Asentamientos en cimentaciones

Durante la construcción de edificios, a medida que las cargas de columnas se sitúan sobre las cimentaciones, éstas se asientan.

Si los cimentos se apoyan sobre roca o suelos muy duros, los asentamientos pueden ser muy pequeños; sin embargo, si se trata de suelos ordinarios  de valle, el asentamiento puede ser de una fracción de pulgada o de varias pulgadas. Son comunes los asentamientos  de ½ a 1 pulgada (1,27 a 2.54 cm).

Gran parte del asentamiento puede producirse durante la construcción. En otros casos, los asentamientos se producen muy lentamente y prosiguen durante varios años, después  de concluida la construcción.

Asentamientos calculados

Se ha establecido un sistema de pruebas  y cálculos para estimar los asentamientos para una cimentación dada.

Cuando una carga se sitúa sobre una cimentación, dicha carga se transfiere hacia abajo a cada uno de los estratos del suelo en que se apoyan los cimientos. En la figura 15.1 se ilustra esta distribución de presiones. Inmediatamente debajo de las zapatas, la presión del suelo aumenta hasta alcanzar casi la capacidad total de presión de carga. A profundidades de 10 ó 20 pies (3 ó 6 metros) por debajo de la superficie del terreno, la carga se distribuye entonces y el aumento de presión es pequeño.

Tabla 1   Valores típicos de asentamientos para una carga de columna de 300,000 libras  (136,200 kg)

Tipo de suelo	Presión De carga(Ib/pie2)	Tamaño De zapatas (pies)	Asentamientos(pulgadas)
Arcilla duraArena compactaArcilla moderadamente firmeArena moderadamente compactaArcilla blanda Arena suelta	10,00010,0003,0003,0001,500 1,500	51/2X51/251/2X51/210X1010X1014X14 14X14	0.50.31.50.83.0 1.5

Para calcular los asentamientos, se divide en estratos el suelo en que se apoyan una cimentación. Para obtener el asentamiento total, se estima el asentamiento de cada estrato y se suman los resultados parciales.

En la figura 15.1, la curva de presión natural del suelo indica que la presión del suelo, a una profundidad de 5 pies (1.5m) es de aproximadamente 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2),  ya que  el suelo pesa cerca de 100 Ib/pie3  (1,625 kg/m3). La nueva cimentación tendrá una presión de carga  de 3,000 Ib/pie2 (14,647 kg/m2), debido a las cargas muertas y otras cargas estáticas reales. Las cargas temporales debidas a los vientos, los movimientos sísmicos  y otras cargas poco frecuentes y de corta duración, casi siempre se deducen por que influyen poco sobre el asentamiento. La presión del suelo se distribuye en éste y, por tanto, el aumento de presión a una profundidad de 5 pies (1.5m) no es de 3,000 Ib/pie2 (14,647 kg/m2), si no de aproximadamente  2,100 Ib/pie2    (10,253 kg/m2).

Puesto que la presión normal a una profundidad de 5 pies es de 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2), esta presión aumentará a 2,600 Ib/pie2, debido  al peso de la cimentación. Basándose en la prueba de consolidación de laboratorio, se descubrió que una muestra obtenida a una profundidad de 5 pies (1.5 m) se consolidaba muy poco cuando se le aplicaba una carga de 500 Ib/pie2 (10,253 kg/m2). Esto es razonable, puesto que el suelo se ha cargado ya a 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2) y se ha consolidado. La pequeña consolidación se toma como punto de partida para las mediciones. Al proseguir la prueba de consolidación mediante la aplicación de cargas más pesadas, se descubrió que el suelo se consolida un 1% adicional, cuando se aplica a la muestra de suelo la carga completa de 2,600 Ib/pie2 (12,694 kg/m2).

Suponiendo que ese estrato tenga un espesor de 5 pies (1.5m), la comprensión total  del estrato será de 0.6 pulgadas (1.5 cm) (60 pulg. X 1% = 0.6 pulgadas). Se pueden hacer cálculo similar para todos los demás estratos por debajo de la cimentación. El total es el asentamiento esperado de las zapatas, que es probable que se encuentre  en la gama de 1.5” (3.81 cm).

