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CIMENTACIONES “Los futuros arquitectos encontrarán, aun cuando puedan confiar los cálculos últimos de sus estructuras a un especialista, que ellos mismos deben ser antes cg paces de idearlas y darles las correctas proporciones”.

Pier Luigi Nervi

1. INTRODUCCION

Cuando se van a iniciar las actividades de construcción de una obra en un lote o terreno correspondientes a las excavaciones , se requiere la presencia en el sitio de la comisión de topografía, estudio de suelos, herramientas, equipos, personal y todo lo necesario para acometer las excavaciones correspondientes a las cimentaciones o fundaciones de la estructura a construir.

2.- ETAPAS PREVIAS AL PROCESO DE EXCAVACIÒNPARA LAS CIMENTACIONES Actividades necesarias para localizar los ejes de cimentación: - Limpieza del lote y/o descapote, que consiste : Retirar arbustos Remoción de la capa vegetal que lo cubre, para evitar que durante el proceso de la construcción, no crezca En el caso de utilizar maquinaria pesada para el descapote, se debe tratar de nivelar un poco el terreno para trabajar más cómodamente.

3.- REPLANTEO El replanteo consiste en hacer el trazado del edificio en el lote, partiendo de un punto de cota conocida, para poderlo localizar correctamente.

Ese punto puede ser un B.M o un mojón o un sitio cerca del lote y que esté fijo, un cordón, un borde de anden etc. que permita llevar hasta el lote el punto de partida del trazado.

Ese punto de partida debe ser uno de los ejes más cercanos, para que a partir de él pueda replantearse todo el edificio.

Excavaciones para cimentaciones superficiales En la planta de fundaciones todos los ejes- de fundaciones y de muros, están relacionados con medidas exactas en todos los sentidos, ya que no se pueden tener errores de ninguna clase porque son las medidas de base de todo el edificio.

Una vez localizado el eje, y por medio de la ayuda de los hiladeros, se procede a la localización y trazado de las zanjas o brechas. Por tratarse de fundaciones superficiales y para muros, por lo general tienen un ancho máximo de 0,50 m haciéndose más fácil su trazado sobre el terreno. Partiendo de la esquina de los ejes 1 y A se inicia el replanteo de la manera siguiente:

12.4.- HILADEROS Sobre el mojón del eje A y con la ayuda de la plomada de

punto, se traslada

el eje al elemento horizontal del hiladero, desde el cual se mide el ancho de fundación y se clavan puntillas. La misma operación se hace en el hiladero auxiliar del extremo del eje A, para poder tender los hilos de los bordes de la zanja. Ese mismo trabajo se hace sobre el eje 1 y una vez establecidos esos puntos, chequeados y controlados, con la ayuda de la plomada de punto y apoyándose en los hilos, se trasladan al terreno procediendo a unirlos con la ayuda de una regla metálica y la punta de un palustre, algún objeto metálico.

Localizaciรณn de ejes y anchos de zanjas para cimentaciones superficiales.

4.- EXCAVACIONES, ZANJAS, ENTIBADO 4.1.- Profundidad de las Fundaciones Para mejorar las condiciones del empotramiento, entre la estructura y el terreno, en el caso de los sismos, la profundidad mínima de las fundaciones para los muros cargueros, debe ser de 1,00 m aproximadamente.

Como en general y para una buena estabilidad estructural, todos los cimientos deben quedar ubicados o localizados sobre la misma cota, tanto los muros cargueros, como los divisorios se cimentan siempre a la misma profundidad por tratarse de una excavación muy superficial, la mayoría de los terrenos tienen la suficiente estabilidad para que las paredes se dejen conformar con el corte a 900 (vertical) por lo que las paredes se utilicen o sirvan como molde para el vaciado del hormigón.

Excavación superficial para muros de contención • Terraceo necesario para estabilizar a través de bermas, desalojando lo excavado para evitar la carga sobre las bermas y no afectar los taludes.

• Hexc. Aprox. 9,2 m

Cuando se presentan suelos que se pueden desmoronar o deformarse fรกcilmente, es necesario el uso de entibados para que de esa manera pueda evitarse el derrumbamiento .

Para los entibados se pueden utilizar distintos tipos de maderas, o metรกlicos teniendo en cuenta que no se debe estorbar o dificultar su colocaciรณn, lo mismo que la del concreto de la fundaciรณn.

