TEMA 3.2: EDIFICIO Y TERRENO

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1 TEMA 3.2: EDIFICIO Y TERRENO 1. Introducción y Generalidades....HOJA El suelo, material constructivo no sustituible...hoja Clasificación normativa....hoja Aire y Agua en el Terreno....HOJA Agua en el terreno Aire en el terreno Estudio del Terreno...HOJA Movimiento de Tierras....HOJA 10 Rafael GARCÍA DIÉGUEZ.Dr Arquitecto. (Catedrático de Universidad) Antonio GARCÍA MARTÍNEZ.. Arquitecto (Profesor Colaborador) REVISADO 25 / 12 / 01 (Nº REGISTRO DE LA PROPIEDAD INTELECTUAL P. S: SE ) Referencias: Diccionario Visual de la Arquitectura Francis D.K. CHING. Editorial Gustavo Gili (Suelo, pag. 249/250; Obras de Tierra, pags ) Tecnología de la Construcción. G.Baud pag 54. Geotecnia y Cimientos. J.A. Jiménez Salas y J.L. de Justo Alpañés. (2 Tomos) NORMATIVA. - NBE-AE-88: Acciones en la Edificación. ( 1988 ) - NTE-AD: Acondicionamiento del Terreno. - NTE-ADE: Explanaciones - NTE-ADV: Vaciados - NTE-ADZ: Zanjas y pozos 3.2. EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 0 /10

2 1. Introducción y Generalidades. Los cimientos son la parte de la construcción que reciben las cargas de la estructura y las transmiten al terreno. Los cimientos tienen dos misiones principales: ser capaces de transmitir las cargas al terreno y anclar el edificio al mismo, evitando que se mueva y consiguiendo las condiciones de estabilidad y equilibrio que se definieron como irrenunciables en el tema de introducción a la construcción. La decisión del tipo de cimentación de cada edificio es muy importante y estará basada en dos circunstancias: 1. El conocimiento de las cargas que deben ser transmitidas (tipo y magnitud). 2. Las características del terreno sobre el que se va a levantar el edificio. Las cargas se deducirán de un proceso minucioso, aplicando los métodos de cuantificación y cálculo que serán estudiados en la asignatura de estructuras y del terreno trataremos en el presente tema, dado que el conocimiento de sus clases y comportamiento previsible resulta indispensable para el constructor. Denominamos SUELO, en términos generales al terreno sobre el que se apoya una estructura, incluyéndose en esta denominación desde las rocas naturales hasta los depósitos realizados por el hombre; no así a las capas superficiales de aportación reciente, que denominaremos tierra vegetal. Al imponer un edificio a un suelo este se comportará como cualquier otro material sometido a solicitaciones, sufrirá tensiones y deformaciones. La ciencia que trata del comportamiento del terreno sometido a estas acciones es la MECÁNICA DEL SUELO, que también estudia la forma en que las influencias externas y cambios físicos (topográficos, climáticos, efectos del agua, excavaciones, etc.) alteran su estado original y producen una modificación de las características mecánicas (tensión, resistencia, deformación, etc.) de un terreno determinado. Pero dado que el suelo experimenta cambios debido a la presencia de agentes externos, también ocurre que el terreno puede ser origen de acciones que afectan a los edificios y al cálculo de sus estructuras (muros de contención, arcillas expansivas), de ahí que la mecánica del suelo también estudie las acciones del suelo sobre las estructuras con las que está en contacto y la previsión del comportamiento del suelo ante determinados agentes externos de presencia frecuente (agua, presiones, etc.). Es decir, la obtención de datos mediante el estudio (investigación) de las propiedades y características del suelo. La MECÁNICA DE ROCAS, es la rama especializada de la mecánica del suelo, que se ocupa del estudio de los depósitos fuertemente compactados que denominaremos ROCAS EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 1 /10