En la tabla 1 se dan varios valores típicos de asentamientos estimados para cimentaciones en varias clases de suelos.

Asentamientos medidos.

Los asentamientos se miden  con frecuencia. Dichas mediciones pueden hacerse con mayor facilidad y presión, si se hacen marcas en las columnas, en las primeras fases de la construcción. Si no se hacen esas marcas de referencia, las observaciones de asentamientos se comparan de nuevo con las elevaciones  “construidas” para las cimentaciones o las losas de pisos apoyadas. Esos registros suelen ser muchos menos exactos.

Asentamientos durante la construcción

Algunos suelos, como las arenas Y los materiales de drenaje libre, se asientan con rapidez cundo se someten a las cargas.  Casi todo  el asentamiento suele producirse durante el periodo de construcción; por tanto, una vez concluida la construcción, prácticamente no se producirá ningún asentamiento.

Al contrario, los suelos limosos y arcillosos tienen un drenaje lento.  Por consiguiente, durante la construcción se producirán asentamientos que proseguirán durante varios años, después de que se ha terminado la construcción.

Durante las pruebas de consolidación el laboratorio, se puede medir la velocidad con que se comprimen las muestras de suelos.  Esto da una buena indicación del tiempo que puede tomar el asentamiento de las cimentaciones.

Se ha establecido un método de calculo para estimar cuanto tiempo se requiera para que se produzca la mayor parte de los asentamientos. El drenaje de un estrato de suelo depende de su velocidad de drenaje y el espesor del estrato. Cuando sea analizado una muestra dado de un estrato de suelo, se puede estimar el tiempo necesario para  consolidación, comparado el espesor de la muestra  de prueba con el del estrato del suelo, en el terreno.

Muestra de prueba	Estrato de suelo
Espesor = 1 pulgar (2.54cm) Velocidad de asentamiento = 30 minutos Nota: El drenaje del fondo y de la parte superior se aplica a la muestra de prueba y, asimismo, al estrato de suelo. Así, la  trayectoria de drenaje  es de la mitad del espesor del estrato.	Espesor = 10    Mitad del espesor = 60 pulgadas   Tiempo para el asentamiento    = 30 días

En general, se considera que una capa de suelo está libre para drenarse, si hay capas de arena por encima o por debajo de ella. Con frecuencia, los suelos arcillosos se entremezclan con estratos de arena. En ese caso, los estratos de arena  actúan como capas de drenaje, haciendo que los asentamientos se produzcan con mayor rapidez que en el caso de un cuerpo de limo o arcilla, sin estratos arenosos.

Asentamientos admisibles

El asentamiento de un edificio se puede medir como el asentamiento total de la estructura, o bien, como el asentamiento diferencial entre zapatas adyacentes o entre el centro y las esquinas de un edificio.

En general, si los asentamientos totales son uniformes se pueden tolerar sin grandes dificultades. Si todas las cimentaciones de un edificio se asientan 3 pulgadas, el único problema será el de acomodo de las instalaciones de servicio público que llegan al edificio y el nivel de las aceras o banquetas y las zonas de estacionamiento de vehículos.

Si el asentamiento de los cimientos es desigual, por ejemplo, en el caso de que la zapata de una columna se asiente 1 pulgada (2.54 cm), mientras que una zapata adyacente se asiente 2 pulgadas  (5 cm), esto puede hacer que el edificio se distorsione  y que las paredes se agrien. Este tipo de asentamiento es mucho más difícil de tolerar. Por consiguiente, los asentamientos diferenciales tienen una importancia mucho mayor que los totales.

Algunos  tipos de estructura, como las de almacenes grandes llegan a asentarse varios pies, y a pesar de ello se ha tenido pocas dificultades para mantenerlos en funcionamiento. A menudo, los grandes tanques de almacenamiento de petróleo  se construyen suponiendo que el asentamiento sea de un pie (30 cm). Lo más importante es que el casco del depósito se asiente de manera uniforme en todas sus partes.

