Cimentación de edificios: Técnicas y consideraciones, Esquemas y mapas conceptuales de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos

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onografias

ceac

de la construcción

de Cimientos

Angel Hidalgo Bahamontes

Técnico en Construcción

ediciones

CEAC Perú,^164 -^08020 Barcelona^ -^ España

por casas especializadas. Pero un conoci -

miento ligero de los mismos es conveniente a todo

constructor, para comprender lo que ejecuta la casa

es p ecializada y poder confiar en la resistencia del ci -

miento resultante.

Nuestro deseo es que los lectores de esta mono -

grafía: constructores, encargados de obra, proyectis-

tas, delineantes, albañiles y aprendices, encuentren

la solución que necesiten para los problemas en que

puedan tropezar en la práctica y los apliquen sin difi -

cultad en cada caso particular. Con conseguir esta

meta nos damos por satisfechos.

l. El terreno, su reconocimiento

y preparación

EL TERRENO

Cimentación, propiamente dicha, es el material que media entre el terre - no y los muros o entre terreno y estructura, según la naturaleza del edificio a construir. Prácticamente se puede cimentar en cualquier sitio, siempre que se observen los procedimientos que han señalado las investigaciones para cada clase de terreno. Lo ideal, por rápido y económico, sería cimentar sobre roca, pero como la mayoría de las veces esto no es posible, hay que adap - tarse a las circunstancias del terreno, debiendo analizarse el comportamien - to del mismo antes de comenzar una edificación. El objeto de toda cimentación es transmitir al terreno todas las cargas y sobrecargas de un edificio. Está claro que si el terreno fuese l o suficien - temente duro y firme, no harían falta cimientos, sino que en la misma rasan - te del terreno se podrían construir las paredes o estructuras. Pero como esto no sucede así generalmente, hay que buscar la manera de que estas cargas y sobrecargas asienten en una mayor superficie del terreno a fin de que a cada porción del suelo le correspondan menos kilos que soportar, consiguiéndose, por tanto, una menor fatiga del terreno. Efectivamente: el terreno cede bajo la presión de una carga, obligando a sus moléculas a que modifiquen sus distancias y posiciones produciéndose entonces una deformación, la cual será menor cuanto mayor sea la cohe - sión y dureza del terreno. Los terrenos pueden clasificarse en dos grandes grupos: los compresi- bles y los incompresibles. Es decir que la compresión es su principal carac - terística y su resistencia vendrá determinada por el esfuerzo con que se oponga a la citada compresión. Resolver científicamente un caso de cimentación es siempre difícil. Es cierto que el estudio de la Mecánica del suelo es de extraordinaria impor - tancia, pues ella nos permitirá analizar los fenómenos para sus experiencias emplearlas en la práctica, con cierta aproximación que se considera como suficiente, pero siempre será de una forma dudosa, pues son muchos l o s coeficientes y mucha su variabilidad. Por esta razón n o es necesario, a nues - tro juicio, resolver un problema de cimentación recurriendo a la rigurosi - dad de la alta matemática.

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con qué clases de terreno hemos de tratar, si el citado cubo lo depositamos en el suelo, una vez realizada la excavación o el vaciado, y a su alrededor apisonamos el terreno repetidas veces con golpes bruscos y secos.

Figura 2 Figura 3

Si se tratara (fig. 2) de terreno compacto y duro, éste permanecería inalterable y, por lo tanto, el agua continuaría inmóvil; pero si por el con - trario (fig. 3) se trata de un terreno poco consistente y, más aún, si contu - viera concavidades, la onda expansiva se transmitiría al cubo y el agua se pondría en movimiento, al igual que cuando arrojamos una piedra a u n estanque. De lo que se deduce que incluso cuando se va a cimentar sobre roca es preciso identificar el terreno, desenmascarar10 para conseguir seguridad y firmeza en la construcción. Reconocido el terreno, es muy conveniente saber su resistencia. Para lo cual presentamos otro procedimiento práctico y al alcance de cualquier operario de una obra. Consiste (fig. 4) en colocar sobre el terreno a exami - nar, un soporte de sección conocida (por ejemplo, un tablón B) y una carga determinada A. Este ensayo deberá aplicarse sobre el terreno recientemente excavado o vaciado y sin apisonar. Para conocer la resistencia aproximada del terreno a la compresión, dividiremos la carga A, expresada en Kg. por la sección B del tablón, expresada en cm'. Por ejemplo, si el canto d e l