3 Consideramos interesante conocer, desde el principio, ciertos conceptos que se manejarán de continuo, es decir, el léxico adecuado. ESTRATO, es una capa del suelo con una serie de propiedades particulares. Geológicamente se aplica a las capas de la tierra depositadas así por causas naturales. Caso de no existir estratos consideraremos el suelo como HOMOGÉNEO, del mismo origen y características, mientras que estimaremos el suelo como CONTÍNUO cuando no existan fallas verticales que provoquen desigualdad de estratos en todo el terreno. COMPACTACIÓN, es una compresión del suelo inducida mecánicamente. CONSOLIDACIÓN, es una compresión del suelo debida al peso propio de la carga aplicada al mismo. ASENTAMIENTO es el movimiento hacia abajo del terreno provocado por la acción de una carga, ya sea artificial (producida por un edificio) o natural consolidación natural, o bien por modificación de las condiciones externas disminución del grado de humedad o corrimientos. EXPANSIÓN o HINCHAMIENTO, es el movimiento hacia arriba o lateralmente, originado por corrimientos, influjo de la humedad o disminución de la presión, suele producirse de forma natural y cíclica en terrenos de fina gradación (arcillosos). HUNDIMIENTO, es el asentamiento brusco de un terreno por la perdida de su capacidad portante. CAPACIDAD PORTANTE O PRESION ADMISIBLE es la carga unitaria que puede soportar un terreno cumpliendo un asiento admisible por la edificación que tiene que soportar y cumpliendo un coeficiente de seguridad frente al hundimiento. FIRME es el estrato sobre el que se harán actuar las cargas de cimentación. Por ASIENTO DIFERENCIAL se entiende una deformación de diferente magnitud bajo la misma presión. Si se producen, una parte del edificio se moverá hacia abajo más que otra, aparecerán fisuras a corto plazo y si no se refuerza la cimentación puede arruinarse el edificio. Una vez más el conocimiento del terreno resulta fundamental para proyectar la cimentación correctamente. La solución será acudir a cimentaciones profundas en capas homogéneas o plantear juntas constructivas allá donde el suelo cambie de tipo EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 2 /10

4 2. El Suelo, Material Constructivo no sustituible. El suelo sobre el que deben asentarse las edificaciones es el único elemento fijo e invariable cuya naturaleza no depende de las decisiones del constructor. Así, se pueden elegir un tipo u otro de estructura, de acabados, de carpinterías, etc. pero no de suelo. El conocimiento del terreno y de su comportamiento a lo largo del tiempo se basa en experiencias de laboratorio y en la observación del comportamiento de los edificios a lo largo de su vida. Es decir, el estudio de los terrenos y su comportamiento tiene grandes dosis de empirismo y no cabe esperar un comportamiento ajustado a leyes físicas o matemáticas. No obstante, los conocimientos actuales de geotecnia permiten anticipar con bastante certeza el comportamiento del terreno y garantizar la estabilidad y seguridad de las edificaciones. Resumiendo, el suelo será el primer material de la edificación de cuyas propiedades y comportamiento tendremos un conocimiento limitado y que sólo en contados casos podremos mejorar, pero nunca sustituir completamente. 3. Clasificación Normativa. La norma básica NBE-AE88. "ACCIONES EN LA EDIFICACIÓN", en su capítulo VIII, dicta una clasificación de terrenos de cimentación, en consideración a su comportamiento frente a las cargas y a los efectos de determinar las presiones admisibles de cada tipo de suelo. Inicialmente es necesario distinguir entre ROCA y SUELO. Definiremos técnicamente como TERRENO ROCOSO, aquel de la corteza terrestre que para su excavación se requiera el uso de explosivos. Llamaremos SUELO a aquel terreno que puede ser excavado sin necesitar el uso de explosivos, pudiéndose dar el caso de un suelo no rocoso muy compactado con propiedades cercanas a una roca. La clasificación propuesta por la NBE-AE-88 es la siguiente: I ROCAS (terreno rocoso) II TERRENOS SIN COHESION (terreno arenoso) III TERRENOS COHERENTES (terreno arcilloso) IV TERRENOS DEFICIENTES (terrenos no aptos para edificar) 3.2. EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 3 /10

