Cimentaciones Profundas

CIMENTACIONES:

Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las

cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelo distribuyéndolas de forma que no

superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo

es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el

suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto

en suelos rocosos muy coherentes).

La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura.

Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran

medida del tipo de terreno.

TIPOS DE CIMENTACION:

La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características mecánicas del

terreno, como su cohesión, su ángulo de rozamiento interno, posición del nivel freático y también

de la magnitud de las cargas existentes.

Cimentaciones superficiales o directas:

Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste

suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y

relativamente livianas. En este tipo de cimentación, la carga se reparte en un plano de apoyo

horizontal.

En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se

apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se produzcan deterioros. Las

cimentaciones superficiales se clasifican en:

Cimentaciones ciclópeas.

Zapatas.

Zapatas aisladas.

Zapatas corridas.

Zapatas combinadas.

Losas de cimentación

Zapatas aisladas

Las zapatas aisladas son un tipo de cimentación superficial que sirve de base de elementos

estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata amplía la superficie de

apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite. El término zapata

aislada se debe a que se usa para asentar un único pilar, de ahí el nombre de aislada. Es el tipo de

zapata más simple, aunque cuando el momento flector en la base del pilar es excesivo no son

adecuadas y en su lugar deben emplearse zapatas combinadas o zapatas corridas en las que se

asienten más de un pilar. La zapata aislada no necesita junta pues al estar empotrada en el terreno

no se ve afectada por los cambios térmicos, aunque en las estructuras si que es normal además de

aconsejable poner una junta cada 30m aproximadamente, en estos casos la zapata se calcula

como si sobre ella solo recayese un único pilar. Una variante de la zapata aislada aparece en

edificios con junta de dilatación y en este caso se denomina "zapata bajo pilar en junta de

diapasón".

En el cálculo de las presiones ejercidas por la zapata debe tenerse en cuenta además del peso del

edificio y las sobrecargas, el peso de la propia zapata y de las tierras que descansan sobre sus

vuelos, estas dos últimas cargas tienen un efecto desfavorable respecto al hundimiento. Por otra

parte en el cálculo de vuelco, donde el peso propio de la zapata y las tierras sobre ellas tienen un

efecto favorable.

Para construir una zapata aislada deben independizarse los cimientos y las estructuras de los

edificios ubicados en terrenos de naturaleza heterogénea, o con discontinuidades, para que las

diferentes partes del edificio tengan cimentaciones estables. Conviene que las instalaciones del

edificio estén sobre el plano de los cimientos, sin cortar zapatas ni riostras. Para todo tipo de

zapata, el plano de apoyo de la misma debe quedar empotrado 1 dm en el estrato del terreno.

La profundidad del plano de apoyo se fija basándose en el informe geotécnico, sin alterar el

comportamiento del terreno bajo el cimiento, a causa de las variaciones del nivel freático o por

posibles riesgos debidos a las heladas. Es conveniente llegar a una profundidad mínima por debajo

de la cota superficial de 50 u 80 cm. en aquellas zonas afectadas por estas variables. En el caso

en que el edificio tenga una junta estructural con soporte duplicado (dos pilares), se efectúa una

sola zapata para los dos soportes. Conviene utilizar hormigón de consistencia plástica, con áridos

de tamaño alrededor de 40 mm. En la ejecución, y antes de echar el hormigón, disponer en el

fondo una capa de hormigón pobre de aproximadamente 10 cm de espesor (hormigón de limpieza),

antes de colocar las armaduras.

Zapatas corridasLas zapatas corridas se emplean para cimentar muros portantes, o hileras de pilares.

Estructuralmente funcionan como viga flotante que recibe cargas lineales o puntuales separadas.

Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección transversal. Las zapatas

corridas están indicadas como cimentación de un elemento estructural longitudinalmente continuo,

como un muro, en el que pretendemos los asientos en el terreno. También este tipo de cimentación

hace de arriostramiento, puede reducir la presión sobre el terreno y puede puentear defectos y

heterogeneidades en el terreno. Otro caso en el que resultan útiles es cuando se requerirían

muchas zapatas aisladas próximas, resultando más sencillo realizar una zapata corrida.

