APUNTES DE CIMENTACION PRIMERA UNIDAD: GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCION Un axioma universalmente aceptado en ingeniera es la necesidad de una cimentacin adecuada para toda estructura (puentes, edificios, silos, etc.). Todas las cargas deben transmitirse al terreno de tal manera que no se exceda la capacidad de carga permisible y que los asentamientos resultantes puedan ser tolerados por la estructura para que esta tenga estabilidad durante todo su periodo de vida til. La construccin de cimentaciones es una tcnica ya muy desarrollada que consiste en conservar ciertas condiciones de equilibrio desde el momento del inicio de la obra cuando se cuenta con una minima capacidad de carga del terreno. Una cimentacin puede definirse como un conjunto de elementos estructurales que se encargan de transmitir y distribuir las cargas a estratos inferiores del terreno, de modo que no sobrepase la capacidad de carga permisible de dicho terreno; y cuya finalidad es evitar el hundimiento medio, as como los hundimientos diferenciales a base de la rigidez para no daar a la superestructura. Desde el punto de vista de la mecnica de suelos una cimentacin es el resultado de la superposicin de dos problemas diferentes: a) que esfuerzos se pueden comunicar al terreno si sobrepasar la resistencia de este?, es decir sin provocar una falla. (TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA ) b) qu deformaciones va a sufrir el suelo y por lo tanto la cimentacin, al aplicarse tales esfuerzos? (METODOS DE ANALISIS DE ASENTAMIENTOS). 1.2 ANTECEDENTES La preocupacin del constructor por el comportamiento de la cimentacin es tan antigua como la construccin misma, pero es hasta pocas relativamente recientes en que tal preocupacin se reflejo en los intentos de analizar cientficamente el comportamiento de las cimentaciones. Durante mucho tiempo la construccin de cimentaciones se estableci bajo bases puramente empricas, pero con lo que hoy se antojan tan pobres bases los constructores de antao realizaron obras magnificas, algunas de las cuales perduran hasta nuestros das; adems el nico modo de que dispona un constructor para adquirir el arte de cimentar fue la transmisin de conocimientos en forma oral, naturalmente con todos los vicios del conocimiento emprico. Al aumentar el ritmo de la construccin y con esto el nuecero de construcciones, el arte de cimentar cay en manos no siempre muy capacitadas. Los fracasos que se hicieron notar condujeron al primer intento de racionalizar la construccin de cimentaciones bien logradas con las que presentaban algn tipo de falla relacionando la carga soportada con el rea del cimiento trataron de establecer

valores seguros del refuerzo que era posible dar al suelo en cada lugar en particular nacieron as los primeros cdigos o reglamentos. Entre las teoras de capacidad de cargas mas importantes tenemos: la teora de Terzaghi(1943), la teora de MEYERHOF(1951), la teora de SKEMPTON, la teora de BRINCH-HANSEN, la teora de BEREZANTZEV y la teora de BELL. Con el creciente conocimiento de los suelos y de sus propiedades mecnicas y con el mejoramiento de las tcnicas de campo ha sido posible en la actualidad el desarrollo de la actualidad el desarrollo de la metodologa de proyecto y construccin de cimientos mucho ms racionales y avanzada. Pero no debe pensarse que las teoras desarrolladas hasta la actualidad resuelven los problemas por completo, ya que tienen limitaciones aun enormes propias de las variaciones y complejidades de los suelos. 1.3 CLASIFICACIONES DE LAS CIMENTACIONES Las cimentaciones suelen manejarse como pertenecientes a uno de dos grandes grupos: las cimentaciones SUPERFICIALES y las PROFUNDAS. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Las cimentaciones superficiales son aquellas en que la profundidad de desplante no excede de dos a tres veces el ancho del cimiento, sin que exista un criterio mas preciso para diferenciarlas. Se utiliza generalmente en terrenos comprensibles cuando las cargas que se transmiten al terreno son pequeas y el suelo puede resistirlas sin peligro de asentamiento, o bien aunque sean grandes las cargas actuantes, el terreno sea de baja comprensibilidad y alta capacidad de carga (tepetate o roca). Los tipos mas frecuentes de cimentaciones superficiales son: Zapatas aisladas, zapatas corridas y losas de cimentacin. Las ZAPATAS AISLADAS son elementos estructurales cuadrados o rectangulares, que se construyen bajo las columnas con el objeto de transmitir las cargas al terreno en una mayor rea. Las zapatas aisladas se construyen generalmente de concreto reforzado y ocasionalmente de mampostera de piedra, en obras pequeas y en pases donde la mano de obra no sea cara.

