de vuelco, mientras que los otros dos métodos (siendo los métodos clásicos métodos analíticos) son procedimientos de cálculo genéricos, no específicos para este tipo de cimentaciones, cimentaciones semiprofundas.

El primer método citado, Método de Sulzberger, es un procedimiento del que existen escasas referencias a nivel de normativa o literatura técnica8, si bien es ampliamente usado desde hace años en los sectores de la energía y las 8

En la bibliografía del presente trabajo se incluye una referencia bibliográfica (Maciejewski, T., 1964), en la cual se describe y detalla el fundamento teórico del método de Sulzberger. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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telecomunicaciones para el dimensionado de las cimentaciones de sus torres o apoyos (cimentaciones en pozo sometidas a esfuerzos horizontales y momentos de vuelco), con, aparentemente, buenos resultados9.

El segundo método, Método del Bloque Rígido, es un procedimiento de dimensionado

de

cimentaciones

tipo

pozo

sometidas

a

esfuerzos

horizontales y momentos de vuelco expuesto por Manuel Llorens Alcón (Jiménez Salas, J.A. y otros, 1980). Dicho procedimiento se adapta perfectamente a las peculiaridades de este tipo de cimentaciones (pozos de cimentación).

Al margen de estos procedimientos de cálculo específicos, en multitud de ocasiones, generalmente por desconocimiento de los métodos anteriores, estas cimentaciones son asimiladas a cimentaciones superficiales y calculadas

según

los

métodos

clásicos

de

dimensionamiento

de

cimentaciones directas (superficiales) sometidas a cargas excéntricas e inclinadas (métodos del área efectiva). Estos procedimientos están claramente sancionados por la práctica10, y por tanto serán empleados en el presente trabajo como elemento validador, o no, de los dos procedimientos específicos para cimentaciones semiprofundas expuestos anteriormente. Pero la aplicación única y exclusiva de los mismos para el cálculo de este tipo

de

cimentaciones

implicaría

un

dimensionado

excesivamente

conservador, con el consecuente sobredimensionamiento, y por tanto no son los métodos idóneos para este tipo de cimentaciones11.

9

Esto no deja de ser una impresión propia, pero bastante ajustada a la realidad, dado que por mi experiencia profesional he podido comprobar que la inmensa mayoría de las cimentaciones de las torres de telecomunicaciones y eléctricas de España se han calculado desde hace años mediante la aplicación de este método, y el colapso o rotura de cimentaciones es algo muy excepcional, siendo más habitual, aunque también excepcional, el colapso previo de la estructura. 10 Es por esto que son los métodos (métodos del área efectiva), con pequeñas variantes, que se recogen en la normativa, recomendaciones y documentos técnicos españoles para el cálculo de cimentaciones superficiales o directas, como son el CTE (Ministerio de Fomento, 2008), la ROM 0505 (Ministerio de Fomento, 2005) y la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2003). 11 El empleo de los mismos implica, en general, no considerar la colaboración lateral del terreno, aspecto este que es lo que hace conservadores a estos métodos. Si se considerara la colaboración lateral del terreno en los mismos si podrían aplicarse a estas cimentaciones, pozos de cimentación, pero dicha consideración (que implica considerar el empuje pasivo, y por tanto la reducción de la excentricidad de la carga) lleva a soluciones similares a las desarrolladas por los procedimientos de cálculo específicos citados (Sulzberger y Bloque Rígido). © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

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En cuanto a los métodos numéricos (elementos finitos), estos se están extendiendo cada vez más para el análisis geotécnico y de cimentaciones, dado las grandes capacidades de computación que existen actualmente. Si bien para el cálculo de este tipo de cimentaciones su uso es residual, debido a que los métodos anteriores son sencillos y rápidos, y dan unos resultados óptimos y que están sancionados por la práctica, lo que hace que el empleo de los métodos numéricos (más complejos, y caros por cuanto precisan de software especifico) no mejore significativamente los resultados. Por ello en el presente trabajo no se consideraran estos métodos.

A continuación exponemos de una manera más detallada los tres primeros métodos de cálculo indicados, y que serán los que emplearemos en el presente estudio.

4.2

Método de Sulzberger

El método de Sulzberger, en parte empírico, supone un comportamiento elástico del terreno para inclinaciones de la cimentación (α) tales que tg  0,01 . Para utilizar este procedimiento se emplea un coeficiente de

balasto (habitualmente en este método se suele designar como coeficiente de compresibilidad). Es decir, que la tensión correspondiente a la reacción del terreno es proporcional al desplazamiento: σ=K∙S.

El coeficiente de balasto se supone que crece linealmente con la profundidad, siendo, por tanto, nulo al nivel de superficie y máximo al nivel del apoyo. Se adoptan distintos coeficientes de balasto horizontal y vertical, aunque por simplificar es habitual adoptar el mismo valor del coeficiente de balasto vertical que horizontal a igual profundidad. No obstante, realmente el coeficiente de balasto horizontal suele ser inferior al vertical.

En el método de Sulzberger se supone que, para el giro permitido ( tg  0,01 ), el eje de giro se sitúa a un tercio de la altura y con esta hipótesis

se obtienen las ecuaciones con las que calcular los momentos que pueden


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resistirse tanto con la reacción sobre las paredes laterales del pozo, como el que se obtiene con la reacción que se produce en la base del mismo.

Para ver el desarrollo teórico completo de este método nos remitimos a lo indicado en la bibliografía específica del presente trabajo.

El procedimiento general de cálculo del método de Sulzberger consiste, por todo lo dicho, en lo siguiente:

La acción del viento sobre la estructura produce un momento de vuelco (Mv). La cimentación de la torre, tendrá un momento resistente que equilibrará el momento de vuelco. El momento resistente de la cimentación se calcula considerando la colaboración lateral y de fondo del terreno y el peso propio de la cimentación y de la torre, todo según el esquema de la Figura 10. Fig. 10: Esquema de cargas y reacciones según el método de Sulzberger

h 2 t/3 2t/3 t O a/4 1

3

b a Siendo: h: altura de la torre. a y b: dimensiones en planta de la cimentación t: profundidad de la cimentación. 1, 2, 3: tensiones máximas sobre el terreno. O: punto de giro de la cimentación. Fuente: Análisis del Anejo de Cimentaciones del Proyecto de las Torres de Telefonía Móvil de la L.A.V. MadridBarcelona- Frontera Francesa (CEDEX, 2002) y elaboración propia.


20


El momento resistente de la cimentación dependerá, por lo anterior, de varios factores:

1. Naturaleza del terreno, es decir capacidad del mismo para soportar empujes laterales y/o de fondo. 2. Situación del emplazamiento (cercanía o lejanía de un borde de talud). 3. Posibilidad de perder, bien por obras futuras, bien por erosiones, parte o la totalidad de la cuña pasiva.

Se considera la colaboración tanto lateral como de fondo del terreno, de tal forma que el momento resistente (Mr) de la cimentación es función de los siguientes parámetros:



Dimensiones del macizo.



Coeficientes de compresibilidad del terreno (horizontal y vertical).



Pesos propios (macizo + torre).

De tal forma que el momento resistente (Mr) de la cimentación vendrá dado por la siguiente expresión:

Mr 

 bt3 2 P Ct  tg .  P  a   0,5   2 36 3 2  a  b  Cb  tg 

  (f1)  

Representando la primera parte de la expresión la contribución lateral del terreno al momento resistente (Mr,lat), y el segundo término el momento resistente debido a las cargas verticales que producen la reacción vertical del terreno en el fondo de la cimentación (Mr,fon), y siendo Ct el coeficiente de compresibilidad horizontal y Cb el coeficiente de compresibilidad vertical. A su vez se producen en el terreno las tensiones siguientes:

En fondo de solera 1 =

2.Cb .P. tg (f2) b


21


t En fondo lateral 3 = Ct. .tg (f3) 3

En el lateral 2 =

3 (f4) 3

siendo: b: ancho de la cimentación (considerando cimentación cuadrada) P: carga vertical actuante, : ángulo de giro de la cimentación, 1, 2, 3: tensiones máximas sobre el terreno,

Ct, Cb: coeficientes de balasto del suelo en paredes y fondo de la cimentación, respectivamente.

