TIPOS DE CIMENTACIONES

INTRODUCCIÓN La cimentación puede definirse de manera general como el conjunto de elementos de cualquier edificación cuyo propósito es transmitir al terreno de apoyo las acciones procedentes de la estructura, debiendo garantizar un buen comportamiento mecánico. Su diseño dependerá por lo tanto no solo de las características del edificio si no también de la naturaleza del terreno. El diseño de cimentaciones de estructuras tales como edificios, puentes y presas, requiere el conocimiento de factores como (a) la carga que será transmitida por la superestructura a la cimentación; (b) los requisitos del reglamento local de construcción; (c) el comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos que soportaran el sistema, y (d) las condiciones geológicas del suelo. Para un ingeniero de cimentaciones, los dos últimos factores son sumamente importantes ya que tienen que ver con la mecánica de suelos. Las propiedades geotécnicas del suelo, como la distribución del tamaño del grano, la plasticidad, la compresibilidad y la resistencia por cortante, pueden ser determinadas mediante apropiadas pruebas de laboratorio. ANTECEDENTES Las zapatas representan la forma más antigua de cimentación, hasta mediados del siglo XIX la mayor parte de las zapatas eran de mampostería de piedras unidas con mortero, aunque si se construían de piedra labrada en tamaños específicos, eran las llamadas zapatas de piedra labrada. Las zapatas de mampostería eran muy útiles para casi todo tipo de construcciones, hasta que aparecieron los edificios altos cuyas cargas en las columnas eran considerables, los que hizo necesario la construcción de zapatas más anchas y pesadas que representaban un problema tanto por el espacio que ocupaban como para construirlas.

En los primeros intentos para construir zapatas que abarcaban grandes áreas, se utilizaban emparrillados de madera para posteriormente construir zapatas de mampostería sobre ellos, eran las llamadas zapatas de emparrillado. Con la aparición del concreto se pudo solucionar el problema del peso y del espacio requerido, o cuando menos en parte sin embargo, hizo su aparición un nuevo problema: la necesidad de utilizar acero de refuerzo. En los primeros intentos se utilizaron rieles de acero de ferrocarril ahogados en el concreto, lo que disminuía el peso de la zapata, posteriormente los rieles fueron sustituidos por vigas “I- de acero que si bien ocupaban un poco más de espacio eran más económicas que los rieles de ferrocarril. Al aparecer el concreto reforzado a principios del siglo XX, las zapatas de emparrillado fueron poco a poco cayendo en desuso para ser sustituidas por las de concreto reforzado que son más eficientes y han predominado hasta nuestros días. Existen varias formas de zapatas, los más comunes son las zapatas cuadradas y las rectangulares. OBJETIVO Conocer el tipo de cimentaciones que existen y analizar en qué caso conviene hacer el uso de cada una de ellas. CIMENTACION SUPERFICIAL Para comportarse satisfactoriamente, las cimentaciones superficiales deben tener dos características principales:

1. La cimentación debe ser segura contra una falla por corte general del suelo que la soporta.

2. La cimentación no debe experimentar un desplazamiento excesivo, es decir, un asentamiento excesivo. (El término excesivo es relativo, porque el grado de asentamiento permisible en una estructura depende de varias consideraciones.)

La carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte en el suelo se llama capacidad de carga última.

ZAPATA AISLADA Las Zapatas Aisladas son un tipo de Cimentación Superficial que sirve de base de elementos estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite. Las zapatas aisladas van arriostradas con riostras de hormigón armado de sección inferior a la zapata. Pueden ejecutarse de hormigón en masa, es decir sin armar, si las mismas tienen un canto considerable (son las denominadas zapatas macizas).

Armado de la parte inferior: Se realiza un mallazo conformado por barras cruzadas; la separación entre barras no ha de superar los 30 cm. Recubrimiento para evitar corrosiones: Separación de las armaduras, entre 5 a 10 cm. del borde y del fondo de la zapata, dependiendo del tipo de hormigón utilizado y de las características del terreno. Barras: Se recomienda utilizar diámetros de barras grandes, mínimo del 12, ante posibles corrosiones.

La armadura longitudinal del pilar llega hasta el mallazo, por lo cual se colocan armaduras de espera iguales que las de los pilares. Solape mínimo: Considerar 30 veces el diámetro de la barra más gruesa del pilar.

