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FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Título del informe académico: Informe técnico de
Cimentaciones
AUTORES: Alfaro Bobadilla, Lleyson (http://orcid.org/0000-0002-6784-2902) Saenz Caceres, Luis (https://orcid.org/0000-0002-1203-5927) Páucar Silva Manuel Mecias Tantaléan Montero, Luis Alexander (orcid.org/0000-0001-8313-4255) ASESOR: RAUL ANTONIO PINTO BARRANTES LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Infraestructura y desarrollo urbano sostenible LÍNEA DE RESPONSABILIDAD SOCIAL UNIVERSITARIA: Responsabilidad social y desarrollo urbano sostenible LIMA - PERÚ
I. INTRODUCCIÓN
Las cimentaciones constituyen uno de los elementos estructurales más importantes en cualquier obra civil, ya que son responsables de transmitir las cargas de la superestructura al terreno de forma segura, estable y sin producir asentamientos excesivos o fallas del suelo. Un diseño adecuado de cimentaciones garantiza la estabilidad, durabilidad y seguridad de la edificación, evitando patologías estructurales que pueden comprometer la vida útil de la obra. La selección del tipo de cimentación depende principalmente de las características geotécnicas del suelo, las cargas estructurales, las condiciones ambientales y los requisitos económicos del proyecto.
II. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general ● Describir de manera detallada los aspectos fundamentales relacionados con las cimentaciones, incluyendo sus características, tipos, criterios de diseño, procesos constructivos y consideraciones técnicas. 2.2 Objetivos específicos ● Explicar el concepto y función de las cimentaciones. ● Clasificar los distintos tipos existentes. ● Describir los parámetros geotécnicos necesarios para su diseño. ● Analizar los criterios estructurales y constructivos. ● Identificar fallas comunes y medidas preventivas.
III. MARCO TEÓRICO
3.1 Definición de cimentación La cimentación es la parte inferior de una estructura cuya función es transmitir las cargas al terreno de soporte de forma segura, distribuyendo esfuerzos para que el suelo no falle ni se deforme excesivamente.
● Zapatas aisladas. Son elementos de concreto armado que distribuyen las cargas de columnas aisladas al suelo, en terrenos de buena calidad. Se emplean cuando la excentricidad de la carga es pequeña o moderada y cumplen con Df/B ≤ 5 según la Norma E.050. La profundidad no debe ser menor a 0.80 m y depende de condiciones del terreno y uso de la estructura. Imagen N°1: Parámetros de Diseño de una Zapata Aislada. ● Zapatas combinadas. Son elementos de concreto armado que soportan más de una columna sobre una misma base. Se diseñan para que el centro de gravedad de la zapata coincida con la resultante de las cargas. Pueden ser rectangulares o trapezoidales; la rectangular tiene ancho constante para equilibrar las cargas de los pilares. Imagen N°2: Parámetros de Diseño de una Zapata Combinada.
● Zapatas corridas. Se utilizan principalmente para muros y pueden tener sección rectangular, escalonada o trapezoidal. Sus dimensiones dependen de la carga a soportar, la resistencia del material y la presión admisible del suelo. Imagen N°3: Se muestra el diseño de una zapata corrida. Características ● Refuerzo: Se utiliza cuando el diseño de la cimentación es adecuado, pero los materiales presentan deterioro o baja calidad. Los métodos más comunes de refuerzo son la inyección de lechada y la incorporación de armaduras. ● Ampliación: Se aplica cuando la cimentación está en buen estado, pero requiere mayor área de apoyo por nuevas exigencias estructurales. La ampliación puede realizarse lateralmente o por debajo de la cimentación existente. ● sustitución: Se realiza cuando la cimentación está muy deteriorada y no puede seguir cumpliendo su función, requiriendo su reemplazo total. Puede sustituirse por completo o emplearse el puenteado, construyendo una nueva cimentación alrededor o a los lados de la existente. 3.3.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS Son el conjunto de elementos que sirven para apoyar y fijar una estructura al terreno, de forma que pueda soportar y distribuir las cargas que recibe hacia el suelo más resistente, sin sufrir deformaciones excesivas ni desplazamientos indeseados. Las cimentaciones directas y profundas se apoyan en las capas
Imagen N°5: Cimentación de pozos de concreto semiprofundas. 3.3.5 CIMENTACIONES SUPERFICIALES Las cimentaciones superficiales son elementos estructurales de concreto armado situados a poca profundidad (generalmente <3-4 m o cuando la profundidad es menor a 4-5 veces su ancho) que transmiten cargas al suelo firme, siendo ideales para terrenos estables y estructuras ligeras a medianas. Los tipos pueden ser: ● Emparrillados : Los emparrillados son cimentaciones superficiales rígidas, conformadas por zapatas corridas entrecruzadas en malla (generalmente ortogonal), diseñadas para soportar pilares cuando el terreno tiene baja capacidad portante o alta deformabilidad Imagen N°6: Se observa una cimentación emparrillada.