En las estructuras comerciales más importantes, es común limitar los asentamientos diferenciales permisibles entre columnas adyacentes a  de pulgada o menos. Los asentamientos entre columnas adyacentes pueden ser aceptables para estructuras de madera o edificios industriales de estructura ligera de acero.

Método de ajuste de asentamiento

Los asentamientos pueden reducir mediante un cambio en el diseño de las cimentaciones, que puede consistir en hacer cimientos más grandes o más profundos. Asimismo los asentamientos se pueden reducir, si el sitio se carga previamente o se “sobrecarga” antes del construir el edificio (véase la sección 15.7), o bien, efectuando una compactación previa del suelo (véase el capítulo 23). Si durante la construcción y al aplicar las cargas  iniciales las asentamientos se producen con rapidez, estos se podrán corregir  y no constituirán un problema cuando se entregue el edificio al propietario. Es posible “acelerar” el asentamiento, mejorando el drenaje de los suelos comprensibles.

En lo que se refiere al empleo de cimentaciones más anchas, se puede suponer, como guía aproximada, que el asentamiento se reduce al aumentar el área de apoyo de las zapatas cuadradas. Por ejemplo, para una carga de columna de 400 kips, supóngase que el tamaño de la zapata es de 8×8 pies (2.40 X 2.40m) y que el asentamiento estimado es de 1 pulgada (2.54cm). si el tamaño de la zapata se aumenta a 12X12 pies (3.6 X 3.6m), el asentamiento será de 8 + 12 = 2/3 de pulgada (1.69).  Si el tamaño de las  zapatas aumentan a 16 X16 pies (4.80 X 4.80 m), el asentamiento será de 8 + 16 = 1/2   pulgada (1.27 cm). Esta guía se aplica mejor al suelo arcilloso y limoso que al arenoso.

Con frecuencia el ajuste de los asentamientos se efectúa cambiando el método  para armar la estructura y la construcción de los muros, con el fin de hacerla más flexible.

Los cimientos de edificios ligeros se pueden diseñar con pernos de anclaje largos y ángulos  sujetadores en la columna, que  permitan que se inserten gatos y que de vez en cuando se levanten las columnas, para renivelar la estructura del edificio.

En un edificio se pueden  hacer separaciones estructurales a ciertos intervalos. Esto permitirá  que las distorsiones y los movimientos del  edificio se lleven a cabo a lo largo de “brechas” pre-establecidas.

Los tableros laterales que se sujeten a columnas de acero pueden absorber movimientos diferenciales  apreciables, sin distorsiones. Al contrario, los muros de concreto, los de ladrillo, los de concreto colado in situ o los muros inclinados y continuos  de concreto, son frágiles, se agrietan con facilidad y sufren fracturas importantes, aun cuando los asentamientos diferenciales sean pequeños. Es preciso recordar que los muros de concreto bien reforzados pueden tener una considerable resistencia de trabe y pueden  servir como  puentes sobre las cimentaciones que tienden  a asentarse demasiado. A veces, los muros de los edificios se diseñan para que actúen como trabes. Esto parece funcionar bien, siempre que el claro no sea demasiado grande, ya que  en estos muros se produce  una redistribución de esfuerzos, que no puede determinar.

Métodos de preconsolidación.

Relleno de sobrecarga

El asentamiento del suelo el que se va construir se puede forzar antes de edificar las estructuras. Con es  fin, a menudo se suelen  utilizar rellenos  de sobrecarga. En general el relleno de sobrecarga que se pone en un sito tiene un peso igual o mayor que el edificio que se va  a construir. Antes de iniciar la construcción debe dejarse que transcurra el tiempo necesario para que se produzca el asentamiento.

