CIMIENTOS + FUNDACIONES

CIMIENTOS

Los cimientos son el conjunto de elementos estructurales diseñados para contener o soportar las cargas de una estructura y transmitirlas al terreno, distribuyéndolas de manera que no superen la capacidad soportante del terreno. A su vez brindan estabilidad a la estructura; procuran evitar que las cargas de la estructura provoquen compactaciones o asentamientos locales que produzcan momentos de volteo o fractura de la misma; también evita que la estructura se desnivele hacia algún costado, que no sufra volcamiento o volteo, y en ocasiones también funge como anclaje para que la estructura no sea extraída o elevada del terreno.

Como se ha mencionado en otras entradas del presente blog, en Costa Rica los y las profesionales en ingeniería civil estructural son quienes ejecutan el cálculo y diseño de las estructuras que dan soporte, por tanto, en el caso de las estructuras de cimentación son responsables del cálculo estructural. Aún así, el y la profesional en Arquitectura al ser responsables del diseño espacial, formal y organizacional de los proyectos edificatorios deben conocer la lógica de comportamiento y características básicas de los diferentes tipos y sistemas de cimentación usualmente empleados en Costa Rica, a fin de poder determinar cuales utilizar de acuerdo a la propuesta edilicia y condiciones de estabilidad y soporte del terreno.

En estructuras tipo marco de concreto armado las cargas se distribuyen por medio de los componentes o elementos del sistema. Por ejemplo: las cargas vivas (temporales) que suelen ser las provenientes del peso de los usuarios, mobiliario, equipo y cualquier otro elemento que se apoya sobre los pisos y las permanentes (propias de cada elemento o componente) , son recogidos por el diafragma de piso o losa de entrepiso. Esas cargas son canalizadas por las viguetas del sistema de entrepiso (cuando existan) o directamente por la losa de entrepiso a las vigas y de éstas a las columnas que las transfieren a los cimientos que se posan en el terreno.

Usualmente las cimentaciones se conforman con una base de materiales pétreos, de concreto simple o armado (armaduras de varillas metálicas). 

Las fuerzas verticales, horizontales y los momentos de volteo que produzcan los sistemas resistentes sobre el sitio donde se apoyan los sistemas de cimentación por efecto de las solicitaciones sísmicas, deben ser equilibrados por las reacciones o capacidades mecánicas del terreno, para evitar que se produzcan asentamientos diferenciales que puedan producir efectos inaceptables en la edificación.

Idealmente se debe procurar un sitio en el cuál las capas del terreno en donde se apoyará la estructura sean resistentes, si eso no fuese posible, se tendrían que buscar soluciones alternativas, por ejemplo, sustitución del material del suelo.

Los cimientos no solo soportan y transmiten cargas por compresión, también  mediante esfuerzos de rozamiento y adherencia, llegan a soportar cargas horizontales y de tracción, anclando el edificio al terreno, si fuese necesario. Además de sus funciones principales los cimientos han de cumplir otros propósitos:

• Ser suficientemente resistentes para no fracturarse ante esfuerzos por cortante.
• Soportar los esfuerzos de flexión que se producen al transmitir las cargas al terreno, para lo cual en general se dispondrán refuerzos de armaduras de varillas (en el interior del elemento de concreto) en su cara inferior, que absorberán los esfuerzos y deformaciones por tracción.
• Ante esfuerzos que puedan producir volteo del edificio los cimientos también pueden sufrir esfuerzos y deformarse por tracción en su cara superior. En costa Rica el código sísmico indica que, para edificios de más de dos niveles se debe considerar este esfuerzo, por lo tanto, también se debe reforzar la cara superior de los cimientos con armaduras metálicas en el interior del elemento de concreto.
• Acomodarse a posibles movimientos del terreno.
• Soportar las presiones del terreno y las del agua subterránea, si la hay.

La elección del tipo de cimentación se supedita a la configuración del proyecto, su sistema estructural y de las características mecánicas del terreno, como su cohesión, composición, tipos y homogeneidad de los materiales que constituyen el suelo, nivel freático y en términos generales la capacidad soportante del terreno. Siempre que sea posible se utilizan cimentaciones superficiales, ya que suelen ser sistemas menos costosos y sencillos de construir. De no ser posible se deben valorar los sistemas de cimentación profundas o la sustitución de capas de terreno por materiales que brinden una mejor composición y capacidad de soporte.