5 I. ROCAS: Formaciones geológicas sólidas con notable resistencia a compresión y que admiten grandes presiones (tensión admisible alta). Se dividen en: A. Rocas Isótropas. Sin visible estratificación laminar: Granitos, dioritas, etc. B. Rocas estratificadas. Con visible estratificación laminar: Pizarras, esquistos, etc. La tabla 8.1 de la norma especifica las presiones admisibles aproximadas para cada tipo de suelo en función de la profundidad de la cimentación. Se observa que, con carácter general, a mayor profundidad la presión admisible de un mismo suelo es mayor; no obstante, las observaciones al final de la tabla recomiendan estudiar el suelo de cimentación antes de adoptar los valores propuestos por ella. II. TERRENOS SIN COHESIÓN: Formados fundamentalmente por áridos: gravas, arenas y limos inorgánicos, pudiendo contener arcillas en cantidad moderada. Predomina en ellos la resistencia debida al rozamiento interno φ. Se clasifican en: A. Terrenos de graveras: Si predominan las gravas y gravillas, conteniendo al menos un 30% de estos áridos. B. Terrenos arenosos gruesos: Si predominan las arenas gruesas y medias, conteniendo menos del 30% de gravas y gravillas y menos del 50% de arenas finas y limo inorgánico. C. Terrenos arenosos finos: Si predominan las arenas finas, conteniendo menos del 30% de gravas y gravillas y más del 50% de arenas finas y limo inorgánico. La denominación de los áridos se hace en función del tamaño de sus granos: Gravas y gravillas: mayor de 2,0 mm. Arenas gruesas y medias: entre 2,0 mm y 0,2 mm. Arena finas: entre 0,2 mm y 0,06 mm. 0,002mm 0,06mm 0,2mm 0,4mm 2,0mm ARENA FINA ARENA MEDIA ARENA GRUESA ARCILLAS LIMOS INORGÁNICOS ARENAS GRAVAS 3.2. EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 4 /10

6 III. TERRENOS COHERENTES: Formados fundamentalmente por arcillas, aunque pueden contener áridos en cantidad moderada. Predominan en ellos la resistencia debida a la cohesión de sus partículas C. Al secarse forman terrones que no pueden pulverizarse con los dedos, se secan lentamente y se pegan a los dedos. Según su consistencia y resistencia a compresión en estado natural no alterado se clasifican en: A. Terrenos arcillosos duros: Los terrones, con su humedad natural de rompen difícilmente con la mano. Tonalidad, en general, clara. Resistencia a compresión superior a 4,0 Kp/cm 2. B. Terrenos arcillosos semiduros: Los terrones con su humedad natural se amasan difícilmente con la mano. Tonalidad, en general, oscura. Resistencia a compresión entre 2,0-4,0 Kp/cm 2. C. Terrenos arcillosos blandos: Los terrones con su humedad natural se amasan fácilmente, permitiendo obtener entre las manos cilindros de 3,0 mm de diámetro. Tonalidad, en general, oscura. Resistencia a compresión entre 1,0-2,0 kg/cm 2. D. Terrenos arcillosos fluidos: Los terrones, con su humedad natural, presionados en la mano cerrada fluyen entre los dedos. Tonalidad, en general, oscura. Resistencia a la compresión inferior a 1.0 Kp/cm 2. IV. TERRENOS DEFICIENTES. Son aquellos terrenos considerados, en general, no aptos para la cimentación. La norma especifica los siguientes: A. FANGOS INORGÁNICOS: Limos inorgánicos y arcillas con gran cantidad de agua que no permiten la formación de cilindros que resistan su propio peso. B. TERRENOS ORGÁNICOS: Los que contienen una proporción notable de materia orgánica. C. TERRENOS DE RELLENO O ECHADIZOS: De naturaleza artificial, como son los vertederos sin consolidar y las escombreras EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 5 /10

7 Existen suelos que por su composición se pueden clasificar directamente en uno de los grupos enunciados en la norma NBE- AE-88, aunque es más frecuente que los suelos no sean compositivamente puros y que presenten características particulares que sea necesario tener en cuenta antes de proceder a cimentar, dado que sus fracciones compositivas modificarán las características de su comportamiento a lo largo del tiempo, su resistencia de compresión y su actitud ante las cargas. Además de los clasificados y definidos por la normativa existen otros tipos de terrenos que merece la pena nombrar por su frecuencia en las cuencas fluviales o por su importancia en la construcción. Son los Limos y aquellos que requieren cimentaciones especiales. TERRENOS LIMOSOS: Por el tamaño de sus partículas, son terrenos intermedios entre los coherentes y los arenosos. Sus partículas están comprendidos entre los siguientes valores: 0,002mm 0,006mm 0,02mm Fino Medio Grueso ARCILLAS LIMOS INORGÁNICOS ARENAS < 2 micrones Estos suelos pueden tener una resistencia debida a la cohesión o al rozamiento interno, según se aproximen en su proporción compositiva o en su tamaño de partículas a las arcillas o a las arenas finas respectivamente. Sus características son las siguientes: - En general, son suelos con partículas no perceptibles a simple vista, algo plásticos. - Secos tienen una cohesión apreciable, pero se pueden reducir a polvo con los dedos. - Su tacto es áspero, se secan con relativa rapidez y no se pegan a los dedos. - Normalmente no se nos presentan puros, sino formando mezclas con los arcillosos o arenosos. Son frecuentes las denominaciones limos arenosos o arcillas limosas. Algunos terrenos, por su disposición o composición pueden afectar a la estabilidad de las edificaciones o a su durabilidad, requiriendo cimentaciones especiales. Los más importantes son los siguientes: - TERRENOS DESLIZANTES: suelos que poseen estratificación con fuerte buzamiento. El peligro aumenta si existen capas de limos o arcillas expuestas a hacerse resbaladizas por infiltraciones de agua EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 6 /10

8 Al cimentar en ellos será aconsejable realizar un estudio detallado que permita conocer la posición y composición de cada estrato. Si fuera posible, habrá que evitar que las aguas afecten al terreno por debajo de la edificación. Probablemente habrá que realizar cimentaciones profundas. - TERRENOS AGRESIVOS: Son suelos que contienen elevada proporción de sulfatos (terrenos yesíferos) en el agua freática y en la parte sólida, atacan al cemento Portland, disgregando al hormigón. También pueden ser agresivos aquellos terrenos naturales o no, que presenten filtraciones o sea, vertederos de aguas procedentes de residuos industriales inorgánicos u orgánicos agresivos. Como en el caso anterior, el conocimiento de su existencia será muy importante para poder afrontar el problema. Para cimentar en estos terrenos habrá que utilizar cementos especiales. - TERRENOS NO HOMOGÉNEOS: Son los formados por suelos de distintos tipos dentro de la zona afectada por la cimentación. Pueden originar asientos diferenciales inadmisibles para la estructura. - TERRENOS EXPANSIVOS: Son suelos arcillosos, que pueden estar mezclados con arenas o limos, que experimentan grandes variaciones de volumen al disminuir o aumentar su grado de humedad. Son especialmente peligrosos en climas cálidos, donde sufren expansiones y retracciones cíclicas de tipo estacional. El problema se deriva de que las deformaciones no son homogéneas, ni proporcionales al grado de humedad y de que pueden ejercer una gran presión sobre el edificio, generalmente hacia arriba, pudiendo llegar a levantarlo. Si hay indicio de su presencia deberá protegerse el perímetro de la edificación para evitar los cambios de humedad, provocar pocos puntos de contacto del edificio con el terreno concentrando las cargas o realizar cimentaciones flotantes. - ARENAS SUELTAS: Son terrenos no coherentes cuyos granos pueden estar en un equilibrio inestable. Son susceptibles de ocasionar asientos bruscos debido a cualquier acción exterior que rompa la estabilidad de su equilibrio. En estos casos habrá que acudir a la sustitución parcial del terreno o la ejecución de cimentaciones profundas, apoyando en edificio en capas por debajo de la inestable. - ARENAS MOVEDIZAS: Son aquellas arenas en suspensión que se encuentran prácticamente en estado líquido EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 7 /10

