Cimentaciones Ing. Carlos A. Salcedo Chahud
El suelo
Todas las estructuras descansan en la superficie de la tierra y los cimientos son la parte final de la estructura. La misión de los cimientos es proporcionar al edificio una base rígida capaz de transmitir adecuadamente las acciones que se producen por la interacción entre el movimiento del suelo y el de la estructura, sin que se generen fallas o deformaciones excesivas en el suelo de apoyo. Cuando es factible elegir el sitio donde se ubicará la edificación, es preferible un lugar de terreno firme, libre de problemas de las amplificaciones locales del movimiento del terreno que pueden presentarse en un suelo blando, y de los asentamientos excesivos y pérdida de la capacidad de apoyo que pueden ocurrir por la licuación de algunas arenas poco compactas.
El suelo
Si se excava en la superficie de la tierra se puede encontrar roca. Esta roca puede estar varios metros debajo del nivel del suelo, por lo que las cimentaciones se suelen construir en el suelo que está por encima del nivel de la roca. El comportamiento de los suelos bajo carga es muy complejo, debido a esto, se creó la disciplina llamada “Mecánica de Suelos”.
El suelo
La primera etapa para comprender el comportamiento mecánico de los suelos es identificar el tipo de suelo que se ha encontrado. Se pueden clasificar en general en rocas, suelos granulares y suelos arcillosos. Se encuentran formando capas o estratos, por lo que debajo de cada edificio pueden encontrarse distintos tipos de suelo
Capas de suelo
Sección
Ejemplo de perfil de suelos
El suelo
Se puede poner como ejemplo de rocas el granito, la arenisca y la caliza; de suelos granulares, las arenas y las gravas; de suelos arcillosos, los varios tipos de arcilla. Cimentar sobre roca pocas veces es un problema de edificación, ya que son resistentes y rígidas, pero cimentar sobre terrenos granulares o cohesivos necesita de un estudio cuidadoso.
El comportamiento del suelo
Para comprender el comportamiento del suelo bajo carga podemos estudiar dos modelos simplificados. Uno está hecho de muelles elásticos separados, y el otro de esferas elásticas. Los dos están dentro de un hoyo con los bordes totalmente rígidos.
El comportamiento del suelo
En el primer modelo el comportamiento es bastante sencillo. Cuando se aplica la carga a través de una cimentación rígida, los muelles se deforman en dirección vertical bajo su parte de carga. A medida que crece la carga, crece la deformación. El fondo y los lados del hoyo no se mueven. Este modelo supone que el suelo bajo los cimientos trabaja como una estructura aislada, los muelles. Esto es lo mismo que suponer que hay debajo de la cimentación una columna finita de suelo elástico y que el suelo que está fuera del agujero no queda afectado por la carga.
Modelo sencillo
Modelo sencillo
El comportamiento del suelo
El segundo modelo, el de las esferas elásticas, es más complejo y tiene tres etapas de comportamiento. Las esferas del agujero han sido colocadas sueltas, por lo que en la primera fase se produce una compactación entre las esferas al ser cargadas. Podemos experimentar este fenómeno sacudiendo un envase con arroz o azúcar y midiendo la altura que ocupan antes y después de agitarlos.
El comportamiento del suelo
El segundo efecto está producido por la coacción que aparece en sus contornos cuando las esferas se deforman. Como cada esfera está en contacto con otra o con las paredes del hoyo, no pueden deformarse de forma libre. Cuando las esferas confinadas están sometidas a una compresión, la coacción a su deformación lateral produce cargas horizontales en las paredes del agujero infinitamente rígidas. Cuando las esferas se deforman, la cimentación se mueve hacia abajo dentro del hoyo; esto reduce el volumen total del agujero y el tamaño de los huecos que quedan entre las esferas.
