UNIDAD I fundaciones y tipos

FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
UNIDAD I. EXPLORACION DEL SUELO
GENERALIDADES
Siempre que se analiza un cuerpo en equilibrio dentro de un campo gravitatorio se
tendrá la necesidad de la existencia de otro sobre el cual apoyarse. En caso que el
cuerpo en equilibrio sea una estructura, la misma se apoyará en el suelo, y entre
ambos existirá una zona de transición superestructura-suelo que se denomina
fundación o cimentación.
Desde el punto de vista estructural, las fundaciones conforman aquella parte de
las estructuras que estará encargada de transferir las cargas recibidas hacia el
suelo de fundación. En la cadena de transferencia de cargas, la fundación siempre
es el último eslabón, y quizá uno de los más importantes, con el inconveniente que
en general no se ve y queda enterrada. Esto hace que muchas veces los costos y
el esfuerzo que demandan dentro de una obra no sean lo suficientemente
valorados.
Siempre que se analice una estructura en equilibrio estático se encontraran estos
tres elementos
1) Estructura superior o superestructura: Es el cuerpo que se quiere apoyar, el
que recibe las cargas y las canaliza a través de una serie de elementos
estructurales hacia los puntos de apoyo, las fundaciones.
2) Fundaciones o infra-estructura: Es la parte final de la estructura, son los
apoyos, elemento que funciona como interfase entre la superestructura y el suelo
de fundación, disipando las cargas recibidas.
3) Suelo de fundación: Parte del suelo donde se apoya la estructura, es el
encargado de recibir y terminar de disipar las cargas que le transfiere la fundación.
En la etapa de proyecto, al momento de proyectar la estructura, los tres elementos
son igualmente importantes para el buen funcionamiento del conjunto.
En la naturaleza existen varios ejemplos que podrían asimilarse al planteo que
estamos elaborando y servirán para aclarar algunos conceptos.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
Pensemos en un árbol y analicemos al mismo como una estructura. El tronco y el
follaje serían la superestructura, las raíces representarían la infraestructura o
fundación y por último el suelo, que recibe las cargas transferidas por la
infraestructura. La superestructura recibe cargas verticales del propio peso del
tronco y el follaje, sobrecargas verticales como nieve, frutos, etc. Y horizontales de
viento.
Cuando un árbol se cae por cualquier motivo, una tormenta por ejemplo, las
causas pueden ser varias pero siempre se encasillarán en la falla de alguno de los
elementos indicados en los tres puntos superiores.
Si la rotura se produce porque el tronco se quiebra, dentro de la analogía que
venimos planteando, sería una falla de la superestructura, permaneciendo en
buenas condiciones las raíces y sin levantamientos del suelo (no fallaron las
fundaciones).
Si en cambio, al caer el tronco, el mismo permanece unido a parte de las raíces,
algunas se han cortado y se observan levantamientos del suelo la falla estará en
las fundaciones. La falla puede deberse a una variación en las características del
suelo, por ejemplo luego de varios días de lluvia, o porque la fundación no estaba
preparada para recibir determinado estado de cargas, que pudo estar generado en
un excesivo aumento del follaje, con una mayor superficie expuesta al viento, o
por combinaciones de los casos anteriores.
En cualquiera de los casos mencionados, por una u otra causa, el árbol no sirve
más, la estructura queda fuera de servicio. De este análisis elemental, obtenemos
algunas conclusiones que se podrán aplicar al proyecto de estructuras hechas por
el hombre, motivo de nuestro estudio Pensemos en una superestructura
correctamente proyectada, calculada y construida, pero si hemos fallado en la
valoración de la infraestructura o de las características y capacidades del suelo de
fundación toda la obra quedará fuera de servicio.
Con el mismo planteo, se podría tener una acertada valoración del subsuelo, una
fundación correctamente proyectada, calculada y construida, pero fallamos en la
superestructura y la obra queda fuera de servicio.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
Dada una superestructura que responda a ciertas condiciones de funcionalidad en
cuanto a seguridad, deformabilidad y durabilidad, mediante el análisis estático se
podrá llegar a determinar con bastante precisión las cargas al nivel de
fundaciones. El subsuelo debe estudiarse mediante la Geotecnia, por Ingenieros
Especialistas en Mecánica de Suelos y Fundaciones. Este estudio nos brindará
información muy valiosa al momento de proyectar y calcular la fundación.
