SANTA FE - ARGENTINA - 2016

SoilBox, Aplicación Móvil para el Desarrollo de Cálculos de Diseño Geotécnico en Smartphones y Tablets

A. Bravo

a.bravo@soilbox.co SoilBox S.A.S

RESUMEN: La realización de diseños geotécnicos integra el conocimiento y la experticia del ingeniero, con la aplicación de las teorías y metodologías existentes y el uso de las herramientas disponibles, para el desarrollo de cálculos y diseños buscando la solución más eficaz para el problema planteado; el ejercicio de la ingeniería está llamado a la innovación, al desarrollo y al uso de nuevas tecnologías, condiciones acordes con las exigencias de los nuevos retos que se presentan en cada proyecto. SoilBox App es una aplicación móvil, una herramienta innovadora que facilita la realización de cálculos de diseño geotécnico de capacidad portante para el diseño de cimentaciones superficiales, mediante la utilización de smartphones y tablets, disponible para sistemas Android e iOS (Play Store & Apple Store). El proyecto fue nominado al Premio Nacional de Ingeniería - Colombia 2015. Se constituyó como un proyecto de innovación y emprendimiento dentro del campo de la Ingeniería Geotécnica en el cual, a través de la integración de la importancia de la exactitud en los cálculos geotécnicos, la innovación en las herramientas y el uso de nuevas tecnologías, se genera una mayor eficacia en el quehacer de los ingenieros responsables del diseño geotécnico.

Palabras clave: geotecnia, innovación, aplicación, cimentaciones

ABSTRACT: The accomplishment of geotechnical designs integrates the knowledge and the experience of the engineer with the application of the existing theories and methodologies and the use of the available tools for the development of calculations, looking for the most effective solution for the posed problem. The exercise of the engineering is called to the innovation, the development and use of new technologies, conditions according to the requirements of the new challenges that are present in each project. SoilBox App is a mobile application, an innovative tool to facilitate the accomplishment of calculations of bearing capacity in geotechnical design of shallow foundations, by the utilization of smartphones and tablets, availably for systems Android and iOS (Play Store and Apple Store). The project was nominated to the National Prize of Engineering - Colombia 2015. It was constituted as a project of innovation and entrepreneurship inside the field of the Geotechnical Engineering in which, through the integration of the importance of the accuracy in the geotechnical calculations, the innovation in the tools and the use of new technologies, it generates a greater efficacy in the work of the engineers responsible for the geotechnical design.

KEY WORDS: Geomechanics, Geotechnic, Innovation, App, Foundations

1 INTRODUCCIÓN

En una gran cantidad de casos en el ejercicio práctico de la ingeniería, es necesario realizar cálculos y/o ajustes a los diseños geotécnicos de cimentaciones superficiales bien sea por: a) condiciones “sui generis” del terreno en el área de trabajo, que se evidencian al momento de la construcción de obra, b) cambios en los diseños arquitectónicos y estructurales del proyecto o c) por la necesidad de revisión de diseños para garantizar el aseguramiento de calidad de productos recibidos, entre otras. Las condiciones planteadas generan retrasos considerables en la ejecución de proyectos, puesto que la realización de los cálculos de capacidad portante para cimentaciones superficiales en condiciones estáticas y pseudoestáticas por los cuatro (4) métodos existentes (Terzagui, Meyerhof, Hansen & Vesic), solo es posible mediante la utilización de paquetes costosos de software geotécnico especializado o mediante el uso de herramientas personales, como es el caso de las hojas de cálculo programadas por el ingeniero responsable de los mismos; herramientas que solo permiten ser utilizadas en el pc y la laptop. Esta condición limita su utilización y como consecuencia genera mayores costos y tiempos tanto de cálculo como de diseño. Acorde con las exigencias de los nuevos retos, el ejercicio de la ingeniería esta llamado a ir de la mano con la innovación, el desarrollo y el uso de nuevas tecnologías. La variable costo – tiempo que prima en el desarrollo de los proyectos actuales, debe velar siempre por una tercera variable que es la exactitud en los cálculos geotécnicos. La incorporación de una herramienta de cálculos móvil integra las variables anteriormente mencionadas con el fin de generar resultados eficientes y eficaces. En el presente documento se describirá la aplicación móvil SoilBox App, aplicación única e innovadora, funcional tanto en smartphones como tablets, diseñada para el desarrollo de cálculos de capacidad portante para el diseño geotécnico de cimentaciones superficiales, disponible para sistemas Android e iOS (Play Store & Apple Store) en dos (2) versiones comerciales, una gratuita (Free) y una de pago (Premium). La herramienta se caracteriza por permitirle al profesional responsable de la realización de los diseños geotécnicos, realizar los cálculos necesarios para sus proyectos en cualquier momento y en todo lugar, con exactitud, precisión y rapidez.