● Losas: Es una placa de hormigón armado apoyada directamente sobre el terreno, usada para distribuir cargas uniformemente en suelos de baja capacidad portante o con riesgo de asentamientos diferenciales Imagen N° 7: Se presenta una cimentación por losas.
IV. Estudio geotécnico del suelo
El estudio geotécnico del suelo es una investigación técnica fundamental en el diseño de cimentaciones, ya que permite conocer las características físicas y mecánicas del terreno donde se apoyará una estructura. Antes de construir cualquier edificación, es indispensable analizar el comportamiento del suelo frente a las cargas que transmitirá la estructura, pues el terreno es el elemento que finalmente soporta todo el peso. Este estudio tiene como finalidad determinar la estratigrafía del terreno, es decir, las diferentes capas que lo componen, así como identificar el tipo de suelo presente (arcillas, arenas, limos y gravas), su resistencia al corte, su capacidad portante y la posible presencia del nivel freático. Además, permite evaluar los asentamientos que podrían producirse con el tiempo y detectar problemas como suelos expansivos, colapsables o de baja resistencia. La investigación geotécnica se desarrolla en tres etapas principales. La primera es la exploración de campo, donde se realizan perforaciones, calicatas y ensayos como el SPT (Standard Penetration Test), que permite estimar la resistencia del suelo mediante el número de golpes necesarios para hincar un muestreador estándar. Durante esta fase también se extraen muestras alteradas e inalteradas para su análisis posterior.
En segundo lugar, están las cargas variables o vivas, que dependen del uso de la edificación. Estas incluyen el peso de personas, muebles, equipos y vehículos. A diferencia de las cargas muertas, las cargas vivas pueden cambiar en magnitud y posición, lo que influye en el diseño estructural y en la evaluación de esfuerzos en la cimentación. Además, existen cargas accidentales o extraordinarias, como las cargas sísmicas y las cargas de viento. En países sísmicos, estas fuerzas son especialmente importantes, ya que generan esfuerzos horizontales y momentos que pueden producir volcamiento o deslizamiento de la cimentación. Durante un sismo, la interacción suelo–estructura cobra gran relevancia, ya que el comportamiento dinámico del terreno influye directamente en la estabilidad de la edificación. Imagen N°10: Vemos cómo actúan las fuerzas sísmicas sobre una estructura.
VI. Criterios de diseño de cimentación
Los criterios de diseño de cimentaciones son los principios técnicos que se aplican para garantizar que la estructura transmita sus cargas al suelo de forma segura, estable y económica. El diseño debe asegurar que el sistema suelo–cimentación–estructura funcione adecuadamente durante toda la vida útil de la edificación.
