TIPOLOGÍAS DE CIMENTACIONES, SU DISEÑO Y APLICABILIDAD
GENERALIDADES
En una estructura de edificación u obra civil, la cimentación es aquel elemento encargado de transmitir las cargas desde la estructura al terreno reduciendo para ello suficientemente las presiones de contacto de manera que no se superen los límites de rotura o deformación del mismo.
Dependiendo de la naturaleza del terreno, de las exigencias de deformabilidad y estabilidad de la estructura y su entorno, y del nivel de cargas a transmitir, adoptaremos diferentes tipos de cimentación como veremos en este post junto con los criterios generales que consideramos en RRG INGENIEROS para el diseño de las mismas.
PROCESO Y CRITERIOS DE DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN
*Criterios generales
A grandes rasgos el diseño de cimentaciones depende de los siguientes aspectos:
*Posición y profundidad del estrato de terreno con capacidad mecánica suficiente
*Propiedades resistentes y deformacionales del terreno
*Posibles problemas específicos del terreno como expansividad, colapsabilidad, agresividad química, sifonamiento, etc
*Posición del nivel freático
*Tipología de la estructura a soportar y su nivel de cargas
*Necesidad de sismoresistencia dependiendo de la zona y tipología de la estructura
*Proximidad de estructuras vulnerables a deformaciones del terreno inducidas por nuevas cimentaciones
*Proximidad de taludes o discontinuidades del terreno que puedan dar lugar a deslizamiento de laderas u otras inestabilidades
*Criterios constructivos, como posibles necesidades específicas respecto a la disponibilidad de medios de ejecución, rapidez de ejecución, posibilidad o no de ocupar terrenos colindantes durante y después de la ejecución, carácter permanente o provisional, entidad e importancia de la obra, etc
* Datos previos:
Previamente al diseño de la cimentación es fundamental recabar los datos indicados anteriormente respecto a las propiedades geomecánicas del terreno mediante un Estudio Geotécnico y en su caso otros posibles trabajos de campo como levantamientos topográficos para ubicar la posición de servicios y edificación que pueda estar dentro de la zona de influencia de la cimentación a proyectar.
*Selección de la normativa aplicable
Dependiendo del ámbito de la obra y para el caso de nuestro país podremos aplicar la siguiente normativa y guías oficiales:
-DB SE C del CTE para obras de edificación
-Guía de Micropilotes para Obras de Carreteras
-Guía de cimentación de Obras de Carreteras
-Normas R.O.M para el caso de obras marítimas
-Normas UNE
* Evaluación de reacciones de la estructura sobre cimentación:
Paralelamente habremos de disponer de un modelo informático de la estructura con sus acciones a fin de evaluar en una primera aproximación el nivel de reacciones a transmitir a la cimentación.
*Materiales:
En la actualidad los materiales para constituir las cimentaciones se reducen casi exclusivamente al hormigón armado o en masa, a perfiles de acero laminado o conformado y similares, si bien existen también técnicas especiales de recalce y mejoras de suelos con morteros o resinas inyectadas en el terreno, congelación del terreno y otras.
* Selección de la tipología de la cimentación y cálculo de la misma:
Ya disponiendo de los datos anteriores procederemos a la adopción de la tipología de cimentación más adecuada en función de los criterios que recogemos en los siguientes apartados, procediendo al diseño de la cimentación en un proceso iterativo mediante un software de cimentaciones.
En el proceso de diseño habremos de verificar los Estados Límite Últimos y de Servicio que básicamente se resumen en los siguientes en la mayor parte de las normativas.
