8. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO

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1 8. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO

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3 8.1 ELECCIÓN En este apartado se incluyen algunas condiciones que han de tenerse presentes al elegir un sistema de cimiento, relativas a los dos medios en contacto (terreno y estructura) y a posibles agentes externos a estos. A la vez, se proponen algunos criterios orientativos para los casos prácticos más habituales sin pretender dar reglas fijas, ya que la adopción de una determinada solución no consiste únicamente en la resolución de un proceso matemático sino en proporcionar una respuesta simple a numerosos factores diferentes en cada caso y que admiten soluciones alternativas. En la practica, se comprueba que muchos edificios se proyectan atendiendo a criterios funcionales de modo que se definen "a posteriori" los sistemas estructural y de cimiento, que suelen adoptar diseños convencionales. Este modo de proyectar no suele dar problemas en circunstancias ordinarias; sin embargo, en situaciones especiales, es obligado que el cimiento se considere como factor influyente en el diseño del edificio. La concepción estructural del edificio debe hacerse previendo la respuesta del terreno a las futuras cargas: en un terreno con problemas de asiento una estructura rígida (de hormigón armado) puede sufrir daños considerables mientras que una estructura flexible (de acero) se acomodará más fácilmente a los movimientos del terreno. Esto es lo mismo que decir que una estructura metálica admitirá asientos diferenciales a los superiores, aunque también es susceptible de recibir daños. El número de sótanos, por ejemplo, tampoco debe fijarse con independencia de las condiciones del terreno, ya que influye de modo muy directo. El cimiento constituye una "condición de borde" de la estructura y no siempre puede suponerse un empotramiento perfecto entre ambas. La rigidez del cimiento y sus posibilidades de giro o movimiento influyen sobre la distribución de esfuerzos en la estructura. El proyectista debe conocer o imponer los grados de libertad de la transmisión de cargas al terreno, que varían considerablemente de unos casos a otros. Un caso típico es el de las estructuras de pórticos metálicos articulados. Se desarrollan a continuación las condiciones que intervienen en la elección del sistema de cimiento y en el cálculo de dimensiones del mismo, agrupándolas en tres apartados según se refieran a condiciones intrínsecas (al edificio o al terreno) o extrínsecas al sistema.

4 582 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Condiciones del edificio y la estructura Tipo de edificio Dejando a un lado las características especiales que presentan algunos edificios debido a su forma particular, se analiza a continuación la influencia que de modo general presenta la altura total de los edificios sobre el tipo de cimiento aplicable en el caso de construcciones ordinarias. Se estima que el coste aceptable en el cimiento de un edificio oscila entre el 1,5 y el 7% del coste de ejecución material. En edificios singulares o en aquellos cuya finalidad o ubicación en terrenos problemáticos exigen una sofisticada infraestructura puede llegarse a porcentajes de hasta el 20%, pero estos casos no resultan significativos. De aquí se deduce que los edificios de escasa importancia, ligeros, de pocas plantas, etc. deberían resolverse mediante cimientos superficiales, siempre que técnica y constructivamente pueda darse una respuesta válida, ya que en principio estos últimos son los de mínimo costo por tonelada soportada. Los edificios de más altura necesitarán, según el anterior criterio, cimientos más costosos (en general profundos) que, por otra parte, se hacen inevitables cuando el terreno es de resistencia media o baja. Los edificios muy esbeltos y de gran altura, como torres o rascacielos, están sometidos a empujes horizontales de viento muy importantes y en muchos casos deben proyectarse también para resistir acciones sísmicas. Los momentos de vuelco transmitidos a la base del edificio dan lugar a fuertes tensiones de borde que, en terrenos deformables, pueden producir giros o inclinaciones irreversibles. Las soluciones usuales consisten en: - Mejora de la capacidad portante del terreno, con uno de los varios métodos posibles que dé una respuesta óptima, técnica, constructiva y económicamente. - Transmitsión de las cargas a terrenos profundos, con niveles de asientos admisibles para el tipo de edificio que se proyecta. El sistema más habitual es el de cimientos profundos mediante pilotes. - Conseguir que la resultante de todas las cargas que actúan sobre el terreno, (incluido el gran peso que puede suponer el del macizolosa de gran espesor) para que en el caso más desfavorable quede dentro del núcleo central y mejor en un homotético de éste de razón 1/2, siempre que la tensión máxima originada en el terreno no exceda más de un 25% de su tensión admisible. - Construcción de cimientos profundamente empotrados en el terreno de forma que los esfuerzos horizontales y los momentos sean contrarrestados por la resistencia pasiva de aquél en la superficie lateral y en el fondo (cimientos semi-profundos). A efectos de calculo, en el caso de edificios de gran altura y esbeltez (por ejemplo torres de televisión) conviene tener en cuenta los fenómenos de inestabilidad derivados de la ligera excentricidad de cargas inducida por defectos constructivos, distribución interna o acciones exteriores (como el viento) que dan lugar a giros de la cimentación que pueden ser irreversibles y provocar roturas o vuelco Valor de las cargas transmitidas Las cargas transmitidas por la estructura afectan al cimiento en los siguientes aspectos: Determinan la superficie del cimiento a fin de que ésta no solicite al terreno bajo tensiones mayores de las admisibles (cimientos superficiales).

