El cimiento es aquella parte de la estructura
encargada de transmitir las cargas al terreno. Debido a que la resistencia y
rigidez del terreno suelen ser inferiores a las de la estructura, la
cimentación posee un área en planta muy superior a la suma de las áreas de
todos los pilares y muros portantes (estructura vertical).
Los
cimientos por tanto serán por lo general piezas de volumen considerable con
respecto al volumen de las piezas de la estructura. Se construyen en hormigón
armado y en general se empleará hormigón de calidad relativamente baja ya que
no resulta económicamente interesante el empleo de hormigones de resistencias
mayores. Para poder realizar una buena cimentación es necesario un conocimiento
previo del terreno en el que se va a construir la estructura. Aquí vamos a
realizar una pequeña introducción sobre el suelo y la roca. Los términos roca y
suelo, tal como se usan en la ingeniería civil, implican una clara distinción entre
dos clases de materiales de cimentación. Se dice que roca es un agregado
natural de granos minerales unidos por grandes y permanentes fuerzas de
cohesión. Por otra parte, se considera que suelo es un agregado natural de
granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por
medios mecánicos comunes, tales como la agitación en el agua. El ingeniero para
preparar un proyecto debe saber cuáles son los materiales que están presentes y
qué propiedades poseen, este conocimiento se adquiere, parcialmente,
consultando libros, pero sobre todo, extrayendo, examinando y tal vez probando
muestras que considere representativas de los materiales. En la ingeniería de
las cimentaciones, la experiencia es un factor inapreciable. La correcta clasificación
de los materiales del subsuelo es un paso importante para cualquier trabajo de
cimentación, porque proporciona los primeros datos sobre las experiencias que
puedan anticiparse durante y después de la construcción. El detalle con el que
se describen, prueban y valoran las muestras, depende del tipo de estructura
que se va a construir, de consideraciones económicas, de la naturaleza de los
suelos, y en cierto grado del método con el que se hace el muestreo. Las
muestras deben describirse primero sobre la base de una inspección ocular, y de
ciertas pruebas sencillas que pueden ejecutarse fácilmente tanto en el campo
como en el laboratorio clasificando el material en uno de los grupos
principales. Las estructuras de cimentación son, con frecuencia, elementos
tridimensionales, en ocasiones elementos lineales, por ejemplo, las vigas de
cimentación.
El cimiento es aquella
parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno. Dado que
la resistencia y rigidez del terreno son, salvo raros casos, muy inferiores a
las de la estructura, la cimentación posee un área en planta muy superior a la
suma de las áreas de todos los soportes y muros de carga. (Javier &
Pinto Vega, 2010)
Los términos principales que usan los ingenieros
civiles para describir suelos son: grava, arena, limo y arcilla. La mayor parte
de los suelos naturales se componen por la mezcla de dos o más de estos
elementos, y pueden contener por añadidura material orgánico parcial o
completamente descompuesto. A las gravas y las arenas se les llama suelos de
grano grueso, y a los limos y a las arcillas suelos de grano fino. La
distinción radica en que puedan diferenciarse las partículas a simple vista.
Las partículas que tienen un tamaño mayor que aproximadamente 5 mm se
clasifican como grava. Sin embargo, si el diámetro excede de aproximadamente
200 mm, se aplica usualmente el nombre de boleo. Si los granos son visibles a
simple vista, pero menores a 5 mm el suelo se describe como arena, esta puede
ser gruesa, media y fina. La resistencia en estado seco proporciona una base
para distinguirlos.
Se moldea un pequeño prisma de suelo que se deja
secar al aire. Luego se rompe y tomando un fragmento de aproximadamente 3
Cimentaciones y Pilotaje 4 mm se aprieta con el pulgar y el índice. El esfuerzo
necesario para romper el fragmento proporciona una base para describir su
resistencia como muy baja, baja, media y alta o muy alta. Un fragmento de
arcilla puede romperse solamente con un gran esfuerzo, mientras que uno de limo
se rompe fácilmente. Ejecutando las pruebas pertinentes de clasificación y
determinando las propiedades de índice correspondiente, el ingeniero adquiere
medios para describir con precisión un suelo dado sin usar descripciones
verbales que están sujetas a malas interpretaciones debido a la vaguedad de la
terminología. Las propiedades del suelo en conjunto, dependen de la estructura
y disposición de las partículas en la masa del suelo. Aunque comúnmente se usan
las propiedades de los granos para fines de identificación, el ingeniero debe
saber que las propiedades del terreno en conjunto tienen una mayor influencia
en el comportamiento desde el punto de vista técnico del suelo.