Algunos de los puntos salientes que nos brinda la realización de un estudio de
suelos son los siguientes:
a) Los parámetros resistentes: Su conocimiento nos permitirá resolver en forma y
dimensiones las necesidades fundacionales.
b) La consistencia: Nos permite prever los métodos y equipos necesarios, para
arribar exitosamente, mediante una excavación a la cota requerida.
c) La homogeneidad: O la falta de ella, conjuntamente con la deformabilidad del
mismo nos hacen prever la posibilidad de asentamientos diferenciales y tomar los
recaudos estructurales correspondientes.
d) Nivel de la napa freática: Este aspecto puede cobrar una tremenda importancia
económica y constructiva si se encuentra por encima de la cota de fundación. En
muchos casos, sobre todo en suelos de tipo granular con altas permeabilidades,
aunque las características resistentes permitan pensar en una fundación directa,
se opta por cambiar a una de tipo indirecta por este condicionante.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
e) Agresividad del suelo: Nos permite prever un adecuado recubrimiento de las
armaduras, proyectar hormigones especiales con cementos resistentes a las
agresiones y/o la incorporación de adiciones activas.
Contando con las cargas y el estudio geotécnico se está en condiciones de
proyectar la fundación que cumpla con las condiciones técnicas y económicas más
convenientes.
Dependiendo de las características de la superestructura, del suelo de fundación y
de la tecnología disponible en cada período histórico se fueron proyectando
distintas variantes de fundación y hoy se cuenta con una amplia experiencia
acumulada.
Dentro de las variantes disponibles se pueden imaginar varias clasificaciones,
pero una de las más utilizadas en nuestro medio, y que resulta sencilla de
aprender es la de separar en dos grandes grupos según la forma de transferir las
cargas al suelo.
a) Fundaciones superficiales (o directas), las cargas se transfieren al suelo
mediante elementos estructurales apoyados en zonas cercanas a la superficie, el
modo de resistir las cargas es por superficie de contacto.
b) Fundaciones profundas (o indirectas), se producirá una transferencia de cargas
hacia los mantos mas profundos, las cargas verticales son resistidas mediante la
combinación de dos mecanismos, el fuste (superficie lateral del elemento
estructural) y la punta.
DEFINICION
La fundación o cimentación constituye el elemento intermedio que permite
transmitir las cargas que soporta una estructura al suelo subyacente, de modo que
no rebase la capacidad portante del suelo, y que las deformaciones producidas en
éste sean admisibles para la estructura. Por tanto, para realizar una correcta
cimentación habrá que tener en cuenta las características geotécnicas del suelo y
además dimensionar el propio cimiento como elemento de hormigón, de modo que
sea suficientemente resistente.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
TIPOS DE FUNDACIONES
Fundaciones Superficiales: son aquellas cuya relación profundidad/ancho
mínimo es menor o igual a la unidad (Df/B≤1). Las condiciones básicas que deben
reunir estas fundaciones en cuanto a la interacción con el suelo son
fundamentalmente dos.
a) No superar los valores de tensiones admisibles por el suelo para las distintas
combinaciones de estados de carga posibles.
b) Mantener las deformaciones dentro de parámetros admisibles por la
superestructura.
TIPOS DE FUNDACIONES SUPERFICIALES
a. Zapatas Aisladas: Cuando las cargas son transferidas por la
superestructura son aproximadamente puntuales, bajando a través
de las columnas, en otras palabras, son aquellas que sirven para
soportar
columnas
individuales.
Sus
dimensiones
en
planta
generalmente son cuadradas o rectangulares.
b. Zapatas Combinadas: Son aquellas que soportan dos o mas
columnas ubicadas en un eje de una edificación, es decir, cuando
habiendo efectuado el predimensionado de las bases aisladas se
encuentra que dos o más de ellas se superponen por distintas
causas que pueden ser: Cargas muy importantes, Baja capacidad
portante del suelo, Columnas muy próximas entre sí, Combinación
de los casos anteriores
c. Zapatas Continuas: Se utilizan como fundación para paredes de
carga o muros de contención de tierras y una de sus dimensiones de
planta es generalmente mucho mayor que la otra.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
d. Losa de Fundación: Son aquellas que soportan todas las columnas
de una edificación. Poseen la ventaja de disminuir los asentamientos
diferenciales ya que sirven de “puente” sobre zonas mas
compresibles del subsuelo.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
2. Fundaciones Profundas: son aquellas cuya relación profundidad/ancho
mínimo es mayor a la unidad (Df/B>1). Pueden clasificarse en pilotes y
pilas, las cuales pueden definirse como columnas enterradas en el suelo,
siendo las pilas pilotes de gran tamaño y la forma como transmiten las
cargas al subsuelo. También podrían clasificarse según su forma
constructiva en pilotes prefabricados, los cuales son hincados utilizando un
martillo o martinete de grandes dimensiones; y los pilotes vaciados en sitio,
para lo cual se realiza una excavación previa ya sea a mano, por rotación,
por excavación por almeja o mediante el hincado de un forro de protección.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
REQUISITOS DE UNA BUENA CIMENTACION.