Las ZAPATAS CORRIDAS son elementos estructurales en que la longitud supera en mucho al ancho, se utilizan para soportar varias columnas o un muro de carga, se construyen de concreto reforzado o mampostera. La zapata corrida es una forma evolucionada de la zapata aislada en el caso de que el suelo ofrezca una resistencia baja, que obligue al empleo de mayores reas de reparticin o en el caso que se deban transmitir grandes cargas al suelo.

Las LOSAS DE CIMENTACION se emplean cuando la resistencia del terreno no sea muy baja o las cargas sean muy altas las reas necesarias de apoyo de la cimentacin aumentan considerablemente que es preferible construir una verdadera losa en toda la superficie construida.

CIMENTACIONES PROFUNDAS En el caso de que aun utilizado una losa corrida de cimentacin, la presin transmitida al suelo sobrepasa la capacidad de carga de este, o se piense que se producirn asentamientos excesivos, se hacen necesario soportar la estructura a estratos mas firmes que se encuentran a mayores profundidades. Los tipos de cimentaciones profundas se distinguen entre si, de manera arbitraria, por la magnitud de su dimetro o lado, segn sean circulares o rectangulares. As se tienen los PILOTES, y los CILINDROS y CAJONES. LOS PILOTES son elementos estructurales muy esbeltos de dimensiones transversales entre 0.30 y 1.00 m, pueden ser de madera, concreto o acero. Los de concreto son los mas ampliamente usados en la actualidad y estos pueden ser de concreto reforzado comn o concreto presforzado, siendo la inmensa mayora circulares con dimetros entre 0.30 y 0.60 m. los pilotes de acero son de gran utilidad en aquellos casos en que la HINCA de los pilotes de concreto se dificulte por la relativa resistencia del suelo, pues tienen mayor resistencia a los golpes del MARTINETE DE HINCADO.

Desde el punto de vista de su forma de trabajo los pilotes se clasifican en: DE PUNTA, DE FRICCION Y MIXTOS. LOS PILOTES DE PUNTA desarrollan su capacidad de carga con apoyo directo a un estrato resistente, mientras que LOS PILOTES DE FRICCION desarrollan su resistencia por la friccin lateral que generan contra el suelo que los rodea. LOS PILOTES MISXTOS aprovechan estos dos efectos. Segn el procedimiento de construccin y colocacin los pilotes de concreto pueden ser: PREFABRICADOS e hincados a golpes o a presin, o COLADOS EN EL LUGAR (in situ) en una excavacin realizada previamente a la construccin del pilote.

Pilote de punta.

Pilote de friccin.

LAS PILAS son elementos estructurales cuyo ancho o dimetro sobrepasa 1.00 m pero no excede del doble de ese valor. Sin embargo no existe una distincin definida entre pila y pilote. Para algunos otros autores, una pila es simplemente un elemento que trabajando igual que una zapata, transmite cargas a mayor profundidad que aquellas. Segn este criterio, un elemento es pila si la relacin de profundidad a ancho de la base es 4 o mayor, mientras que se considera zapata si dicha relacin es entre 1y 2.

Colocacin de una pila de cimentacin. LOS CILINDROS Y CAJONES DE CIMENTACION

Se usan cilindros cuando se requieran secciones transversales mayores que las que proporcionen las pilas y pilotes; o en obras en que: a) Se tengan grandes concentraciones de cargas, como por ejemplo un puente de grandes claros, b) Cuando existan problemas control de agua, c) Cuando la estructura va a estar expuesta a severas cargas horizontales. d) Se requiera un cimentacin profunda de cualquier clase, pero la presencia de BOLEOS o de cualquier otro obstculo haga difcil el hincado de pilotes. Se les da el nombre de CILINDROS cuando son de esta forma y CAJONES DE CIMENTACION cuando son paraleleppedos, los dimetros o lados de estos

pueden oscilar entre 3 y6 m. y se construyen huecos para el ahorro de materiales y su peso sea menor, siempre son de concreto con un tapn en la punta. CIMENTACIONES COMPENSADAS. El principio en que se basan estas cimentaciones es bien sencillo y consiste en desplantar a una profundidad tal que el peso de la tierra excavada iguale al peso de la estructura, de tal manera que as nivel de desplante el suelo no sienta la sustitucin efectuada, esto es, que este sometido a la misma presin. Las cimentaciones compensadas se utilizan en suelos de alta compresibilidad, para evitar asentamientos por consolidacin ya que tericamente no se ninguna sobrecarga al terreno y el equilibrio no se rompe. Este tipo de cimentacin exige que las excavaciones realizadas no se rellenen posteriormente, esto se logra mediante una losa corrida o construyendo cajones huecos de concreto reforzado. Existen los siguientes tipos de cimentaciones compensadas: TOTALMENTE COMPENSADA: En el caso de que el peso de la estructura sea exactamente igual al peso de la tierra excavada. Esto es muy difcil de lograrlo ya que las cargas no son muy precisas. PARCIALMENTE COMPENSADAS: Cuando el peso de la tierra excavada compensa nicamente una parte del peso de la estructura, en tanto que la otra restante se tima con piloteso con apoyo sobre el terreno, si es que la capacidad de carga y la comprensibilidad li permiten. Es el tipo ms usual y las limitantes son: la altura de la excavacin, el nivel fretico que obliga al bombeo para trabajar en profundidades de la excavacin. SOBRECOMPENSADAS: cuando el peso de la tierra excavada es mayor que el peso de la estructura, no es muy conveniente, principalmente desde el punto de vista econmico y existe el peligro de que el edificio emerja. 1.4 FACTORES QUE DETERMINAN EL TIPO DE CIMENTACION En general, los factores que influyen en la correcta seleccin de un tipo de cimentaciones son: a) b) c) d) e) f) g) h) Las caractersticas del terreno. El tipo de estructura La magnitud de las cargas que se transmiten al terreno Los requerimientos relativos a seguridad. El costo de la estructura La sencillez del procedimiento constructivo Disponibilidad de los materiales en el lugar. La tecnologa disponible

Al balancear los factores anteriores, en un anlisis preliminar se pueden eliminar todos aquellos tipos de cimentacin inadecuados para resolver un problema en particular, quedando solamente alguno que debern ser cuidadosamente estudiados para elegir entre estos las soluciones que satisfagan todos los requisitos estipulados

desde el punto de vista estructural, de suelos, social, etc., para que finalmente, entre estos se escoja el proyecto final, generalmente con una apreciacin simplemente econmica. La mecnica de suelos juega un papel decisivo en la eleccin del tipo de cimentacin apropiado, por medio de las teoras de capacidad de carga y los mtodos de anlisis de asentamientos basados en la teora de consolidacin de Terzaghi. La solucin de una cimentacin profunda solamente debe considerarse despus de un anlisis cuidadoso de las soluciones superficiales, ya que estas ltimas son las ms econmicas. La solucin de pilotes debe evitarse siempre que sea posible, debido a las incertidumbres que existen en cuanto a su comportamiento, principalmente si la estructura es sensible a asentamientos totales y diferenciales. Cuando las cargas sean bastante pesadas y al emplear zapatas continuas estas ocupan cerca de 50% del rea del edificio en planta, es ms econmico usar una losa de cimentacin. 1.5PRINCIPALES FALLAS TECNICAS EN LAS CONSTRUCCION DE CIMENTACIONES. Para llegar a un diseo satisfactorio y a una eleccin de los mtodos de construccin se deber hacer un anlisis cuidadoso de los efectos derivados de las condiciones ms desfavorables. Si no se considera algn factor que en un momento dado pudiera desvirtuar la resistencia del terreno, tanto a largo plazo (en el diseo), como a corto tiempo (en la construccin) casi siempre se presentara una falla, ya sea por derrumbe total o en forma de distorsiones, agrietamiento, etc. A continuacin se describen las fallas ms comunes. a) SOCAVACION DE LOS APOYOS. Consiste en el arrastre de los materiales del fondo de un cauce debido a las velocidad del agua, tambin se incluye dentro de este termino al material que aunque no sufre arrastre se queda sin presiones efectivas, es decir, el material se queda en suspensin. Por ejemplo, si algn apoyo de un puente queda desplantado en una zona de socavacin para una avenida determinada, al presentarse esta, el elemento estructural sufrir un asentamiento con los daos consiguientes a dicho puente. Este mismo problema se puede presentar con las excavaciones hechas por debajo y junto a zapatas de muros o columnas, las cuales reducen en forma considerable la capacidad de carga del terreno en que estas ultimas estn apoyadas, si este efecto se menosprecia en absoluto los resultados pueden ser trgicos. Como ocurri e Nueva York en 1960, cuando una excavacin de un edificio residencial de 5 niveles, causo el derrumbe total del inmueble, que tenia ya 90 aos de haber sido construido.

En 1962 una planta trituradora en Johannesburgo, se hundi totalmente al derribarse en forma repentina, cayeron al fondo de una caverna hasta entonces desconocida.

b) FALLAS POR TRANSMICION DE CARGAS Una estructura estable siempre ajusta sus cargas para compensar los asentamientos diferenciales de la cimentacin. Pero cuando se rompe el equilibrio debido a la perdida total o parcial de algn apoyo, las reacciones se transmiten y redistribuyen entre los apoyos disponibles, modificando as sus cargas y presentndose algn tipo de falla.

c) MOVIMIENTOS LATERALES Por regla general se considera que un movimiento lateral de 1 pulgada causa mas dao a una estructura que un asentamiento de las misma magnitud. El desplazamiento lateral se origina por la introduccin de fuerzas horizontales no equilibradas, que a veces se derivan de la eliminacin de un componente de resistencia. Un viaducto pesado de concreto construido en 1966 sobre una ladera de arcilla en Cleveland, Ohio, sufri cuarteadoras por esfuerzo cortante en las columnas parcialmente empotradas, debido a la acumulacin de presiones derivadas de la saturacin de la arcilla. Cerca de los ngeles, las excavaciones para los caminos en la Pennsula de Palo Verde, produjeron movimientos laterales del terreno que causaron graves daos a 145 residencias de gran valor. Existen muchos informes de derrumbes acaecidos con posterioridad a la demolicin de edificios adyacentes, donde se ha dejado a la intemperie algn stano ms abajo del nivel de la cimentacin. Por ejemplo, la falla total de un edificio de 4 pisos, en Virginia 1922, donde en la demolicin vecina se dejo sin remover el muro de un stano pensando que de esta forma ayudaban a la estabilidad de las construcciones adyacentes, o como en 1957 en Ro de Janeiro, un edificio de 11 pisos se derrumbo totalmente como consecuencia de una excavacin inmediata al muro que elimino el apoyo lateral.

d) APOYO DESIGUAL Todas las cimentaciones sufren asentamientos al recibir la carga, pero estos no son iguales a menos que las resistencias de los suelos y la distribucin de cargas tambin lo sean, de no ser as resultaran asentamientos diferenciales y desnivelacin de la estructura. Cuando el armazn no es estructuralmente rgido, los muros se cuartean a lo largo de las caras en donde parezca considerables esfuerzos cortantes.

Este problema tambin se presenta en estructuras con cimentaciones apoyadas en partes sobre suelos de tierra. Los ejemplos clsicos de estructuras que perdieron su verticalidad son: La Torre de Pisa y la antigua baslica de Guadalupe. Probablemente el de la Torre de Pisa sea el, as estudiado y conocido, que aun con sus cinco grados de inclinacin continua el servicio, la torre tiene 56 metros de altura con 4 metros de ancho, en la base actualmente esta 4.2 metros fuera de la vertical y su inclinacin progresa a razn de 2.5 cm. Cada 25 aos. Se han elaborado varios proyectos para estabilizar la torre pero sin enderezarla, ya que una torre vertical restara a Pisa mucho atractivo turstico, pero una torre derrumbada se lo arrestara tambin.

e) ERROR DE DISEO Los errores de este tipo se presentan al disear cimentaciones careciendo de datos relativos al subsuelo, o bien menospreciando las verdaderas condiciones del terreno. Ya que los procedimientos de diseo estructural de cimentaciones los factores de seguridad son amplios. En Barletta, Italia 1959, un grupo de ingenieros demasiados optimistas le asigno a la cimentacin de un garage de un solo piso una gran capacidad de carga, y le agrego encima todo un edificio de apartamentos, la estructura con sus cinco pisos se derrumbo inesperadamente causando la muerte de 59 personas. Aunque existen ejemplo de fallas por diseo estructural como por ejemplo la falla de perforacin de una zapata de mampostera de piedra, cuando una columna de fierro con placa de acero de 36 pulgadas cuadradas de superficie penetro en la mampostera ocasionando el derrumbe de un edificio de 5 pisos del Club de Chicago. f) ERRORES DE CONSTRUCCION

EN ESTE ASPECTO SE tienen dos fuentes potenciales de error diferentes una es en los trabajos provisionales de proteccin que siempre estn sujetos al peligro de falla y al derrumbe, puesto que en estos trabajos generalmente los factores de seguridad se mantienen a un nivel mnimo. As pues, la gran cantidad de fallas en la etapa de construccin de cimentaciones puede incluirse dentro de este grupo y no atribuirse a un ms funcionamiento de la estructura misma. Los errores se pueden derivar de condiciones imprevistas, al afrontar caractersticas descubiertas en el campo y que no concuerdan con el diseo, pero principalmente por una supervisin deficiente.

g) FLOTACION Y CAMBIOS DE AGUA UN CAMBIO EN EL CONTENIDO DE AGUA del subsuelo, ya sea por saturacin o por desecacin modificara necesariamente las dimensiones y la estructura de los materiales de apoyo, excepto en los suelos granulares bien consolidados. El abatimiento del nivel fretico induce asentamientos en las estructuras, principalmente en las cimentaciones desplantadas en suelos de arcillas bentonititas, caso tpico el de la ciudad de Mxico. El bombeo de las excavaciones para nuevas construcciones colindantes, afectara invariablemente la estabilidad de las zapatas, o inclusive podr ocasionar el arrastre de pilotes. En Springfield Mass., dos edificios construidos sobre el cauce de un arroyo ya teraplenado, pero conectado con el ro Connecticut, despus de una temporada de crecientes del ro, reblandecio con el agua y ocasiono el asentamiento diferencial de los edificios.

h) EFECTOS DE LAS VIBRACIONES

LAS MASAS DE LAS TIERRA QUE NO ESTAN consolidadas en su totalidad cambian de volumen si se les somete a la accin de los impulsos vibratorios. La fuente de vibraciones puede ser el equipo de construccin, especialmente martinetes de hincado, el equipo de operacin de un edificio ya terminado, o aun el transito de vehculos sobre el pavimento duro y los impactos causados por explosiones. En 1965, el hincado de pilotes por medio de martinetes pesados para un edificio gubernamental en Nueva York dao de tal manera los edificios colindantes, uno de ellos de 19 pisos cimentado sobre arena medianamente densa, que todos los edificios adyacentes fueron declarados inseguros y tuvieron que ser demolidos. Por regla general, los efectos de los sismos son mucho menores en las cimentaciones que en las superestructuras; en especial si se trata de fenmenos de corta duracin. Silos sismos son de una duracin mayor y con una intensidad casi uniforme, las vibraciones sostenidas por tanto tiempo pueden alterar seriamente a los suelos disminuyendo su capacidad de carga y ocasionando algn tipo de falla en la estructura, independientemente de que estn construidos sobre diseos antissmicos.