La sismología, como rama de la geología, establece las bases principales para entender, en su sentido más general, el fenómeno de los terremotos, partiendo desde las causas que los producen, su mecanismo de generación y sus principales características. Esta información es utilizada por la ingeniería sísmica, para aplicarla en el estudio del comportamiento y la respuesta de las capas superficiales del suelo, ante el paso de las ondas sísmicas. La información obtenida es útil para el diseño apropiado de estructuras de ingeniería, con el fin de aumentar sustancialmente su capacidad de resistencia ante las fuertes vibraciones producidas por un movimiento telúrico.
Todas las obras construidas por el ser humano, excepción de las edificaciones espaciales y/o flotantes en el mar, están asentadas sobre el suelo, de tal manera que la condición que determina el rendimiento de una estructura depende de la efectividad de la unión entre la superestructura y el suelo. Esta conexión se hace real a través de los cimientos o fundaciones, cuyo fin es transferir la carga del edificio al suelo, con lo que en primer lugar se hace necesaria, como mínimo, la estabilidad del suelo de fundación.
El principio básico de estabilidad de fundaciones se basa principalmente en la teoría de esfuerzos verticales, donde la presión ejercida por una masa cualquiera, es dirigida en forma paralela a la dirección de la fuerza de gravedad y distribuida en forma uniforme a través del área de contacto, que no es más que la presión ejercida o esfuerzo aplicado (P = F/A). Como principio general para que la estructura pueda mantenerse en pie debe cumplir ciertos requerimientos de estabilidad, pero sobre todo el medio de sustentación, en este caso el suelo, debe tener una capacidad de resistencia mayor al esfuerzo a soportar, es decir mayor a la presión que ejercerá la edificación sobre el suelo. La diferencia entre la capacidad de soporte del suelo, y la presión ejercida por la edificación, determinará el grado de seguridad obtenido.
Un parámetro que siempre se toma en cuenta al momento del diseño de las cimentaciones de una edificación es el factor de seguridad (Fs) el cual es calculado a partir de la división entre la capacidad de soporte del suelo y el esfuerzo que recibirá. La decisión del Fs a elegir no solamente depende de las condiciones de seguridad y efectividad de la edificación, sino también de condiciones presupuestarias, ya que un Fs bastante alto, en teoría, garantizará un buen rendimiento del edificio, pero los costos serán elevados, y el proyecto será inviable económicamente hablando. Generalmente se consideran Fs hasta de 3, dependiendo de la importancia y uso de la edificación (por ejemplo no es lo mismo una edificación que albergará una planta nuclear, a una que albergará un depósito de cemento), sin embargo para casos generales son aceptables Fs hasta de 1.3 como mínimo.
Sin embargo, todo lo mencionado hasta ahora es lo más sencillo del asunto, ya que se ha considerado solamente una distribución de esfuerzos totalmente vertical y en estado de reposo y equilibrio absoluto, lo cual en casos reales no es para nada verdadero, ya que por el dinamismo de la Tierra, siempre se generarán esfuerzos de tipo horizontal y oblicuos en todas las direcciones, la causa principal de ello, los terremotos y las corrientes de viento, además de la configuración estructural y arquitectónica de las edificaciones, las cuales en la mayoría, por no decir en todos los casos, son asimétricas. La distribución vertical de esfuerzos como principio para el diseño de cimentaciones puede utilizarse como medio de diseño de cimentaciones de estructuras pequeñas, localizadas en ambientes bastante amigables, tales como zonas no sísmicas, y con ráfagas de viento moderadas, o estructuras protegidas por medios rompevientos a su alrededor, tales como colinas o cortinas de árboles.
Por otro lado, el suelo es un medio deformable, con características elastoplásticas, que siempre sufrirá, en el mejor de los casos pequeñas deformaciones homogéneas, como respuesta a la aplicación de las cargas de la superestructura, en todas las direcciones en las que estas sean dirigidas. Aunque las deformaciones pequeñas de los suelos, no presentan un gran problema para edificaciones de tipo vertical (edificios, principalmente), realmente si son un gran inconveniente para estructuras de tierra, tales como represas y terraplenes, y para estructuras enterradas en tierra, desde las tuberías de abastecimiento de servicios y alcantarillado hasta los grandes túneles debajo de las montañas o el lecho marino.
Este es un enfoque bastante reciente, ya que se había considerado que dichas deformaciones, por ser bastante pequeñas, y encontrarse en el rango lineal de la curva Esfuerzo-Deformación no representaban un problema real, y que por lo tanto podrían obviarse, sin embargo, se ha reportado que del análisis de los esfuerzos en este rango podría obtenerse información importante para la predicción del comportamiento de suelos a mayores deformaciones, además por el tipo cíclico de aplicación de cargas (sísmicas, de vientos) puede generar en la degradación del suelo, pasando de un estado de deformación elástica a plástica, y acercarse a la línea de falla. Otro concepto importante que se ha considerado es la característica anisotrópica del suelo, tanto en su constitución, como en su comportamiento. Con el fin de facilitar el análisis se hace uso del concepto de isotropía cruzada o istropía transversal, que básicamente establece que las características (constitución y comportamiento) en el eje horizontal (cualquiera de las dos direcciones) es diferente con respecto eje vertical, lo que reduce sustancialmente el análisis, generando resultados racionalmente aceptables, comparados con los casos de estudio.
Probablemente el siguiente post esté dedicado principalmente, y con mayor detalle, al análisis de las deformaciones de suelo en el rango lineal, y la teoría de anisotropía.
Torre de Pisa. Imagen típica para mostrar los efectos que pueda tener una mala calidad del suelo de fundación (Asentamientos diferenciales). Fuente: http://luismedina77796.blogspot.jp/2013/10/torre-de-pisa.html
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