El proceso de cálculo se desarrolla de la siguiente forma:

1. Se determinan unas dimensiones de zapata, mediante la ecuación f1 y admitiendo un giro en la cimentación tal que tg  0,01 , se determina el momento resistente y se comprueba el coeficiente de seguridad (Cs), repitiendo el proceso hasta que Cs = Mr/Mv > 1,5. 2. Mediante las ecuaciones f2 a f4 se obtienen las tensiones inducidas al terreno bajo la acción del momento de vuelco Mv, (se obtiene calculado el valor real de giro de la cimentación cuando actúa Mv, el momento real actuante, que será tg 

0,01 , y con dicho ángulo de Cs

giro en las ecuaciones f2 a f4 se determinan los valores de las tensiones).

3. Se comprueba que la capacidad admisible del suelo, vertical y horizontal, es superior a las tensiones transmitidas.

4. Si el suelo es capaz de soportar las tensiones se finaliza el proceso, de no ser así, se incrementa el ancho (manteniendo la profundidad de de cimentación fija) y se reinicia el proceso hasta que se cumpla que adm,vert > 1 y adm,hor > 2 y 3.


22


4.3

Método del Bloque Rígido

Por otro lado, para realizar las comprobaciones de cimentaciones semiprofundas, como es el caso de los pozos que se utilizan para estas torres, se puede emplear el método del Bloque Rígido (Jiménez Salas y otros, 1980), para cuyo desarrollo teórico completo nos remitimos a la bibliografía.

En el método del Bloque Rígido se emplea, al igual que en el Método de Sulzberger, el coeficiente de balasto, si bien se supone que el giro se produce al nivel de la base del pozo, por lo que se obtiene una distribución de tensiones y consecuentemente de momentos que resisten las paredes y el fondo ligeramente distintas a las obtenidas con el método de Sulzberger.

En el método del Bloque Rígido se utiliza un factor, , que corresponde a la relación entre el módulo de balasto horizontal y vertical ( =

∕

). Este

factor es, en general, inferior a la unidad. Depende en gran medida del material, aunque en una primera aproximación podría considerarse un valor de 0,50 - 0,75. También, al igual que el método de Sulzberger, supone una variación lineal del coeficiente de balasto con la profundidad.

Según este método en el caso que la excentricidad de la resultante al nivel del apoyo quede fuera del núcleo central (caso habitual en las cimentaciones de

las

torres

de

telecomunicaciones,

de

líneas

eléctricas

o

de

aerogeneradores), el punto de giro queda dentro de la base de cimentación y, por tanto, asume un cierto despegue de la cimentación, siendo triangular la ley de presiones al nivel del apoyo.

Las acciones actuantes y reacciones obtenidas con este método de cálculo, en el caso que la excentricidad de la resultante al nivel del apoyo quede fuera del núcleo central, se ilustran en la Figura 11 adjunta.


23


Fig. 11: Esquema de acciones y reacciones actuantes según el método del Bloque Rígido

M Q

N

R

Fuente: Consideraciones acerca de las Cimentaciones de las Estaciones de Comunicación - Corredor Noroeste de Alta Velocidad, Línea Zaragoza – Huesca (Ingeniería del Suelo, 2003), y elaboración propia.

De tal forma que fruto de determinar el ángulo real de giro de la cimentación y de establecer el equilibrio entre acciones actuantes y reacciones del terreno, tendremos las siguientes expresiones:

2 N

tg 

(f5)

2

L  9    e  B  Kv 2  p h max 

 2 N  H 2

L  36    e   B 2 

 tg  K h 

H (f6) 4

2 N L  p max  tg  3    e   K v  (f7) L  2  3   e  B 2  R

N H2 L  27    e  2 

2

 Q (f8)

x m  H  tg (f9) M r ,lat 

B  H 2  p h, max 3

(f10)

M r , fon  M  Q  H   M r ,lat (f11)

Mv QH 

N H3 L  54    e  2 

2

 N  e (f12)


24


Siendo: L y B: lados de la cimentación, B lado perpendicular al sentido de Q y Mv. N: carga vertical actuante sobre la base de cimentación : ángulo de giro de la cimentación, pmax, ph,max: tensiones máximas sobre el terreno, Kv, Kh: coeficientes de balasto del suelo en paredes y fondo de la cimentación, respectivamente. e: excentricidad H: profundidad de la cimentación Q: fuerza horizontal actuante sobre la cimentación R: reacción horizontal en contacto cimento-terreno µ: relación entre coeficientes de balasto (µ=Kh/Kv) xm: desplazamiento horizontal de la cimentación Mr,lat: Momento resistente lateral Mr,fon: Momento resistente en el fondo El proceso de cálculo se desarrolla de la siguiente forma:

1. Se determinan unas dimensiones de zapata, y mediante la ecuación f12, se determina el valor de la excentricidad de la resultante.

2. Mediante las ecuaciones f5 a f11 se obtienen el resto de parámetros, entre ellos el ángulo de giro de la cimentación (f5) y las tensiones máximas inducidas al terreno bajo la acción de las cargas actuantes (f6 y f7).

3. Se comprueba que la capacidad admisible del suelo, vertical y horizontal, es superior a las tensiones transmitidas, y que el valor del ángulo de giro es inferior al admisible.

4. Si el suelo es capaz de soportar las tensiones, y el ángulo de giro de la cimentación es inferior al máximo permitido, se finaliza el proceso, de no ser así, se incrementa el ancho (en el caso de mantener la © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

25


profundidad de cimentación fija) y se reinicia el proceso hasta que se cumplan las dos condiciones anteriores.

4.4

Métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones directas

En los casos en los que las cimentaciones están sometidas a una carga vertical acompañada de un momento, la distribución de presiones sobre el suelo no es uniforme. La combinación de una carga vertical (N) y un momento (M) sobre la base de la torre es equivalente a la aplicación de una carga vertical aplicada con una excentricidad (e), tal como se puede apreciar en la Figura 12. El valor de la excentricidad se puede determinar a partir de la siguiente expresión: e=M/N Fig. 12: Equivalencia entre cimentación con momento actuante y cimentación con carga excéntrica

e M

N

N

Fuente: Análisis del Anejo de Cimentaciones del Proyecto de las Torres de Telefonía Móvil de la L.A.V. MadridBarcelona- Frontera Francesa (CEDEX, 2002).

En general se admite que la carga de hundimiento de una cimentación sometida a una carga excéntrica es similar a la que correspondería a una cimentación sometida a esa misma carga pero centrada y actuando sobre la denominada “área efectiva”12.

El “área efectiva” es tal que su centroide ha de coincidir con la posición de la carga excéntrica, de forma que:

L´= L – 2eL 12

Este concepto del área efectiva es el recogido tanto en el CTE (Ministerio de Fomento, 2008) como en la ROM 0.5-05 (puertos del Estado, 2005) y en la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2003) para el cálculo de cimentaciones directas (superficiales) sometidas a cargas excéntricas. En este trabajo se emplearan los criterios recogidos en la mencionada Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2003) en lo referente a este método. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

26


B´= B – 2eB siendo eL y eB las excentricidades en las direcciones de los lados L y B respectivamente y L´y B´ las dimensiones de la cimentación efectiva. En la Figura 13 se muestra un esquema de la obtención del área efectiva de una cimentación rectangular. Fig. 13: Obtención del área efectiva de una cimentación

L L´

eL eB

B´ B

Fuente: Análisis del Anejo de Cimentaciones del Proyecto de las Torres de Telefonía Móvil de la L.A.V. MadridBarcelona- Frontera Francesa (CEDEX, 2002)

Con esta consideración del área efectiva se pueden calcular las tensiones medias que las torres ejercen sobre el terreno, y compararlas con las admisible del terreno, da tal forma que se compruebe que la transmitida es inferior a la admisible (comprobación del estado limite último de hundimiento).