El
ingeniero especialista en cimentaciones también debe conocer las propiedades
hidráulicas de los suelos. Si, por ejemplo, en la construcción de una
cimentación se requiere abatir el nivel de agua freática, el ingeniero deberá
estar informado con respecto a las propiedades hidráulicas y las características
de drenaje de los materiales del subsuelo. Se dice que un material es
permeable, cuando contiene huecos o intersticios continuos. Todos los suelos y
todas las rocas satisfacen esta condición habiendo grandes diferencias en el
grado de permeabilidad de los diferentes materiales térreos. En general el
coeficiente de permeabilidad se incrementa al aumentar el tamaño de los
intersticios, que a su vez crece al aumentar el tamaño de los granos. El nivel
que toma el agua en los pozos de observación hechos en los depósitos de suelos
se conoce con el nombre de nivel del agua subterránea, superficie libre del
agua, o bien nivel freático. Las características de esfuerzo-deformación de un
suelo o de una roca, determinan el asiento que una estructura dada puede experimentar.
Los
asentamientos de las estructuras construidas sobre mantos de arcilla blanda,
que algunas veces están enterrados profundamente debajo de materiales más
resistentes y menos compresibles, pueden producirse lentamente y alcanzar
grandes magnitudes. La relación entre la presión vertical, el asentamiento y el
tiempo, se investigan en el laboratorio por medio de una prueba de compresión
confinada. (Crespo Villasal, 2004)
Para que el ingeniero pueda proyectar una
cimentación inteligente, debe tener un conocimiento razonable de las
propiedades físicas y disposición de los materiales del subsuelo. A las
operaciones de campo y de laboratorio necesarias para obtener esta información
esencial se les llama exploración del suelo o programa de exploración.
El método
que más se adapta a una variedad de condiciones consiste en hacer sondeos en el
terreno y extraer muestras para su identificación y, en algunos casos, para
hacerles pruebas. Después de que se han conocido mediante sondeos preliminares
las características generales de los materiales del subsuelo, puede ser
adecuado un programa más extenso de sondeo y muestreo. O puede resultar más
efectivo investigar la consistencia o la compacidad relativa de las partes más
débiles del depósito, por medio de pruebas de penetración u otros métodos
directos que no requieren muestreo.
Las cimentaciones de la mayor parte de las
estructuras se desplantan debajo de la superficie del terreno. Por lo tanto, no
pueden construirse hasta que se ha excavado el suelo o roca que está por encima
del nivel de las cimentaciones.
Ordinariamente el ingeniero especialista en
cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de excavación en un lugar dado,
ni de diseñar el apuntalamiento, si se necesita. Sin embargo, generalmente es
obligación del ingeniero aprobar o recusar el procedimiento de construcción
propuesto por el constructor y revisar el proyecto del apuntalamiento. En los
suelos permeables para hacer excavaciones por debajo del agua freática,
usualmente se requiere desaguar el lugar antes o durante la construcción. (Yepes
Piqueas, 2016)
Respecto al dibujo de construcción no existe una
normativa clara y aplicable siendo recomendable el uso de la NTE, en este caso
la específica de cimentaciones incluyendo éstas aparte de los parámetros de
cálculo de las mismas, también detalles para su representación en plano. Para
detalles específicos lo más usual es acudir a libros específicos sobre
construcción en los que estarán representados detalles generales como los que
se incluyen en este trabajo.
- La tipificación entre cimentación superficial y profunda se establece según la relación entre el ancho del cimiento y la profundidad del plano de apoyo.
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Berasategui, Espuga y Gibert
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A.
Jaramillo
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CTE.
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Superficial
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Z/B<4
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Z/B<1
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Semi profunda
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4<Z/B<0
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1<Z/B<4
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Profunda
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Z/B>10
|
Z/B>5
|
Z/B>8
|
La
capacidad de carga es de difícil evaluación, pues depende de diferentes
factores como son:
a). De las características geotécnicas del terreno y dentro
de ellas, principalmente del ángulo de
rozamiento interno y de la cohesión del
terreno.
b). De la
estratificación de las diferentes capas de suelo y la profundidad del nivel
freático.
c). Del nivel de cimentación. (Garcia &
Lopez Perales, 1999)
Las zapatas aisladas son cimientos someros de forma
cuadrada o rectangular, construidos usualmente de concreto reforzado. Por lo
general se utilizan en suelos poco compresibles de mediana y alta capacidad de
carga, o para estructuras capaces de soportar asentamientos diferenciales sin
daños. Las zapatas son elementos desplantados a una profundidad relativamente
pequeña y se empelan como elementos de cimentación bajo columnas. En ocasiones
se utilizan zapatas combinadas que reciben las descargas de dos o más columnas,
siendo su finalidad reducir los asentamientos diferenciales.
