Cimentaciones

Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelodistribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).

Zapatas aisladas.

Las zapatas aisladas consisten generalmente en un cuerpo regular de concreto colocado a poca profundidad bajo el nivel superficial del terreno, y sirven para sostener una columna de edificio. Las zapatas aisladas son el tipo más común de cimentaciones para edificios.

Zapatas en terrenos inclinados.

Por lo común en terrenos inclinados las zapatas se escalonan a la manera de escaleras. A veces, cuando la inclinación  de la superficie del terreno es relativamente ligera, las cimentaciones se cuelan de modo que se conformen a la inclinación  de la ladera.

Cuando una zapata deba encontrarse cerca de otra y a mayor elevación, es común  restringir la colocación de tal modo que un plano trazado desde la parte inferior de la zapata más alta, a un ángulo de 45 grados de horizontal, no intersecte a la zapata más baja. Este concepto se ilustra en la figura 14.2. por supuesto, la zapata inferior se deberá construir y rellenar primero. No obstante  en algunos casos, será necesario excavar por debajo de una zapata adyacente  para instalar  una nueva zapata a menor  elevación. Puede ser  que el ángulo  del talud superior no siempre  sea seguro. Por ejemplo, si el suelo es de arena con ángulo de fricción de 30grados, el talud estable de 30 grados significará  que la zapata superior puede fallar. Es necesario pedir a los ingenieros de suelos métodos adecuados.

Si se hace necesario poner zapata a menor distancia que la  línea  de 45 grados, puede ser necesario limitar el valor  de capacidad  de carga para la zapata superior y puede esperarse que la zapata inferior tenga asentamientos  un poco mayores, puesto que soportará parte de la carga de la zapata superior. Quizá  sea mejor poner la zapata  superior a mayor profundidad. Asimismo, será posible  modificar la localización de la zapata superior y hacer un diseño especial para la conexión entre la columna y  la zapata.

Hay otro problema relacionado con las cimentaciones en  suelos estratificados o rocas sedimentarias. Esta condición  se muestra en la figura 14.2. aunque el suelo o la roca  sea firme, cada plano de deposición situado a la derecha de la zanja en un plano posible de corrimiento o deslizamiento. La cuña  ABC no puede utilizarse para soporte  de cimentaciones. La zapata de la derecha deberá mantenerse más allá del punto C; por lo contrario, la zapata de la izquierda  puede situarse más cerca de la zanja.

Cajones acampanados.

Se han fabricado perforadoras especiales para la instalación de cajones acampanados como los que aparecen en la figura 14.3. el tipo de perforadora que se usa para instalar estos cajones se en la figura 4.5.  en general, se trata de un tipo muy económico de cimentación, porque esos cajones no suelen estar reforzados. Se diseñan como columnas cortas, que no requieren acero vertical de refuerzo.

Para fines de diseño, se considera que esos cajones son zapatas aisladas profundas y se utilizan valores de capacidad de carga similares a los que se emplean en el caso de las zapatas aisladas. Debido a la profundidad considerable  de la base de los cajones, en general se usan  valores más altos de capacidad de carga. Al calcular el peso del cajón, el peso de la tierra extraída se resta del peso de concreto.

A veces se instala una forma modificada de cajón acampanado, perforando un pozo abierto de gran diámetro, colando una zapata circular en el fondo y ascendiendo con  un pedestal. Con frecuencia, se emplean  formas de cartón de sonotubo  para el colado de la columna.

También los cajones  perforados  se suelen excavar como pozos rectos,  hasta llegar a un estrato duro o al lecho rocoso. Los cajones se diseñan como zapatas aisladas, utilizando la presión de carga permitida sobre la base de la zapata (véase el capítulo 21).

Zapatas corridas.

Las  zapatas corridas tales como las de muros y las continuas, así como las cimentaciones con trabes, son zapatas aisladas alargadas, a la longitud suficiente  para recibir un muro o una hilera de varias columnas.