Por otra parte, la carga que cada torre va a transmitir al terreno será una carga vertical correspondiente a su peso propio y una carga horizontal producida por el viento actuando sobre la misma y que produce un momento volcador sobre la base. El momento volcador, en este caso, deberá suponerse aplicado según la diagonal de la cimentación, a 45º con respecto a los lados de la cimentación, con lo que así se considera la existencia de excentricidad en las dos direcciones y del mismo valor, caso más desfavorable con este método, como se ha indicado en el esquema de la Figura 13.


27


En este método no se considera ninguna contribución resistente del terreno lateral que rodea la cimentación.

4.5

Consideraciones respecto de la caracterización geotécnica del terreno

Tomando como base las características y particularidades de los métodos de cálculo específicos para cimentaciones profundas anteriores, Sulzberger y Bloque Rígido, en los que el parámetro base del terreno son sus coeficientes de compresibilidad o módulos de balasto, y las normas habituales de buena práctica geotécnica, se recomienda, para la cimentación de cada una de estas torres, realizar un estudio previo de cada emplazamiento concreto, que incluya un reconocimiento hasta una cierta profundidad del terreno en dicho punto.

Dicho reconocimiento profundo, de cara a una optimización de recursos, puede ser bien solo una calicata, en aquellas zonas en las que se prevea encontrar roca a una profundidad inferior a 4 ó 5 metros, o bien una calicata y un ensayo de penetración dinámica (en ambos casos con extracción de una muestra alterada de la calicata para ensayos de reconocimiento y clasificación). Los datos que se obtengan de este reconocimiento puntual se deberán analizar conjuntamente con la información geológico-geotécnica de la zona que pueda existir.

A pesar de todo ello, en caso de que persistan dudas sobre las características geotécnicas de los terrenos encontrados convendría realizar un sondeo mecánico con extracción continua de testigo.

También conviene indicar que una inspección visual de la localización precisa del terreno de cimentación en la que se detecte la existencia, en superficie o a escasa profundidad, de roca o de un material de dureza suficiente como para asegurar que ni se puede realizar un ensayo de penetración dinámica, pues daría rechazo, ni se puede excavar una calicata, pues el cazo de la retroexcavadora no podría excavar el material, podría ser considerado un reconocimiento suficiente. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

28


4.6

Consideraciones respecto del dimensionamiento de las cimentaciones tipo pozo de cimentación

El dimensionamiento de las cimentaciones se debe hacer de acuerdo a las siguientes pautas, en las que se ha tenido en cuenta los métodos de cálculo específicos de cimentaciones semiprofundas descritos y el procedimiento de reconocimiento geotécnico anteriormente considerado, basado éste último fundamentalmente en la ejecución de un penetrómetro dinámico.

1. En función de los resultados del estudio o reconocimiento geotécnico, determinar la consideración o no de la contribución lateral del terreno para el dimensionamiento de las cimentaciones. Y en caso de considerarlo, desde que profundidad se debe considerar el mismo. Teniendo en cuanta que su consideración implica que se movilice, al menos parcialmente, el empuje pasivo y ello requiere un nivel de deformaciones del terreno relativamente elevado, por lo que deberá ser tenido en cuenta por si afectara al buen funcionamiento de las torres (requisitos de funcionamiento).

2. En función de los resultados del estudio o reconocimiento geotécnico, determinar, por un lado, los valores idóneos de los coeficientes de compresibilidad o de balasto a emplear en los métodos de dimensionamiento específicos (Sulzberger o Bloque Rígido), y por otro los valores de la tensión admisible del terreno, tanto vertical como horizontal (esta última debe ser inferior a la vertical).

3. Realizar el dimensionamiento de la cimentación empleando uno de los métodos específicos indicados en el presente trabajo (Sulzberger o Bloque Rígido), siendo recomendable el de Sulzberger por ser más intuitivo y de mayor sencillez operativa. Este dimensionamiento debe incluir la comprobación del estado límite último de hundimiento (tensiones), y de los estados límites últimos de servicio de estabilidad (vuelco y deslizamiento).


29


Adicionalmente,

de

manera

independiente,

y

en

función

de

las

características de cada caso concreto, se deberán evaluar otros estados límites que sean aplicables, como el de estabilidad global (en cercanías de taludes) y otros.

4.7

Consideraciones constructivas

El correcto funcionamiento de las cimentaciones tipo pozo consideradas dependerá en gran medida del procedimiento de ejecución adoptado. Si no se toman las precauciones oportunas se pueden invalidar las hipótesis realizadas en el diseño de las cimentaciones con los métodos de cálculo específicos de cimentaciones semiprofundas (Sulzberger y Bloque Rígido).

1. Desde un punto de vista constructivo, la recomendación más importante que se debe tener en cuenta es que la base de la excavación de la cimentación debe recubrirse inmediatamente de hormigón

de

limpieza,

en

especial

cuando

el

terreno

sea

meteorizable, es decir, arcilloso, margoso o similar, para evitar su alteración, al entrar en contacto con la atmósfera, con la consiguiente disminución de la capacidad portante del mismo.

2. En los laterales de la excavación deberá sanearse el material flojo que pueda desprenderse (zonas agrietadas). El fondo de la excavación, en caso de no utilizar hormigón de limpieza, conviene recompactarlo para evitar que quede un nivel superficial flojo de material removido. Esta precaución es especialmente importante en niveles granulares. En todo caso, nunca debe procederse a la homogeneización del nivel del fondo extendiendo las tierras que queden sueltas en el fondo.

3. Cuando al nivel del fondo de la cimentación queden limos flojos, se procederá a sobreexcavar hasta una profundidad de 4,0 m y se colocará un material granular “clavado en el fondo” en la sustitución. Si se pudiera, sería bueno echar algo de piedra pequeña, tamaño máximo 15-20 cm, y clavarla en el fondo con la máquina de excavar. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

30


4. Debe disponerse de una bomba en el emplazamiento para poder evacuar el agua que pudiera llegar al pozo de cimentación, bien por escorrentía asociada a las lluvias o por infiltración a través de las paredes y el fondo del pozo. Cuando se deje la excavación abierta de modo provisional, conviene disponer un pequeño cordón de tierra que evite la entrada de agua en caso de producirse alguna precipitación.

5. El hormigonado debe realizarse contra el terreno y preferiblemente el mismo día de ejecutarse la excavación. Si no se puede completar las operaciones dentro del mismo día, cuando se vaya a colocar el hormigón, se procederá a una limpieza de los materiales caídos en el pozo y a una recompactación del fondo. Esta medida obligará a tener el primer tramo de torre montado junto al emplazamiento de la cimentación al realizar la excavación.

6. La profundidad del pozo de cimentación habrá de contarse una vez superado el nivel superficial de tierra vegetal. Debe realizarse un rebaje previo, eliminando la tierra vegetal de la zona donde se realizará la cimentación de la torre y excavar el pozo desde ese nivel.

7. Una vez realizado el hormigonado, conviene recompactar el entorno de pozo y conseguir de este modo que los niveles superficiales colaboren en mayor medida.

8. Dadas las dimensiones habituales de estas cimentaciones, desde el punto de vista estructural no suelen requerir armado, siendo cimentaciones de hormigón en masa. Si bien conviene disponer una armadura mínima (armadura de piel) para evitar que se fragmente el pozo o dado de hormigón y lograr que trabaje como un solo bloque. En este sentido recomendamos colocar mallazos de acero corrugado en todas las caras del pozo, compuesto por barras corrugadas de diámetro mínimo 12 mm y separaciones máximas de 30 cm, de manera que se garantice el funcionamiento conjunto de todo el pozo.