5 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO 583 Pueden determinar la necesidad de encontrar, en profundidad, un estrato más resistente si en la superficie es imposible obtener el anterior equilibrio (cimientos semi-profundos y profundos). Teniendo en cuenta que, en terrenos de elevada compresibilidad, una fuerte heterogeneidad en las cargas transmitidas por distintos cimientos de una misma estructura motiva distintos asientos, aun bajo el mismo régimen de tensiones, como consecuencia de la forma y dimensiones del cimiento (bulbo de tensiones). Es necesario revisar las dimensiones de las mismas a fin de absorber este efecto, si la estructura no permite asientos diferenciales de cierto orden. Han de calcularse las tensiones a que debe trabajar el terreno bajo las diferentes zapatas, para conseguir asientos diferenciales admisibles. Esto se consigue admitiendo menores tensiones en zapatas de más dimensiones y zapatas rectangulares teniendo en cuenta que las zapatas que producen los menores asientos en un mismo terreno son las circulares y las cuadradas y dentro de éstas los asientos mínimos corresponden a las zapatas de mínimas dimensiones Capacidad de asiento diferencial y total (capacidad de desplazamiento vertical de un pilar antes de provocar la rotura por flexión de los dinteles) La mayor o menor capacidad de la estructura para absorber asientos diferenciales puede determinar que el cimiento de la misma se resuelva de una forma u otra. Si los estratos superiores son deformables pero la estructura es articulada en sus nudos, puede ser admisible un cimiento superficial. Si la estructura es rígida habrá que buscar un estrato menos deformable a través de un sistema de cimiento que lo permita. En cualquier caso los asientos diferenciales y totales deben limitarse Condiciones del terreno Resistencia del terreno Si la resistencia del terreno es baja, pero apta para cimentar en él, una solución habitual consiste en recurrir a un cimiento compensado, intentando que el peso de las tierras excavadas para la ejecución de sótanos equivalga al peso del edificio, resultando por tanto una carga neta muy pequeña o nula. Si las cargas del edificio no son homogéneas, por existir cuerpos de distintas alturas, los sótanos suelen escalonarse para conseguir la misma carga neta en toda la superficie Profundidad a la que se encuentra el estrato resistente En la mayoría de los casos esta condición es determinante en lo que se refiere a la elección del tipo de cimiento. Si el estrato resistente es superficial, la gama de soluciones se centra sobre los tipos de cimientos superficiales (zapatas y placas). Si es profundo, la tipología que resuelve el problema queda definida en los cimientos semi-profundos y profundos (pozos y pilotes) Capacidad de asiento del estrato resistente La capacidad de asiento de un estrato viene ligada a la capacidad que tiene la estructura de absorber las tensiones creadas por el descenso de un pilar. Por ejemplo, una arcilla saturada sometida a una carga determinada puede estar muy lejos de su límite de rotura y, sin embargo, por consolidación del estrato (con la consiguiente expulsión del agua intersticial) llegar a sufrir asientos notables. En general estos asientos no son uniformes ya que las zonas próximas a terrenos de mayor permeabilidad se consolidarán a mayor velocidad que las que están más lejos de estos terrenos. Si la

6 584 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS estructura es un entramado de nudos rígidos de hormigón, los asientos diferenciales provocarán un incremento en los esfuerzos de ciertas partes de la misma, que pueden ocasionar lesiones. Por el contrario, si la estructura es de nudos articulados de acero, el asiento de un pilar no produce más que giro en las articulaciones correspondientes, sin la aparición de flexiones; es evidente que en casos extremos debería comprobarse si los asientos son admisibles para la función del edificio y si los cerramientos permiten tales deformaciones sin romperse, ya que dicho fenómeno puede provocar pendientes importantes en los suelos del mismo y crear problemas de estanqueidad en los elementos de fachada; sin embargo, no sería de esperar un colapso en la estructura. De todo ello se deduce que cuando, o por imprevisión durante la fase de proyecto, o por condiciones exteriores, están fijadas las características de deformabilidad de una estructura, nos vemos en la necesidad de elegir un sistema de cimiento que sea capaz de generar deformaciones compatibles con la misma. Esto influirá no solo en la búsqueda en profundidad de un estrato menos deformable sino también en la necesidad de dar al cimiento unas dimensiones capaces de igualar en lo posible los asientos en los distintos puntos de apoyo de la estructura. Resumiendo, los asientos diferenciales que puedan producirse durante la vida útil de la estructura deberán ser inferiores a los admisibles por la misma. En función de estos asientos se definirá la capacidad portante del terreno Variación en el nivel freático La profundidad a la que se encuentra el nivel freático varía según el régimen de lluvias de la región. Si el terreno es arcilloso puede provocar un periódico entumecimiento del mismo, acompañado de fuertes cambios de volumen, lo que originaría asientos temporales. En terrenos arenosos un aumento de la humedad puede llevar consigo una disminución de resistencia al corte, al anular la tensión superficial que se produce entre granos con bajo contenido de agua. En general estas anormalidades pueden solventarse cimentando por debajo del nivel freático fluctuante, con lo que se asegura el mantenimiento de las propiedades originales del suelo. Por tanto la existencia de un nivel freático alto constituye un factor de gran importancia, y sus efectos están asociados a la naturaleza del terreno y en particular a su permeabilidad. La acción más directa se traduce en empujes hidrostáticos sobre los muros de sótano y subpresiones sobre las obras de cimentación, Como más frecuentes pueden considerarse los casos siguientes: a. Terrenos arcillosos blandos La saturación del terreno por el agua freática hace que éste alcance una consistencia blanda o fluida lo que da lugar a una resistencia baja (permitiendo tensiones de trabajo muy pequeñas), y a problemas de estabilidad en taludes y fondos de excavaciones. b. Terrenos arcillosos duros y consolidados La presencia del nivel freático se traduce en pequeños caudales de agua hacia las excavaciones, generalmente a través de lisos y fisuras, sin llegar a afectar a taludes moderados o a la capacidad portante del terreno. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que la posición más frecuente del nivel freático suele marcar una zona de menor resistencia, generalmente en una franja de 1 a 2 m de espesor. Es importante evitar esta zona, quedándose por encima o por debajo de la misma. No es raro el caso en que por profundizar excesivamente en busca de un terreno más firme empeoran bruscamente las condiciones de cimentación al alcanzar el nivel freático. Algo diferentes son los casos en los que estos suelos presentan características de expansividad. Cuanto mayor sea la proximidad al nivel freático