El criterio más importante es la seguridad frente a la falla por capacidad portante. Esto implica que la presión que la cimentación transmite al suelo no debe superar la capacidad resistente del terreno. Para ello, se determina la capacidad portante última y se divide entre un factor de seguridad, obteniendo así la capacidad portante admisible. De esta manera se evita que el suelo falle por corte. Otro criterio fundamental es el control de asentamientos. Aunque el suelo no falle, puede deformarse debido a la carga aplicada. Estas deformaciones deben mantenerse dentro de límites permisibles para evitar daños estructurales. Es especialmente importante controlar los asentamientos diferenciales, ya que pueden producir grietas, inclinaciones o pérdida de funcionalidad en la estructura. También se debe verificar la estabilidad frente a deslizamiento y volcamiento, principalmente cuando existen cargas horizontales como sismo, viento o empuje de tierras. En estos casos, el diseño debe garantizar que la cimentación tenga suficiente peso y dimensiones adecuadas para mantener el equilibrio. La profundidad del desplante es otro criterio esencial. La cimentación debe apoyarse sobre un estrato competente que garantice resistencia y estabilidad. Además, debe ubicarse por debajo de la capa superficial afectada por cambios de humedad, erosión o variaciones climáticas. Asimismo, el diseño debe considerar la interacción suelo–estructura, ya que el comportamiento del suelo influye directamente en la respuesta de la edificación. Un suelo más compresible puede generar mayores deformaciones, por lo que el tipo de cimentación debe seleccionarse de acuerdo con las condiciones geotécnicas.
VII. Asentamientos en cimentaciones
Los asentamientos son los descensos verticales que experimenta el suelo cuando recibe las cargas transmitidas por una cimentación. Ocurren porque el suelo se comprime al soportar el peso de la estructura. Aunque todo suelo presenta asentamientos, estos deben mantenerse dentro de límites permisibles para evitar daños. Existen tres tipos principales:
4. Colocación de solado Capa de concreto pobre (fuerza de compresión baja, usualmente 100 kg/cm2) de 2" a 4" de espesor. Su fin es proporcionar una base rígida y limpia para trazar las zapatas y colocar los dados de concreto. 5. Armado de acero Colocación del refuerzo metálico. La E.060 es estricta aquí: el acero debe estar libre de óxido excesivo, aceite o pintura, y debe respetarse el recubrimiento mínimo (ej. 7.5 cm en zapatas) para protegerlo de la corrosión. 6. Encofrado Moldes que confinan el concreto. Deben ser estancos (que no se escape la lechada de cemento por las rendijas) y resistir la presión del concreto fresco y el vibrado sin deformarse. 7. Vaciado de concreto Colocación de la mezcla. La norma prohíbe vaciar desde alturas mayores a 1.50 m para evitar la segregación (separación de la piedra y la pasta). Es obligatorio el vibrado para eliminar burbujas de aire. 8. Curado Proceso de hidratación del cemento. La norma exige un mínimo de 7 días de curado húmedo para que el concreto alcance su resistencia de diseño (f'c). Si no se cura, el concreto se fisura y pierde capacidad estructural. 9. Relleno y compactación Reposición de tierra en los espacios vacíos. Debe hacerse por capas (máximo 20 cm) y compactarse con equipo mecánico hasta alcanzar la densidad del terreno natural para evitar hundimientos posteriores en pisos.
IX. Patologías comunes en cimentaciones
1. Asentamientos excesivos Es el hundimiento de la cimentación debido a la deformación del suelo bajo carga. ● Diferencial: Cuando una parte de la estructura se hunde más que otra, generando esfuerzos internos que el concreto no puede soportar. ● Uniforme: Toda la estructura baja por igual (menos crítico para la estructura, pero afecta instalaciones). 2. Grietas estructurales Son fracturas en el concreto que atraviesan todo el elemento. Se producen cuando los esfuerzos de tracción superan la resistencia del acero o cuando el asentamiento diferencial es tan severo que "rompe" la viga de cimentación o la zapata. 3. Volteo de zapatas Ocurre cuando las cargas horizontales (sismos o empuje de tierras) superan la capacidad de la zapata para mantenerse estable. La cimentación "rota" sobre uno de sus bordes. Es común en muros de contención mal diseñados. 4. Fallas por licuación de suelos Es uno de los riesgos más altos en zonas costeras (como Lima o Chimbote). Durante un sismo, los suelos arenosos saturados de agua pierden su resistencia y se comportan como un líquido, haciendo que la edificación se hunda o flote literalmente. 5. Socavación Es la erosión del suelo que rodea o soporta la cimentación, causada por el movimiento del agua (ríos o lluvias intensas). Al quedarse "al aire" sin suelo que la sostenga, la cimentación falla por falta de apoyo. 6. Ataque químico al concreto Ocurre cuando el suelo tiene altas concentraciones de sulfatos o cloruros. Los sulfatos reaccionan con el cemento, expandiéndose y desmoronando el concreto desde adentro. ● Dato técnico: Según la E.060, si el suelo es agresivo, se debe usar Cemento Tipo V (resistente a los sulfatos).