Figura 4

tablón es de 20 x 5 cm. = 100 cm 2 y la carga que se coloca es de 500 Kg, tendremos: A

5 00

---- = 5 Kg/cm

B 100

Esta carga no deberá dejar en el terreno más que una ligera huella, del orden de 1 a 2 mm., del primer asentamiento por cortadura en el suelo, pro - ducida por las aristas del tablón, para que pueda considerarse admisible. La forma práctica de realizar este ensayo es cargar el tablón primero con una cierta carga, por ejemplo 200 Kg, dejarlo cargado 24 horas, retirar la carga y comprobar si el tablón se ha hundido en el suelo; volverlo a car - gar con una carga mayor de 300, 400 Kg, e ir repitiendo la carga y des - carga para ver el comportamiento del terreno. Todas estas operaciones de - ben hacerse con el mayor cuidado. Los Kg por cm que se obtengan en el ensayo deben dividirse por 1'5 ó 2 y tendremos la carga que puede soportar el terreno con un margen de seguridad equivalente al coeficiente por que hemos dividido. En el ejemplo i n d i c a d oanteriormente, si suponemos que el terreno ha empezado a ceder

CALAS

Hemos dicho anteriormente que para cimentar convenientemente un

edificio se hace necesario el estudio previo del terreno, de cuya composi- ción y estructura nos darán la idea las calas y sondeos. Refiriéndonos a las

primeras son excavaciones más o (menos profundas las que harán posible

el conocimiento geológico del suelo y la profundidad en que se encuentra el terreno firme donde se pueda apoyar con seguridad la fundación del edificio proyectado. Estas calas y colicatas de ensayo pueden hacerse de forma que un obrero trabaje con comodidad bastando, si son de sección rectangular, las dimensiones, de 1 a 1'50 metros por 0'60 a 0'70 m y si son circulares de 1 a 1'50 m de diámetro. Estas investigaciones, tratándose de edificios de alguna importancia, se harán preferentemente en los lugares más cargados, extremando su estudio en los puntos más débiles como son las esquinas de todo edificio. Para la construcción se tendrá en cuenta, en las ciudades, lo que a tal respecto digan las Ordenanzas Municipales de cada población con referen- cia a muros, alineaciones, tira de cuerdas, etc., y en el campo lo que a tal punto haya legislado Obras Públicas, sin olvidar las zonas militares; proxi - midades de vías de ferrocarril, canales de navegación, zonas marítimo- terrestres y las costas bañadas por el mar y márgenes de los ríos, pues estu- diando desde un principio el emplazamiento de nuestra obra nos ahorrará después muchísimas y enojosas contrariedades que son posibles de prever.

SONDEOS

Los sondeos son otro aspecto del reconocimiento del subsuelo, cuando por circunstancias del terreno hay que ir a ciertas profundidades. Operación también indispensable, pues al ser atravesadas las diferentes capas del te- rreno, esto nos permitirá la extracción de muestras y por ende un mayor conocimiento de su constitución geológica.

Para profundidades hasta de 5 metros y tratándose de terrenos de con -

sistencia corriente, se usa la sonda de mano que es manejada por un solo obrero, como puede observarse en la figura 5. El equipo de sondeo que presentamos (fig. 5) está formado por un apa- rato de rollizos. La barrena penetra en el terreno por simple rotación ejecu - tada a mano. Hoy en día hay otros métodos a motor y aunque sus Útiles no han variado sensiblemente, la operación se hace con más rapidez. A continuación presentamos los barrenos más característicos con que se ejecutan los sondeos.

Barrena para tierra (fig. 6) llamada de plato o hélice. Se utiliza en te - rrenos vegetales o en los formados por arcillas, arenas compactas o graves, puede penetrar hasta una profundidad de 2 metros.

Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 1 0 Figura 1 1 F i g u r a 12

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Figura 16 La explanación es la primera operación que se ejecuta en movimientos de tierras y, como toda fase en construcción de edificios, está sujeta a nor - mas constructivas que de seguirlas fielmente o hacer caso omiso de la expe - riencia, contribuyen, en alto grado a encarecer el coste de los edificios. Desmonte y terraplenado equivalen a explanación, tanto si es necesario arrancar las tierras del suelo para conseguir nivelarlo, como la de procurar - se tierras para lograr un plano elevado sobre la rasante del terreno, terra- plenando con tierras de préstamo. Según el cuadro de rendimientos mínimos de la Reglamentación del Trabajo en la Construcción y Obras Públicas, se señala para este tipo de tra - bajo unas cifras mínimas refiriéndose al operario y jornada.

Desmontes Picado y retirada de tierras para llevar el tajo limpio. Terreno flojo: Hasta 1 metro de altura, 4'- metros cúbicos, Hasta 2 metros de altura, 5'- metros cúbicos. Picado y desmoronado solamente. Terreno flojo: Hasta 4 metros de altura, 8. Más de 4 metros de altura, 10.

DRENAJE Y SANEAMIENTO

Uno de los más importantes capítulos de la cimentación, es el drenaje y saneamiento. Un terreno puede estar seco en su superficie y luego, al hacer la excavación, nos podemos encontrar con una capa de agua que hay que alejar de la cimentación. Algunos constructores tienen el criterio de que en vez de efectuar la evacuación de las aguas, es más sencillo realizar enlucidos impermeables en los cimientos que impidan la penetración de humedad en los distintos ma - teriales de que se componen éstos. Efectivamente y aunque en casos dé - biles esto último es más sencillo, en los permanentes y fuertemente acusa - dos, este sistema da resultados sólo durante cierto tiempo, ya que debido a la enérgica acción de las aguas aparecerán eflorescencias. Por lo que es

mucho más recomendable cortar el mal por lo sano efectuandode manera eficiente la evacuación de las aguas. El agua que puede perjudicar una cimentación puede proceder de mu - chos sitios y aunque normalmente se consideran las subterráneas y las de lluvia no hay que olvidar la posible presencia del agua motivada por cañe - rías de conducción, desagües fecales, viejos pozos negros y hasta quién sabe si algún conducto ignorado. A tenor de esto y como detalle práctico de lo que decimos, relataremos el siguiente caso del cual fuimos testigos presenciales por tener la obra a nuestro cargo: En la provincia de Valladolid y para el Instituto Nacional de Coloniza - ción, construimos una granja escuela para capataces agrícolas, que se alzó en un terreno que en su tiempo fue también granja de un convento. La construcción de la nueva granja se desarrolló sin ningún impedimen - t o serio. Entregada la obra y unos meses antes de que terminara el plazo de ga - rantía para la recepción definitiva y devolución de fianza, se recibió en la oficina un oficio del organismo antes citado en el que se invitaba al con - tratista a reparar con toda urgencia una mancha de humedad que en una de las esquinas del edificio destinado a taller había aparecido. Personados en la granja con el contratista comprobamos que, en el lugar indicado, el muro presentaba una gran mancha de humedad de trazado parabólico que necesariamente debía proceder del terreno. Inmediatamente procedimos a descubrir la parte afectada observando que, a medida que se profundizaba en el terreno. más encharcado se pre - sentaba éste, hasta el punto de que para que los dos obreros que trabaja - ban pudieran hacerlo con alguna comodidad, fue necesario proveerlos de botas de goma. Alcanzada en su profundidad la cota de cimentación -1,50 m- no se observó, fuera del barro, nada irregular; pero al continuar con la exca - vación y profundizar 70 cm más quedó al descubierto el motivo de aquel desaguisado; una conducción de agua. Una viejísima cañería de barro co - cido era el origen de todo. Por lo que luego se vio, no pertenecía a ningún conducto moderno, sino que muchos años antes debió prestar servicio, siendo desconectada después por alguna razón, quedando allí olvidada. Por todo lo cual debe considerarse la necesidad de evitar todo reblan - decimiento de los puntos del terreno donde asienta la cimentación y de los próximos a los muros. La razón de ello se comprenderá fácilmente, pues el terreno seco sufrirá la misma deformación a los efectos de la carga del edificio; en cambio, si el agua se introduce hasta el asiento de los cimien - tos, se formará una masa de barro esponjoso que cederá, más o menos rá - pidamente, con el solo peso de los cimientos. La causa de las grietas, en muchos de los casos es precisamente por no haber tenido en cuenta las fil - traciones de las aguas desde el primer momento de la construcción, como h e m o s venido señalando, amén de un escrupuloso reconocimiento del terre-