-Seguridad al vuelco
-Seguridad al deslizamiento
-Seguridad frente a hundimiento
-Estabilidad de taludes para el caso de muros de contención o cimientos cercanos a taludes
-Seguridad frente a sifonamiento del terreno para el caso de ejecución de muros de contención con agotamiento de aguas freáticas a un lado del muro y terrenos con alto porcentaje de finos como arenas
-Asientos y giros del cimiento
-Asientos inducidos en el terreno lindante en el caso de presencia de estructuras vulnerables lindantes como edificios históricos
* Optimización de la cimentación
Durante el proceso de diseño se habrá de buscar la optimización de la cimentación, para lo cual aplicaremos diversas estrategias algunas de las ya comentadas en otro post de este blog, como considerar el peso estabilizador a vuelco de tierras sobre zapatas, hacer un estudio de sensibilidad del grado del coste del conjunto cimentación-estructura en función del grado de empotramiento o rigidez al giro de la cimentación, el empleo de vigas centradoras o de otros mecanismo que permitan transferir esfuerzos de unas a otras partes de la cimentación, etc.
TIPOLOGÍAS DE CIMENTACIONES Y SU APLICABILIDAD
*Tipos de cimentación por su profundidad de instalación:
-Cimentaciones superficiales (Zapatas, losas y vigas de cimentación):
Cuando el terreno firme se encuentra a profundidades de hasta 3 m se emplean zapatas aisladas o corridas, o losas y vigas de cimentación, las cuales transmiten las cargas desde la estructura hasta el terreno por contacto perpendicular al mismo a través de presiones esencialmente normales.
La cimentación con zapatas suele ser más económica y se emplea cuando la resistencia del terreno de apoyo es suficiente como para requerir menos del 50% de la superficie ocupada en planta por la construcción, generalmente por encima de aprox. 0,07 a 0,1 MPa. Si el terreno es de baja capacidad portante (generalmente por debajo de aprox. 0,07 MPa) de tal manera que requeriría la ejecución de zapatas con más de un 50% de la superficie ocupada por el edificio, resulta generalmente más ventajoso plantear la cimentación con losa.
Las losas de cimentación se emplean también cuando se requiere de ejecutar sótanos estancos a la presencia de aguas freáticas.
Las vigas de cimentación que junto con las losas son las denominadas cimentaciones flotantes, se emplean en menor medida y pueden ser interesantes cuando se requiere una mayor capacidad de redistribución de las presiones transmitidas al suelo respecto a la que produciría una cimentación con zapatas, si bien suelen requerir mayores densidades de armado dado que trabajan principalmente a flexión.
-Cimentaciones semiprofundas (Pozos de cimentación):
Cuando el terreno firme se encuentra a profundidades de entre 3 y 6 m se emplean pozos de cimentación, que básicamente son zapatas bajo las que colocamos un hormigón en masa o ciclópeo o incluso un relleno de gravas compactadas en algunos casos, de manera que este material de relleno haga de puente de transmisión entre la zapata y el terreno firme.
El terreno superficial por otro lado debe tener una mínima capacidad de sostenimiento sin desmoronarse, ya que de lo contrario habría que recurrir a cimentación profunda o el empleo de lodos tixotrópicos si es que ello resultara económicamente viable
-Cimentaciones profundas (Pilotes y micropilotes):
Cuando el terreno firme se encuentra a profundidades superiores a 6 m se emplea la denominada cimentación especial o profunda, mediante pilotes o micropilotes, siendo en general soluciones bastante más caras que la cimentación ordinaria.
Los pilotes pueden ser ejecutados “in situ” o “hincados” y constituidos generalmente en hormigón armado para el primer caso y de hormigón prefabricado o de perfiles de acero laminado y tienen diámetros superiores a los 300 mm. Pueden alcanzar profundidades de usualmente hasta 35 m y excepcionalmente 85 m.
Los micropilotes tienen diámetros de hasta 300 mm y suelen ejecutarse con profundidades máximas de hasta unos 16 m, y se ejecutan generalmente mediante un tubo de acero conformado y una envolvente o corona de lechada de cemento inyectada en el terreno, siendo considerablemente más económicos que los pilotes, por lo que con cargas bajas o moderadas se recurrirá preferentemente a esta solución.