Los rellenos de sobrecarga pueden ser del orden  de 4 a 5 pies (1.20 a 1.5 m) para edificios industriales de un piso, supermercados y edificios escolares. Los rellenos de sobrecarga pueden ser de 30 a 40 pies (9 a 12 m) para edificios de concreto reforzado, los cuales  son relativamente pesados. A veces se constituyen rellenos de sobrecarga de 30 a 40 pies (9 a 12m) en los sitios en que se construirán tanques pesados de almacenamiento centrales eléctricas u otras estructuras sumamente pesadas.

En el fondo de los rellenos  de sobrecarga, se pueden poner marcadores de asentamiento para medir el asentamiento y el término  del asentamiento. En la figura 15.2 se muestra un relleno típico de sobrecarga.

Compactación o compresión del suelo.

Existen varios para compactar o comprimirlos suelos. Entre  ellos: (a) vibroflotación; (b) disminución del nivel del agua, mediante el empleo de sumideros o web points; (c) excavaciones del suelo para volverlo a colocar como relleno compactado, y (d) inserción de drenes de arena, drenajes de mecha u otros dispositivos, para permitir que el agua se drene del suelo con mayor rapidez. En estos métodos se describen con más detalle en capítulo 23.

Corrección

Desde la antigüedad, el asentamiento de los cimientos ha constituido un problema; sin embargo, muchas  estructuras grandes y pesadas cuyos cimientos han sufrido asentamientos importantes se han establecido o puesto de nuevo en sus posiciones originales. La  técnica de la construcción permite corregir problemas muy graves de esta naturaleza, con nosotros razonables, en comparación con el costo de reemplazar la estructura. Esta técnica aplicada a tiempo a la torre inclinada de pista estabilizar la estructura y tal vez nivelarla de nuevo.

Los promedios de corrección que más se utilizan son: (a) elevación de los cimientos, inyectando cemento de suelos u otros materiales bajo la cimentaciones; (b) soporte de columnas, mientras se pone una nueva cimentación bajo cimientos ya existentes: (c) extensión de las zapatas a una elevación menor, de porción en porción; (d) inyección de compuestos químicos  o lechada en suelos porosos, bajo los cimentos y (e) instalación de  pilotes, cajones perforados u otros nuevos cimientos adyacentes a las zapatas existentes, transfiriendo el peso de las columnas a esos nuevos cimientos,  por medio de vigas “de aguja”, que se pueden  insertar por debajo o por encima de las zapatas, para conectarse  directamente a las columnas. Otro método menos común consiste en congelar el suelo,  por debajo de una cimentación, y mantenerlo permanentemente congelado.

Asentamientos de otros tipos de cimentaciones

En este capítulo se han estudiado los asentamientos de cimentaciones aisladas; sin embargo, también se pueden producir asentamientos en otros tipos de cimentaciones, tales como los pilotes fricción, los polotes de soporte en el extremo, grupo o conjuntos de pilotes, pilares rectos, cajones perforados y acampanados y otras cimentaciones profundas.Las cimentaciones profundas aplican sus cargas a estratos más firmes y profundos, o bien, distribuyen su carga sobre un área a una mayor profundidad.

También esos cimientos se asientan al cargarse; pero, por  lo común, los asentamientos son mucho menos que los delas cimentaciones aisladas.

Si se utilizaran cimentaciones aisladas en una zona dada y se experimentaran asentamientos del orden de 1 a2 pulgadas (2.54 a 5.08 cm), se podría esperar que los cimientos sobre pilotes u otras cimentaciones profundas apropiadas sufrieran asentamientos de 1/4  a  1/2  pulgada (0.6 a 1.27 cm). No obstante, si los cimientos llegan al apoyo final sobre rocas o suelos duros, los asentamientos serán esencialmente los que se deban a la contracción elástica de los pilotes, al situar las cargas.  Supóngase que un edificio se apoya en pilotes de fricción, que  se apoyan en todo el suelo a través  del que se hinchan, sin llegar a tener una carga de extremo final.

