INSTITUTO TECNOLOGICO DE TEPIC
CIMENTACIONES U1 Introducción y definiciones
Investigación documental Equipo # 2
Cortes Miralrio Gloria Montserrat
De la Paz Ruiz Ruiz Nestor
Martinez Crespo Sergio Benjamin
Palacios Guizar Jessica Paulina
Ramirez Kelle German
Covarrubias Dorado Enrique Tepic, Nayarit a 3 de Septiembre del 2012
ÌNDICE
Importancia y objetivo de una cimentación…………………………..3
Cuadro sinóptico de la clasificación de las cimentaciones…….5
Describir los problemas más frecuentes que se presentan pr esentan en las cimentaciones………………………………………………………………5
Describir la interacción suelo-estructura……………………………..6
Ejemplo de un estudio de mecánica de suelos………………………7
IMPORTANCIA Y OBJETIVO DE UNA CIMENTACION La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno, el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que la cimentación la realizaremos en función del mismo. Al mismo tiempo este no se encuentra todo a la misma profundidad por lo que eso será otro motivo que nos influye en la decisión de la elección de la cimentación adecuada. La finalidad de la cimentación es sustentar estructuras garantizando la estabilidad y evitando daños a los materiales estructurales y no estructurales. Los problemas que se presentan en la cimentación de un edificio o una estructura pueden dividirse en:
Estudio del material que forma el terreno en que se construirá el edificio.
Estudio realizado en el laboratorio de mecánica de suelos. Un cimiento es aquella parte de la estructura que recibe la carga de la construcción y la transmite al terreno por medio del ensanchamiento de su base. La base sobre la que descansa todo el edificio o construcción es lo que se le llama cimientos. Rara vez estos son naturales. Lo más común es que tengan que construirse bajo tierra. La profundidad y la anchura de los mismos se determinan por cálculo, de acuerdo con las características del terreno, el material de que se construyen y la carga que han de sostener Es evidente que para que una estructura ofrezca una seguridad y comportamiento razonable ha de contar con una cimentación adecuada. Aunque la cimentación es algo que no llama la atención y para inadvertida por los usuarios de la estructura, la organización de sus elementos básicos y el estudio de cada una de sus partes suele a veces exigir del ingeniero o proyectista la mayor destreza y el mejor criterio del que normalmente necesita para redactar el proyecto. La construcción de una cimentación es, a veces, el trabajo más difícil de todos los que se presentan al realizar una obra. La responsabilidad del buen funcionamiento de una cimentación recae sobre el que la estudia y proyecta. El constructor podrá tener problemas para realizar lo que figura en los planos y especificaciones pero no es responsable del mal criterio que se haya seguido para concebir y diseñar el proyecto. También los que proyectan la estructura y deben tomar las decisiones vitales han de enfrentase a problemas complejos. La naturaleza ha dispuesto los materiales en el sitio en que se encuentran en una forma caprichosa, y es difícil averiguar cuál será el comportamiento de estos materiales cuando sean sometidos a la acción de las cargas; las aguas pueden arrastrar el terreno o inundar la estructura, las masas se hielo o los vendavales pueden ejercer presiones de magnitud desconocida; las heladas pueden dar origen a levantamientos y hundimientos. Igualmente la intervención de la mano del hombre puede agravar las dificultades y así es posible topar con una barcaza hundida o con un montón de escombros enterrados bajo el fango o la arena, con una vieja alcantarilla que atraviesa el lugar de ubicación bajo la superficie del ter reno, o bien encontrarse con que una parte del terreno está formado por materiales de relleno dudoso, tales como antiguos lechos de r amajes
o de materiales flexibles. También puede añadirse que a menudo parece como si los que van a ser propietarios estuvieran resueltos a construir estructuras demás importancia en los sitios más inoportunos y además con una sume de dinero excesivamente escasa. ¿Ha de acobardarse el ingeniero frente a estas dificultades? ¿Debe retirarse a casa y esperar a que aquellas desaparezcan? Lo que tiene que hacer es obtener toda la información posible acerca de los problemas con que se enfrenta, determinar lo procedimientos que puede seguir, estudiar distintas variantes que puede utilizar para soportar la estructura, prever la influencia probable de estas variantes, estimar su costo aproximado, decidir sobre la viabilidad relativa de la construcción, aconsejar sobre lo que él considera como mejor y, finalmente, explicar a sus clientes la naturaleza de los problemas y las razones de sus recomendaciones. Así pues, las decisiones importantes deben estar fundamentadas en el buen criterio y sentido del ingeniero.
