Cimentaciones Zapatas aisladas. Las zapatas aisladas consisten generalmente en un cuerpo regular de concreto colocado a poca profundidad bajo el nivel superficial del terreno, y sirven para sostener una columna de edificio. Las zapatas aisladas son el tipo más común de cimentaciones para edificios. Zapatas en terrenos inclinados. Por lo común en terrenos inclinados las zapatas se escalonan a la manera de escaleras. A veces, cuando la inclinación de la superfici superficie e del terreno es relativamente ligera, las cimentaciones se cuelan de modo que que se conformen a la inclinación inclinació n de la ladera. Cuando una zapata deba encontrarse cerca de otra y a mayor elevación, es común restringi restringirr la colocación de tal modo que un plano trazado desde la parte inferior de la zapata más alta, a un ángulo de 45 grados de horizontal, no intersecte a la zapata más baja. Este concepto se ilustra en la figura 14.2. por supuesto, la zapata inferior se deberá construir y rellenar primero. No obstante en algunos casos, será necesario excavar por debajo de una zapata adyacente para instalar una nueva zapata a menor elevación. Puede ser que el el ángulo del talud superior no siempre sea seguro. Por ejemplo, si el suelo es de arena con ángulo de fricción de 30grados, el talud estable de 30 grados significará que la zapata superior puede fallar. Es necesario pedir a los ingenieros de suelos métodos adecuados.
Cimentaciones Si se hace hace necesario poner zapata a menor distancia que la línea de 45 grados, puede ser necesario limitar el valor de capacidad de carga para la zapata superior y puede esperarse que la zapata inferior tenga asentamientos un poco mayores, puesto que soportará parte de la carga de de la zapata superior. Quizá sea mejor poner la zapata superior a mayor profundidad. Asimismo, será posible modificar la localización localizac ión de la zapata superior y hacer un diseño especial para la conexión entre la columna y la zapata. Hay otro problema relacionado con las cimentaciones en suelos estratificados estratific ados o rocas sedimentarias. Esta condición se muestra en la figura 14.2. aunque el suelo o la roca sea firme, cada plano de deposición situado a la derecha de la zanja en un plano posible de corrimiento o deslizamiento. La cuña ABC no no puede utilizars utilizarse e para soporte de cimentaciones. La zapata de la derecha deberá mantenerse más allá del punto C; por lo contrario, la zapata de la izquierda puede situarse más cerca de la zanja. Cajones acampanados. Se han fabricado perforadoras especiales para la instalación de cajones acampanados como los que aparecen en la figura 14.3. el tipo de perforadora que se usa para instalar estos cajones se en la figura 4.5. en general, se trata de un tipo muy económico de cimentación, porque esos cajones no suelen estar reforzados. Se diseñan como columnas cortas, que no requieren acero vertical de refuerzo.
Para fines de diseño, se considera que esos cajones son zapatas aisladas profundas y se utilizan valores de capacidad de carga similares a los que se emplean en el caso de las zapatas aisladas.
Cimentaciones Debido a la profundidad considerable de la base base de los cajones, en general se usan valores más altos de capacidad de carga. Al calcular el peso del cajón, el peso de la tierra extraída se resta del peso de concreto. A veces se instala una forma modificada modificada de de cajón acampana acampanado, do, perforando perforando un un pozo abierto abierto de gran diámetro, colando una zapata circula circularr en el fondo y ascendiendo con un pedestal. Con frecuencia, se emplean formas de cartón de sonotubo para el colado de la columna. También los cajones perforados se suelen excavar como pozos rectos, hasta llegar a un estrato duro o al lecho rocoso. Los cajones se diseñan como zapatas aisladas, utilizando la presión de carga permitida sobre la base de la zapata (véase el capítulo 21). Zapatas corridas. Las zapatas corridas tales como las de muros y las continuas, así como las cimentaciones con trabes, son zapatas aisladas alargadas, a la longitud suficiente para recibir un muro o una una hilera de varias columnas. Con frecuencia las excavaciones para esas zapatas largas se pueden con excavadoras de zanjas, lo que constituye un sistema rápido y económico. Esas excavaciones se pueden recortar en forma manual hasta el tamaño exacto de las zapatas corridas que se vayan a instalar colando el concreto sin necesidad de utilizar cimbras laterales. La eliminación del trabajo de carpintería para el cimbrado puede ahorrar tiempo y dinero. Esas cimentaciones siempre van reforzadas. Las zapatas corridas tienen la ventaja de que sirven como “puentes” sobre las zonas blandas locales. Por consiguiente ofrecerán un apoyo más uniforme para un muro o una hilera de columna que las zapatas individuales. Losas de cimentación. Con frecuencia se utilizan losas de cimentac cimentación ión bajo las estructura estructuras s muy pesadas. Estas losa son continuas en ambas direcciones y, por tanto, ocupan una superficie muy amplia. Por lo común son gruesas, requieren de gran volumen de concreto y tienen un peso considerabl considerable e de acero de refuerzo, por lo que resulta costosas. Puede ser conveniente instalarlas donde haya una presión hidrostática ascendente, debido a un alto nivel m freático. Las losas de cimentación tienen ciertas ventajas ya que junto con los muros laterales de los edificios actúan como barcazas. El peso de la tierra excavada antes del colado de la cimentación se puede restar del peso total del edificio, lo que puede hacer que se reduzca considerablemente el asentamiento. A veces las losas de cimentación se sitúan a tal profundidad que el peso de la tierra retirada es igual al peso bruto del edificio. En este caso, los asentamientos futuros de los edificios suelen ser muy pequeños, puesto que no se ejerce ningún peso nuevo sobre el suelo que esta debajo de la cimentación. Las losas de cimentación actúan como zapatas corridas, en ambas direcciones y, por consiguiente, pueden servir como puentes sobre las zonas blandas, con lo que se obtiene un apoyo más uniforme para las columnas de los edificios.
Cimentaciones Cimentaciones planas. Con frecuencia se utilizan cimentaciones planas bajo estructuras ligeras de uno o dos pisos, tales como las casas, los edificios escolares y los edificios ligeros industriales y comerciales. Por lo común, el el borde de la cimentación se hace más grueso para construir una zapata perimetral. Además, se puede puede poner rellenos o encostillados como partes de refuerzo de la cimentación, para recibir muros o zapatas. En la figura 14.4 se ilustra ese tipo de cimentación.
Este diseño se emplea, sobre todo, por razones económicas. No es adecuado en zonas de congelación profunda, en niveles freáticos altos o en suelos expansivos. En sus diseños, el Distrito Escolar de la Ciudad de Los Angeles utiliza frecuentemente cimentaciones planas de este tipo. Cargas temporales. Los valores de la capacidad de carga que se dan en l figura 14.1 se aplican a cargas muertas estáticas, a cargas vivas estáticas y, con frecuencia, a las cargas vivas aplicadas. También se pueden aplicar cargas temporales debido a la fuerza del viento, las presiones sísmicas laterales, las fuerzas de impactos u otras cargas temporales de muy corta duración. Para esas circunstancias, se acostumbra dejar margen para un aumento de las presiones de carga que pesan sobre el suelo. Los márgenes varían del 10% hasta el 100% un incremento del 33%. Durante la construcción, se pueden aplicar cargas temporales a las zapatas. Por ejemplo, es frecuente que se pongan muros de concreto inclinados sobre zapatas, en posiciones de columnas y en seguida se cuela la zapata corrida bajo el muro inclinado. En ese caso, cuando se termina la construcción del edificio, la zapata puede estar sujeta a una presión de carga mucho mayor que la que debía resisti resistirr en el diseño.
Cimentaciones En general hay cierta resistencia resistenc ia de reserva, que permite que se sobre carguen las cimentaciones. A esto se le suele dar el nombre de factor de seguridad. Con frecuencia los factores de seguridad van de 1.5 a 4.0 Si se planean cargas temporales que sobrepasen considerablemente el valor de capacidad de carga de diseño, será será preciso revisar revisar los planos con con el diseñador diseñador estructura estructurall del edificio, para asegurarse de que no se sobrepasará la resistencia de reserva de la cimentación. A veces las cimentaciones fallan, debido a las cargas temporales de construcción. Cimientos de suelos compactados. Muchos suelos se depositan en forma natural no compacta, de modo que no proporcionan un buen apoyo para las cimentaciones corrida. Por tanto, a menudo se usan cimentaciones en pilotes o de otros tipos igualmente costosos. En muchos de esos casos, resulta más económico excavar los suelos blandos o sueltos. A veces se pueden utilizar utilizar para rellenos compactados de construcción; en otras ocasiones es necesario traer de otra parte materiales para lograr un relleno adecuado. Esos suelos se utilizan para rellenar las excavaciones. Los rellenos se pueden usar mediante cálculo y compactación para que soporten las cargas de cimentación. Esos rellenos se convierten en partes del sistema de cimentación de una estructura y a veces se denominan “rellenos estructurales”. Es un caso como éste, la cimentación para una central eléctrica debería apoyarse sobre un estrato de arena limosa fina y suelta, de 6 metros de espesor (20 pies). Desde el punto de vista económico, económ ico, se consideró consideró conveniente conveniente retirar la tierra tierra suelta. suelta. Después Después de retirarla, retirarla, se volvió a compactar el suelo al interior de la excavación. El espesor disminuyó de 6 a 4.5 metros (20 a 15 pies). Se trajeron materiales adicionales para compensar la pérdida, y los cimientos de la central eléctrica se instalaron sobre ese “relleno estructural” (véase la l a referencia 30). Con frecuencia los suelos se compactan en el lugar en que se encuentran, para incrementar su capacidad de carga para poder soportar el peso de las cimentaciones. En el capítulo 23 se analizan los métodos de compactación in situ.
Cimentaciones Tolerancias. Ubicación de las zapatas. En las primeras etapas de la construcción, la confusión que suele reinar puede hacer que una o más cimentaciones se cuelen fuera de sus posiciones correctas. Entonces se presenta un problema relativo a la posibilidad de utilizar las zapatas. En algunos casos, las zapatas se levantan por medio de grúas y se colocan en los lugares adecuados. En cierto caso, varias zapatas estaban fuera de la posición en una distancia de 2 pies (60 cm). Se perforan orificios en las zapatas, se fijaron pernos en ellos y se levantaron las zapatas. Las bases de las zapatas se limpiaron con agua. Se hicieron nuevas excavaciones de zapatas, que se extendían a una profundidad de 4 pulgadas (10 cm) más que la original. Se vertieron 10 cm (4 pulgadas) de concreto nuevo y se instalaron las zapatas sobre el concreto fresco. En muchas ocasiones se ha considerado la posibilidad de desplazar lateralmente las zapatas, unos cuantos centímetros, mediante el empleo de gatos hidráulicos o equipos pesados de construcción; pero es poco probable que ese procedimiento se haya empleado alguna vez en la práctica. Al parecer, esto implicaría ciertos riesgos, debido a que se aflojarían y se alterarían los suelos debajo de las zapatas, propiciando los asentamientos. Es posible que la conexión de la columna a la zapata pueda aceptar cierto momento de inclinación, en cuyo caso, será todavía posible utilizar la zapata desviada, en posición excéntrica. Esto deberá verificarse con el ingeniero de estructuras. Cuando las excavaciones para zapatas se cortan limpiamente en el suelo y no se usan cimbras laterales, las cimentaciones se suelen extender hacia los lados más de lo planeado; esto parece hacer que la cimentación sea excéntrica; sin embargo, en tanto los cimientos sean tan grandes o mayores que lo planeado en las otras tres direcciones, no se sabe de ningún caso en el que esa excentricidad haya provocado algún problema. Secado o saturación. Los suelos situados al fondo de una excavación de cimentación se pueden alterar mucho mediante el secado o la saturación. El secado debe restringirse y se puede regular rociando con frecuencia los suelos o cubriéndolos con láminas de plástico, lonas tierra suelta o paja. Los suelos muy secos y que se contraen y agrietan mucho, pueden recuperar su contenido de humedad después de que se hayan terminado los cimientos y el edificio. En esas condiciones, la recuperación de la humedad puede hacer que los suelos se dilaten y eleven, quizá levantando los cimientos o las losas de pisos. Con frecuencia las excavaciones para cimentaciones se suelen saturar durante las lluvias fuertes, debido a que el agua se acumula en esos puntos bajos. En general, la solución más conveniente suele ser la de excavar a mayor profundidad, para retirar el suelo blando.