5. Accesibilidad del terreno Determina si se puede entrar con maquinaria pesada (excavadoras, camiones de concreto premezclado). Si el terreno es de difícil acceso (cerros o zonas estrechas), el proceso será manual y el diseño de la cimentación debe adaptarse a esa limitación constructiva. 6. Condiciones sísmicas En el Perú (Zona 4 de alta sismicidad), las cimentaciones deben estar arriostradas. La norma exige el uso de vigas de cimentación para conectar las zapatas, evitando que estas se muevan de forma independiente durante un terremoto. 7. Durabilidad requerida Se refiere a la resistencia ante agentes externos (sales y sulfatos). La E. clasifica la exposición del concreto; si el suelo es agresivo, se debe usar un concreto de mayor resistencia (f'c) y cementos especiales (como el Tipo V) para garantizar la vida útil de la estructura.
XI. Ventajas de un diseño adecuado
1. Mayor vida útil de la estructura Un diseño que respeta los recubrimientos mínimos y las especificaciones de durabilidad de la Norma E.060 evita que los agentes externos (humedad, sales) lleguen al acero. Esto garantiza que la estructura cumpla o supere los 50 años de vida útil proyectada sin degradarse. 2. Reducción de costos de mantenimiento Al diseñar correctamente las juntas, pendientes y la calidad del concreto, se evitan patologías como fisuras por retracción o corrosión prematura. Es mucho más barato invertir en un buen diseño hoy que realizar reforzamiento estructural o inyecciones de resina en el futuro. 3. Seguridad estructural Es la prioridad número uno. Un diseño adecuado garantiza que los elementos (columnas, vigas, zapatas) tengan la ductilidad necesaria. Ante una sobrecarga imprevista, la estructura "avisará" con deflexiones antes de colapsar, salvaguardando vidas humanas. 4. Optimización de materiales El diseño técnico evita el "sobrediseño" (poner acero o concreto en exceso por miedo o ignorancia). Usando métodos como el de Resistencia Nominal, se coloca la cantidad exacta de refuerzo donde los momentos flectores y fuerzas cortantes lo requieren, reduciendo el desperdicio de dinero y material. 5. Comportamiento sísmico favorable En un país altamente sísmico como el Perú, un buen diseño asegura que la edificación se desplace dentro de los límites permitidos (derivas). Aplicando el principio de "Columna Fuerte - Viga Débil", el diseño garantiza que, en un sismo severo, las fallas ocurran en las vigas y no en las columnas, evitando el colapso total del edificio.
Referencias
● Bowles, J. ( 1996 ). Foundation Analysis and Design. McGraw-Hill. ● Das, B. ( 2010 ). Principles of Foundation Engineering. Cengage Learning. ● Terzaghi, K., Peck, R., & Mesri, G. ( 1996 ). Soil Mechanics in Engineering Practice. Wiley. ● Ascurra Cano, P., & Muriel Ortiz, Á. J. ( 2019 ). Propuesta de reforzamiento integral de un Edificio Comercial de 2 pisos con ampliación a 5 pisos en la ciudad de Lima- San Martin de Porres: comparando un recalce convencional de un no convencional [tesis de titulación, Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas]. Repositorio Institucional. Obtenido de http://hdl.handle.net/ 10757 / 650329
