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La Cimentación

Las cimentaciones representan uno de los elementos mas importantes a la hora de construir casas, edificios, torres y todo tipo de infraestructura en general.

Hoy en dia miles de empresas prestan sus servicios de cimentaciones, incluyendo el de cimentacion prefabricada, que es una nueva variante a la hora de levantar una edificación. Como todos sabemos, los cimientos representan uno de los puntos esenciales del soporte estructural, y de su correcta construcción dependerá la seguridad y equilibrio de lo que se construye.

Al construir utilizando materiales prefabricados garantiza que la edificación sea levantada mucho mas rapido. Hoy en dia de construyen casas prefabricadas en menos de un mes, incluso en semanas, y todo depende del tamaño en metros cuadrados de lo que se desea construir, así como su complejidad de construcción.

Y es aquí en donde entra el termino de cimentación prefabricada, cuando nos referimos a aquellas cimentaciones que primero son preparadas a un modelo estándar, y que luego se terminan que completar en la edificación.

La Cimentación


Partes de la cimentación


Las partes principales de una cimentación por pilotaje son:

  • Vigas riostras: Son obligatorias en las dos direcciones si el encepado es de un solo pilote.
  • Fuste del pilote: Cuerpo vertical longitudinal del pilote. Terreno circundante.
  • Encepado: encargado de recibir las cargas del soporte y repartirlas a los pilotes.
  • Soporte o pilar: Elemento estructural vertical, que arranca del encepado.
  • Punta del pilote: Transmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente.

Se debe de tener en cuenta que los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a los 40 mts teniendo una sección transversal de 2-4 mts, pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2000 t.

Partes de la cimentación

En edificios muy pesados o muy altos se emplean pilotes de acero o pilotes en H llamados así por su forma, estos se introducen en la roca, a menudo hasta 30 m de profundidad. Con estos pilotes se alcanza más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes de hormigón o madera.

Ahora bien es importante recordar que la eficacia de un pilote depende de:

  • La resistencia por punta, en el caso de transmitir compresiones.
  • El rozamiento y la adherencia entre el suelo y el fuste del pilote.

Los cimientos de zapatas rígidas se utilizan cuando hay un suelo adecuado para soportar grandes cargas. Estos soportan las cargas del edificio en su extremo inferior, que por lo generar tienen forma de campana.

Este cimiento consiste en unos pilares de hormigón fabricados en forma de cilindros que se excavan en lugares sobre los cuales se asentaran las vigas de la estructura.

Usos de la cimentacion


Cimentaciones y su usoLas cimentaciones y su uso. Como ya se menciono anteriormente las cimentaciones se utilizan para transmitir las cargas de los muros y columnas al terreno y las rocas subyacentes dentro de los límites aceptables en cuanto a presión, estas cargas pueden transmitirse al suelo inmediato a través de zapatas (aisladas o corridas) o bien hacia capas más profundas del suelo por medio de pilotes, construidos de concreto.

El área de zapatas corridas, el número de pilotes, se escogen de modo que sostengan las cargas reales no factorizadas de una edificación sin rebasar los límites de asentamiento, una presión admisible en el suelo.

Usos de la cimentacion

Partes de una cimentacionEstos elementos se construyen con concreto armado, pues la cimentación también soporta la reacción del suelo. Conforme reciban la carga la cimentación podrá se axial, es decir se las fuerzas son paralelas al eje axial y se desvían de este se conocen como excéntricas.

El peralte mínimo que debería tener una cimentación de concreto no será inferior a 20 centímetros cuando se trata de concreto simple apoyados directamente en el suelo, de 15 cm. por encima del refuerzo interior en zapatas de concreto armado apoyadas en el suelo y de 30 cm. por encima del refuerzo inferior en zapatas de concreto armado apoyadas en pilotes, el recubrimiento mínimo de concreto para refuerzos en contacto con el suelo y expuestos permanentemente a éste será de 7.5 centímetros.

