Asignatura: Actuación en edificaciones existentes Tema: Inspección y diagnóstico de suelo y cimentaciones

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1 DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIONES ARQUITECTÓNICAS, INGENIERÍA DEL TERRENO Y MECÁNICA DE LOS MEDIOS CONTINUOS Y TEORÍA DE ESTRUCTURAS MASTER BASICO DE INVESTIGACION EN ARQUITECTURA (MIA) Asignatura: Actuación en edificaciones existentes Tema: Inspección y diagnóstico de suelo y cimentaciones Pedro J. Olmos Martínez Profesor Titular de Ingeniería del Terreno Índice 1.- INTRODUCCIÓN 2.- AUSCULTACIÓN Y DOCUMENTACIÓN 3.- RECONOCIMIENTO DEL TERRENO 4.- CARACTERIZACIÒN DEL TERRENO 5.- ANÁLISIS DE DAÑOS 6.- CASUÍSTICA PATOLÓGICA 1

2 1.- Introducción La Patología Geotécnica es una parte de la Patología de la Construcción en la que la causa de los problemas pueden atribuirse : Al cimiento de la estructura Al terreno sobre el que se cimenta y se transmiten los esfuerzos estructurales Al terreno colindante con el de cimentación. Los fallos de cimentación no solo son debidos a un mal diseño o construcción de las cimentaciones, sino que pueden ser debidos a otras causas : Ambientales : hinchamientos, retracciones,. Movimientos del terreno inducidos por el hombre : rellenos próximos, excavaciones subterráneas, túneles,. Acción del agua : sifonamiento, arrastres, colapsos, subsidencias, 1.- Introducción El problema se detecta por sus síntomas externos (fisuras, desplomes, asientos, ) que dan lugar a tomar medidas. Para resolver satisfactoriamente el problema debe hacerse un análisis patológico que se debe iniciar con la auscultación y documentación del edificio dañado, continuando con el reconocimiento y caracterización del terreno afectado. Con la información obtenida podemos llegar al origen de las causas que han provocado la patología y de este modo establecer la diagnosis de la misma. Tras la diagnosis podemos establecer, y no con anterioridad, el dictamen facultativo que nos va a permitir aplicar las técnicas de intervención adecuadas para la resolución del problema patológico. De lo anterior se deduce que existen las siguientes fases dentro del estudio patológico: Sintomatología Auscultación y documentación Reconocimiento y caracterización del terreno Diagnosis: Análisis y casuística patológica Dictamen Intervención 2

3 2.- Auscultación y documentación Debe procederse a una toma de datos que muestre claramente las anomalías reales, no sólo las aparentes o las que haya podido detectar el usuario. AUSCULTACION Medidas de asientos con nivelaciones de precisión ( 0,1 mm.) Asientos de 1mm/mes implican riesgo notable. Asientos de 1mm/año no precisa un tratamiento urgente. Medidas de giros y desplomes de paramentos y pilares con plomadas ópticas o taquímetros. Seguimiento de fisuras y grietas mediante referencias fijas para medida con regleta extensométrica, o flexímetros en las grietas más características (precisión 1 µ). DOCUMENTACIÓN Recogida de la más amplia documentación del edificio afectado. Proyecto original. Variaciones sobre el proyecto: Documentación gráfica, fotográfica, etc... Posibles modificaciones del entorno inmediato 3.- Reconocimiento del terreno Antes de proponer cualquier medida correctora debemos proceder al reconocimiento y caracterización de la cimentación y del terreno subyacente. En este apartado denominado reconocimiento del terreno estudiaremos la forma de identificar el terreno. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS CARACTERÍSTICAS SUELOS DE GRANO GRUESO SUELOS DE GRANO FINO IDENTIFICACIÓN TAMAÑO PARTÍCULAS PROPIEDADES DEPENDIENTES DE LA HUMEDAD COHESIÓN PLASTICIDAD TAMAÑO PARTÍCULAS > 0,06 mm. < 0,06 mm. ESTRUCTURA SIMPLE FLOCULADA, DISPERSA FUERZAS INTERNAS ROZAMIENTO ROZAMIENTO, COHESIÓN SUELOS QUE LOS FORMAN GRAVAS, ARENAS LIMOS, ARCILLAS DENOMINACIÓN GENÉRICA SUELOS GRANULARES SUELOS COHESIVOS Cohesión: Tendencia de las partículas a mantenerse unidas Plasticidad: Capacidad de deformación sin rotura 3