5.- ENCOFRADOS

El uso de los encofrados para el vaciado las fundaciones, generalmente obedece a las condiciones de desmoronamientos o derrumbes debidos a la inestabilidad de las zanjas, las lluvias durante el proceso de las

excavaciones o a descuidos en la

acumulaciรณn de la tierra excavada cerca borde de la zanja.

del

Otros tipos de encofrados para cimentaciones superficiales Las soluciones implican recurrir a los encofrados, de una o dos caras según el caso.

Esto significa extracostos para la obra y las soluciones, aunque permiten el vaciado de las fundaciones, son “imprevistos” que en a mayoría de los casos pueden controlarse.

Es tan importante controlar la localización de los eles que cuando los apoyos no están cerca, los encofrados deben diseñarse con excesivo control de los movimientos del concreto (Presión contra el encofrado).

6.- CONCEPTO DE FUNDACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS

6.1.- PROFUNDAS: H > B La transmisión de cargas se hace en gran parte a lo largo de las caras verticales del elemento (por la fricción de éste contra el terreno.

6.2.SUPERFICIALES: H <B de H: 4.00 mts)

(menores

La transmisión de cargas se través de la superficie de contacto

• • • • • •

hace a

.

Pueden generarse cimentaciones superficiales donde la altura de desplante sea mayor que el mayor lado de la cimentación.

7.-

FUNDACIONES PARA MUROS

7.1.-

SISTEMA CONSTRUCTIVO MAMPOSTERÍA ESTRUCTURAL La mampostería estructural es el sistema de bloques de cementos pétreos

ensamblados, unidos son morteros a base de

cemento o su equivalente, de tal forma que el muro adquiera las características individuales de los elementos.

La mampostería estructural pretende ser un elemento de funcionamiento monolítico, mediante la unión adecuada de los mampuestos a través del mortero.

7.1.1.- Tipos de fundaciones 7.1.1.1.- Fundaciones sencillas

7.1.1.2.- Fundaciones escalonadas

7.1.1.3.- Fundaciones ensanchadas

8.-

MEJORAMIENTO DE TERRENO

Mejoramientos del terreno para cimentaciones superficiales

8.1.- VIGA PRISMATICA

Cimentaciones superficiales Usos: En edificios de poca altura (Cargas bajas) Materiales: Concreto reforzado

8.1.1.-

CON SOBRECIMIENTO INCORPORADO

NOTA: Dimensiones según cálculo.

Usos: En edificios de mediana altura (Cargas medianas).

Materiales: Concreto reforzado y bloque.

8.2.- VIGA T INVERTIDA

Viga T invertida para cimentaciones superficiales que permite rigidizar la cimentaciรณn en forma adecuada generalmente para suelos de poca capacidad portante.

Materiales: Concreto reforzado.

9.- SISTEMA COLUMNAS Y PLACAS-PORTICOS 9.1.- FUNDACIONES PARA COLUMNAS Las columnas son elementos estructurales aislados, diseñados para recibir cargas, generalmente de sección regular; redondas, cuadradas,

rectangulares o

de cualquier otra sección y que por no ocupar áreas muy grandes, las cargas que reciben son altamente concentradas.

Por tratarse de elementos que trasmiten cargas

aisladas, las fundaciones

para columnas son también en muchos casos aisladas que se encargan de recibir las cargas y transmitirlas al terreno.

9.2.- TIPOS DE FUNDACIONES 9.2.1.- Fundaciones aisladas Deben ser de forma regular, cuadradas o rectangulares, teniendo como requisito importante que el centro del área de la fundación debe coincidir el eje de la columna, es decir, que sean concéntricas en lo posible.

con

9.2.1.1.- Materiales Concreto reforzado. Por recibir cargas concentradas de alguna magnitud, el material mĂĄs apropiado es el concreto reforzado, siendo el refuerzo de la zapata un emparrillado de acero (de refuerzo), formado por varillas o barras del mismo diĂĄmetro con mismo espaciamiento en ambos sentidos colocadas lecho de la fundaciĂłn (3â&#x20AC;?) sobre el cual debe columna, castillo o canasta, repartan uniformemente.

el

cerca del

anclar el refuerzo de la

para que los esfuerzos se

Elementos constitutivos Columna zapata

Funciรณn del pedestal en las cimentaciones superficiales Nota: Cuando las cargas son muy altas y para disminuir la esbeltez de las columnas, mejorando la reparticiรณn de las cargas y el empotramiento de la misma con la fundaciรณn, se introduce otro elemento llamado pedestal.

9.2.1.2.- Detalles: Localizaciรณn ejes anchos de zanjas, excavaciรณn zapatas, y vigas de amarre.

Formaleta viga de amarre

9.2.1.3.- Sistema zapata, viga de amarre , pedestal, columna.