31


5. CALCULOS REALIZADOS

5.1

Consideraciones previas

En el presente trabajo, dado que su objeto principal es el estudio de los métodos específicos de cálculo de cimentaciones semiprofundas, pozos de cimentación, estableceremos como datos de partida unos valores de solicitaciones a nivel de cimentación (peso propio y momento de vuelco), y en función de estos dimensionaremos su cimentación como pozo de cimentación, primero con el método de Sulzberger, para después, evaluar los valores determinados con dicho método con el método del Bloque Rígido, de tal manera que podamos establecer correspondencias y/o discrepancias entre ambos métodos. Finalmente comprobaremos los resultados de los dos métodos anteriores mediante los métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones superficiales sometidas a cargas excéntricas e inclinadas (métodos del área efectiva), de tal manera que podamos establecer la idoneidad, o no, de los métodos anteriores.

5.2

Acciones a nivel de cimentación

Como acciones sobre la cimentación vamos a considerar las acciones siguientes extraídas de un caso real de torres de telecomunicaciones: Tipo de Torre (características de la torre considerada)13: 

Torre de estructura metálica de celosía.

13

Se ha considerado una torre de 40 m por ser la altura más desfavorable, mayor, de las habitualmente empleadas tanto en telecomunicaciones como en líneas eléctricas. Los valores del coeficiente de seguridad al vuelco y máximo ángulo de giro permitido en la cimentación indicados, han sido considerados por ser los habitualmente utilizados por extrapolación de lo indicado al respecto en el Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Líneas Eléctricas de Alta Tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-LAT 01 a 09 (Ministerio de Industria, 2008). El tipo de torre considerada se corresponde con la torre tipo que la empresa Siemens, S.A. instalo para soporte del sistema de telecomunicaciones móviles ferroviarias en los tramos de Líneas Ferroviarias de Alta Velocidad: Segovia – Valladolid, Madrid – Valladolid, Lleida – Barcelona, La Sagra – Toledo y Córdoba – Málaga, líneas ferroviarias promovidas por el GIF (Gestor de Infraestructuras Ferroviarias) y el ADIF (Administrador de Infraestructuras Ferroviarias), entre los años 2004 y 2006. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

32




Altura de la torre (H): 40 m.



Uso de la torre: telecomunicaciones ferroviarias (GSM-R)14.



Máximo giro permitido en cimentación (α): tan α ≤0,01.



Coeficiente de seguridad al vuelco de cimentación (Cs): 1,5.



Sección de la torre (estructura) en la base: 1,8 x 1,8 m.



Cimentación por empotramiento en pozo de hormigón.



Dimensiones mínimas del pozo de cimentación: 2,0 x 2,0 x 3,0 m15.

En las Figuras 14 y 15 siguientes se adjuntan gráficos ilustrativos de la torre considerada y de su cimentación.

14

GSM-R: Global System Mobile – Railways, sistema de comunicaciones móviles basado en el estándar GSM y adaptado al ferrocarril como soporte de las comunicaciones y parte del sistema de señalización europeo ERMTS (European Rail Traffic Management System) en su nivel 2 de aplicación. 15 Dado el objeto del presente trabajo no tendremos en cuenta las dimensiones mínimas de cimentación por motivos constructivos indicadas a efectos de dimensionamiento. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

33


Fig. 14: Alzado de torre de telecomunicaciones

Fuente: Proyecto Tipo de Torre Siemens de Telecomunicaciones Móviles Ferroviarias (Siemens, S.A. 2004). © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

34


Fig. 15: Detalle de alzado y planta de cimentación de torre de telecomunicaciones

Fuente: Proyecto Tipo de Torre Siemens de Telecomunicaciones Móviles Ferroviarias (Siemens, S.A. 2004).

Las acciones más desfavorables sobre la cimentación, para un viento de 200 Km/h16 y para la carga de antenas considerada, extraídas del cálculo estructural de la torre, son las siguientes:

16

Se ha considerado un viento de 200 Km/h por ser el valor más desfavorable de la acción del viento que el ADIF (Administrador de Infraestructuras Ferroviarias) establece en sus especificaciones técnicas para el cálculo de la estructura de la torres de telecomunicaciones móviles ferroviarias en Líneas Ferroviarias de Alta Velocidad. Siendo dicho valor, además, superior al que, de manera general y habitual, habría que considerar por aplicación de la normativa correspondiente en otros casos, Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Líneas Eléctricas de Alta Tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-LAT 01 a 09 (Ministerio de Industria, 2009) o Código Técnico de la Edificación (Ministerio de Fomento, 2008). © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

35


Acción

Torre de 40 m de altura

Momento volcador (Mv) 192,92 Tm Peso de la torre (P)

8,04 T

Indicar que el momento volcador es consecuencia de la acción del viento sobre la torre, el cual puede actuar de manera frontal a la torre (perpendicular a una de sus caras), o bien de manera diagonal (según la diagonal de la torre en el caso de torres de sección cuadrada o rectangular). En el primer caso el momento volcador actuara con su valor total de manera perpendicular a una de las aristas de la cimentación, y en el segundo lugar dicho momento, con el mismo valor, actuara según la diagonal de la cimentación. Para cada método de cálculo, y para cada comprobación de estado límite, habrá de tomarse dicho momento actuando frontalmente o diagonalmente

según

sea

más

desfavorable

en

función

de

las

consideraciones o características de cada método o estado límite.

Para el peso propio de la cimentación se ha considerado un peso específico del hormigón de 24 KN/m3.

5.3

Método de Sulzberger

En nuestro caso, con las acciones sobre la cimentación indicadas utilizamos el método de Sulzberger para realizar el diseño de la cimentación. El criterio empleado, en consonancia con lo ya expresado, es que el momento resistente sea del orden de 1,5 veces el momento volcador, y que el giro de la cimentación para ese momento sea tg  = 0,0117.

Las comprobaciones, cálculos, se han realizado empleando una herramienta propia, hoja de cálculo, desarrollada mediante la aplicación Excell de Microsoft, y se han realizado para distintos coeficientes de compresibilidad o módulos de balasto, dado que el dimensionamiento de la cimentación, una

17

Los valores del coeficiente de seguridad al vuelco y ángulo máximo de giro de la cimentación indicados son los contemplados en el Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Líneas Eléctricas de Alta Tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-LAT 01 a 09 (Ministerio de Industria, 2008). © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

36


vez fijadas las solicitaciones o acciones, solo dependerá del tipo de terreno, el cual se caracteriza, para este método, únicamente por dicho parámetro geotécnico.

En la Tabla 1, que resulta de los cálculos realizados, se indican los valores de los anchos de cimentación necesarios para alcanzar el coeficiente de seguridad indicado para cada valor considerado del coeficiente de compresibilidad. Se indican también el ángulo de giro (tg α), las tensiones laterales y en el fondo (σ1, σ2 y σ3), y los momentos resistentes (Mr, Mr,lat y Mr,fon) que se producen como consecuencia de la acción del momento de vuelco (Mv).


37


Tabla 1: Método de Sulzberger - Acciones sin mayorar. Altura de Torre (m)

Peso de torre (kN)

Lado de ciment. (m)

Profundidad de ciment. (m)

Momento de Vuelco Máximo (kNm)

Peso de ciment. (kN)

Peso total torre + ciment. (kN)

Momento Resistente lateral (kNm)

Momento Resistente en apoyo o fondo (kNm)

Momento Resistente Total (kNm)

Coef. de Seguridad (Mr/Mv)

Tag α, Giro real de la Ciment.

