Unidad 1: Cimentaciones Tópicos en la Construcción

Unidad 1: Cimentaciones
Tópicos en la Construcción
Docente: Ing. Ennio Morán N
1.1.- Importancia.Es evidente que para que una estructura ofrezca seguridad y trabaje correctamente,
ha de llevar una cimentación adecuada. La disposición de sus elementos básicos y el
estudio de cada una de sus partes, suele exigir del profesional, destreza y criterio,
siendo con frecuencia el trabajo más difícil de todos los que se presentan al realizar
una obra. Casi todas las partes de una estructura (columnas, vigas, etc), se pueden
reforzar, pero es muy difícil (o muy costoso) arreglar una cimentación.
Definición.Conocida también como Sub-Estructura, se ubica (normalmente), por debajo del
N.T.N.; es el conjunto de las partes estructurales de una edificación, por medio de las
cuales se transmiten o transfieren al terreno las fuerzas originales por el peso propio
de la estructura y sobrecargas que actuarán sobre ella.
Función.Transmitir o transferir de manera segura todas las CARGAS (peso propio, sobrecargas
de uso, etc.) y además las FUERZAS externas que pueden actuar sobre la estructura
(sismo, viento, explosiones, etc.) al suelo sobre el cual descansa la cimentación.
Asentamiento de la Estructura.Todos los suelos se comprimen bajo carga, causando el asentamiento de la
estructura. Los dos requisitos esenciales en el diseño de las cimentaciones son:
 Que el asentamiento total de la estructura esté limitado a una magnitud
pequeña tolerable.
 Que el asentamiento diferencial entre las diferentes partes de la estructura se
elimine la más que se pueda.
Clasificación.
Debido al asentamiento de la estructura y dependiendo de la “capacidad portante” del
estrato de suelo, se puede adoptar por 2 clases o tipos de cimentación: Cimentación
Superficial y Profunda.
1.2.- Superficiales.
Llamada también “Cimentación de repartición”, es aplicable si se encuentra un suelo
satisfactorio inmediatamente, debajo de la estructura; en este caso, solo se requiere
REPARTIR LA CARGA, mediante zapatas u otros medios.
1.2.1.- Cimiento corrido: C. Ciclópeo y Armado.
a. Cimientos de Concreto Ciclópeo.- Es el más utilizado en Edificaciones hasta de
5 pisos, estructurados con muros portantes. Por razones prácticas es construida
en 2 etapas: Cimiento corrido y sobrecimiento.
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El ancho del cimiento debe ser tal que la
presión ejercida sobre el suelo no exceda la
presión admisible del mismo, por ello, su
existencia dependerá de contar con un suelo
firme, no blando o de baja capacidad portante.
En general, consiste en la adición de piedras
grandes en la masa de concreto simple, en
una proporción no mayor al 30% con relación
al volumen total del cimiento.
Según el suelo: a≥0.60m, b≥0.45m.
Las proporciones conocidas son:
Cimientos corridos
1:10+30%P.G.
Sobrecimientos
1:8+25%P.M.
Nunca interrumpiré
un vaciado de
cimiento de esta
manera:
Existen Cimientos con
Piezas Prefabricadas
(f´c ≤ 100Kg/cm2)
(f´c ≤ 140Kg/cm2)
Es preferible formar una línea
quebrada, cuando tengo
cimientos de gran altura
O en forma de V para
Cimientos de poca altura
...cuando la superficie de alojamiento
del cimiento tiene pendiente:
b. Cimientos de Concreto Armado.- Necesarios cuando la estructura estará
apoyado sobre suelo de poca o baja resistencia como arenas.
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Al igual que en cimientos corridos, el proceso
constructivo se realiza en 2 etapas, pero se
considera refuerzo de acero, por lo que ahora
será: Cimiento corrido armado y sobrecimiento
armado, siendo el acero el material que les
confiere ductilidad. Los agregados dejan de ser
piedra grande (llamada de zanja) y el hormigón,
siendo ahora arena gruesa y piedra chancada.
Muchas veces el sobrecimiento armado es
confundido con una viga de cimentación, debido
a la armadura y su ubicación.
Este tipo de cimientos son requeridos en suelos
blandos (arenosos y/o arcillosos) y cuando tienen
la responsabilidad de soportar muros portantes
importantes debido a su altura y longitud.
1.2.2.- Zapata: De muro, aislada, conectada y combinada.
Las zapatas son elementos estructurales que corresponden al tipo de estructuración
aporticada, utiliza concreto armado, sin piedra grande (“de zanja”).
