Cimentaciones: Diseño, Tipos y Procesos

CIMENTACIONES

Denominamos cimentación o cimiento de un edificio a la base sobre la que descansa dicha construcción. Es una estructura de unión entre el edificio y el terreno sobre el que se asienta, cuya principal función es transmitir a este las cargas del edificio repartidas de la forma más homogénea posible. También servirá para proteger a la construcción de la humedad del terreno y evitar los asientos diferenciales del suelo.

Trabajos previos a la ejecución de la cimentación

• Derribos y demoliciones: Consisten en deshacer una obra realizada con anterioridad, echándola a tierra. Para ello será necesario romper o fragmentar los elementos derribados y su posterior desescombro.
• Movimiento de tierras: Son actuaciones a realizar en un terreno para la posterior ejecución de una obra. Antes de comenzar el movimiento de tierras, se realizará el despeje y desbroce del terreno. Una vez preparado este, se efectuará el replanteo, mediante el que se trasladarán al terreno las dimensiones y formas indicadas en los planos de la obra a escala real.

Una vez realizado el replanteo se comienza la excavación o movimiento de tierras para alcanzar un plano de arranque de la edificación. Las excavaciones pueden ser de distintos tipos: Desmontes de terreno: O rebajes del mismo a un nivel más bajo para reducir su cota o Terraplenado: Cuando el terreno se encuentra por debajo del plano de arranque del edificio y es necesario llevarlo al mismo nivel, rellenándolo para ello de tierra. Vaciado: Consiste en la realización de una cavidad por debajo del nivel del terreno para obtener el plano de arranque de la edificación, en cota negativa.

• Estudios geotécnicos: Conjunto de reconocimientos del terreno e interpretación de los datos obtenidos que permiten caracterizar los suelos donde se va a edificar. Se determinarán factores como la clase de terreno, sus características y propiedades, profundidad del estrato resistente, presión admisible del terreno, la posición del nivel freático, modo de excavación a emplear, tipo de cimentación a emplear, etc.

Algunos de los ensayos que se llevan a cabo en los estudios geotécnicos son el estudio de las edificaciones próximas y los terrenos donde éstas se han construido, la realización de calicatas o calas, perforaciones en el terreno, pruebas de resistencia del terreno, obtención de muestras mediante sondeos para el estudio del terreno en el laboratorio, etc. Perforaciones, Muestras estudio, Calicata, Estudios resistencia introducción punta metálica Además de los ensayos mencionados se suelen aplicar otros tipos de pruebas menos agresivas desde la superficie del terreno que complementarán la información obtenida con los anteriores como prospecciones gravimétricas, magnéticas, sísmicas o eléctricas. Una vez conocida la naturaleza del terreno, es posible conocer la presión admisible del mismo o peso que podrá soportar sin sufrir daños ni deformaciones. La carga debida al peso de la obra proyectada no debe superar dicha presión admisible, ya que en caso contrario se pueden producir asientos diferenciales, que provocarán hundimientos y daños importantes en la estructura del edificio.

Materiales de cimentación

El material que se emplea más habitualmente en la construcción actual de cimentaciones es el hormigón armado. La armadura le proporciona al cimiento resistencia para soportar los empujes del suelo. Absorbe esfuerzos de tracción y con ello evita grandes asentamientos y elimina asentamientos diferenciales. También se puede utilizar hormigón en masa, aunque solo en edificaciones con muy poca carga y que se sitúan sobre terrenos muy homogéneos y suficientemente resistentes. Los cimientos de mampostería, de fábrica cerámica y de hormigón ciclópeo se encuentran principalmente en obras antiguas y obras de rehabilitación de edificios antiguos, siendo prácticas ya en desuso.

Tipos de cimentaciones

Las cimentaciones superficiales o directas se emplean cuando la capa superficial del terreno tiene la consistencia necesaria para resistir grandes cargas o cuando las cargas a transmitir son pequeñas.

Una cimentación es superficial cuando se construye a profundidades entre 0,5-4 m. El terreno permite apoyar el edificio de forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar al mismo.

