CIMENTACIONES

•La cimentación es la parte de la estructura de un edificio que esta en contacto directo con el suelo, es la que permite equilibrar y transmitir al terreno las cargas propias del edificio y de las personas que lo habitan.

•Las cimentaciones son toda una especialidad dentro de la Ingeniería, misma que se relaciona con el comportamiento del suelo y la forma en que esta transmite al terreno las cargas correspondientes, por lo que estas se clasifican primeramente en dos grandes apartados:

• 1.- Cimentaciones superficiales o poco profundas.-Son las que se caracterizan porque su profundidad no excede de un par de veces el ancho del cimiento.

• 2.- Cimentaciones profundas. Son aquellas que por las condiciones del terreno, no es posible una cimentación superficial y, se recurre a la búsqueda de estratos resistentes a mayor profundidad a fin de garantizar la estabilidad de la estructura.

• REQUISITOS QUE DEBE DE CUMPLIR UNA CIMENTACION

1.- Los cimientos no deberán volcarse o deslizarse sobre el terreno.2.- Hasta donde sea posible, deben evitarse los asentamientos de la construcción, en caso de ser inevitables por las condiciones del subsuelo, se deberá prever en el diseño de las cimentaciones para que se proyecten elementos de control hidráulica, pero en ningún caso se aceptan asentamientos diferenciales.3.- En zonas de alto riesgo sísmico, se deben prever las formas de contrarrestar sus efectos (Pueden rigidizarse las estructuras), o puede diseñarse una cimentación que contrarreste los efectos trepidatorios (Mov. Verticales), mediante pilotes especiales tipo amortiguador y los efectos undulatorios (Mov. Horizontales) por ejemplo mediante pilotes montados sobre dispositivos BALIN, que permiten el movimiento undulatorio del terreno, sin que se mueva la parte del edificio que esta sobre ellos.4.- En ningún punto de las cimentaciones las cargas unitarias sobre el terreno excederán la capacidad de carga del mismo (terreno).5.- Para cimentaciones a base de pilotes, estos no deberán soportar cargas mayores que las estipuladas por los cálculos. Así mismo no debera en este caso, o en cualquier otra, considerarse ninguna capacidad de carga del terreno superficial

En este tema nos referiremos exclusivamente a las cimentaciones superficiales, es decir las que están desplantadas sobre el terreno situado inmediatamente debajo de la misma (0.00 m a 3.00 m de profundidad aprox.) y teniendo esta la suficiente capacidad de carga para soportar las construcciones así apoyadas. Estas están representadas por los tipos siguientes:

1. Zapata aislada.-Estas suelen ser cuadradas, rectangulares, dados y puntales ( raramente circulares) y, se construyen para soportar columnas a fin de transmitir menores presiones al terreno de acuerdo al área propia de la zapata. Estas se construyen de concreto reforzado y pueden ser de lindero, esquina y zapata central.

• Dados: Usuales en terrenos rocosos.

• Zapatas: Usuales en terrenos duros y semisuave, (o suaves con estructura ligera). Pueden ser cuadradas, rectangulares, redondas, poligonales o circulares. También pueden ser con carga al centro o aun extremo.

• Puntales: Usuales en terrenos duros y semisuaves. Con estructura ligera y provisionales; puede ser a base de hincar polines, vigas, vigetas metálicas etc.

• Nota.- Como protección adicional contra asentamientos diferenciales producidas por poca capacidad de carga del estrato, o por expansión , se recomienda ligar la cimentación y la estructura por medio de:

• A).-Vigas de cimentación: (Unión a nivel de zapatas).

• B).- Dalas o cadenas intermedias: (Unión a mitad de castillos, en cimientos o muros).

• C).- Dalas o cadenas de cerramiento: ( Unión a nivel de altura de puertas y ventanas)

1. Zapata corrida y contratrabes.-Estas suelen ser de concreto reforzado de forma rectangular, con una longitud mucho mayor que su ancho y se utilizan para soportar muros cargadores o varias columnas consecutivas sobre líneas especificas. A través de las zapatas corridas se trasmiten al terreno presiones mas bajas, de tal forma que son excelentes en caso de suelos de baja resistencia o cuando se requiere la transmisión de cargas grandes.