9.2.2.- Fundaciones Superficiales Combinadas Estos tipos de fundaciones se utilizan para columnas que están en la línea del límite de la propiedad y como no pueden proyectarse en el terreno ajeno y al quedar excéntricas deben de ayudarse con la fundación de la columna próxima más cercana, para así evitar la tendencia a la rotación.

9.2.3.- FUNDACIONES EN CANTILIVER Este tipo de fundación es tambien utilizado cuando la fundación de la columna está en el límite de la propiedad, y para su cálculo se basa en el siguiente principio que se ilustra.

Sistema de cimentacion superficial para linderos El resultado de esta consideraciรณn de cรกlculo da una fundaciรณn amarrada con una viga en la siguiente forma:

RECOMENDACIONES a)

Profundidad o cota de cimentación Es importante conservar, hasta donde sea posible, una misma cota de

cimentación para fundaciones superficiales de un mismo proyecto o de edificaciones vecinas, la principal razón para esto es el desconfinamiento lateral que las excavaciones mas profundas pueden ocasionar en las mas superficiales, afectando parte de la zona; aquí tomaría los esfuerzos de la cimentación alta y además, llevando a una indeseable acumulación de esfuerzos del elemento alto sobre las presiones de contacto del bajo.

b)

Cercanía de fundaciones

Criterio práctico: Conservar libre una zona proyectada a 45° a partir de los bordes de las fundaciones altas, como mínimo de 2,00 m (A). Cuando es menor (B) existe una superposición de esfuerzos, lo cual puede provocar asentamientos perjudiciales. En términos prácticos, resulta ventajoso comenzar a construir las fundaciones por las zonas más bajas (o profundas) y continuar hacia arriba, escalonando las cotas de cimentación de acuerdo con el criterio anterior.

c)

Desniveles entre fundaciones.

En caso de desniveles grandes entre cimentaciones o de profundidades de apoyo regulares, es aconsejable que las

cimentaciones queden todas a un mismo nivel,

para lo cual se colocarían rellenos en concreto ciclópeo (el mejor), cavernoso o suelo-cemento, etc. Con

lo que se levanta el elemento de fundación, se disminuye

la altura de los pedestales y además, los rellenos aportan resistencia adicional por fricción lateral.

d)

Fundaciones aisladas - Forma piramidal

Las zapatas para una columna con carga axial, resultan más económicas y por tanto se hacen generalmente de planta cuadrada. Cuando las cargas son muy altas, la sección crítica de la fundación es el borde de la columna, tanto para momento de flexión como de adherencia. Si la presión de contacto es muy grande se requiere el uso de pedestal. En caso contrario se puede hacer la fundación piramidal, de acuerdo con las proporciones que se indican en la figura, tanto para espesores como para voladizo. Bajo

9.2.4.-

Fundaciones en placas

En un terreno muy blando o malo, cuando el área de las zapatas es mayor de 50% del de la proyección de la torre, es mejor diseñar una placa de cimentación corrida, que cubra toda el área del edificio. Este tipo de placa se hace con el objeto de distribuir mejor las cargas en una mayor área de cimentación ,o que disminuye notablemente las cargas por unidad de área, minimizando de esa manera los riesgos de asentamientos (no es flotante).

Excavaciones para viga T invertida

Colocaciรณn concreto de limpieza

9.2.5.- Fundaciones flotantes

El concepto de fundación flotante es el de cambiar peso del terreno, por peso

del edificio, en el caso de que el subsuelo no tenga buenas

condiciones

portantes. Estas fundaciones e llaman también de

substitución-cambiar peso

del terreno por peso del edificio-lo que supone

que no se está causando ningún incremento de peso, por lo que el edificio queda estable.

Veamos el Siguiente Ejemplo:

Condiciones de la cimentaciĂłn flotante En un terreno de malas condiciones portantes, se piensa construir un edificio de poca altura, por lo que se hace un anĂĄlisis como sigue. El peso especĂ­fico del terreno es aproximadamente de 2,00 toneladas/m3 (1,6; 1,8; 2,2; etc.), y el de un edificio es de 1,00 tonelada/m2. Teniendo en cuenta todas las cargas.

Rebote del terreno •

La columna A del terreno, de 1,00 mt2 de área por 2,0 m de altura (u sótano), pesa: 1,00 m2 x 2,50 m x 2,00 Ton./m3 = 5,00 Ton.

• La columna B del edificio de cinco plantas, pesa: 5,00 Ton. • Entonces tenemos que la presión sobre la superficie del terreno es de 5,00 Ton./m2, lo que no modifica las condiciones del terreno original.