Cimentaciones Si ya se colocó el acero de refuerzo, puede que valga la pena efectuar otros experimentos. Pueden hacerse sondeos para determinar el espesor de los suelos ablandados y el aumento probable de los asentamientos. Para las estructuras flexibles, el asentamiento adicional esperado puede no constituir un problema muy grave. En algunos casos, se han utilizado calentadores y sopladores para provocar la desecación rápida de suelos saturados. Excavaciones excesivas. Muchas excavaciones de cimentación se hacen con grandes máquinas excavadoras, cuyo control en zonas muy limitadas a veces resulta difícil, por lo que es frecuente que las excavaciones sean excesivas. En cierto caso, se hicieron las excavaciones de cimentación, se colocó al acero y el camión de revolvedora estaba listo para verter el concreto. La inspección de los fondos de la excavación incluyó el sondeo con una varilla de acero. En casi todas las excavaciones, la varilla se pudo introducir con facilidad de 6 a 12 pulgadas (15 a 30 cm) en los suelos del fondo. El fondo de las excavación estaba plano; pero se descubrió que el operador de la máquina había excavado en exceso, hasta 12 pulgadas (30 cm) más de profundidad que lo indicado. Luego, vertió tierra suelta a excavación, para nivelar el fondo. Se han observado muchos casos en los que los suelos situados al fondo de las excavaciones excesivas accidentales. La tierra se reintegró apresuradamente, para ocultar la equivocación cometida. En general, el relleno con concreto delgado se considera como parte de la cimentación de suelos y no como una extensión de la cimentación de concreto propiamente dicha. En general, resulta más barato aceptar que se ha excavado en exceso, ya que el exceso se puede resultar menos costoso que el tratar de compactar los suelos en zonas limitadas y pequeñas. En general, el relleno con concreto delgado se considera como parte de la cimentación de suelos y no como una extensión de la cimentación de concreto propiamente dicha. Con frecuencia los fondos de cimentación son irregulares, debido a problemas encontrados al excavar el suelo. La tendencia natural consiste en “nivelar” el fondo de la excavación. Su aspecto es mejor y resulta más fácil poner el acero. La nivelación se hace con tierra o grava y el material empleado se compacta y se prueba, sin embargo la mayoría de los ingenieros de suelos está de acuerdo en que es mejor dejar el fondo irregular, sin alterar el suelo, echando un poco de concreto para rellenar las partes más bajas. El concreto de relleno puede colarse, si esto facilita la instalación del acero de refuerzo.
Cimentaciones Cargas excéntricas. Las cargas de volteo que hacen que se ejerzan fuerzas excéntricas sobre los cimentos, son muy comunes en las estructuras sujetas a cargas de vientos o sísmicas o para los muros de contención. El método que más se usa para analizar las presiones de cimentación consiste en convertir la excentricidad en una presión de suelos de forma triangular. Esto se indica en la figura 14.5.
Se puede “recortar teóricamente” un extremo de la zapata, con el fin de que la parte restante de la cimentación sea concéntrica. En este caso, la cimentación se puede diseñar para que sea más pequeña, utilizando el total de las presiones de capacidad de carga de diseño, como se indico antes. Zapatas inclinadas. Las zapatas inclinadas se suelen utilizar como bloques de apoyo para apuntalamientos, como anclajes de atiesadores y como bloques de anclaje para codos de tuberías. Esas zapatas tienen una capacidad de carga más baja que las zapatas cargadas verticalmente a la misma profundidad promedio. A continuación en la figura 14.6 se presenta una guía aproximadamente para estimar la reducción de la capacidad de carga.
Cimentaciones
Inclinación de la carga A partir de la vertical (grados) 0 30 45 60 90
Para arcilla (%)
Para arena (%)
100
100
80
40
70
25
60
15
50
10
Cimentación en suelos expansivos. Varios constructores de residencias han sufrido pérdidas financieras, al construir numerosas casa en suelos expansivos. Esos suelos se dilatan al humedecerse y se contraen al secarse. Los cambios de volumen pueden ser del 5 al 10% o mayores (véase el capítulo 7, sección 7.11: el capítulo 8, sección 8.10 y la figura14.7).
Cimentaciones El primer problema es el de identificar los suelos. A veces, se pueden encontrar indicaciones mediante el examen del sitio. Los suelos expansivos suelen ser duros y agrietarse cuando se secan. Las grietas del suelo son como ladrillos y no se pueden romper con facilidad. Cuando está mojado, el suelo es plástico, como arcilla de alfarería: 1. Mantener constante el contenido de agua. 2. Situar los cimientos bajo el nivel de cambios de humedad. 3. Tratar los suelos expansivos con los compuestos químicos, como la cal, para estabilizarlos. 4. Excavar y retirar los suelos expansivos en las zonas de construcción, reemplazándolos con suelos estables (véase la figura 14.7 a y b). Cimentaciones Franki. Un tipo de cimentación popular en Europa y otras artes del mundo, y que se utiliza en algunas regiones de los Estados Unidos, se conoce como cimentación Franki. Las cimentaciones aisladas. Se instalan mediante el empleo de un equipo especial.
En este método, se introduce en el suelo, al nivel de la cimentación, un bulbo de concreto de bajo contenido de agua. Esto desplaza y compacta el suelo natural circundante. La cimentación resultante actúa como una zapata aislada, pero se apoya en un suelo que se ha compactado previamente hasta alcanzar una resistencia mucho mayor. Cimentaciones en suelos corrosivos Los compuestos químicos que hay en algunos suelos pueden corroer el acero y deteriorar el concreto. A estos suelos se les llama corrosivos, si los análisis de laboratorio o las pruebas de resistencia indican esas condiciones, pueden necesitarse precauciones espaciales para proteger el concreto y el acero de refuerzo. Se han preparado tablas, basadas en la experiencia, para indicar los porcentajes de compuestos químicos que pueden crear problemas. En la página 170 se presenta una tabla abreviada. Basada en la referencia 31, para mostrar las cantidades de compuestos químicos que pueden causar dificultades.
Cimentaciones Una solución común en los suelos de alto contenido de sulfatos o cloruros, consiste en utilizar cementos más resistentes, tales como
Cimentaciones Porcentaje de SO3 contenido en
Agua del terreno
Suelo arcilloso
Gravedad
Recomendaciones
0-0.3
0-0.2
No hay problemas especiales
No se necesita tomar medidas especiales
0.03-0.1
0.2-0.5
Algunos problemas, Utilicese concreto de sobre todo en paredes cemnteo Pórtland (tipo delgadas de concreto II), resistente a los sulfatos
Problemas graves Más de 0.1
Más de 0.5
Utilícese cemento de supersulfato o alto contenido de óxido de aluminio (tipo V)
El de tipo V, para que resistan la corrosión. Asimismo, el acero debe protegerse mediante cubiertas más gruesas de concreto, que deben tener un espesor mínimo de 4 pulgadas (10 cm) Los puntos más importantes de este post son: HECHOS : Con frecuencia los cimientos de edificios se cuelan sobre rellenos de suelos sueltos, en los lugares inadecuados. El agua freática y algunos suelos pueden corroer o causar deterioros en el concreto o el acero de refuerzo. A TENC IÓN A : Las altas cargas temporales sobre las zapatas, que sobrepasen los valores de capacidad de carga de diseño. La desecación del suelo, si la excavación permanece abierta durante mucho tiempo. La acumulación de agua de lluvia en el fondo de las excavaciones excesivas para zapatas, cuando se empelan máquinas grandes. Las pensiones laterales de carga sobre las zapatas, debido a los puntales inclinados. Los suelos agrietados o expansivos.
Cimentaciones Asentamientos en Cimentaciones
Durante la construcción de edificios, a medida que las cargas de columnas se sitúan sobre las cimentaciones, éstas se asientan. Si los cimentos se apoyan sobre roca o suelos muy duros, los asentamientos pueden ser muy pequeños; sin embargo, si se trata de suelos ordinarios de valle, el asentamiento puede ser de una fracción de pulgada o de varias pulgadas. Son comunes los asentamientos de ½ a 1 pulgada (1,27 a 2.54 cm). Gran parte del asentamiento puede producirse durante la construcción. En otros casos, los asentamientos se producen muy lentamente y prosiguen durante varios años, después de concluida la construcción.
Asentamientos calculados Se ha establecido un sistema de pruebas y cálculos para estimar los asentamientos para una cimentación dada.
Cuando una carga se sitúa sobre una cimentación, dicha carga se transfiere hacia abajo a cada uno de los estratos del suelo en que se apoyan los cimientos. En la figura 15.1 se ilustra esta distribución de presiones. Inmediatamente debajo de las zapatas, la presión del suelo aumenta hasta alcanzar casi la capacidad total de presión de carga. A profundidades de 10 ó 20 pies (3 ó 6 metros) por debajo de la superficie del terreno, la carga se distribuye entonces y el aumento de presión es pequeño.
Cimentaciones Tabla 1 Valores típicos de asentamientos para una carga de columna de 300,000 libras (136,200 kg) Tipo de suelo
Presión De carga(Ib/pie2)
Tamaño De zapatas (pies)
Asentamientos(pulgadas)
Arcilla duraArena compactaArcilla moderadamente firmeArena moderadamente compacta
10,00010,0003, 51/2X51/251/2X51/210X1010X 0003,000 10
Arcilla blanda
1,500
14X14
3.0
Arena suelta
1,500
14X14
1.5
0.50.31.50.8
Para calcular los asentamientos, se divide en estratos el suelo en que se apoyan una cimentación. Para obtener el asentamiento total, se estima el asentamiento de cada estrato y se suman los resultados parciales. En la figura 15.1, la curva de presión natural del suelo indica que la presión del suelo, a una profundidad de 5 pies (1.5m) es de aproximadamente 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2), ya que el suelo pesa cerca de 100 Ib/pie3 (1,625 kg/m3). La nueva cimentación tendrá una presión de carga de 3,000 Ib/pie2 (14,647 kg/m2), debido a las cargas muertas y otras cargas estáticas reales. Las cargas temporales debidas a los vientos, los movimientos sísmicos y otras cargas poco frecuentes y de corta duración, casi siempre se deducen por que influyen poco sobre el asentamiento. La presión del suelo se distribuye en éste y, por tanto, el aumento de presión a una profundidad de 5 pies (1.5m) no es de 3,000 Ib/pie2 (14,647 kg/m2), si no de aproximadamente 2,100 Ib/pie2 (10,253 kg/m2). Puesto que la presión normal a una profundidad de 5 pies es de 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2), esta presión aumentará a 2,600 Ib/pie2, debido al peso de la cimentación. Basándose en la prueba de consolidación de laboratorio, se descubrió que una muestra obtenida a una profundidad de 5 pies (1.5 m) se consolidaba muy poco cuando se le aplicaba una carga de 500 Ib/pie2 (10,253 kg/m2). Esto es razonable, puesto que el suelo se ha cargado ya a 500 Ib/pie2 (2,441 kg/m2) y se ha consolidado. La pequeña consolidación se toma como punto de partida para las mediciones. Al proseguir la prueba de consolidación mediante la aplicación de cargas más pesadas, se descubrió que el suelo se consolida un 1% adicional, cuando se aplica a la muestra de suelo la carga completa de 2,600 Ib/pie2 (12,694 kg/m2).
