Definiciones de la Presión Admisible y de Hundimiento.

En este capítulo se emplean los siguientes términos en cuanto a la identificación de las presiones en relación con los principios clásicos de la mecánica del suelo: (véase figura siguiente):

a) presión total bruta (qb): Es la presión vertical total que actúa en la base del cimiento, definida como el cociente entre la carga total actuante, incluyendo el peso del cimiento y aquello que pueda gravitar sobre él, y el área equivalente del cimiento (véase 4.3.1.3);

b) presión efectiva bruta (q’b): Es la diferencia entre la presión total bruta y la presión intersticial de equilibrio, (u), al nivel de la base del cimiento;

c) presión total neta (qneta): Es la diferencia entre la presión total bruta (qb) y la presión vertical total existente en el terreno (q0) al nivel de la base del cimiento (sobrecarga que estabiliza lateralmente el cimiento). La presión total neta (qneta) es, por tanto, el incremento de presión vertical total a que se ve sometido el terreno por debajo del cimiento debido a las cargas de la cimentación;

d) presión efectiva neta (q’neta): Es la diferencia entre la presión efectiva bruta (q’b) y la presión efectiva vertical (q’0) al nivel de la base del cimiento, debida a la sobrecarga. La presión total neta es igual a la efectiva neta (qneta =q’neta);

e) presión vertical de hundimiento (qh, q’h): Es la resistencia característica del terreno Rk, para el estado límite último de hundimiento. Puede expresarse en términos de presiones totales o efectivas, brutas o netas;

f) presión vertical admisible (qadm, q’adm). Es el valor de cálculo de la resistencia del terreno (Rd). Puede expresarse en términos de presiones totales o efectivas, brutas o netas;

g) presión vertical admisible de servicio (qs, q’s): Es la presión vertical admisible de una cimentación teniendo en cuenta no sólo la seguridad frente al hundimiento, sino también su tolerancia a los asientos; por tanto igual o menor que la presión vertical admisible. Puede expresarse en términos de presiones totales o efectivas, brutas o netas.

Generalidades de la Presión Admisible y de Hundimiento.

-Definiciones de la Presión Admisible y de Hundimiento.

-Métodos para la comprobación del Estado Límite último de Hundimiento.

-Área Equivalente de un Cimiento.

Presión Admisible y de Hundimiento.

-Presiones Verticales Admisibles para Cimentaciones en Roca.

-Método Simplificado para la Determinación de la Presión Vertical Admisible de Servicio en Suelos Granulares.

-Determinación de la Presión de Hundimiento Mediante Métodos Analíticos: Expresión Analítica Básica.

-Generalidades de la Presión Admisible y de Hundimiento.

Cimentaciones: Estados límite de Servicio. Deformidad del Terreno.

Para la verificación de los estados límite de servicio será necesario contar con parámetros representativos de la deformabilidad del terreno. Normalmente dependerán del tipo de terreno en estudio y del método seleccionado para la estimación de asientos .

En la estimación de asientos diferenciales, dependiendo del tipo de estructura se debe prestar especial atención a las consideraciones incluidas en el apartado.

En el caso en que el tipo de terreno haga prever asientos diferidos a largo plazo será necesario llevar a cabo un estudio específico sobre la magnitud de los asientos y el tiempo que tardarán en producirse.

En situaciones de poco riesgo en las que exista experiencia local abundante, la comprobación de los estados límite de servicio puede no requerir más información del terreno, aparte de las comprobaciones de los perfiles geotécnicos, que las condiciones hidrogeológicas y las propiedades índice básicas, necesarias para asegurar la similitud del caso considerado y los casos sobre los que se tiene experiencia. En cualquier caso, cuando se utilice este procedimiento para avalar la seguridad de la cimentación en estudio, debe dejarse constancia explícita de los parámetros geotécnicos, solicitaciones sobre la cimentación y tipos de cimiento.

Cimentaciones: Estados Límite Últimos Frente al Hundimiento en Suelos.

Para la verificación del estado límite último frente al hundimiento en suelos será necesario contar con una estimación fiable de la resistencia al corte característica de las unidades geotécnicas relevantes. Dicha resistencia vendrá expresada, en términos de tensiones efectivas, por el ángulo de rozamiento interno (φ’) y la cohesión (c’), preferiblemente obtenidos mediante ensayos de corte triaxiales (CU ó CD). No obstante, se podrá recurrir a las siguientes simplificaciones:

a) En suelos granulares limpios y sin cohesión que no contengan más de un 30% en peso de partículas de más de 20 mm. de diámetro, se podrá estimar el ángulo de rozamiento interno a partir de métodos indirectos tales como el golpeo del ensayo SPT o la resistencia por la punta del penetrómetro estático, qc según la tabla 4.1 (Figura D.1).

Figura D.1 Correlación entre los Ensayos SPT y CPT con el ángulo de Rozamiento interno efectivo en suelos granulares.

Para la verificación directa del estado límite último de hundimiento se podrá recurrir asimismo a los métodos simplificados descritos en el apartado 4.3.3, basados en ensayos de penetración. Si se dispone de resultados de ensayos de penetración estática, la resistencia por la punta medida, qc, se podrá correlacionar con el golpeo del ensayo SPT de acuerdo con la tabla 4.2 (Figura D.2) en función de la granulometría del terreno.