9 4. Aire y Agua en el Terreno. Son dos factores cuya influencia sobre las características del terreno es importante y que conviene tratar por separado. En general un terreno con más aire será más poroso y capaz de sufrir asientos mayores que otro que no lo sea. Asimismo, un terreno con mayor grado de humedad será en general menos resistente que el mismo terreno seco. Pero a diferencia de lo que ocurre con el aire, la aportación de agua puede provocar el reblandecimiento de un terreno originalmente seco y disminuir considerablemente su capacidad portante Agua en el terreno. Todo terreno, en mayor o menor medida, contendrá agua. El agua del terreno proviene de dos fuentes: - De SEDIMENTACION, que es la que está incluida durante la formación de los suelos sedimentarios. - De INFILTRACION que proviene de causas externas como las lluvias, corrientes de agua subterráneas o de la presencia de lagos o mares próximos. El agua subterránea tiene mucha importancia dado que ocupa los poros de suelos y rocas que integran la corteza terrestre. El nivel del agua subterránea se denomina Nivel Freático que se define como el lugar geométrico de los puntos en que la presión del agua subterránea es igual a la atmosférica. Por debajo de este nivel la presión del agua es positiva y por encima se encuentra el agua capilar, cuya presión es negativa. El nivel freático tiende a mantenerse paralelo con el topográfico, aunque su relieve es menos pronunciado y tiene como característica que su profundidad no es constante, sube o baja en función de las precipitaciones o por influencia de las mareas. Además, si en el terreno existe alternancia de estratos permeables e impermeables, pueden existir varios niveles freáticos, aunque sólo uno de ellos será real, este fenómeno se conoce como Aguas Colgadas EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 8 /10

10 4.2. Aire en el terreno. Los suelos y rocas nunca son sólidos simples, son como mínimo sistemas de dos estados: partículas sólidas con un líquido o con un gas. En bastantes casos, de tres estados: partículas sólidas con un líquido y un gas. El líquidos suele ser agua y gas aire con vapor de agua. Se llama porosidad a la fracción del volumen de un terreno ocupada por agua o aire, e Indice de Poros a la relación entre el volumen ocupado por los poros y el ocupado por las partículas sólidas. e= n/(1-n) n = índice de poros. e= porosidad A mayor porosidad e índice de poros, el terreno tendrá mayor capacidad de deformación y mayor será el asiento que se producirá al ser solicitado por el peso de un edificio EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 9 /10

11 5. Estudio del Terreno. Como se ha comprobado en los apartados anteriores, la elección del tipo de cimentación y su correcto proyecto y ejecución precisan del conocimiento previo del terreno. Se trata de proyectar la cimentación del edificio de la forma más adecuada SEGURA, FUNCIONAL y ECONOMICA, de tal forma que se consigan las dos condiciones básicas de toda cimentación: transmisión de cargas y anclaje del edificio al terreno, y ello con unos asientos previsibles que sean admisibles y compatibles con las tolerancias de la estructura. El conocimiento previo del terreno se consigue mediante la realización de estudios geotécnicos, que constituyen un conjunto de prospecciones y ensayos cuya finalidad es determinar: - Naturaleza del terreno. - Capas y estratos que lo componen. - Existencia y posición de niveles freáticos. - Propiedades geotécnicas. - Condiciones de cimentación. 6. Movimiento de Tierras. Por movimiento de tierras se entienden aquellos trabajos relacionados con modificaciones del relieve de un terreno, los de ejecución de obras empotradas o subterráneas y los de excavación de cimientos. Las modificaciones del relieve se ejecutan basándose en dos tipos de trabajos, los desmontes y los terraplenados. DESMONTE consiste en rebajar el nivel del terreno por extracción de tierras. TERRAPLENADO consiste en elevar el nivel del terreno por aporte de tierras. Las excavaciones se ejecutarán tanto para la ejecución de obras empotradas como para la ejecución de cimientos, muchos de los cuales entran en la denominación anterior. Son obras de extracción de tierras en las que la profundidad, con relación a la superficie y altura, es la dimensión dominante. Siempre estarán presentes en la ejecución de edificios y se clasifican en tres tipos o categorías: - Excavación a plena anchura o vaciado. - Excavación en zanja. - Excavación en pozo. Figuras tomadas de Tecnología de la Construcción. G.Baud pag EL EDIFICIO Y EL TERRENO. (Curso ) HOJA 10 /10