Cimentaciones Suponiendo que ese estrato tenga un espesor de 5 pies (1.5m), la comprensión total del estrato será de 0.6 pulgadas (1.5 cm) (60 pulg. X 1% = 0.6 pulgadas). Se pueden hacer cálculo similar para todos los demás estratos por debajo de la cimentación. El total es el asentamiento esperado de las zapatas, que es probable que se encuentre en la gama de 1.5” (3.81 cm). En la tabla 1 se dan varios valores típicos de asentamientos estimados para cimentaciones en varias clases de suelos.
Asentamientos medidos. Los asentamientos se miden con frecuencia. Dichas mediciones pueden hacerse con mayor facilidad y presión, si se hacen marcas en las columnas, en las primeras fases de la construcción. Si no se hacen esas marcas de referencia, las observaciones de asentamientos se comparan de nuevo con las elevaciones “construidas” para las cimentaciones o las losas de pisos apoyadas. Esos registros suelen ser muchos menos exactos.
Asentamientos durante la construcción Algunos suelos, como las arenas Y los materiales de drenaje libre, se asientan con rapidez cundo se someten a las cargas. Casi todo el asentamiento suele producirse durante el periodo de construcción; por tanto, una vez concluida la construcción, prácticamente no se producirá ningún asentamiento.
Al contrario, los suelos limosos y arcillosos tienen un drenaje lento. Por consiguiente, durante la construcción se producirán asentamientos que proseguirán durante varios años, después de que se ha terminado la construcción. Durante las pruebas de consolidación el laboratorio, se puede medir la velocidad con que se comprimen las muestras de suelos. Esto da una buena indicación del tiempo que puede tomar el asentamiento de las cimentaciones. Se ha establecido un método de cálculo para estimar cuanto tiempo se requiera para que se produzca la mayor parte de los asentamientos. El drenaje de un estrato de suelo depende de su velocidad de drenaje y el espesor del estrato. Cuando sea analizado una muestra dado de un estrato de suelo, se puede estimar el tiempo necesario para consolidación, comparado el espesor de la muestra de prueba con el del estrato del suelo, en el terreno.
Cimentaciones
Muestra de prueba
Estrato de suelo
Espesor = 1 pulgar (2.54cm) Velocidad de Espesor = 10 Mitad del asentamiento = 30 minutos Nota: El drenaje del fondo y espesor = 60 pulgadas Tiempo de la parte superior se aplica a la muestra de prueba y, para el asimismo, al estrato de suelo. Así, la trayectoria de drenaje es de la mitad del espesor del estrato.
asentamiento = 30 días
En general, se considera que una capa de suelo está libre para drenarse, si hay capas de arena por encima o por debajo de ella. Con frecuencia, los suelos arcillosos se entremezclan con estratos de arena. En ese caso, los estratos de arena actúan como capas de drenaje, haciendo que los asentamientos se produzcan con mayor rapidez que en el caso de un cuerpo de limo o arcilla, sin estratos arenosos.
Asentamientos admisibles El asentamiento de un edificio se puede medir como el asentamiento total de la estructura, o bien, como el asentamiento diferencial entre zapatas adyacentes o entre el centro y las esquinas de un edificio. En general, si los asentamientos totales son uniformes se pueden tolerar sin grandes dificultades. Si todas las cimentaciones de un edificio se asientan 3 pulgadas, el único problema será el de acomodo de las instalaciones de servicio público que llegan al edificio y el nivel de las aceras o banquetas y las zonas de estacionamiento de vehículos. Si el asentamiento de los cimientos es desigual, por ejemplo, en el caso de que la zapata de una columna se asiente 1 pulgada (2.54 cm), mientras que una zapata adyacente se asiente 2 pulgadas (5 cm), esto puede hacer que el edificio se distorsione y que las paredes se agrien. Este tipo de asentamiento es mucho más difícil de tolerar. Por consiguiente, los asentamientos diferenciales tienen una importancia mucho mayor que los totales. Algunos tipos de estructura, como las de almacenes grandes llegan a asentarse varios pies, y a pesar de ello se ha tenido pocas dificultades para mantenerlos en funcionamiento. A menudo, los grandes tanques de almacenamiento de petróleo se construyen suponiendo que el asentamiento sea de un pie (30 cm). Lo más importante es que el casco del depósito se asiente de manera uniforme en todas sus partes. En las estructuras comerciales más importantes, es común limitar los asentamientos diferenciales permisibles entre columnas adyacentes a 1/4 de pulgada o menos. Los asentamientos entre columnas adyacentes pueden ser aceptables para estructuras de madera o edificios industriales de estructura ligera de acero.
Cimentaciones Método de ajuste de asentamiento Los asentamientos pueden reducir mediante un cambio en el diseño de las cimentaciones, que puede consistir en hacer cimientos más grandes o más profundos. Asimismo los asentamientos se pueden reducir, si el sitio se carga previamente o se “sobrecarga” antes del construir el edificio (véase la sección 15.7), o bien, efectuando una compactación previa del suelo (véase el capítulo 23). Si durante la construcción y al aplicar las cargas iniciales las asentamientos se producen con rapidez, estos se podrán corregir y no constituirán un problema cuando se entregue el edificio al propietario. Es posible “acelerar” el asentamiento, mejorando el drenaje de los suelos comprensibles. En lo que se refiere al empleo de cimentaciones más anchas, se puede suponer, como guía aproximada, que el asentamiento se reduce al aumentar el área de apoyo de las zapatas cuadradas. Por ejemplo, para una carga de columna de 400 kips, supóngase que el tamaño de la zapata es de 8x8 pies (2.40 X 2.40m) y que el asentamiento estimado es de 1 pulgada (2.54cm). si el tamaño de la zapata se aumenta a 12X12 pies (3.6 X 3.6m), el asentamiento será de 8 + 12 = 2/3 de pulgada (1.69). Si el tamaño de las zapatas aumentan a 16 X16 pies (4.80 X 4.80 m), el asentamiento será de 8 + 16 = 1/2 pulgada (1.27 cm). Esta guía se aplica mejor al suelo arcilloso y limoso que al arenoso. Con frecuencia el ajuste de los asentamientos se efectúa cambiando el método para armar la estructura y la construcción de los muros, con el fin de hacerla más flexible. Los cimientos de edificios ligeros se pueden diseñar con pernos de anclaje largos y ángulos sujetadores en la columna, que permitan que se inserten gatos y que de vez en cuando se levanten las columnas, para renivelar la estructura del edificio. En un edificio se pueden hacer separaciones estructurales a ciertos intervalos. Esto permitirá que las distorsiones y los movimientos del edificio se lleven a cabo a lo largo de “brechas” preestablecidas. Los tableros laterales que se sujeten a columnas de acero pueden absorber movimientos diferenciales apreciables, sin distorsiones. Al contrario, los muros de concreto, los de ladrillo, los de concreto colado in situ o los muros inclinados y continuos de concreto, son frágiles, se agrietan con facilidad y sufren fracturas importantes, aun cuando los asentamientos diferenciales sean pequeños. Es preciso recordar que los muros de concreto bien reforzados pueden tener una considerable resistencia de trabe y pueden servir como puentes sobre las cimentaciones que tienden a asentarse demasiado. A veces, los muros de los edificios se diseñan para que actúen como trabes. Esto parece funcionar bien, siempre que el claro no sea demasiado grande, ya que en estos muros se produce una redistribución de esfuerzos, que no puede determinar.
Cimentaciones Métodos de Preconsolidación. Relleno de sobrecarga El asentamiento del suelo el que se va construir se puede forzar antes de edificar las estructuras. Con es fin, a menudo se suelen utilizar rellenos de sobrecarga. En general el relleno de sobrecarga que se pone en un sito tiene un peso igual o mayor que el edificio que se va a construir. Antes de iniciar la construcción debe dejarse que transcurra el tiempo necesario para que se produzca el asentamiento.
Los rellenos de sobrecarga pueden ser del orden de 4 a 5 pies (1.20 a 1.5 m) para edificios industriales de un piso, supermercados y edificios escolares. Los rellenos de sobrecarga pueden ser de 30 a 40 pies (9 a 12 m) para edificios de concreto reforzado, los cuales son relativamente pesados. A veces se constituyen rellenos de sobrecarga de 30 a 40 pies (9 a 12m) en los sitios en que se construirán tanques pesados de almacenamiento centrales eléctricas u otras estructuras sumamente pesadas. En el fondo de los rellenos de sobrecarga, se pueden poner marcadores de asentamiento para medir el asentamiento y el término del asentamiento. En la figura 15.2 se muestra un relleno típico de sobrecarga. Compactación o compresión del suelo. Existen varios para compactar o comprimirlos suelos. Entre ellos: (a) vibroflotación; (b) disminución del nivel del agua, mediante el empleo de sumideros o web points; (c) excavaciones del suelo para volverlo a colocar como relleno compactado, y (d) inserción de drenes de arena, drenajes de mecha u otros dispositivos, para permitir que el agua se drene del suelo con mayor rapidez. En estos métodos se describen con más detalle en capítulo 23.
Cimentaciones Corrección Desde la antigüedad, el asentamiento de los cimientos ha constituido un problema; sin embargo, muchas estructuras grandes y pesadas cuyos cimientos han sufrido asentamientos importantes se han establecido o puesto de nuevo en sus posiciones originales. La técnica de la construcción permite corregir problemas muy graves de esta naturaleza, con nosotros razonables, en comparación con el costo de reemplazar la estructura. Esta técnica aplicada a tiempo a la torre inclinada de pista estabilizar la estructura y tal vez nivelarla de nuevo. Los promedios de corrección que más se utilizan son: (a) elevación de los cimientos, inyectando cemento de suelos u otros materiales bajo la cimentaciones; (b) soporte de columnas, mientras se pone una nueva cimentación bajo cimientos ya existentes: (c) extensión de las zapatas a una elevación menor, de porción en porción; (d) inyección de compuestos químicos o lechada en suelos porosos, bajo los cimentos y (e) instalación de pilotes, cajones perforados u otros nuevos cimientos adyacentes a las zapatas existentes, transfiriendo el peso de las columnas a esos nuevos cimientos, por medio de vigas “de aguja”, que se pueden insertar por debajo o por encima de las zapatas, para conectarse directamente a las columnas. Otro método menos común consiste en congelar el suelo, por debajo de una cimentación, y mantenerlo permanentemente congelado.
