Universidad Nacional de ColombiaSede Manizales Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Cimentaciones. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.

Ingeniería de Cimentaciones.Presentación.

Referencias:

• Burland, J. B. The Enigma of the Leaning Tower of Pisa. The Sixth Spencer J. Buchanan Lecture, 1998.

• Coduto, D. Foundation Design, Principles and Practices, 2001.• Holtz, R. D. & Kovacs, W. D. An Introduction to Geotechnical Engineering. 1981.• Peck, R. B. History of Building Foundations in Chicago. University of Illinois Bulletin Vol. 45,

No. 29, USA, 1948

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La parábola del constructor sabio y elconstructor necio(Lucas 6:47 – 49, año 60)

47. Les voy a decir a quién se parece el que viene a mí y escucha mispalabras y las practica.

48. Se parece a un hombre que construyó una casa; cavó profundamente y pusolos cimientos sobre la roca. Vino una inundación y la corriente se precipitósobre la casa, pero no pudo removerla porque estaba bien construida.

49. Por el contrario, el que escucha, pero no pone en práctica, se parece a unhombre que construyó su casa sobre tierra, sin cimientos. La corriente seprecipitó sobre ella y en seguida se desmoronó, siendo grande el desastre deaquella casa.

La Universidad Nacional de Colombia no es una institución confesional. La cita anterior es muy popular en la Ingeniería de Cimentaciones y aparece confrecuencia en numerosos textos especializados.

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Casos de interés.

La Torre inclinada de Pisa (1173).

• Cimentación superficial desplantada a 3metros de profundidad.

• Cimentada en depósitos de estuariocompuestos de limos arenosos yarcillosos.

• Nivel freático cercano a la superficie.

• Fue sometida a una intervenciónimportante para detener el proceso dedeterioro a finales del siglo XX, incluyendoel uso de contrapesos y excavación delsuelo de fundación del lado norte.

La descripción detallada del caso se encuentraen Burland (1998).

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La Torre Eiffel (1889).

• Presenta condiciones heterogéneas delterreno de cimentación sobre el aluvialdel río Sena que podrían causarasentamientos diferenciales.

• Los procedimientos de muestreo yensayo de suelos eran primitivos.

• A. G. Eiffel innovó en:

– Las técnicas de muestreo de suelos.

– El diseñó de cimentaciones profundas(12 m) para una parte de la torre ycimentaciones superficiales para la otra.

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Palacio de Bellas Artes de México(1904–1934).

• Estructura cimentada en una base deconcreto sobre las arcillas bentoníticasde la zona del fondo del lago Texcoco.

• Las arcillas de alta compresibilidadexplican el asentamiento paulatino queha sufrido el edificio, el cual alcanzavarios metros.

• Desde su construcción se han probadodiferentes técnicas para mitigar elproceso como estabilización, drenaje einyección.

CRESPO VILLALAZ, C. Mecánica de suelos y cimentaciones.

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The World Trade Center (1972).

• Las edificaciones fueron cimentadas en el lechorocoso a más de 20 metros de la superficie.

• Se construyó una excavación con pared de lechada(Slurry) de bentonita para impedir la entrada deagua del río Hudson.

• No se aplicó la técnica tradicional de desaguar laexcavación pues el descenso del nivel freáticohubiera afectado las edificaciones vecinas.

• En la excavación se instala el acero de refuerzo y sehace el vaciado del concreto, el cual desplaza labentonita y forma la pantalla de contención.

The Biggest Foundation by Edith Iglauer. The New Yorker,Issue of 1972-11-04.

http://web.archive.org/web/20011218052301/http://www.newyorker.com/PRINTABLE/?archive/010917fr_archive06

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"World Trade Center, New York City - aerial view (March 2001)" by Jeffmock - Own work. Licensed under

CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons -

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:World_Trade_Center,_New_York_City_-

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Origen de la Ingeniería de Cimentaciones moderna.

Fundamentos empíricos propuestosa finales del siglo XIX.

• Técnicas basadas en el ensayo y elerror.

• Se disponía de reglas aplicablespara un tipo de construcciónespecífico sobre depósitos desuelos conocidos.

Principales dificultades a principiosdel siglo XX.

• La implementación de nuevosmateriales de construcción comoel acero y el concreto.

• La aparición de estructuras demayor tamaño y peso.

• La escasez de terrenos adecuadossegún las reglas empíricasdesarrolladas hasta el momento.

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Desarrollo científico de la Ingenieríade Cimentaciones.