Figura D.2 correlación entre los Ensayos SPT y CPT.

b) En suelos granulares limpios sin cohesión cuyo contenido en partículas de tamaño mayor que 20 mm. supere el 30% en peso, los ensayos SPT, de penetración dinámica o estática pueden proporcionar resultados en exceso elevados a consecuencia del gran tamaño de las partículas más gruesas del suelo. Para estas situaciones se recomienda recurrir al empleo de ensayos tipo cross-hole o down-hole para la estimación de los parámetros de deformabilidad.

c) En suelos finos sin cohesión (limos no cohesivos) podrán ser de aplicación los criterios apuntados en el párrafo a) anterior.

d) En suelos finos (limos y arcillas), saturados y de baja permeabilidad, habrá que comprobar las situaciones de dimensionado transitorias de carga sin drenaje. Bajo esta hipótesis se supone que los incrementos de presión intersticial generados por las cargas del edificio no se disipan tras su aplicación. En términos generales y salvo justificación expresa en contra, se supondrá que puede darse esta situación de dimensionado si el coeficiente de permeabilidad del terreno saturado resulta inferior a k=0,001 mm/s. En este caso la resistencia al corte del terreno podrá expresarse en términos de tensiones totales, representada mediante un ángulo de rozamiento interno φ=0 y una cohesión c=cu, ésta última denominada resistencia al corte sin drenaje. El valor de dicha resistencia provendrá de ensayos triaxiales UU o CU, o en su caso, de compresión simple. Asimismo podrá haber sido obtenida de forma indirecta a partir de ensayos in situ (molinete,penetrómetro estático, presiómetro). Salvo que se cuente con una dilatada experiencia local, para la selección final de la resistencia al corte sin drenaje a emplear en cálculo será recomendable que el estudio geotécnico cuente, para casos importantes, con diferentes tipos de ensayo, tanto de campo como de laboratorio, con el fin de comparar resultados y seleccionar su valor característico.

Si bien la verificación del estado límite de hundimiento depende de numerosos factores que han de ser analizados en cada situación particular, a efectos de predimensionado la tabla D.25 recoge algunas cifras orientativas del valor de cálculo de la resistencia del terreno (Rd), tradicionalmente denominada presión admisible (qadm), en función del tipo de terreno.

Para la verificación del estado límite último frente a la estabilidad global será necesario contar con los parámetros de resistencia al corte de las unidades geotécnicas implicadas (ángulo de rozamiento interno y cohesión), en términos de tensiones efectivas (c’,φ’) para situaciones drenadas o en tensiones totales (c=cu,  φ=0) para situaciones transitorias sin drenaje.

Para la verificación del estado límite último de deslizamiento a lo largo de superficies de contacto terreno-cimiento, será necesario establecer la resistencia al corte de dicho contacto. Si, el modelo empleado para el terreno es un modelo de rotura del tipo Mohr-Coulomb (τ = a’+  σ tgδ’), como valores para cimentaciones convencionales de hormigón armado ejecutadas sobre suelo se pueden adoptar para la adherencia (a’) (componente cohesiva) y el ángulo de rozamiento terreno-cimiento (δ’) (componente friccional), los siguientes valores:

a) en términos de tensiones efectivas y para un terreno de resistencia al corte definida por parámetros efectivos (c’,φ’): a’= 0; δ’= 3/4 φ';

b) en términos de tensiones totales para situaciones transitorias en las que el proyectista considere necesario emplear cálculos en condiciones sin drenaje: δ’= 0; a' = cu.

En cimientos sobre terrenos expansivos en la zona susceptible de alteración de humedad, se recomienda que las presiones transmitidas al terreno no sean significativamente inferiores a la de hinchamiento.

Variables Básicas y Parámetros del Terreno.

Cimentaciones: Estados Límite Últimos Frente al Hundimiento en Suelos.

Cimentaciones: Estados límite de Servicio. Deformidad del Terreno.

Cimentaciones: Otras Comprobaciones Adicionales.

Las condiciones que aseguren el buen comportamiento de la cimentación habrán de mantenerse durante su vida útil, lo que hará necesario considerar la posible evolución de las condiciones iniciales debido, entre otras, a las siguientes causas:

a) cambios de volumen espontáneos, como en el caso del colapso de rellenos mal compactados o suelos naturalmente colapsables (loess, algunos limos yesíferos, etc.);

b) cambios de volumen debidos a modificaciones en el estado de humedad de terrenos arcillosos potencialmente expansivos;

c) fenómenos de disolución kárstica;

d) socavación en los cauces y orillas de los ríos;

e) erosión interna del terreno por rotura de colectores u otras conducciones de agua;

f) deterioro de los hormigones de las cimentaciones en contacto con terrenos o aguas subálveas agresivas;

g) oscilaciones del nivel del agua que puedan dar lugar a cambios en los niveles de tensiones efectivas o a alteraciones en la resistencia o deformabilidad del suelo.

Debe tomarse en consideración que la seguridad de la cimentación puede verse comprometida por los problemas siguientes:

a) estabilidad de excavaciones durante la ejecución de la cimentación;

b) asientos por mala calidad en la construcción (por ejemplo, falta de limpieza del fondo de las excavaciones);

c) problemas de impermeabilización en sótanos y soleras;

d) posibles excavaciones futuras junto a la cimentación a realizar;

e) efectos sísmicos sobre el propio terreno de cimentación (licuefacción).