La superficie de contacto entre cimiento y terreno dependerá de la carga que se deba transmitir o depositar en el terreno. Entonces el área del cimiento depende de la carga por transmitir y de la capacidad soportante del terreno.

ENSAYO SPT

Para reconocer la capacidad de soporte del terreno se suelen realizar estudios geotécnicos que permitan entender la composición del terreno. El sistema más utilizado en Costa Rica es el Ensayo de Penetración Estándar SPT (Standard Penetration Test).

El ensayo SPT consiste en la hinca (Introducir o clavar) en el terreno de un tubo con punta ciega o una toma muestras tubular cilíndrica hueca metálica (con una dimensión de 51 mm de diámetro y 35 mm de diámetro interno hueco que posibilita la toma de muestras de suelo), mediante golpes con un peso o maza estándar de 63.5 kg (mecanismo manual o automático) que se deja caer desde una altura de 76,2 cm. La toma muestras debe introducirse en el terreno 60 cm y se contabilizan los golpes requeridos para que descienda cada 15 cm. Tanto la toma muestras tubular como el de puntera ciega y el varillaje necesario están estandarizados. Se pueden consultar en la norma SPT UNE-EN ISO 22476-3:2006 o ASTM D1586.

El ensayo de penetración permite obtener un valor N de resistencia a la penetración que consiste en sumar la cantidad de golpes de los dos tramos intermedios de 15 cm, desechándose tanto el primer como el último tramo por posibles alteraciones del suelo, derrumbes de las paredes del sondeo o sobre compactaciones producidas por el equipo.

Cuando en un ramo de 15 cm se alcanzan los 50 golpes la resistencia se considera elevada y se da por finalizado el estudio. En este caso se denomina rechazo y se suele indicar con una R mayúscula, debiéndose anotar también la longitud hincada o profundidad alcanzada en el tramo en el que se han alcanzado los 50 golpes

Puede darse el caso de que la toma muestras o puntera baje por su propio peso debido a la baja o nula consistencia del terreno, por lo que, el estudio se finaliza si la barra baja 60 cm. En este caso N = 0 dado que no fue necesario ningún golpe.

El ensayo se ejecuta cada 3 m de profundidad, aunque puede reducirse a 1.5 m en zonas complejas. El ensayo SPT puede ejecutarse en todo tipo de suelos, incluido roca meteorizada, para estos casos se utiliza la punta ciega.

La toma muestras permite tomar una pequeña cantidad de terreno que, aunque es alterada permite ensayar la granulometría y la plasticidad mediante los límites de Atterberg y/o el análisis de contenido en sulfatos entre otros.

Es a partir de la cantidad de golpes necesarios para descender cada tramo de 15 cm que los profesionales especialistas determinan las capacidades soportantes del terreno en diferentes estratos de profundidad. 

Con esos datos el o la profesional de ingeniería civil estructural puede definir a cuál profundidad posicionar los cimientos y cuál debería ser el área de los cimientos para distribuir de forma adecuada las cargas de la estructura sobre el terreno. 

TIPOS DE CIMENTACIONES

De acuerdo al Código de Cimentaciones de Costa Rica (CCCR) “La cimentación es el elemento soportante de una estructura. Incluye no solo la parte estructural que transmite la carga de la superestructura al suelo (placa), sino también al suelo o roca soportante”.

Las cimentaciones suelen clasificarse en tres tipos, para ello se utiliza la relación entre D (nivel de desplante, profundidad a la que se apoya el cimiento sobre el terreno) y B (ancho cimiento):

• Superficiales. Cimientos en donde la relación es menor o igual a 1.
• Semi-profundas. Cimientos en donde la relación está entre 1 y 4.
• Profundas. Cimientos en donde la relación es mayor a 4.

En Costa Rica las cimentaciones suelen denominarse placas o zapatas, pilotes, losas y pozos de cimentación.

CIMENTACIÓN SUPERFICIAL

Los cimientos superficiales se utilizan cuando en el terreno existe, a poca profundidad, una capa de suelo resistente que soporte el peso o cargas de la estructura en circunstancias estables de seguridad, en donde se pueden presentar asentamientos o movimientos dentro de parámetros admisibles de acuerdo a lo dispuesto en el CCCR.

En Costa Rica se suelen utilizar varios tipos que se muestran a continuación.