• A partir de la observación del deterioro delas edificaciones en Chicago (USA), elArquitecto Frederick Baumann postula dosprincipios fundamentales (1873):

– El área de la base de la cimentación esproporcional a la carga aplicada.

– Las cargas deben actuar de formaconcéntrica sobre la cimentación.

• Estos principios se considerabanaxiomáticos, bien conocidos, muy citadospero poco respetados.

“The Art of Preparing Foundations for All Kinds of Buildings,With Particular Illustration of the ‘Method of Isolated Piers’ asFollowed in Chicago”.

• Baumann definió tres reglas de diseño:

– Sobre la planta del primer nivel sedefinen los componentes de laedificación y se les asigna una partecorrespondiente de la cimentación.

– Se estiman los pesos de todas las partesaisladas (reales e ideales) con el fin deasignarles su parte de cimentación.

– Se determina, en el nivel del terreno,los ejes de las partes superiores deforma que los centros de las áreas decontacto coincidan con aquellos.

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Ingeniería Geotécnica e Ingeniería de Cimentaciones.

• La Ingeniería Geotécnica proveeuna base racional para laIngeniería de Cimentaciones:

– La Ingeniería Geotécnica trata dela aplicación de la tecnología dela Ingeniería Civil sobre algúnaspecto del terreno.

– Comprende las Mecánicas deSuelos y de Rocas.

• El objeto de la Ingeniería deCimentaciones abarca lossiguientes campos:

– La Geología.

– La Mecánica de Suelos.

– La Mecánica de Rocas, y

– La Ingeniería Estructural.

• El Ingeniero de Cimentacionessuele considerarse a sí mismocomo Ingeniero Geotecnista.

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• Como se ha indicado, la Ingeniería deCimentaciones requiere conocimientosde varias disciplinas:

• Ingeniería Estructural.

– La cimentación es un miembroestructural que debe ser capaz detransmitir las cargas aplicadas.

– La cimentación soporta a la estructura,de forma que su diseñador debecomprender el origen y la naturaleza delas cargas estructurales y la toleranciade la estructura frente a losmovimientos de la cimentación.

• Ingeniería Geotécnica.

– El diseño debe considerar laspropiedades de ingeniería y elcomportamiento del suelo y la rocaadyacentes.

• Ingeniería de Construcción:

– El diseñador debe conocer ycomprender los procedimientosconstructivos para que su diseño depueda materializar de forma eficiente ycon economía de recursos.

– El diseñador debe tener la capacidad deresolver los problemas que sepresenten durante la construcción.

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La incertidumbre en la Ingeniería de Cimentaciones.

• Una definición anónima de la Ingeniería Estructural postulaque:

“La Ingeniería Estructural es el arte y la ciencia de moldear materialesque no comprendemos completamente, con formas que no podemosanalizar con precisión, para resistir fuerzas que no podemos predecir conexactitud, todo lo anterior de forma tal que la sociedad en generalcarezca de fundamento para sospechar los alcances de nuestraignorancia”

• Se puede aplicar la misma definición de arte y ciencia a laIngeniería de Cimentaciones.

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• La principal falencia de laIngeniería de Cimentacionesradica en la comprensión de lanaturaleza y el comportamientode los suelos.

• El Ingeniero no debe aceptarciegamente los resultados de susensayos de laboratorio y campo,o de sus análisis numéricos, si noque debe apoyarse en laexperticia, el sentido común y elbuen juicio ingenieril.

• La Ingeniería de Cimentaciones esciencia y arte a la vez, no es unacolección de fórmulas o cartaspara emplearlas una y otra vezcomo una receta.

• Se requiere una mezcla deracionalismo y empirismo debidoa la comprensión incompleta delcomportamiento de los suelos.

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Racionalismo vs. Empirismo.

Técnicas racionales.

• Se basan en la aplicación deprincipios de la física y de laciencia de la Ingeniería.

• Permiten describir mecanismoscomprensibles y cuantificables.

Técnicas empíricas.

• Se basan en la recolección einterpretación de datosexperimentales.

• Son de gran ayuda para entenderprocesos sobre los cuales se tieneuna comprensión limitada.

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Factores de seguridad.

• La sociedad demanda diseñosconfiables y económicos, desarrolladosde forma oportuna y eficiente.

• La incertidumbre en el diseño secompensa a través del uso de factoresde seguridad.

• Un mayor factor de seguridad no esmejor que uno menor, simplementecada uno está asociado con unaconfiabilidad o probabilidad de falladiferente.