Cimentaciones de concreto


En ocasiones se utilizan cimentaciones de concreto simple sin refuerzos; cuando no importa el peso de las mismas se suprime el armado de fierro en tensión, pero es conveniente armarlos con metal para dilataciones debidas a cambios de temperatura; pueden ser cuadrados, piramidales o escalonados.

Los cimientos de concreto ciclópeo se construyen excavando una cepa de 50 x 70 cm de profundidad e igual de ancho, se vierte en ella mezcla de concreto (1:3:6) y piedras de 5 a 35 cm al mismo tiempo llenándose todos los huecos y enrazando hasta el nivel del terreno formando la corona del cimiento.

En caso de que se requiera mayor resistencia se colocara una dala de concreto de 15 cm de altura y del grueso del muro, armada con 4 varillas 3/8.

Cimentaciones de concreto

Este tipo de cimientos se usa en terrenos donde la cepa o zanja se puede cavar perfectamente a plomo. Los cimientos de concreto armado consisten en una placa de concreto de 10 a 15 cm de espesor y un armado formado por lo general con varillas de 3/8 y ½ con una separación de 10 a 15 cm (según el cálculo) formando un emparrillado que se coloca en la parte baja, y si se tienen cargas fuertes o si se tienen claros mayores de 3 m se construyen contratrabes de concreto (integral a la zapata) formando una sola pieza con la placa, mismo armado pero en sentido inverso que la viga o trabe que salva el claro en el techo, la proporción del concreto será 1:2:4, cuidando de la proporción del agua para obtener mayor resistencia.

El cimiento aislado se utiliza como base de columnas cuando las condiciones de carga en las mismas, o la resistencia en el terreno, hacen que se requiera una superficie pequeña que no llega a juntarse, o esta a una distancia mínima de 3.00 m cuando el área necesaria para cimentar las columnas es muy chica, se puede suprimir el armado de las zapatas, haciéndolas de concreto simple, y el talud de sus caras formará con la superficie del terreno un ángulo igual o mayor de 45º, conservando una altura minima de 15 cm en todo el perímetro, haciendo notar que las varillas de las columnas deberán penetrar hasta la base de las zapatas y anclarlas con un doblez para lograr la continuidad; en ocasiones como en este caso de cimentación de concreto simple, se puede tener refuerzo metálico pero solo para el trabajo por temperatura. Pueden tenerse diferentes concretos, tanto como se refiere a su resistencia como a sus agregados y armado dependiendo del cálculo.

Ejemplos de cimentaciones


Plataformas de cimentación


Tamaño pequeño:
  • Es alrededor de 60 a 100 kN/m.
  • La potencia del motor es de 108 kW.
  • El diámetro de perforación es de 0,5 a 1,2 m; 40 m, y 40 t de calidad total.
Tamaño medio:
  • Es alrededor de 120 a 180 kN/m, la potencia del motor es de 125 a 200 kW.
  • La perforación de diámetro es de 0.81.8m, 60 m de profundidad de perforación.
  • La calidad total es de 42 a 65 t.
Tamaño grande:
  • El esfuerzo de torsión es de alrededor 240 kN/m.
  • La potencia del motor es de 300 kW.
  • La perforación de diámetro de 12.5m, 80m y 100 t de calidad total.

Normas de cimentaciones


Normas para construcción e instalación cimentaciones.  Parte de una estructura cuya función es la de transmitir directamente al suelo las fuerzas que actúan sobre ella.

En esta norma se tratan los siguientes elementos estructurales que constituyen o forman parte de una cimentación: mampostería de piedra natural; concreto ciclópeo; zapatas aisladas y/o corridas; contratrabes; plataformas y cajones de concreto hidráulico reforzado; pilotes de madera, pilotes de concreto hidráulico reforzado y pilotes de acero; y cilindros de concreto hidráulico reforzado.