Asentamientos de otros tipos de cimentaciones En este capítulo se han estudiado los asentamientos de cimentaciones aisladas; sin embargo, también se pueden producir asentamientos en otros tipos de cimentaciones, tales como los pilotes fricción, los polotes de soporte en el extremo, grupo o conjuntos de pilotes, pilares rectos, cajones perforados y acampanados y otras cimentaciones profundas.Las cimentaciones profundas aplican sus cargas a estratos más firmes y profundos, o bien, distribuyen su carga sobre un área a una mayor profundidad. También esos cimientos se asientan al cargarse; pero, por lo común, los asentamientos son mucho menos que los delas cimentaciones aisladas. Si se utilizaran cimentaciones aisladas en una zona dada y se experimentaran asentamientos del orden de 1 a2 pulgadas (2.54 a 5.08 cm), se podría esperar que los cimientos sobre pilotes u otras cimentaciones profundas apropiadas sufrieran asentamientos de 1/4 a 1/2 pulgada (0.6 a 1.27 cm). No obstante, si los cimientos llegan al apoyo final sobre rocas o suelos duros, los asentamientos serán esencialmente los que se deban a la contracción elástica de los pilotes, al situar las cargas. Supóngase que un edificio se apoya en pilotes de fricción, que se apoyan en todo el suelo a través del que se hinchan, sin llegar a tener una carga de extremo final.
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Si una columna del edificio tiene una carga de 50 toneladas, puede sostener en un pilote simple. Otra columna del edificio puede tener una carga de 400 toneladas y requerirá ocho pilotes. Aunque cada pilote se carga con una cantidad igual, 50 toneladas por pilote, se podrá esperar que el grupo de ocho pilotes se asiente más que el pilote simple. La diferencia de asentamiento puede no ser grande; por ejemplo, el pilote simple se puede asentar 1/4 pulg., y el grupo de pilotes 1/2 pulg. El asentamiento diferencial resultante de 1/4 pulg. (0.6 cm) no constituirá un problema desde el punto de vista estructural y nunca se detectará, a menos que se tomen medidas precisas. El asentamiento de pilotes individuales o de grupos de pilotes es más fácil de estimar que el de las cimentaciones aisladas. Se han creado métodos simplificados para hacer estimados aproximadas de los asentamientos. Esos métodos son muy similares a los que se usan para calcular los asentamientos de cimentaciones aisladas.
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Por lo común, se supone que la carga sobre los grupos de pilotes se distribuye de tal modo que el grupo de pilotes es equivalente aproximadamente, a una cimentación aislada, situada a cierta profundidad por debajo del restante. Este concepto se ilustra en la figura 15.3. después de transformar el grupo de pilotes en una cimentación aislada equivalente, sobre el suelo, será posible calcular la presión adicional del suelo. Utilizando esta presión del suelo, es posible estimar la consolidación de los diversos estratos de suelos bajo los cimientos, como se describió antes, y será posible calcular el asentamiento total. Por lo contrario, si los pilotes del grupo se hincan en suelos blandos, y luego hasta el rechazo sobre grava y arena muy densa y profunda, la “zapata equivalente” será más profunda, como se muestra en la figura 15.4. Por lo común, los asentamientos de estructuras apoyadas en pilotes son relativamente pequeños y no usan problemas. Sin embargo, puede haber dificultades importantes si una parte de una estructura se apoya en pilotes, mientras que otras partes se apoyan sobre cimentaciones aisladas. En la figura 15.5 se muestra una estructura de dos pisos, apoyada en cimentaciones de pilotes. Junto a ella, se levanta una estructura más ligera, de un solo piso, sobre cimientos aislados, que se sujetó al edificio original de dos pisos. En el edificio de un solo piso se produjeron grandes asentamientos.
Cimentaciones Por regla general, si una parte de una estructura se apoya sobre pilotes, las adiciones, aunque sean ligeras, también deberán ponerse sobre pilotes. Sólo después de un estudio muy cuidadoso de los asentamientos probables, se podrá considerar el uso de una combinación de tipos de cimentaciones. Si se combinan los tipos, será mejor efectuar una separación, con dobles columnas, entre las dos partes de la estructura. Los asentamientos para cajones perforados y acampanados, pilares profundos o una forma modificada de cimentaciones aisladas, se pueden calcular utilizando las mismas técnicas que para las zapatas corridas. La cimentación Franki se utiliza también como cajón. Sin embargo, el caso se compacta y preconsolida. Por tanto, los asentamientos son apreciablemente menores que los que pudieran calcularse para otros tipos de cajones apoyados en el suelo. En general esta cimentación se emplea para apoyos en suelos arenosos. Debe señalarse de nuevo que este análisis no indica con exactitud la manera de efectuar un cálculo del asentamiento. Se pueden obtener más datos por medio de pruebas, como las que se describen en la referencia 4; pero tampoco en esas referencias se indica el método, así como tampoco lo indican los ingenieros de suelos.
Resumen. Los principales puntos de este post son los siguientes: HECHOS : Los cimientos de los edificios se asientan; lo importante es saber la medida en que esto sucede. Las mayores dificultades se deben a los de asentamientos desiguales de las columnas adyacentes. Los asentamientos de zapata en la arena son rápidos y se producen durante la construcción. Las zapatas sobre arcilla se asientan con lentitud. Además, se pueden mejorar las condiciones de los sitios para reducir el asentamiento. A TEN CIÓN A : Un sitio de construcción que tiene suelos firmes en un lado y blando en el otro. Zapatas muy cargadas, adyacentes a zapatas con cargas más ligeras.
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Patología de las Cimentaciones DURABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO El concreto ha probado a través de los siglos ser un material durable. Existen aún estructuras construidas por los romanos, teles como edificios, cimentaciones, estructuras hidráulicas, que han soportado por casi 2000 años la agresión del medio. Hay innumerables estructuras que no han sobrevivido; muchas de ellas probablemente sufrieron degradación, perdieron sus condiciones de servicio y fueron abandonadas y destruidas con el tiempo. En el mundo moderno, nadie pretende que las estructuras sean “eternas”. La dinámica del crecimiento las renovará o reemplazará probablemente en el lapso de 100 años, lo que si se pretende es que las estructuras sena durables, es decir que mantengan las características de servicio y resistencia, para las que fueron diseñada, por lo menos por el lapso de su vida útil prevista. Para lograr este propósito, es indispensable que las estructuras, además de ser diseñadas por resistencia, se diseñen por durabilidad. En muchos casos el deterioro se evita tomando medidas preventivas, que requieren para ser adecuadas, del conocimiento de los agentes agresivos y de la interacción de los factores que afecta la durabilidad. El deterioro, la generalidad de las veces e s “consecuencia de una elección imperfecta, al casar al concreto elegido, para ser usado en un medio determinado, con las características de ese medio”. Una de las ventajas del concreto es la posibilidad de poder obtener propiedades determinadas con la selección apropiada de cemento, agregado y aditivos y sus proporciones. La perfomance del concreto estará influenciada además, por el diseño y las prácticas constructivas. Ver figura N° 1.
Cimentaciones ¿QUÉ ATENTA CONTRA LA DURABILIDAD? La durabilidad de una estructura puede ser comprometida por varios factores reconocidos de degradación del concreto que van desde los superficiales por desgaste, hasta los químicos que afectan la masa misma del concreto y que se pueden agrupar en: (Ver Tabla 1). a. Agentes físico-mecánico como la abrasión – sea ésta por sólidos o líquidos el impacto, la vibración, y los ciclos de congelamiento y deshielo. b. Agresión química, tal es el caso de la corrosión del concreto por ataque de ácidos, de sulfatos y otros elementos o compuestos presentes en el medio. c. Agresión electro-química, que ocurre en estructuras de concreto armado cuando por la presencia de sales, especialmente cloruros, se genera una celda galvánica con flujo de electrones a través del electrolito – concreto contaminado con cloruros o húmedos - , y corrosión del acero, con la consecuente expansión de los óxidos, producto de la corrosión, que finalmente destruyen el concreto por las tracciones internas generadas. d. Fisuramiento térmico que ocurre en la superficie de elementos estructurales masivos, cuando se produce una gradiente térmica muy pronunciada entre la superficie y la masa interior del concreto. En la tabla 1 se muestra una relación de los mecanismos de deterioro del concreto. En este trabajo se presentan las características del mecanismo de deterioro que más pérdidas produce, la corrosión del concreto por ataque químico y la agresión electo química o corrosión del refuerzo.
MECANISMOS DE ATAQUE AL CONCRETO Los problemas de durabilidad más comunes en estructuras que están en contacto con el suelo o con el agua, tales como las cimentaciones son debido al deterioro y destrucción de los materiales – concreto y acero por agresividad del medio. Se describe seguidamente los mecanismos de deterioro más comunes, clasificados en dos grupos según sea la agresión de origen químico o de origen electro – químico, su conocimiento es indispensable para poder hacerles frente y tener la posibilidad de construir cimentaciones resistentes a l agresión del medio.
Cimentaciones Tabla 1. Mecanismos de deterioro Factores que pueden producir deterioro prematuro
Características del concreto
Características del medio
Manifestaciones del deterioro
1. Helada y deshielo
Ausencia de aire incorporado Humedad, heladas y en la pasta de cemento o deshielo agregado exc. Poroso o ambar en concreto
2. Ataque químico agresivo
Excesiva cantidad de aluminatos de calcio hidratados en la pasta de
Humedad con Expansión int. Y concentración excesiva rajaduras de contenidos de sulf. Disolución y
cemento
Disueltos solubles.
a. Sulfatos
b. B. (Leaching) Porosidad excesiva
Humedad de pH bajo y contenido bajo de cal disuelta
Expansión interna
pérdida de componentes
3. Abrasión
Baja resistencia a la abrasión Abrasivo muchas veces Desgaste de en cero bajo el agua superficie con pérdida de materia
4. Corrosión del refuerzo
Metal corrosivo y frecuente presencia en el concreto de agentes que inducen a la corrosión
5. Reacción alkali Cantidad excesiva de sílice – Sílice sobuble en agregados y álcalis den el cemento
6. Otras a. Cemento b. Fisuración Plástica
Humedad cero, Expansión interna humedad y agentes que y rajaduras inducen a la corrosión
Humead cero. Humead Expansión y álcalis
Cantidad exc. De CaO o MgO Humedad no hidratados en el cemtno
Expansión interna y rajaduras
Falta de contenido de humedad sostenido en el período de curado especificado.
Fisuración en edad temprana
Indice alto de evaporación de la humedad
Cimentaciones MECANISMO DEL ATAQUE QUÍMICO DE LA CORROSIÓN DEL CONCRETO La corrosión del concreto puede darse por factores internos y por factores externos. La corrosión por factores internos se da por las reacciones entre los componentes del concreto. Entre ellas tenemos, la reacción álcali – agregado – es decir la reacción de los agregados o por reacción de los cementos. La reacción álcali – agregado no se ha dado en Perú o por lo menos no esta documentada su ocurrencia; la reacción de los agregados se debe al ácido sulfúrico que se forma por oxidación de sulfuros de fierro, esta reacción tampoco está documentada en el Perú; la reacción del cemento se da por exceso de caída libre o por exceso de magnesio, esta ocurrencia es cosa del pasado por que las normas de fabricación de cementos ponen límites severos al contenido de ambos productos. La corrosión del concreto por factores externos es un fenómeno químico que se produce por la reacción de sustancias agresivas externas con los álcalis del concreto, producto de la hidratación del cemento. En este tipo de corrosión la que nos interesa tratar en estas notas. La corrosión por factores internos la mencionaremos muy sucintamente.