Las cimentaciones superficiales reparten las cargas transmitidas por la estructura sobre una superficie bastante grande.

Las cimentaciones superficiales más empleadas son las de zapata, pozo de cimentación, emparrillado y losa.

Las cimentaciones profundas se encuentran a una profundidad >4,5-5 m. Se emplean cuando los estratos superiores del terreno no son aptos para una cimentación superficial y permitirán apoyar el edificio sobre capas del terreno más compactas y consistentes.

Se emplearán en terrenos con capas superficiales poco compactadas y resistentes, en aquellos que tienden a sufrir grandes variaciones, en edificios sobre el agua o muy elevados, en edificios con plantas bajo el nivel del suelo, y siempre que los esfuerzos transmitidos por el edificio no puedan ser distribuidos adecuadamente mediante una cimentación superficial. Las cimentaciones profundas más habituales son las realizadas mediante pilotes y mediante muros pantalla.

Cimentaciones por zapatas

Las zapatas son elementos estructurales de base cuadrada o rectangular, normalmente de hormigón armado, que amplían la superficie de los pilares o los muros para que el suelo soporte mejor la carga que éstos le transmiten. Se utilizan cuando el terreno es firme, puede soportar presiones altas y se esperan asientos diferenciales reducidos. Las zapatas se pueden clasificar:

Según la forma de apoyo del pilar sobre la zapata, distinguiremos zapatas centradas, zapatas excéntricas o descentradas y zapatas de esquina. Si las zapatas son excéntricas en una o las dos direcciones principales y a veces incluso siendo centradas, es necesaria la disposición de vigas centradoras, de atado o de arriostrado, para impedir el vuelque de las zapatas, disminuir los momentos aplicados, y reducir la incidencia de los asientos diferenciales.

Según sus dimensiones, las zapatas responderán de distinta manera a las cargas que incidan sobre ellas. Así, distinguiremos entre zapatas rígidas, que trabajarán a compresión y zapatas flexibles, que estarán sometidas también a esfuerzos de tracción, con lo cual pueden flexionar.

Según los elementos que se apoyen sobre la zapata, distinguiremos zapatas aisladas, zapatas combinadas y zapatas corridas. La zapata aislada se usa para asentar un único pilar. Las zapatas combinadas sostienen dos o tres pilares cuando están muy próximos entre sí o cuando las dimensiones de las zapatas son tales que se superponen. Si el número de pilares que soporta la zapata es mayor de tres o sobre la misma se apoya un muro de carga o contención, recibe el nombre de zapata corrida.

Fases del proceso de ejecución de las zapatas:

1 Limpieza y desbroce del solar. 2Comprobación de medidas y niveles y replanteo. 3 Excavación hasta la cota superior del cimiento y después de zapatas y riostras. 4 Nivelado y refino. 5 Encofrado de las zapatas y riostras si procede. 6 Colocación de la capa de hormigón de limpieza. 7Colocación de armadura inferior con separadores o calzos. 8Colocación de armadura de espera de pilares. 9Colocación de la armadura de riostras. 10Hormigonado, vibrado y curado.

Cimentación por emparrillado

Cimentación formada por un conjunto de zapatas corridas dispuestas en dos direcciones perpendiculares, formando una retícula ortogonal. La estructura del edificio se asentará en una cimentación continua de gran rigidez. Esta cimentación se emplea cuando la capacidad portante del terreno es escasa o cuando presenta una elevada heterogeneidad, lo que hace prever que puedan producirse asientos diferenciales importantes que constituyan un riesgo elevado para la integridad del edificio.

Losa de cimentación

Una losa de cimentación es una placa de hormigón armado apoyada sobre el terreno que reparte el peso y las cargas del edificio sobre toda la superficie de apoyo. Las losas son un tipo de cimentación superficial que tiene muy buen comportamiento en terrenos poco homogéneos que con otro tipo de cimentación podrían sufrir asentamientos diferenciales. También se emplean en terrenos con muy poca capacidad portante. Las losas más sencillas son las losas macizas de espesor constante, cuya sección es invariable. Sobre ella se apoyarán directamente los pilares. Se emplean generalmente para estructuras que poseen cargas y luces equilibradas. El armado de la losa de espesor constante está formado por un mallazo inferior y superior. 

