Esfuerzo en suelos: definición, cálculo y ejemplos prácticos

El esfuerzo es la fuerza que actúa sobre un área determinada. No se trata solo de cuánta fuerza se aplica, sino de cómo esa fuerza se distribuye sobre una superficie.

En suelos, este concepto nos ayuda a entender cómo las cargas de una estructura (como una casa, un puente o una carretera) se transmiten hacia abajo y cómo el terreno responde a ellas. 

La fórmula básica es:

$$\sigma = \frac{F}{A}$$

Donde:

• σ = Esfuerzo (en kN/m² o Pa)

• F = Fuerza aplicada (en kN o N)

• A = Área sobre la que actúa la fuerza (en m²)

Unidades del esfuerzo

Las unidades más usadas en geotecnia son:

• kN/m² (kilonewtons por metro cuadrado)

• Pa (Pascales), donde 1 kN/m² equivale a 1 kPa.

Por ejemplo, si una zapata transmite una carga de 150 kN sobre un área de 3 m², el esfuerzo será:

$$\sigma =\frac{150kN}{3m^2}=50kN\mathrm{/}{m}^2$$

Ejemplos aplicado en suelos

Suelo seco, homogéneo

• Peso unitario (γ) = 18 kN/m³

• Profundidad (z) = 5 m

$$\sigma_v = \gamma \cdot z = 18 \cdot 5 = \mathbf{90\ kPa}$$

Ese es el esfuerzo vertical total a 5 m, debido solo al suelo seco.

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Perfil estratificado (seco)

• 0–1.5 m: suelo A con γ = 17 kN/m³

• 1.5–4.0 m: suelo B con γ = 19 kN/m³

• Queremos $\sigma_v$ a 4 m:

$$\sigma_v = (1.5)(17) + (2.5)(19) = 25.5 + 47.5 = \mathbf{73.0\ kPa}$$

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Con nivel freático (sin sobrecargas)

• 0–2 m: suelo seco con γ = 17 kN/m³

• 2–5 m: suelo saturado con γ_{sat} = 20 kN/m³

• Profundidad objetivo: 5 m

Esfuerzo vertical total:

$$\sigma_v = (2)(17) + (3)(20) = 34 + 60 = \mathbf{94\ kPa}$$

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Cimentaciones

Imagina que tienes una zapata de concreto de 2 m² que soporta una columna con una carga de 200 kN. El cálculo sería:

$$\sigma = \frac{200}{2} = 100 \, kN/m²$$

Esto significa que el suelo debajo de la zapata está recibiendo un esfuerzo de 100 kPa. Si la capacidad portante del suelo es mayor a este valor, la cimentación funcionará sin problemas. Si es menor, podría producirse asentamiento o falla.