SUSTANCIAS AGRESIVAS AL CONCRETO EN EL SUSELO Y EN EL AGUA Las sustancias más dañinas a la estructura de concreto que están enterradas en el suelo y en contacto con aguas subterráneas, y que dan origen a la corrosión del concreto, son los sulfatos y los ácidos. A estos agentes se le suma los cloruros, por su acción destructiva cuando penetran al interior de elementos de concreto armado. Los cloruros, si bien no son dañinos al concreto, su penetración en éste origina, como veremos más adelante, la corrosión del refuerzo. Es importante notar que la actividad nociva de los sulfatos y de los ácidos sólo ocurre en presencia de humedad. Por lo general solo las sustancias químicas que están en solución son agresivas al concreto y su grado de agresividad dependerá de su concentración en la solución. El nivel de concentración tolerable de sulfatos es sustancialmente mayor en suelos relativamente seco y bien drenado que cuando los sulfatos están presentes en el agua subterránea, es la concentración de sulfatos en el agua la que decide si es necesario tomar medidas de prevención. Las aguas subterráneas generalmente aguas de origen natural; su agresividad estará en función al contendido de químicos que recoja en su pasos el subsuelo. Debe tenerse encuentra también la ocurrencia de agua de desecho industrial; éstas por lo general tienen concentraciones muy altas de ácidos y son difíciles de manejar. En la cercanía a plantas industriales que procesan o producen sustancias químicas, se encuentra con frecuencia suelos altamente contaminados son sustancias que pueden ser destructivas del concreto. La vulnerabilidad del concreto será mayor cuando las soluciones agresivas se encuentran bajo presión y son forzadas a penetrar en las porosidades y fisuras del concreto.
Cimentaciones El agua de mar tiene un alto contenido de sales disueltas las principales son cloruros (alrededor de 18000 ppm) y sulfatos (alrededor de 2000 ppm). A pesar del alto contenido de sulfatos, el agua de mar, en condiciones normales, tiene agresividad moderada sobre el concreto de buena calidad. Algunos investigadores piensan que la poca agresividad es debida al efecto inhibidor de las otras sales en especial la de cloruros. Es importante notar que en algunos lugares, tales como estuarios, radas de puerto y cuerpos de agua, donde existe obstrucción de las corrientes de la marea, puede ocurrir mayor concentración de sales e incluso de compuestos orgánicos agresivos, en particular cuando hay contaminación por desechos orgánicos, minerales u otros. En el puerto del Callao tenemos ejemplos muy recientes de destrucción de pilotes de concreto por severa agresión química y electo – química. La experiencia en estructuras marinas, en aguas no contaminadas, muestra que la exposición atmosférica en las zonas de manera y de salpicadura, es el ambiente más corrosivo. En aguas contaminadas el ataque químico ocurre también en el cuerpo del pilote permanente sumergido.
ATAQUE QUÍMICO El ataque químico de cemento Pórtland se manifiesta por: Lixiviación El paso del agua a través del concreto – por filtración o por presión – produce la disolución y extracción de la cal libre con la consecuente pérdida de volumen y de resistencia. La disolución de la cal del concreto ocurre también por contacto con aguas blandas debido al bajo contenido de sales que tienen estas (2). Degradación de los aglomerantes del cemento Los ácidos fuertes y algunas sales pueden reaccionar con los hidratos e hidróxidos del cemento. Expansión de los productos de la reacción Los mecanismos de expansión se producen en el ataque por sulfatos, en el cristalización de sales, y en la reacción álcali – agregado. Cristalización de sales La formación de cristales resulta en expansión interna que rompe por tracción el concreto. Este mecanismo debe ser considerado cuando el concreto esta colocado en ambientes muy contaminados y ocurre generalmente, cuando hay filtración de agua a través del concreto. En este trabajo nos ocupamos sólo de la corrosión del concreto producida por sulfatos y por aguas ácidas por ser las sustancias agresivas más comunes en los suelos.
Cimentaciones ATAQUE POR SULFATOS El ataque por sulfatos ocurre especialmente en concretos sumergidos en agua de mar y en concretos enterrados o en contacto con el suelo cuando éstos tienen humedad. Su poder destructivo dependerá de su concentración en solución en los suelos y aguas subterráneas. Los sulfatos más comunes que se encuentran de manera natural en aguas subterráneas son: a) el sulfato de calcio o yeso (CaSO4); b) el sulfato de magnesio (Mg SO4) y c) el sulfato de sodio (Na SO4). Los sulfatos de sodio y magnesio son muy solubles en agua y por tanto pueden encontrarse en concentraciones mucho mayores que con sulfato de calcio. A igualdad de concentraciones en sulfato de magnesio es mucho más agresivo que los sulfatos de sodio, calcio y potasio; su agresión tiene mayor alcance, ya que además de reaccionar con los hidróxidos de calcio y los aluminatos, descompone los silicatos de calcio hidratados, es decir la pasta de cemento. Los sulfatos pueden producir la desintegración del concreto al reaccionar con los hidróxidos de calcio (cal hidratada) liberados en el proceso de hidratación del cemento, y forman sulfato de calcio (yeso). Este a su vez reacciona con el aluminato hidratado de calcio para formar el sulfo aluminiato de calcio (etringita). Estas dos reacciones dan productos sólidos de mayor volumen que el original y son causantes de las expansiones y rupturas del concreto. La descomposición y desintegración del concreto es progresiva mientras éste está expuesto a los agentes que la produce. De no ser detectada y controladas a tiempo, su avance comprometerá el recubrimiento de las barras dejando expuestas la armadura a la acción agresiva directa del medio. El efecto será mas grave y destructivo cuando las sales penetran en la masa del concreto arrastrada por la presión del líquido, como ocurre en las estructuras de contención de suelos o de agua. El daño en estos casos se concentra en la superficie opuesta, en las fisuras por donde ocurre la filtración por la acumulación de sales en las superficies. Adicionalmente al fenómeno químico e independientemente a éste, se produce en muchos casos, un fenómeno físico, que consiste en la cristalización de las sales de sulfatos en los poros y en las fisuras del concreto. La destrucción del concreto se debe a la expansión de las sales al cristalizarse.
Cimentaciones EL ATAQUE POR ÁCIDOS Por lo general el concreto de cemento Pórtland tiene poca resistencia al ataque de ácidos. La agresividad de los ácidos en el subsuelo ocurre por su presencia en las aguas subterráneas. Los ácidos mas comunes de encontrar en disolución en aguas subterráneas son los ácidos de origen orgánico tales como el ácido úrico que se encuentra en depósitos de turba y el ácido carbónico derivado del dióxido de carbono disuelto. Algunas veces las aguas de origen pantanoso pueden contener ácido sulfúrico como resultado de la descomposición bacteriana de los compuestos sulfurosos. Por lo general la presencia de sulfatos en solución en las aguas subterráneas particularmente en suelos arcillosos, es más frecuente que la acidez . La acidez, es decir la presencia o ausencia de compuestos ácidos se mide con la escala logarítmica del indicador de iones de hidrógeno, pH. Cuando el pH del suelo o del agua subterránea está debajo del punto neutro 7,0, el agua es ácida y por lo tanto capaz de atacar a cualquier tipo de cemento Pórtland. La severidad del ataque dependerá de varios factores: a) Del tipo y concentración de ácido presente, los ácidos orgánicos como los inorgánicos, excepción del ácido fosfórico, al descomponer la cal del cemento, forman sales de calcio como cloruros, nitratos y sulfatos, que son solubles en agua. b) De la posibilidad de renovación del suministro de la solución ácida. Cuando no hay flujo de agua ni cambios de humedad o de nivel de la napa, la reposición de las soluciones ácidas es difícil y la acidez puede ser totalmente neutralizada, con relativo poco daño después del ataque inicial al concreto, los ciclos de humedecimiento y secado puede ser muy dañinos; las sustancias disueltas pueden migrar por las masas de concreto y depositarse en la superficie puede ser de las mismas sustancias o de algún producto de la reacción formada en el concreto. c) Del contenido de cemento y de la impermeabilidad del concreto. Los concretos pobre y permeables son más susceptibles al ataque.
Cimentaciones MECANISMO DEL ATAQUE ELECTO – QUÍMICO O DE LA CORROSIÓN DEL REFUERZO Las barras de refuerzo de concreto están sujetas a dos tipo de deterioro: oxidación directa en presencia de humedad y oxigeno; y corrosión por acción electroquímica, que se produce por la presencia de cloruros conjuntamente con humedad de oxígeno. Protección del refuerzo El acero de refuerzo está protegido de la corrosión por el recubrimiento de concreto que le provee una barrera protectora y por el ambiente alcalino producto de una combinación de reacciones químicas en la superficie del acero. Al fraguar, el cemento suelta álcalis, hidróxidos de sodio, potasio y calcio, convirtiendo al medio alrededor de las barras en pasivo, con un pH alto en el rango de 12.6 a 13.5. En este medio alcalino alto se produce una reacción química en la superficie del concreto, formándose una película protectora que inhibe las reacciones electroquímicas del proceso de corrosión. Ver fig. N° 2.
La superficie del acero embebida en el concreto permanecerá pasivamente mientras subsista un pH alto y no haya presencia importante de cloruros aunque el oxigeno y la humedad lleguen al acero. Factores que destruyen la protección Esta situación no es estática, la pasividad del acero se pierde cuando se reduce la alcalinidad del concreto, esto ocurre bajo las siguientes condiciones: a) Por carbonatación del concreto, b) Por presencia de concentraciones de cloruros en el concreto que rodea las barras, y c) Por corrientes eléctricas que recorren la masa del concreto.