Normativa referida a zapata aislada de hormigón en masa o armado como cimiento de soportes verticales: Norma Tecnológica NTE-CSZ Para construir una zapata aislada deben independizarse los cimientos y las Estructuras de los edificios ubicados en terrenos de naturaleza heterogénea, o con discontinuidades, para que las diferentes partes del edificio tengan cimentaciones estables. Conviene que las instalaciones del edificio estén sobre el plano de los cimientos, sin cortar zapatas ni riostras.

Para todo tipo de zapata, el plano de apoyo de la misma debe quedar empotrado 10 cm. en el estrato del terreno. La profundidad del plano de apoyo se fija basándose en el informe geotécnico, sin alterar el comportamiento del terreno bajo el cimiento, a causa de las variaciones del nivel freático o por posibles riesgos debidos a las heladas. Es conveniente llegar a una profundidad mínima por debajo de la cota superficial de 50 u 80 cm. en aquellas zonas afectadas por estas variables. En el caso que el edificio tenga una junta estructural con soporte duplicado (dos pilares), se efectúa una sola zapata para los dos soportes. Conviene utilizar hormigón de consistencia plástica, con áridos de tamaño alrededor de 40 mm. En la ejecución, y antes de echar el hormigón, disponer en el fondo una capa de hormigón pobre de aproximadamente 5 cm de espesor, antes de colocar las armaduras.

ZAPATA CORRIDA Las Zapatas Corridas se aplican normalmente a muros. Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en relación con la carga que han de soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión admisible sobre el terreno. Por practicidad se adopta una altura mínima para los cimientos de hormigón de 30 cm. aproximadamente. Si las alturas son mayores se les da una forma escalonada teniendo en cuenta el ángulo de reparto de las presiones. En el caso de que la tierra tendiese a desmoronarse o el cimiento deba escalonarse, se utilizarán encofrados. Si los cimientos se realizan en hormigón apisonado, pueden hormigonarse sin necesidad de los mismos. Si los trabajos de cimentación debieran interrumpirse, se recomienda cortar en escalones la junta vertical para lograr una correcta unión con el tramo siguiente. Asimismo colocar unos hierros de armadura reforzará esta unión. Las Zapatas Corridas son, según el Código Técnico de la Edificación CTE, aquellas zapatas que recogen más de tres pilares. Las considera así distintas a las zapatas combinadas, que son aquellas que recogen dos pilares. Esta distinción es objeto de debate puesto que una zapata combinada puede soportar perfectamente tres pilares.

ZAPATAS COMBINADAS Las Zapatas Combinadas son un tipo de Cimentaciones por Zapatas. Puede que al pre dimensionar los cimientos, la distancia entre zapatas resulte pequeña, o en algunos casos, hasta pueden llegar a superponerse. Esto plantea dos problemas:

1. Es el caso posible de desmoronamiento de tierras; ello requeriría la utilización de encofrados al abrir los pozos. 2. Otro inconveniente a subsanar es la influencia de cada zapata sobre el suelo activo de la zapata próxima, lo que se llama superposición de bulbos. Este es el caso en que se opta por una zapata combinada. A veces, cuando un pilar no puede apoyarse en el centro de la zapata, sino excéntricamente sobre la misma o cuando se trata de un pilar perimetral con grandes momentos flectores la presión del terreno puede ser insuficiente para prevenir el vuelco de la cimentación. Una forma común de resolverlo es uniendo o combinando la zapata de cimentación de este pilar con la más próxima, o mediante vigas centradoras, de tal manera que se pueda evitar el giro de la cimentación. Un caso frecuente de uso de zapatas combinadas son las zapatas de medianería o zapatas de lindero, que por limitaciones de espacio suelen ser zapatas excéntricas. Por su propia forma estas zapatas requieren para un correcto equilibrio una viga centradora. Dicha viga centradora junto con otras dos zapatas, constituye un caso de zapatas combinadas.

ZAPATA CANTILIVER Zapata que actúa para equilibrar una carga estructural conectada a otra zapata. No se encuentra ubicada en forma simétrica con respecto a la otra. Se la denomina también zapata de medianería o zapata en voladizo.

