Aprende cómo estimar el Coeficiente de Balasto Vertical en Cimentaciones Superficiales

Introducción

El coeficiente de balasto, parámetro geotécnico obtenido del ensayo de plato de carga, del cual se obtiene el coeficiente K030 y se ajusta de acuerdo con el ancho real de la cimentación. En ocasiones es práctica poco común que el proyectista recurra a dicho ensayo debido a restricciones de costos en el proyecto o desconocimiento del ensayo.

Es probable que te hayan surgido las siguientes interrogantes, ¿Entonces qué otros métodos existen para estimar el coeficiente de balasto? ¿Es posible estimar el coeficiente de balasto en función de la capacidad portante del suelo? ¿O en función de Tablas según el tipo de suelo?

Acompáñame en el siguiente post para resolver estas dudas.

Definición de Coeficiente de Balasto

El coeficiente de balasto es un coeficiente estático de interacción suelo-estructura, obtenido por diseño geotécnico, y con frecuencia requerido para el diseño estructural de las cimentaciones como zapatas aisladas, losas de cimentación u otros.

Si una cimentación de ancho B se somete a una carga por área unitaria (q), ésta sufrirá un asentamiento delta (Δ). El coeficiente del módulo de la subrasante se puede definir como:

Imagen 01. Definición del coeficiente de reacción de la subrasante (k) por Braja Das [1]

Además, es importante hacer hincapié en que el coeficiente de balasto no es una propiedad exclusiva sólo de la naturaleza del suelo, sino que depende de la capacidad portante última y su asentamiento, y éstas a su vez de diferentes variables tales como:

Imagen 02. Variables que influyen en el valor de coeficiente de balasto

Valores Comunes de Coeficiente de Balasto

Braja Das, en su libro “Fundamentos de ingeniería de cimentaciones”, expone en la Tabla 6.2, los valores comunes de la reacción de la subrasante (K0.30) según tipo de suelo. De la tabla, se observa que los rangos podrían alcanzar un valor máximo de 110% respecto al valor mínimo para el caso de arena saturada de consistencia media, o podrían tener una importante variación de 500% para el caso de arena seca de consistencia media. Si consideramos que se cuenta con la identificación del tipo de suelo y su consistencia, entonces la amplia variación de valores de cada rango del coeficiente de balasto suscita el siguiente dilema: ¿Cuál valor debo utilizar? ¿El valor mínimo, el máximo o tal vez un promedio?

Tabla 01. Valores comunes de la reacción de la subrasante K030 según Braja Das [1]

Estimado lector, para resolver el dilema, será necesario tener en cuenta que:

#1: El coeficiente de balasto se presenta generalmente en Tablas, con valores meramente referenciales, cuyo objetivo es brindarnos cantidades preliminares y generales, mas no definitivas.

#2: El coeficiente de balasto definitivo será un valor estimado y calibrado por el proyectista geotécnico y posteriormente validado por el proyectista estructural.

Estimación de Coeficiente de Balasto

De la exposición anterior, sabemos que la estimación del coeficiente de balasto con frecuencia no es hallada por el ensayo de plato de carga K030 y que no se debería definir de manera indiscriminada mediante tablas referenciales. Entonces, ¿Cómo estimar con precisión el coeficiente de balasto? El coeficiente de balasto se define como la relación entre la tensión actuante y la deformación esperada. En los siguientes 4 pasos describiremos el cálculo de manera general.

Imagen 03. Diagrama de proceso de estimación y calibración de coeficiente de Balasto

¿Es posible estimar el coeficiente de balasto en función de la capacidad admisible del suelo?

Sí, siempre y cuando se cuente con la curva tensión-deformación del sistema suelo-cimentación. Existen diversos métodos que permiten crear dicha curva, cuyo uso principal es calibrar el coeficiente de balasto en función de la capacidad admisible del suelo. En este artículo, nos concentramos en conocer un método práctico llamado Método de Análisis Crítico expuesto por el Ing. Eduardo Núñez, en una publicación en la Sociedad Argentina de Ingeniería Geotécnica en el año 1999.

A continuación, se expone el cálculo de coeficiente de balasto, utilizando un ejemplo con fines académicos y utilizando un sistema suelo-cimentación con las siguientes características:

• La cimentación corresponde a una edificio residencial con luces de 3 a 5 m.
• Tipo de cimentación: superficial con zapata aislada centrada.
• Geometría: 4.97m (Y), 2.90 m (X)
• La cimentación se apoya sobre un estrato de suelo arcilloso de consistencia blanda.
• El suelo tiene condición de humedad natural de sitio (no saturado), por lo tanto, el mismo no experimenta procesos de consolidación. Esto implica que la estimación de asientos podría asemejarse un comportamiento de naturaleza pseudo elástica.
• Metodología de verificación de capacidad portante: ASD.
• Metodología de capacidad portante última: promedio de 5 métodos.

Tabla 02. Combinaciones de Carga

Imagen 04. Perfil estratigráfico referencial

# PASO 1. Calcular capacidad portante vertical (q u)

La capacidad portante vertical será calculada según restricciones de la jurisdicción en la que se ubica el proyecto y/o según criterio del proyectista geotécnico.