Tensión máxima en base de cimentación "σ1" (kN/m2)

Tensión máxima en pared de cimentación "σ3" (kN/m2)


Coeficiente de Balasto en Paredes "Ct" (kN/m3)

Coeficiente de Balasto en Base "Cb" (kN/m3)

40,00

80,40

1,44

3,50

1.929,90

174,18

254,58

2.744,00

143,53

2.887,53

1,50

0,00668

614,911

1.247,601

415,867

160.000

160.000

40,00

80,40

1,53

3,50

1.929,90

196,64

277,04

2.733,28

166,69

2.899,97

1,50

0,00665

601,247

1.164,605

388,202

150.000

150.000

40,00

80,40

1,62

3,50

1.929,90

220,45

300,85

2.701,13

192,19

2.893,31

1,50

0,00667

588,933

1.089,467

363,156

140.000

140.000

40,00

80,40

1,72

3,50

1.929,90

248,51

328,91

2.663,01

223,57

2.886,58

1,50

0,00669

576,545

1.014,006

338,002

130.000

130.000

40,00

80,40

1,84

3,50

1.929,90

284,39

364,79

2.629,67

265,92

2.895,58

1,50

0,00666

563,142

933,096

311,032

120.000

120.000

40,00

80,40

1,97

3,50

1.929,90

326,00

406,40

2.580,84

317,58

2.898,42

1,50

0,00666

549,717

854,502

284,834

110.000

110.000

40,00

80,40

2,11

3,50

1.929,90

373,98

454,38

2.512,95

380,27

2.893,22

1,50

0,00667

535,992

778,217

259,406

100.000

100.000

40,00

80,40

2,27

3,50

1.929,90

432,84

513,24

2.433,16

461,63

2.894,78

1,50

0,00667

520,888

700,017

233,339

90.000

90.000

40,00

80,40

2,45

3,50

1.929,90

504,21

584,61

2.334,31

566,09

2.900,39

1,50

0,00665

504,022

621,033

207,011

80.000

80.000

40,00

80,40

2,64

3,50

1.929,90

585,45

665,85

2.200,92

691,07

2.891,99

1,50

0,00667

485,421

544,984

181,661

70.000

70.000

40,00

80,40

2,86

3,50

1.929,90

687,09

767,49

2.043,71

856,27

2.899,98

1,50

0,00665

462,928

465,842

155,281

60.000

60.000

40,00

80,40

3,09

3,50

1.929,90

802,04

882,44

1.840,05

1.049,93

2.889,98

1,50

0,00668

436,700

389,545

129,848

50.000

50.000

40,00

80,40

3,35

3,50

1.929,90

942,69

1.023,09

1.595,90

1.293,51

2.889,42

1,50

0,00668

403,963

311,696

103,899

40.000

40.000

40,00

80,40

3,64

3,50

1.929,90

1.112,97

1.193,37

1.300,54

1.585,59

2.886,13

1,50

0,00669

362,678

234,038

78,013

30.000

30.000

40,00

80,40

3,99

3,50

1.929,90

1.337,29

1.417,69

950,40

1.940,18

2.890,57

1,50

0,00668

308,042

155,786

51,929

20.000

20.000

40,00

80,40

4,51

3,50

1.929,90

1.708,57

1.788,97

537,13

2.359,51

2.896,64

1,50

0,00666

229,905

77,730

25,910

10.000

10.000


38


Igualmente, en la Figura 16 siguiente se representa el ancho de cimentación necesario obtenido (considerando cimentación cuadrada) en función del coeficiente de compresibilidad del terreno considerado, para una profundidad de 3,5 m de cimentación, que resulta ser una función lineal. Fig. 16: Relación ancho – coeficiente de compresibilidad (método de Sulzberger)

Relación Coeficientes de Compresibilidad - Ancho de cimentación (cuadrada) / Sulzberger 180.000

Coeficiente de Compresibilidad (kN/m3)

160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 1,44 1,53 1,62 1,72 1,84 1,97 2,11 2,27 2,45 2,64 2,86 3,09 3,35 3,64 3,99 4,51 Ancho de cimentación - cimentación cuadrada (m) Fuente: elaboración propia

En la Figura 17 se muestra el reparto de momentos resistentes obtenidos (total, lateral y de fondo) correlacionado con el módulo de balasto o de compresibilidad.


39


Fig. 17.- Coeficiente de compresibilidad – Momento Resistente (método de Sulzberger)

3.500,00

Relación Momentos Resistentes - Coeficientes de Compresibilidad / Sulzberger

Momentos Resistentes (kNm)

3.000,00

2.500,00

2.000,00

Momento Resistente Lateral Momento Resistente de Fondo

1.500,00

Momento Resistente Total

1.000,00

500,00

0,00

Coeficientes de Compresibilidad (kN/m3) Fuente: elaboración propia

En estas comprobaciones se ha supuesto, siguiendo la práctica habitual al aplicar este método, que el coeficiente de balasto horizontal y vertical a una determinada profundidad son iguales. No obstante, sería más acorde a la realidad considerar un coeficiente de balasto horizontal menor que el vertical (Jiménez Salas, J.A. y otros, 1980).

Un valor del coeficiente de balasto horizontal del orden de la mitad del vertical, se considera una relación razonable, pues puede ser incluso menor, aunque este dato depende, como se ha indicado anteriormente, de muchos factores, entre otros del procedimiento constructivo. Si se emplea esa relación de coeficientes de balasto (0,5), y considerando una profundidad del pozo de 3,5 m, sería necesario incrementar los anchos, para mantener un Cs = 1,5, según se refleja en la Tabla 2. © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

40


Tabla 2.- Variación de ancho de pozo al considerar Ct = Cb/2 (Sulzberger)

Coeficiente de Balasto Lado de Aumento Lado de pozo en Base pozo con de lado de con Ct = Cb/2 "Cb" Ct = Cb pozo (kN/m3) 160.000 150.000 140.000 130.000 120.000 110.000 100.000 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000

1,44 1,53 1,62 1,72 1,84 1,97 2,11 2,27 2,45 2,64 2,86 3,09 3,35 3,64 3,99 4,51

2,42 2,51 2,61 2,71 2,81 2,92 3,04 3,16 3,28 3,41 3,55 3,69 3,85 4,03 4,26 4,65

68,06% 64,05% 61,11% 57,56% 52,72% 48,22% 44,08% 39,21% 33,88% 29,17% 24,13% 19,42% 14,93% 10,71% 6,77% 3,10%

Lógicamente, cuanto menor sea el coeficiente de compresibilidad vertical (Cb) considerado menor será la variación de ancho necearía, pues menor es la diferencia entre Cb y Cb/2, siendo despreciable para valores del Cb del orden de 10.000 kN/m3.

En la figura 18 se representa el reparto de momentos resistentes obtenidos (total, lateral y de fondo) correlacionado con el módulo de balasto o de compresibilidad vertical (Cb), habiendo considerado un coeficiente de compresibilidad horizontal (Ct) de valor la mitad que el vertical.


41


Fig. 18: Coeficiente de compresibilidad – Momento resistente con Ct =Cb/2 (Sulzberger)

Relación Momentos Resistentes - Coeficientes de Compresibilidad con Ct=Cb/2 / Sulzberger 3.500,00

Momentos Resistentes (kNm)

3.000,00

2.500,00

2.000,00

1.500,00

1.000,00

Momento Resistente Lateral Momento Resistente de Fondo Momento Resistente Total

500,00

0,00

Coeficientes de Compresibilidad vertical (kN/m3) Fuente: elaboración propia

Lógicamente, como se observa comparando las Figuras 17 y 18, al considerar un coeficiente de compresibilidad horizontal de valor inferior (la mitad) al vertical, la contribución del momento resistente lateral al momento resistente total pierde protagonismo antes, ganándolo el momento resistente de fondo.

5.4

Método del Bloque Rígido

Tal como se indicaba en el punto anterior, la comprobación de las cimentaciones se ha realizado también empleando el método del Bloque Rígido. Lo que se ha hecho en esta ocasión ha sido, con las dimensiones obtenidas anteriormente por el método de Sulzberger y las acciones sin mayorar, obtener los giros de la cimentación, la distribución de los momentos © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

42


resistentes tanto de las paredes como del fondo y las tensiones máximas en el lateral y al nivel del apoyo.

En estas comprobaciones se ha obtenido que, para las acciones consideradas, la excentricidad de la resultante al nivel del apoyo queda fuera del núcleo central, lo que implica que el punto de giro queda dentro de la base de cimentación y, por tanto, asume un cierto despegue de la cimentación, siendo triangular la ley de presiones al nivel del apoyo.