4 3.- Reconocimiento del terreno CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR EL TAMAÑO DE SUS PARTÍCULAS Existen distintas clasificaciones: DIN, UNE, ASTM, AASHTO Adoptamos la norma española UNE COHESIVO (GRANO FINO) ARCILLA GRANULAR (GRANO GRUESO) LIMO FINO MEDIO 0,006 ARENA GRUESO FINA 0,02 GRAVA MEDIA 0,2 GRUESA FINA 0,6 MEDIA 6 BOLOS GRUESA 20 mm 0,002 0,06 2,0 60 El nombre de un suelo se designa por el del tamaño predominante de sus partículas En los suelos en los que no predomina claramente un tamaño se denominan con dos o más nombres, utilizando los secundarios de forma adjetiva: ARENA ARCILLOSA LIMO ARENOSO MEZCLA DE ARENA, ARCILLA Y GRAVA 3.- Reconocimiento del terreno IDENTIFICACION DE LOS SUELOS GRANULARES Mediante el método de tamizado se clasifica el suelo en distintos tamaños lo que nos permite dibujar la curva granulométrica. 4

5 3.- Reconocimiento del terreno IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE GRANO FINO La consistencia de los suelos de grano fino varía con su humedad Atterberg definió unos límites que establecen la transición de los distintos estados del suelo ω S ω P ω L SÓLIDO SEMISÓLIDO PLÁSTICO FLUIDO O LÍQUIDO ω LÍMITE PLÁSTICO (ω P ) Se define por la humedad del suelo cuando se cuartea por falta de humedad Se determina obteniendo la humedad de una muestra de suelo que es amasada por enrollamiento, hasta conseguir un cilindro de unos 3 mm. de diámetro que se disgrega en trozos de 0,5 a 5 cm de longitud (UNE ) 3.- Reconocimiento del terreno LÍMITE LÍQUIDO (ω L ) Humedad correspondiente al suelo cuando ensayado por el método de la Cuchara de Casagrande (UNE ), una vez ranurado con el acanalador, cierra en el fondo de la cuchara 13 mm tras 25 golpes Se hacen dos determinaciones, una que cierre entre 25 y 40 golpes y otra entre 25 y 10 golpes, determinándose ω L de forma estadística 5

6 3.- Reconocimiento del terreno GRÁFICO DE PLASTICIDAD DE CASAGRANDE 3.- Reconocimiento del terreno CLASIFICACIÓN ASTM DE LOS SUELOS 6

7 4.- Caracterización del terreno TECNICAS DE RECONOCIMIENTO Las Técnicas de reconocimiento nos van a permitir la obtención de muestras de suelo, para su posterior análisis en laboratorio, o bien valores numéricos representativos del suelo o que se pueden correlacionar con parámetros de éste Las más usuales en edificación son: SONDEOS CALICATAS ENSAYOS EJECUTADOS IN SITU 4.- Caracterización del terreno SONDEOS Son perforaciones de pequeño diámetro que permiten reconocer la naturaleza y localización de las diferentes unidades geotécnicas del terreno, así como extraer muestras de los mismos y eventualmente realizar ensayos in situ. SISTEMA UTILIZACIÓN DISPOSITIVO DE AVANCE (mm) COMENTARIOS ROTACIÓN Todo tipo terreno utilizando dispositivo avance adecuado. Baterías simples Baterías dobles Especiales Suele utilizar tubería de protección. En seco (Tubo simple) Con agua (Tubo doble) PERCUSIÓN Especialmente indicado para gravas. Cucharas Tuberías de hinca D sondeo > 3D suelo BARRENADO Terrenos blandos y cohesivos. Hélice maciza Hélice hueca Muestras inalteradas de gran calidad (H. hueca) 7