CLASIFICACIÒN DE LAS CIMENTACIONES
PROBLEMAS MÁS FRECUENTES PRESENTADOS EN LAS CIMENTACIONES Las Patologías que aparecen en las estructuras como consecuencia de problemas originados en las cimentaciones provocan daños que a veces pueden concluir en colapsos, lo que conlleva pérdidas materiales y hasta de vidas humanas. Trataremos aquí de determinar las causas más frecuentes y sus efectos en las construcciones.
Introducción: Causas Estos fallos estructurales pueden originarse en la interacción entre el terreno y la estructura; el terreno recibe las cargas trasmitidas y se deforma bajo esta presión. Sabemos que el terreno no es una masa homogénea de tierra, como otros materiales construidos por el hombre; el terreno es heterogéneo, es decir, que posee distintos componentes que lo integran (áridos, arcillas, tierra vegetal, residuos orgánicos o inorgánicos, restos de construcciones o antiguas cimentaciones, agua, etc) , por esta razón en muchos casos es difícil evitar que se produzcan asientos diferenciales entre diferentes elementos de apoyo, pues el material que subyace bajo estos cimientos puede comportarse en forma distinta. Tanto la resistencia como la deformabilidad del terreno no son constantes y pueden ser afectadas entre otras, por causas como:
Modificaciones en el contenido de humedad.
PROBLEMAS MÁS FRECUENTES PRESENTADOS EN LAS CIMENTACIONES Las Patologías que aparecen en las estructuras como consecuencia de problemas originados en las cimentaciones provocan daños que a veces pueden concluir en colapsos, lo que conlleva pérdidas materiales y hasta de vidas humanas. Trataremos aquí de determinar las causas más frecuentes y sus efectos en las construcciones.
Introducción: Causas Estos fallos estructurales pueden originarse en la interacción entre el terreno y la estructura; el terreno recibe las cargas trasmitidas y se deforma bajo esta presión. Sabemos que el terreno no es una masa homogénea de tierra, como otros materiales construidos por el hombre; el terreno es heterogéneo, es decir, que posee distintos componentes que lo integran (áridos, arcillas, tierra vegetal, residuos orgánicos o inorgánicos, restos de construcciones o antiguas cimentaciones, agua, etc) , por esta razón en muchos casos es difícil evitar que se produzcan asientos diferenciales entre diferentes elementos de apoyo, pues el material que subyace bajo estos cimientos puede comportarse en forma distinta. Tanto la resistencia como la deformabilidad del terreno no son constantes y pueden ser afectadas entre otras, por causas como:
Modificaciones en el contenido de humedad. Lavado de áridos. Disoluciones. Actividades de la construcción en área próxima. Entre los diversos factores que generan fallos, encontramos tres grupos:
1. Cimientos: Deterioro de los materiales 2. Cimientos: Mal comportamiento 3. Acción de las Cargas: Incremento o variaciones no contempladas por proyecto
A continuación, señalaremos los problemas más frecuentes de fallos en una cimentación de acuerdo a su Tipo. Cimentación Superficial En las cimentaciones superficiales pueden ocasionarse fallos por alguna o la combinación de las siguientes causas:
Socavación y arrastre de finos. Cimentación apoyada sobre rellenos mal compactados o flojos. Existencia de arcillas expansivas o suelos colapsables.
Existencia de zanjas rellenas mal compactadas. Hundimiento de oquedades o cavernas no detectadas en etapa de estudio inicial. Cimentaciones en laderas, donde pueden producirse fenómenos de reptación o deslizamientos provocados por la excavación. Heterogeneidad de la cimentación o del terreno, que provoca asientos diferenciales entre apoyos. Cimentación Profunda En las cimentaciones profundas pueden ocasionarse fallos por:
Rozamiento negativo. Los empujes laterales sobre pilotes pueden provocar esfuerzos de flexión no calculados en el dimensionamiento. Muros y Pantallas En muros de contención y pantallas puede ocurrir:
Fallo en los apuntalamientos o en anclajes. Acción del agua por empuje sobre el trasdós del muro como consecuencia de sobreelevaciones del nivel freático. Valoración incorrecta de las acciones. Otros
Por movimientos sísmicos en terrenos granulares saturados, puede ocurrir licuefacción. La congelación y/o descongelación del terreno puede producir asientos o levantamientos del terreno (aunque no es un fenómeno usual en los países donde no nieva).
En la presente ficha vamos a analizar las causas básicas de fallos de cimentación. Una primera clasificación sería:
o o
Causas intrínsecas:
Defecto de proyecto. Defecto de ejecución.