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

Generar herramientas tecnológicas que apoyen y faciliten la realización de cálculos para diseño geotécnico.

2.2 Objetivos Específicos

2.2.1 Desarrollo aplicación móvil.

Desarrollar una aplicación móvil precisa y confiable, que permita el cálculo de capacidad portante de cimentaciones superficiales.

2.2.2 Innovación en Geotecnia.

Desarrollar una aplicación móvil precisa y confiable, que permita el cálculo de capacidad portante de cimentaciones superficiales, en condiciones estáticas y pseudoestáticas, considerando cargas, momentos y excentricidades.

2.2.3 Mejorar Tiempos y Procesos en los Proyectos de Diseño Geotécnico.

Fortalecer desde la innovación, las variables costo-tiempo-exactitud en el desarrollo de cálculos para diseños geotécnicos.

3 METODOLOGÍA

3.1 Cálculo Capacidad Portante Estática

SoilBox App se ha desarrollado para la realización del cálculo de Capacidad Portante tanto última como admisible, mediante la utilización de un modelo geotécnico que considera dos (2) capas de material, Material 1 que se encuentra sobre la estructura de fundación (sobrecarga) y un segundo material que corresponde al Material de Fundación, considerando éste último como un medio continuo, homogéneo, isotrópico, lineal y elástico (Ver Fig. 1.), mediante la utilización del método de análisis del equilibrio límite, en el cual se define la forma de la superficie de falla y la evaluación de los esfuerzos y deformaciones a lo largo de dicha superficie, teniendo en cuenta cuatro (4) metodologías de cálculo: Terzagui (1943), Meyerhof (1963), Hansen (1970) y Vesic (1973, 1975) Ref. [1]., cuyas ecuaciones se presentan a continuación.

Figura 1. SoilBox App – Modelo Geotécnico que considera dos (2) capas de material (Material 1 y

Material de Fundación).

3.1.1 Ecuación Capacidad Portante Última - Terzagui (1943)

𝑞𝑢 = 𝐶𝑁𝑐𝑠𝑐 + 𝐷𝛾1𝑁𝑞 + 0.5𝛾2𝐵𝑁𝛾𝑠𝛾 (1)

3.1.2 Ecuación Capacidad Portante Última - Meyerhof (1963)

𝑞𝑢 = 𝐶𝑁𝑐𝑠𝑐𝑑𝑐𝑖𝑐 + 𝐷𝛾1𝑁𝑞𝑠𝑞𝑑𝑞𝑖𝑞 + 0.5𝛾2𝐵𝑁𝛾𝑠𝛾𝑑𝛾𝑖𝛾 (2)

3.1.3 Ecuación Capacidad Portante Última - Hansen (1970)

𝑞𝑢 = 𝐶𝑁𝑐𝑠𝑐𝑑𝑐𝑖𝑐𝑔𝑐𝑏𝑐 + 𝐷𝛾1𝑁𝑞𝑠𝑞𝑑𝑞𝑖𝑞𝑔𝑞𝑏𝑞 + 0.5𝛾2𝐵𝑁𝛾𝑠𝛾𝑑𝛾𝑖𝛾𝑠𝛾𝑏𝛾 (3)

3.1.4 Ecuación Capacidad Portante Última - Vesic (1973, 1975).

𝑞𝑢 = 𝐶𝑁𝑐𝑠𝑐𝑑𝑐𝑖𝑐𝑔𝑐𝑏𝑐 + 𝐷𝛾1𝑁𝑞𝑠𝑞𝑑𝑞𝑖𝑞𝑔𝑞𝑏𝑞 + 0.5𝛾2𝐵𝑁𝛾𝑠𝛾𝑑𝛾𝑖𝛾𝑠𝛾𝑏𝛾 (4)

3.1.5 Ecuación Capacidad Portante Admisible.

𝑞𝑎 =𝑞𝑢

𝐹𝑆 (5)

Donde:

qu: Capacidad portante última. qa: Capacidad portante admisible. FS: Factor de Seguridad

q: Sobrecarga actuante en la base de la cimentación igual a Df.

: Peso unitario del suelo. Df: Profundidad de empotramiento considerada hasta el fondo de la cimentación. c: Cohesión. B: Ancho del cimiento (o ancho equivalente del cimiento).

Nc, Nq, N: Factores de capacidad de carga estática adimensionales que dependen del ángulo de fricción interna.

di, Si, ii, bi, gi: Factores adimensionales para considerar el efecto de la resistencia al corte local del terreno situado sobre la base de la cimentación, la forma de la cimentación, la

inclinación de la carga. Los subíndices q, c y indican en cuál de los tres términos de las ecuaciones debe aplicarse.