Cimentaciones a. Carbonatación del concreto Se produce por la reacción química de los álcalis del concreto, particularmente el hidróxido de calcio, con el anhídrido carbónico del aire, que da como resultado el carbonato de calcio. En esta reacción, el pH del concreto cae a valores por debajo del nivel de protección, dejando a las barras en unos ambientes neutros y expuestos a la oxidación directa en presencia de humedad y oxígeno. La corrosión de las barras en estos casos es generalizada. El ritmo de avance de la carbonatación depende, en gran medida, en la calidad del concreto, en particular en su permeabilidad, y en el estado de fisuración de las superficies. b. Cloruros en la cercanía de las barras de acero Cuando están en presencia de humedad y oxígeno, convierten al concreto en un electrolito, destruyen la película pasivamente que las rodea y protege, y reaccionan con el fierro, generando un proceso electro-químico que produce corrosión del refuerzo de acero aun en concreto no carbonatados. La corrosión debida a cloruros es generalmente localizada. Los cloruros pueden ingresar al concreto, traídos por la brisa marina, por el agua de mar en las zonas de salpicadura, por la atmósfera de ambientes industriales contaminados con cloruros, por la aplicación de cloruros de sodio como agente contaminante en la superficie de los puentes – como ocurre en países nórdicos – o por su presencia en el suelo ya sea por su origen marino o por contaminación. Los cloruros pueden también estar presentes en la masa del concreto, introducidos en el proceso de preparación de la mezcla, con los agregados con el agua de mezcla o con los aditivos del concreto. La composición química del cemento es un factor importante en la neutralización de los sulfatos del cemento y de los cloruros en el concreto. El aluminato tricálcico, C3A, reacciona con dichas sales y forma compuestos insolubles. Será por tanto ventajoso el empleo de los cementos con mayor contenido de C3A. c. Las corrientes eléctricas directas Pueden ingresar al concreto inducidas por equipos tales como motores eléctricos no aislados, sistemas de puesta a tierra defectuosos, trenes eléctricos etc. Cuando dichas corrientes, al recorrer el concreto, encuentran discontinuidad eléctrica en la armadura y esta no tiene una descarga a directa a tierra, se produce corrosión localizada en los puntos de salida de la corriente de cada barra. El efecto de las corrientes vagabundas será más grave en concretos de baja resistividad, tales como concretos con contenidos altos de humedad o concretos contaminados con cloruros. La corrosión por corrientes vagabundas es una ocurrencia muy frecuente en edificaciones industriales con procesos húmedos y en los que los equipos no están aislados del concreto. Ocurre también en estructuras enterradas en suelos de baja resistividad eléctrica – por lo general suelos húmedos con alto contenido de sales – cuando hay sistemas de puesta a tierra de equipos industriales o de sistemas eléctricos como son las centrales de trasformación eléctrica.
Cimentaciones Efectos de la corrosión La corrosión del refuerzo genera óxidos de fierro en la superficie de las barras que producen fuerzas expansivas muy altas, que eventualmente destruyen al concreto que forma el recubrimiento y dejan a las barras expuestas directamente al medio y a la corrosión atmosférica. Las características de la destrucción dependerán del tipo de corrosión, de si éstas es localizada o generalizada, de la disposición de la armadura y su ubicación en la sección del elemento, etc. La corrosión lleva generalmente, la pérdida de la competencia estructural; por la destrucción del concreto; por la corrosión del acero que, cuando es generalizada produce reducción de la sección de la barra y pérdida de adherencia y cuando es localizada produce picaduras que originan concentraciones de esfuerzos que puede llevar a la rotura de las barras con resultados generalmente graves.
DISEÑO POR DURABILIDAD Cuando se diseña o construye una estructura de concreto, es indispensable tomar en cuenta una serie de factores interrelacionados para asegurar su durabilidad, estos son:
Las condiciones del medio Los mecanismo de ataque al concreto La medida de prevención
CONDICIONES DEL MEDIO Es esencial en primer lugar conocer las condiciones de exposición a las que estará sujeto el elemento estructural en su vida útil prevista. La evaluación de las condiciones del suelo debe realizarse en base a una investigación del sitio ligada al conocimiento geológico del área. Dicha evaluación no debe limitarse a establecer las condiciones de estabilidad y resistencia del suelo. Debe establecer también, la presencia de sustancias dañinas al concreto, la humedad del suelo y el origen de la misma, el nivel de la napa freática, y finalmente la resistividad electrice de los suelos hasta la profunda comprometida por las estructuras enterradas. La agresividad del suelo depende no sólo de la agresividad inherente de las sustancias químicas presentes sino también de su disponibilidad en el tiempo. Por lo general habrá un balance entre el ritmo de ataque y el ritmo en el que la sustancia agresiva se repone por migración en el suelo y a medida que la reacción prosigue, a través del concreto atacado. Dado que las migraciones de sustancias en el suelo solo se da cuando hay presencia de humedad, no sólo debe ponerse atención en determinar que agentes agresivos están presentes, sino también evaluar la permeabilidad del suelo, las variaciones de la napa freática y los efectos de los cambios estacionales y climático en el movimiento del agua subterránea. Una vez que se conoce el medio, debe identificarse a los agentes agresivos en base a la experiencia propia o bibliográfica para luego establecer los mecanismos de deterioro a los que podría estar sujeta la estructura y para definir las medidas de prevención más convenientes.
Cimentaciones MECANISMO DE ATAQUE El conocimiento de los mecanismos de ataque al concreto es indispensable para poder definir las medidas de prevención más convenientes para cada caso. Debe tenerse en cuenta que la generalidad de las veces la destrucción del concreto se da por una combinación de factores que se superponen y se suceden unos a consecuencia de los primeros. En el numeral 4.0 de este trabajo se describen los mecanismos de ataque más frecuentes que deben tenerse en cuenta.
MEDIDAS DE PREVENCIÓN La prevención contra deterioro involucra a todas las actividades de un proyecto, desde el diseño y detallado, selección de materiales, procesos constructivos, protección y mantenimiento. Las medidas de prevención deben ser más severas en estructuras en las que será difícil o imposible su inspección periódica, tal es el caso de las cimentaciones, estructurales enterradas o de las estructuras sumergidas. Hay una serie de medidas de prevención contra la corrosión del concreto y corrosión del acero que son comunes, hay otras que tiene un carácter más específico al tipo de agresión que se desea combatir. Las medidas de prevención comunes están relacionadas con la calidad del concreto y en especial con su permeabilidad. En cimentaciones y otras estructuras en contacto con el suelo y el agua son más las medidas de prevención comunes que las específicas. Porque en medios agresivos la corrosión del concreto, al no poder ser controladas pro falta de inspección, llevará necesariamente a la corrosión del refuerzo. Debe tenerse presente que solamente las estructuras bien diseñadas por durabilidad, construidas con materiales de la mas alta calidad, asociada con una ejecución rígidamente controlada, pasarán la prueba del tiempo en medio agresivo. La prevención comprende medidas relativas al diseño y medidas relativas a la calidad del concreto, medidas de protección complementarias. Medidas relativas al diseño y detallado En la etapa de diseño y detallado se toman decisiones que influyen directamente en la durabilidad de las estructuras. Las decisiones para ser correctas, tienen que basarse sobre el conocimiento profundo de las características del medio donde estarán inmersas las estructuras y de las características del uso al que estarán sometidas. Es recomendable que en la etapa se tomen decisiones correctas sobre aspectos tales como:
Cimentaciones a. Recubrimiento del refuerzo El propósito del recubrimiento es de proveer una barrera semi – impermeable suficientemente gruesa, para asegurar el concreto, en contacto con el acero, no esté carbonatado ni contaminado por sales. El espesor del recubrimiento debe ser compatible con las características agresivas del medio. La norma técnica nacional E – 060, Estructuras de Concreto Armado, establece los recubrimientos mínimos y llama la atención sobre los ambientes corrosivos y otras condiciones severas de exposición. El recubrimiento debe mantenerse en todas las superficies, de ser posible incrementarlo en los bordes y esquinas. Las estructuras sujetas a presión hidrostática, deben recibir protección adicional y en lo posible deben ser aisladas del agua mediante membranas impermeabilizantes. Es de notar que en ciertos ambientes, tales como ambientes marinos, el recubrimiento de concreto puede ser insuficiente como barrera contra la penetración de sales y será necesario recubrir a medidas especiales para lograr mayor impermeabilidad – revestimiento selladores o concretos de muy baja permeabilidad logrados con el empleo de aditivos densificadores. b. Control de fisuración Las fisuras en la superficie del concreto aumentan el riesgo de penetración de sales, oxígeno y humedad, propiciando corrosión del concreto y del acero. La fisuraión generalmente se explica por razones de trabajo estructural, tal como las fisuras por flexión, o, por tracciones debidas a la contracción del concreto. Este último producto de la fragua del concreto, del proceso de secado o de las gradientes térmicas – caso de elementos estructurales masivos. Para controlar los efectos de la fisuración que tiene su origen en el comportamiento estructural, es necesario limitar el ancho de fisuras, mediante una adecuada selección, dimensionamiento y distribución del refuerzo. La contracción del concreto debe controlarse principalmente mediante la selección de los componentes del concreto y sus proporciones, con procesos de compactación y curado adecuados y con juntas de control bien ubicadas. La gradiente térmica debe controlarse limitando la temperatura del concreto cuando se lo coloca. Para ello será necesario reducir la resistencia del concreto al mínimo posible para reducir la cantidad del cemento; empelar aditivos apropiados y encofrados que minimicen cambios de temperatura.
Cimentaciones c. Sección de los elementos Los agentes agresivos del medio penetran al concreto a través de las superficies. Cuando menor sea la superficie expuesta menor será la contaminación del concreto. En consecuencia, en el diseño debe buscarse secciones de perímetro mínimo. Será mejor, en este aspecto, las secciones rectangulares que las secciones con patín, y una sección rectangular ancha que dos angostas, etc. (ver figura N° 3).
Las estructuras masivas son menos vulnerables al ataque químico que las estructuras de secciones pequeñas, por la menor relación del área superficial a volumen expuesto. Sin embargo, problemas de otro tipo, ligados a la fisuración térmica, que pueden ocurrir en estructuras masivas si no se tiene cuidado en la selección de los materiales y en el curado. Los bordes y las esquinas son más susceptibles al ataque. Debe proveerse drenajes para la excavación de aguas sean éstas de cualquier origen. El agua acumulada ingresa a la masa de concreto y al hacerlo disminuye su resistividad, facilitando los procesos de corrosión galvánica. El agua debe drenar sin grandes recorridos horizontales y sin humedecer innecesariamente las superficies verticales. El diseño de los drenes debe evitar el humedecimiento del concreto por capilaridad. Los drenes que atraviesan el concreto deben ser de materiales libre de corrosión (fig. 4).
Las aguas del subsuelo deben drenarse o desviarse de manera que las estructuras enterradas no sirvan de elementos contenedores de su flujo. La presión de agua contra la superficie de concreto forzará el ingreso del agua a la masa del concreto y con ella de las sales y soluciones ácidas.
Cimentaciones Medidas relativas a la calidad del concreto En la generalidad de los casos en más efectivo y económico lograr concretos de calidad que brinden protección duradera al esfuerzo que recurrir a medidas de protección adicionales o correctivas. La observación de obras y la experimentación realizada en los últimos años, ha llevado a establecer que la durabilidad de una estructura de concreto está relacionada directamente con la permeabilidad de sus concretos. Es posible decir que permeabilidad es sinónimo de durabilidad. (9). La permeabilidad no es única, dependerá del agente agresivo que trate de penetrar en el concreto, así tenemos: permeabilidad a los líquidos (agua, agua ácida, agua de mar, soluciones de sulfatos, aguas duras, etc.); permeabilidad a los gases (oxígeno, CO2, SO3 etc) o permeabilidad al ión – cloruro. Las ventajas que se logran con concreto de permeabilidad baja son múltiples: I. Ritmo de carbonatación más lento. En concretos densos, el ritmo de carbonatación disminuye sustancialmente y puede detenerse totalmente a 10 ó 15 mm de la superficie. En cambio en concretos permeables el ritmo de carbonatación es más rápido – por la mayor superficie expuesta – y la penetración será incontrolada. II. El ingreso de agua será restringido y en un determinado medio ambiente, menor cantidad de agua penetrará y quedará retenida en la masa de concreto. En consecuencia dichos concretos tendrán menor conductividad eléctrica, y se privará al proceso eléctrico de uno de sus componentes esenciales: la humedad. III. La penetración de sales – cloruros y sulfatos – y soluciones ácidas será restringida y mas lenta. IV. Mayor resistencia a la compresión, a la tracción y mayor módulo de elasticidad. La permeabilidad es afectada por factores relacionadas con la selección y dosificación de los materiales y por factores relacionados con la obra. a.1. Relación agua / cemento (A/C) La relación A/C, de acuerdo a experimentaciones realizadas (10), tiene influencia muy grande en la permeabilidad del concreto. En ensayos reportados por Whiting (10), variando la relación A/C de 0.26 a 0.75 la permeabilidad del agua a presión hidrostática aumento 4 veces, para la misma variación, la penetración de soluciones de cloruros aumento 10 veces.