Materiales

Los materiales no comprendidos en la fracción anterior que se empleen en la construcción. de las cimentaciones podrán ser:

  • Pilotes de madera cruda o preservada
  • Tubos de acero
  • Lamina metálica, cartón, fibras u otros.
  • Materiales para forros.
  • Rieles y perfiles laminados.
  • Acero estructural para puntas.
  • Juntas y cuchillas.
  • Tuberías y accesorios para chiflones.
  • Soldadura para puntas, juntas y cuchillas.
Plataformas de cimentación

Los pilotes de concreto precolados, podrán ser levantados por medio de bridas sujetas al pilote en no menos de 2 puntos, de preferencia en las quintas partes extremas, pero a no más de 6 metros entre sí.

Su manejo durante los procesos de remoción de moldes, curado, almacenamiento y transportación, se hará dé 4al forma que se eviten daños por esfuerzos de flexión sucesivos, golpes, vibraciones u otras causas.

En los pilotes de concreto que vayan a quedar expuestos a la acción del agua de mar o de suelos alcalinos, se utilizara cemento portland tipo 5, de alta resistencia a la acción de los sulfatos, o cemento portland puzol añico tipo IP y se usaran curados durante un periodo de 28 días.

Los tubos de acero y los forros que se utilicen en la fabricación de pilotes colados en el lugar, deberán ser de las características que en cada caso se fije el proyecto.

Podrán ser cilíndricos o tronco-cónicos, y lo suficientemente herméticos para evitar que existan fugas al ser llenados de concreto; el diámetro del extremo inferior de los tronco-cónicos no será menor de 20 centímetros.

Los tubos que se vayan a hincar sin el uso de un corazón, estarán provistos de una punta o guía; los que se hinquen con el uso de un corazón, llevaran en el extremo inferior un tapón lo suficientemente resistente y hermético para impedir la entrada de agua o de otras materias extrañas.

Las tuberías y accesorios para chiflones serán de las características que en cada caso fije el proyecto.

Requisitos de ejecución

El proyecto fijara en cada caso el tipo de cimentación que deberá construirse para cada obra, según las características y capacidad de carga del suelo en que se apoyara la propia cimentación, y en su caso, de acuerdo con los estudios de mecánica de suelos correspondientes.

  • Las excavaciones se ejecutaran dé acuerdo con lo que corresponda a lo fijado en la norma.
  • En la ejecución de cimentaciones de mampostería de piedra natural se observara lo indicado en la norma.
  • Las cimentaciones de concreto ciclópeo, se ejecutaran dé acuerdo con lo indicado en la norma.
  • Sus tolerancias serán las fijadas en la fracción de la norma antes citada, además y con el objeto de obtener un concreto ciclópeo homogéneo y uniforme será conveniente observar el siguiente procedimiento de colado.
  • Se vaciara una primera capa de aplanado de concreto hidráulica de aproximadamente 15 cm. De espesor sobre la plantilla del fondo de la excavación.
  • Se procederá a colocar las piedras distribuidas uniformemente para cubrir un 30 % del arrea de la cepa, procurando que queden parcialmente de la capa del concreto hidráulico.
  • Se colocara una segunda capa de concreto hidráulico de aproximadamente 15 cm. de espesor, teniendo cuidado que quede. cubiertas las piedras colocadas.
  • Se repetirán las operaciones anteriores hasta llegar al enrase o nivel fijado en el proyecto, que deberá ser acabado con concreto hidráulico.

Las zapatas aisladas y/o corridas, contratrabes, plataformas y cajones de concreto hidráulico reforzado que constituyan una cimentación, se ejecutaran de acuerdo con lo que corresponda de lo fijado en la norma de concreto hidráulico y acero para concreto hidráulico.

Cimentacion en suelos blandos


Cimentación en suelos blandos

AMPLIACIÓN DE TANQUES PARA ALMACENAMIENTO DE CARGA LIQUIDA.