Causas extrínsecas: Variaciones en las hipótesis de proyecto. Variaciones en las condiciones del entorno.
o o
Causas intrínsecas de fallos de cimentación Se agrupan aquí los fallos de cimentación consecuencia de la interacción entre el terreno y la propia cimentación de la construcción afectada. 2.1. Defectos de proyecto Son errores de concepción, de diseño o cálculo del proyecto. Son errores previsibles por lo que si se tienen en cuenta en el diseño y cálculo de la edificación, el riesgo de que provoquen daños se minimiza.
Enumeramos aquí no todas pero sí algunas de las posibles causas de problemas derivadas del proyecto:
Falta de capacidad de carga: cimentación insuficiente o capacidad de carga del suelo insuficiente. Esfuerzos no contemplados, por ej. por olvido de algunas sobrecargas de explotación. Conocimiento insuficiente del suelo. Lo que deriva en la ignorancia de riesgos especiales geotécnicos. Las causas pueden ser: escasez de reconocimientos previos del terreno, mala interpretación de los mismos, no consideración de los fenómenos de agresividad, etc.
Cobra importancia en terrenos con especiales características: o o o o
Arcillas expansivas Suelos colapsables Rellenos antrópicos Suelos blandos naturales
Infravaloración del riesgo geotécnico, conocido éste. Casos así pueden ser: desprecio de los efectos que produce la falta de homogeneidad de un suelo o las distintas profundidades de aparición de la roca en planta, desprecio de los efectos de la potencial expansividad o de posible subpresión o fenómenos de subsidencias, procesos de disolución, etc. Defectos en la evaluación del terreno: asientos calculados no tolerables por la estructura, esfuerzos parásitos en pilotes (olvido del efecto de asiento de terrenos flojos o rellenos recientes), etc. Efecto grupo en pilotes: defectuosa estimación del efecto grupo en pilotes flotantes, no consideración de los esfuerzos laterales o del rozamiento negativo, etc. Ausencia de consideración del bulbo de tensiones de la cimentación propia, y su alcance. Pero también de cimentaciones colindantes, que podrían suponer una carga oblicua sobre nuestra cimentación: habrá que considerarla en cálculo y prever un proceso constructivo adecuado (no vayamos a provocar daños a otras edificaciones). Ignorancia de las condiciones de contorno, es decir no consideración de las condiciones del entorno de la estructura proyectada: posibles socavaciones, arrastres, descalces, agotamientos, rebajamientos de nivel freático, etc. Heterogeneidades: distribución irregular de las cargas, o excesiva excentricidad de las mismas a nivel de cimentación.
2.2. Defectos de ejecución No deben confundirse con los errores de proyecto por ser ejecución de éstos. Los defectos de ejecución normalmente responden a un deficiente Control de Calidad. Por tanto, en principio son evitables. Algunos errores de ejecución podrían ser:
Apreciación errónea de los estratos resistentes, confundidos con capas de poco espesor, bolos erráticos, etc. Errores de replanteo Mala calidad de los materiales, en especial hormigones. Deterioro de zapatas, losas o muros por escasa calidad de los materiales: grietas de retracción por mala dosificación del hormigón, materiales con resistencia inferior a la requerida en proyecto, etc. Degradación del material, suele ir unido al anterior: hormigón no resistente a la agresividad del terreno, recubrimientos insuficientes, madera, metal, etc...
Lavado del hormigón en cimentaciones superficiales o profundas, colocado en presencia de aguas en movimiento. Errores en la colocación de armaduras, confusión de diámetros de armado, ausencia de separadores, etc... Problemas de fraguado, unidos a errores de vertido, de dosificación, de curado... Cimentaciones profundas mal ejecutadas (fondo no bien limpio, cortadas, lavadas,...) o de baja calidad y excesiva carga portante de cálculo. Rotura o corte de pilotes, rotos durante la hinca o pilotes hincados en arcilla blanda que no han sido rehincados debidamente, fallo de los empalmes en pilotes de acero o de madera, defectuosa extracción de la entubación en el caso de pilotes hormigonados in situ, etc Rellenos estructurales. Defectos de compactaciones en cimentaciones sobre rellenos estructurales (sustituciones de terreno o mejoras de terreno).
Defectos de ejecución de pilotes hormigonados in situ: Intrusión de terreno por defectuosa extracción de la entubación
Causas extrínsecas de fallos de cimentación Son las derivadas de la actividad humana a lo largo del tiempo, así que son variables por definición y difícilmente previsibles. Se engloban tanto los cambios en el propio edificio como en el entorno, y en cualquier caso, modifican sustancialmente las condiciones para las que se diseñó la cimentación.