Cimentaciones Diversas normas ponen límites a la relación A/C. La norma técnica E – 060 limita dicha relación para el concreto expuesto a diversas concentraciones de sulfatos, ver tabal 2. El código ACI 318 – 89 limita la relación agua / cemento máximo a 0.40 y estipula la resistencia mínima a la compresión en concreto expuesto a diversos tipos de agresividad. Así, para concretos expuestos a corrosión fija como resistencia mínima 330 kg/ cm2 con lo cual pretende fijar un nivel mínimo de protección alcalina demás de asegurar un contendido de cemento que permita la posibilidad de concretos densos. Para reducir la relación agua / cemento, sin perder la trabajabilidad de la mezcla es conveniente el uso de aditivos reductores de agua. a.2. Tipo de cemento La composición química del cemento es un factor importante en la neutralización de los cloruros en el concreto. El aluminato tricálcico, C3A, al reaccionar con dichas sales forma compuestos insolubles. Será por tanto, más ventajoso cuando se trata de resistencia a la corrosión galvánica por cloruros el empleo de cementos con mayor contenido de C3A. Para atender el problema de la reacción química, por sulfatos, será necesario emplear cementos resistentes a los sulfatos. El tipo de cemento recomendado dependerá de la concentración de sulfatos en el medio, suelo o agua, en el contacto con el concreto. Los cementos de producción nacional que ofrecen protección contra el ataque de sulfatos son el cemento puzolánico IP. El cemento tipo II y el cemento tipo V. Estos se emplearán de acuerdo a las recomendaciones dadas en la tabla 2. a.3. Granulometría de los agregados Es recomendable emplear agregados con granulometría continua, ya que permiten lograr concreto más densos.
a.4. Sustancia deletéreas Previamente al empleo de los agregados y el agua es necesario hacer análisis químicos para conocer su contenido de sales y otras sustancias deletéreas al concreto. En especial su contenido de cloruros.
Cimentaciones El contenido total de cloruros no debe exceder del límite dado en la norma E – 060 (ver tabla 4) para cloruros solubles en agua de una muestra de concreto endurecido. En dicha tabla el contenido de cloruros se expresa como porcentaje del cemento en la mezcla. La evaluación de cloruros debe hacerse en función a las proporciones de la mezcla. Debe tenerse en cuenta que una parte del total de cloruros reaccionará con el cemento, durante la hidratación y se convertirán en insolubles y por tanto no dañinos. En muchos lugares de la costa se ha reportado canteras de agregados con muy alto contenido de cloruros solubles (Marcona, Chincha, Pisco u otros). En estos casos ante la dificultad de abastecimiento alternativo, es indispensable lavar los agregados para bajar su contenido de sales solubles. Luego del lavado los agregados deben analizarse por cloruros para establecer si el contenido de cloruros ha disminuido, a niveles compatibles con los límites establecidos por la norma. Es recomendable ser conservador en los contenidos de cloruros que admitimos, ya que la agresividad de estos puede aumentarse por presencia de otras sales despasivantes tales como los sulfatos. El agua en muchos casos puede ser un ingrediente que adiciona cantidades apreciables de cloruros. En centros urbanos por efecto del tratamiento, el agua ya tiene cloruros y debe establecerse su contenido. El agua de pozo debe también ser analizada. Cuando ésta está cercana al mar, por lo general, el agua tiene salinidad alta y no es recomendable emplearla sin un análisis que establezca el contenido de sales y en particular cloruros.
Cimentaciones Tabla 2. Concreto expuesto a soluciones de sulfatos Contenido Sulfatos soluble en agua, presente en el Sulfato en suelo como SO4 (*) agua p.p.m. % en peso
Cemento tipo
Despreciable
0.0 – 0.1
0 – 150
(***)
(****)
275
Moderado (**)
0.1 – 0.2
150 – 1500
II
0.50
310
Severo
0.2 – 2.0
1500 – 10000 V
0.45
330
Muy severo
> 2.0
> 1000
0.45
370
Exposición a sulfatos
mínimo de Relación cemento a/c máxima kg/m3 (*) (*****)
V mas puzolana
(*) Una relación agua cemento menor puede ser necesaria por razones de impermeabilidad, o por protección contra la corrosión de elementos metálicos embebidos, o por congelación y deshielo. (**) Agua de mar (***) Debe haberse comprobado que la puzolana es adecuada para mejorar la resistencia del concreto a la acción de los sulfatos, cuando ella es empleada en concretos que contienen cemento Pórtland Tipo V. (****) Para éste tipo de exposición no hay limitaciones (******) Recomendaciones de las normas Británicas.
Cimentaciones Tabla condiciones especiales de exposición
Condiciones de exposición
Relación agua / cemento máxima
Concreto de baja permeabilidad: a.
Expuesto a agua dulce
0.50
b.
Expuesto a agua de mar o agua salobre
0.45
c.
Expuesto a aguas cloacales (*)
0.45
Concreto expuesto a proceso de congelación y deshielo en condición húmeda:
a.
Sardineles, cunetas, secciones delgadas 0.45
b.
Otros elementos 0.50
Protección contra la corrosión de concreto Expuesto a la acción de agua de mar aguas, Salobres, neblinas o rocío de esta agua 0.40
Si el recubrimiento mínimo se incrementa en 15 mm 0.45 (*) la resistencia f´c no deberá se menor de 245 kg/ cm2 por razones de durabilidad.
Cimentaciones Tabla contenido máximo de ion cloruro Contenido máximo de ion cloruro soluble en Tipo de elemento
agua en el concreto Expresado como % en peso del cemento
Concreto pretensado
0.6
Concreto armado expuesto a la acción de cloruros
0.10
Concreto armado no protegido que puede estar cometido a un ambiente húmedo pero no expuesto a cloruro (incluye ubicaciones donde el concreto puede estar ocasionalmente húmedo tales como cocinas, garages, estructuras ribereñas y áreas con humedad potencial por condensación)
015
Concreto armado que deberá estar seco o protegido de la humedad durante su vida por medio de recubrimientos impermeables
0.80
a.5. Aditivos En estructuras que estarán sujetas a ambientes especialmente corrosivos, es recomendable el empleo de aditivos densificadores de la mezcla. Tal es el caso de la microsilica que reduce sustancialmente la permeabilidad del concreto al ión – cloruro o de los concretos impregnados con látex, que reducen drásticamente su permeabilidad a líquidos. En el empleo de aditivos en el concreto, como aceleradores u otros fines, debe tenerse especial cuidado de no incluir cloruros en la mezcla. Para el efecto deberá analizarse la composición química del aditivo propuesto y desechar en lo posible aquellos en cuya formulación haya cloruros.
Cimentaciones a.6. Empleo de barras protegidas contra la corrosión El empleo de barras protegidas por resinas epóxicas es una práctica probada extensamente en los países desarrollados del hemisferio norte. El recubrimiento epóxico no reduce significativamente la adherencia. De preferencia las barras deben ser revestidas luego de habilitado. El procedimiento que garantiza la uniformidad del revestimiento y la ausencia de discontinuidades en éste. b. Medidas relativas a la obra El medio más efectivo para lograr la durabilidad deseado en una estructura de concreto, es asegurar que el concreto desarrolle su calidad potencial. Será de particular importancia no solo el logro de la resistencia a la compresión, sino también, su densidad, su baja permeabilidad entre otras propiedades. Para asegurar esto, los procesos constructivos de mezclado, transporte y colocación, consolidación deben ceñirse a la buena práctica constructiva establecida en norma como el ACI 318, ACI 301 y norma técnica nacional E – 060 y deben ser controlados en todos sus aspectos. De particular importancias será: b.1. El almacenamiento de los materiales Debe evitarse su contaminación sus sustancias deletéreas. En ambientes marinos es necesario proteger las barras no solo para evitar su oxidación por humedad sino también para evitar su contaminación por la brisa cargada de cloruros. En todo caso es recomendable lavar las armaduras con agua potables inmediatamente antes del llenado del concreto. b.2. Curado Del curado del concreto dependerá no solo el logro de la resistencias del concreto sino también la calidad de sus superficies, en gran medida su fisuración y su permeabilidad, (Whiting (10) sostiene que si el concreto no es curado por la vía húmeda por lo menos 7 días, la permeabilidad crecerá 4 veces). El curado temprano y prolongado por vía húmeda es el mas efectivo. Cuando el curado se hace con membranas es necesario certificar previamente la performance de éstas. En superficies horizontales, el aniego continuado es el mas efectivo. Las “arroceras” para este propósito deben formarse con arena libre de contaminantes. En ciertos lugares las arenas que se encuentran en el sitio provienen de zonas costeras y pueden tener contenidos elevados de cloruros. Su empleo en las arroceras no es conveniente, porque producirán corrosión de cualquier barra de acero que sobresalga y porque los cloruros de la arena lavados por el agua serán introducidos en el concreto joven (12). El curado con membranas no es tan efectivo como el curado por vía húmeda. Previamente su empleo es conveniente certificar su performance mediante pruebas comparativas. Ensayos realizados han demostrado que hay “curadores” que no sellan las superficies y la pérdida de humedad es similar a la que ocurre en concreto expuesta al ambiente.
Cimentaciones b.3. Limitar el revenimiento de la mezcla (slump) Mezclas muy sueltas propician el asentamiento del concreto plástico, por debajo de la armadura superior, generando vacíos en le concreto que debilitan la sección, lo hacen menos denso y llevan a la fisuración del concreto superficial. b.4. Encofrados Los elementos de fijación de los encofrados que atraviesan el concreto deben ser removibles. No debiendo quedar por ningún concepto elementos metálicos, alambres u otros, sin el recubrimiento especificad. La práctica común de fijar los encofrados con alambre amarrado a la armadura, para luego del desencofrado cortar dichos alambres picando el concreto localmente y resanándolo, es tremendamente dañina. Además del daño estético y estructural que se ocasiona con el picado, el resane, la generalidad de las veces, no tendrá la misma calidad del concreto del origen. Se fisurará y será el camino para la corrosión del refuerzo.