Deberá cumplir tres requisitos fundamentales:
a) El nivel de la cimentación deberá estar a una profundidad tal que se encuentre
libre del peligro de heladas, cambios de volumen del suelo, capa freática,
excavaciones posteriores, etc.
b) Tendrá unas dimensiones tales que no superen la estabilidad o capacidad
portante del suelo.
c) No deberá producir un asiento en el terreno que no sea absorbible por la
estructura.
Muchos suelos, fundamentalmente los que tienen arcillas expansivas, varían
mucho de volumen según su contenido de humedad. Dichos suelos deberán
evitarse o recurrir a unas cimentaciones más profundas que apoyen en terrenos
más estables. Otras veces, sin llegar al caso anterior, las alternancias de
estaciones secas y húmedas o la proximidad de árboles caducifolios con riego o la
rotura de conducciones de agua generan hinchamiento del suelo que pueden
producir el fallo de la estructura. Por ello conviene alejar la cimentación de todas
las causas citadas como medida de precaución.
También es importante la existencia de cimentaciones colindantes. Deberán estar,
si es posible, a la misma profundidad. En el caso de tener que profundizar más
deberán tomarse las precauciones necesarias y tener el mínimo tiempo posible
descubierta la excavación para producir la menor variación en el contenido de
humedad del suelo. Siempre es preferible alejar lo más posible las cimentaciones
de construcciones contiguas.
Etapas de la selección del tipo de cimentación.
El tipo de cimentación más adecuado para una estructura dada, depende de
varios factores, como su función, las cargas que debe soportar, las condiciones
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
del subsuelo y el costo de la cimentación comparado con el costo de la
superestructura. Puede ser que sea necesario hacer otras consideraciones, pero
las anteriores son las principales.
Debido a las relaciones existentes entre estos varios factores, usualmente pueden
obtenerse varias soluciones aceptables para cada problema de cimentación.
Cuando diferentes ingenieros con su experiencia se ven ante una situación dada,
pueden llegar a conclusiones algo diferentes. Por lo tanto, el criterio juega un
papel muy importante en la ingeniería de cimentaciones. Es de dudar que alguna
vez pueda elaborarse un procedimiento estrictamente científico para el proyecto
de cimentaciones, aunque los progresos científicos hayan contribuido mucho al
perfeccionamiento de la técnica.
Cuando un ingeniero experimentado comienza a estudiar una obra nueva, casi
instintivamente desecha los tipos más inadecuados de cimentación y se concentra
en los más prometedores. Cuando su elección se ha reducido a unas cuantas
alternativas que se adaptan bien, a las condiciones del subsuelo y a la función de
la estructura, estudia la economía relativa de estas selecciones, antes de tomar la
decisión final.
Los ingenieros con menos experiencia pueden seguir un procedimiento semejante,
sin peligro de cometer errores serios, si aprovechan los resultados de los estudios
científicos y el trabajo experimental de otros. Sin embargo, para que sea útil esta
información, debe estar organizada lógicamente. En la parte C de este libro se
hace una relación de la experiencia con varios tipos de cimentaciones y
condiciones del subsuelo, presentada de manera que el lector pueda familiarizarse
con los procesos mentales usados por hombres que han tenido existo en la
práctica. Haciéndolo así, el lector puede usar técnicas semejantes y esperar llegar
a soluciones razonables, excepto para los problemas de cimentación más
complejos.
Al elegir el tipo de cimentación, el ingeniero debe dar los siguientes 5 pasos
sucesivos:
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
1. Obtener cuando menos, información
aproximada con respecto a la
naturaleza de la superestructura y de las cargas que se van a transmitir a
las cimentaciones.
