V

CIMENTACIONES
Estructuras 5

Cimentaciones de Estructuras Sismorresistentes: Cargas que debe

trasmitir la cimentacin al terreno. Tipos de terrenos. Efectos de
las acciones dinmicas del sismo. Momento de Vuelco. Incremento
ssmico. Interaccin Suelo-Estructura. Clasificacin de las
fundaciones. Zapata aislada. Zapata medianera. Zapata corrida.
Viga de fundacin. Platea de fundacin. Pozo de friccin o
Pilarote. Pilotes, de friccin y de punta. Prevenciones en suelos
potencialmente licuables.
Cargas que debe trasmitir la cimentacin al terreno: cuando se
habla de cimentaciones se habla tambin de la parte ms
importante de una construccin y a la cual no debe ahorrarse ni
materiales ni cuidados, pues a su deficiencia se deben siempre
las grietas producidas al recibir una cimentacin una carga
superior a su capacidad resistente. Es un grave error reducir, por
economa, las dimensiones, calidad y proporciones de los
materiales a emplear en las fundaciones por cuanto ser muy
costoso pretender subsanar los defectos originados por estas
deficiencias, lo cual no se lograr sin recurrir al refuerzo de los
cimientos construdos defectuosamente, con el consiguiente
incremento del costo original de la estructura.
La funcin de una cimentacin ante un sismo es brindar al edificio
una base rigida y capaz de trasmitir al suelo las acciones que se
generan por la interaccin entre los movimientos del suelo y de la
estructura, sin que se produzcan fallas o deformaciones excesivas
en el terreno.
De una fundacin correcta depende el xito de
estructura. La cimentacin de un edificio debe cumplir con:
Trasmitir al terreno las cargas estticas.
Trasmitir las cargas dinmicas.
Dimensiones ajustadas a la capacidad de
resistencia del suelo en el tiempo.
Que los asentamientos no superen los lmites
admisibles.
Prevenir los asentamientos por
sobreconsolidacin.
Prevenir la licuefaccin del suelo en caso de
sismos.
Trabajar en conjunto, limitando los
desplazamientos diferenciales, horizontales y
verticales, entre los apoyos.

una

Cuando es factible elegir el sitio donde se ubicar el edificio, es

conveniente un lugar de terreno firme, libre de problemas de las
amplificaciones locales del movimiento del terreno que suelen
presentarse en los terrenos blandos, y de asentamientos
excesivos y prdida de capacidad de apoyo que ocurre en alguna
arenas poco compactas con un sismo.
Tipos de terrenos.
Los terrenos que pueden encontrarse al proyectar una
cimentacin se pueden clasificar en:
Terreno vegetal: es un tipo de terreno absolutamente prohibido
para cimentar una estructura, por pequea que sea. Se exige
siempre su remocin o excavacin total hasta alcanzar el terreno
natural. Se entiende por terreno vegetal a la capa o porcin donde
alcanza la vida de los vegetales de superficie, o en la que se
encuentren las raices de los mismos. Un sondeo nos indicar a
que distancia de la superficie dejan de encontrarse raices
vegeatles, vivas o en descomposicin, y as, conocer
exactamente hasta donde debe excavarse para remover la capa
de suelo vegetal.
Rellenos: Esta clase de terrenos, realizados siempre por
intervencin humana, se comporta de forma parecida al terreno
vegetal. Por la gran reduccin de huecos que sufre en el
transcurso del tiempo, al irse ocupando los huecos grandes con
los ridos que de las partes superiores van arrastrando las aguas,
y por su falta de homogeneidad, sufren asientos grandes y
desiguales, siendo necesario, por ello, profundizar las
cimentaciones hasta que alcancen el terreno natural. El relleno se
reconoce con facilidad porque en el se encuentran restos de
mampostera, mortero,otros restos de obras, o bien cenizas u
otros residuos de materia orgnica, segn su origen sea de
demoliciones o de residuos urbanos. Su estratificacin
caprichosa o irregular es, asimismo, inconfundible.
Es posible que en algunos casos no se pueda identificar el
relleno, en el caso de terrenos terraplenados, en ese caso debe
apelarse a los especialistas en mecnica de suelos para conocer
el nivel del terreno natural y su resistencia.
Terrenos naturales: Prescindiendo de los terrenos formados por
rocas ptimas para cimentar podemos dividirlos en dos grandes
grupos, arcillosos y arenosos.
Suelos Arcillosos:En mecnica de suelos se define como arcilla a
las partculas de cualquier sustancia inorgnica menores a 0,02
mm., tamao para el cual empiezan a tener influencia las
acciones fisicoqumicas. Los terrenos arcillosos son en principio,
los ms peligrosos para cimentar. En ellos se pueden producir