LOSA DE CIMENTACIÓN Una losa de cimentación es una placa de concreto apoyada sobre el terreno la cual reparte el peso y las cargas del edificio sobre toda la superficie de apoyo, son un tipo de cimentación superficial Las losas de cimentación se emplean sólo cuando es necesario transmitir al suelo esfuerzos de poca magnitud, por ejemplo, en suelos muy blandos o deformables con alto contenido de agua donde esfuerzos altos en el suelo producirán hundimientos importantes, o cuando en conjuntos se requiera por economía niveles, rellenos y compactación con maquinaria. La función de la losa de cimentación es formar una placa que soporte toda la estructura de la construcción sobre ella. Está formada por cadenas o trabes de repartición y la propia losa.

CIMENTACION PROFUNDA Son un tipo de cimentaciones que solucionan la trasmisión de cargas a los sustratos aptos y resistentes del suelo. ¿En qué casos se utilizan las cimentaciones profundas?

a) Se opta por cimentaciones profundas cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no pueden ser distribuidos suficientemente a través de una cimentación superficial y en la solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo. b) Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y retracciones. c) Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de baja calidad. d) En edificios sobre el agua. e) Cuando los cimientos están solicitados a tracción; tal como ocurre en edificios altos sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada al suelo. f) Para resistir cargas inclinadas, como aquellos pilotes que se colocan en los muelles para resistir el impacto de los cascos de barcos durante el atraque. (Tablestacado) g) Para el recalce de cimientos existentes.

PILOTES El Pilote o sistema por pilotaje, es un tipo de cimentación profunda de tipo puntual, que se hinca en el terreno buscando siempre el estrato resistente capaz de soportar las cargas transmitidas.

Casos en que se usan pilotes: Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo. Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. Cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. Cuando la edificación está situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo. Cuando los cimientos están sometidos a esfuerzos de tracción. Aquí tenemos varios casos: En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo.

Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los muelles. Cuando se deben recalzar cimientos existentes. En la cimentación por pilotaje deben observarse los siguientes factores de incidencia:

1. El rozamiento y adherencia entre suelo y cuerpo del pilote. 2. La resistencia por punta, en caso de transmitir compresiones, para absorber esfuerzos de tracción puede ensancharse la parte inferior del pilote, para que trabaje el suelo superior. 3. La combinación de ambos.

¿Cómo trabaja el Pilotaje? Para hincar el pilote siempre se busca el apoyo sobre una capa resistente que soporte las cargas transmitidas. Frecuentemente la capa firme está a mucha profundidad, entonces el rozamiento lateral puede ser de importancia según el caso. Con un terreno mediocre en superficie y fuertes cargas, el rozamiento lateral será menos importante cuanto más débiles sean las capas del terreno atravesadas; por ello conviene emplear este sistema. Por la forma en que trabaja el pilotaje, se lo clasifica en:

Cimentación Rígida de Primer Orden Cimentación Rígida de Segundo Orden Cimentación Flotante

Cimentación Rígida de Primer Orden:

El pilote trabaja por punta, clavado a gran profundidad. Las puntas de los pilotes se clavan en terreno firme; de manera que se confía en el apoyo en ese estrato, aún si hubiere una pequeña descarga por rozamiento del fuste al atravesar estratos menos resistentes. Lo cual denota que las fuerzas de sustentación actúan sobre la punta del pilote, y en menor medida mediante el rozamiento de la superficie lateral del pilote. Es el mejor apoyo y el más seguro, porque el pilote se apoya en un terreno de gran resistencia.

Cimentación Rígida de Segundo Orden:

Cuando el pilote se encuentra con un estrato resistente pero de poco espesor y otros inferiores menos firmes. En este caso se debe profundizar hasta encontrar terreno firme de mayor espesor. El pilote transmite su carga al terreno por punta, pero también descarga gran parte de los esfuerzos de las capas de terreno que ha atravesado por rozamiento lateral. Si la punta del pilote perfora la primera capa firme, puede sufrir asientos diferenciales considerables. Como en los de primer orden, las fuerzas de sustentación actúan sobre la planta del pilote y por rozamiento con las caras laterales del mismo.

Cimentación Flotante:

Cuando el terreno donde se construye posee el estrato a gran profundidad; en este caso los pilotes están sumergidos en una capa blanda y no apoyan en ningún estrato de terreno firme, por lo que la carga que transmite al terreno lo hace únicamente por efecto de rozamiento del fuste del pilote. Se calcula la longitud del pilote en función de su resistencia. En forma empírica sabemos que los pilotes cuya longitud es menor que la anchura de obra, no pueden soportar su carga.