Estas cimentaciones son requeridas en edificios y son la base de columnas y muros
de concreto armado o de corte (placas). Debido a la interacción de presiones en la
superficie de contacto entre las zapatas y el suelo portante (efecto de punzonamiento),
es que la armadura suele ubicarse en la parte inferior de la zapata tipo parrilla, sin
embargo según el suelo y la solicitud de la edificación puede tener una armadura de
acero tipo canastilla.
A diferencia de los cimientos corridos, donde “puede” atravesar alguna tubería de
desagüe, en las zapatas no debe darse.
Las zapatas, usadas en suelos de capacidad portantes razonables, más frecuentes se
clasifican generalmente como zapatas de muros y zapatas de columnas, según el
gráfico:
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(a).- Zapatas de Muros, es una faja de concreto armado, más ancha que el muro, la
cual distribuye la carga. Puede ser céntrica o excéntrica.
(b).- Zapatas Aisladas, son generalmente cuadradas o rectangulares. Representan la
forma más simple y económica de cimentación.
(c).- Zapatas Combinadas, en el caso de columnas exteriores, cuando el límite de
propiedad no permite el uso de zapatas aisladas. Pueden adoptar diferentes formas,
dependen de las cargas. Son usadas bajo 2 o más columnas, cuando éstas están a
espaciamientos cercanos y las cargas son muy fuertes, que si se usaran zapatas
aisladas pueden traslaparse.
(d).- Zapatas Conectadas, son dos zapatas unidas o conectadas por una “Viga de
Cimentación”, resuelve igualmente, el caso de columnas exteriores, cuando no es
posible el uso de zapatas aisladas.
1.2.3.- Sub Zapatas.
Cuando:
 La capa de suelo portante, prevista en el
proyecto de cimentación, se encuentra a
una
profundidad
que
demande
la
construcción de columnas de excesiva
altura, con el consiguiente aumento de la
longitud de aceros (armadura) de las
columnas y también mayor área de los
encofrados…
 Los niveles de cimentación de dos o más
zapatas
próximas
entre
sí
sean
marcadamente diferente…
 Se requiera la construcción de zapatas
contiguas a muros de cisternas de agua…
Puede adoptarse como alternativa la construcción de sub zapatas, las cuales se
comportan como elemento de transición, transfiriendo al suelo portante las
presiones de las zapatas.
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Debido a que las sub zapatas son elementos de transición, se pueden construir
con concreto ciclópeo pobre a base de cemento, agua, hormigón y piedra grande
desplazadora (de zanja). Se propone una proporción 1:12 + 40% P.G., lo que logra
un f´c ≤ 80Kg/cm2.
1.2.4.- Plateas de Cimentación.
Si el suelo es de muy poca capacidad portante, o las cargas son muy grandes, las
áreas de las zapatas se vuelven tan grandes que pueden resultar antieconómicas. En
este caso se recurre a una “Platea o Losa de Cimentación”, a menos que las
condiciones del suelo exijan una cimentación profunda. Esta estructura se extiende
debajo de toda la edificación y, consecuentemente, distribuye la carga de la estructura
sobre la máxima área disponible.
Platea de Cimentación con vigas invertidas
El refuerzo de acero colocado en la losa
maciza, es colocado en forma de mallas
metálicas armadas en doble sentido.
Este tipo de estructura se proyecta como
una losa plana continua y su espesor
varía según el cálculo estructural,
presentándose como una solución
adecuada en terrenos de poca capacidad
portante, la edificación tiene poco peso y
esbeltez reducida.
Es una estructura muy resistente a esfuerzos de compresión. Su continuidad y
rigidez permiten controlar los asentamientos diferenciales, sin embargo es muy
costosa que demanda de un control en todo el proceso constructivo.
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1.3.- Profundas.
Hay expresiones nemotécnicas que muchas veces nos permiten recordar o
relacionar cosas. Cuando se hace referencia a Cimentaciones profundas nos
acordamos de la expresión CPM, que significa que puede ser Calzadura, Pilotes o
Muros pantalla.
Las calzaduras y Muros pantalla son en sí refuerzos de cimentaciones existentes,
muchas veces contiguas a las edificaciones adyacentes a nuestra obra, necesarias
para que la edificación vecina no sufra asentamiento, deslizamiento o desplome que
afecte nuestra integridad, no son fundaciones nuevas que, directamente son
cimiento de nuestro proyecto. Sin embargo, por lo importante que es, referiré
brevemente a cada una, para posteriormente detallar en pilotes.
1.3.1.- Calzaduras.
Las calzaduras por lo general son hechas de concreto ciclópeo y son construidas IN
SITU y ubicadas por debajo de las edificaciones adyacentes a nuestra obra. Al igual
que las sub zapatas, transfieren la carga existente de la sub estructura contigua al
suelo, para que el bulbo de presiones no afecte a la nueva cimentación de nuestro
proyecto, que puede contemplar sótanos.