Las zapatas corridas se aplican normalmente a muros. Pueden tener sección rectangular,

escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en relación con la carga que han de

soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión admisible sobre el terreno. Por

practicidad se adopta una altura mínima para los cimientos de hormigón de 3 dm

aproximadamente. Si las alturas son mayores se les da una forma escalonada teniendo en cuenta

el ángulo de reparto de las presiones.

En el caso de que la tierra tendiese a desmoronarse o el cimiento deba escalonarse, se utilizarán

encofrados. Si los cimientos se realizan en hormigón apisonado, pueden hormigonarse sin

necesidad de los mismos.

Si los trabajos de cimentación debieran interrumpirse, se recomienda cortar en escalones la junta

vertical para lograr una correcta unión con el tramo siguiente. Asimismo colocar unos hierros de

armadura reforzará esta unión.

Las Zapatas Corridas son, aquellas zapatas que recogen más de tres pilares. Las considera así

distintas a las zapatas combinadas, que son aquellas que recogen dos pilares. Esta distinción es

objeto de debate puesto que una zapata combinada puede soportar perfectamente tres pilares.

Zapatas combinadas

Una zapata combinada es un elemento que sirve de cimentación para dos o más pilares. En

principio las zapatas aisladas sacan provecho de que diferentes pilares tienen diferentes momentos

flectores. Si estos se combinan en un único elemento de cimentación, el resultado puede ser un

elemento más estabilizado.

Cimentaciones semiprofundasExcavando uno de los pozos de cimentación para un puente. El tubo de hormigón (concreto) se va hundiendo a

medida que se excava. En este caso se llegó a 24 m de profundidad.

Pozos de cimentación o caissons: Son en realidad soluciones intermedias entre las

superficiales y las profundas, por lo que en ocasiones se catalogan como semiprofundas.

Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando no puede desviarse el río, en ese caso

se trabaja en cámaras presurizadas.

Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería .

Muros de contención bajo rasante: no es necesario anclar el muro al terreno.

Micropilotes, son una variante basada en la misma idea del pilotaje, que frecuentemente

constituyen una cimentación semiprofunda.

Cimentaciones profundas

Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas

aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Por eso

deben ser más profundas, para poder proveer sobre una gran área sobre la que distribuir un

esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en

cimentaciones profundas son:

Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de

desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno

(pilotes de extracción ejecutados in situ).

Pantallas: es necesario anclar el muro al terreno.

pantallas isostáticas: con una línea de anclajes

pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.

Cimentaciones profundas

Las Cimentaciones Profundas son un tipo de Cimentaciones que solucionan la trasmisión de

cargas a los sustratos aptos y resistentes del suelo.

Entre estas cimentaciones se destacan:

Muros Pantalla, son muros verticales profundos de hormigón.

Pilotes, son elementos similares a los pilares, hincados a profundidad en el suelo.

Micro pilotes

Casos en los que se usa las cimentaciones profundas

Se opta por cimentaciones profundas cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no

pueden ser distribuidos suficientemente a través de una cimentación superficial, y en la

solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo.

Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y

retracciones.

Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a

cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de baja calidad.

En edificios sobre el agua.

Cuando los cimientos están solicitados a tracción; tal como ocurre en edificios altos

sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a

tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada

al suelo.

Para resistir cargas inclinadas, como aquellos pilotes que se colocan en los muelles para

resistir el impacto de los cascos de barcos durante el atraque.(tablestacado)

Para el recalce de cimientos existentes.

Tipos de cimentaciones profundas

Las cimentaciones profundas son las siguientes:

Muros Pantalla

Sustitución

Flotación

Pilotes

Muros pantalla 

Los Muros Pantalla constituyen un tipo de Cimentación Profunda muy usada en edificios de altura, que actúa como un muro de contención y brinda muchas ventajas por ahorro de costes y mayor desarrollo en superficies.