Existen casos, en los que, por diseño, es conveniente reducir la sección de la losa ya que ésta puede resultar demasiado gruesa y pesada. Las losas con capitel o losas fungiformes se utilizan cuando existen cargas importantes, de modo que entre la losa y el pilar se construye un ensanchamiento (capitel si se encuentra sobre la losa o refuerzo si se encuentra bajo ésta), que optimizará el trabajo de la losa a los esfuerzos de flexión y de corte, evitando el efecto de punzonamiento o pinchamiento que ejercen los pilares. Su armado es similar a las de losas de espesor constante. Otra forma de minimizar el punzonamiento es mediante el empleo de las losas nervadas, que poseen una serie de vigas o nervaduras longitudinales y transversales que enlazan los pies de los pilares para mejorar su resistencia. Para estructuras de cargas desequilibradas Los arranques de los pilares se situarán en los encuentros de las vigas bidireccionales  También reciben el nombre de losas aligeradas.

Pozos de cimentación

La cimentación en pozo constituye una solución intermedia entre cimentaciones profundas y superficiales. Se aplica cuando la resistencia del suelo requerida se alcanza a profundidades medias pero no es necesario cimentar con pilotes. Para su ejecución se excava un pozo hasta la cota resistente y, a partir de ahí, existen dos posibilidades:

- Rellenar el pozo con hormigón pobre o de limpieza hasta la cota conveniente y, sobre este, apoyar la zapata.

- Ejecutar la zapata directamente sobre el suelo, apoyar el pilar sobre un capitel de hormigón y rellenar el pozo con tierra.

Cimentación por pilotes

La cimentación por pilotes o de pilotaje es una cimentación profunda de tipo puntual, que se hinca en el terreno buscando el estrato resistente capaz de soportar las cargas transmitidas. Los pilotes son pilares de sección generalmente circular enterrados en el suelo, que pueden fabricarse de diferentes materiales, aunque el más utilizado es el hormigón armado. Si los pilotes son muy esbeltos corren el riesgo del pandeo.

La cimentación por pilotes se emplea cuando el edificio se apoya en terrenos de baja calidad, está situado sobre agua o con la capa freática muy superficial o cuando las cargas del edificio exceden la capacidad portante del suelo. Existen distintos tipos de cimentaciones por pilotaje:

• Pilote sencillo o aislado: Estará a una distancia lo suficientemente alejada de otros pilotes como para que no haya interacción geotécnica entre ellos.
• Grupo de pilotes: Por su proximidad interaccionan entre sí o están unidos mediante elementos estructurales rígidos y trabajarán conjuntamente.
• Micropilotes: Un micropilote es una perforación cilíndrica de pequeño diámetro que se refuerza mediante la introducción de una armadura metálica de barras de acero corrugado o tuberías cilíndricas, en la que se inyecta a presión una lechada de cemento o mortero.

Se emplean en cimentaciones profundas cuando no es posible un pilotaje convencional, debido a la naturaleza del terreno o por dificultad en accesos y maniobrabilidad.

Los pilotes se pueden fabricar de diferentes materiales: hormigón armado ejecutado “in situ”, hormigón armado prefabricado que podrá ser pretensado o postensado, perfiles de acero de sección tubular u otras, de madera o mixtos, formados de acero tubular rodeados y/o rellenos de hormigón en masa.

Existen distintas formas de ejecución de las cimentaciones por pilotes de hormigón armado construidos in situ.

• El pilotaje por extracción de tierras requiere que las tierras de la excavación sean extraídas antes de la ejecución del hormigonado de pilotes, para lo cual se utilizan maquinarias como barrenas, trépanos, cucharas, etc. En terrenos poco cohesionados o cuando el terreno resistente queda debajo del nivel freático se pueden producir desmoronamientos o filtraciones. Para evitar estos problemas se recurre a una camisa metálica, que es un tubo que tiene la misma función de un encofrado que se va clavando al tiempo que se efectúa la excavación. Estas camisas pueden ser recuperables o perdidas si se dejan en el terreno. Otras soluciones utilizan lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad de las paredes de la excavación. Una vez extraída la tierra se procede a la colocación de la armadura, que estará  formada por una armadura longitudinal constituida por barras colocadas uniformemente en el perímetro de la sección y el armado transversal lo constituyen un zuncho en espiral o cercos de redondos. Posteriormente, se procederá al vertido mediante bombeo y por tongadas del hormigón y su correspondiente vibrado

• Los pilotes de desplazamiento se confeccionan sin extraer las tierras del terreno. Mediante la hinca por golpeo de maza o martillo de una entubación provista un azuche (punta cónica de metal u hormigón) o un tapón (de gravas u hormigón) que se golpeará desalojándolo del tubo y creando un bulbo en la parte inferior, se desplazará el terreno a medida que va penetrando en el mismo.

• Los pilotes prefabricados o premoldeados suelen estar construidos con hormigón armado o pretensado.

Estos pilotes se clavan en el terreno por medio de golpes con un martinete o pala metálica equipada para hincada del pilote. Su sección suele ser cuadrada y sus dimensiones de 30x30 cm ó 45x45 cm. La punta va reforzada con una pieza metálica especial para permitir la hinca. Habitualmente los pilotes se construyen en grupos, que unen sus cabezas mediante un encepado que servirá de unión entre los pilotes y que cumplirá la función de la zapata, sirviendo también como base del pilar y repartiendo la carga del mismo entre todos ellos. Los encepados son bloques de hormigón muy armados y robustos que adoptan distintas formas según el número de pilotes que enlacen. Antes de proceder al encepado será necesario llevar a cabo el descabezado de los pilotes, eliminando el hormigón de baja calidad que queda en la parte superior tras su ejecución y quedando al descubierto las armaduras que se entrelazarán al encepado. De igual forma que en las zapatas aisladas de hormigón armado.

Cimentación por muros pantalla 

Los muros pantalla son un tipo de cimentación muy usada en edificios de altura, en edificios con sótano en áreas urbanas, en parkings, etc. Se emplean para realizar excavaciones verticales en casos en los que el terreno, los edificios u otras estructuras cimentadas en las inmediaciones de la excavación no serían estables sin sujeción o para evitar filtraciones de agua a través de los taludes de la excavación. El muro pantalla es un muro de contención de hormigón armado excavado en profundidad que se construye antes de efectuar el vaciado de tierras, y que sirve a la vez como sujeción de tierras y como cimentación del edificio transmitiendo los esfuerzos al terreno. En zonas urbanas con edificaciones en las proximidades suelen ser habitual el uso de pantallas continuas o pantallas de pilotes fabricadas in situ. También pueden conformarse mediante pantallas prefabricadas (paneles de hormigón prefabricados) o tablestacas (metálicas, de hormigón o de madera hincadas en el suelo). Es bastante habitual el arriostramiento del muro pantalla al terreno, mediante elementos de anclaje que logran una gran estabilidad del mismo con poca deformación. Los anclajes se realizan en uno o varios niveles, mediante cables empotrados con perforaciones pequeñas inyectadas con cemento, que luego se tensan. El ancho habitual de estas pantallas se encuentra entre 45 y 100 cm. Las pantallas continuas se emplean por lo general en excavaciones bajo el nivel freático.

El proceso de ejecución de un muro pantalla con sistema de arriostramiento, consta de una serie de fases que se explican a continuación:

• Se construyen dos muretes guía (de 0,8 a 1,5 m de profundidad) en los bordes para servir como guía a la excavadora y para evitar que los bordes se desmoronen. La superficie exterior del muro pantalla debe estar separada de las paredes lindantes unos 20 cm para facilitar los trabajos de las máquinas.