7 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO 585 menor será el riesgo de cambios de volumen, si bien es necesario llegar a un compromiso entre esta condición y el riesgo de reducción de la capacidad portante. c. Terrenos arenosos En razón de la permeabilidad las oscilaciones de los niveles freáticos pueden ser importantes en estos terrenos, por lo que es aconsejable una determinación precisa de los mismos en distintas épocas del año. El cimiento debe colocarse bien por encima del nivel máximo posible o claramente al ras del nivel más deprimido compatible con el programa de construcción, a fin de evitar que la inmersión posterior del terreno en la zona de influencia de las cimentaciones de lugar a fenómenos de colapso o asientos bruscos, tanto más importantes cuanto más flojo esté el suelo en su estado original Cota de socavaciones debidas a las corrientes subterráneas Esta cota debe ser superada para que no aparezcan descensos en el cimiento (sin limite máximo y por lo tanto ruinoso) por fuga del terreno activo hacia simas de reciente formación o por disolución o transporte de terrenos a causa de las corrientes subterráneas de agua Heladicidad y variaciones de humedad en las capas superficiales La profundidad del cimiento vendrá también condicionada por la cota de heladicidad. El agua incluida en el esqueleto del terreno que ha accedido por filtración o ha ascendido por capilaridad desde la capa freática tiene capacidad de helarse provocando importantes alteraciones en el volumen y en la capacidad portante del terreno, por disgregación del mismo. En general en España queda solventado este problema enterrando la cimentación mas de 70 cm a partir del terreno natural. En cualquier caso, esta profundidad es función del clima. La superficie de la cimentación no debe ser afectada por la acción de agentes meteorológicos Heterogeneidad del terreno Muy frecuentemente el terreno se compone de estratos de muy diversa naturaleza y propiedades, que no mejoran necesariamente al avanzar en profundidad. En otros casos la variabilidad se da en planta, cambiando en distancias cortas el tipo de terreno, o apareciendo lentejones o bolsadas de distinta naturaleza. Debe ser el reconocimiento geotécnico el que defina la estratigrafía del terreno y alerte sobre sus variaciones, cambios laterales, etc.sin esta información el diseño de las cimentaciones puede resultar deficiente. a. Variabilidad vertical Si el terreno está formado por capas de resistencia creciente conforme aumenta la profundidad, ya sean granulares o cohesivas, el problema se limita a elegir aquel nivel en el que existe una capacidad portante suficiente, bien para cimentaciones superficiales o profundas. Cuando entre las capas resistentes se encuentran intercaladas otras capas blandas y/o deformables debe estudiarse de qué forma estas últimas reducen la capacidad portante de las primeras. En el caso de zapatas existen métodos para valorar esta influencia y controlar el riesgo de punzonamiento o extrusión. Cuando existen zapatas próximas entre sí o una losa de cimentación, la superposición de tensiones hace que contribuyan a los asientos capas blandas relativamente profundas por lo que deben estudiarse las tensiones que aparecen en profundidades del orden de 1,5 veces el ancho de la superficie cargada. En el caso de cimentaciones por pilotaje la influencia de las capas blandas puede hacer que al profundizar un pilote esté en peores condiciones

8 586 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS que otro más superficial pero más alejado de una capa de baja resistencia. De forma análoga los asientos de un grupo de pilotes pueden ser comparables a los de una cimentación superficial si sus puntas están próximas a un estrato compresible. Debe observarse que a veces es la presencia del nivel freático la que crea una zona blanda, sin que cambie la naturaleza del terreno. Otra situación diferente se plantea cuando en el terreno existe una costra o capa de alta resistencia, muy difícil de atravesar. Si queda por debajo de los sótanos previsibles, lo ideal sería apoyar directamente en la citada capa pero ello no puede hacerse sin comprobar su espesor y que por debajo no existen capas blandas que puedan permitir su rotura por punzonamiento. Si la costra queda por encima de la excavación prevista conviene hacer un estudio de alternativas, entre ellas la de reducir la profundidad de los sótanos, ya que la eliminación de la capa resistente, generalmente costosa y requiriendo explosivos, puede dar lugar a tener que buscar un firme profundo y a tener que cimentar mediante pilotaje. b. Variabilidad horizontal Cuando la planta de un edificio alcanza una determinada superficie (superior a 300 m 2 ) existe cierto riesgo de que las condiciones del terreno varíen de unos puntos a otros. Este riesgo puede ser grande en terrenos con problemas de disolución o en formaciones cuaternarias de intensa actividad fluvial (meandros divagantes, paleocauces, etc.). En otros casos el substrato firme presenta un perfil tortuoso como en el caso de suelos residuales sobre rocas ígneas o metamórficas. Las situaciones citadas dan lugar a asientos diferenciales y distorsiones por lo que es muy importante conocerlas antes de proyectar la cimentación. Cuando los asientos previsibles son moderados puede resolverse el problema mediante cimentaciones diferenciadas, que trabajen con diferentes presiones y adoptando una disposición de juntas apropiadas. Si de este modo tampoco se consigue reducir los asientos diferenciales a límites tolerables debe pensarse en una cimentación por pilotaje o una mejora del terreno. Esta situación puede tener efectos graves en el caso de edificios altos cimentados por losa ya que la existencia de lentejones blandos en una parte del solar puede producir inclinaciones inadmisibles del edificio, costosísimas de corregir Terrenos especiales a. Rellenos artificiales gruesos Es el caso de edificaciones situadas sobre terrenos ganados al mar por vertido de escolleras o materiales de cantera o sobre antiguas escombreras de mina, escorias industriales, etc. pedraplenes o zonas de vertido de desmontes rocosos. Estos rellenos suelen tener una compresibilidad elevada y muy variable de unos puntos a otros, lo cual hace aconsejable evitar la cimentación directa. Sin embargo, la ejecución de pilotajes tropieza con grandes dificultades ya que no es posible hincar pilotes prefabricados, ni los bloques de roca pueden atravesarse con las máquinas convencionales. La cimentación suele requerir estudios muy especializados, pudiendo citarse como soluciones más frecuentes: Mejora del terreno mediante inyecciones, compactación dinámica, vibroflotación, etc. colocando una losa suficientemente rígida. Sustitución completa del material cuando su espesor no es muy grande. Ejecución de pilotes, perforando a rotación con maquinaria especial, o utilizando numerosos micropilotes. b. Rellenos artificiales compactados Es una práctica relativamente frecuente rellenar vaguadas con terrenos de aportación compactados por tongadas, con la técnica empleada en los terraplenes de carreteras. Estos rellenos pueden