8 4.- Caracterización del terreno Testigo continuo extraído de un sondeo a rotación 4.- Caracterización del terreno PENETROMETRO ESTÁTICO Hinca lenta de una punta o cono mecánico mediante un sistema de tubos y varillaje Se conoce con las siglas CPT (Cono Penetración Test) Permite medir la resistencia estática por la punta (q c ) Los modelos con manguito de rozamiento que permiten el cálculo de la resistencia por el fuste (q F ) Considerando el penetrómetro como un pilote a escala reducida, podemos obtener para las arcillas a corto plazo q - q C O C U = 10 Sanglerat ha establecido una relación Tensión Deformación de la forma a) b) a) Con manguito de rozamiento b) Sin manguito de rozamiento E = α q c α = 1,5-2,0 (ARENAS) 8

9 4.- Caracterización del terreno PENETROMETRO DINÁMICO Hinca de una punta cónica unida a una barra maciza, por golpeteo La resistencia se determina a partir del número de golpes N necesarios para conseguir un avance de la punta de 20 cm El más utilizado actualmente es el penetrómetro pesado, conocido por las siglas D.P.S.H. Aplicando las fórmulas de hinca de los pilotes podemos calcular la resistencia dinámica mediante fórmulas como la de los holandeses 2 M H qd = e( M + P)A Modelo propuesto por las Normas Tecnológicas (NTE). Cotas en mm Gráfico de penetración Penetrómetro D.P.S.H. GOLPES / 20 cm 4.- Caracterización del terreno PENETROMETRO DINÁMICO LIGERO DE ENERGIA VARIABLE El penetrómetro Panda ha sido diseñado en la Universidad Blas Pascal de Clermont Ferrand. Utiliza puntas cónicas de 2,0 o 4,0 cm de diámetro, unidas a un varillaje que es golpeado por un martillo manual. El equipo dispone de un softwar que, aplicando la fórmula de los holandeses, permite obtener un diagrama de la resistencia dinámica de la punta (q d ). 9

10 4.- Caracterización del terreno ENSAYO SPT SPT son las iniciales de Standard Penetration Test y este ensayo determina la resistencia del suelo a la penetración de un tomamuestras tubular de acero, en el interior de un sondeo, al tiempo que permite obtener una muestra alterada del terreno. Básicamente el ensayo es un ensayo de penetración dinámica en el que una maza de 63,5 Kg. golpea al tomamuestras desde una altura de caída de 76 cm., hasta hacerle penetrar 60 cm. El valor de N es el correspondiente a una penetración de 30 cm. Meyerhof propone el valor de la carga admisible (Kg/cm2) de una cimentación superficial en función del valor de N del ensayo SPT, el asiento s (expresado en pulgadas) y la anchura B de la cimentación (expresado en metros). q ad N s = B 1,20m 8 2 N s B + 0,3 q ad = B > 1,20m 12 B 4.- Caracterización del terreno ENSAYO DE PLACA DE CARGA TIPO DE TERRENO K Este es un ensayo de tensión-deformación que se realiza cargando el terreno con una placa rígida de sección circular o cuadrada, generalmente de 30 cm de diámetro de lado, mediante un gato hidráulico. Para el control del ensayo se dispone de un manómetro y de tres extensómetros Los ensayos de placa de carga proporcionan información del suelo hasta una profundidad del orden de dos veces la anchura o diámetro de la placa. q S ad O P 3 K Sad Arcillas, limos, arenas sueltas o muy sueltas Arenas compactas Arenas densas y muy densas Bo B 2 B + Bo 3B 2 B + Bo 2B La NLT-357/98 define el módulo de compresibilidad del suelo, a partir del ensayo, mediante la expresión: E ν σ = 1,5 r s r = radio placa (mm) σ = Variación de tensión entre el 30% y el 70% de la tensión máxima del ensayo (MN/m 2 ) s = Variación del asiento correspondiente al intervalo de presiones σ (mm) 10

11 4.- Caracterización del terreno CORRELACIÓN ENTRE ENSAYOS IN SITU 4.- Caracterización del terreno Correlación entre parámetros de ensayos ejecutados in situ (CTE) 11

12 5.- Análisis de datos Debemos analizar la tipología de daños directamente relacionados con fallos de la cimentación o del terreno. MOVIMIENTOS DE BORDE Afectan a uno o dos de los extremos del edificio. Podemos distinguir los siguientes tipos: Descenso de testeros. Puede afectar a una zona más o menos grande de las fachadas y de los tabiques normales al mismo. Descenso de esquinas. Combinación del movimiento anterior según planos ortogonales 5.- Análisis de datos MOVIMIENTOS INTERNOS Se producen en tramos centrados de las fachadas o en zonas localizadas de pilares o muros de carga interiores. los Arcos o bóvedas de descarga: se forman al fallar el apoyo en un tramo de muro o fachada. Descenso de pilares. El asiento de un pilar o grupo de pilares próximos dan lugar a fisuras que contornean el eje del mismo en forma de bóvedas que confluyen en el punto de máximo descenso. 12

13 5.- Análisis de datos MOVIMIENTOS GENERALIZADOS Afectan en mayor o menor grado a todo el edificio. Deformación convexa. Es una superposición de los efectos esquina extendidos a la longitud de todo el edificio, con grietas que se van verticalizando hacia la parte central. Deformación convexa. Las causas pueden ser análogas a las del arco de descarga. 5.- Análisis de datos GIROS Y DESPLOMES Pueden ser de un edificio completo o parte del mismo o de un elemento estructural. Giros de muros de carga. Suelen darse en testeros y muros en fachada, produciéndose un despegue de los elementos normales a los mismos. Giro de pilares. Suele producirse por empujes descompensados. Giro de torres y elementos exentos 13

14 6.- Casuística Patológica El objetivo de la casuística patológica es la justificación de las lesiones observadas a partir de las teorías y métodos que nos proporciona la Mecánica del suelo, para establecer la diagnosis del problema. CASUISTICA EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES PRESIÓN DE TRABAJO EXCESIVA Actualmente la estimación teórica es muy sencilla, viene recogida en diversas publicaciones y en el CTE, pudiéndose producir errores por diversos factores: Falta de un conocimiento adecuado del terreno de cimentación. Interpretación incorrecta de los ensayos de penetración u otros ensayos in situ. Aplicación incorrecta de los parámetros del suelo (Arcillas saturadas blandas. Corto plazo). Errores en la ejecución de los ensayos de laboratorio. 6.- Casuística Patológica INTERACCIÓN TENSIONAL Es frecuente, en los casos de edificaciones próximas, que se produzcan asientos por superposición de tensiones en zonas localizadas del terreno de cimentación. BOLONIA. TORRES DE GARISENDA Y ASINELLI. Como consecuencia de la interacción tensional suelen producirse giros relativos de acercamiento de las edificaciones. Esta patología suele ser típica de : Edificios altos cimentados mediante losas superficiales situadas a las mismas cotas. Torres de iglesias, castillos,. Conjunto de silos y depósitos de almacenamiento. REPRESENTACION DEL GIRO DE DOS EDIFICIOS POR LA INTERACCIÓN TENSIONAL EN EL TERRENO DE CIMENTACIÓN. 14

15 6.- Casuística Patológica CIMENTACION EN ESTRATOS DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE En algunos casos el Reconocimiento Geotécnico no se realiza con la técnica adecuada, o no se alcanza la profundidad necesaria, apoyándose la cimentación en un estrato inadecuado por su baja capacidad portante o su grán deformabilidad. Como ejemplos podemos citar : Cimentación sobre costra rígida apoyada en un estrato blando (Posible rotura por punzonamiento). Apoyo de la cimentación en un estrato competente, cerca de una capa blanda, sin tener conocimiento de ello. Cimentación sobre escombros o rellenos antrópicos, que generalmente presentan asientos superiores a los previstos en los cálculos. 6.- Casuística Patológica CONDICIONES DIFERENCIALES DE CARGA O APOYO Variación de espesor de un estrato compresible próximo a la cimentación. Su desconocimiento puede ocasionar importantes asientos diferenciales a largo plazo. Diferencias sustanciales de cargas o de las condiciones de apoyo entre las zapatas de un mismo edificio : Torres adosadas a zonas de poca altura. Edificios con muros pantalla. Asientos inducidos por movimientos de los muros pantalla 15