Con frecuencia las excavaciones para esas zapatas largas se pueden  con excavadoras de zanjas, lo que constituye un sistema rápido y económico. Esas excavaciones se pueden  recortar en forma manual  hasta el tamaño exacto de las zapatas corridas que se vayan a instalar colando el concreto sin necesidad de utilizar cimbras laterales. La eliminación del trabajo de carpintería  para el cimbrado puede ahorrar tiempo  y dinero. Esas cimentaciones siempre van reforzadas.

Las zapatas corridas tienen  la ventaja de que sirven como “puentes” sobre las zonas blandas locales. Por consiguiente ofrecerán un apoyo más uniforme para  un muro o una hilera de columna que las zapatas individuales.

Losas de cimentación. 

Con  frecuencia   se  utilizan  losas  de  cimentación  bajo  las estructuras muy pesadas. Estas losa son continuas  en ambas direcciones y, por tanto, ocupan una superficie muy amplia. Por lo común son gruesas, requieren de gran volumen de concreto y tienen un peso  considerable de acero de refuerzo, por lo que resulta costosas. Puede ser conveniente instalarlas donde haya una presión hidrostática ascendente, debido a un alto nivel m freático.

Las  losas de cimentación tienen ciertas ventajas ya que junto con los muros laterales de los edificios actúan como barcazas. El peso de la tierra excavada antes del colado de la cimentación se puede restar del peso total del edificio, lo que puede hacer que se reduzca considerablemente el asentamiento. A veces las losas de cimentación se sitúan a tal profundidad que el peso de la tierra retirada es igual al peso bruto del  edificio. En este caso, los asentamientos futuros de los edificios  suelen  ser muy pequeños, puesto que no se ejerce ningún peso nuevo sobre el suelo que esta debajo de la cimentación.

Las losas de cimentación actúan como zapatas corridas, en  ambas direcciones y, por consiguiente, pueden servir como puentes  sobre las zonas blandas, con lo que se obtiene  un apoyo más uniforme para las columnas de los edificios.

Cimentaciones  planas.

Con frecuencia se utilizan  cimentaciones planas bajo estructuras ligeras de uno o dos pisos, tales como las casas, los edificios escolares y los edificios ligeros industriales y comerciales.

Por lo común, el borde de la cimentación se hace más grueso para construir  una zapata  perimetral. Además, se puede poner rellenos  o encostillados como partes de refuerzo de la cimentación,  para recibir muros o zapatas. En la figura 14.4 se ilustra ese tipo de cimentación.

Este diseño se emplea, sobre todo, por razones económicas. No es adecuado en zonas de congelación profunda, en niveles freáticos altos o en suelos expansivos.

En sus diseños, el Distrito Escolar de la Ciudad de Los Angeles utiliza frecuentemente cimentaciones planas de este tipo.

Cargas temporales.

Los valores de la capacidad de carga que se dan en l figura 14.1 se aplican a cargas muertas estáticas, a cargas  vivas estáticas y, con frecuencia, a las cargas vivas aplicadas.

También se pueden aplicar cargas temporales debido a la fuerza del viento, las presiones sísmicas laterales, las fuerzas de impactos u otras cargas temporales de muy corta duración. Para esas circunstancias, se acostumbra  dejar margen  para un aumento de las presiones de carga  que pesan sobre el suelo. Los márgenes varían del 10% hasta el 100% un incremento del 33%.

Durante la construcción, se pueden  aplicar cargas temporales a las zapatas. Por ejemplo, es frecuente que se pongan muros de concreto inclinados sobre zapatas, en posiciones de columnas y en seguida se cuela la zapata corrida bajo el muro inclinado.

En ese caso, cuando se termina la construcción del edificio, la zapata puede estar sujeta a una presión de carga mucho mayor que la que debía  resistir  en el diseño.

En general hay  cierta resistencia de reserva, que permite que se sobre carguen las cimentaciones. A esto se le suele dar el nombre de factor de seguridad. Con frecuencia los factores de seguridad van  de 1.5 a 4.0

Si se planean cargas temporales que sobrepasen considerablemente el valor de capacidad de carga de diseño, será  preciso revisar  los planos con el diseñador  estructural del edificio, para asegurarse de que no se sobrepasará la resistencia de reserva de la cimentación. A veces las cimentaciones fallan, debido a las cargas temporales de construcción.