En el caso de cimentaciones en roca pueden concurrir problemas diversos debidos a la estructura, orientación de diaclasas,  anisotropía, etc. del macizo. De forma orientativa, en la Figura siguiente se muestran algunas de las situaciones que requerirán un análisis específico desde el punto de vista de la estabilidad o de la deformabilidad. 

Figura. Efectos de la estructura geológica en la comprobación de la estabilidad y deformabilidad de cimentaciones en roca. (a) Deslizamiento a favor de planos de discontinuidad (bloque). (b) Deslizamiento en presencia de varias familias de discontinuidades (cuña) (c) Vuelco de estratos (toppling) (d) Rotura generalizada en macizos muy fracturados. (e) Pandeo de estratos (O Comprobación de asientos en alternancias de rocas de diferente deformabilidad 

Cimentaciones: Estados límite de servicio.

Las tensiones transmitidas por las cimentaciones dan lugar a deformaciones del terreno que se traducen en asientos, desplazamientos horizontales y giros de la estructura que, si resultan excesivos, podrán originar una pérdida de la funcionalidad, producir fisuraciones, agrietamientos, u otros daños (véase la Figura siguiente).

Ejemplos de Estado Límite de Servicio.

Se debe verificar que:

a) los movimientos del terreno serán admisibles para el edificio a construir;

b) los movimientos inducidos en el entorno no afectarán a los edificios colindantes.

Las limitaciones de movimiento o los movimientos máximos admisibles se estipularán en cada caso en función de la estructura de que se trate.

Capacidad Estructural del Cimiento.

Este estado límite se alcanzará cuando los valores de cálculo de los efectos de las acciones en los elementos estructurales que componen el cimiento superen el valor de cálculo de su capacidad resistente como elemento estructural.

Las acciones del terreno sobre las cimentaciones, para verificar la capacidad estructural de las mismas, se determinarán siguiendo los criterios expuestos.

Estabilidad Global.

Un edificio podrá fallar globalmente, sin que se produzcan antes otros fallos locales, cuando se forme una superficie de rotura continua (superficie de deslizamiento) que englobe una parte o toda la cimentación, y en la que los esfuerzos de corte alcancen el valor de la resistencia al corte del terreno.

Este tipo de rotura es típico en cimientos próximos a la coronación de taludes de excavación o relleno, o en medias laderas, particularmente si éstas presentan una estabilidad natural precaria.

Cimentaciones: Vuelco.

Se podrá producir este modo de rotura en cimentaciones que hayan de soportar cargas horizontales y momentos importantes cuando, siendo pequeño el ancho equivalente de la cimentación , el movimiento predominante sea el giro de la cimentación.

La verificación frente al vuelco debe realizarse en todos los elementos de cimentación que se ajusten a las consideraciones anteriores, tanto en forma aislada como conjunta, del edificio completo o de todo elemento estructuralmente independiente, cuando en el equilibrio intervengan acciones o reacciones procedentes del terreno.

En general en el equilibrio no se considerará la colaboración del empuje pasivo, a menos que pueda garantizarse que el terreno que lo produce estará siempre presente.

Deslizamiento de las Cimentaciones.

Se podrá producir este modo de rotura cuando, en elementos que hayan de soportar cargas horizontales, las tensiones de corte en el contacto de la cimentación con el terreno superen la resistencia de ese contacto.

En el caso de zapatas estructuralmente ligadas entre sí en la comprobación al deslizamiento debe considerarse la redistribución de las acciones horizontales entre ellas.

Hundimiento de las Cimentaciones en el Terreno.

El hundimiento se alcanzará cuando la presión actuante (total bruta) sobre el terreno bajo la cimentación supere la resistencia característica del terreno frente a este modo de rotura, también llamada presión de hundimiento. En el apartado 4.3 se establece el método para su determinación.

El valor de cálculo de la resistencia del terreno o presión admisible se obtendrá aplicando la expresión del apartado anterior y los coeficientes parciales de la tabla 2.1.

Teniendo en cuenta el valor de los coeficientes de la tabla 2.1, la resistencia del terreno puede expresarse para cada situación de dimensionado mediante la siguiente ecuación:

Estados Límite Últimos para las Cimentaciones Directas.

Se debe verificar que el coeficiente de seguridad disponible con relación a las cargas que producirían el agotamiento de la resistencia del terreno para cualquier mecanismo posible de rotura, sea adecuado. Los estados límite últimos que siempre habrán de verificarse para las cimentaciones directas, son (véase Figura siguiente):

a) hundimiento;

b) deslizamiento;

c) vuelco;

d) estabilidad global;

e) capacidad estructural del cimiento.

La verificación de estos estados límite para cada situación de dimensionado se hará utilizando la expresión siguiente, y los coeficientes de seguridad parciales para la resistencia del terreno y para los efectos de las acciones del resto de la estructura sobre la cimentación definidos en la tabla 2.1.

  Ed<Rd

Siendo:

Ed: el valor de cálculo del efecto de las acciones

Rd: el valor de cálculo de la resistencia del terreno

Tabla 2.3  Coeficientes de Seguridad Parciales.

(1)En pilotes se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo), para métodos basados en fórmulas analíticas (corto plazo), métodos basados en pruebas de carga hasta rotura y métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga, se podrá tomar 2,0.
(2) De aplicación en cimentaciones directas y muros.
(3) En cimentaciones directas. salvo justificación en contrario, no se considerará el empuje pasivo.

Cimentación Superficial: Verificaciones de Requisitos.

Las comprobaciones para verificar que una cimentación superficial cumple los  requisitos necesarios se basan en el método de los estados límite (estados límite últimos y estados límite de servicio).

-Estados Límite Últimos para las Cimentaciones Directas.

-Hundimiento de las Cimentaciones en el Terreno.

-Deslizamiento de las Cimentaciones.

-Cimentaciones: Vuelco.

-Estabilidad Global.

-Capacidad Estructural del Cimiento.

Cimientos: Modelos de interacción. Módulo de Balasto.

Para casos sencillos y habituales, se podrán emplear métodos basados en el modelado del terreno por medio de coeficientes de balasto, sistema éste que, aunque sujeto a limitaciones, cuenta con una amplia experiencia práctica.

El  módulo de balasto ks se define como el cociente entre la presión vertical, q, aplicada sobre un determinado punto de una cimentación directa y el asiento, s, experimentado por dicho punto:

El módulo de balasto así definido, tiene unidades de densidad, lo que indica que la hipótesis efectuada equivale a suponer que el terreno es un líquido de densidad ks, sobre el que “flota” la cimentación.

La estimación del módulo de balasto podrá realizarse:

a) A partir de ensayos de carga con placa. De acuerdo con la profundidad de influencia correspondiente al bulbo de presiones de una cimentación, y dado que las placas de ensayo son necesariamente de pequeño tamaño, se debe prestar especial atención a la conversión del módulo obtenido en el ensayo, ksp, al módulo de cálculo representativo de la anchura, B, real del cimiento, ksB. A este respecto se recomienda emplear placas de diámetro equivalente igual o superior a 60 cm.

b) A partir de la determinación de parámetros de deformabilidad representativos del terreno bajo la zona de influencia de la cimentación, ya sea mediante ensayos in situ o de laboratorio, y el posterior cálculo geotécnico de asientos.

La conversión del módulo  para placa de 30 cm, ks30 (véase tabla adjunta), al coeficiente de referencia, ksB, se puede obtener mediante las siguientes expresiones:

•  Para zapata cuadrada de ancho B:

a) Para terrenos cohesivos:

b) Para terrenos granulares:

•  Para zapata rectangular de ancho B, en cualquier tipo de terreno:

La conversión del módulo para placa de 60 cm (ks60) al coeficiente de referencia

ksB se puede obtener mediante las siguientes expresiones:

-Para zapata cuadrada de ancho B:

a) Para terrenos cohesivos:

b) Para terrenos granulares:

Para la cimentación de losas y emparrillados la fiabilidad de los módulos de balasto obtenidos a partir de ensayos de carga puede resultar insuficiente, dados los efectos de escala implicados. En estas circunstancias, se recomienda recurrir a la comprobación de dichos módulos a partir de la determinación de parámetros

de deformabilidad bajo la zona de influencia de la cimentación, mediante ensayos in situ o de laboratorio o, alternativamente, recurrir al empleo de métodos y modelos del terreno más avanzados.

La observación anterior puede cobrar especial importancia en el caso de existir terrenos heterogéneos en la vertical (terrenos estratificados), cuando bajo un estrato rígido existe otro más deformable. En estas circunstancias (véase la Figura E.8) el reducido bulbo de tensiones de la placa de ensayo puede quedar limitado a las zonas más competentes del terreno, y no reflejar la deformabilidad del conjunto terreno 

cimentación.

Figura E.8 Limitaciones del Ensayo de Carga con placa en Terrenos Estratificados.

Para aquellas situaciones en las que las características del terreno o la estructura resulten especialmente complejas (en el sentido de no ajustarse a la práctica habitual), será preferible emplear métodos avanzados que incorporen modelos de comportamiento del terreno más acordes con la realidad.

Para situaciones en las que el terreno resulte heterogéneo en sentido horizontal, será recomendable emplear herramientas de cálculo que permitan introducir módulos de balasto variables capaces de reproducir dicha heterogeneidad.

D) Influencia del tamaño de la cimentación

El incremento de presión transmitido al terreno por una cimentación directa disminuye progresivamente en profundidad con la distancia a ésta. A efectos de cálculo y salvo en el caso de suelos blandos, se podrá suponer que el límite de interés se circunscribe a puntos del terreno en los que el incremento de la presión vertical resulte mayor o igual al 10% de la presión media de contacto bajo la cimentación.

El lugar geométrico del espacio de suelo definido en el apartado anterior se denomina habitualmente bulbo de tensiones, cuya forma cualitativa se muestra en la Figura E.5. El incremento de presión recibido por el suelo más allá de este bulbo será, en la mayoría de los casos, lo suficientemente pequeño como para que sus efectos sean comparativamente despreciables, aunque en general debe comprobarse.

Figura E.5  Concepto de Bulbo de Tensiones.

Las observaciones anteriores indican que, a igualdad del resto de condiciones, el asiento que experimentará una cimentación directa dependerá de las dimensiones del área cargada.

Este efecto se muestra de forma cualitativa en la Figura E.6, en donde se representan dos pilares que, recibiendo cargas distintas, transmiten presiones medias idénticas al terreno. Habida cuenta que la zapata de mayor tamaño tendrá una profundidad de influencia mayor (mayor bulbo de tensiones y mayor volumen de terreno sobretensionado), su asiento será también mayor.

Figura E.6 Influencia de las Dimensiones del Cimiento.

Como efecto adicional con respecto al fenómeno de la interacción, si ambos pilares pertenecen al mismo edificio y se encuentran conectados por la estructura, la tendencia al mayor asiento del pilar 2 originará una redistribución de esfuerzos en la estructura, que tenderá a su vez a descargar dicho pilar y transmitir parte de su carga a los pilares adyacentes.

Se debe por tanto prestar especial atención al diseño de las cimentaciones de estructuras con gran heterogeneidad de cargas ya que, incluso en la hipótesis de homogeneidad del terreno, el dimensionado  realizado exclusivamente en función de una determinada presión admisible podría dar lugar a asientos diferenciales inadmisibles.

Asimismo, será de gran interés disponer de suficiente información geotécnica referente al posible crecimiento del módulo de deformación del terreno con la profundidad, factor éste que puede contribuir a atenuar los asientos diferenciales asociados a la variación de las dimensiones de las zapatas.

Si el diseño de las cimentaciones da lugar a zapatas relativamente próximas, los bulbos de tensiones de las zapatas individuales solaparán en profundidad, por lo que, a efectos de asiento, habrá que comprobar la cimentación como si tuviera el ancho total del conjunto de las zapatas (véase la Figura E.7).

Figura E.7 Influencia de la proximidad de los cimientos.

C) Criterios de Rigidez para Cimentaciones Directas.

Se podrá considerar que una zapata aislada es rígida (concepto de rigidez relativa) cuando a efectos de cálculo, la distribución de presiones a que de lugar sobre el terreno pueda considerarse lineal. A efectos prácticos, se considerará aceptable la hipótesis de rigidez relativa cuando (Figura E.3):

Figura E.3 Criterio de Rigidez Relativa para Zapatas Aisladas.

La condición expresada en el apartado anterior será también de aplicación al caso de zapatas corridas en la dirección transversal a la misma.

En el caso de no cumplirse, la zapata se considerará flexible, y la distribución de presiones sobre el terreno y sus esfuerzos se obtendrán a partir de modelos de cálculo que consideren la interacción suelo-estructura.

La condición anteriormente indicada suele verificarse con los cantos y vuelos usuales en zapatas aisladas sobre suelos. En cualquier caso se debe comprobar el cumplimiento de esta condición si se desea efectuar el cálculo con la hipótesis de distribución lineal de presiones sobre el terreno.

Salvo en el caso de zapatas aisladas sobre suelos muy rígidos o sobre roca, el cumplimiento de la rigidez estructural definida en el apartado 4.2.1.4 suele ser más restrictivo que la condición de rigidez relativa definida en este apartado.

En el caso general de que sobre una zapata aislada actúen momentos además de cargas verticales, se recomienda que la resultante de las acciones pase por el núcleo central de inercia.

Se considerará que una zapata combinada o corrida es rígida cuando a efectos de cálculo la distribución de presiones a que da lugar sobre el terreno pueda considerarse lineal. A efectos prácticos se considerará aceptable la hipótesis de rigidez relativa cuando (véase Figura E.4):

Figura E.4 Criterio de Rigidez Relativa para Zapatas Combinadas y Corridas.

En el caso de no cumplirse la condición anterior la zapata se considerará flexible.

A efectos de cálculo y para los cantos habituales, las zapatas corridas que se empleen para el apoyo de 3 o más pilares, los emparrillados y las losas, se diseñarán mediante el empleo de modelos de cálculo que tengan en cuenta la interacción suelo-estructura. No obstante se considerará que estos elementos son rígidos y que la distribución de presiones en el suelo es lineal cuando se cumplan simultáneamente las condiciones de rigidez definidas.

B) Estimación de las Condiciones de Rigidez Relativa Terreno-Estructura

La rigidez relativa de la estructura con respecto al terreno podrá estimarse mediante la evaluación del factor Kr definido en la expresión siguiente:

El numerador de la expresión anterior representa la rigidez de la estructura por metro de ancho del edificio, que puede estimarse sumando las rigideces de la cimentación y de los elementos estructurales que gravitan sobre ella (vigas, forjados, muros).

En principio, se considerará que la estructura es rígida en relación con el terreno cuando Kr> 0,5. Si Kr< 0,5, se considerará flexible.

A) Concepto de Rigidez Relativa Terreno-Estructura.

Para ilustrar el fenómeno de la interacción, la Figura E.1 a) muestra el caso sencillo de una zapata, infinitamente flexible, apoyada directamente sobre la superficie de un terreno horizontal, sobre la que se aplica una presión uniforme. Por efecto de ésta, el terreno y la zapata sufrirán un asiento, que resultará mayor en el centro que en los extremos y no se limitará al área cargada, sino que se extenderá a ambos lados de ella hasta una cierta distancia. Por ser infinitamente flexible, la zapata no será capaz de soportar momentos flectores y, en consecuencia, la distribución de presiones con que el terreno reaccionará será idéntica a la distribución uniforme de presiones colocada sobre la zapata.

Si por el contrario, la zapata fuera infinitamente rígida (véase Figura E.1 b), el asiento de la zapata sería uniforme. En casos intermedios de rigidez, el valor medio del asiento podrá ser similar al anterior, pero su distribución estará, evidentemente, condicionada por la rigidez del cimiento. Así, bajo los extremos de la zapata (zonas AB y CD), el asiento será mayor que el correspondiente a la zapata flexible; mientras que en el centro (zona BC), el asiento será menor. En consecuencia, las presiones de respuesta del terreno en los extremos de la zapata rígida serán superiores a las correspondientes a la zapata flexible y, por el contrario, en su centro serán menores. Resulta así una distribución no uniforme de presiones, caracterizada por unos valores máximos en los extremos y un valor mínimo en el centro.

Figura E.1  Distribución de Presiones en Cimentaciones Flexibles y Rígidas.

Si el terreno se considerara elástico y de resistencia indefinida, la presión bajo los bordes A y D de la zapata rígida sería infinita. Dado que la resistencia del terreno es limitada, dichas presiones podrán ser elevadas, pero tendrán un valor finito. En el caso de arcillas (véase Figura E.2.a), la distribución de presiones será en general muy semejante a la teórica del ejemplo anterior. Sin embargo, la resistencia limitada del terreno producirá en los extremos unas zonas de plastificación que atenuarán las presiones de borde y las redistribuirá hacia el centro de la zapata. En el caso de arenas, dado que la falta de confinamiento en el borde de la zapata, supuesta ésta en superficie, no permitiría el desarrollo de presiones elevadas, la distribución tomará en general la forma parabólica que se indica en la Figura E.2.b.

Figura E.2 Distribución de Presiones en Zapatas Rígidas sobre Arcillas y Arenas.

Rigidez Relativa Terreno-Estructura. Esfuerzos sobre los Elementos de Cimentación.

La transmisión de las cargas del edificio al terreno plantea un complejo problema de interacción entre los tres elementos implicados: estructura, cimentación y terreno. Los principales factores a considerar en dicho proceso de interacción serán el tipo y características del terreno, la forma y dimensiones de la cimentación y la rigidez relativa terreno-estructura y terreno-cimentación.

Aparte de la rigidez de la cimentación, la propia rigidez de la estructura a cimentar inducirá también restricciones al movimiento y a la respuesta asociada del terreno. En el caso más general, cuando el terreno tienda a asentar por efecto de la presión aplicada, la estructura, en función de su rigidez, redistribuirá sus esfuerzos, modificando a su vez las solicitaciones sobre los cimientos y el terreno. La situación de equilibrio final dependerá por tanto de la rigidez relativa del conjunto terreno- cimiento-estructura.

En la actualidad no se dispone de métodos analíticos que permitan determinar con exactitud las cargas de estructura y su redistribución en función de la respuesta del terreno y los esfuerzos sobre los cimientos correspondientes al equilibrio final.

Salvo en los casos en que tanto la estructura como la cimentación se consideren rígidas, los esfuerzos en zapatas corridas, emparrillados y losas de cimentación se evaluarán teniendo en cuenta los fenómenos de interacción terreno-estructura. En estos casos se podrán emplear los conceptos y métodos simplificados de los siguientes apartados.

A) Concepto de Rigidez Relativa Terreno-Estructura.

B) Estimación de las Condiciones de Rigidez Relativa Terreno-Estructura

C) Criterios de Rigidez para Cimentaciones Directas.

D) Influencia del tamaño de la cimentación

Cimientos: Concepto de Hundimiento.

En un cimiento, la aplicación de una carga vertical creciente V, da lugar a un asiento creciente, (Figura 4.7). Las diversas formas que pueden adoptar las curvas presión-asiento dependen en general de la forma y tamaño de la zapata, de la naturaleza y resistencia del suelo y de la carga aplicada (tipo, velocidad de aplicación, frecuencia, etc.).

 

Figura 4.7 Concepto de Presión de Hundimiento

Mientras la carga V sea pequeña o moderada, el asiento crecerá de manera aproximadamente proporcional a la carga aplicada. Sin embargo, si la carga V sigue aumentando, la pendiente de la relación asiento-carga se acentuará, llegando finalmente a una situación en la que puede sobrepasarse la capacidad portante del terreno, agotando su resistencia al corte y produciéndose movimientos inadmisibles, situación que se identifica con el hundimiento. 

La carga V para la cual se alcanza el hundimiento es función de la resistencia al corte del terreno, de las dimensiones y forma de la cimentación, de la profundidad a la que está situada, del peso específico del terreno y de las condiciones del agua subálvea.

Losas de Cimentación y sus Tipos.

Se podrán emplear en los casos indicados en el apartado anterior o cuando el área cubierta por posibles cimentaciones aisladas o por emparrillados cubra un porcentaje elevado de la superficie de ocupación en planta del edificio.

Las losas de cimentación pueden ser de los siguientes tipos: continua y uniforme, con refuerzos bajo pilares, con pedestales, con sección en cajón, nervada, aligerada.

(Figura 4.6)

La losa recogerá los elementos estructurales del edificio y cubrirá el área disponible, dando así lugar a la mínima presión unitaria, pero a la máxima anchura de cimentación. Especialmente en el caso de suelos compresibles de gran espesor, estas consideraciones pueden dar lugar a asientos considerables a no ser que se planteen compensaciones de cargas.

Figura 4.6. Tipos de losas de cimentación

Las losas de cimentación se utilizarán preferentemente para reducir los asientos diferenciales en terrenos heterogéneos, o cuando exista una variabilidad importante de cargas entre apoyos cercanos. El sistema de cimentación por losa tiende a integrar estas heterogeneidades, aunque a cambio de una distribución irregular de las presiones sobre el terreno.

También podrá ser conveniente una solución mediante losa cuando, aunque el terreno de apoyo sea homogéneo y resistente, el edificio contenga sótanos y su cota inferior se sitúe por debajo del nivel freático. En estos casos se debe tener en cuenta los posibles empujes ascensionales del agua subálvea (subpresión) y los requisitos de estanquidad necesarios.

Cuando el edificio vaya a disponer de sótanos y se vaya a cimentar por medio de losa, es posible que el peso de las tierras excavadas sea semejante al peso total del edificio.

En ese caso, la presión unitaria neta que transmitirá la losa al terreno será del mismo orden de magnitud que la presión efectiva preexistente, y los asientos serán probablemente de pequeña entidad. Esta situación particular se denomina cimentación compensada.

La cimentación compensada de edificios con zonas de diferente altura (y por tanto de peso) podrá requerir la disposición de un número variable de sótanos distribuidos de forma proporcional al número de plantas a construir por encima de la superficie del terreno. En estas circunstancias será preciso disponer juntas estructurales debidamente tratadas entre las diferentes zonas del edificio, e intentar que el centro de gravedad de las acciones de la estructura en cada zona coincida con el centro de gravedad de las losas, de forma que se reduzca cualquier tendencia al giro. Asimismo será necesario analizar con detalle los asientos inducidos sobre las construcciones colindantes.

Cimentar por el Sistema de Emparrillados

Cuando el terreno presente baja capacidad de carga y elevada deformabilidad, o bien muestre heterogeneidades que hagan prever asientos totales elevados y, consiguientemente, importantes asientos diferenciales, se podrá cimentar por el sistema de emparrillados.

En este caso todos los pilares de la estructura quedarán recogidos en una única cimentación, consistente en zapatas corridas entrecruzadas en malla habitualmente ortogonal. Al quedar así reunidos todos los apoyos de la estructura en una sola cimentación se podrá conseguir una considerable rigidización con el fin de disminuir el problema de la heterogeneidad del terreno impidiendo grandes asientos diferenciales.

Pozos de Cimentación.

Se podrán realizar pozos de cimentación cuando el terreno lo permita y la ejecución sea ventajosa con respecto a otras soluciones.

Los pozos más habituales en edificación son de dos tipos (véase Figura 4.5). El primero consiste en un relleno de la excavación desde la cota de apoyo con hormigón pobre, situando la zapata encima de éste de forma que se transmitan las cargas a la profundidad deseada. El segundo tipo, menos habitual, consiste en bajar la cota de zapata hasta alcanzar el nivel de terreno competente de apoyo, elevando a continuación un plinto de gran rigidez con el fin de evitar problemas de pandeo.

Figura 4.5 Tipos Principales de Pozos de Cimentación.

La comprobación de los estados límite último y de servicio se hará sobre el plano de apoyo elegido de forma análoga al de zapatas aisladas, añadiendo a las cargas transmitidas por la estructura el peso de la columna de hormigón pobre.

En la comprobación del estado límite último frente al hundimiento debe tenerse en cuenta la profundidad del plano de apoyo y el empleo del concepto de presión neta.

En el caso de que no se justifique la colaboración lateral del terreno siguiendo los criterios de la mecánica del suelo y existan momentos o esfuerzos horizontales apreciables se deben introducir vigas centradoras.

g) Otros Ensayos en Suelos.

Existen una gran variedad de ensayos, menos comunes, que pueden ser de gran interés en el estudio de determinados problemas geotécnicos específicos.

Entre estos ensayos de suelos, se citan los siguientes:

• CBR. Determinación de la capacidad portante para explanadas y capas de firmes.

• Determinación de la presión de hinchamiento y de la expansión libre dsuelos expansivos.

• Ensayos de compresión brasileños (medida indirecta de la resistencia tracción).

• Ensayos de molinete (vane test)  y penetrómetro en laboratorio.

• Ensayos de permeabilidad mediante permeámetros de carga constante variable.

f) Ensayos de Compactación de Suelos.

Los ensayos de compactación están indicados para el estudio del efecto de la humedad en la densidad máxima que puede alcanzarse al compactar un suelo.

Se realizan con muestras de cualquier tipo de suelo hasta gravas que puedan tener 25 mm (1”) de tamaño máximo (aprox.).

Los ensayos más tradicionales son el Proctor Normal (UNE 103.500) y el Proctor

Modificado (UNE 103.501). El segundo se realiza compactando en moldes más grandes y con energías mayores y por eso suelen alcanzar densidades claramente más altas (5 a 15% mayores que las correspondientes al P.N.).

El resultado de estos ensayos es especialmente aplicable al control de calidad de compactación de rellenos.

Zapatas Combinadas y Corridas.

Cuando la capacidad portante del terreno sea pequeña o moderada, existan varios pilares muy próximos entre sí, o bien las cargas por pilar sean muy elevadas; el dimensionado de los cimientos puede dar lugar a zapatas aisladas muy cercanas, incluso solapadas. En ese caso se podrá recurrir a la unión de varias zapatas en una sola, llamada zapata combinada cuando recoja dos o más pilares, o zapata corrida cuando recoja tres o más alineados.

El diseño de zapatas combinadas o corridas podrá ser recomendable para evitar movimientos o asientos diferenciales excesivos entre varios pilares, ya sea por una variación importante de sus cargas o por posibles heterogeneidades del terreno de cimentación.

Asimismo, si en la base de pilar se producen momentos flectores importantes, lo que puede dar lugar a excentricidades grandes, las zapatas combinadas y corridas podrán constituir una solución apropiada, ya que podrán facilitar que, en su conjunto, la carga total se sitúe relativamente centrada con el centro de gravedad de la zapata.

La forma habitual en planta de las zapatas combinadas será la rectangular, aunque ocasionalmente podrá resultar conveniente emplear zapatas combinadas de formas irregulares, particularmente de planta trapecial.

Un caso particular de zapata corrida será la empleada para cimentar muros. En el caso de muros de sótano en los que los pilares forman parte del muro sobresaliendo del mismo, el cimiento del muro más el pilar puede considerarse una zapata corrida que generalmente tendrá un ensanchamiento en la zona del pilar en sentido transversal.

Zapata Aislada: Cimentación Normal de los Pilares de un Edificio.

Cuando el terreno sea firme y competente, se pueda cimentar con una presión media alta y se esperen asientos pequeños o moderados, la cimentación normal de los pilares de un edificio estará basada en zapatas individuales o aisladas.

En general, las zapatas interiores serán de planta cuadrada, tanto por su facilidad constructiva como por la sencillez del modo estructural de trabajo. Sin embargo, podrá convenir diseñar zapatas de planta rectangular o con otra forma, entre otros, en los siguientes casos: a) las separaciones entre crujías sean diferentes en dos sentidos perpendiculares; b) existan momentos flectores en una dirección; c) los pilares sean de sección rectangular; d) se haya de cimentar dos pilares contiguos separados por una junta de dilatación; e) casos especiales de difícil geometría.

Si los condicionantes geométricos lo permiten, las zapatas de medianería serán de planta rectangular, preferentemente con una mayor dimensión paralela a la medianería, y las de esquina de planta cuadrada.

Desde el punto de vista estructural se tendrán en cuenta las prescripciones de la instrucción EHE (Figura 4.3), y se considerarán estructuralmente rígidas las zapatas cuyo vuelo v, en la dirección principal de mayor vuelo, sea menor o igual que dos veces el canto h (v ≤ 2h). Las zapatas se considerarán flexibles en caso contrario (v > 2h).

Figura 4.3 Concepto de Rigidez Estructural.

Las zapatas aisladas se podrán unir entre sí mediante vigas de atado o soleras, que tendrán como objeto principal evitar desplazamientos laterales. En especial se tendrá en cuenta la necesidad de atado de zapatas en aquellos casos prescritos en la Norma de Construcción Sismorresistente NCSE vigente.

Podrá ser conveniente unir zapatas aisladas, en especial las fuertemente excéntricas como son las de medianería y esquina, a otras zapatas contiguas mediante vigas centradoras para resistir momentos aplicados por muros o pilares, o para redistribuir cargas y presiones sobre el terreno (véase Figura 4.4). 

Para cumplir este cometido se podrá disponer asimismo de otras múltiples posibilidades de diseño (contribución de forjados, introducción de tirantes, etc.), debiendo justificarse en cada caso.

En el caso de vigas de atado o vigas centradoras hormigonadas directamente sobre el terreno, deben considerarse los posibles esfuerzos derivados del asiento previsto en las zapatas unidas por ellas. Del mismo modo se considerarán los efectos derivados de cualquier otro movimiento relativo que pueda inducir esfuerzos sobre dichas vigas y sobre los demás elementos de cimentación unidos por ellas. En especial no se considera aconsejable recurrir al apoyo directo de las vigas de unión entre zapatas en el caso de cimentar sobre terrenos metaestables (expansivos o colapsables). 

Figurara 4.4 Ejemplo del Empleo de Vigas centradoras para redistribución de presiones sobre el Terreno.

Cimentaciones Directas Tipología.

Una cimentación directa es aquella que reparte las cargas de la estructura en un plano de apoyo horizontal (véase Figura 4.1). Las cimentaciones directas se emplearán para trasmitir al terreno las cargas de uno o varios pilares de la estructura, de los muros de carga o de contención de tierras en los sótanos, de los forjados o de toda la estructura.

Cuando las condiciones lo permitan se emplearán cimentaciones directas, que habitualmente, pero no siempre, se construyen a poca profundidad bajo la superficie, por lo que también son llamadas cimentaciones superficiales.

Figura 4.1 Cimiento Directo.

Los tipos principales de cimentación directa y su utilización más usual se recogen en la tabla 4.1. y figura 4.2. 

Figura 4.2 Tipos de Cimentaciones Directas.