Concepto del rebote del suelo Para la construcción se deben tomar precauciones en el momento de efectuar la excavación, ya que al retirar el peso del terreno excavado, en el fondo de la excavación la superficie del terreno se hincha un poco lo que en términos constructivos se denomina rebote del fondo.

En el momento de levantar la construcción, el terreno vuelve a su posición original, lo que causa que se presenten leves asentamientos. Otro problema que se puede presentar es el de que la humedad propia del terreno se evapora cuando se demora la construcción del edificio, después de haber hecho la excavación y esto puede causar también asentamientos.

Para evitar estas posibilidades de asentamientos, lo recomendable es levantar la construcción del edificio inmediatamente se haya terminado total o parcialmente la excavación y mientras se termine la etapa de la cimentación, se deben proteger los taludes del terreno con una lechada-mezcla de cemento y agua-superficial que impida que la humedad del terreno se evapore.

Sobre el lecho de la excavación, también se recomienda regar una capa de cascajo sucio como protección y control de la evaporación de la humedad del terreno.

9.2.6.- Cimentaciones Profundas. Pozos.

Pilas-Caisson Estas fundaciones se denominan también como pilas o caissons y se emplean para cargas muy grandes y edificios muy altos, o cargas medianas pero con el terreno de buenas condiciones a mucha profundidad.

Su diámetro mínimo es de 0,60 m, dependiendo este de las cargas, pudiendo llegar hasta los mayores dependiendo del diseño.

El diámetro mínimo debe permitir la maniobralidad, dentro de la excavación

Su profundidad, que depende de las condiciones del terreno, puede ser de 8,00-10,00-12,00, 16,00 m ò mas.

9.2.6.1.- Proceso de excavación a mano para Pilas: La excavación se hace generalmente a mano; teniendo la precaución de recubrir las paredes de la excavación con entibados de madera o con anillos de concreto vaciados en el sitio para así poder trabajar dentro de ellos sin peligro. Estos anillos o entibados de protección se deben hacer continuos a medida que avanza la excavación hasta que el terreno, por sus condiciones de estabilidad, no se desmorona. Y se continúa hasta llegar a la profundidad necesaria, indicada por el estudio de suelos, o sea el lecho de cimentación.

9.2.6.2.- Proceso constructivo para Pilas:Manualmente

Una vez comprobadas las condiciones del terreno se procede al ensanchamiento de la base o campana, teniendo en cuenta que el diámetro máximo de dicho ensanchamiento debe ser igual o menor a (3) tres veces el diámetro del fuste.

Luego se hace un corte del terreno vertical hasta 1,00 m de altura y se une con el corte vertical de la excavación del fuste, formando un ángulo de 60° con la horizontal.

Como puede apreciarse en la figura, por su forma, a estas pilas se le denomina “pata de elefante”.

Comparaciรณn proceso seco y niveles freรกticos altos -Pilas

Concepto constructivo para niveles freáticos altos Cuando el nivel freatico es muy superficial por cualquier

eventualidad

se

suspende

el

bombeo y el agua fluye subiendo su nivel muy

rápidamente

a

una

velocidad

aproximada de 15 cm./hora, es mejor utilizar el sistema Tremie para el vaciado, porque al bombear el agua nuevamente dentro de la excavación el nivel tiene un descenso muy rápido y esto hace que el agua del terreno fluya

muy

rápidamente,

provocando

el

derrumbe de las paredes. En cambio si se deja el nivel del agua en su punto, no hay diferencias de presión y el terreno no sufre.

Resumen proceso constructivo manual para Pilas con niveles freรกticos bajos-En seco

9.3.- ALGUNO DE LOS SISTEMAS MECÁNICOS PARA LA CONSTRUCCION DE PILAS Para la excavación y el vaciado de las pilas se utilizan equipos tipo “Auger”, que efectúan todas las operaciones de la excavación por medio de una barrena y de protección de las paredes con tubería de acero, simultáneamente.

Conformación mecánica de la campana o pata de elefante de la Pila Cuando se llega a la roca o terreno de cimentación, debe de ensancharse la campana para lo cual se introduce por la tubería una barrena cortante que tiene la propiedad de abrirse a medida que gira.

Una vez terminado el proceso de excavación, se procede al vaciado del hormigón, utilizando el sistema del bombeado, extrayendo los tubos de protección, a medida que se vierte el hormigón.

10.1. PILOTES 10.1.1.-

Concepto: Son unos elementos estructurales, que se hincan en el

terreno cuando

el terreno de cimentación o de soporte se encuentra a

mucha profundidad, y sirven para que la cimentación del edificio se pueda construir cerca o sobre el nivel del terreno.