Es la tipología de Cimentaciones más difundida en áreas urbanas para edificios con sótano en un predio entre medianeras, en parkings y a modo de barreras de contención de agua subterránea en túneles y carreteras.

El muro pantalla es un muro de contención que se construye antes de efectuar el vaciado de tierras, y transmite los esfuerzos al terreno.

Estos elementos estructurales subterráneos se emplean también en forma temporal para la contención y retención de paredes.

En las grandes ciudades, para obtener más espacios de uso en edificios, se proyectan sótanos o subsuelos que muchas veces llegan hasta 20 metros de profundidad. Son éstas las soluciones ante los elevados costes de terrenos y la necesidad de obtener mayor superficie.

A estos efectos, se trata de conseguir muros de contención del menor espesor posible conservando una buena calidad y que ofrezcan seguridad y buen diseño.

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ANCLAJES

Los anclajes son elementos constructivos que ayudan a mantener la estabilidad, ya que estos muros de contención de tan delgado espesor en relación a la profundidad excavada, reciben importantes empujes de la tierra y también los efectos producidos por el agua, de modo que este recurso les permite reforzar y asegurar su estabilidad.

Dentro del diseño de muros pantalla existen varias alternativas a elegir de acuerdo a las características del terreno y de la edificación a construir:

Los Muros Pantalla se realizan previos al vaciado del terreno, cuando debe excavarse a profundidad considerable y, por ende, debe contenerse el empuje de las tierras y de edificaciones lindantes.

SISTEMAS AUTOPORTANTES

Dentro de los Sistemas Autoportantes se encuentran los Muros de Ménsula; estos muros pantalla trabajan a modo de voladizo.

Esta tipología trabaja contra los empujes del terreno entre dos planos horizontales excavados en distintos niveles, y sirven de soporte por debajo del fondo excavado.

Altura Máxima de Excavación: del orden de 5 a 10 m., para espesores entre 0,50 m. y 1 m.

En caso de excavaciones más profundas, compatibles con el espesor del soporte, se moldean contrafuertes en el suelo logrando la estabilidad mediante empujes pasivos desarrollados por el mismo suelo en la zona empotrada.

Si los contrafuertes son interiores, ocupan mucho espacio reduciendo la capacidad del sótano.

Si los contrafuertes son exteriores, se aprovecha el rozamiento del terreno contra las superficies del contrafuerte. Este sistema auto portante tiene el inconveniente que puede llegar a presentar importantes deformaciones perjudicando las estructuras de obras vecinas, con riesgos para las mismas.

SISTEMAS ARRIOSTRADOS

El Sistema de Arriostramiento es uno de los más usados para cimentaciones profundas llegando a profundidades mayores de 20 metros; y se vale de los anclajes del muro en el terreno, con la importante ventaja que no necesita apuntalamientos.

Estos elementos de anclaje logran estabilidad con un muy bajo índice de deformaciones.

Se realizan los anclajes en uno ó mas niveles, a medida que se avanza la excavación mediante cables empotrados con perforaciones pequeñas inyectadas con cemento, luego se tensan al aplicar esfuerzos iguales o superiores a los del terreno sobre el soporte.

SISTEMA ASCENDENTE-DESCENDENTE 

El Sistema Ascendente-Descendente consiste en alojar los pilares definitivos de la estructura de los sótanos con perforaciones efectuadas desde la superficie quedando éstos hormigonados en la parte inferior.

Este apoyo creado por la pared de soporte y los pilares colocados, permiten dar base y comienzo de la estructura ascendente simultáneamente con la excavación y forjado de los sótanos.

El dificultoso vaciado y evacuación de tierras queda compensado por la velocidad de la ejecución del conjunto estructural, pues este sistema ofrece una gran seguridad frente a construcciones aledañas al limitar los movimientos a valores muy bajos durante el retiro de tierras, que va compensándose con la construcción soterrada.