por lascas de piedra; pero como decimos antes, lo más práctico por ven - tajas d e todo orden son los tubos. Los tubos de drenaje son de arcilla cocida o gres, pudiendo también emplearse de cemento. Tienen una longitud que varía entre 30 y 50 cen - tímetros, con un diámetro interior de 4 a 20 centímetros, empleándose en los drenes colectores y desagües, tubos de cementos de diámetro convenien - te, y cuando éste es superior al tipo standard. En este sistema de drenes, el agua penetra en los tubos por las juntas que se dejarán sin recubrir y un poco separadas. Es conveniente, para activar la circulación de aire por las tuberías de drenaje, reunir las cabezas de los drenes por una tubería en cuyo punto más elevado se establece una chimenea de ventilación. Esta puede hacerse 'de diferentes modelos, construida con ladrillo o mamposte -

ría. En esencia consiste en una caja o chimenea de donde parte el primer

tubo con orificios de ventilación a una cierta altura sobre el nivel del terre - n o para evitar que penetren sustancias extrañas. La unión de tubos de drenaje con los colectores se efectúa por piezas fabricadas especiales, pero también puede hacerse perforando el tubo de drenaje, y tapando su boca; se coloca sobre el colector, también perforado, recibiendo la junta con cemento.

El cambio de calibre de los tubos puede hacerse por piezas fabricadas

especiales en forma de botellas o también si son superficiales, en arquetas de ladrillo enlucido en las que acometen o parten los 'dos tubos. En las zonas más encharcadas, se facilitará la filtración del agua a la red drenaje por medio de pozos que se construirán en los puntos más bajos del terreno, y de cuyo fondo parte un dren de evacuación que los une al colector más próximo; estos pozos es - tán constituidos por capas de cantos o grava y arena gruesa que evitará penetre excesiva cantidad de fango en

. el interior de la tubería, siendo su dis^ - posición la que se indica en la figu - ra 20. La distancia a que hay que colo - car l o sdrenes y la profundidad de los mismos está en relación con el des - censo que queremos obtener de la ca - pa freática, o sea con el espesor de la capa que queremos desecar, depen- Figura 20 diendo directamente de la permeabi- lidad del terreno. Pero como ésta, a su vez, depende de la composición granulométrica y química del mismo, la pro- fundidady distancia entre los drenes ha de relacionarse con estos factores.

En un terreno con una capa freática, de altura determinada una vez que co - loquemos los drenes, esta capa freática sufre un descenso. Pero este des - censo no es uniforme en todos los puntos, sino que es muy acusado en las inmediaciones de los drenes, quedando más elevado entre ellos. La altura de esta elevación entre drenes está relacionada con la permeabilidad del terreno. Cuanto más permeable sea éste, tanto más uniforme será el des - censo de la capa líquida y menos elevación alcanzará entre los drenes y, al contrario, cuanto menos permeable sea el terreno, menos uniformidad ten - drá este descenso y a mayor altura permanecerá la capa líquida entre los drenes. En estas condiciones el descenso que desearíamos del nivel líquido podemos conseguirlo de la siguiente forma:

Figura 21

1.º Cuanto menor sea la distancia entre los drenes, menos altura alcan - zará el nivel freático entre ellas (fig. 21). 2." Cuanto más profundos estén los drenes, mayor descenso consegui - remos del nivel freático (fig. 21). Teniendo en cuenta el espesor de la capa que deseamos sanear, o sea, el descenso del nivel freático que deseamos obtener, podemos hacerlo po - niendo los drenes a corta distancia y superficiales o a mayor distancia y más profundos siendo inversa la relación entre distancia y profundidad. La distancia a que se colocan los drenes está limitada por el coste de la excavación, que será mayor cuanto más profunda sea la zanja. Se señala en general un mínimo de 1 a 1'20 metros, y en terrenos que posteriormente se dediquen a cultivo no deberá ser menor de 1'30 metros, para evitar lleguen a ellos las raíces profundas que tienden a crecer entre los tubos y obstru - yan los drenes, sobre todo empleando el drenaje con tubos. Hay tablas que nos dan la distancia a que debemos colocar los drenes en relación con la permeabilidad del terreno, la cual está dada en relación

. con su análisis granulométrico según su contenido en lama, polvo y calcio.

Las tablas de Kopetzky, Kornella y Gerhardt están en relación con el conte - nido en lama y las de Frauser con el contenido en polvo y lama.

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mente abiertas. Con respecto a la carga, la supondremos uniformemente repartida. Para su cálculo se averiguará, en primer lugar, la carga que soporta el muro que debe presionar sobre el cimiento a cuya carga deberá añadirse el peso propio del muro e incluso el del mismo cimiento. Los pesos propios pueden calcularse de la forma que se describe más adelante, pero para no hacer tan engorroso el cálculo y como desconocemos las medidas del ci - miento, porque precisamente es lo que queremos calcular, se aumenta pro- visionalmente la carga en un 10 por 100, que suele ser aproximadamente el peso propio del cimiento.

Figura 22

De éste nos interesa el ancho y la profundidad. El cálculo se hace por un metro lineal de cimiento y la profundidad del mismo debe ser tal que asegure la transmisión de toda la carga a la superficie del asiento del ci - miento para ello debe tenerse en cuenta que la presión se trapsmite con

una inclinación de 60 ºy tendremos (fig. 22) que llamando c a la anchura

del cimiento y e a la del muro que apoya en el cimiento la profundidad o altura del mismo que llamaremos h será:

(Aproximadamente, porque 2 x 0'577 es más o menos igual a 1.)

Aclaramos que el número 0'577 es el valor de la cotangente trigonomé- trica del ángulo de 60" y, por lo tanto, un coeficiente fijo. Por todo lo que antecede podemos establecer que la profundidad del cimiento deberá ser igual o mayor que la diferencia entre su ancho y la del muro que sostiene. Ejemplo:

Un terreno que tiene una resistencia de 2'50 Kg por cm' ha de sopor - tar un cimiento para un muro de 0'45 m de espesor cargado con 20.000 Kg m l. - ;Qué dimensiones tendrá la cimentación?

Carga del muro por ml......... 20.000 Kg

Peso propio del cimiento (10 por 100).. 2.000 Kg

Carga total.. 22.000 Kg

Como cada cm2 deterreno resiste 2'50 Kg, serán necesarios para los 22.000 Kg.

= 8.800 cm 2 2'

Y como es por metro lineal del cimiento, la carga supondrá una anchu- ra de:

= 88 centímetros, que, redondeando la cifra, será 90 cm. 100 Conocido el ancho del cimiento sólo nos resta hallar su profundidad. Aplicando el razonamiento anterior, tendremos:

Resultado por lo tanto, una profundidad mínima de 45 cm.

CONSIDERACIONES SOBRE CIMIENTOS CONTINUOS Y AISLADOS

La cimentación continua es la más generalizada sobre terreno seco. Su base de sustentación no se halla interrumpida, caracterizándose por su uni - formidad en cuanto a profundidad y anchura. Cuando para encontrar el firme debe excavarse a profundidades superio - res a 3 metros, no es aconsejable, desde el punto de vista económico, el cimiento continuo, recurriéndose entonces a los macizos aislados o al im- propiamente llamado cimiento discontinuo. Cimentación discontinua es la formada por una base de pilares y bóve - das u otro sistema similar sobre las que se establecerá la obra de fábrica. En vez de efectuar la excavación en zanjas se procede del modo siguiente:

1. º Excavación y relleno de pozos de cimentación que estarán separa - dos unos de otros, como máximo, de 3 a 4 metros. El material de relleno de e s t o sPOZOS , es el hormigón. También se utiliza el ladrillo si se construyen s o t a n o s