Son recomendables para desplantar en estratos duros, semiduros y suaves.

Contratrabes: Usuales en terreno rocoso.

Zapatas corridas: Usuales en terreno duro, semiduro y semisuave, pueden ser con carga al centro , de lindero o excéntricas o para muros de contención.

Mampostería corrida: usuales en terrenos duros, semiduros , o suaves para estructura ligera.

1. Losa de cimentación (Delgadas y Gruesas).- Estas también son de concreto reforzado y se utilizan cuando la resistencia del terreno es muy baja o cuando las cargas a transmitir son muy altas; obligando así, al uso de extensas áreas de desplante, llegando incluso a ocupar toda el área de construcción.

Es conveniente o recomendable fraccionarlas por medio de nervaduras para obtener así losas apoyadas en un solo sentido, su calculo o armado es igual al de cualquier losa de concreto, solo que la carga en vez de actuar de arriba hacia abajo, procede de forma contraria, y es igual a la reacción del terreno o fatiga que se acepte por m2, y su armado ira en la parte superior para momentos flexionantés positivos y en la parte inferior para los negativos.

Columna

Zapata cuadrada

ZAPATA AISLADA CUADRADA

Pedestal o dado

Columna

Pedestal o dado

Zapata cuadrada

B

B

B

DfNAF

SUELO

Zapata

Zapata

ZAPATAS AISLADA RECTANGULAR

Zapata rectangular

Columna

L

B

Pedestal o dado

Zapata

L

B

Zapata rectangular de lindero

L

B

Zapata rectangular de esquina

ZAPATAS CONTINUAS O CORRIDAS

Sótano

Sótano

Trabes y columnas reforzadas

Losa de cimentación de concreto reforzado

Losa de cimentación de concreto reforzado

Sótano

Sótano

Muro viga reforzados

Columnas de concreto reforzado

LOSAS DE CIMENTACION

Empleo de losas de cimentación y aprovechamiento para sótanos o cuartos para maquinaria e instalaciones.

El diseño de cimentaciones es toda una especialidad y en ella se conjugan la habilidad y el gusto del ingeniero proyectista para aprovechar al máximo los factores estructurales así como las características del terreno. Así en la practica real nos toparemos con una variedad de cimentaciones combinadas, en donde se entremezclan casi todos los tipos.

Es de recordar que si una losa de cimentación transmite al terreno presiones mayores que la capacidad de carga de este, es lógico que deberemos recurrir a soportar los edificios en estratos mas resistentes a mayores profundidades, llegándose al uso de las cimentaciones profundas.

Las cimentaciones profundas se utilizan por varias razones, que discutiremos a continuación:

1. Cuando el terreno no posee la resistencia suficiente al esfuerzo cortante por ser muy suave, se buscan estratos mas resistentes a mayor profundidad, claro esta sin descuidar el factor económico.

2. Cuando el edificio es muy masivo y las presiones a transmitir son grandes y rebasan la capacidad resistiva del terreno para ser cimentado sobre una losa de cimentación.

3. También suelen utilizarse las cimentaciones profundas en suelos muy arcillosos o arcillas expansivas muy potentes, es decir de gran espesor. En este caso se recurre al uso de pilotajes por fricción.

Las cimentaciones profundas por pilotes son especiales en el caso de puentes sobre ríos caudalosos o en zonas pantanosas e, inclusive se han utilizado con mucho éxito en la construcción de plataformas petroleras.

CIMENTACIONES PROFUNDAS

La torre Latinoamericana con sus 43 pisos es una estructura cimentada sobre un cajón de 13 metros de profundidad que se apoya en mas de 350 pilotes de extremo ancho, desplantados a 33.5 metros sobre una capa delgada arena, situada entre depósitos lacustres de arcilla muy compresible.

La torre de Pisa es un ejemplo de estructura cimentada sobre pilotes de madera de cedro que actúan como pilotes de fricción. Estos se dispusieron simétricamente en distribución concéntrica sobre la base circular de desplante de la torre.

En 1962, Terracina presento una evaluación de los asentamiento que ha experimentado la torre, presentándose un hundimiento de mas de 1.00 metro m del lado norte, mientras que del lado sur el asentamiento es del orden de los 3.00 metros.