Las zapatas corridas son cimentaciones someras
recomendadas para suelos de compresibilidad baja o media, recibiendo las cargas
de la estructura generalmente a través de muros. También se puede elegir este
tipo de cimentación cuando el espacio libre entre las zapatas aisladas es tan
pequeño que resulta más económico construirlas en forma continua, cuando se
ejercen momentos considerables a nivel de la cimentación o bien cuando se
quiere disminuir los hundimientos diferenciales entre columnas. La profundidad
de desplante dependerá de las características del suelo, magnitud de las
cargas, costo de la cimentación, presencia del NAF y cimentaciones colindantes. (M, 2004)
Los cimientos superficiales son aquellos que
descansan en las capas superficiales del suelo y que son capaces de soportar la
carga que recibe de la construcción por medio de la ampliación de base. La
piedra es el material más empleado en la construcción de cimentación superficial,
siempre y cuando ésta sea resistente, maciza y sin poros. Sin embargo, el
concreto armado es un extraordinario material de construcción y siempre resulta
más recomendable.
ZAPATA CICLÓPEO
En terrenos cohesivos donde la zanja pueda
hacerse con parámetros verticales y sin desprendimientos de tierra, el cimiento
de concreto ciclópeo es sencillo y económico.
Los
cimientos de concreto armado se utilizan en todos los terrenos, pese a que el
concreto es un material pesado, presenta la ventaja de que en su cálculo se
obtienen, proporcionalmente, secciones relativamente pequeñas si se las compara
con las obtenidas en los cimientos de piedra.
Las zapatas pueden ser de hormigón en masa o
armado, con planta cuadrada o rectangular, así
como cimentación de soportes verticales pertenecientes a estructuras
de edificación, sobre suelos homogéneos de estratigrafía sensiblemente horizontal.
Las zapatas aisladas para la cimentación serán
de hormigón armado para firmes superficiales o en masa para firmes algo más
profundos, salvo las situadas en linderos y medianeras. La profundidad del
plano de apoyo o elección del firme, se fijará en función de las
determinaciones del informe geotécnico, teniendo en cuenta que el terreno que
queda por debajo de la cimentación no quede alterado. Previamente para saber
qué tipo de cimentación vamos a utilizar
tenemos que conocer el tipo de terreno según el informe geotécnico.
Cuando la capacidad portante del suelo es
muy pequeña y el peso del edificio importante, puede suceder que el solar del
que disponemos no tenga superficie como para albergar una losa que distribuya
la carga; en tal caso es posible construir un cimiento que flote sobre el suelo.
Las cimentaciones profundas se
encargan de transmitir las cargas que reciben de una construcción a
mantos resistentes más profundos. Son profundas aquellas que transmiten la
carga al suelo por presión bajo su base, pero pueden contar, además, con
rozamiento en el fuste; las clasificamos en:
Cilindros
Cajones
Un pilote es un soporte, normalmente de
hormigón armado, de una gran longitud en relación a su sección transversal, que
puede hincarse o construirse “in situ” en una cavidad abierta en el terreno. Los pilotes son columnas esbeltas con capacidad para
soportar y transmitir cargas a estratos más resistentes o de roca, o por
rozamiento en el fuste. Por lo general, su diámetro o lado no es mayor de 60
cms. Forma un sistema
constructivo de cimentación profunda al que denominaremos cimentación por
pilotaje. Los pilotes son
necesarios cuando la capa superficial o suelo portante no es capaz de resistir
el peso del edificio o bien cuando ésta se encuentra a gran profundidad;
también cuando el terreno está lleno de agua y ello dificulta los trabajos de
excavación. Con la construcción de pilotes se evitan edificaciones costosas y
volúmenes grandes de cimentación. (Comunicación, 2015)
Las
cimentaciones por pilotaje se utilizan cuando sucede alguna de las siguientes
condiciones:
- El estrato o estratos superiores del suelo son altamente comprensibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la súper estructura.
- Se requiere reducir o limitar los asientos del edificio.
- Existe peligro inminente de licuación de suelos, es decir, presencia de arenas sueltas y nivel freático alto.
- Presencia de suelos colapsables.
- La permisibilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales.
- Las cargas son muy fuertes y concentradas.