En elementos masivos, el encofrado debe evitar la pérdida de calor y aminorar la gradiente térmica. b.5. Consolidación de la mezcla Tanto para lograr la resistencia y densidad potencial de la mezcla, es indispensable consolidar el concreto por medio de vibradores. La energía de los vibradores debe ser compatible con las características de la mezcla, la masa de concreto por vibrar, el tamaño de las secciones y la congestión de su refuerzo. b.6. Aislamiento del concreto Cuando la concentración de sulfatos o de soluciones ácidas es muy alta, es recomendable, en lo posible, aislar las estructuras del medio agresivo. El aislamiento puede hacerse reemplazando el material contaminado que rodea al concreto, por material no contaminado. Esta solución no es adecuada en terrenos saturados porque el relleno de material importado tenderá a contaminarse muy rápidamente. En estos casos, lo más adecuado es aislar la estructura de concreto mediante recubrimientos resistentes a sulfatos. La emulsión asfáltica ha probado dar buenos resultados. El aislamiento del fondo de las cimentaciones y las losas pueden hacerse mediante el empleo de membranas plásticas con juntas selladas. En este aspecto debe tenerse en cuenta que el aislamiento del concreto del medio agresivo, es una solución temporal por cuando los revestimientos tienen vida limitada. Siempre será mejor solución, especialmente en cimentaciones que son casi imposible de inspeccionar, buscar la protección en el mismo concreto: haciéndolo denso y muy baja permeabilidad.
Cimentaciones
INFORME PRELIMINAR DE UNA PATOLOGÍA ESTRUCTURAL (B) - LA CIMENTACIÓN EN LA INSPECCIÓN PRELIMINAR
En nuestra tarea de realizar un primer informe de una Patología, el paso siguiente es hacer un buen reconocimiento documental e histórico de la Cimentación, y en este sentido debemos analizar dos aspectos esenciales en la cimentación. Primero, que su elección concordase con los análisis y recomendaciones del estudio geotécnico, que su diseño haya sido adecuado y que en su ejecución no se hayan tomado medidas que desvirtuasen su operatividad. Segundo, que su estructuración siga teniendo validez en el presente, ante la posibilidad de cambios en el comportamiento y respuesta del suelo en el que se asienta, o ante eventuales cambios estructurales que puedan haber modificado la transmisión de carga al suelo durante la vida de la estructura. En el primer aspecto antes mencionado, debemos establecer que el tandem Suelo-Cimentación elegido en proyecto es el adecuado; hay opciones evidentes en estos casos, que incluso imponen las normativas, como son las siguientes: o o
Adecuado arriostramiento en ambos ejes ortogonales en zonas sísmicas. Una cuidada elección del tipo de pilotes a utilizar dependiendo del tipo de suelo y de la presencia de nivel freático.
Cimentaciones
o o
o
o
o
o
o
o
o
Soluciones constructivas racionales en cambios bruscos de cota de cimentación. Adecuación de los asientos previsibles en el caso de cimentaciones de diferente tipo, generalmente originadas en cimentaciones sobre zonas de suelos de estrato muy diferente. Control de asentamientos diferenciales en el caso de cimentación superficial interior combinada con pantallas perimetrales (muros o pilotes). Previsión en el diseño y cálculo de distorsiones angulares en cimentaciones superficiales en laderas. Control de un adecuado diseño estructural ante empujes al vacío de muros de contención para el caso de cimentaciones en edificaciones con grandes desniveles transversales. Optimizar el diseño y sobre todo establecer un adecuado arriostramiento en el caso de suelos arenosos con presencia de un nivel freático activo en zona sísmica, ya que existe una elevada posibilidad de licuefacción parcial o total del suelo. Control de recubrimientos en cimentaciones en ambientes marinos o en presencia de niveles freáticos agresivos. Control de estabilización en el caso de suelos potencialmente expansivos (arcillas expansivas), bien sea por un adecuado estudio de contrapeso de la estructura o la eliminación del estrato de suelo expansivo. Adecuado arriostramiento (incluido estricto cálculo a esfuerzos críticos) en el caso de cimentaciones superficiales en zonas de suelos con posibilidad de procesos kársticas.
Cimentaciones Y así, cualquier otra previsión que permita concatenar el tipo de cimiento elegido en relación biunívoca con el suelo del que se disponía. En el segundo aspecto, es evidente que tendremos que informarnos con cierta precisión de las posibles variaciones que en el tiempo ha podido tener el suelo, ya sea producto de intervenciones en el entorno de nuestra parcela, como por ejemplo:
Excavaciones en el perímetro de nuestra parcela que puedan haber provocado el descalce
momentáneo de nuestra cimentación, la descompactación del suelo en su entorno, o simplemente la variación de su humedad natural debido a su exposición. Cambios en parcelas aledañas que influyan en la permeabilidad de la zona, ampliación de
jardines, modificación de patios, ejecución de vias de acceso, etc. Realización de trabajos que hayan implicado compactaciones del suelo o distorsiones del mismo por elementos estructurales o de instalaciones, como compactación de bases o subbases de vías, pilotajes o micropilotajes vecinos, instalaciones enterradas en niveles de apoyo inferiores a la cota de apoyo de nuestra cimentación, etc. Cambios de uso de la franja perimetral de nuestra parcela en una distancia menor o igual a 3 veces la profundidad de apoyo de nuestra cimentación, como pueden ser aparcamientos, almacenes de carga pesada, etc.
Así mismo hemos de considerar los incidentes o accidentes que puedan haber modificado momentánea o definitivamente la respuesta portante del suelo de la parcela, entre los que podemos citar los siguientes:
Cimentaciones
Fugas de agua, ya sea potable o servidas, determinando si el incidente fue localizado o generalizado en la parcela. Trabajos de ampliación o modificación de sótanos o instalaciones en el subsuelo. Modificaciones de la permeabilidad de la parcela producto de variación de las aceras, cambios superficiales en patios del terreno, adoquinado o zonas de solera. Cambios de uso de los niveles de planta baja y sótanos que implicasen un mayor nivel de cargas, como la instalación de concesionarios de vehículos, almacenes de carga pesada, etc. Cualquier modificación estructural global o parcial que pueda haber modificado la transmisión de cargas en forma positiva o negativa a través de la cimentación, lo que implica ampliaciones o reducciones de superficies habitables y/o constructivas de la estructura.
Otro aspecto muy importante en la información que debemos captar sobre nuestra cimentación, se corresponde con los materiales empleados, los métodos de ejecución utilizados y los niveles de control que se pudieron haber establecido; este conjunto de datos nos permitirá determinar el estado actual de la cimentación, que dependiendo sobre todo del entorno al que ha estado sometida nos permitirá determinar con mayor o menor precisión su estado actual y su comportamiento. Evidentemente todos estos datos en gran medida estarán determinados por la fecha de ejecución, que nos ubicará en unas normativas y costumbres de ejecución muy concretas. Es evidente que sobre la determinación de la cimentación existente de una estructura se puede escribir un libro o dos, pero creo que con estos lineamientos y ejemplos concretos, podemos tener una perspectiva clara de lo que hay que perseguir al informarnos de la tipología de cimentación que tenemos en nuestra patología; demás está decir que todo dato que se consiga es muy importante, sobre todo en los apartados de Suelo y Cimentación ya que es obvio que su reducida accesibilidad es un handicap en nuestras auscultaciones.
Cimentaciones
INFORME PRELIMINAR DE UNA PATOLOGÍA ESTRUCTURAL (C) - LA ESTRUCTURA VERTICAL EN LA INSPECCIÓN PRELIMINAR
Continuando con nuestra apreciación de la Tipología Resistente de nuestra estructura, ahora veremos la Estructura Vertical desde un punto de vista que nos permita analizar su influencia en los síntomas y la Patología presentada. En primer lugar hay que analizar eventualidades de diseño que aunque son válidas con las normas en las manos, no necesariamente son las mejores soluciones desde el punto de vista del comportamiento estructural, muchas de ellas tienen “nombre propio” ya que han salido retratadas muchas veces en las noticias.
Cimentaciones Planta Baja Blanda Cabe indicar que algunas de estos diseños “liberales” están contraindicados en las normativas de zonas sísmicas; sin embargo aún en zonas que no tienen una elevada sismicidad, se llegan a producir cierto tipo de vibraciones y de movimientos producidos por la ejecución de cimentaciones vecinas, sobre todo en el caso de pilotajes hincados; y sobre todo por vías cercanas de gran volumen de tráfico o por el cruce subterráneo de vías de trenes urbanos. A continuación indicamos a modo de ejemplo unas de esas soluciones de diseño (comentadas) que pueden incrementar las posibilidades de presencia de patologías, y que son las siguientes: El caso de la “Planta baja blanda”, es decir la situación en que la planta baja presenta una altura o luz libre de pilares más de 15% superior a las demás plantas, lo que suele ser una costumbre arquitectónica en edificios públicos, comerciales o de oficinas, ya sea porque se pretende presentar una entrada majestuosa o porque se haya previsto un mezzanine en determinadas zonas y en otras no. Esta irregularidad del sistema estructural provoca una disminución de rigidez en esa planta, provocando una concentración de deformaciones debido a la reducción consecuente de ductilidad; claro que la normativa tiende a proponer en el proceso de cálculo el incremento de la ductilidad local de esa planta para mantener una ductilidad a nivel global, pero su consecución no siempre se da de forma adecuada.
Cimentaciones Marquesinas Evidentemente
este
fenómeno
distorsionador
del
sistema
estructural
suele
provocar
deformaciones diferenciales entre los elementos exentos interiores y los de la envolvente o exterior del edificio, que generalmente presentan una mayor rigidez en uno de sus ejes ortogonales al estar coartados por la fachada del edificio, reduciendo significativamente su posibilidad de pandeo. La disposición de un semisótano, sea este el único nivel de subsuelo o no. El semisótano suele tener determinadas justificaciones arquitectónicas, como el de aprovechar la luz natural en una planta bajo tierra, el de favorecer el acceso con una escasa disposición de rampa, ect. En este caso la variable estructural que predispone un comportamiento diferencial está en la concentración de esfuerzos que se presenta en los tramos cortos de pilares que se dan entre la cota enterrada (muro) y el forjado de planta baja, fenómeno conocido como “columna corta”. La disposición de marquesinas no incluidas en el proyecto original, generalmente producen en los pilares en que se anclan un sobreesfuerzo para el que no fueron diseñados, y que generalmente se resuelven de forma puntual y a veces sin soluciones de continuidad por estética que resultan ser insuficientes de cara a mantener una respuesta y comportamiento global de la estructura. La disposición en una estructura de hormigón armado de núcleos con pilares metálicos para reducir dimensiones de la estructura vertical que crea una zona de rigidez y comportamiento diferenciado; generalmente suele darse en zonas de huecos en los forjados como núcleos de ascensores o escaleras y patios de luz. Los casetones, suelen ser elementos que más bien van adosados a la estructura, y que muchas veces no se han contemplado como parte de esta, tan sólo representan y se han considerado como una carga sobre la cubierta en el proyecto de estructura; sin embargo son elementos que pueden transmitir un nivel adicional de carga de viento que a veces no es considerado o que no se hace su adecuada consideración como carga horizontal. Los cambios bruscos de secciones en los pilares, suelen presentar varios tipos de problemas, como el correcto anclaje de las barras que no tienen continuidad o una adecuada transición en el estribaje (armadura transversal). Evidentemente el cambio brusco de sección representa un cambio de rigidez estructural que puede provocar una concentración de esfuerzos a la que debe darse un efectivo confinamiento, y la falta de detalles adecuados en los planos del proyecto, generalmente provocan soluciones inadecuadas y apuradas durante la ejecución.