Puente Internacional de Nuevo Laredo

Las cimentaciones profundas suelen ser de varios tipos , entre ellas se cuentan:

1. Pilotes.-Son estructuras generalmente de concreto reforzado, pero pueden ser de perfiles de acero e incluso de maderas de cedro encino o pino simplemente. Son elementos muy esbeltos y su sección transversal n es mayor de 1,20 mts, los mas comunes son de concreto reforzado circulares con diámetros de 30 a 60 cms.

2. Pilas.-Cuando los elementos d soporte son de secciones mayor de 120 cms pero no exceden de su doble, se denominan pilas y pueden ser de sección circular, ovoidea y rectangulares. Son comunes las pilas de los puentes viales, mismas que siempre son de concreto reforzado.

3. Cilindros o Cajones.- Son elementos de concreto reforzado que se construyen huecos por cuestiones económicas y de peso, sus diámetro suele variar entre 3.00 y 6.00 metros. Se llaman cilindros cuando su sección es circular y cajones cuando con paralelepípedos. Estos pueden trabajar simples o en batería.

Roca sana

Suelo suave

PilotePila Cilindro o

cajónCajones en

batería

Tipos de cimentaciones profundas

X

Los pilotes se utilizan con varios fines, entre ellos están:

1. Para transmitir las cargas de los edificios a mayor profundidad hasta los estratos de suelos mas resistentes, conociéndose estos como pilote de punta..

2. Transmitir la carga al mismo suelo blando parque por fricción garantice la estabilidad de las estructuras

3. Proporcionar el anclaje adecuado a ciertas estructuras (como tablestacados) o resistir fuerzas laterales ( caso de pilas de puentes) ya sean de suelo u otro material.

4. Aumentar las fuerzas resistivas a varias estructuras a fin de contrarrestar los momentos de volcadura o fuerzas de deslizamiento ( caso de muros de contención, cisternas y edificios cerca de taludes).

5. Evitar los efectos de la erosión o socavación como en pilas de puentes, en muelles o atracaderos.

6. Proteger estructuras marítimas como plataformas, muelles.

De acuerdo a la forma en que trabajaran, es decir, como transmitirán las cargas al terreno, los pilotes se clasifican como:

1. Pilotes de punta.-estos son hincados a una profundidad en la cual se incrustan en un estrato resistente, transmitiendo las cargas del edificio en este estrato.

2. Pilote de fricción.-Estos son aquellos que transmiten la carga al mismo estrato sobre el que están hincados, mediante la fricción que se genera entre el pilote y el suelo que lo rodea.

3. Pilote mixto.-Estos pilotes transmiten una parte de la carga por punta y la carga restante se distribuye por fricción sobre el suelo.

Cuando las condiciones y estratigrafía del lugar lo permita, los pilotes de punta siempre deberán ser los primeros en seleccionarse, ya que son las mas seguros puesto que al transmitir las cargas a mayor profundidad, el edificio no experimentara inclinaciones ni asentamientos fuertes y su estabilidad será mayor.

Suelo blando

Lente resistente

Lente resistente

Roca sana

Pilotes

Cimentación de edificio

En la figura se ilustra la existencia de lentes de material resistente, en los que apoyan algunos pilotes y otros descansan en el estrato de roca sana mas abajo. En esta distribución, es de esperarse que con el tiempo las lentes de material firme junto con los pilotes que soportan y parte del edificio experimenten un descenso, pues las cargas inducidas provocaran que el suelo suave llegue a la fatiga propiciando la consolidación del suelo bajo las lentes indicadas. Esto provocara un hundimiento desigual en el edificio.

Los pilotes de concreto pueden ser prefabricados e hincados a golpes con maquina piloteadora ( llamada Martillo, como se ve en la foto) o hincados por presión neumática. Además los pilotes también pueden ser colados en el lugar, en una excavación realizada previamente.

Maquina martillo de presión de aire hincando pilotes de acero, perfiles HP

Maquina martillo de Diesel hincando pilotes de acero

perfiles HP.

Martillo vibratorio hincando perfiles de acero para la construcción de una pila.

