DISSENY EFICIENT D’ENCEPATS

PETRA TOPINKOVA

Enginyera Civil amb Màster en Enginyeria Estructural a la Universitat Tecnològica de Brno. Experiència en projectes de disseny estructural. Enginyera de Producte en IDEA StatiCa.

HIPÓLITO ORTIZ

Enginyer Civil amb Màster en Enginyeria Estructural en Arquitectura per la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) – Barcelona Tech, MBA de Direcció i Organització d’Empreses de la UPC – Barcelona Tech. Experiència en projectes de disseny estructural per més de 10 anys.

INTRODUCCIÓ

El disseny d’un encepat pot resultar una tasca molt complexa en la pràctica de l’ enginyeria, especialment davant de distribucions de pilons irregulars. Per tant, és essencial comprendre els tipus d’ encepats existents, principis generals de disseny i les diverses opcions disponibles per aconseguir solucions estructurals eficients i segures.

QUÈ ÉS UN ENCEPAT?

Un encepat és una llosa de formigó àmpliament emprada en fonaments d’ edificacions, ponts, estructures marines i altres infraestructures pesades, especialment quan les condicions del terreny no són adequades per a fonaments superficials. L’ objectiu principal és repartir les càrregues de la superestructura entre els pilons, els quals transfereixen aquestes càrregues a les capes més profundes i estables del sòl o roca (fig. 1 i 2).

ELS TIPUS DE PILONS ES DIFERENCIEN PER DIVERSOS CRITERIS

• Segons el material (formigó, acer, fusta, etc.).
• Segons el mètode d’instal·lació (clavament, perforat, cargolat, etc.).
• Segons la seva funció (de suport, de fricció, combinats, etc.).
• Tipus especials (micropilons, tauletes, etc.).

El disseny adequat dels pilons és crucial per controlar els assentaments, els quals es consideren al disseny de la superestructura. Aquest disseny depèn de l’ entorn, com les característiques del sòl i l’assentament màxim permès, definit segons el tipus de superestructura i el disseny global. Aquesta tasca és generalment responsabilitat de l’enginyer geotècnic.
Tornem al disseny d’encepats. Com s’ha indicat, un encepat sol ser de formigó armat, i aquí intervé l’ enginyer estructural, qui ha de dissenyar l’encepat per resistir les forces de la superestructura i definir la distribució de les càrregues entre els pilons individuals (fig. 3).

COM DISSENYAR UN ENCEPAT

En termes generals, s’ han de considerar múltiples factors que influeixen al resultat final (fig. 4):

• Material: típicament de formigó armat.
• Gruix: el gruix d’una fonamentació d’encepat depèn de les càrregues que hagi de suportar i de la separació entre pilons.
• Forma i mida: la forma i la mida venen determinats per la disposició dels pilons i la naturalesa de les càrregues de l’estructura. Les formes més comunes són la rectangular, la quadrada i la triangular.
• Reforç de l’encepat: es proporciona un reforç adequat per suportar els moments flectors i les forces tallants.
• Alineació: l’alineació i el posicionament adequats dels pilons són crucials durant la construcció per garantir que l’encep pugui transferir les càrregues eficaçment.

Des d’aquest punt, es té claredat sobre el que s’ha de dissenyar i és important avaluar els mètodes i opcions disponibles per dur-lo a terme.

ENFOCAMENT EMPÍRIC I MÈTODE DE BIELES I TIRANTS

Un enfocament bàsic consisteix a utilitzar guies fonamentades en relacions empíriques que consideren l’alineació pilons, els gruixos, les dimensions i altres factors, per després dissenyar l’armadura aplicant el mètode de bieles i tirants.
El mètode de bieles i tirants és una tècnica de disseny utilitzada en enginyeria estructural, especialment per a estructures de formigó armat. És particularment eficaç per analitzar i dissenyar àrees on els supòsits convencionals de la teoria de bigues no són aplicables, com en zones amb distribucions complexes de tensions, conegudes com a regions de discontinuïtat (regions D), presents a prop d’obertures, suports i punts de càrrega. Aquest mètode simplifica els patrons complexos de tensió en un model idealitzat format per bieles, tirants i nodes (fig. 5).

Per emprar el mètode de bieles i tirants, s’iniciarà desenvolupant un model idealitzat de gelosia que representi el flux de forces a la regió D, identificant ubicacions i orientacions de bieles, tirants i nusos. Després, es calcularà les forces en cada element mitjançant l’anàlisi del model. Verifiqui que cada biela, tirant i nus pot suportar les forces determinades. Asseguri’s de la capacitat de les bieles de formigó per resistir la compressió, dels tirants d’acer de reforç per a la tracció i dels nusos per a la transferència de forces.

El mètode de bieles i tirants és una potent eina d’enginyeria estructural, especialment per a regions complexes en estructures de formigó. No obstant això, presenta diversos desavantatges:

• Complexitat i coneixements tècnics: el disseny mitjançant bieles i tirants requereix un alt nivell de coneixements i experiència. Pot resultar complex i difícil per als enginyers determinar el model al principi.
• Demanda molt de temps: desenvolupar un model precís de bieles i tirants i realitzar els càlculs necessaris pot portar molt de temps.
• Supòsits de simplificació: es basa en simplificacions i idealitzacions de la distribució real de tensions. Aquestes suposicions no poden reflectir perfectament el comportament real de l’estructura.
• Naturalesa iterativa: el procés pot ser iteratiu i requerir múltiples ajustos del model per aconseguir un disseny acceptable. Aquest caràcter iteratiu pot augmentar la complexitat i el temps necessaris.
• Conservador: en ocasions, el mètode pot donar lloc dissenys massa conservadors i, en conseqüència, emprar més material del necessari, la qual cosa pot incrementar els costos.
• No és del tot versàtil: determinar el model de bieles i tirants correcte per a formes atípiques pot ser complicat o fins i tot impossible.