El valor de Q (esfuerzo horizontal sobre la cimentación) se ha estimado a partir del momento volcador, si bien no afecta prácticamente al resultado de los cálculos.

Las comprobaciones, cálculos, al igual que para el método anterior se han realizado empleando una herramienta propia, hoja de cálculo, desarrollada mediante la aplicación Excell de Microsoft.

En la Tabla 3 se indican los resultados del cálculo para la torre considerada teniendo en cuenta los distintos valores del coeficiente de balasto.


43


Tabla 3: Procedimiento de cálculo del Bloque Rígido- Torre de 40 m - Acciones sin mayorar Momento de Vuelco Máximo "Mv" (kNm)

Peso de torre (kN)

Esfuerzo horizontal en cimentación "Q" (kN)

Profundidad de ciment. "H" (m)

Lado de ciment. (m)


Peso total torre + ciment. "N" (kN)

Relación entre modulo de balasto horiz. y vertical "µ=Kh/Kv"

Modulo de balasto vertical "Kv" (kN/m3)

Desplaz. "xm" (m)

Tensión máxima en base de ciment. "pmax" (kN/m2)

Reacción horizontal en base de cimentación "R" (kN)

Tensión máxima en pared de ciment. "phmax" (kN/m2)

Momento Resist. en apoyo o fondo (kNm)

Momento Resistent. lateral (kNm)

Momento Resistent. Total (kNm)

1.929,900

80,40

70,000

3,5

1,44

174,182

254,582

0,5

1.929,900

80,40

0,00498

0,01742

530,58

1.100,38

348,33

126,727

2.048,173

2.174,900

70,000

3,5

1,53

196,636

277,036

1.929,900

80,40

70,000

3,5

1,62

220,450

300,850

0,532

0,00495

0,01731

518,29

1.088,55

324,52

147,443

2.027,457

2.174,900

0,566

0,00495

0,01732

507,22

1.075,51

303,05

170,257

2.004,643

1.929,900

80,40

70,000

3,5

1,72

248,506

2.174,900

130.000,00

0,603

0,00493

0,01727

495,27

1.056,14

280,60

204,162

1.970,738

1.929,900

80,40

2.174,900

70,000

3,5

1,84

1.929,900

80,40

70,000

3,5

1,97

0,5

120.000,00

0,647

0,00492

0,01720

483,63

1.037,99

258,07

235,911

1.938,989

2.174,900

0,5

110.000,00

0,693

0,00489

0,01712

471,11

1.011,84

235,35

281,688

1.893,212

1.929,900

80,40

70,000

3,5

2.174,900

454,376

0,5

100.000,00

0,742

0,00488

0,01707

458,25

980,21

213,31

337,034

1.837,866

1.929,900

80,40

2.174,900

70,000

1.929,900

80,40

70,000

432,844

513,244

0,5

90.000,00

0,795

0,00484

0,01694

443,85

939,53

190,60

408,217

1.766,683

2.174,900

504,210

584,610

0,5

80.000,00

0,853

0,00479

0,01676

427,52

887,87

167,56

498,619

1.676,281

1.929,900

80,40

2.174,900

2,64

585,446

665,846

0,5

70.000,00

0,910

0,00475

0,01664

409,68

826,71

145,57

605,651

1.569,249

2.174,900

3,5

2,86

687,086

767,486

0,5

60.000,00

0,969

0,00467

0,01634

387,77

747,98

122,57

743,432

1.431,468

2.174,900

3,5

3,09

802,040

882,440

0,5

50.000,00

1,021

0,00462

0,01616

363,10

658,13

100,99

900,674

1.274,226

2.174,900

70,000

3,5

3,35

942,690

1.023,090

0,5

40.000,00

1,064

0,00454

0,01589

333,03

550,97

79,44

1.088,205

1.086,695

2.174,900

1.929,900

80,40

70,000

3,5

3,64

1112,966

1.193,366

0,5

30.000,00

1,086

0,00451

0,01577

297,72

432,31

59,14

1.295,852

879,048

2.174,900

1.929,900

80,40

70,000

3,5

3,99

1337,288

1.417,688

0,5

20.000,00

1,070

0,00461

0,01615

256,10

305,93

40,38

1.517,027

657,873

2.174,900

1.929,900

80,40

70,000

3,5

4,51

1708,568

1.788,968

0,5

10.000,00

0,974

0,00537

0,01880

206,41

177,26

23,50

1.742,200

432,700

2.174,900

Excentri. "e" (m)

Angulo de giro "tg α"

160.000,00

0,498

0,5

150.000,00

0,5

140.000,00

328,906

0,5

284,390

364,790

325,996

406,396

2,11

373,976

3,5

2,27

3,5

2,45

70,000

3,5

1.929,900

80,40

70,000

1.929,900

80,40

70,000

1.929,900

80,40


44


En la Figura 19 se muestra el reparto de momentos resistentes (total, lateral y de fondo) para los distintos módulos de balasto verticales analizados. Debe tenerse en cuenta que, en este caso, se ha considerado un coeficiente de balasto horizontal de valor la mitad que el vertical. Fig. 19: Coeficiente de compresibilidad – Momento resistente (Bloque Rígido)

Relación Momento Resistente - Coeficiente de Compresibilidad / Bloque Rígido 2.500,000

Momento Resistente (kNm)

2.000,000

1.500,000 Momento Resistente Lateral 1.000,000

Momento Resistente de Fondo Momento Resistente Total

500,000

0,000

Coeficientes de Compresibilidad vertical (kN/m3) Fuente: elaboración propia

5.5

Métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones directas

Con objeto de validar los métodos anteriores, en este apartado se comparan los resultados obtenidos con los mismos con los procedentes de la aplicación de métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones superficiales sometidos a cargas excéntricas e inclinadas (métodos del área efectiva). © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

45


Con esta consideración se han calculado las tensiones medias que las torres ejercen sobre el terreno, siguiendo lo indicado en los apartados 4.3.5 y 4.3.6 de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2003), y cuyos resultados se recogen en la Tabla 4. Se ha supuesto en todos los casos una cimentación formada por un “dado” de hormigón de lados iguales y de 3,5 metros de profundidad.

Al igual que para el resto de métodos, los cálculos se han realizado empleando una herramienta propia, hoja de cálculo, desarrollada mediante la aplicación Excell de Microsoft.

El momento volcador se ha supuesto aplicado, según su eje de giro, a 45º con respecto a los lados de la cimentación, con lo que se considera la existencia de excentricidad en las dos direcciones y del mismo valor, caso más desfavorable al aplicar estos métodos.


46


Tabla 4: Calculo del área eficaz y de la tensión media transmitida

Altura Peso de de Torre torre (m) (kN)

Lado de Profundidad ciment. de ciment. (m) (m)




Excentricidad, ex = ey (m)

Área efectiva (m2)

Tensión media en ciment. (kN/m2)

86,10 69,23 55,51 43,25 31,82 22,51 15,18 9,28 4,92 2,13 0,48 0,00 0,47 1,83 4,26 8,91

2,96 4,00 5,42 7,60 11,47 18,05 29,94 55,28 118,85 313,07 1.586,15 150.361.493,19 2.195,04 651,61 332,42 200,83

40

80,40

1,44

3,50

174,18

254,58

1.929,90

5,36

40

80,40

1,53

3,50

196,64

277,04

1.929,90

4,93

40

80,40

1,62

3,50

220,45

300,85

1.929,90

4,54

40

80,40

1,72

3,50

248,51

328,91

1.929,90

4,15

40

80,40

1,84

3,50

284,39

364,79

1.929,90

3,74

80,40

1,97

3,50

326,00

406,40

1.929,90

3,36

80,40

2,11

3,50

373,98

454,38

1.929,90

3,00

40

80,40

2,27

3,50

432,84

513,24

1.929,90

2,66

40

80,40

2,45

3,50

504,21

584,61

1.929,90

2,33

40

80,40

2,64

3,50

585,45

665,85

1.929,90

2,05

40

80,40

2,86

3,50

687,09

767,49

1.929,90

1,78

40

80,40

3,09

3,50

802,04

882,44

1.929,90

1,55

40

80,40

3,35

3,50

942,69

1.023,09

1.929,90

1,33

80,40

3,64

3,50

1.112,97

1.193,37

1.929,90

1,14

80,40

3,99

40 40

40 40

3,50 1.337,29 1.417,69 1.929,90 0,96 4,51 40 80,40 3,50 1.708,57 1.788,97 1.929,90 0,76 *Valores en rojo: correspondientes a resultante fuera de la sección de cimentación, sección totalmente traccionada (valores no validos), o valores de tensiones significativamente excesivos, igualmente no validos.