grandes asientos en un largo o aun larguisimo plazo de tiempo, y

es en los que el conocimento de su comportamiento bajo cargas
ha progresado ms en los ltimos aos. Experimentalmente se
determin que el tiempo de asentamiento de los estratos
arcillosos es proporcional al cuadrado de su espesor es decir, que
si por ejemplo la fundacin de un edificio descansa sobre un
estrato de 2 metros de espesor y el asiento se produce en cuatro
aos, esta duracin seria de 16 aos si el espesor fuera de cuatro
metros y de 100 aos si el espesor fuera de diez metros. Si el
espesor del estrato arcilloso es de muchos metros, hecho que se
ha comprobado en algunos edificios famosos como el Duomo de
Koenigsberg que 500 aos despues de haber sufrido un
cedimiento de 180 cm no ha llegado an a su posicin de
equilibrio. Otro edificio conocide que ha sufrido el mismo
fenmeno es la clebre Torre de Pisa, que recientemente ha sido
consoliadada y reforzada en su cimentacin. En este tipo de
terrenos las pruebas de carga son intiles para conocer su
comportamiento.
Lo que ms influye en la duracin del asentamiento es el
contenido de agua del estrato y su permeabilidad, as como la del
terreno adyacente, pues si una arcilla con un elevado contenido
de agua es sometida a una carga, su asentamiento instantneo es
casi nulo, ya que el agua ( que es incomprensible ) es quien
soporta la carga. La presin hace que el agua trate de fluir
desocupando los huecos que ocupa la arcilla, pero este fluir es
lento y dificultado cuanto ms impermeable es el estrato, por lo
que se comprende que en terrenos de arcilla muy pura y gran
espesor el equilibrio demore muchos aos en ser alcanzado.
De lo dicho deducimos que puede cimentarse en terrenos
arcillosos, pero cuidando que las cargas estn uniformemente
repartidas en la planta del edificio, dando a las bases las
dimensiones necesarias para que la carga por unidad de
superficie sea la misma
Suelos arenosos: se incluyen en esta categora no solo los
terrenos formados por partculas de tamao superior a las
partculas de arcilla, sino los que contengan cantidad o
porcentajes de arcilla inferior al volumen de huecos que dejan las
partculas de mayor tamao, pues su comportamiento ser como
un suelo arenoso. La aplicacin de las cargas en estos terrenos
produce rpidamente un asiento, que termina cuando se llega a la
posicin de equilibrio. Segn las cargas a que estn sometidos,
son los asientos que se producen. Estos son inversamente
proporcionales al tamao del rido, aumentando con el rido de
menor tamao. No pueden darse datos ni resultados prcticos
debido a la gran variabilidad de clases de terrenos que pueden
presentarse, pero todos ellos son buenos para cimentar. En este
tipo de terreno puede realizarse una prueba de carga, sobre la
mayor superficie posible para conocer el asiento.

De lo anterior vemos que el comportamiento del suelo es

complejo y no se puede manejar con una simple planilla como
ocurre con los otros materiales. Toda estructura se divide en dos
partes fundamentales, la que est sobre el suelo y la que est
debajo del suelo, diferentes y que deben disearse razonamientos
diferentes.
Cargas admisibles: para el diseo de una cimentacin debemos
conocer la capacidad de carga del terreno, esta capacidad se
determina generalmente mediante ensayo del suelo. La carga
admisible depende de los siguientes elementos:
Del tipo de terreno.
De la construccin en si y su conjunto.
De los asientos que se pueda producir.
De las dimensiones de la cimentacin.
Del tiempo de carga en la construccin.
De las vibraciones que puedan afectar a la
construccin.
La carga admisible depende de los asientos, que deben ser
compatibles con la capacidad de deformacin de la estructura, o
depender unicamente de condiciones de resistencia. En este
caso, es el cociente entre la carga de rotura del terreno y el
coeficiente de seguridad.
Como coeficiente de seguridad es habitual considerar 3 para la
combinacin ms desfavorable de las acciones de peso propio,
sobrecarga normal de uso y viento; y 2 para la combinacin ms
desfavorable de las acciones de peso propio, sobrecargas
mximas, viento y sismo.
Asientos admisibles: Los asientos admisibles son los asientos (
totales y diferenciales ) mximos que tolera la estructura,
incluyendo entrepisos y tabiques, sin que se produzcan daos,
como fisuras, descensos o giros que inutilicen la obra.
Definimos como distorsin angular al cociente entre el
asentamiento diferencial entre dos columnas vecinas y la
distancia entre ejes. Se acepta que si la distorsin es menor a
1/500 no aparecen fisuras en los muros de cierre; que hasta
1/360, se produce slo una ligera fisuracin en los cerramientos;
hasta 1/250 no es visible a simple vista; para 1/180 puden
aparecer lesiones en la estructuras de hormign armado; y para
1/150 pueden daarse las estructuras metlicas. Las estructuras
metlicas admiten,en general, mayores deformaciones que las de
hormign, aunque las de hormign armado tienen un mejor
comportamiento frente a las deformaciones lentas debido a la
fluencia del hormign.
Para evitar los asientos diferenciales debe procurarse que la
tensin del terreno bajo las zapatas sea la misma. Sin embargo,
como el terreno no es de calidad uniforme, hay inevitablemente
asientos diferenciales que pueden alcanzar a 2/3 del asiento total.

Puede admitirse un asentamiento total entre 2 y 4 cm para

estructuras con mampostera, y entre 4 y 7 cm para estructuras
con prticos de hormign armado o metlicos.

El asentamiento total depende, entre otros factores, de:

La distribucin de los distintos estratos de suelo y sus
espesores, que detrermina por medio de sondeos.
Las caractersticas geotcnicas de cada suelo, en
especial el ndice de poros y el coeficiente de compresibilidad,
que se conocen por medio de ensayos ( para arcillas ).
La distribucin de tensiones y el valor de la tensin
mxima.
Efectos de las acciones dinmicas del sismo: La respuesta de una
estructura que est sometida a un sismo, depende de las
caractersticas dinmicas de la estructura y de las caractersticas
del sismo. Estas ltimas dependen de las propiedades dinmicas
del terreno de fundacin y la distancia al epicentro. Del tipo de
terreno dependen las frecuencias predominantes en las ondas del
sismo y la distancia es importante por que las frecuencias ms
altas se van atenuando a medida que la distancia al foco es
mayor.

Es evidente que la naturaleza del terreno tiene una gran

importancia en los colapsos de estructuras durante los terremotos.
Se ha observado en general, que en suelos firmes. Las
construcciones han sufrido menos daos que las estructuras
cimentadas en suelos blandos. Pero por otro lado, se han
reportado casos en que construcciones situadas en terrenos
blandos han sufrido menos daos que otras ubicadas en terrenos
firmes. Por ello se recomienda emplear estructuras flexibles en
suelos firmes y estructuras rigidas en suelo blando, a pesar de que
esto ocasiona problemas de cimentacin para las estructuras
rigidas apoyadas en suelo blando.
Un factor a considerar es que la correlacin entre el dao y la
duracin del sismo es mayor en los suelos blandos.
Momento de Vuelco. Incremento Ssmico:
El momento de vuelco se crea en cada nivel del edificio por una
fuerza horizontal. Este efecto produce esfuerzos axiales en
columnas y tabiques, as como fuerzas adicionales ( traccionando
o comprimiendo ) en la cimentacin.
El momento de vuelco en el nivel i, es el momento de todas
las fuerzas Fsi actuantes por sobre el nivel i. Se calcula con las
siguientes frmulas:
Msi = ( Fsjx( hj - hi )) (a)
en la frmula (a) se utilizan las fuerzas ssmicas que actan
en cada piso y las alturas de cada entrepiso al nivel de referencia.
Se puede usar una expresin con los cortes ssmicos
calculados para cada entrepiso, usando la frmula:
Msi = ( Tsjx( hj - hj-1 ))

(b)

El incremento smico es la fuerza, de traccin o de compresin

que se genera en un muro, tabique o principalmente en las
columnas externas de un prtico por la accin de las fuerzas
horizontales que son absorbidas por el elemento sismo resistente.
Interaccin Suelo-Estructura
Uno de los objetivos en la determinacin de las propiedades de
esfuerzo-deformacin de los suelos es el uso de estas propiedades
mecnicas, para estimar desplazamientos verticales y horizontales
en la masa del suelo cuando ste se somete a un incremento de
esfuerzo. En la interfase de la estructura de cimentacin y el suelo
se originan desplazamientos debido a las cargas que transmite la
cimentacin dando lugar a desplazamientos totales y
diferenciales. Los desplazamientos diferenciales de la estructura
debern ser iguales a los originados en la superficie de apoyo de la
cimentacin. As pues, la estructura de la cimentacin junto con las
cargas que obran sobre ella y las reacciones que se provocan en el

suelo se sujetar a una determinada configuracin, igual a la que el

suelo adoptar debido a las reacciones que ste
aporta a la estructura de cimentacin para su equilibrio. La
configuracin de esfuerzos y deformaciones en la superficie de
contacto depender de la rigidez de la estructura de la cimentacin,
de la deformabilidad del subsuelo y de la distribucin de cargas que
se apliquen sobre a estructura de la cimentacin.

La interaccin entre la estructura de cimentacin y el suelo

consistir en encontrar un sistema de reacciones que aplicadas
simultneamente a la estructura de cimentacin y a la masa del
suelo produzcan la misma configuracin de desplazamientos
diferenciales entre los dos elementos. El procedimiento de
establecer las expresiones de compatibilidad para el clculo de los
esfuerzos de contacto se designar en adelante por ISE, esto es,
Interaccin Suelo-Estructura. Para lograr lo anterior, ser necesario
basarse por un lado en las leyes fsicas que rigen el
comportamiento de la masa del suelo y por el otro en los
procedimientos nominales de clculo estructural en la determinacin
de fuerzas y deformaciones, tomando en cuenta las propiedades
mecnicas del material del cual ser construida la estructura de
cimentacin.
Es obvio que la masa del subsuelo donde se apoya la estructura de
cimentacin no se puede simplificar suponindola constituida de
elementos aislados, si se quiere obtener buena precisin en los
clculo. Ser necesario tratar a la masa del suelo como un medio
continuo en donde la accin en un punto i de la masa ejerce su
influencia en otro punto j de ella. As pues, para el clculo de
esfuerzos en la masa del suelo hacemos uso de la Teora de
Elastdad, o alguna de sus modificaciones; aun cuando sabemos
que el suelo no es elstico sino ms bien es elstico-plstico y

viscoso. El cambio de esfuerzos dentro de cierto rango, en general,

no es tan grande que no se pueda operar con las propiedades
secantes de esfuerzo-deformacin. Lo anterior trae como
consecuencia el tener que estimar de antemano el nivel de
esfuerzos y el cambio de stos para asignar las propiedades
mecnicas del material que debern ser utilizadas en el clculo. Lo
cual implica, si se requiere aumentar la precisin, el tener que
efectuar varios ciclos de clculo hasta lograr la compatibilidad de las
fuerzas y las deformaciones utilizando las propiedades mecnicas
de esfuerzo-deformacin del suelo. Desde el punto de vista de
ingeniera prctica de cimentaciones, en la mayora de los casos es
suficiente estimar el nivel de esfuerzos y los cambios probables de
stos para elegir las propiedades mecnicas a usar en ISE.
La rigidez de la estructura de cimentacin y la contribucin que a
sta le pueda aportar la superestructura es importante. Lo cual
implica tener que conocer de antemano la geometra y propiedades
de los elementos que la forman. La incertidumbre que existe cuando
las estructuras de cimentacin se construyen de concreto armado
es conocer su mdulo de deformacin unitaria, el cual es bien
sabido aumenta con el tiempo, (Zeevaert, 1975). As pues, podra
aseverarse que la ISE de una estructura recin construida es
diferente a medida que pasa el tiempo y no es sino hasta que ha
transcurrido un tiempo suficiente para el cual ya no aumentan las
deformaciones plasto-viscosas del concreto cuando la configuracin
alcanzar una posicin estable. En lo que respecta al suelo y
principalmente a suelos arcillosos y saturados donde se presentan
propiedades dependientes del tiempo podr decirse que los
esfuerzos de contacto tambin varan en funcin del tiempo
haciendo cambiar los elementos de estabilidad de la estructura de
cimentacin.
Aun ms, se puede decir que para la eleccin correcta y clculo
racional de una cimentacin es tambin necesario considerar las
condiciones y fuerzas ambientales. As pues, es necesario conocer
la estratigrafa del lugar y en particular de la zona en cuestin, las
condiciones hidrulicas que rigen en el momento y los cambios
probables que podran suscitarse en el futuro. Conociendo la
estratigrafa y las caractersticas de los sedimentos que la
constituyen en varios lugares, se podr conocer la variacin
probable de las propiedades mecnicas de los sedimentos en el
rea de la cimentacin. El ingeniero de cimentaciones se ve en la
necesidad de hacer hiptesis de trabajo simples y conservadoras
que le permitan el clculo de ISE con las herramientas de que
dispone. En toda forma deber conocer como mnimo las
propiedades esfuerzo-deformacin-tiempo para cada uno de los
estratos que forman el subsuelo y hasta una profundidad a la cual
ya no le afecten en sus clculos de ISE. En regiones ssmicas o de
vientos de alta velocidad, debern establecerse modalidades en el
diseo de las cimentaciones que permitan hacerlas menos
vulnerables a estas fuerzas, especialmente cuando se trata de

cimentaciones con pilas o pilotes. En el caso de sismos en donde el

movimiento se transmite del suelo a la cimentacin, ser necesario
conocer las propiedades dinmicas de los sedimentos para estimar
el comportamiento del subsuelo y la forma en que el movimiento se
transmite a la cimentacin y los efectos de interaccin que se
generan. Para el caso de viento u otras fuerzas transitorias, ser
necesario conocer las propiedades esfuerzo-deformacin para
cargas aplicadas en perodos cortos y muy cortos, y para las cuales
no se permite la deformacin visco-plstica del material.
Clasificacin de las fundaciones