  • En el año de 1994 tuve la experiencia de construir dos tanques metálicos para almacenar 1000 toneladas métricas cada uno de soda cáustica al 50%.
  • El terreno presentaba características de suelo blando hasta una profundidad de 5.00 metros(16.40 pies). Previo a la construcción se efectuaron tres perforaciones de 15.00 metros cada una(49.20 pies) de profundidad, haciendo uso del Ensayo de Penetración Estándar encontrándose que el sub suelo natural esta constituido por arenas finas limosas intercaladas por lentes conformados por limos de alta y baja comprensibilidad.
  • Las arenas limosas, pobremente graduadas se presentaban con densidades variables de media a muy suelta hasta profundidades de 4.90 metros(16.00 pies) y de media a muy densa bajo este nivel.
  • Los Lentes limosos son de alta y baja comprensibilidad (suelos tipo MH y ML) encontrándose los tipos MH a profundidades de 1.35m a 1.80m (espesor de 45 centímetros) y los ML entre 3.15m a 4.75m (espesor de 1.60m) respecto al nivel natural del terreno.
  • El coeficiente de comprensibilidad encontrado para el Limo haciendo uso del ensayo de consolidación es de Cc=0.943. El nivel freático se encontró a profundidades variables de 1.60m a 2.00m respecto al nivel natural donde se ubicaron las perforaciones.
  • El estudio de suelos cita textualmente que «El subsuelo ubicado hasta una profundidad de 4.80 metros con respecto a la superficie del terreno, no presenta características apropiadas para cimentar esta obra, por estar expuesto a asentamientos peligrosos que podrían generar durante la consolidación primaria y la licuefacción que se induciría por efectos de los movimientos sísmicos» Por tal motivo la recomendación del Laboratorio de suelos es de cimentar por contacto directo a 4.80 metros de profundidad usando presiones admisibles de 1.50Kg/cm2.
  • Por otro lado el estudio recomienda que si se desea desplantar a menores profundidades del nivel de 4.80m se debe retirar el material natural existente hasta este nivel y sustituirlo por material selecto compactado al 95% pretor usando presiones admisibles de diseño de 1.50Kg/cm2.  Es de hacer notar que durante el proceso constructivo de la obra las recomendaciones del Laboratorio de suelos fueron cumplidas en el campo.

El estudio fue elaborado por quien suscribe este articulo, tomando como base los siguientes parámetros de diseño:

  • Densidad del Liquido : 1,520 Kg/m3
  • Altura del cilindro: 9.60m
  • Diámetro del cilindro: 9.50m
  • Capacidad soporte del suelo: 1.50Kg/cm2
  • Carga viva:559Kg/m2

En el diseño de la cimentación se analizo la estructura considerando cargas gravitacionales y laterales por viento y sismo. Todos estos parámetros están de acuerdo al estudio geotécnico efectuado y cumplen con lo indicado en el Reglamento Nicaragüense de la construcción y otros reglamentos como el ASCE y el ACI.

Las provisiones indicadas en la memoria de calculo están de acuerdo a los sanos criterios de ingeniería y que en este aspecto puede considerarse el Tanque como seguro en el aspecto estructural.

Procedimiento constructivo

Siguiendo las recomendaciones del estudio geotécnico, la estructura del tanque fue cimentada sobre un relleno de 5.00 metros de profundidad utilizando material selecto de un banco llamado Cusmapa de cero plasticidad.

Este mejoramiento del suelo se extendió hasta una distancia perimetral igual a 1.20 metros respecto al cuerpo del tanque. Durante el proceso constructivo se efectuaron perforaciones de control con el ensayo de Penetración Estándar con resultados positivos respecto a las características de resistencia del suelo colocado en el relleno.

Procedimiento constructivo

Como resultado de lo anterior se concluye que en la practica se cumplieron con las indicaciones dadas por el laboratorio de suelo en lo referente al mejoramiento del suelo bajo el tanque.

Condiciones de la obra en funcionamiento

De acuerdo a inspecciones realizadas posteriormente a la construcción ( tres meses) posteriores a su finalización , se notaron que uno de los cimientos sufría asentamientos diferenciales de hasta 20cm conforme los levantamientos de niveles efectuados.

Una característica importante del tipo de falla observada es el agrietamiento perimetral, de forma circular, observado en la losa de piso del sitio de la obra.