A efectos de limitar las deformaciones del soporte y lograr su estabilidad, se recurre a anclarlo en uno o varios niveles, a medida que progresan las excavaciones mediante cables alojados en perforaciones de diámetro pequeño, inyectados con cemento y con posibilidad de tensarse aplicando esfuerzos equivalentes a los empujes del terreno o superiores sobre el soporte.

SUSTITUCIONEsta cimentación se realiza mediante la excavación del terreno, donde el peso del material excavado y extraído será igual o proporcional al peso de la construcción a realizar; conociendo cada una de las capas que componen dicho suelo (características del terreno) y según las características de la estructura que sustentará y las cargas que actúen sobre la misma.Procedimiento

Se realiza la excavación hasta llegar a terreno competente y se sustituye el existente por un terreno mejorado y compactado. Esta constituye una solución válida en casos de espesores y cargas uniformes y pequeñas.

Técnicamente, solo se definirán bien las características del material usado en el relleno y terraplenado, la densidad y humedad máximas (Ensayo Proctor) y espesores de material aportado.

Debe realizarse un control con medidas de humedad (in situ) y densidad, y los ensayos correspondientes de placa de carga para evaluar posibles asientos y deformaciones.

Es muy importante considerar un buen sistema de drenaje en casos de presencia del agua en el terreno, ya que la misma podría provocar alteraciones considerables en el material.

FLOTACIONLas Cimentaciones por Flotación se basan en el Principio de Arquímedes que postula lo siguiente:

Todo cuerpo sumergido en un líquido estático experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del volumen del líquido desalojado.

Por ello, deberá preverse en este tipo de construcciones que se ejecuten perfectamente impermeables calculando la reacción al empuje ascendente vertical para evitar el hundimiento o el volteo de la estructura.

PILOTESEl Pilote o sistema por pilotaje, es un tipo de cimentación profunda de tipo puntual, que se hinca en el terreno buscando siempre el estrato resistente capaz de soportar las cargas transmitidas.

CASOS EN QUE SE USAN PILOTES

Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo.

Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad.

Cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas.

Cuando la edificación está situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo.

Cuando los cimientos están sometidos a esfuerzos de tracción.

En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como

estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los

muelles. Cuando se deben recalzar cimientos existentes.

En la cimentación por pilotaje deben observarse los siguientes factores de incidencia:

El rozamiento y adherencia entre suelo y cuerpo del pilote. La resistencia por punta, en caso de transmitir compresiones, para absorber esfuerzos de

tracción puede ensancharse la parte inferior del pilote, para que trabaje el suelo superior. La combinación de ambos.

Para hincar el pilote siempre se busca el apoyo sobre una capa resistente que soporte las cargas transmitidas. Frecuentemente la capa firme está a mucha profundidad, entonces el rozamiento lateral puede ser de importancia según el caso.

Con un terreno mediocre en superficie y fuertes cargas, el rozamiento lateral será menos importante cuanto más débiles sean las capas del terreno atravesadas; por ello conviene emplear este sistema.

COMO TRABAJAR EL PILOTAJE

Por la forma en que trabaja el pilotaje, se lo clasifica en:

Cimentación Rígida de Primer Orden:

El pilote trabaja por punta, clavado a gran profundidad.

Las puntas de los pilotes se clavan en terreno firme; de manera que se confía en el apoyo en ese estrato, aún si hubiere una pequeña descarga por rozamiento del fuste al atravesar estratos menos resistentes. Lo cual denota que las fuerzas de sustentación actúan sobre la punta del pilote, y en menor medida mediante el rozamiento de la superficie lateral del pilote. Es el mejor apoyo y el más seguro, porque el pilote se apoya en un terreno de gran resistencia.

Cimentación Rígida de Segundo Orden:

Cuando el pilote se encuentra con un estrato resistente pero de poco espesor y otros inferiores menos firmes.

En este caso se debe profundizar hasta encontrar terreno firme de mayor espesor. El pilote transmite su carga al terreno por punta, pero también descarga gran parte de los esfuerzos de las capas de terreno que ha atravesado por rozamiento lateral. Si la punta del pilote perfora la primera capa firme, puede sufrir asientos diferenciales considerables. Como en los de primer orden, las fuerzas de sustentación actúan sobre la planta del pilote y por rozamiento con las caras laterales del mismo.