Placas aisladas o individuales: Son utilizadas cuando el soporte de cargas es de carácter puntual como en los casos de columnas o pilares que transmiten cargas concentradas. Suelen ser de forma rectangular o cuadrada. Reparten la carga transmitida por la columna en una superficie o área mayor del terreno. Para estructuras diseñadas con sistemas de marcos rígidos se deberán utilizar vigas de concreto armado de amarre entre las placas.

Placas corridas: Son placas o zapatas longitudinales que se construyen debajo de los muros y paredes con cargas longitudinales. Estas placas reparten la carga sobre una superficie mayor a la de los muros o paredes, en una relación L/B > 10 (donde L = largo y B = ancho).

Sistemas de placas combinadas: Es cuando se utilizan varios tipos de cimientos que trabajan dentro de un solo sistema de apoyo y distribución de cargas.

Placas sobre rellenos de sustitución: Cuando el estrato o capa de terreno resistente para soportar las cargas se encuentre a una profundidad mayor a la conveniente desde la óptica económica y estructural, es posible apoyar el cimiento (aislado o corrido) sobre un terreno de relleno de material que posibilite su compactación para que transfiera las cargas al estrato del terreno seleccionado. De acuerdo a lo dispuesto en el CCCR se suele restringir a profundidades de cimentación máximas de hasta 4 o 5 metros.

Losa de cimentación: Cuando la carga de la estructura demanda una gran superficie o área sobre la cual apoyar los cimientos e incluso donde al momento de realizar los cálculos estructurales se producen traslapes en las áreas de apoyo y/o en donde el terreno presenta suelos blandos o sueltos, se pueden utilizar losas de cimentación que suelen también conocerse como “losas flotantes”, que pueden cubrir el 100% del área de la base del edificio o estructura. Estas losas permiten la distribución de cargas en un área amplia.

Las losas de cimentación pueden ser de espesor uniforme, o estar reforzadas en las zonas en donde se apoyan las cargas (columnas, paredes o muros). Estos refuerzos pueden ser puntuales bajo la columna o tipo pedestal por sobre la losa en la columna; también se puede presentar el refuerzo como una retícula nervada.

Pilotes cortos: Es cuando se dispone de vigas de fundación rígidas que transmiten la carga a pilotes cortos preexcavados, de 2 o 3 metros de longitud, que trabajan a compresión. De acuerdo al CCCR este sistema se puede utilizar en estructuras livianas de 1 a 2 niveles o pisos de altura.

Pozos de cimentación: Consiste en realizar una perforación en el terrero de forma cilíndrica de gran sección, al menos de 1 metro cuadrado de área, que luego se rellena con concreto o grava que permita su compactación, con la finalidad de transmitir las cargas hasta las capas del terreno que presenten una resistencia acorde a lo necesitado por el proyecto. Estos pozos deben ubicarse en las zonas en donde existe mayor concentración de cargas y obligatoriamente en loe vértices de las estructuras.

CIMENTACIÓN PROFUNDA

La cimentación profunda es un sistema que recurre a la utilización de elementos columnares (pilotes y pilares) que transmiten las cargas de la estructura en capas o estratos del terreno que se ubican a gran profundidad. 

Pilote: Es componente que puede ser de madera, acero o concreto armado, que se instalan o profundizan en el terreno mediante hinca a base de golpes de un peso.

Pilar: es un elemento de concreto simple o reforzado o armado, colado o chorreado en sitio dentro de una perforación realizada con anterioridad. Los pilares de concreto armado pueden construirse de dos formas, una vez excavado el terreno se coloca la armadura y luego se vierte el concreto, o luego de excavado el terreno se vierte el concreto y luego se sumerge la armadura.

Pilote tipo fricción o flotante: La transferencia de la carga puede darse a partir de la fricción que se genera entre las paredes del pilote y la superficie del terreno que los rodea.

Pilote de punta: Cuando la carga o peso de la estructura se transfiere hasta la punta baja del pilote, que se apoya sobre el terreno, se denomina pilote de punta.

En normal que la carga se transmita al terreno por medio de la combinación de los efectos de fricción y punta. Este tipo de cimentación suele ser utilizada cuando la capa que cuenta con la capacidad de soporte requerida para transmitir las cargas de la estructura se ubica a gran profundidad y/o cuando el terreno puede sufrir, en sus capas superficiales, asentamientos en la cimentación que exceden los valores permisibles para el tipo de sistema escogido.

Estado de página en construcción.