Este tipo de falla esta perfectamente definido y a una distancia promedio del orden de 1.80metros y es característico de FALLA DE FLUJO DE SUELO inducido por presiones laterales en suelos de baja capacidad soporte en sitios donde se tiene un volumen de mayor densidad y resistencia.

En lo referente a la situación de la estructura propiamente dicha se observo que la misma no presenta ninguna falla en los cimientos de concreto reforzado ni en la sección metálica del tanque, lo que es un indicativo claro de que en la practica no se tienen asentamientos diferenciales de la obra, sino mas bien la ocurrencia de un giro total de la estructura inducido por un flujo hacia afuera de la masa de relleno ubicada bajo el tanque, la cual presiona el terreno natural circundante que no cuenta con la capacidad de carga adecuada para soportar las presiones transmitidas.

Evaluación efecturada en el campo

  • En vista de las características del tipo de suelo natural ubicado en el sitio de la obra, era prácticamente imposible efectuar ningún tipo de evaluación estructural sin conocer las características del perfil estratigráfico natural, tanto en el relleno como en el suelo natural circundante.
  • Por tal motivo se contrataron los servicios de otro laboratorio de suelos para efectuar tres perforaciones en el sitio de la obra, siempre haciendo uso del Ensayo de Penetración Estándar.
  • Las ubicaciones de las perforaciones fueron programadas de tal manera que dos de ellas se ubicaran en el sitio del relleno efectuado y la tercera en el terreno natural perimetral al area de mejoramiento de suelo.
  • Esto permitía conocer la información necesaria para establecer los parámetros comparativos entre el comportamiento interactivo de dos masa de suelo ( natural y de relleno).
  • En las tres perforaciones efectuadas se alcanzaron profundidades mayores de 6.00 metros medidos respecto al nivel inferior de la losa de piso existente.
  • Después de todos los análisis granulométricos comparativos de las tres perforaciones, los resultados indicaban que el suelo de relleno colocado bajo el tanque no ha sufrido variaciones en lo referente a su capacidad soporte.
  • Esta situación confirmaba que el suelo de relleno en la actualidad tiene la misma capacidad soporte inicial y reafirma que el asentamiento del tanque no es debido a la falla del relleno, sino a las presiones inducidas lateralmente al terreno natural perimetral que no cuenta con la capacidad de carga lateral adecuado.
  • Como consecuencia del peso propio del tanque y del contenido de soda cáustica se originan presiones aplicadas inmediatamente al suelo ubicado propiamente bajo el cimiento, con valores máximos a este nivel, disminuyendo con la profundidad y la distancia respecto a la posición de la estructura.
  • Esto significa que la distribución de presiones bajo el tanque no ocurre en un plano vertical bajo la estructura, sino mas bien se comporta como un bulbo de presiones ejerciendo influencia lateral a distancias horizontales respecto a la posición del tanque. En este caso se entiende que las presiones verticales de la carga aplicada se transmiten igualmente en forma lateral sobre la masa del suelo.

Conclusiones

Los resultados de los diferentes estudios de laboratorios efectuados a través del tiempo indican que el relleno utilizado como cimiento del tanque es adecuado en lo que respecta a la resistencia con respecto a las cargas aplicadas.

El análisis comparativo de la resistencia inicial del relleno efectuado por el primer laboratorio y el estudio realizado por el segundo laboratorio tres meses posteriores, indican que la resistencia del suelo ha permanecido en la practica invariable, motivo por el cual se puede concluir que la causa del asentamiento no es debida a la falla del relleno propiamente dicho, ya que por sus propiedades físicas y mecánicas determinadas en el laboratorio no es un material susceptible de asentamientos diferenciales por sus características no plásticas.

El tipo de falla circular que se muestra en la losa de piso indica claramente la ocurrencia de una falla de suelo por cortante inducido por la acción de cargas laterales inducidas por el peso del tanque mas su contenido.

Este tipo de falla típico en obras de relleno donde una masa de suelo mejorado acciona perimetralmente sobre el suelo natural ubicado perimetralmente, tendiendo a deformarlo.