Los pilotes tienen también aplicación para la ejecución de pantallas de contención tal como se indicó en otro artículo de este blog.
Los micropilotes tienen también aplicación en la contención de tierras, así como en el sostenimiento de la perforación de túneles o el recalce de cimentaciones existentes.
El modo de trabajo de los pilotes y micropilotes se basa en los siguientes mecanismos:
-Resistencia por fuste: Según el cual se transmiten los esfuerzos verticales por rozamiento con el terreno a lo largo de su fuste
-Resistencia por punta: Según el cual se transmite parte de los esfuerzos verticales por presión directa al terreno en la punta del pilote o micropilote, si bien este mecanismo resistente se limita generalmente en las diversas normativas a una fracción (usualmente un 15%) de la resistencia por fuste, dado que resulta menos confiable
*Tipos de cimentación por su mecanismo de estabilidad frente a vuelco y deslizamiento:
-Cimentaciones cuya estabilidad a vuelco se consigue por gravedad
Es el caso de las cimentaciones superficiales para las cuales la estabilidad a vuelco se consigue por el peso de la propia cimentación y de las cargas gravitatorias transmitidas por la estructura.
-Cimentaciones cuya estabilidad a vuelco se consigue movilizando la resistencia pasiva del terreno
Es el caso de las cimentaciones profundas y de los pozos de cimentación en algunos casos especiales.
Un caso típico es el de la cimentación de apoyos de líneas eléctricas aéreas y similares para las cuales es típico cimentar el apoyo con un dado de hormigón en masa empotrado en el terreno, siendo generalmente calculadas mediante el método de Sulzberger.
En estos casos y dado que la movilización de la resistencia pasiva del terreno requiere de grandes deformaciones del mismo, será necesario limitar la distorsión angular admisible o deformación lateral del terreno.
*Sistemas alternativos de cimentación:
Aparte de las aplicaciones usuales de edificación y obra civil, podemos citar otros casos menos usuales de cimentación para diversas industrias:
-Cimentación mediante hélices metálicas hincadas en el terreno: sistema de rápida instalación y aplicable para cargas pequeñas
-Cimentación mediante sistemas de picas metálicas hincadas en el terreno y unidas por un macizo de hormigón tales como el “PILOEDRE”
-Anclajes en el terreno, comunes en le ejecución de pantallas de contención de tierras, estabilización de taludes, túneles y otros
-Cimentaciones de obras marítimas como espigones de escollera, cajones flotantes, muertos de anclaje de estructuras flotantes (algunos de los cuales movilizan mecanismos por “efecto de succión” como una ventosa para conseguir adherencia al suelo), etc
-Mejora de suelos como la inyección de lechadas, tratamientos de preconsolidación, etc
*Sistemas de arriostramiento de la cimentación:
Cuando se ejecutan elementos de cimentación aislados como zapatas en zonas sísmicas, se requiere el atado de dichos elementos en al menos 2 direcciones, para lo cual se emplean vigas riostra o si la sismicidad es baja se puede emplear a tal efecto la propia solera convenientemente armada y cosida a la cimentación.
En otro casos de zapatas con pilares excéntricos como en medianeras, a fin de centrar la resultante del axiles verticales sobre la zapata y con ello evitar sobredimensionarla a vuelco, se ejecutan vigas centradoras para unir dicha zapata con una zapata interior del edificio, consiguiendo de esta manera generalmente un ahorro en el hormigón de zapatas medianeras a costa de la ejecución de dichas vigas centradoras.
CONCLUSIONES
Como vemos el tema de la elección del sistema de cimentación y su diseño es muy amplio y requiere de una valoración cuidadosa de los múltiples parámetros que intervienen en su funcionamiento siendo a la par muy interesante.
Si desea un asesoramiento al respecto, puede ponerse en contacto RRG INGENIEROS a través de:
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