Si una columna  del edificio tiene una carga de 50 toneladas, puede sostener en un pilote simple. Otra columna del edificio puede tener una carga de 400 toneladas y requerirá ocho pilotes. Aunque cada pilote se carga con una cantidad igual, 50 toneladas por pilote, se podrá esperar que el grupo de ocho pilotes se asiente más que el pilote simple. La diferencia de asentamiento puede no ser grande; por ejemplo, el pilote simple se puede asentar 1/4 pulg., y el grupo de pilotes 1/2 pulg. El asentamiento diferencial resultante de 1/4 pulg. (0.6 cm) no constituirá  un problema desde el punto de vista estructural y nunca se detectará, a menos que se tomen medidas precisas.

El asentamiento de pilotes individuales o de grupos de pilotes es más fácil de estimar que el de las cimentaciones aisladas.  Se han creado métodos simplificados para hacer estimados aproximadas de los asentamientos.  Esos métodos son muy similares a los que se usan para calcular los asentamientos de cimentaciones aisladas.

Por lo común, se supone que la carga sobre los grupos de pilotes se distribuye de tal modo que el grupo de pilotes es equivalente aproximadamente, a una cimentación aislada, situada a cierta profundidad por debajo del restante. Este concepto se ilustra en la figura 15.3. después de transformar  el grupo de pilotes en una cimentación aislada equivalente, sobre el suelo, será posible calcular la presión  adicional del suelo. Utilizando esta presión del suelo, es posible estimar la consolidación de los diversos estratos de suelos bajo los cimientos, como se describió antes, y será posible calcular el asentamiento total.  Por lo contrario, si los pilotes del grupo se hincan en suelos blandos, y luego hasta el rechazo  sobre grava y arena muy densa y profunda, la “zapata equivalente” será más profunda, como se muestra en la figura 15.4.

Por lo común, los asentamientos de estructuras apoyadas en pilotes son relativamente pequeños y no usan problemas. Sin embargo, puede haber dificultades importantes si una parte de una estructura se apoya en pilotes, mientras que otras partes se apoyan sobre cimentaciones aisladas. En la figura 15.5 se muestra una estructura de dos pisos, apoyada en cimentaciones  de pilotes. Junto a ella, se levanta una estructura más ligera, de un solo piso, sobre cimientos aislados, que se sujetó al edificio original de dos pisos. En el edificio de un solo piso se produjeron grandes asentamientos.

Por  regla  general, si una parte de una estructura se apoya sobre pilotes, las adiciones, aunque sean ligeras, también deberán ponerse sobre pilotes. Sólo después de un estudio muy cuidadoso de los asentamientos probables, se podrá considerar el uso de una combinación de tipos de cimentaciones. Si se combinan los tipos, será mejor efectuar una separación, con  dobles columnas, entre las dos partes de la estructura.

Los asentamientos  para cajones perforados y acampanados, pilares profundos o  una forma modificada de cimentaciones aisladas, se pueden calcular utilizando las mismas técnicas que para las zapatas corridas. 

La cimentación Franki se utiliza también  como cajón. Sin embargo, el caso se compacta y preconsolida. Por tanto, los asentamientos son apreciablemente menores que los que pudieran calcularse para otros tipos de cajones apoyados en el suelo. En general esta cimentación se emplea para apoyos en suelos arenosos.

Debe señalarse de nuevo que este análisis no indica con exactitud la manera de efectuar un cálculo del asentamiento. Se pueden obtener más datos  por medio de pruebas, como las que se describen en la referencia 4; pero tampoco en esas referencias se indica el método, así como tampoco lo indican los ingenieros de suelos.

Resumen. Los principales puntos de este post son los siguientes:

HECHOS: Los cimientos de los  edificios se asientan; lo importante es saber la medida en que esto sucede. Las mayores dificultades se deben a los de asentamientos desiguales de las columnas adyacentes.  Los asentamientos de zapata en la arena son rápidos y se producen durante la construcción. Las zapatas sobre arcilla se asientan con lentitud. Además, se pueden mejorar las condiciones de los sitios para reducir el asentamiento.

ATENCIÓN A: Un sitio de construcción que tiene suelos firmes en un lado y blando en el otro. Zapatas muy cargadas, adyacentes a zapatas con cargas más ligeras.