9 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO 587 considerarse de buena calidad para cimentar superficialmente, puesto que admiten presiones de trabajo del orden de 0,2 N/mm 2, siempre que se cumplan las siguientes condiciones: El relleno debe hacerse con materiales adecuados, preferentemente del tipo arena arcillosa o materiales granulares con un contenido de arcilla no excesivo y exentos de elementos degradables o agresivos. El terreno de apoyo debe ser firme y de perfil suave, desbrozando y eliminando la capa vegetal y los terrenos flojos superficiales, así como cualquier tipo de blandón, zona anegada, etc. La compactación ha de hacerse por tongadas delgadas, de unos 30 cm de espesor, como mínimo al 100% del ensayo Proctor normal y con un riguroso control de densidades y humedades de puesta en obra. Este control se hace difícil en la practica, cuando se trata de áreas extensas; por ello es aconsejable una verificación a posteriori mediante penetrómetros, placas de carga, etc. Estos rellenos pueden sufrir algunos asientos por saturación o inundación por lo que es importante el control de las redes de saneamiento, evitando al máximo las fugas accidentales. c. Terrenos con materia orgánica Constituidos por turbas, restos vegetales, etc. No se debe cimentar sobre ellos, pues la descomposición de la materia orgánica da lugar a asientos. Además suele tratarse de terrenos flojos y poco resistentes. Es necesario, por tanto, sustituirlos o atravesarlos con cimentaciones profundas. d. Terrenos colapsables Tales como los suelos eólicos, limos yesíferos, loess, etc. Estos suelos sufren asientos importantes y repentinos al saturarse natural o accidentalmente. Conviene reducir las presiones transmitidas al terreno y controlar cuidadosamente los saneamientos y demás agentes que puedan dar lugar a una inundación accidental. Son peligrosos. e. Terrenos expansivos Se trata de materiales arcillosos que sufren importantes cambios de volumen al variar las condiciones de humedad. El tipo de cimentación depende del grado de expansividad del terreno y del tipo de edificio, existiendo una extensa problemática al respecto. f. Terrenos kársticos Suelen ser formaciones calcáreas o yesíferas en las que la circulación de agua ha abierto cavidades y canales de disolución más o menos grandes. El reconocimiento de estos terrenos es muy difícil y en el caso de cargas muy fuertes puede requerir investigaciones puntuales bajo cada zapata. Otras veces se opta por atravesar la zona karstificada con cimentaciones profundas. g. Rellenos incontrolados y vertederos No son aconsejables por su elevada comprensibilidad, por lo que deben eliminarse o ser atravesados con pozos o pilotes. No deben utilizarse como superficie de cimentación. h. Laderas inestables Exigen una fijación previa de la ladera a cualquier obra de cimentación. En casos especiales, puede cimentarse bajo la zona deslizante adoptando medidas para que ésta no transmita empujes a las partes enterradas de los edificios. No es aconsejable por los grandes costos que supone la fijación del terreno. Es muy corriente, además, que se aceleren los deslizamientos al comenzar las construcciones. En este caso es imprescindible la colaboración de un especialista en mecánica del terreno. i. Terrenos agresivos para el hormigón Son aquellos en los que existe un porcentaje apreciable de sales o elementos nocivos para el hormigón de las cimentaciones. Entre ellos destacan los sulfatos cálcicos y magnésicos y, menos frecuentemente, los hidróxidos de magnesio. Los efectos de estas condiciones agresivas dependen de la existencia de agua, de la velocidad