Cimientos de suelos compactados.

Muchos suelos  se depositan en forma natural no compacta, de modo que no proporcionan un buen apoyo para las cimentaciones corrida. Por tanto, a menudo se usan cimentaciones en pilotes o de otros tipos igualmente costosos.

En muchos de esos casos, resulta más económico excavar los suelos blandos o sueltos. A veces se pueden utilizar para rellenos compactados de construcción; en  otras ocasiones es necesario traer de otra parte materiales para lograr un relleno adecuado. Esos suelos se utilizan para rellenar las excavaciones. Los rellenos se pueden usar mediante cálculo y compactación para que soporten las cargas de cimentación. Esos rellenos se convierten en partes del sistema de cimentación de una estructura y a veces se denominan “rellenos estructurales”.

Es un caso como éste, la cimentación para una central eléctrica debería apoyarse sobre un estrato de arena limosa fina y suelta, de 6 metros de espesor (20 pies). Desde el punto de vista económico, se consideró conveniente  retirar la tierra suelta. Después  de retirarla, se volvió  a compactar el suelo al interior de la excavación. El espesor disminuyó de 6 a 4.5 metros (20 a 15 pies). Se trajeron materiales adicionales  para compensar la pérdida, y los cimientos de la central eléctrica se instalaron sobre ese “relleno estructural” (véase la referencia 30).

Con frecuencia los suelos  se compactan  en el lugar  en que se encuentran, para incrementar su capacidad de carga para poder soportar el peso de las cimentaciones. En el  capítulo 23 se analizan los métodos de compactación  in situ.

Tolerancias.

Ubicación de las zapatas.

En las primeras etapas de la construcción, la confusión que suele reinar puede hacer que una o más cimentaciones se cuelen fuera de sus posiciones  correctas. Entonces se presenta  un problema relativo a la posibilidad de utilizar  las zapatas.

En algunos casos, las zapatas  se levantan  por medio de grúas y se colocan en  los lugares  adecuados. En cierto caso,  varias zapatas estaban fuera de la posición  en una distancia de 2 pies (60 cm). Se  perforan orificios en las zapatas, se fijaron pernos en ellos  y se  levantaron  las zapatas. Las bases de las zapatas se limpiaron  con agua. Se hicieron nuevas excavaciones de zapatas, que se extendían a una profundidad  de 4 pulgadas (10 cm) más  que la original. Se  vertieron 10 cm  (4 pulgadas) de concreto nuevo y se instalaron las zapatas sobre el concreto fresco.

En muchas ocasiones se ha considerado la posibilidad de desplazar lateralmente las zapatas, unos cuantos centímetros, mediante  el empleo de gatos hidráulicos o equipos pesados de construcción; pero es poco probable que ese procedimiento  se haya empleado alguna vez en la práctica. Al parecer, esto implicaría ciertos riesgos, debido a que se aflojarían y se alterarían  los suelos debajo de las zapatas, propiciando los asentamientos.

Es posible que la conexión de la columna a la zapata pueda aceptar cierto momento de inclinación, en cuyo caso, será todavía posible utilizar  la zapata  desviada, en posición excéntrica. Esto deberá verificarse con el ingeniero de estructuras.

Cuando las excavaciones para zapatas se cortan  limpiamente en el suelo y no se usan  cimbras laterales, las cimentaciones se suelen extender hacia los lados  más de lo planeado; esto parece hacer  que  la cimentación sea excéntrica; sin embargo, en tanto los cimientos sean tan grandes o mayores que lo planeado en  las otras tres direcciones, no se sabe de ningún caso en el que esa excentricidad haya provocado algún problema.

Secado o saturación.

Los suelos situados al fondo de una excavación de cimentación se pueden alterar mucho mediante el secado o la saturación.

El secado debe restringirse y se puede regular rociando con frecuencia los suelos o cubriéndolos  con láminas de plástico, lonas tierra suelta o paja.