• Todas las cimentaciones pueden fallar.

• El factor de seguridad define laestimación del Ingeniero sobre la mejorrelación entre costo y confiabilidad.

• El factor de seguridad se basa en:

– La confiabilidad requerida, es decir, laprobabilidad de falla aceptada.

– Las consecuencia de la falla.

– La incertidumbre en las propiedades delsuelo y las cargas aplicadas.

– Las tolerancias en la construcción, esdecir, el efecto de un cambio dedimensiones en campo con relación aldiseño original.

– La ignorancia sobre el verdaderocomportamiento de las cimentaciones.

– La relación costo / beneficio de aplicarun conservatismo adicional en eldiseño.

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• Los factores de seguridad encimentaciones son mayores que en lasestructuras porque:

– El peso extra de la superestructura(consecuencia del conservatismo)incrementa las cargas en los miembrosinferiores y, por ende, el costo de laestructura. No obstante, el pesoadicional en la cimentación no afecta aotros miembros y puede ser benéficopara el comportamiento frente aprocesos de expansión o vuelco.

– Las tolerancias de construcción de lacimentación son superiores a las de lasuperestructura, de forma que lasdimensiones construidas pueden diferirsignificativamente de las del diseño.

– La incertidumbre en las propiedades delsuelo induce un riesgo más significativo.

– Las fallas de las cimentaciones puedenser más costosas que las de lasuperestructura.

– Los factores de seguridad empleados enel diseño de cimentaciones se hanformulado a partir de la experienciaacumulada por numerososprofesionales.

– A medida que se incrementa elconocimiento sobre el comportamientode las cimentaciones y mejora laconfiabilidad del diseño se puedenajustar los factores de seguridad.

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Sobre la precisión de los cálculos.

• Es erróneo emplear un gran número decifras significativas en los cálculos de laIngeniería de Cimentaciones.

– Por ejemplo:

Un reporte de asentamiento de 12.214milímetros sugiere, de forma errada, unaprecisión que está más allá de los métodosde exploración y ensayo empleados. El datodebería reportarse como 12 milímetros,teniendo en cuenta que su precisión puedeser de ± 50%.

Se ofrece una falsa sensación de seguridadcon las cifras significativas.

• Como regla general, se deben realizarlos cálculos con tres cifras significativasy expresar el resultado con dos cifrassignificativas.

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Esta caricatura se encuentra en algunas publicaciones como “anónima”. Al no poder

encontrar una versión existente, me he visto en la necesidad de hacer una propia.

Códigos de Construcción.

• Los Códigos de Construcción definen el diseño y la construcción de lamayor parte de las cimentaciones en el mundo actual.

• En los Estados Unidos existieron los denominados “códigos modelos”.

– Uniform Building Code (ICBO, 1997).

– National Building Code (BOCA, 1996).

– Standard Building Code (SBCCI, 1997)

– Estos códigos fueron integrados en el International Building Code (ICC, 2000) y seenfocan en edificios, torres, tanques y estructuras similares.

– El diseño de puentes de carreteras se encuentra reglamentado en las StandardSpecifications for Highway Bridges – 17th edition (AASHTO, 2015).

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• Otros códigos empleados a nivel mundialson:

– Canadá: National Building Code of Canada(CCC, 2010).

– Ontario: Highway Bridge Design Code(MTO, 1991).

– Europa: Eurocode 7 (2010).

• Todos los códigos se apoyan en otrasnormativas especializadas. En Ingenieríade Cimentaciones las más importantesson:

– Building Code Requirements for StructuralConcrete (ACI 318-99 y 318M-99).

– Manual of Steel Construction (AISC, 1989 –1995).

• Códigos colombianos:

– Reglamento Colombiano de Normas SismoResistentes NSR-10 (2010).

– Norma Colombiana de Diseño de Puentes– LRFD (2014).

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• Esta multiplicidad de códigospueden ser contradictorios yconflictivos entre sí.

• Los códigos representanrequerimientos mínimos dediseño y no siempre determinanun diseño satisfactorio,especialmente en lascimentaciones.

• Puede ser necesario proponerrequerimientos más exigentes oexcepciones a los mismos.

• Muchos aspectos importantes dela Ingeniería de Cimentacionessuelen omitirse en los códigos deconstrucción.

• Los códigos son guías, nodictadores, y no deben sustituir alcriterio, el juicio, el conocimientoy el sentido común del Ingeniero.

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