47


En estos cálculos no se ha considerado ninguna contribución resistente del terreno lateral que rodea la cimentación, por ello, para emplearlos en la validación de los métodos de cálculo específicos de cimentaciones semiprofundas, a continuación se indican las tensiones transmitidas sin considerar la contribución lateral del terreno según el método de Sulzberger, Tabla 5.


48


Tabla 5: Método de Sulzberger - Acciones sin mayorar, sin considerar colaboración lateral del terreno. Altura de Torre (m)

Peso de torre (kN)

Lado de ciment. (m)

Profundidad de ciment. (m)




Momento Resistente lateral (kNm)

Momento Resistente en apoyo o fondo (kNm)

Momento Resistente Total (kNm)

Coeficiente de Seguridad (Mr/Mv)

Tag α, Giro real de la Cimentación

Tensión máxima en base de cimentación "σ1" (kN/m2)



Coeficiente de Balasto en Paredes "Ct" (kN/m3)

Coeficiente de Balasto en Base "Cb" (kN/m3)

40,00

80,40

1,44

3,50

1.929,90

174,18

254,58

0,00

143,53

143,53

0,07

0,13446

2.758,107

0,000

0,000

0,00

160.000,00

40,00

80,40

1,53

3,50

1.929,90

196,64

277,04

0,00

166,69

166,69

0,09

0,11578

2.507,787

0,000

0,000

0,00

150.000,00

40,00

80,40

1,62

3,50

1.929,90

220,45

300,85

0,00

192,19

192,19

0,10

0,10042

2.285,069

0,000

0,000

0,00

140.000,00

40,00

80,40

1,72

3,50

1.929,90

248,51

328,91

0,00

223,57

223,57

0,12

0,08632

2.071,659

0,000

0,000

0,00

130.000,00

40,00

80,40

1,84

3,50

1.929,90

284,39

364,79

0,00

265,92

265,92

0,14

0,07257

1.858,282

0,000

0,000

0,00

120.000,00

40,00

80,40

1,97

3,50

1.929,90

326,00

406,40

0,00

317,58

317,58

0,16

0,06077

1.660,701

0,000

0,000

0,00

110.000,00

40,00

80,40

2,11

3,50

1.929,90

373,98

454,38

0,00

380,27

380,27

0,20

0,05075

1.478,446

0,000

0,000

0,00

100.000,00

40,00

80,40

2,27

3,50

1.929,90

432,84

513,24

0,00

461,63

461,63

0,24

0,04181

1.304,391

0,000

0,000

0,00

90.000,00

40,00

80,40

2,45

3,50

1.929,90

504,21

584,61

0,00

566,09

566,09

0,29

0,03409

1.140,870

0,000

0,000

0,00

80.000,00

40,00

80,40

2,64

3,50

1.929,90

585,45

665,85

0,00

691,07

691,07

0,36

0,02793

993,015

0,000

0,000

0,00

70.000,00

40,00

80,40

2,86

3,50

1.929,90

687,09

767,49

0,00

856,27

856,27

0,44

0,02254

851,933

0,000

0,000

0,00

60.000,00

40,00

80,40

3,09

3,50

1.929,90

802,04

882,44

0,00

1.049,93

1.049,93

0,54

0,01838

724,522

0,000

0,000

0,00

50.000,00

40,00

80,40

3,35

3,50

1.929,90

942,69

1.023,09

0,00

1.293,51

1.293,51

0,67

0,01492

603,756

0,000

0,000

0,00

40.000,00

40,00

80,40

3,64

3,50

1.929,90

1.112,97

1.193,37

0,00

1.585,59

1.585,59

0,82

0,01217

489,310

0,000

0,000

0,00

30.000,00

40,00

80,40

3,99

3,50

1.929,90

1.337,29

1.417,69

0,00

1.940,18

1.940,18

1,01

0,00995

375,994

0,000

0,000

0,00

20.000,00

40,00

80,40

4,51

3,50

1.929,90

1.708,57

1.788,97

0,00

2.359,51

2.359,51

1,22

0,00818

254,732

0,000

0,000

0,00

10.000,00

*Los valores en rojo son los únicos que se deben considerar, al tener al menos un Cs > 1, para su validación o comprobación.


49


6. COMPARATIVA DE LOS METODOS DE CALCULO ANALIZADOS

Como ya se ha indicado, los métodos de Sulzberger y del Bloque Rígido comparten ciertas características, como son las siguientes:



La consideración de la contribución lateral del terreno.



La suposición de un comportamiento elástico del terreno.



El establecimiento de ecuaciones de equilibrio entre las solicitaciones actuantes y las reacciones del terreno frente a ellas.

Igualmente,

los

dos

métodos

citados

utilizan

como

parámetros

característicos del terreno sus módulos de balasto o compresibilidad, vertical y horizontal, si bien en el método del Bloque Rígido lo que realmente se emplea es la relación entre el coeficiente de compresibilidad horizontal y el vertical.

En ambos métodos, Sulzberger y Bloque Rígido, la comprobación del estado límite último de hundimiento y de los estados límites de estabilidad (vuelco y deslizamiento) son evaluados de manera conjunta, pues por un lado establecen un límite de giro/desplazamiento de la cimentación, o su valor, y por otro lado se determinan las tensionas transmitidas al terreno por la cimentación, de tal manera que puedan ser comparadas con las admisibles del terreno. Para el resto de estados límites, caso de que sean de aplicación, los mismos deberán ser evaluados de manera independiente, aunque en la gran mayoría de los casos con la evaluación de los estados límites citados será suficiente.

La principal diferencia operativa entre los métodos de Sulzberger y el del Bloque Rígido es que mientras el método de Sulzberger aplica unas ecuaciones de equilibrio, y parte de admitir un determinado ángulo de giro de la cimentación (tg α = 0,01), y para dicho ángulo de giro (ángulo máximo) establece el momento resistente máximo que se puede movilizar, el del Bloque Rígido determina las ecuaciones de equilibrio sin establecer a priori un valor determinado del ángulo de giro, determinándose para cada caso © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

50


concreto, tanto las tensiones transmitidas como los desplazamiento o giros producidos. De esta forma con el método del Bloque Rígido las tensiones y giros calculados se comparan con los admisibles para validar la cimentación, y con el método de Sulzberger, primero se impone una limitación o condición (ángulo de giro), y se determinan las dimensiones de la cimentación que la cumplen aplicando un determinado coeficiente de seguridad (Cs). Por ello, en el método de Sulzberger una vez determinadas las dimensiones de la cimentación, para evaluar las tensiones transmitidas es necesario calcular el ángulo de giro real, que será tal que tg αreal = tg αmax / Cs. Con esto, en el método de Sulzberger el ángulo de giro de las cimentaciones siempre será el mismo, dado que se establece a priori, mientras que en el método del Bloque Rígido dicho ángulo será distinto para cada cimentación.

Tras los cálculos realizados, en el método del Bloque Rígido, que supone el punto de giro en la base, se observa que el giro de la cimentación es algo menor que con el método de Sulzberger, del orden de un 75% del obtenido con este método, a pesar de considerar la reducción del módulo de balasto horizontal.