10 588 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS de la misma y de la permeabilidad del terreno, así como de las dimensiones expuestas de la cimentación y de la calidad del hormigón empleado. Actualmente el problema se soluciona con relativa facilidad mediante el empleo de cementos especiales. Sin embargo, en determinados casos de agresividad de origen industrial (ácidos fuertes) no es suficiente con variar el tipo de cemento, debiendo recurrirse a proteger las cimentaciones con revestimientos especiales (metálicos, cerámicos antiácido, plásticos, etc) Condiciones extrínsecas Existencia de una estructura próxima La existencia de edificios próximos puede determinar no sólo el empleo de un tipo concreto de cimentación sino incluso la maquinaria con que se va a ejecutar. Como ejemplo, puede suponerse una edificación en un solar situado junto a una construcción antigua. El terreno presenta unos estratos superiores muy deformables y para cumplir con el fin previsto se proyecta una cimentación profunda. El edificio próximo, realizado en otra época, se sostiene con una simple cimentación superficial que agota al máximo la capacidad portante del terreno. Al alterar las condiciones de equilibrio de la construcción vecina se puede originar una catástrofe, de la que legalmente se sería responsable. Generalmente (dependiendo del estudio geotécnico) se suele cimentar por pilotes, pero qué tipo de pilotes se deben escoger? Un pilote embutido produciría tales vibraciones que seguramente motivaría el agrietamiento o la ruina del muro de linde. Por tanto habría que recurrir al pilote perforado en medio de agua densa o al pilote excavado y posteriormente rellenado, teniendo en cuenta que la excavación debería ser realizada por perforación helicoidal y no por cuchara. Los casos que con mayor frecuencia se presentan son los siguientes: a. Edificios adyacentes con cargas muy diferentes Cuando se va a construir un edificio de gran altura y cargas junto a otro de menor importancia, este último se vería inevitablemente influido por la "cubeta de deformaciones" del primero. Salvo en el caso de que éste o ambos se cimenten sobre pilotes trabajando por punta en un substrato firme. b. Edificios ligeros cimentados sobre pilotes La aparición de nuevas cargas superficiales puede inducir flexiones laterales o rozamientos negativos por lo que será casi obligado cimentarlas a gran profundidad. c. Edificios antiguos con cimentación somera, generalmente en mal estado, en terreno blando o arenoso flojo Esta situación puede obligar a: Realizar las excavaciones de sótano al abrigo de pantallas "in situ" o, en casos más delicados, de pantallas de pilotes poco deformables. Consolidar el terreno previamente o incluso recalzar edificios adyacentes. En el caso de tener que cimentar el nuevo edificio mediante pilotes, evitar los de hinca o desplazamiento. En el caso de cimentaciones por zapata o losa deben estudiarse los asientos inducidos en los edificios próximos (generalmente no son admisibles si las cargas del nuevo edificio son importantes). Estudiar las eventuales modificaciones del nivel freático del entorno, tanto si asciende por haberse reducido la sección de los acuíferos, como si se deprime por haber realizado agotamientos para trabajar en la nueva excavación. Ambas situaciones pueden dar lugar a asientos en otros edificios Grado sísmico de la región El tipo de cimiento elegido influye, a través del coeficiente de fundación, en el coeficiente sísmico y por lo tanto en las sobrecargas sísmicas a considerar,

11 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO 589 lo que revierte en una considerable oscilación en la economía de la estructura. En general, un apoyo por placa proporciona un valor menor de coeficiente sísmico que un cimiento por pilotes resistentes por punta y éstos menor que las zapatas corridas o los pilotes resistentes por el fuste, y éstos, a su vez, menor que las zapatas aisladas. Los efectos de un terremoto sobre un edificio dependen, además de su concepción estructural, de la forma en que las ondas sísmicas se transmitan al mismo a través del terreno y del cimiento. La transmisión hasta un edificio de las ondas generadas en el epicentro de un terremoto es un fenómeno muy complejo en el que interviene la deformabilidad dinámica del terreno (las ondas se amortiguan antes en terrenos flojos, rocas blandas, etc), los espesores de recubrimiento del substrato rocoso, los accidentes geológicos, etc. Ello hace que, en una misma ciudad, un seismo afecte de forma muy desigual de unos barrios a otros y solo en zonas de gran sismicidad (San Francisco, México, etc.) se dispone de mapas urbanos de riesgo potencial. En las demás hay que contentarse con estimaciones o normas generales. En un caso concreto el problema consiste en prever la forma en que las vibraciones del substrato se transmiten al edificio a través de su cimentación, diseñando ésta para que los efectos sean lo menos perjudiciales posibles. En general, los cimientos muy rigidizados, mediante riostras de tamaño adecuado o mediante losa, hacen que todo el edificio deba moverse en la misma fase con lo que los movimientos diferenciales quedan muy atenuados. Así, en la norma sismorresistente española se recomienda arriostrar las zapatas en las zonas sísmicas altas, resultando en cualquier caso el coeficiente sísmico para losas menor que el de zapatas. Las mismas prescripciones aparecen prácticamente en toda la normativa mundial. Respecto al comportamiento sísmico de edificios con cimientos profundos, existen opiniones contradictorias entre las distintas normativas. Por otro lado, e independientemente del valor que se adopte del coeficiente sísmico, el cimiento profundo hace que el edificio se comporte como si tuviera una altura mayor, elevando también el centro de gravedad de las masas, con lo que el mecanismo equivalente está menos coaccionado frente a movimientos oscilatorios, esto es, para aceleraciones o velocidades del mismo orden, las fuerzas sísmicas serían menores en el caso de pilotes que en el de cimientos superficiales. En cualquier caso, y considerando estos factores, la sismicidad de una zona no obliga a elegir un determinado tipo de cimiento, y solamente hará necesario aumentar el arriostramiento entre los distintos elementos de apoyo, con lo que resultarán más adecuados los cimientos que aporten un alto grado de arriostramiento (losa y zapatas corridas) frente a los de menor arriostramiento (pilotes y zapatas aisladas). Debe optarse, en cualquier caso, por el cumplimiento de las normas que sean de aplicación Grado de seguridad en la ejecución La seguridad en la ejecución requiere un estudio particular en casos especiales. En cualquier caso, cabe destacar que el empleo de lodos tixotrópicos permite prácticamente cualquier tipo de excavación, pozos de gran diámetro, pantallas de contención, etc. sin el empleo de las engorrosas y peligrosas entibaciones, aunque a veces se pueden presentar problemas con edificios medianeros Criterios económicos El aspecto económico en el caso de los cimientos es de difícil tratamiento y no puede abordarse con la misma óptica que otro tipo de operaciones de obra. Cabe preguntarse si es prodente ahorrar o escatimar en los cimientos cuando de ellos depende