Los suelos muy secos y que se contraen y agrietan mucho, pueden recuperar su contenido de humedad  después de  que  se hayan terminado los cimientos y el edificio. En esas condiciones, la recuperación de la humedad puede hacer que los suelos  se dilaten y eleven, quizá levantando los cimientos  o las losas de pisos.

Con frecuencia las excavaciones para cimentaciones se suelen saturar durante las lluvias fuertes, debido a que el agua se acumula en esos puntos bajos. En general, la solución más conveniente suele ser la de excavar a mayor profundidad, para retirar el suelo blando.

  Si ya se colocó el acero de refuerzo, puede que valga la pena efectuar otros experimentos. Pueden hacerse sondeos para determinar el espesor de los suelos ablandados y el aumento probable de los asentamientos. Para las estructuras flexibles, el asentamiento adicional esperado puede no constituir un problema muy grave.

 En algunos casos, se han utilizado calentadores y sopladores para provocar la desecación rápida de suelos saturados.

Excavaciones excesivas.

Muchas excavaciones de cimentación se hacen con grandes máquinas excavadoras, cuyo control en zonas muy limitadas a veces resulta difícil, por lo que es frecuente que las excavaciones sean excesivas.

En cierto caso, se hicieron las excavaciones de cimentación, se colocó al acero y el camión de revolvedora estaba listo para verter el concreto. La inspección  de los fondos de la excavación incluyó el sondeo con una varilla de acero. En casi todas las excavaciones, la varilla se pudo introducir con facilidad de 6 a 12 pulgadas (15 a 30 cm) en los suelos del fondo.

El fondo de las excavación estaba plano; pero se descubrió que el operador de la máquina había  excavado en exceso, hasta 12 pulgadas (30 cm) más de profundidad que lo indicado. Luego, vertió  tierra suelta a  excavación, para nivelar el fondo.

Se han observado muchos casos  en los que los suelos situados al fondo de las excavaciones excesivas accidentales. La tierra se reintegró apresuradamente, para ocultar la equivocación cometida. En general, el relleno con concreto delgado se considera como parte de la cimentación de suelos y no como una extensión de la cimentación de concreto propiamente dicha.

En general, resulta  más barato aceptar  que se ha  excavado en exceso, ya que el exceso se puede resultar  menos costoso que el tratar  de compactar los suelos en zonas limitadas y pequeñas. En general, el relleno  con concreto delgado se considera como parte de la cimentación de suelos y no como una extensión de la cimentación de concreto propiamente dicha.

Con frecuencia los fondos de cimentación son irregulares, debido a problemas encontrados al excavar el suelo. La tendencia natural consiste en “nivelar” el fondo de la excavación. Su aspecto es mejor  y resulta más fácil poner el acero. La nivelación  se hace con tierra o grava y el material empleado  se compacta y se prueba, sin embargo la mayoría  de los ingenieros  de suelos está  de acuerdo en que es mejor dejar el fondo irregular, sin alterar el suelo, echando un poco de concreto para rellenar las partes más bajas. El concreto de relleno puede colarse, si esto facilita la instalación del acero de refuerzo.

Cargas excéntricas.

Las cargas de volteo que hacen que se ejerzan fuerzas excéntricas sobre los cimentos, son muy comunes  en las estructuras sujetas  a cargas de vientos o sísmicas o para los muros  de contención.

El método que más se usa para analizar las presiones de cimentación consiste en convertir la excentricidad  en una presión de suelos de forma triangular. Esto se indica en la figura 14.5.

Se puede “recortar  teóricamente” un extremo de la zapata, con el fin de que la parte restante de la cimentación sea concéntrica. En  este caso,  la cimentación  se puede diseñar para que sea más pequeña, utilizando el total de las presiones de capacidad de carga de diseño, como se indico antes.

Zapatas inclinadas.

Las zapatas inclinadas se suelen utilizar  como bloques de apoyo para apuntalamientos, como anclajes de atiesadores y como bloques de anclaje para codos de tuberías. Esas zapatas tienen una capacidad de carga más baja que las zapatas cargadas verticalmente a la misma profundidad promedio. A continuación en la figura 14.6 se  presenta una guía  aproximadamente para estimar la reducción de la capacidad de carga.