El proceso constructivo de una calzadura se hará como
un tablero o damero.
1.3.2.- Muros Pantalla.
Cuando no se puede invadir el sub suelo de la propiedad vecina, se tiene un suelo
estable y se puede hacer uso de la tecnología se aplican los muros pantalla debido a
ser más rápido, elimina apuntalamientos temporales y nos otorga mayor seguridad
en el proceso constructivo.
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Consiste en excavar, perforar, formar el bulbo de anclaje, construcción del paño del
muro pantalla y tensado del anclaje del cable.
Considere que:
• Toda excavación altera el estado tensional del suelo y puede llevar a la
pérdida de estabilidad del talud.
• La estabilidad de taludes involucra aspectos de seguridad, costo y plazo.
• Las decisiones sobre la estabilidad de los taludes deben ser tomadas por
personas con experiencia en el tema ya requiere conocer el suelo, control de
la humedad y observación permanente.
•
•
•
•
•
El procedimiento tradicional de calzadura tiene
inconvenientes que se hacen evidentes en
excavaciones profundas.
El límite práctico varía de 12 a 15m.
Las pantallas ancladas ofrecen ventajas
evidentes y pueden ser competitivas desde los
10m.
Las pantallas ancladas requieren también de
conocimiento
de
las
características
y
condiciones del suelo, experiencia en el tema y
control permanente.
A estas alturas de la vida profesional, el
procedimiento constructivo en el conglomerado,
con muros pantalla está dominado.
1.3.3.- Pilotes de Concreto Armado: Prefabricados y vaciados IN SITU.
Se recurre a la fundación con pilotes o clavos cuando no se encuentra un suelo
adecuado inmediatamente debajo de la estructura, el terreno resistente se encuentre
a una profundidad mayor a 6.00m. y/o además la presencia de agua subterránea
dificulta la excavación. Se pueden clasificar según el material de construcción que lo
constituye, por ejemplo, pueden ser de concreto armado (prefabricados y vaciados in
situ), madera (palafitos) y metálicos (muelles).
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a. Pilotes Prefabricados.- Constituyen un sistema que permite el afianzamiento
del suelo, sobre ellos se apoyan las zapatas (cabezotes de pilotes) o las
plateas de cimentación. El profesional acude a este sistema si percibe que el
nivel del suelo se perdería luego de asentar la estructura, el suelo es
demasiado débil o compresible. Los pilotes prefabricados de concreto armado
son hincados a profundidades variables de acuerdo a las cargas y a las
condiciones del suelo. La punta del pilote debe ser reforzada con acero para
facilitar el hincado, y el lado opuesto debe ser protegido para soportar el
golpeado del martinete. El material del pilote debe ser inspeccionado antes de
ser introducido al suelo.
El pilote prefabricado de concreto armado es estable en tierra compresible,
afianza terrenos de baja capacidad portante como suelos arenosos, limosos o
arcillosos con alto nivel freático, gracias a su procedimiento de construcción no
se ve afectado por agua subterránea, puede ser trasladado fácilmente por
encima de la superficie del terreno y sin ningún sobre en estructuras marinas,
además de ser hundidos en longitudes muy largas.
Estos pilotes son frágiles, se pueden romper o sufrir daños no visibles en
condiciones difíciles de hundimiento, no puede ser hundido en diámetros muy
grandes, tampoco en poco espacio.
4 pasos del proceso constructivo:
1º. Considerando que el cabezote del pilote debe estar al NFZ, se procede
a excavar el terreno que será ocupado por la zapata o la platea de
cimentación, hincar los pilotes con la ayuda de un equipo mecánico
(martinete).
2º. Según el diseño y las características del suelo se debe profundizar el
pilote llegando a un estrato firme o hasta cuando este haya alcanzado
una resistencia por fricción requerida por el cálculo estructural.
3º. Descabezar la parte superior de cada pilote que sobresale a la
superficie del terreno para descubrir el acero del interior del pilote para
proceder a doblar como “patas” de apoyo de la armadura de la zapata.
4º. Al igual que el proceso de armadura de una zapata aislada, se arma la
malla o parrilla de acero, seguidamente se coloca la armadura de la
columna, amarrando de forma apropiada para verter el concreto
estructural.
b. Pilotes vaciados in situ.- Un pilote vaciado in situ está conformado por un tubo
molde de acero que se recupera a medida que se rellena con concreto. La
capacidad de soporte del pilote es por fricción, sin desmerecer la base
ensanchada del pilote que aporta grandemente. La punta provista de un tapón
de concreto es expulsada cuando llega a su posición definitiva y se forma un
bulbo con concreto nuevo. A pesar de la posible existencia de agua o de
filtraciones, es posible inyectar el concreto “seco” al interior del pilote, esto
debido al tapón, ni el agua ni el barro tienen opción a ingresar dentro del tubo.