12 590 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS el futuro de edificios cuyo coste es 50 ó 100 veces más elevado que el de los propios cimientos. Afortunadamente son muy escasos los riesgos que se corren en este campo cuando se trata de edificios importantes. En determinados casos excepcionales, cimientos difíciles y de coste alto, puede llegarse a que el valor del edificio sea sólo de 15 a 20 veces mayor. No se debe ahorrar en el cimiento; se debe optimizar, es decir "obtener el mínimo coste con igual riesgo". Siempre que la superficie empleada en un cimiento superficial no rebase la mitad de la planta total de la edificación, será más económico el empleo de este sistema. Cuando esto no ocurra, de forma que la losa tenga que extenderse a toda la superficie de cimiento, deberá realizarse un cotejo económico entre este sistema y el pilotaje a fin de elegir el sistema a emplear. Teniendo en cuenta, claro está, la repercusión que esto produce sobre los esfuerzos horizontales, de origen sísmico, que habrá que considerar sobre el terreno. Otro tipo de criterio económico puede llevar a escoger un cimiento tal que, aun sabiendo que se producirán asientos durante la fase de consolidación y teniendo plena conciencia de que durante esta fase aparecerán daños de poca importancia y que nunca comprometerán la estabilidad de la obra, la reparación de las mismas será de una cuantía que no supere la diferencia de precio entre la cimentación realizada y la teóricamente aceptable. Conviene también tener presente la posible errónea valoración económica de algunas soluciones constructivas. Muchas veces se valoran los materiales empleados, cuando lo verdaderamente costoso es la mano de obra y el tiempo empleados. Son ejemplos a este respecto los siguientes: un cimiento por pilotes cortos (< 10 m) barrenados puede ser más económico que una cimentación superficial que exija entibación o agotamiento y, con seguridad, de ejecución mucho más rápida; el coste de las excavaciones para zapatas o pozos puede aumentar exponencialmente con la profundidad si hay que entibar; una cimentación por losa puede ser más barata que una por zapatas si se cuentan los encofrados, riostras, soleras, etc.; un pilotaje puede ser más económico que una losa o al contrario, según su longitud. Se puede concluir que siempre conviene hacer una comparación entre las posibles alternativas partiendo de una valoración realista de los costes de materiales, de los plazos de ejecución, de la facilidad de inspección y control y de la garantía de comportamiento bajo las cargas del edificio, sin olvidar la resolución de los problemas de interacción con otros edificios. 8.2 CONDICIONES DE USO DE LOS TIPOS DE CIMIENTO Tras el análisis de los condicionantes anteriormente descritos, el proceso de selección de un tipo de cimiento suele ser relativamente complejo, salvo en casos triviales. Sin embargo, cabe establecer algunos criterios orientativos para situaciones normales, haciendo abstracción de algunos factores de tipo económico y constructivo relativos a obras de infraestructura ligados a las cimentaciones, como la excavación y contención de sótanos, drenaje de filtraciones, etc.por otra parte debemos limitarnos a las soluciones tradicionales y convencionales ya que existe una amplia variedad de patentes y sistemas más o menos sofisticados pero cuyo empleo es muy restringido, como es el caso de las columnas de grava, los cimientos celulares, las soluciones mixtas zapatas-pilotes, etc. Otras soluciones como los pilotes de madera, los cajones de aire comprimido, etc. han caído en desuso y prácticamente no se utilizan en edificación. En el esquema que sigue J. M. Rodríguez ha intentado resumir el proceso de análisis de factores en la elección de un tipo de cimiento, como se desarrollará en los apartados siguientes.