La capacidad portante última vertical se calculó promediando las capacidades obtenidas de 5 métodos. El cálculo y verificación de la capacidad portante vertical con la tensión actuante de servicio, garantizará un diseño por resistencia de la cimentación, obteniendo unas dimensiones preliminares de la misma.

# PASO 2. Calcular la presión actuante de servicio (q máx)

La presión actuante de servicio máxima será calculada como la relación entre la carga actuante de servicio y el área efectiva de la cimentación.

# PASO 3. Calcular el asentamiento de la cimentación

Conociendo las cargas de servicio actuantes en la cimentación, así como sus dimensiones efectivas. Se procede a estimar el asentamiento de la cimentación utilizando con frecuencia: teoría elástica para suelo arenoso o teoría de consolidación para suelo arcilloso.

Método de Ley de Hooke

Método de Schmertmann

Método de Mayne y Poulos

Se consideró como asentamiento de diseño, el del Método de Schmertmann (2.5cm)

# PASO 4. Estimar y calibrar el Coeficiente de Balasto

# PASO 4.1. Estimar el coeficiente de Balasto

La forma más práctica de estimar el coeficiente es por la Relación de Tensión Actuante con Asentamiento; es decir, dividir la tensión de servicio actuante sobre el asentamiento pseudoelástico, obtendremos el coeficiente de balasto.

Tabla 03. Datos generales de la Cimentación

Tabla 04. Coeficiente de Balasto Inicial

# PASO 4.2. Definición de datos de diseño de cimentación

Otra forma de validar el coeficiente de balasto es mediante las expresiones propuestas por el Método de Análisis Crítico del Ing. Eduardo Núñez (SAIG, 1999). Se requiere conocer los siguientes datos:

• Conocer la capacidad portante última (qu)
• Hallar la capacidad de roturada estimado del ensayo de plato de carga (qr). El autor sugiere asumirlo como un porcentaje (dR= 0.75 a 0.85) de (qu)
• Conocer el factor de seguridad disponible de la cimentación (FS)

Tabla 05. Datos de diseño de la cimentación

# PASO 4.3. Calcular parámetros requeridos para la curva tensión-deformación

Núñez solicita calcular la rigidez inicial (ki) y junto relación de esfuerzos (dR), obtener el coeficiente de balasto en la falla y en servicio. Las expresiones son:

Tabla 06. Datos Iniciales para construcción de Curva (tensión-deformación)

Ya con esta información, es posible construir la curva tensión-deformación y validar que la relación entre la tensión actuante sobre la zapata y la deformación esperada sean cónsonos con la magnitud del balasto en condición de trabajo. Para ello, empleamos las expresiones propuestas por Eduardo Núñez (1999).

# PASO 4.4. Generar la curva tensión-deformación.

Cuidando de que el valor de módulo de elasticidad definitivo sea cónsono con los niveles de deformación esperados, según las tensiones de servicio actuante, es que su valor se afina hasta lograr que el asiento sea similar para dicho esfuerzo. (Ver fila sombreada en Tabla 08)

Tabla 07. Módulo de Elasticidad- Estimación de Coeficiente de Balasto

Imagen 05. Curva Tensión – Deformación

Tabla 08. Datos Finales para construcción de Curva (tensión-deformación)

Tabla 09. Variación de coeficiente de balasto en función de la tensión y deformación

Del cálculo de la distorsión angular para la cimentación en estudio, se sabe que el asentamiento mínimo y máximo de la zapata en estudio, debe ser no menor a 1.7 cm y no mayor a 3 cm; respectivamente.

De la interpretación de la curva tensión-deformación, se puede obtener la siguiente valiosa información:

• La tensión podría variar como máximo en un rango de 74 a 110 kN/m2 .
• La tensión podría variar como máximo entre un - 25% a un + 11% de la tensión original.
• El coeficiente de balasto podría variar en un rango de 0.37 a 0.44 kgf/cm3 .

Cierre

Finalmente, es evidente que a pesar de haber obtenido un factor de seguridad aceptable de 2.9 y un asentamiento de 2.5cm; las dimensiones obtenidas para el ejemplo en estudio fueron excesivas y con coeficientes de balastos poco favorables. Se sugirió que la opción de zapata aislada sea descartada y se analizan las propuestas de zapatas combinadas, losas de cimentación o cimentaciones profundas con pilotes.

Concluyo este artículo recordando que la estimación del coeficiente de balasto es responsabilidad compartida tanto por el profesional geotécnico como por el profesional estructural.

Gracias por leer hasta aquí ¡Nos vemos en los comentarios!

Referencias

• [1] D. Braja, Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones, vol. Séptimo, México D.F: CENGAGE Learning, 2012.
• [2] D. Millones, «Tarea N°02: Diseño de cimentación superficial. Diplomado "Diseño Geotécnico y Estructural de Cimentaciones para Edificaciones y Puentes",» Sísmica Adiestramiento, Lambayeque, 2020.
• [3] Slidesgo, 2020. [En línea]. Available: https://slidesgo.com/?utm_source=Slidesgo_template&utm_medium=referrallink&utm_campaign=SG_Credits&utm_content=slidesgo.
• [4] E. Guanchez, «Interacción Estática Suelo-Estructura (Coeficiente de Balasto Vertical),» Sísmica Adiestramiento, Barcelona, 2020.