3.1. Variaciones en las hipótesis de proyecto Se trata de las modificaciones al proyecto del propio edificio que pueden afectar a la cimentación. Y esto puede ocurrir de varias formas, entre ellas:
Aumento del número de plantas sobre rasante. Necesidad de profundizar la cimentación en toda o parte de la estructura, para ganar sótanos o bien fosos industriales, cámaras acorazadas, etc. Incrementos de sobrecargas de uso. Aumento de la actividad que precise la aparición de elementos no previstos (fichero, etc) o bien un cambio de actividad y consecuentemente de las cargas. Incluso solicitaciones dinámicas de maquinaria, no previstas inicialmente. Cese de la actuación de fuerzas que disminuían o contrarrestaban las cargas. Rehabilitación o adecuación al uso sobre todo en plantas bajas. Cambio de función de la estructura y normalmente conlleva una redistribución de cargas, con una nueva distribución de pilares, apertura de huecos no previstos en muros de fachada, etc.
3.2. Variaciones en las condiciones del entorno. Se trata aquí de las afecciones del entorno a la cimentación que tienen su origen en la actividad del hombre y por tanto no previsibles en proyecto. Es imposible prever en el proyecto inicial modificaciones futuras y menos aún del entorno. Sin embargo muchos de estos problemas se evitarían de considerarse adecuadamente cuando se proyectan esas actuaciones posteriores. Es el caso de excavaciones, túneles o edificios de nueva construcción en las proximidades de edificios existentes. Es decir, muchas veces estaríamos ante defectos del proyecto de la actuación posterior, cuyas consecuencias se ven en preexistentes próximos (en cuyo proyecto no podían preverse, evidentemente). Para ilustrarlo con ejemplos, vamos a enumerar aquí algunas posibles variaciones del entorno: Cargas adyacentes: alteración general producida por construcción en las inmediaciones. Inducción de movimientos complementarios: asientos, desplazamientos y giros. En cimentaciones por pilotes: empujes horizontales y rozamiento negativo. Fenómenos de inestabilidad y deslizamiento: por socavaciones, arrastres, erosiones ...
Empujes horizontales producidos por cargas superficiales
Inestabilidades y deslizamientos inducidos: o o o o o
Excavación y desmonte al pie de laderas Excavaciones en la base de muros Socavación Supresión de la vegetación Modificación de la escorrentía superficial
Excavaciones próximas al aire libre o subterráneas. Produciendo una disminución de la capacidad de carga de la cimentación, excesiva deformación del suelo, asientos superficiales junto a zanjas y taludes, descalce de cimentación, afección al bulbo de presiones, etc. La afección de las excavaciones a cielo abierto depende de varios factores a considerar si queremos disminuir el riesgo para las construcciones próximas. Fundamentalmente: o o o o
Características del terreno Profundidad de la excavación Distancia horizontal de la excavación a la edificación preexistente. Velocidad de excavación
o o
Tiempo que permanece abierta Rigidez de la contención y elementos de soporte lateral (anclajes, entibación...)
· Vibraciones y efectos dinámicos. Alteración de las condiciones de equilibrio del suelo producida por vibraciones o percusiones en las proximidades de la estructura. Dependen del tipo de edificio y de las características de la vibración: intensidad, duración y frecuencia. Sus efectos dependerán del tipo de terreno (por ej. tendrá mayor afección en arenas poco densas) y de si hay capas transmisoras: costras, vetas cementadas, etc. Estos son algunos de los efectos que pueden provocar sobre el terreno:
densificación de arenas sobrepresiones intersticiales en arcillas licuefacción de suelos limosos
Se han desarrollado criterios empíricos para su previsión en el caso de impactos, procesos de hinca... como los de Artewell y Farmer (1973). De forma que se llega a determinar la magnitud de los daños en función de la velocidad de propagación de la vibración. A tener en cuenta cuando se proyectan impactos como voladuras o hinca de pilotes:
Daños ligeros: 10-15 mm / sg. Daños graves: 80-150 mm / sg.
· Modificaciones del contenido de humedad y el nivel freático. La variación del nivel freático modifica las presiones efectivas sobre cimentaciones profundas y provoca fenómenos de subsidencia / subpresión en el resto. Puede tener muy diversos orígenes: Desaparición de bombeos de sistemas de riego o abastecimiento Procesos de desecación como ejecución de pozos de bombeo, drenajes, plantación de árboles de desarrollo rápido, etc Fugas antrópicas: roturas o escapes de conducciones subterráneas, canales, piscinas, colectores... La ejecución de túneles, pantallas (soterramientos), pueden producir bien un efecto “dren” o bien efecto de barrera. Excavaciones que producen un rebajamiento del nivel freático
EJEMPLO DE UN ESTUDIO DE MECANICA DE SUELOS PROYECTO COMPLEJO FRONTERIZO PICHACHEN ALTO ANTUCO REGION DEL BIO BIO