Como consecuencia de la falta de capacidad al corte del suelo natural, el relleno funciono como una masa sin confinamiento, tendiendo a deformarse lateralmente induciéndose una falla por flujo plástico que es la causa del asentamiento observado en el tanque.

Otra condición observada en el campo es la ausencia de agrietamientos en los cimientos de concreto (anillo de concretoreforzado), al igual que fallas en la soldadura del tanque, indicativo de que no ocurrieron asentamientos diferenciales sino mas bien la existencia de un giro integral de la estructura como consecuencia del flujo de la masa de suelo de relleno.

Este tipo de comportamiento de la acción de una masa de suelo sobre otra es de difícil cuantificación en lo referente a la predicción del tipo de movimiento de la masa de suelo de relleno ya que se sale de los patrones típicos de asentamiento diferenciales en masa de suelo plástico tipo limosos o arcillosos.

La aseveración anterior es ratificada por el hecho de que suelos tipo arenosos sufren las deformaciones en forma rápida, disminuyendo su magnitud con el tiempo, siendo necesario para predecir con exactitud la magnitud de los deslizamientos un registro estadístico continuo, además de una investigación exhaustiva de las características de resistencia y elasticidad de la masa de suelo natural en toda la altura de relleno, lo que significa un costo de investigación excesivamente alto y que para fines prácticos no es conveniente hacerlo.

La cuestión no se termina aquí, ya que los dueños de este plantel de carga liquida, han decidido ampliar su infraestructura después de 12 años de estar operando los tanques existentes.

Nuevamente han contratado mis servicios profesionales para el diseño de las nuevas estructuras, donde se ha planteado la necesidad de construir dos tanques metálicos de 12.40m de diámetro y 12.81m de altura con una capacidad de 1548.00m3 equivalentes a 2,353.00 toneladas métricas cada uno, pero con la experiencia vivida, ellos requieren mayor seguridad en el tipo de fundaciones.

En la actualidad se han contratado los servicios de un tercer laboratorio de suelos, y se han practicado 5 pruebas de penetración estándar hasta una profundidad de 20.00m (65.60 pies) cada una, y se ha encontrado las mismas características de las pruebas anteriores.

El sistema de fundaciones que se esta diseñando es con pilotes de concreto reforzado, para lo cual se han estado haciendo ensayos donde el diámetro del encepado esta soportado por 110 pilotes de sección de 30cm. x 30cm de 7.00m de altura cada uno.

Otra alternativa de diseño consiste en un encepado de 2.00 metros de ancho respecto a la tangente vertical del cuerpo del tanque y de forma circular respecto al centro del tanque con un espesor de 50cm es decir que después de la cara superior del encepado esta un anillo circular de 30cm. de espesor y un alto de 70cm. para empotrar las platinas que servirán de fijación a la envolvente del tanque.

Este encepado esta soportado por 32 pares de pilotes distribuidos equidistantes en el perímetro de la circunferencia del encepado, el cual esta unido en toda el resto del área circular del fondo del tanque por medio de una losa de concreto reforzado de 25 cm de espesor.

También se ha considerado en otra alternativa de diseño, un relleno de material selecto de 5.00 metros de profundidad igual al ejecutado en años anteriores.

En el aspecto económico, de las tres alternativas que se han presentado, resulta que el costo económico es de:

  • La segunda alternativa es menor en un 80% a la primera.
  • La tercera alternativa es menor en un 40% a la segunda

Este articulo lo hago con el animo de escuchar opiniones de este proyecto, el cual se piensa realizar en el Puerto internacional de Corinto, localizado en el Departamento de Chinandega Nicaragua.

Bibliografía


Referencias, créditos & citaciones APA:
Portal de arquitectura Arqhys.com. Equipo de redacción profesional. (2012, 12). La Cimentación. Escrito por: Arqhys Construcción. Obtenido en fecha , desde el sitio web: https://www.arqhys.com/construccion/cimentacion-partes.html.

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