Son aplicables a cualquier tipo de terreno blando y tiene una profundidad
máxima de 30m. El proceso constructivo permite ser hincado con martillo
hidráulico de forma vertical o con una inclinación máxima de 15°. Es posible
realizar hincados de tubo sin tapón para penetrar en suelos con cantos rodados
o rocas. Como ventajas de este sistema se puede ajustar la longitud del pilote
fácilmente hasta alcanzar los niveles variables según los estratos de carga, el
tubo se comporta como un encofrado cerrado que evita el acceso de agua
subterránea, además es posible formar una base agrandada (bulbo) en el
extremo inferior del pilote.
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4 pasos del proceso constructivo:
1º. Considerando que el cabezote del pilote debe estar al NFZ, se procede
a excavar el terreno que será ocupado por la zapata o platea de
cimentación, hincar los pilotes metálicos tubulares de sección circular
con la ayuda de un equipo mecánico adecuado. La punta de los pilote
contiene un tapón de concreto perfectamente estanco (hermético e
impermeable).
2º. Según el diseño y las características del suelo se debe profundizar el
pilote llegando a un estrato firme o hasta cuando este haya alcanzado
una resistencia por fricción requerida por el cálculo estructural. Con la
compactación, en el interior del tubo se desbloquea el tapón de
concreto y se introduce a presión una cantidad de concreto nuevo de
manera que permita fabricar un bulbo al pie del pilote.
3º. Se coloca refuerzo de acero al interior del tubo (previamente armado en
taller), se rellena el tubo de acero de concreto estructural, retirando el
tubo de manera simultánea para que la mezcla de concreto quede en
contacto con el terreno. En la parte superior de cada pilote que
sobresale a la superficie del terreno se deja libre el acero del interior del
pilote para proceder a doblar como “patas” de apoyo de la armadura de
la zapata.
4º. Al igual que el proceso de armadura de una zapata aislada, se arma la
malla o parrilla de acero, seguidamente se coloca la armadura de la
columna, amarrando de forma apropiada para verter el concreto
estructural.
1.3.4.- Metálicos: Perfiles Estructurales.Este tipo de pilotes constituye un sistema de afianzamiento del suelo sobre el cual se
apoyarán las zapatas o cabezotes de pilotes y losas de cimentación, los que
soportarán el peso del edificio. Los pilotes están conformados por piezas metálicas
de sección “H” que se hincan a profundidades variables en función de la carga del
edificio y condiciones del suelo. Este sistema se aplica por lo general en suelos
rocosos o compactos. Usualmente se instalan utilizando una piloteadora que tiene
un martinete o un vibrador.
La sección del perfil obedece al cálculo estructural y como ventajas se pueden
considerar las mismas de un elemento prefabricado, sin embargo el hacho de ser
metálico tiende a debilitarse con el tiempo por efectos del óxido acelerándose por el
flujo de agua subterránea.
4 pasos del proceso constructivo:
1º. Considerando que el cabezote del pilote debe estar al NFZ, se procede
a excavar el terreno que será ocupado por la zapata o la platea de
cimentación, hincar los pilotes con la ayuda de un equipo mecánico
(martinete).
2º. Según el diseño y las características del suelo se debe profundizar el
pilote llegando a un estrato firme o hasta cuando este haya alcanzado
una resistencia por fricción requerida por el cálculo estructural.
3º. Reforzar la parte superior de cada pilote que sobresale a la superficie
del terreno para proceder a soldar con la armadura de la cimentación
establecida, permitiendo interactuar como “patas” de apoyo con el
acero de la zapata.
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4º. Al igual que el proceso de armadura de una zapata aislada, se arma la
malla o parrilla de acero, seguidamente se coloca la armadura de la
columna, amarrando de forma apropiada para verter el concreto
estructural.
1.3.5.- De Madera: Palafitos.
Este tipo de pilotes constituye un sistema de afianzamiento del suelo sobre el cual se
apoyarán estructuras de edificaciones del mismo material. Su uso predomina en
climas tropicales, lugares de abundante vegetación como la selva de nuestro país,
donde el nivel de los ríos cercanos suelen salirse de su cauce (meandros). En la
región Loreto existen lugares en los que la gente vive “literalmente” sobre el agua, no
en balsa, sino en viviendas edificadas o construidas sobre pilotes, que en su conjunto
y en la zona, son llamados “palafitos”.
Ejercicios para resolver en clase:
Metrados de cimentaciones superficiales.
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