10.1.2.-

Función: Trasmiten las cargas que recibe la fundación, a través de los pilotes, a los estratos de terreno firmes. Esa transmisión de cargas por medio de los pilotes, se puede clasificar en dos clases:

10.1.1.- La transmisión de cargas por medio de los pilotes se pueden clasificar en dos clases:

Rígida. Cuando las puntas de los pilotes se apoyan en un estrato o capa rígida, bajo la cual no hay terreno blando, así las fuerzas actúan sobre la punta e los pilotes principalmente, y en segundo lugar por fricción.

Es el sistema más recomendable y seguro.

Flotante. Cuando los pilotes quedan enterrados en terreno blando o flojo, siendo resistidas las cargas por la fricción entre el pilote y el terreno.

Este sistema puede ocasionar asentamientos por lo que debe evitarse, en lo posible.

Tipos de Pilotes mas conocidos

Prefabricados: Los más utilizados son: • Pilotes de madera • Pilotes de concreto • Pilotes de acero estructural

La escogencia de un tipo u otro depende de la disponibilidad, costo, acceso al sitio, condiciones del suelo, etc.

Tipos de pilotes De los vaciados “in situ”: Los más utilizados son: • El pilote tipo simplex, de cuchara o hélice.

• El pilote de pedestal o de bulbo,

Pilotes de madera. Generalmente utilizados en terrenos donde abunda el agua, de maderas especiales como la teca o el mangle, e impregnados con creosota-aceites de alquitrán-que la protegen.

Pilotes de concreto. De secciones regulares, cuadradas, hexagonales, octogonales, circulares reforzados y en longitudes que varia según el tipo de maquinaria que se utilice para su transporte o hincamiento.

Para que el pilote tenga un trabajo efectivo, existen algunas normas, que son las siguientes: a)

La longitud de prefabricación no debe exceder de 50 veces el

diámetro, y el recubrimiento estructural b)

debe ser, como mínimo, de 5 cm.

Los pilotes pueden diseñarse como elementos prismáticos, cónicos,

redondos, hexagonales, cuadrados u octogonales, siempre y cuando se garantice su objetivo. En el caso de secciones cuadradas, deberán tener aristas biseladas a 45° c)

las

y con un ancho mínimo de 2,5 cms en el bisel.

Los pilotes deben ser marcados en dos o más puntos por medio de fajas o pinturas con el fin de indicar los sitios de colocación de las eslingas de manejo.

Para que el pilote tenga un trabajo efectivo, existen algunas normas, que son las siguientes: d)

En el manejo, los pilotes no deben dejarse caer libremente, ni golpearse entre sí.

e)

Las tolerancias en su colocación son así: La localización de las cabezas, en cualquier dirección, debe ser menor que e 0% del diámetro, es decir, máximo de 5 cms. En la verticalidad se permite una variación que sea menor que el 3% de su longitud.

f)

Para facilitar su colocación deben hacerse pequeños huecos en los sitios donde va a hincarse el pilote.

g)

La secuencia de hincamiento será tal que ésta se inicie por el pilote más cercano al centro del área de cimentación y avance hacia los pilotes exteriores.

Para que el pilote tenga un trabajo efectivo, existen algunas normas, que son las siguientes: h) Se debe llevar un registro cuidadoso durante el hincamiento de cada pilote, que servirá para evaluar con base en las fórmulas prácticas del equipo o en las de reconocida aceptación, la resistencia individual de cada uno. i) Durante el proceso de hinca del pilote, deberá llevarse un registro del número de golpes para que los tramos de penetración del pilote no excedan de 20 cm. a lo largo de todo el pilote. j) La punta del pilote debe penetrar en el terreno firme, como mínimo, unos (3) tres diámetros. k) Todo pilote que haya sufrido golpes o fracturas debe rechazarse. l) Los pilotes que deben ser sometidos a ensayos de carga, serán entre el 1 y el 3% de los pilotes colocados o los que a juicio del ingeniero de suelos se ordene ensayar.

10.- CIMENTACIONES SOBRE PILOTES DE ACERO

10.1.2.- PILOTES SOMETIDOS A SOLICITACIONES ESPECIALES Tal como se señalaba anteriormente, los pilotes pueden estar sometidos a acciones diferentes de las derivadas de las cargas de una estructura, las cuales pueden tener efectos muy perjudiciales si no se han previsto adecuadamente.

Aquí algunos de los casos más frecuentes: