ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO

“ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO”

Dr. ARNALDO CARRILLO GIL

Profesor Principal, Universidad Ricardo Palma

Profesor Emérito, Universidad Nacional de Ingeniería

Presidente de AC Ingenieros Consultores SAC

Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú

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En las últimas décadas en el mundo, se ha visto

un significativo incremento en la construcción de

edificios altos superando en todos los casos las

edificaciones utilizando concreto armado (Fig.

1). En Lima Metropolitana y también en algunas

capitales de Departamento en nuestro país se ha

presentado este crecimiento, encontrándose

nuevos desafíos particularmente en relación con

el diseño geotécnico y estructural. Muchos de

los métodos tradicionales de diseño no pueden

ser aplicados con mucha confianza más allá de

los dominios de las experiencias anteriores.

Ahora debemos utilizar métodos del estado del

arte y ensayos de campo que permiten

establecer con mayor seguridad las condiciones

reales del suelo subyacente y su

comportamiento a esfuerzo y deformación.

Algunos retos en los edificios altos son:

• Grandes Cargas verticales – incremento

no lineal con altura (Fig. 2)

• Asentamientos diferenciales críticos

• Fuerzas laterales y momentos de flexión

importantes

• Naturaleza cíclica de la carga

• Fuerzas sísmicas sobre las

cimentaciones, fuerza inercial y fuerza

cinemática

• Problemas de interacción suelo-

estructura y presencia del nivel freático

Figura 1 Material utilizado en edificios altos (Datos obtenidos

de CTBUH)

Para afrontar estos retos se deberán tener en

consideración lo siguiente:

Estudio de suelos de alta calidad

Modelo geotécnico completo

Estratigrafía y ensayos de campo y

laboratorio

Parámetros geotécnicos reales y

confiables

Proceso de diseño utilizando las

herramientas apropiadas

Pruebas de carga

Medidas del rendimiento


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Figura 2 Incremento no lineal en edificios: Peso con altura

Para resolver estos retos actualmente utilizamos

una serie de equipos y facilidades que permiten

ejecutar Estudios de Suelos con calidad y

tecnología reciente, tal como la exploración de

suelos con radar y tomógrafo, piezocono

sísmico, y PDA para verificar condiciones de

instalación de pilotes y pruebas de carga

dinámica (Figs. 3 y 4)

Figura 3. Como afrontar los retos en la construcción de

edificios altos

Figura 4. Mediciones de carga y movimiento en cimentaciones

profundas

Consecuentemente, en todos los casos se debe

hacer una evaluación preliminar de los

requerimientos de cimentación. El diseño

detallado se ejecuta en conjunto con quien

realiza el diseño estructural. Posteriormente se

ejecutara el monitoreo del desempeño del

edificio durante y después de su construcción. Las

combinaciones de carga requeridas para diseñar

la estructura y el sistema de cimentación

deberían ser regidas por un apropiado código de

carga estructural.

La investigación de sitio y su caracterización,

requiere un profundo conocimiento de la

Geología con énfasis en ingeniería. Se debe

determinar la estratigrafía real del sitio y

cuantificar los parámetros geotécnicos

adecuados, utilizando métodos que permitan

obtener datos geotécnicos que obliguen a

ejecutar proyectos con la mayor seguridad y

estabilidad:

Ensayos In-situ

Ensayos de laboratorio

Pruebas de carga

Posición del NF y calidad del agua


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En el proceso para el diseño de la cimentación,

se determina el tipo de ésta (ya sea usualmente

de zapatas, vigas, plateas, o pilotes) basado en:

Cargas de cimentación

Criterio de diseño

Problemas de construcción

Se debe tomar en cuenta las siguientes

cuestiones clave en diseño de cimentaciones

superficiales:

1. Capacidad ultima de carga

2. Efectos de carga cíclica (aire, sísmo)

3. Asentamientos

4. Asentamientos diferenciales e inclinación

5. Efectos externos de movimiento de

tierras

6. Comportamiento dinámico (aire, sismo)

7. Reacción a terremotos y licuefacción

8. Resistencia estructural de los elementos

de cimentación

9. Durabilidad.

En el enfoque de análisis para cimentación

profunda, la estabilidad general debe

considerar:

Aplicar combinación de cargas

Aplicar factores de reducción geotécnica

para resistencia axial y lateral de pilotes

Evaluar si el sistema de cimentación

degradado puede resistir las

combinaciones de carga sin colapso

Si es así, satisfacer la solución de

condición general

Es conveniente también tomar en cuenta los

parámetros importantes a evaluar adicionalmente

en las cimentaciones profundas que son:

Capacidad Ultima de fricción

Soporte Último extremo

Rigidez del suelo/módulo de carga vertical

-Largo plazo (carga muerta más carga viva)

-Corto plazo ( viento, carga sísmica)

Presión lateral última

Rigidez del suelo/ módulo de carga vertical

Rigidez dinámica del suelo y

amortiguamiento

Para evaluar las características importantes en los

edificios altos debe tomarse en cuenta:

a) El peso del edificio y en consecuencia la

carga vertical a ser soportada por la

cimentación que puede ser importante.

b) Que las cargas y momentos laterales

inducidos por el viento y sismo son cíclicos

por su naturaleza.

c) Que los períodos altos dependerán de las

características de la estructura.

Criterios generales de diseño

Se requieren factores bajos de resistencia (geotécnica y estructural) que superen factores altos de

combinaciones de carga.

Las condiciones límite de servicio deben cumplir con:

Los valores permitidos dependerán de la estructura y deben ser concordados con el ingeniero

estructural.(Tabla 1)

En cargas dinámicas, los siguientes principios de diseño pueden ser aplicados:

La frecuencia natural del sistema de cimentación debe ser mayor a la de la estructura que

soporta.

La amplitud de los movimientos dinámicos de la estructura de cimentación deben estar dentro

de los límites tolerables.

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Tabla 1. Criterios sugeridos de serviciabilidad para estructuras (Zhang y Ng, 2006)

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Por otro lado, es conveniente puntualizar que en

las relaciones entre los ingenieros geotécnicos y

estructurales hay profundas diferencias en la

filosofía entre cada uno de ellos. Estas deben ser

entendidas para que las dos profesiones puedan

cooperar con éxito. Las dificultades se derivan

principalmente en que el ingeniero geotécnico

trabaja con materiales generados por la

naturaleza, que además son complejos en su

comportamiento mecánico y difícil de explorar

“in situ” con precisión. El análisis geotécnico es

muy similar al diagnóstico de un médico. Por el

contrario, el ingeniero estructural especifica las

propiedades de los materiales con los que

trabaja, controla su fabricación y define su

geometría.

Se ha llegado a la conclusión de que, la razón

fundamental del problema son las diferencias en

el enfoque de modelamiento hacia una situación

real. El modelamiento es el proceso de idealizar

un proyecto a gran escala, incluyendo la

geometría, las propiedades del material y la

carga probable actuante. Por lo tanto el diseño

de un modelo es mucho más complejo que

simplemente llevar a cabo un análisis.

El modelaje geotécnico es un tema difícil porque

analiza un material complicado debido a los

siguientes factores:

Partículas con poca o ninguna unión

entre ellas

La rigidez y el esfuerzo no se fijan,

dependerá de la presión de

confinamiento

El suelo se dilata o contrae durante la

deformación

Las partículas pueden cambiar de

orientación durante la deformación

La acción del “efecto arco”

Las presiones intersticiales del agua que

actúan dentro de los poros son tan

importantes como los esfuerzos límites

La acción del “efecto arco”

Las presiones intersticiales del agua que

actúan dentro de los poros son tan

importantes como los esfuerzos límites

aplicados.

Debe modelarse el material geotécnico

como un conjunto, pero no debemos

olvidar que se trata de partículas.

El desarrollo de un modelo adecuado

para cada análisis. (puede variar desde lo

puramente conceptual a muy sofisticado,

pero debe capturar los mecanismos

esenciales de la conducta futura del

material geotécnico)

El uso del precedente y de la experiencia

como información de calidad, tanto en el

desarrollo como en la interpretación del

modelo.

En el Triángulo Geotécnico de Burland se

explican gráficamente los conceptos expresados

anteriormente (Figura 5)

Figura 5 Triangulo geotécnico Burland (1987)

Finalmente, cabe mencionar que en esta

conferencia se revisarán algunos de los desafíos

que enfrentan los diseñadores de edificios que

en la Metrópoli están llegando a 35 pisos y 12

sótanos, tanto en Lima como en provincias

donde la presencia del nivel freático y el tipo de

suelo encontrado es determinante, sobre todo

por la construcción de los sótanos.

El proceso de diseño geotécnico de cimentación

para edificios altos será ilustrado vía nuestra

experiencia geotécnica reciente tomando como

apoyo sobre el “Conglomerado de Lima” y en los

suelos arenosos, areno-limosos y arcillosos que

encontramos fuera de la Metrópoli (Figura 6)

Figura 6 Vista panorámica de las edificaciones altas

en Lima

Las condiciones de resistencia del suelo granular

grueso del “Conglomerado de Lima” son óptimas

y sus deformaciones para cargas mayores a 20

kg/cm2 no llegan a superar los 3.0 mm en

compresión (Figura 7).Sin embargo, no deben

descuidarse los aspectos de diseño indicados

anteriormente y las condiciones sísmicas de la

costa frente al Callao.

Figura 7 Estado natural del “Conglomerado de Lima

Metropolitana”

Las investigaciones que hemos efectuado

desde hace más de 40 años establecen que

existe una cohesión que no se debe a ninguna

adhesión entre las partículas o algún

cementante que las una, sino más bien a un

entrampamiento mecánico entre las partículas

grandes y pequeñas que constituyen el suelo

granular grueso.

Complementariamente hemos acumulado

abundante información histórica obtenida de

ensayos de campo, que han sido practicados

tanto en condiciones húmedas como secas,

logrando más de 3,000 resultados de Ensayos

de Placa, de Rotura Progresiva en Prismas y de

Corte Directo que muestran un

comportamiento del suelo excelente para

cimentación.

Actualmente para Edificios Altos de más de 30

pisos y 10 sótanos estamos considerando una

capacidad portante hasta de 8.00 kg/cm2 para

deformaciones no mayores de 4.0 mm, lo que

implica excavaciones hasta de 30 m y en

muchos casos adyacentes a edificios de

mediana altura.

Para el caso de provincias, las cimentaciones

apoyadas en los suelos blandos o sueltos, con

nivel freático cercano a la superficie y efectos

de sismo severos, las condiciones de apoyo

exigen soluciones especiales para Edificios

Altos que incluyen cimentaciones por medio

de vigas, plateas y pilotes así como

consideraciones sobre potencial de licuación


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de sismo severos, las condiciones de apoyo exigen soluciones especiales para Edificios Altos que

incluyen cimentaciones por medio de vigas, plateas y pilotes así como consideraciones sobre

potencial de licuación por efecto de sismo severo.

Las condiciones estratigráficas del suelo subyacente en ciudades como Trujillo y Arequipa, (Figuras 8

y 9) indican materiales geotécnicos dispuestos en estratos paralelos de suelos cohesivos y no

cohesivos en algunos casos intercalados con lentes de suelos granulares gruesos y presencia del nivel

freático a profundidades variables que obligan a la impermeabilización de sótanos o modificaciones

en los niveles de los pisos de los edificios como alternativa necesaria para alojar los sótanos

obligatorios en la construcción de la edificación (Figuras 10 y 11)

Figura 8 Condiciones estratigráficas típicas en Trujillo

Figura 9. Condiciones estratigráficas de Arequipa


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Figura 10. Modificación de niveles por presencia del NF

Figura 11. Sistema de impermeabilización y subpresión por NF alto

Entre los casos de edificios altos importantes en el extranjero mencionaremos el proyecto Burj

Dubai, que comprende la construcción de una torre de gran altura de 160 pisos, con el desarrollo de

un estrado alrededor de la base inferior de la torre, incluyendo un garaje de 4-6 niveles (Fig. 12).


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Fig. 12 Edificio Burj Dubai (Khalifa) tower, de más de 800 m de altura

El edificio Burj Dubai, es en la actualidad el edificio más grande del mundo y la Torre Nakheel se

convertirá en el edificio más alto cuando se culmine su construcción. El sistema de cimentación para

cada torre, consiste en un entramado de pilotes anclados en depósitos profundos de suelos

carbonatados y rocas.

Las principales características de esta edificación son:

Se trata de uno de los edificios más altos del mundo

Tiene cimentación por medio de pilotes anclados en Suelos/rocas así como precauciones de

carga cíclica sobre la cimentación profunda.

Presenta asentamientos diferenciales debidos al cambio de gran altura a baja altura de

acuerdo al diseño del edificio.


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Figura 13. Fotografía del sitio antes de la construcción – Septiembre 2003

Condiciones de cimentación para la Torre (Figuras 14, 15 y 16) pilotes de 1.50m de diámetro y 47.50

m de longitud Condiciones de cimentación superficial 750 pilotes de 0.90 m de diámetro y 30m de

longitud Platea de cimentación de 3.70 m de espesor (en la torre)

Figura 14, Disposición de pilotes en la cimentación


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Figura 15. Contorno de asentamiento previsto en la Torre

Figura 16. Cimentación terminada dela Torre Burj Dubai

La altura final del Burj Dubai representa un secreto muy bien guardado, pero ha alcanzado una altura

sobre los 800m en febrero del 2009. La torre de concreto armado de 280,000 m2, será usada para

múltiples propósitos, incluyendo ventas, hotel, residencias y espacios de oficinas. El edificio tiene

forma de “Y”, para reducir las fuerzas del viento en la torre y conservar una estructura relativamente

simple para ayudar al proceso de construcción.


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En conclusión, tomando en cuenta los límites de las teorías, las incertidumbres inherentes al

probable comportamiento del suelo y la roca, el sano juicio profesional continuará siendo la mejor

llave para lograr el éxito en el diseño geotécnico de las cimentaciones, por lo tanto, el criterio y la

experiencia siempre serán la mejor herramienta para solucionar las graves incógnitas que se nos

presentarán en el futuro.

Ningún modelo de suelo existe para capturar todos los efectos dentro de nuestros métodos

analíticos. Debido a este estado complejo, los geotécnicos experimentados saben observar el real

funcionamiento del suelo durante la construcción y están preparados para efectuar las

modificaciones requeridas, evaluándolas para aprender que hacer la próxima vez.

Con la ventaja de la experiencia y las mediciones de desempeño, nuestras capacidades predictivas

han mejorado, por lo tanto la cooperación entre los diseñadores geotécnicos y estructurales es

esencial, dado a que las nuevas soluciones no solo se ceñirán a las leyes físicas, químicas o biológicas

que involucran el comportamiento de los geomateriales.

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