Cómo gestionar el diseño de encepados

¿Se ha enfrentado al diseño de un encepado en su práctica como ingeniero? Entonces sabrá que puede ser una tarea complicada, especialmente para algunos de los diseños de pilotes más complejos. Aclaremos qué tipos de encepado reconocemos, qué es el diseño de encepados en general y cuáles son nuestras opciones de diseño.

¿Qué es un encepado?

Un encepado es una estera de hormigón muy utilizada en los cimientos de edificios, puentes, estructuras marinas y otras infraestructuras pesadas en las que las condiciones del suelo no son ideales para cimientos poco profundos. Su función principal es distribuir las cargas de la superestructura entre los pilotes, que a su vez transfieren las cargas a las capas de suelo o roca más profundas y estables.

Podemos distinguir tipos de pilotes según varios criterios:

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

El diseño correcto de los pilotes es especialmente importante para verificar los asentamientos, que luego se tienen en cuenta en el diseño de la superestructura. El diseño depende principalmente del entorno, es decir, del suelo y del asentamiento máximo requerido (que se especifica en función del tipo de superestructura y del diseño global). Esto suele ser responsabilidad del ingeniero geotécnico.

Ahora volveremos un poco al diseño de encepados. Como se ha mencionado, un encepado se diseña a menudo con hormigón armado, y aquí es donde entra en juego el ingeniero estructural, ya que tiene que diseñar el encepado para resistir las fuerzas de la superestructura y determinar cómo se distribuyen las fuerzas a los pilotes individuales.

Cómo diseñar un encepado

En general, hay que tener en cuenta varios puntos que afectan al resultado global:

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

Vale... sabemos exactamente lo que tenemos que diseñar, pero ¿cómo y cuáles son las opciones?

El enfoque empírico y el método de la riostra y el tirante

Lo más sencillo es partir de guías basadas en relaciones empíricas entre alineación de pilotes, espesores, dimensiones y otros, y luego proceder al diseño de la armadura mediante el Método del Puntal y el Empalme.

El método de la riostra y el tirante (STM) es un método de diseño utilizado en ingeniería estructural, en particular para el diseño de estructuras de hormigón armado. Resulta especialmente útil para analizar y diseñar regiones de estructuras de hormigón en las que no se aplican los supuestos tradicionales de la teoría de vigas, como zonas con distribuciones de tensiones complejas, como las regiones de discontinuidad(regiones D) que se encuentran alrededor de aberturas, apoyos y puntos de aplicación de cargas. STM simplifica los patrones de tensión complejos en un modelo compuesto de elementos simples e idealizados: puntales, tirantes y nodos.

Para aplicar el método de montantes y tirantes, comience por desarrollar el modelo de montantes y tirantes creando un modelo de celosía idealizado que aproxime el flujo de fuerzas dentro de la región D, lo que implica la identificación de las ubicaciones y orientaciones de los montantes, tirantes y nudos. A continuación, calcule las fuerzas en cada puntal y tirante analizando el modelo de puntal y tirante. A continuación, asegúrese de que cada puntal, tirante y nudo es capaz de soportar las fuerzas calculadas comprobando la capacidad de los puntales de hormigón para la compresión, de los tirantes de acero de refuerzo para la tracción y de los nudos para la transferencia de fuerzas.

El método de los puntales y tirantes es una potente herramienta de ingeniería estructural, especialmente para regiones complejas en estructuras de hormigón. Sin embargo, presenta varios inconvenientes:

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

Es necesario añadir otros cálculos y verificaciones, como la resistencia al punzonamiento y las comprobaciones de los detalles.

El enfoque CSFM

Una alternativa podría ser utilizar métodos de elementos finitos más avanzados como CSFM implementado en IDEA StatiCa Detail.

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

2D CSFM ya ha sido validado, no sólo por verificaciones teóricas y experimentales, sino también por estructuras existentes y su uso en la práctica. Por ejemplo, consulte algunos de estos casos prácticos.

Ejemplo 1 - Encepado de hormigón con anclaje

En el primer ejemplo que se muestra a continuación, se puede ver el diseño del encepado de dos pilotes incluyendo el anclaje de una columna de acero. El diseño se realizó, incluyendo todas las evaluaciones ULS y SLS, utilizando 2D CSFM en IDEA StatiCa Detail 2D. En la imagen, se puede ver el modelo básico y los resultados resumidos. El flujo de trabajo de modelado detallado y también los resultados complejos se pueden encontrar en el webinar ya transmitido.

No todo (por ejemplo, ¿Cómo calculamos el volumen de hormigón para un encepado de grupo de 3 pilotes?) puede simplificarse utilizando combinaciones de tareas 2D - razón por la cual estamos desarrollando CSFM 3D. En estos momentos se encuentra en fase BETA y está a disposición del público para que pueda probarlo a través de este enlace. A medida que se completen más y más estudios de verificación, estaremos más cerca de un lanzamiento formal. Aunque principalmente el escenario más típico se centrará en el anclaje y la zapata, este artículo le da una buena idea de la aplicación ampliada del enfoque 3D a medida que se desarrolle con el tiempo.

Ejemplo 2 - Cimentación triangular de encepado de hormigón

En la siguiente imagen, puede ver un ejemplo de diseño de encepado triangular con tres pilotes, que podría ser adecuado para CSFM 3D porque la simplificación a una solución 2D no se correspondería con la realidad. Con 3D CSFM, no sólo podremos diseñar la armadura de tracción y comprobar si el hormigón puede transferir correctamente toda la compresión, sino que también podremos ver cómo se distribuye la carga a los pilotes individuales.

Las mayores ventajas del método son:

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

Conclusión

Cuando se trata del diseño de encepados de hormigón, está claro, a primera vista, que el encepado es otro caso de región de discontinuidad. Aunque disponemos de algunos principios básicos en nuestros códigos y manuales sobre cómo proceder, necesitamos comprender mejor el comportamiento de la estructura, especialmente si tratamos con formas y alineaciones atípicas. Además, más que con otras partes de la estructura, los encepados pueden ser a veces un problema cuando se pasa a una tarea 2D, y es necesario resolver el problema espacialmente para emitir un juicio correcto. Además, el hecho de que se trate de una parte de la estructura sobre la que se asienta literalmente el resto de la estructura hace que la tarea sea aún más significativa y requiera la atención que merece.

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

Recursos:

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