El comportamiento del suelo
Cuando se llenan todos los huecos, el hoyo estará totalmente lleno de material elástico. Este es un material muy distinto del que formaban las esferas cuando casi no se tocaban. Es decir, el hoyo lleno de esferas elásticas tiene tres fases de comportamiento: Fase 1. Reducción de los huecos por compactación. Fase 2. Deformación de las esferas que rellenan los huecos. Fase 3. Deformación del hoyo lleno de material elástico.
El comportamiento del suelo
Esto nos da un diagrama carga/desplazamiento con tres zonas:
El comportamiento del suelo
Es posible encontrar ejemplos de piedras esféricas en la naturaleza (se pueden encontrar en lechos de cantos rodados). Para este suelo el modelo de las esferas elásticas es razonable, pero las restricciones del hoyo rígido, no. Un mejor modelo para este suelo sería una carga “infinitamente ancha” de esferas elásticas con espesor finito. Esta capa reposa en una base rígida.
El comportamiento del suelo
Cuando la cimentación entra en carga, las esferas se compactan localmente. A continuación las esferas que entran en contacto empiezan a deformarse. Como no existe un hoyo con paredes rígidas, las esferas adyacentes “sin carga” tienen que producir las necesarias reacciones laterales.
El comportamiento del suelo
Las esferas de la parte inferior producirán los esfuerzos laterales si son lo suficientemente pesadas. Cada capa de esferas transfiere su carga a la capa inferior y cada capa tendrá más esferas cargadas a medida que esté más baja.
El comportamiento del suelo
Como el suelo no está hecho de esferas elásticas y además carece de base rígida, el volumen de suelo tensionado bajo un cimiento toma la forma de un bulbo.
El comportamiento del suelo
Para que una esfera elástica se deforme hasta convertirse en un cubo, debe ser muy elástica. Una esfera de piedra no se convertirá en un cubo por que antes de deslizará lateralmente. Si se aumenta la carga de los cimientos, las esferas que sufren altas tensiones se romperán o bien la carga lateral que producen será excesivamente alta para las esferas “sin carga” y éstas se moverán hacia arriba.
El comportamiento del suelo
Curva carga deformación
El comportamiento del suelo
Si trazamos una curva carga deformación para este modelo, vemos de nuevo que tiene tres fases: Fase 1. Reducción de huecos por compactación. Fase 2. Deformación de las esferas. Fase 3. Hundimiento por aplastamiento o desplazamientos ascendentes.
Tipos de cimentación
La cimentación puede ser superficial y profunda. Las superficiales son las que se apoyan en estratos poco profundos que tengan capacidad para resistir cargas. Las zapatas pueden ser aisladas, combinadas o corridas. Las losas de cimentación pueden ser losas planas o losas con vigas.
Tipos de cimentación
Las cimentaciones profundas están constituidas esencialmente por pilotes que transmiten su carga por “punta” o por fricción. Los pilotes se colocan bajo las zapatas o losas y transmiten la carga a los estratos mas profundos.
Recomendaciones
En general , para la elección del tipo de cimentación es deseable seguir los mismos lineamientos que se han recomendado para escoger la forma de la superestructura, tales como simetría, regularidad y distribución uniforme. Debe evitarse al máximo combinar sistemas de cimentación superficiales y profundos. Distribuir las cargas verticales simétricamente, que los momentos de volteo no sean excesivos, que la planta no sea muy alargada.
Recomendaciones
Se debe buscar que la cimentación tenga acción de conjunto, que limite en lo posible los desplazamientos horizontales y verticales entre los distintos apoyos. Es recomendable amarrar las zapatas ya sea que estén apoyadas sobre suelo o pilotes. La cimentación debe poder transmitir los cortantes basales al terreno. En cimentaciones superficiales la resistencia a la fuerza cortante en la base la proporciona la fricción entre el suelo y la cimentación.
Capacidad portante (referencial)
Angulo de reposo (referencial)
Calzaduras
Sub-zapatas
Sub-zapatas