16 6.- Casuística Patológica ARCILLAS EXPANSIVAS En estos suelos se producen grandes variaciones volumétricas con los cambios de humedad, siendo muy peligrosas sus expansiones y retracciones verticales (hinchamientos/asientos) y también las horizontales. Las patologías más frecuentes pueden ser debidas a : Presiones de trabajo inferiores a las de hinchamiento del terreno. No haber independizado los asientos de las posibles expansiones del suelo. Falta de aislamiento frente a las humedades externas (ausencia o insuficiencia de drenaje). Diseño inadecuado de redes de saneamiento, pluviales, abastecimiento,, que favorezcan posibles fugas. 6.- Casuística Patológica VARIACIÓN DEL NIVEL FREÁTICO Las variaciones del nivel freático pueden ocasionar efectos negativos en las cimentaciones de las edificaciones. Un descenso continuado del nivel freático puede provocar asientos en las capas compresibles subyacentes, por aumento de la presión efectiva, que pueden llegar a producir un efecto de subsidencia. Un ascenso del nivel freático puede producir el colapso del terreno de apoyo, si el suelo es susceptible al colapso. Diferencias de niveles en la cimentación (muros pantalla), pueden provocar el sifonamiento de los suelos arenosos finos, por alcanzarse el gradiente crítico. En suelos expansivos con zonas arbóreas próximas, un descenso del nivel freático puede agravar localmente la retracción por la presencia de los árboles (raíces que se activan) 16

17 6.- Casuística Patológica OTROS FACTORES Además de los factores analizados, podemos citar otros factores que pueden ocasionar patologías en las cimentaciones superficiales, como : Erosiones internas : Fenómenos de subsidencia ocasionados por excavaciones, como el caso de los túneles, galerías, bodegas. Variaciones climáticas persistentes : Sequía, lluvias, heladas,, Inundaciones. Vibraciones. Terremotos Terremoto de Nigata (1964) 6.- Casuística Patológica CASUISTICA EN CIMENTACIONES PROFUNDAS La casuística patológica de las cimentaciones profundas puede presentar características similares a las de las cimentaciones superficiales, pudiendo aparecer algunas especificas debidas a acciones especiales de cargas originadas por el terreno (rozamiento negativo y empujes laterales), o debidas a cargas estructurales. ROZAMIENTO NEGATIVO Por consolidación natural, o descenso del nivel freático, se puede originar en el pilotaje un rozamiento negativo (en sentido contrario al habitual) que origina una minoración de la resistencia por el fuste del pilote. La evaluación de la resistencia unitaria del rozamiento negativo a lo largo del fuste del pilote puede calcularse tal como se indica en la figura adjunta. 17

18 6.- Casuística Patológica EMPUJES LATERALES DEL TERRENO En los suelos cohesivos blandos, como consecuencia de la aplicación de sobrecargas al terreno, pueden transmitirse empujes horizontales a lo largo del fuste del pilote, cuyo valor puede obtenerse de la figura adjunta, en función del valor de la sobrecarga aplicada (Pv) y la resistencia al corte sin drenaje (Cu) de la arcilla. Una vez calculado el valor de Ph, se pueden evaluar los momentos y cortantes según las condiciones de apoyo. Condiciones de apoyo para el cálculo de esfuerzos horizontales en pilotes (CTE) 6.- Casuística Patológica Caida de un bloque en una población China 18

19 6.- Casuística Patológica 6.- Casuística Patológica 19

20 6.- Casuística Patológica 20