PILAS Las pilas son elementos de cimentación profunda con secciones mayores que la de los pilotes, las cuales también transmiten al subsuelo las cargas provenientes de una estructura y de la misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del conjunto.

Son elementos colados en el sitio presentan una sección transversal considerable. Son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circular u oblonga y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal En forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o fricción lateral. Si las pilas de cimentación descansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, despreciándose su resistencia por fricción lateral. Pero cuando el suelo es homogéneo de gran profundidad, la resistencia a fricción alcanza magnitudes importantes. Debido a sus grandes dimensiones, las pilas suelen sufrir asentamientos, los cuales suelen controlar el diseño. CARCTERISTICAS: Las pilas se fabrican directamente en el subsuelo por los que se les conoce como elementos fabricados in situ Las pilas pueden fabricarse prácticamente de cualquier material, siendo los más utilizados la grava, la cal, el mortero, y el concreto armado. Siendo las características de los estratos del subsuelo, así como las condiciones del agua subterránea, definirán el material que deberá emplearse para la fabricación de las pilas. La sección utilizada con mayor frecuencia es la circular, cuyo diámetro no debe de ser menor a 60cm pudiendo llegarse a especificar un diámetro hasta de 300cm Existen pilas que se diseñan con secciones rectangulares, “T” y “H

CILINDROS 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. Hincado de los cilindros y cajones donde existen corrientes de agua: Cuando se trate de una profundidad pequeña y corriente débil, los cilindros y cajones se hincarán en seco, mediante la construcción de un terraplén o una isla artificial hecha de arena o grava, cuyos taludes se protegerán mediante mampostería o una escollera. Hincado de los cilindros y cajones en superficies secas:

Directamente sobre roca firme: Cuando el cajón se vaya a desplantar sobre roca firme y ésta se encuentre cercana a la superficie del terreno natural, a una profundidad no mayor de dos coma cinco (2,5) metros, se realizará la excavación hasta llegar a la profundidad establecida en el proyecto, en la que se colocará directamente la primera sección del cajón. Cuando la capa superficial de la roca se encuentre alterada, se removerá y se preparará una superficie horizontal para el desplante. Cuando el cilindro o cajón estén sometidos a acciones horizontales, incluyendo cargas transitorias o sismos, será necesario empotrarlos en roca firme.

Por extracción de materiales: El cajón se construirá partiendo de una estructura biselada llamada cuchilla, destinada a facilitar la penetración en el suelo. El cilindro o cajón se colocará en su posición, para posteriormente hincar por peso propio las dovelas hasta la profundidad de cimentación. Durante el hincado, el material desplazado por las dovelas se extraerá por la parte hueca de las mismas, mediante una excavadora de almeja. La extracción del suelo puede realizarse en seco o bien bajo el agua.

Con aire comprimido: Este procedimiento se utilizará cuando la cimentación se realice bajo un nivel freático que no sea posible abatir. Sobre el terreno a excavar, se depositará la cámara de trabajo. A través

de la chimenea se enviará aire comprimido a la cámara de trabajo, a una presión superior a la hidrostática correspondiente a la altura de la capa de agua, de tal forma que este aire expulse completamente el agua de la cámara de trabajo. El flujo de aire comprimido será tal que asegure una renovación de cuarenta (40) metros cúbicos por hombre por hora. Los cambios de presión en la cámara de presurización se harán gradualmente, conforme a lo establecido en las normas internacionales para este tipo de trabajos. Las dos puertas no podrán abrirse a la vez, por lo que nunca debe haber comunicación directa entre el exterior y la cámara de trabajo a presión. De esta forma, el paso del personal se efectuará sin modificar la presión en la cámara de trabajo y el único aire comprimido que se pierda será el correspondiente al volumen de la esclusa en cada caso.