• Se ejecuta la excavación del pozo del panel o batache normalmente con una cuchara bivalva. La excavación se puede hacer con o sin lodos tixotrópicos, según la calidad del terreno. La longitud de cada batache suele ser de unos 3 m. La excavación se puede ejecutar alternando los bataches o de forma continua

• La armadura previamente montada se colocará colgada del murete guía mediante una grúa, procurando que no toque el fondo de la zanja una vez introducida. Antes de hormigonar, se colocan unos encofrados laterales o juntas entre el panel excavado y el panel que se excavará más adelante.

• La función de las juntas es evitar problemas al excavar paneles contiguos. Los encofrados laterales suelen ser láminas metálicas o tubos de hormigón prefabricado que se dispondrán verticalmente, empotrados en el fondo, para evitar que se produzcan movimientos y que se deslice el hormigón fresco por la base. Se extraerán unas horas después de la hormigonada.

• Se hormigonará el batache de abajo hacia arriba mediante el uso de una tubería tremie.

• Se repetirá el proceso hasta el cierre completo del recinto.

• Se descabezan las pantallas, rompiéndose en los últimos 40 ó 50 cm, con el fin de descubrir las armaduras y para eliminar el hormigón de mala calidad que queda en las parte superior o cabeza, generalmente mezclado con bentonita.

• Se construirá la viga de coronamiento o atado perimetral una vez descubiertas las armaduras en la parte superior del muro. Esta será una viga robusta, de una altura aproximada de 1 m.

• Una vez realizado el atado de los paneles, se procederá a la excavación del solar y a la ejecución de la cimentación.

• Posteriormente se colocarán los anclajes correspondientes al arriostrado del muro al terreno.

Muros de contención

Los muros de contención son elementos de sujeción de esfuerzos horizontales debidos al empuje del terreno que se apoya sobre los mismos y que tienden a volcarlos o a deslizarlos. Así, evitarán el desmoronamiento y sostendrán el talud en desmontes y terraplenes. También recibirán los esfuerzos verticales de los elementos estructurales que se apoyan sobre ellos. Los muros de contención se pueden fabricar de hormigón armado, de mampostería o sillería de piedra, de fábrica armada de bloque de hormigón o cerámico, prefabricados, etc. Las partes que podemos distinguir en un muro de contención son las siguientes: Los muros de contención de uso más frecuente son:

• Muros de contención por gravedad: soportan y contrarrestan los empujes con su propio peso debido a su gran volumen. Suelen construirse de fábrica de piedra, de hormigón en masa u hormigón ciclópeo. Este tipo de muro de contención no suele ser de mucha altura y pueden presentar sección constante, ser ataluzados o trapezoidales y escalonados. Cuando se hacen algo más esbeltos, se someterán también a esfuerzos de flexión, precisando una armadura de refuerzo, y se denominarán de semi-gravedad.

• Muros de contención ligeros o a flexión: También denominados muros en L o en ménsula. Requieren mucho menos material que un muro de gravedad. La estabilidad de este tipo de muros se debe a la resistencia del material empleado. Se suelen emplear para la contención de alturas mayores que los muros de gravedad. Son de uso muy frecuente y se suelen construir de hormigón armado. El diseño del muro debe impedir que flexione, ni produzca desplazamientos horizontales o vuelque, pues debido a los empujes, el muro tiende a deformarse. Por ese motivo, pueden presentar diversas formas: Estos muros pueden reforzarse mediante diferentes contrafuertes, pilares embutidos, con placas o bandejas, tacones o uñas, anclajes, bataches u otros elementos para mejorar su capacidad de sujeción del terreno y su estabilidad.

La existencia de agua en el terreno puede producir reblandecimiento de la tierra a sujetar, modificando la estructura e incrementando el empuje. Para controlar y eliminar los posibles riesgos por acumulación de agua en la parte posterior del muro, se instala un sistema de drenaje. El sistema de drenaje consiste en realizar unos huecos en la parte inferior del muro que sirven para desaguar y reciben el nombre de mechinales, barbacanas o troneras. Este problema también se puede solucionar mediante la colocación de un tubo poroso en la base del trasdós del muro con la misma función.