3.2 Cálculo Capacidad Portante Pseudoestática

El cálculo de capacidad portante pseudoestática se debe considerar para proyectos que se encuentran en zonas de amenaza sísmica intermedia y alta, con el objeto de garantizar diseños que tengan en cuenta la influencia de las condiciones sísmicas en la zona de estudio y de esta manera tener diseños geotécnicos más precisos y ajustados. Para el cálculo de la Capacidad Portante tanto última como admisible en condiciones Pseudoestáticas, SoilBox App, utiliza el modelo geológico geotécnico y los (4) métodos de cálculo de capacidad portante

estática descritos previamente, modificando los coeficientes de capacidad de carga cN , qN y N , por

efecto de las aceleraciones sísmicas horizontal y vertical, mediante la aplicación de la metodología

planteada por M. Budhu & A. Al-Karni, Ref. [3]., obteniendo ceN , qeN y eN , coeficientes de capacidad

de carga en condiciones pseudoestáticas, los cuales tienen en cuenta los factores de análisis sísmico: He,

c, q y , de acuerdo con las siguientes ecuaciones (6), (7), (8), (9), (10), (11) y (12).

𝐻𝑒 =𝑐

𝛾𝑡𝑜𝑡(0.5𝐵)

cos(𝜋4+

∅2)𝑒(𝜋2 tan∅)+𝐷𝑓

(6)

𝛽𝑐 = 4.3(𝐴𝑎ℎ)(1+𝐻𝑒) (7)

𝛽𝑞 =5.3(𝐴𝑎ℎ)

1.2

1−𝐴𝑎𝑣 (8)

𝛽𝛾 =9(𝐴𝑎ℎ)

1.1

1−𝐴𝑎𝑣 (9)

𝑁𝑐𝑒 = 𝑁𝑐𝑒(−𝛽𝑐) (10)

𝑁𝑞𝑒 = (1 + 𝐴𝑎𝑣)𝑁𝑞 − 𝑒(−𝛽𝑞) (11)

𝑁𝛾𝑒 = (1 +2

3𝐴𝑎𝑣)𝑁𝛾𝑒

(−𝛽𝛾) (12)

Donde: c: Cohesión, material de fundación. tot: Peso unitario total, material de fundación. B: Ancho de la cimentación. Ø: Ángulo de fricción, material de fundación. Df: Profundidad de desplante. Aah: Coeficiente de aceleración horizontal. Aav: Coeficiente de aceleración vertical.

Nce, Nqe, Ne: Factores de capacidad de carga pseudoestática adimensionales que dependen de los factores de análisis sísmico y los coeficientes de aceleración horizontal y vertical.

3.3 Cálculo Capacidad Portante considerando Cargas y/o Excentricidades

Los cálculos de capacidad portante estática y/o pseudoestática, teniendo en cuenta cargas y/o excentricidades, deben ser realizados en proyectos donde las cargas que serán transmitidas al suelo de fundación, por diferentes aspectos, bien sea distribución espacial y diseño de los elementos estructurales que conforman los elementos de la edificación, así como también por la influencia de edificaciones aledañas a los linderos del proyecto, entre otros, presentan inclinaciones en su ángulo de aplicación y/o se encuentran fuera del centro de gravedad de la estructura de cimentación. Para los proyectos en que se considere la existencia de cargas inclinadas y/o excentricidades, SoilBox App permite realizar los cálculos de capacidad portante mediante la utilización de ecuaciones para la corrección de excentricidades en una dirección, reduciendo el ancho “B” o el largo “L”, Ref. [1]. de acuerdo con las siguientes ecuaciones (13), (14), (15) y (16), aplicando las metodologías que permiten tener en cuenta estas variables, de acuerdo a los criterios expuestos a continuación.

3.3.1 Criterios para el cálculo de capacidad portante incluyendo cargas y/o excentricidades

Para el caso en el que se considere carga vertical, sin excentricidades, SoilBox App calcula la Capacidad Portante, como el promedio aritmético de los resultados obtenidos por los cuatro (4) métodos de cálculo utilizados.

Para el caso en el que se considere carga inclinada y/o excéntrica, SoilBox App calcula la Capacidad Portante, como el promedio aritmético de los resultados obtenidos por los métodos de Meyerhof, Hansen y Vesic.

𝐵´ = 𝐵 − 2𝑒𝐵 (13)

𝐿´ = 𝐿 − 2𝑒𝐿 (14)

𝑒𝐵 =𝑀𝐵

𝑉 (15)

𝑒𝐿 =𝑀𝐿

𝑉 (16)

Donde: 𝑒𝐵: Excentricidad en la dirección B. 𝑒𝐿: Excentricidad en la dirección L. 𝑀𝐵 , 𝑀𝐿: Momentos en la dirección B y L respectivamente. V: Componente vertical de las cargas actuantes.