13 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO Cimiento por zapatas Es la solución tradicional de cimiento, preferida por su economía y facilidad de ejecución. En edificios sobre roca se utiliza con cualquier altura (presiones de trabajo hasta 4000 kn/m 2 en el World Trade Center y en el Empire State, sobre granito). Con pilares cada 25 m 2, cargas totales de 10 kn/m 2 por planta y una ocupación por las zapatas no superior al 50% del área del edificio, las presiones anteriores limitarían las alturas aceptables a 5 y 15 respectivamente, lo que aclara el hecho de que la cimentación por zapatas esté perdiendo terreno en la construcción en altura. Por el contrario, deben darse condiciones excepcionalmente desfavorables para que no puedan cimentarse por zapatas edificios de menos de 3 plantas. Dentro de los terrenos naturales podría ser el caso de las arenas muy flojas y de las arcillas muy blandas, pero estas formaciones rara vez se encuentran en nuestro país con capacidad portante inferior a 1 kp/cm 2 (teniendo en cuenta los asientos admisibles). El empleo de zapatas exige un terreno de resistencia media a alta, sin intercalaciones blandas en la zona de influencia de cada cimiento (la imagen del bulbo de presiones) o en la afectada por la superposición de presiones de zapatas adyacentes. Cuando no existe este efecto de superposición (grandes luces) cabe aprovechar capas superficiales resistentes (costras desecadas o cementadas, terrazas compactas, etc.) aunque por debajo existan capas más flojas. La situación ideal para la ejecución de zapatas se produce cuando el terreno posee cohesión suficiente para mantener verticales las excavaciones, no existe afluencia de agua y el nivel de apoyo se encuentra a menos de 1,50 m de la superficie. Aunque se han construido zapatas en terrenos inestables, con profundidades de 3 a 4 m, con entibaciones y agotamiento del agua, en estos casos el coste de ejecución deja de ser competitivo con otras soluciones como las losas o los pilotes. Para edificios ligeros y muros de carga, las zapatas corridas de hormigón en masa constituyen una solución frecuente. Sin embargo, debe pensarse que un ligero armado de la base de la zapata y el empleo de hormigones de buena calidad (> 18 N/mm 2 ) mejora considerablemente el comportamiento del cimiento frente a asientos diferenciales, agresividad, etc., con un incremento de coste muy reducido. Por su naturaleza, las zapatas aisladas permiten que los pilares se asienten independientemente y presenten escasa resistencia frente a giros o desplazamientos horizontales. Todo ello hace aconsejable el empleo de riostras uniendo las zapatas, o apoyar en una sola zapata los pilares próximos. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que las riostras, salvo que sean de extraordinaria rigidez, son incapaces de igualar los asientos de las zapatas que conectan, por lo que no sirven para esto, aunque sí para absorber esfuerzos horizontales cuando existen (movimientos sísmicos). En una situación límite, la combinación de zapatas y riostras llega a constituir un verdadero emparrillado, concebido como una retícula de zapatas corridas. Es un sistema poco utilizado por el elevado coste de encofrado, lo cual conduce a las soluciones tipo losa. Sin embargo la forma de trabajo es más clara que en las losas y el cálculo se realiza con gran facilidad mediante los programas de estructuras reticuladas Cimiento por losas Como ya se indicó anteriormente, se adopta la cimentación por losa en los siguientes casos: El área de zapatas ocuparía más del 60% de la planta del edificio. Se requiere un sótano estanco bajo el nivel freático (solución a combinar con muros o pantallas también impermeables). Se desea reducir los asientos diferenciales en terrenos heterogéneos o con inclusiones o defectos erráticos.

14 592 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Interesa conseguir una mayor presión de trabajo aprovechando la descarga producida por la excavación de sótanos, y construyendo una cimentación compensada. La losa es una solución frecuente cuando las cargas son importantes (por ejemplo, en edificios de más de 8 plantas) y el terreno tiene una capacidad portante media a baja ( q adm = 0,15 N/mm 2 aproximadamente). Si el terreno es arena floja o de resistencia muy baja (> 0,08 N/mm 2 ) existe riesgo de rotura general (salvo en losas muy extensas) o de grandes asientos por la profundidad afectada, en cuyo caso no es una solución apropiada salvo que se mejore previamente el terreno o se reduzcan los asientos, por ejemplo, combinando la losa con un pilotaje. Estas soluciones son casi inevitables cuando el firme apto para apoyar pilotes-columna está muy profundo. En el caso de edificios con zonas diferentemente cargadas debe estudiarse la compatibilidad de deformaciones del sistema terreno-losaestructura, llegándose generalmente a profundidades de cimentación variables, distintas rigideces o a la inevitable introducción de juntas. Para edificios normales la facilidad constructiva ha obligado a utilizar casi exclusivamente losas de canto constante, prescindiendo de las antiguas soluciones aligeradas, celulares, etc. A pesar de su aparente sencillez estructural, la losa requiere de una ejecución y control cuidadoso en lo que respecta a la colocación de las armaduras, puesta en obra del hormigón, juntas de hormigonado, etc. por lo que no deben dejarse en manos de personal no especializado. En el aspecto económico, la losa constituye una solución cara para edificios de poca altura (menos de 6-8 plantas) y su coste puede ser comparable al de algunos pilotajes (en las comparaciones no debe olvidarse la valoración de los encepados y riostras entre pilotes) Cimiento por pozos En general, Los cimientos semiprofundos se utilizan cuando: El terreno firme o la zona estable se encuentran a una profundidad demasiado grande para construir zapatas convencionales, pero no lo suficiente para obligar al empleo de pilotes, es decir, entre 3 y 6 m como valores típicos. La obra es tan pequeña que razones de espacio o económicas no justifican recurrir a un pilotaje. Existen esfuerzos horizontales que hay que absorber con la colaboración del terreno a empuje pasivo. Los pozos plantean en algunos casos problemas de agotamiento y muy frecuentemente de entibación y de seguridad del personal. Aunque existió una larga tradición de constructores de pozos de cimentación en ladrillo o mampostería, conectados en cabeza por arcos y bóvedas, en la actualidad esta técnica ha quedado reducida a obras de recalce. La solución puede ser satisfactoria cuando la excavación es realizable con pala y algo menos cuando se emplea maquinaria para pilotes de gran diámetro Cimiento por pilotaje En lineas generales, la cimentación por pilotaje está indicada en los siguientes casos: No existe firme en una profundidad alcanzable con zapatas o pozos (D > 5 m). Se quieren reducir o limitar los asientos del edificio. La permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales. Las cargas son muy fuertes y concentradas (caso de torres sobre pocos pilares). Se quiere evitar la incidencia sobre cimientos adyacentes. En el caso de firmes profundos en los que se recurre al pilotaje, la solución es inmediata si las