2. Determinar las condiciones del subsuelo en forma general.
3. Considerar brevemente cada uno de los tipos acostumbrados de
cimentación, para juzgar si pueden construirse en las condiciones
prevalecientes; si serían capaces, de soportar las cargas necesarias, y si
pudieran experimentar asentamientos perjudiciales. En esa etapa preliminar
se eliminan los tipos evidentemente inadecuados.
4. Hacer estudios más detallados y aún anteproyectos de las alternativas más
prometedoras. Para hacer estos estudios puede ser necesario tener
información adicional con respecto a las cargas y condiciones del subsuelo,
y generalmente, deberán extenderse lo suficiente para determinar el
tamaño aproximado de las zapatas o pilas, o la longitud aproximada y
número de pilotes necesarios. También puede ser necesario hacer
estimaciones más refinadas de los asentamientos, para predecir el
comportamiento de la estructura.
5. Preparar una estimación del costo de cada alternativa viable de
cimentación, y elegir el tipo que represente la transacción más aceptable
entre el funcionamiento y el costo.
En los pasos 3 y 4, se requiere el conocimiento del comportamiento probable de
cada tipo de cimentación para cada tipo de condiciones del subsuelo. La
presentación de esta información es el objeto principal de la Parte C.
EXPLORACION DEL TERRENO.
La exploración del terreno es necesaria para proporcionar al ingeniero proyectista
datos sobre:
a). La profundidad de la capa freática.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
b). Las diferentes capas del terreno conociendo su inclinación, espesor y
características mecánicas (compresión simple, ensayo triaxial, etc.) y químicas
(sulfatos, carbonatos, etc.).
c). Muestras del suelo para conocer otras características mecánicas y la
capacidad de asientos sobre suelos inalterados.
1. Método Geofísico: Son métodos indirectos para determinar las propiedades
del subsuelo y consisten en introducir energía en el suelo y medir la
reacción resultante del mismo.
a. Método de Refracción Sísmica: Dentro de los métodos sísmicos de
la geofísica aplicada se encuentran los de refracción y reflexión
sísmica. En estos métodos se mide el tiempo de propagación de las
ondas elásticas, transcurrido entre un sitio donde se generan ondas
sísmicas y la llegada de éstas a diferentes puntos de observación.
Para esto se disponen una serie de
sensores en línea recta a
distancias conocidas, formando lo que se conoce como tendido
sísmico o línea de refracción – o reflexión - sísmica. A una distancia
conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se generan
ondas sísmicas, - con la ayuda de un martillo o por la detonación de
explosivos -, las cuales inducen vibraciones en el terreno que son
detectadas por cada uno de los sensores en el tendido. El equipo
básico consiste de los sensores; la unidad de adquisición, en donde
se almacenan los movimientos del terreno detectados por cada
sensor; los cables de conexión entre los sensores y la unidad de
adquisición; el cable del trigger, que se encarga de marcar el
momento de inicio de registro en la unidad de adquisición. Los
registros de cada sensor tienen información de los movimientos del
terreno en función del tiempo y son conocidos como sismogramas.
Estos son analizados en la refracción sísmica para obtener el tiempo
de llegada de las primeras ondas a cada sensor desde el punto de
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
disparo, y en la reflexión para obtener información de las ondas que
son reflejadas en las diferentes interfaces de suelo, para lo cual es
estudiado el sismograma completo. una de las aplicaciones del
método de refracción sísmica en la ingeniería civil es la
determinación de la profundidad al basamento.
b. Método de Resistividad Eléctrica: Este método se basa en el hecho
de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una
mayor o menor resistividad eléctrica cuando una corriente es
inducida a través. Su principal aplicación está en el campo de la
minería, pero en mecánica de suelos se ha aplicado para determinar
la presencia de estratos de roca en el subsuelo. La resistividad
eléctrica de una zona de suelo puede medirse colocando cuatro
electrodos igualmente espaciados en la superficie y alineados; los
dos exteriores, conectados en serie a una batería son los electrodos
de corriente (medida por un miliamperímetro), en tanto que los
interiores se denominan de potencial de la corriente circulante. El
método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a
diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para
medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo
primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo
que se logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo
segundo se logra conservando la distancia constante y desplazando
todo el equipo sobre la línea a explorar. Las mayores resistividades
corresponden a rocas duras, siguiendo rocas suaves, gravas
compactas, etc, y teniendo los menos valores los suelos suaves
saturados.