La capacidad de carga en pilotes, se determina comúnmente por varios criterios, entre los que se pueden mencionar los siguiente:

1. Criterio dinámico.- Se basa en la aplicación de formulas dinámicas en las cuales interviene la energía comunicada al pilote por el impacto del martillo de hinca. Se aplica exclusivamente a los pilotes de punta hincados al golpe.

La falla de este método consiste en ignorar la respuesta de los materiales al impacto, pues se desarrollan fuerzas resistentes viscosas y de inercia en el sistema pilote-suelo, debido a que la penetración tiene lugar durante un breve tiempo y, como sabemos estas fuerzas viscosas e inerciales no se presentan en el caso estático y hacen que la correlación entre la resistencia dinámica y la estática sea casi imposible de realizar. Por esto ultimo, las formulas dinámicas no se recomiendan en ningún caso y no deben de utilizarse para el calculo de la capacidad de carga en pilotes.

2. Criterio empírico.- Se basa en la aplicación de formulas de capacidad de carga de pilotes a partir de criterios o experiencias locales. Muchas formulas son tales que adoptan factores de seguridad demasiado altos, lo que conduce a cimentaciones muy costosas y, por tal motivo, tampoco se justifica la estimación de la capacidad de carga de pilotes tomando en cuenta estos criterios.

3. Criterio estático.- En este la capacidad de carga del pilote se determina a partir de una teoría que valúe la capacidad de carga del suelo, a partir de ensayes de resistencia. En este criterio se exige que se tenga una completa exploración del suelo y se realicen los ensayes de laboratorio y en el lugar. A partir de estos resultados de laboratorio e “in situ”, el ingeniero podrá utilizar alguna de las formulas ya indicadas en el capitulo cuatro de este mismo trabajo. Se debe de considerar un factor de seguridad del orden de 3 cuando las cimentaciones se calculen con las cargas vivas y muertas permanentes.

El mejor método para determinar la capacidad de carga de un pilote, es el realizar una prueba de carga en el lugar. Desgraciadamente no siempre se realiza por el costo y el tiempo que este tipo de ensaye requiere, sin embargo recomendamos que no se escatime esta recomendación dada la importancia y el costo del edificio.

Un aspecto que no debe pasarse por alto es la interpretación de los resultados de un ensaye de prueba, ya que este siempre se realiza sobre un solo pilote, cuando en realidad, el edificio esta desplantado sobre muchos de ellos y, la capacidad de carga de un conjunto de pilotes no es proporcional a la capacidad de carga del numero de pilotes hincados.

A través de un prueba de carga sobre un pilote, se puede obtener la siguiente información:

1. La capacidad de carga ultima por punta del pilote, para esto es necesario el realizar primero la excavación hincando un tubo hueco e introducir dentro de este ultimo el pilote e hincarlo sobre el estrato resistente, determinándose así la capacidad por punto del pilote.

2. La capacidad de carga por fricción lateral del pilote, es determinada cuando este se hinca sobre estratos potentes de arcilla blanda.

Los pilotes colados en el lugar son aquellos que se construyen en el sitio mediante el colado de concreto reforzado en una excavación previamente realizada. La capacidad de carga de los pilotes colados en el lugar se determina como se indico anteriormente para los pilotes prefabricados hincados al golpe.

Los pilotes de acero suelen ser perfiles tubulares de gran calibre o secciones HP. Las secciones tubulares se hincan en el terreno y posteriormente se rellenan de concreto cuando los perfiles alcanzan la profundidad de desplante. Pueden hincarse en suelos muy firmes en donde es difícil hincar los pilotes de concreto.

El ingeniero debe estudiar la economía relativa de la cimentacion superficial o profunda, según sea el caso, sin embargo, debe cuestionarse lo siguiente:

1. ¿A que profundidad debería de cimentarse un edificio?

2. ¿Habría que proteger la excavación mediante un muro o pantalla durante la construcción para evitar la penetración o desprendimiento del terreno?

3. ¿Seria necesario abatir el nivel freático para excavar y construir la cimentación? Y en caso afirmativo, ¿ que método debería emplearse para ello?

4. ¿Habría peligro de daños a los edificios adyacentes?

5. ¿Cuánto se asentaría el edificio terminado? ¿seria uniforme este asentamiento?

6. ¿Qué esfuerzos y distribución de los mismos deberían considerarse para el proyecto de la placa de cimentación?