Inclinación de la cargaA partir de la vertical (grados)
	Para arcilla (%)	Para arena (%)
030 45 60 90	10080 70 60 50	10040 25 15 10

Cimentación en suelos expansivos.

Varios constructores de residencias han sufrido pérdidas financieras, al construir numerosas casa en   suelos expansivos. Esos suelos se dilatan al humedecerse y se contraen al secarse. Los cambios de volumen pueden  ser del 5 al 10%  o mayores (véase el capítulo 7, sección 7.11: el capítulo 8, sección 8.10 y la figura14.7).

El primer problema es el de identificar los suelos. A veces, se pueden  encontrar indicaciones mediante el examen del sitio. Los suelos expansivos suelen ser duros y agrietarse cuando se secan. Las grietas del suelo son como ladrillos y no se pueden romper con facilidad. Cuando está mojado, el suelo es plástico, como arcilla de alfarería:

1. Mantener constante el contenido de agua.
2. Situar  los cimientos bajo el nivel de cambios de humedad.
3. Tratar los suelos expansivos con los compuestos químicos, como la cal, para estabilizarlos.
4. Excavar y retirar los suelos expansivos en las zonas de construcción, reemplazándolos con suelos estables (véase la figura 14.7 a y b).

Cimentaciones Franki.

Un tipo de cimentación popular en Europa y otras artes del mundo, y que se utiliza en algunas regiones de los Estados Unidos, se conoce como cimentación Franki. Las cimentaciones aisladas. Se instalan mediante el empleo de un equipo especial.

 

En este método, se introduce en el suelo, al nivel de la cimentación,  un bulbo de concreto de bajo contenido de agua. Esto desplaza y compacta el suelo natural circundante. La cimentación resultante actúa  como una zapata aislada, pero se apoya en un suelo que se ha compactado previamente hasta alcanzar una resistencia mucho mayor. 

Cimentaciones en suelos corrosivos

Los compuestos químicos que hay en algunos suelos pueden corroer el acero y deteriorar el concreto. A estos suelos se les llama corrosivos, si los análisis de laboratorio o las pruebas de resistencia indican esas condiciones, pueden necesitarse precauciones espaciales para proteger el concreto y el acero de refuerzo. Se han preparado tablas, basadas en la experiencia, para indicar los porcentajes de compuestos químicos que pueden crear problemas. En la página 170 se presenta una tabla abreviada.

Basada en la referencia 31, para mostrar las cantidades de compuestos químicos que pueden causar dificultades.

Una solución común en los suelos de alto contenido de sulfatos  o cloruros, consiste en utilizar cementos más resistentes, tales como

 

Porcentaje de SO3 contenido en

Agua del terreno	Suelo arcilloso	Gravedad	Recomendaciones
0-0.3    0.03-0.1         Más de 0.1	0-0.2    0.2-0.5         Más de 0.5	No hay problemas especiales   Algunos problemas, sobre todo en paredes delgadas de concreto     Problemas graves	No se necesita tomar medidas especiales  Utilicese concreto de cemnteo Pórtland (tipo II), resistente a los sulfatos   Utilícese cemento de supersulfato o alto contenido de óxido de aluminio (tipo V)

El de tipo V, para que resistan la corrosión. Asimismo, el acero debe protegerse mediante cubiertas más gruesas de concreto, que deben tener un espesor mínimo de 4 pulgadas (10 cm)

Los puntos más importantes de este post son:

HECHOS: Con frecuencia los cimientos de edificios se cuelan sobre rellenos de suelos sueltos, en los  lugares inadecuados. El agua freática y algunos suelos pueden corroer o causar deterioros  en el concreto o el acero de refuerzo.

ATENCIÓN A: Las altas cargas temporales sobre las zapatas, que sobrepasen los valores de capacidad de carga de diseño.  La desecación del suelo, si la excavación permanece abierta durante mucho tiempo. La acumulación de agua de lluvia en el fondo de las excavaciones excesivas para zapatas, cuando se empelan máquinas grandes. Las pensiones laterales de carga sobre las zapatas, debido a los puntales inclinados. Los suelos agrietados o expansivos.

 
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