15 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CIMIENTO 593 cargas están concentradas, pero no sucede lo mismo cuando entre pocos pilares hay grandes superficies cargadas como es el caso de naves industriales, almacenes, iglesias, etc. En estas condiciones resulta económicamente inviable pilotar toda la superficie edificada y tampoco es aconsejable pilotar solamente los pilares dejando el resto como una solera flotante ya que los asientos diferenciales llevarían a una situación funcionalmente inaceptable. No hay más remedio en estos casos que mejorar el terreno para reducir al máximo su deformabilidad, lo cual puede conseguirse por precarga, vibroflotación, consolidación dinámica, inyecciones, etc. Según el nivel de mejora alcanzado, la solución global puede ser una cimentación superficial de pilares y solera o el pilotaje de los pilares y el apoyo directo de las soleras. La elección de uno u otro tipo de pilote tiene considerable importancia y requiere de cierta experiencia ya que es frecuente el empleo de pilotes inadecuados al problema que se plantea, bien por defecto de proyecto o por esforzarse el contratista en emplear el pilote que fabrica o que le es más asequible. En la selección del tipo de pilote intervienen: La naturaleza de las distintas capas de terreno y su resistencia. El espesor de terreno a atravesar o la longitud previsible de los pilotes. Las cargas a transmitir. El número de pilares a cimentar o, en definitiva, el volumen de la obra de pilotaje. Condicionantes especiales como el trabajo en zona urbana, la agresividad del terreno, la existencia de fuerzas horizontales o dinámicas, el riesgo de rozamiento negativo, etc. Estos factores tienen mayor o menor influencia según el caso de que se trate y están interrelacionadas lo cual imposibilita la elección inmediata de un determinado tipo de pilote, dándose a menudo el caso de existir varios tipos posibles, entre los que se elige por consideraciones económicas, de plazo, etc. Sin embargo pueden hacerse algunas recomendaciones útiles para los casos más frecuentes: Los pilotajes flotantes en arcillas deben evitarse; cuando resultan obligados por estar el firme muy profundo (> 30 m) suelen realizarse con pilotes "in situ" en una vaina perdida hincada previamente. Si el terreno es relativamente firme, de modo que la perforación se mantiene lo suficiente para hormigonar, sin necesidad de revestimiento, están indicados los pilotes "in situ" y los barrenados. En el caso de pilotajes en terreno arenoso flojo interesa conseguir la mejora o compactación del terreno por lo que se utilizan los pilotes prefabricados hincados y los apisonados al amparo de una entibación considerable, con bulbo en la base (tipo Franki). Si el terreno granular es compacto, la hinca debe ayudarse con lanza de agua o incluso hacer una perforación previa (eventualmente mantenida con lodos bentoníticos). En este caso pueden ser ventajosos los perfiles o pilotes metálicos de pequeña sección y más fácil hinca. Sin embargo, es raro tener que recurrir a pilotajes en suelos granulares compactos. Si en el terreno existen gravas gruesas, bolos, capas cementadas, restos de demoliciones, etc. que impiden o dificultan la hinca de pilotes habrá que recurrir a pilotes perforados, de diámetro preferentemente grande, y anormalmente con entibación. Los pilotes "in situ" perforados sin entibación están indicados en terrenos cohesivos compactos, con poca agua, eventualmente con alguna capa dura (atravesable con trépano).

16 594 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Los pilotes barrenados no pueden ejecutarse en terrenos duros o cementados ya que el avance de la hélice exigiría un par motor excesivo para la maquinaria usual. Cuando existen capas artesianas pueden aparecer problemas al atravesarlas con pilotes de extracción, sobre todo si se trata de arenas flojas que se sifonan. Igualmente pueden presentarse problemas en el hormigonado si existe circulación importante de agua, puesto que existe el riesgo de que se produzca el deslavado del hormigón. Cuando se pueda alcanzar una base firme de apoyo en profundidades razonables deben emplearse pilotes-columna apoyados en dicha base ya que ésta es la mejor forma de aprovechar la capacidad resistente del cimiento. Los pilotes prefabricados hincados son convenientes en longitudes moderadas (< 20 m) para evitar uniones, desvíos de instalación, eventuales pandeos, etc. Los pilotes "in situ" (con o sin entubación, según el terreno atravesado) deben tener un diámetro proporcional a la profundidad para que sea posible efectuar correctamente el hormigonado. Con respecto al volumen de la obra, los pilotes prefabricados requieren el empleo de gran número de unidades (> 100 uds.) para justificar un parque de fabricación. En el mercado existen algunos tipos patentados que pueden utilizarse en obras pequeñas. Los pilotes de gran diámetro, que requieren maquinaria sofisticada, también precisan volúmenes de obra apreciables para amortizar traslados e instalaciones. El pilote "in situ", el barrenado y el apisonado son mucho más versátiles y se adaptan mejor a obras de tamaño medio o pequeño. En función de las cargas previstas y teniendo en cuenta que la cimentación resultará más económica cuantos menos pilotes se coloquen, los pilotes prefabricados están indicados para cargas bajas (aproximadamente 2000 kn), los pilotes convencionales in situ, para cargas medias (2000 a 7000 kn), y los de gran diámetro para cargas grandes (más de 7000 kn). Los pilotes hincados no pueden emplearse cuando los impactos generen perturbaciones ambientales (ruidos, vibraciones, etc.) no tolerables o cuando puedan inducirse asientos o fenómenos de inestabilidad en los edificios próximos.