CAJONES DE CONCRETO Existen diversas tipologías de cimentaciones mediante cajones. Los cajones indios consisten en la hinca de un cajón con su borde inferior biselado o con forma de cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavación del material que va quedando encerrado en su interior. Este método ha quedado bastante en desuso debido a los pilotes de gran diámetro que son más sencillos de construir. Solamente se puede realizar en terrenos blandos. Los cajones de aire comprimido surgieron al encontrarse con terrenos a excavar muy permeables o flojos debido al posible sifonamiento. Mediante la inyección de aire comprimido se evita el desmoronamiento de las paredes. Mediante este método es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obstáculos durante el proceso de hinca. Finalmente existen los cajones cerrados que habitualmente se construyen en seco y se transportan por flotación hasta el lugar de colocación, donde se rellenan y se hunden. El proceso, como se puede apreciar, es exactamente igual al empleado para la construcción de los muelles de los puertos. Se indica que cuando tienes un terreno de baja resistencia y el peso de tu estructura es mayor a la capacidad del terreno, lo que se hace es un cajón de cimentación para compensar el peso de la estructura, es decir, haces un hueco que liberas del peso del suelo y se le mete aire, ese volumen de tierra que eliminas puedes meterlo entonces de estructura. Un cajón de cimentación se compone de losa de fondo, paredes laterales, paredes intermedias y losa tapa. La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno, el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que la cimentación la realizaremos en función del mismo. Al mismo tiempo este no se encuentra todo a la misma profundidad por lo que eso será otro motivo que nos influye en la decisión de la elección de la cimentación adecuada. La finalidad de la cimentación es sustentar estructuras garantizando la estabilidad y evitando daños a los materiales estructurales y no estructurales

Los Cajones de Cimentación se clasifican en: Cimentaciones Especiales Estas se llevan a cabo cuando el terreno es muy disgregado, sometido a vibraciones, presiones mayores de las normales o cimentaciones submarinas. Cimentaciones profundas Son aquellas que transmiten la carga al suelo por presión bajo su base, pero pueden contar, además, con rozamiento en el fuste.

CIMENTACIONES COMPENSADAS Se entiende por cimentaciones compensadas aquéllas en las que se busca reducir el incremento neto de carga aplicado al subsuelo mediante excavaciones del terreno y uso de un cajón desplantado a cierta profundidad. Según que el incremento neto de carga aplicado al suelo en la base del cajón resulte positivo, nulo o negativo, la cimentación se denomina parcialmente compensada, compensada o sobre compensada, respectivamente. Para el cálculo del incremento de carga transmitido por este tipo de cimentación y la revisión de los estados límite de servicio, el peso de la estructura a considerar será: la suma de la carga muerta, incluyendo el peso de la subestructura, más la carga viva con intensidad media, menos el peso total del suelo excavado. Esta combinación será afectada por un factor de carga unitario. El cálculo anterior deberá realizarse con precisión tomando en cuenta que los asentamientos son muy sensibles a pequeños incrementos de la carga neta. Además, en esta evaluación, deberán tomarse en cuenta los cambios posibles de materiales deconstrucción, de solución arquitectónica o de usos de la construcción susceptibles de modificar significativamente en el futuro dicha carga neta. Cuando la incertidumbre al respecto sea alta, la cimentación compensada deberá considerarse como poco confiable y deberá aplicarse un factor de carga mayor que la unidad, cuidando al mismo tiempo que no pueda presentarse una sobrecompensación excesiva, o adoptarse otro sistema de cimentación. La porción de las celdas del cajón de cimentación que esté por debajo del nivel freático y que no constituya un espacio funcionalmente útil, deberá considerarse como llena de agua y el peso de esta deberá sumarse al de la subestructura, a menos que dicho espacio se rellene con material ligero no saturable que garantice la permanencia del efecto de flotación.

PARCIALMENTE COMPENSADAS Puede ser de dos tipos: a) cimentación sub compensada y b) cimentación sobre compensada.

TOTALMENTE COMPENSADA Es aquella en la que el peso de la estructura es igual a la carga del material excavado, en donde se va a construir la cimentación que soportara a dicha estructura.

SOBRE COMPENSADA Considera que el peso de la estructura es mayor que la carga de excavación.

SUB COMPENSADA Es aquella en la que el peso de la estructura es menor que la carga del material excavado para la cimentación.

CONCLUSION Es importante conocer cada tipo de cimentación y poder estar preparados para los diferentes tipos de suelos que existen y así saber cómo usar cada una de las diferentes tipos de cimentaciones que existen. BIBLIOGRAFIA Peck, Ralph B. Hanson, Walter E. Thornburn, Thomas H. “Ingenieria de cimentaciones “. Limusa noriega Editores. Mexico 1995. Braja M. Das “Principios de ingenieria de cimentaciones”. Internationa Thomson Editores.Cuarta Edicion. California Stae University, Sacramento. www.construmatica.com www.arquba.com www.wikipedia.com www.elconstructorcivil.com