- Hay presencia de suelos expansivos, las cimentaciones con pilotes se consideran como una alternativa cuando estos se extienden más allá de la zona activa de expansión y contracción.
- La cimentación de algunas estructuras e4stan sometidas a fuerzas de levantamiento.
- Hay presencia de fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aun la carga vertical transmitida por la superestructura.
- Se requiere evitar los daños que pueden sufrir una futura excavación a la cimentación de una edificación adyacente, en este caso el pilote lleva la carga de la cimentación debajo del nivel de excavación esperado.
- Se desea proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos contra impactos de barcos u objetos flotantes.
Loa pilotes de acero son generalmente a base de
tubos o de perfiles H laminados. Los pilotes de tubo se hincan en el terreno
con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de acero de patín ancho y de
sección I también se usan; sin embargo, se prefieren los perfiles H porque los
espesores de sus almas y patines son iguales. Debido a su alta resistencia y ductilidad,
los pilotes de acero pueden hincarse en suelos duros y soportar grandes cargas.
También su resistencia en tracción es más alta que cualquier tipo de pilote,
por ello, son esencialmente apropiados para aplicaciones con grades cargas de
tracción. Los pilotes de acero son
sencillos de unir, por consiguiente, constituyen una buena opción cuando la
longitud requerida es mayor que 18 m. El constructor simplemente hinca la
primera sección, luego suelda con la siguiente sección y continúa hincando.
Existen ciertos empalmes especiales de acero que agilizan esta operación.
Las
porciones superior e inferior de los pilotes compuestos están hechos de
diferentes materiales, por ejemplo; se fabrican de acero y concreto o de madera
y concreto. Los pilotes de acero y concreto consisten en una porción inferior
de acero y en una porción superior de concreto colado en el lugar. Este tipo es
el usado cuando la longitud del pilote requerido para un apoyo adecuado, excede
la capacidad de los pilotes simples de concretos colados en el lugar. Los de
madera y concreto consisten en una porción inferior de pilote de madera debajo
del nivel permanente de agua y en una porción superior de concreto. En
cualquier caso, la formación de juntas apropiadas entre dos materiales es
difícil y por eso, los pilotes compuestos no son muy usados. Existen también
los pilotes compuestos de acero y plástico, consisten en un corazón tubular de
acero rodeado por una cubierta de plástico. La cubierta de plástico está
conformada por material reciclado. Este tipo de pilote ha sido usado
exitosamente en aplicaciones en contacto con el agua, donde su resistencia a la
acción de organismos marinos, putrefacción y abrasión, además de su mayor
resistencia, los convierte en pilotes superiores que los de madera. Aunque el
costo de los materiales de estos pilotes es mayor, su largo período de vida
útil y buen estado de conservación los convierte en una alternativa más
atractiva que los pilotes de madera.
SEGÚN EL SISTEMA DE CONSTRUCCIÓN
Pilotes
hincados Consisten en unidades prefabricadas, usualmente de madera, concreto o
acero, hincados hacia el suelo mediante martillos a vapor, neumáticos, diésel,
o vibratorios.
Formados
hincando un tubo con una orilla cerrada hacia el suelo y llenando el tubo con
concreto. El tubo, llamado también camiseta, puede ser o no removido.
Unidades
de acero o concreto hincadas en el suelo mediante gato hidráulico usados
generalmente para, refuerzo y recalce de edificios y estructuras y obras de
diferente naturaleza, en las que las soluciones convencionales resultan de
difícil o imposible aplicación. Permiten trabajar en lugares angostos o de baja
altura y en proximidad de instalaciones en funcionamiento, evitándose la
interrupción de actividades industriales, desalojo de vecinos o cualesquiera
otras perturbaciones que, con los procedimientos convencionales, resultan
frecuentemente inevitables.
Son
pilotes formados perforando un orificio en el suelo y llenándolo con concreto.
Combinaciones
de dos o más de los tipos anteriores, o combinaciones de diferentes materiales
en el mismo tipo de pilote. Los primeros tres tipos de pilotes son llamados a
veces pilotes de desplazamiento, ya que el suelo es desplazado al tiempo que se
hunde el pilote en él. En todas las formas de pilotes perforados, y en algunas
de pilotes compuestos, se remueve primero el suelo perforando un orificio en el
cual se coloca el concreto o los diversos tipos de concreto recolado u otras
unidades apropiadas. Esta diferencia básica entre el desplazamiento y el no
desplazamiento requiere de un seguimiento diferente para los problemas en el
cálculo de la capacidad de soporte, por tanto, los dos tipos serán tratados en
forma separada.