Cimentación Flotante.

Cuando el terreno donde se construye posee el estrato a gran profundidad; en este caso los pilotes están sumergidos en una capa blanda y no apoyan en ningún estrato de terreno firme, por lo que la carga que transmite al terreno lo hace únicamente por efecto de rozamiento del fuste del pilote.

Se calcula la longitud del pilote en función de su resistencia. En forma empírica sabemos que los pilotes cuya longitud es menor que la anchura de obra, no pueden soportar su carga.

MATERIALES UTILIZADOS

MADERA

La madera se emplea desde la prehistoria; en ese entonces los habitantes lacustres construían sus chozas apoyándolas sobre troncos hincados en el lecho del lago. Estos troncos lograron conservarse mientras las aguas que los rodeaban eran ácidas, es decir de pantanos turbosos.

Los rollizos de madera se conservan más tiempo si se los mantiene permanentemente mojados o secos, pero si se alternan estas condiciones de humedad, se destruyen rápidamente.

Antes de colocar los pilotes se aconseja impregnarlos a presión con una sustancia protectora para evitar el ataque de hongos o insectos que destruyen sus fibras.

Las maderas más usadas, por ser más económicas, son pino y abeto. Si se requiere de mayor resistencia por el ataque de aguas de mar o por impactos, se debe recurrir a maderas más costosas pero de mayor dureza, como por ejemplo la haya o la teca.

Los rollizos naturales son más económicos, pero si poseen sección cuadrada, son mejores para sus posibles empalmes.

El hincado debe realizarse con golpeteo suave sobre la parte más gruesa del tronco.

En pilotes más grandes la carga de trabajo no ha de superar las 25 T. Esta clase de pilotaje se emplea donde el tronco de árbol es un material habitual fácil de encontrar en ese lugar, o cuando se trata de cimentaciones en zonas lacustres.

ACERO

Se utilizan con secciones en H o en Cajón.

En tipo cajón pueden rellenarse de hormigón después de haberse colocado.

A veces se constituye el pilotaje con perfiles planos empalmables, es el tablestacado, que se consiguen con secciones de acero laminado en caliente. Se los utiliza como contención de tierras y como barrera del agua en caso de excavaciones para cimentaciones, sótanos. En muelles y zonas ribereñas también suele usarse.

Para evitar la corrosión, el acero puede contener una cantidad importante de cobre , se lo llama acero de oxidación controlada o estar impregnado con pintura bituminosa.

Los hincados en pilotes de acero son más fuertes y vigorosos.

Si es necesario, pueden recuperarse y se les puede hacer variar su longitud por corte o por soldadura.

PILOTES PREFABRICADOS

Los Pilotes Prefabricados pertenecen a la categoría de Cimentaciones Profundas, también se los conoce por el nombre de Pilotes Pre moldeados; pueden estar construidos con hormigón armado ordinario o con hormigón pretensado.

Los pilotes de hormigón armado convencional se utilizan para trabajar a la compresión; los de hormigón pretensado funcionan bien a la tracción, y sirven para tablestacas y cuando deben quedar sumergidos bajo agua.

Estos pilotes se clavan en el terreno por medio de golpes que efectúa un martinete o con una pala metálica equipada para hincada del pilote.

Su sección suele ser cuadrada y sus dimensiones normalmente son de 30 cm. x 30 cm. ó 45 cm. x 45 cm.

También se construyen con secciones hexagonales en casos especiales.

Están compuestos por dos armaduras: una longitudinal con 4 diámetros de 25 mm. y otra transversal compuesta por estribos de varilla de sección 8 mm. como mínimo.

La cabeza del pilote se refuerza uniendo los cercos con una separación de 5 cm. en una longitud que oscila en 1 m.

La punta va reforzada con una pieza metálica especial para permitir la hinca.