Las tensiones obtenidas en la base con el método del Bloque Rígido son del mismo orden, aunque ligeramente menores, que las obtenidas con el método de Sulzberger. Las tensiones en el lateral son máximas a media altura y los valores también son menores que los obtenidos con el método de Sulzberger, especialmente en la base donde se anulan si se atiende al método del Bloque Rígido y son máximas según el método de Sulzberger. Las diferencias en cuanto a las tensiones se deben a la distinta posición del punto de giro de la cimentación.

Con el método de Sulzberger, al haberse considerado, por ser lo habitual en el empleo de dicho método, un módulo de balasto horizontal igual al vertical se obtienen unas tensiones mayores, pero el momento resistente que se obtiene de las paredes del pozo es del mismo orden que con el método del Bloque Rígido, lo cual se debe a que el punto de giro está a un tercio de la altura, en vez de en el nivel de apoyo.


51


En la Figura 17, se puede observar que con el método de Sulzberger para módulos de balasto o de compresibilidad bajos, inferiores a 40.000 kN/m3, el momento resistente correspondiente al nivel de apoyo es mayor que el que aportan las reacciones de las paredes del pozo. En cambio, a partir de  40.000 kN/m3 el momento resistente de las paredes comienza a ser predominante. Cuando el coeficiente de balasto es de 16.000 kN/m3, el momento debido a la reacción lateral es del orden de 20 veces el producido por la reacción en el fondo.

En la Figura 19 se puede observar, que con el método del Bloque Rígido, también para un coeficiente de balasto vertical de 40.000 kN/m3 (en horizontal se ha considerado un valor de 20.000 kN/m3), se igualan los momentos resistentes de la base y los laterales. Para un Kv de 16.000 kN/m3, la relación entre el momento resistente lateral y del fondo resulta del orden de 15,7, algo menor que el correspondiente al método de Sulzberger, pero similar.

Observando la Figura 18, y comparándolas con las Figuras 17 y 19, se puede deducir que el método de Sulzberger es aproximadamente equivalente al método del Bloque Rígido, cuando en el primero se considera el mismo valor del coeficiente de compresibilidad horizontal y vertical, y en el del Bloque Rígido se considera un valor para el horizontal igual a la mitad que el vertical. Con ello se puede considerar valida la práctica habitual al aplicar el método de Sulzberger que consiste en considerar un único valor del coeficiente de compresibilidad.

Señalar, que en el desarrollo de los dos métodos anteriores, Sulzberger y Bloque Rígido, no se considera la presencia de agua en el terreno de cimentación, si bien esto no es del todo cierto, pues en dichos métodos, la presencia de agua se considera de manera indirecta al establecer los valores correspondientes de los coeficientes de compresibilidad, los cuales deberán ser acordes a la realidad más desfavorable del terreno, y serán, para el mismo suelo, generalmente inferiores en presencia de agua que en estado seco (Jiménez Salas, J.A. y otros, 1980).


52


Por otro lado, la comparación de las tensiones medias obtenidas por los métodos clásicos de cálculo de cimentaciones directas (superficiales) sometidas a cargas excéntricas e inclinadas (métodos del área efectiva), con las tensiones de pico deducidas a partir de la aplicación de los métodos específicos de cimentaciones semiprofundas (en nuestro caso Sulzberger), indica que son valores semejantes cuando en los anteriores no se considera la contribución lateral del terreno, lo cual permite validar los mismos (al no considerarse la colaboración lateral del terreno esta comprobación ha de hacerse, para considerarla coherente, solo entre valores validos en ambos métodos, es decir, entre valores con coeficientes de seguridad superiores a la unidad con Sulzberger, y valores con resultante dentro de la sección de cimentación con los métodos clásicos).


53


7. CONCLUSIONES

Como se puede observar en los apartados anteriores, los resultados obtenidos empleando los dos métodos específicos para pozos de cimentación (cimentaciones semiprofundas) sometidos principalmente a momentos de vuelco (Sulzberger y Bloque Rígido) son similares. Por lo que, como es lógico, el diseño de la cimentación dependerá casi exclusivamente de los parámetros adoptados y no tanto del método empleado.

Igualmente, la comparación de las tensiones medias obtenidas por los métodos clásicos de dimensionamiento de cimentaciones superficiales sometidas a cargas excéntricas e inclinadas (método del área efectiva), con las tensiones deducidas a partir de la aplicación del Método de Sulzberger (y por tanto también del Método del Bloque Rígido), indica que son valores semejantes cuando en los métodos anteriores no se considera la contribución lateral del terreno, lo cual valida los métodos citados, pues el método del área efectiva es un método sancionado por la práctica, ampliamente

estudiado

en

la

literatura

técnica

y

expuesto

como

procedimiento principal de cálculo de cimentaciones directas sometidas a cargas excéntricas e inclinadas en la normativa y documentos técnicos oficiales españoles.

En resumen, los resultados obtenidos no dependen excesivamente del procedimiento de cálculo, y sí de las consideraciones y parámetros adoptados, especialmente de los parámetros geotécnicos del terreno.

Los métodos tanto de Sulzberger como el del Bloque Rígido utilizan un módulo de reacción o de balasto, que no es una propiedad intrínseca del terreno, sino un artificio para facilitar el cálculo y que depende, además, del área cargada, de la heterogeneidad de los posibles estratos afectados y de las tensiones aplicadas. Incluso el propio proceso constructivo (si se deja decomprimir el terreno en los laterales o no se sanea adecuadamente el fondo) puede influir en el valor del módulo de balasto. También, la medición u obtención de dicho parámetro es difícil, no siendo un parámetro de clara © José Carlos Calvo Corrales Diciembre 2013 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Máster en Investigación en Ingeniería y Arquitectura

54


medición directa, y utilizándose de manera usual para su determinación correlaciones más o menos validas, y que dependen de las suposiciones que se hagan.

Igualmente la consideración o no de la contribución lateral del terreno es un factor determinante a la hora del dimensionamiento de estas cimentaciones, por lo que su consideración, total o parcial, o no consideración, deberá ser claramente determinada en función de la competencia del terreno real existente para cada caso concreto, y de la posibilidad y garantía, o no, de mantenimiento futuro del terreno alrededor de la cimentación.

Por todo lo dicho, entendemos recomendable realizar el dimensionamiento de estos pozos de cimentación, cimentaciones semiprofundas, empleando uno de los métodos específicos indicados en el presente trabajo (Sulzberger o Bloque Rígido), siendo preferible el de Sulzberger por ser más intuitivo y de mayor sencillez operativa. Este dimensionamiento debe incluir la comprobación del estado límite último de hundimiento (tensiones), y de los estados

límites

Adicionalmente,

últimos de

de

manera

estabilidad

(vuelco

independiente,

y

en

y

deslizamiento). función

de

las

características de cada caso concreto, se deberán evaluar otros estados límites que sean aplicables, como el de estabilidad global (en cercanías de taludes) y otros.

De los resultados obtenidos del presente trabajo se puede inducir claramente una línea de investigación a desarrollar en un futuro, y es la de investigar el procedimiento de evaluación geotécnica idóneo de cara a determinar, por un lado los criterios a seguir para considerar, o no, la colaboración lateral del terreno, y por otro lado los valores óptimos de los coeficientes de compresibilidad a emplear en el dimensionamiento de la cimentaciones semiprofundas usando métodos específicos, Sulzberger o Bloque Rígido. Estos estudios, idealmente, deberían incluir ensayos de laboratorio sobre distintos tipos de suelos, y ensayos de comportamiento a escala reducida.


55


8. BIBLIOGRAFÍA

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Rodriguez

Ortiz,

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y

otros

cimentaciones. COAM.


56

(1989).

Curso

aplicado

de


9. ANEXO 1: HOJAS DE CÁLCULO EMPLEADAS

A continuación se exponen las hojas de cálculo elaboradas por el autor y empleadas en el presente trabajo. Hoja de cálculo – Sulzberger:

Hoja de cálculo – Bloque Rígido:


57


Hoja de cálculo – Métodos clásicos (área efectiva):


58

Calculo de Cimentaciones Simiprofundas Para Postes y Lineas Electricas

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