4 RESULTADOS

Con base en la metodología previamente descrita, SoilBox App se encuentra disponible y funcional para sistemas Android e iOS (Play Store & Apple Store) en dos (2) versiones, una gratuita (Free) y una de pago (Premium), con las siguientes características a saber:

4.1 SoilBox App Versión Gratuita (Free)

Generación de cálculos en condiciones estáticas, mediante la utilización de las cuatro (4) metodologías existentes (Terzagui, Meyerhof, Hansen & Vesic).

Realización de cálculos incluyendo condiciones Drenadas o No Drenadas del material de fundación.

4.2 SoilBox App Versión Pago (Premium)

Generación de cálculos en condiciones estáticas y pseudoestáticas, mediante la utilización de las cuatro (4) metodologías existentes (Terzagui, Meyerhof, Hansen & Vesic).

Realización de cálculos incluyendo condiciones Drenadas o No Drenadas del material de fundación.

Realización de cálculos con la posibilidad de incluir cargas inclinadas, momentos y excentricidades.

Permite crear, guardar, editar y eliminar proyectos.

Generación de archivo resumen en formato *.pdf, que contiene la información y los resultados de cada proyecto, archivo que puede ser compartido vía e-mail.

En las siguientes figuras se muestran las pantallas de ingresos de datos y de presentación de resultados (Ver Fig. 2. a Fig. 6).

Figura 2. SoilBox App – Parámetros Geotécnicos de Los Materiales y Condición de Análisis del Material

de Fundación.

Figura 3. SoilBox App – Condiciones del Modelo Geotécnico – Cargas Externas y

Geometría de la Fundación – Versión Gratuita (Free).

Figura 4. SoilBox App – Condiciones del Modelo Geotécnico,

Cargas Externas y Geometría de la Fundación – Versión Pago (Premium).

Figura 5. SoilBox App – Cargas Externas y Geometría de la Fundación – Versión Pago (Premium).

Figura 6. SoilBox App – Modelo Presentación de resultados Archivo *.pdf.

5 CONCLUSIONES

El desarrollo de SoilBox App, aplicación móvil para la realización de cálculos de diseño geotécnico, disponible y funcional para sistemas Android e iOS (Play Store & Apple Store) en dos (2) versiones, una gratuita (Free) y una de pago (Premium), evidencia la pertinencia y potencialidad del desarrollo de nuevas herramientas para apoyar los trabajos de diseño geotécnico.

Gracias a la posibilidad de la realización de cálculos de capacidad portante en condiciones estáticas y pseudoestáticas, considerando cargas, momentos y excentricidades, “SoilBox App” se constituye como una aplicación móvil innovadora en el campo de las herramientas tecnológicas desarrolladas para la ingeniería geotécnica.

A través de la innovación, con “SoilBox App” se ha demostrado que es necesario, posible y funcional, la realización de cálculos de capacidad portante para cimentaciones superficiales, en cualquier momento y lugar, de manera precisa y confiable, generando un fortalecimiento de los procesos de diseño geotécnico, mediante la reducción considerable en los tiempos y costos de cálculo, garantizando exactitud y precisión en resultados.

6 REFERENCIAS

[1] Bowles, J. E., Foundation Analysis and Design, 5a ed., McGraw-Hill., 1996, pp 219-230. [2] Braja, D. M., Principios de Ingeniería de Cimentaciones, 5ta ed., Thomson., 2006, pp 123 – 198. [3] M. Budhu and A. Al-Karni., Seismic bearing capacity of soils, G’eotechnique 43, No. 1, 1993, pp

181-187. [4] Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Reglamento Colombiano de

Construcción Sismo Resistente – NSR 10, Bogotá, 2010. [5] Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), Manual de Diseño de

Cimentaciones Superficiales y Profundas para Carreteras, Bogotá, 2012. [6] Terzaghi, K., Theoretical Soil Mechanics, 1943. [7] Meyerhof, G. G., Shallow Foundations, Journal of the Soli Mechanics and Foundations Division-

JSMFD, ASCE, Vol. 91, 1965. [8] Vesic, A. S., Analysis of ultimate loads of shallow foundations, Journal of the Soli Mechanics and

Foundations Division- JSMFD, ASCE, Vol. 99, 1973. [9] Vesic, A. S., Foundation Engineering Handbook, 1975. [10] Hansen, J. B., A Revised and Extended Formula for Bearing Capacity, Danish Geotechnical

Institute, 1970.