Així mateix, cal afegir altres càlculs i verificacions, com la resistència al punxament i les comprovacions de regles de detallat segons normativa.

ENFOCAMENT CSFM

Una alternativa és emprar mètodes avançats d’elements finits, com el CSFM, disponible a IDEA StatiCa Detail.
CSFM són les sigles de Concrete Stress Field Method. Es tracta d’un mètode utilitzat en enginyeria estructural per a l’anàlisi i disseny d’estructures de formigó armat. El mètode es basa en el concepte de camp de tensions, que representa la distribució de tensions internes dins d’un element de formigó. Té en compte la interacció entre el formigó i l’ armadura. Malgrat la seva simplicitat, el mètode proporciona una descripció molt realista de la resposta d’una estructura de formigó tant a l’ Estat Límit Últim (ELU) com a l‘Estat Límit de Servei (ELS).
El mètode CSFM per a elements 2D ha estat validat per verificacions teòriques i experimentals com per aplicacions en estructures reals i en la pràctica professional. A continuació, veiem alguns exemples.

EXEMPLE 1: ENCEPAT DE FORMIGÓ AMB ANCORATGE

En el primer exemple presentat a continuació, s’ observa el disseny d’ un encepat per a dos pilons, incloent-hi l’ancoratge d’ una columna d’ acer. El disseny es va realitzar amb totes les avaluacions d’ ELU i ELS, emprant el mètode CSFM per a elements 2D en IDEA StatiCa Detail 2D. La figura 6 mostra el model bàsic i un resum dels resultats obtinguts.
No tots els aspectes (com calcular el volum de formigó per a un encepat d’ un grup de tres pilons) es poden simplificar amb combinacions del mètode CSFM 2D, el que va portar a IDEA StatiCa a desenvolupar el mètode CSFM 3D. Actualment, es troba en fase BETA i està a disposició del públic perquè pugui provar-ho. A mesura que es realitzin més estudis de verificació, s’acostarà el seu llançament oficial. Tot i que l’ús més comú serà en ancoratges i sabates, aquest article ofereix una visió àmplia de l’aplicació futura de l’enfoc 3D a mesura que evolucioni.

EXEMPLE 2: ENCEPAT TRIANGULAR DE FORMIGÓ

En la figura 7 es presenta un exemple de disseny d’ encepat triangular amb tres pilons, ideal per a CSFM 3D, ja que la simplificació a una solució CSFM 2D no reflectiria adequadament la realitat. Amb CSFM 3D, no només és possible dissenyar l’ armadura de tracció i verificar si el formigó transfereix correctament la compressió, sinó també visualitzar la distribució de càrregues cap a cada piló individual.
Els majors avantatges del mètode són:

• Automatització: a IDEA StatiCa, el model d’elements finits es crea automàticament. No hi ha i en comparació amb els models de bieles i tirants, necessitat de llargues definicions de restriccions, no hi ha necessitat de conèixer el comportament de l’ estructura per endavant.

• Representació precisa de les tensions: proporciona una representació més precisa de les distribucions de tensions en regions complexes, en comparació amb mètodes més simples.
• Versàtil en la seva aplicació: pot aplicar-se a una àmplia gamma d’ elements estructurals i condicions càrrega.
• Més seguretat: ajuda a dissenyar estructures més segures en predir amb precisió les maneres de fallada potencials.

CONCLUSIÓ

En el disseny d’encepats de formigó, és evident des de l’inici que l’encepat representa un cas típic de regió de discontinuïtat. Encara que les normatives i manuals ofereixen principis bàsics sobre com procedir, és essencial comprendre millor el comportament estructural, especialment quan s’enfronten formes i alineacions inusuals. Els encepats poden presentar dificultats en simplificar la tasca a models 2D, sent necessari abordar el problema en tres dimensions per a una anàlisi precisa. A més, atès que aquesta part sosté literalment la resta de l’estructura, la seu disseny cobra una importància encara més gran, requerint l’atenció adequada.
Tant CSFM com els models de bieles i tirants s’utilitzen per a regions complexes en estructures de formigó. Mentre que les bieles i tirants simplifiquen la regió en un model similar a un entramat amb bieles, tirants i nodes discrets, CSFM modela la distribució contínua de tensions dins del formigó. En resum, el Mètode del Camp de Tensions del Formigó (CSFM) implementat a IDEA StatiCa Detail és una eina sofisticada per al disseny i anàlisi d’ estructures formigó armat, oferint una visió detallada de distribucions de tensions i resultats precisos tant per a models 2D com a 3D.

REFERÈNCIES

^[1] https://www.eigenplus.com/design-steps-of-pile-foundation/
^[2] https://www.thestructuralworld.com/wp-content/uploads/2018/07/PilecapDimensions.jpg
^[3] https://www.nature.com/articles/s41598-022-14416-2
^[4] https://www.linkedin.com/pulse/how-determine-pile-cap-depth-dr-subramaniannarayanan/