- El material del pilote puede ser inspeccionado antes de introducirlo en el suelo.
- Es estable en suelo exprimible.
- No se daña con el levantamiento del terreno ocasionado por el hundimiento de pilotes adyacentes.
- El procedimiento de construcción no se ve afectado por el agua subterránea.
- Pueden ser llevados fácilmente por encima del nivel del terreno, especialmente en estructuras marítimas.
- Pueden ser hundidos en longitudes muy largas.
- Se pueden romper durante hundimientos difíciles, o peor aún pueden sufrir daños mayores no visibles en condiciones difíciles de hundimiento.
- No son económicos si la cantidad de material en el pilote depende de los esfuerzos de manejo y hundimiento más que de los esfuerzos de la carga permanente.
- El ruido y la vibración durante el hundimiento pueden causar molestias o daños.
- El desplazamiento de suelo durante el hundimiento de pilotes en grupo puede dañar estructuras adyacentes o causar levantamiento de pilotes adyacentes al levantar el suelo.
- No pueden ser hundidos en diámetros muy grandes.
- No se pueden hundir en condiciones de poco espacio.
- La longitud se puede ajustar fácilmente hasta alcanzar niveles variables en el estrato de carga.
- El tubo se hunde con un extremo cerrado, evitando el paso del agua subterránea.
- Es posible formar una base agrandada en la mayoría de los tipos.
- El material del pilote no está determinado por los esfuerzos de manejo o hundimiento.
- El ruido y la vibración se pueden reducir en algunos tipos.
- Puede ocurrir un desgaste o estrechamiento en el suelo a menos que se tenga mucho cuidado al colar con concreto el cuerpo del pilote.
- El fuste de concreto se puede debilitar si hay un gran flujo de agua artesiana hacia el exterior de éste.
- El concreto no puede ser inspeccionado después de terminado.
- Existen limitaciones en la longitud de hundimiento en la mayoría de los tipos.
- El desplazamiento del concreto puede dañar el concreto de pilotes adyacentes o causar levantamiento de los mismos al levantar el suelo.
- El ruido, la vibración y el desplazamiento del suelo puede causar molestias o daños a estructuras adyacentes.
- No pueden ser utilizados en estructuras de ríos o mares sin adaptaciones especiales.
- No se pueden hundir en diámetros muy grandes.
- No se pueden hacer ampliaciones muy grandes en los extremos.
- No pueden ser hundidos en condiciones de poco espacio.
- La longitud puede ser variada fácilmente para adaptarse a las diversas condiciones del suelo.
- El suelo removido durante la perforación puede ser inspeccionado, de ser necesario, se puede muestrear o realizar pruebas in situ.
- Se pueden instalar en diámetros muy grandes.
- Son posibles alargamientos de hasta dos o tres diámetros en arcillas.
- El material del pilote no depende de las condiciones de manejo o hundimiento.
- Se pueden instalar en grandes longitudes.
- Se pueden colocar sin ruido, ni vibración apreciable.
- Se pueden instalar en condiciones de poca altura libre.
- No existe el riesgo de levantamiento del suelo.
- Son susceptibles a desgaste o “estrechamiento” en tierra “exprimible”.
- El concreto no se instala en condiciones ideales y no puede ser inspeccionado luego.
- El agua bajo presión artesiana puede empujar el cuerpo del pilote lavando el cemento.
- No se pueden formar extremos alargados en materiales no cohesivos.
- No se pueden extender fácilmente sobre el nivel del suelo, especialmente en estructuras de ríos y mares.
- Los métodos de perforación pueden aflojar suelos arenosos o gravosos.
- En algunos casos se deberán emplear lodos bentónicos para estabilizar el suelo.
BIBLIOGRÁFICA
Comunicacion,
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Crespo Villasal, C. (2004). Mecanica de Suelos y
Cimentaciones. Mexico,D.F: Limusa.
Garcia, L. L., & Lopez Perales, J. A. (1999). Elementos
de Contruccion. La Mancha: Universidad de Castilla.
Javier, M., & Pinto Vega, F. (Agosto de 2010). Cimentacion.
M, J. I. (2004). Criterios que Influyen en el
Dimencionamiento de Cimientos. Merida, Mexico: Red Ingenieria Revista
Academica.
Yepes Piqueas, V. (2016). Procedimientos de
construccion de Cimentaciones y Estructuras de Contencion. Valencia:
UNIVERSIDAT POLITECNICA DE VALENCIA.
VÍDEO