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
2. Perforaciones: Es el método de exploración que mejor se adapta a la gran
variedad de condiciones del subsuelo. Permiten la obteción de muestras
para la identificación y para ensayos de laboratorio.
a. Perforaciones Lavadas: Es un procedimiento sencillo que consiste en
emplear equipos de perforación normalizados que mediante agua a
presión se va lavando el material del suelo a medida que se
introduce la tubería de perforación. Por el color y textura de los
materiales se puede determinar el tipo de suelo que estamos
perforando, la variación en el color y textura también permite saber el
espesor de la capa del suelo.
b. Perforaciones Rotativas: En este caso, la rotación de una corona
situada en la parte inferior de una barra de perforación o de un
muestrador, conjuntamente con la aplicación de presión, es utilizada
para avanzar en el hueco. La broca o corona corta o roe el material
al fondo de la perforación y las partículas resultantes son acarreadas
en suspensión por el agua de la perforación.
3. Ensayos en sitio: Son procedimientos que se utilizan para determinar
algunas características del suelo, y se realizan directamente en la zona en
estudio.
a. La Prueba de Penetración Normal (SPT): El ensayo de penetración
estándar o SPT (del inglés Standard Penetration Test), es un tipo de
prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en
los que se quiere realizar un reconocimiento geotécnico. Constituye
el ensayo o prueba más utilizado en la realización de sondeos, y se
realiza en el fondo de la perforación. Ensayo de penetración
estándar: nace en el año 1927, desarrollado por un sondista de la
Raymond Concrete Pile Co., quien propuso a Terzaghi contabilizar el
número de golpes necesarios para hincar 1 pie (30 cm) el
tomamuestras que solía utilizar para obtener muestras en terrenos
sin cohesión (arenas). De forma resumida, la realización del ensayo
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
es la siguiente: 1. Se ejecuta un taladro hasta la cota deseada y en el
fondo del mismo (una vez limpiado cuidadosamente) se introduce un
tomamuestras de dimensiones estándar que consta de tres
elementos: zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento con el
varillaje. 2. Se hinca el tomamuestras en el terreno 60 cm, contando
en número de golpes necesarios para hincar tramos de 15
centímetros. La hinca se realiza mediante una maza de 63,5 kg (140
libras) que cae desde una altura de 76 cm (30 pulgadas) en una
cabeza de golpeo o yunque. La lectura del golpeo del primer y último
tramo no se tienen en cuenta, por posible alteración del suelo o
derrumbes de las paredes del sondeo en el primer caso y por posible
sobrecompactación en el segundo. Los valores de golpeo de los
tramos centrales de 15 cm sumados conducen al parámetro NSPT o
NSPT, denominado también resistencia a la penetración estándar.
Cuando el terreno es muy resistente se detiene la prueba para un
determinado
número
de
golpes
(rechazo,
R),
anotando
la
penetración realizada. La norma ASTM D1586-84 indica que la
prueba se puede dar por finalizada: 1. Cuando se aplican 50 golpes
para un tramo de 15 cm. 2. Cuando se aplican 100 golpes en total. 3.
Cuando no se observa penetración alguna para 10 golpes. El
tomamuestras permite por otro lado recoger una muestra alterada
del suelo que posibilita su identificación. Normalmente esta muestra
se introduce en un recipiente o bolsa en los que se indican en una
etiqueta, además de los datos de la obra, sondeo, profundidad,
fecha, etc., los valores de golpeo obtenidos. El ensayo SPT es por
naturaleza simple y puede ser intercalado con facilidad en cualquier
sondeo de reconocimiento. Puede ejecutarse en casi cualquier tipo
de suelo, incluso en rocas blandas o meteorizadas. Los resultados
de la prueba, difundida ampliamente en todo el mundo, se
correlacionan empíricamente con las propiedades específicas in situ
del terreno. Existe una abundante bibliografía a este respecto. La
FUNDACIONES Y MUROS
UNIDAD I
gran mayoría de datos y correlaciones corresponden a terrenos
arenosos. La presencia de gravas complica la interpretación, cuando
no impide su realización. En resumen, el ensayo resulta apropiado
para terrenos en los que predomina la fracción arena, con reserva
tanto mayor cuanto mayor es la proporción de la fracción limo-arcilla
o de fracción grava.
b. Ensayo de Penetracion de Cono CPT: Consiste en una punta cónica
de 60º y de 10 cm2 de área fijada al extremo de una barra
encamisada. El cono se hace penetrar en el suelo a una rata de 2
cm/s mediante un gato hidráulico. La resistencia del cono, es igual a
la fuerza necesaria para hacerlo avanzar dividida entre el área.