Las cimentaciones son el conjunto de elementos estructurales que se diseñan y se construyen, con el objetivo de transmitir las cargas de una construcción o elementos apoyados en ella al suelo, distribuyéndolas de tal forma que puedan ser resistidas con seguridad, con asentamientos tolerables y evitando la posibilidad de que se presenten asentamientos diferenciales. Por lo cual desde la fase de planeación se debe realizar un buen estudio geotécnico y diseño estructural, y en la fase de ejecución una adecuada construcción con materiales de óptima calidad.
Es claro que de acuerdo con la capacidad portante del suelo y las cargas que vayan a transmitírsele, se selecciona el tipo de cimentación, lo cual nos conduce básicamente a dos tipos de cimentaciones, según la profundidad del estrato donde se vaya a apoyar:
Cimentaciones superficiales y
Cimentaciones profundas
Para el caso de las cimentaciones superficiales nos referiremos principalmente a zapatas y losas de cimentación; y en las cimentaciones profundas a pilotes y pantallas, ya sean hincados o fundidos in situ.
Y cuando se habla de los factores que inciden en la durabilidad de las cimentaciones, no solo se hace referencia a la calidad del material que se utilizó para la elaboración, sino que involucra también aspectos del diseño y su construcción, para lo cual haremos un barrido de los diferentes factores que pueden influir en su durabilidad desde las diferentes etapas.
1. ETAPA DE DISEÑOS
En esta etapa se involucran los estudios geotécnicos y el diseño estructural, por lo que se debe considerar:
Estudios Geotécnicos
La cantidad suficiente de sondeos y ensayos para conocer las características físicas, mecánicas y químicas del suelo sobre el cual se va a apoyar la construcción,
La profundidad del sondeo en el nivel de investigación y nivel freático
Recomendar el nivel de cimentación y sistema a utilizar,
Calcular la presión de contacto a la que se someterá el terreno y los asentamientos esperados.
Recomendar algunos procesos constructivos.
Con esta información, el ingeniero estructural realiza el diseño de cada elemento de la cimentación (zapatas, vigas, placa, pilotes, etc.)
Diseño estructural
Aplicación de las normas vigentes para el cálculo estructural.
Adopción de coeficientes de seguridad.
Concepción en el comportamiento estructural.
Concepción en el comportamiento de durabilidad.
En el diseño estructural, si bien para determinar las dimensiones de los elementos se toman en cuenta la capacidad portante del suelo y la resistencia del concreto obtenida por el cálculo estructural, algunas veces no se considera el comportamiento de durabilidad. Es importante hacerlo.
La NSR-2010 en el capítulo C.4. – Requisitos de durabilidad, numeral C.4.1.1 describe que el valor de la resistencia de diseño del concreto f’c, debe ser el mayor valor obtenido de los siguientes requisitos:
Por C.1.1.1, no debe ser inferior a 17 MPa
Según durabilidad en el capítulo C.4, y
Según los requisitos de resistencia estructural
Adicionalmente, dicta que las mezclas deben ser dosificadas para cumplir con la relación agua – material cementante (a/mc) y otros requisitos basados en la clase de exposición asignada al elemento estructural de concreto.
Muchos suelos de nuestra geografía colombiana contienen sustancias que son nocivas para el elemento de concreto, como las siguientes:
Las aguas residuales o negras, pueden contener o formar ácidos sulfúrico y sulfuroso, produciendo sulfato cálcico en el concreto, que se precipita como yeso.
Los suelos que contienen turbas pueden tener sulfuro de hierro, que al oxidarse produce ácido sulfúrico, produciendo sulfato cálcico.
Las aguas subterráneas, son a veces ligeramente ácidas debido a que contienen bióxido de carbono libre disuelto, o algunos ácidos orgánicos. El ácido carbónico, disuelve la cal del concreto.
Las aguas blandas, es decir aquellas que tienen pocas impurezas, disuelven los compuestos cálcicos del concreto, degradando la pasta de cemento.
Suelos con contenidos de sulfato de sodio, potasio, calcio y magnesio que están naturalmente o disueltos en el agua freática, se pueden acumular sobre la superficie del concreto incrementando el riesgo de deterioro por expansión y fisuración .
Aguas con contenidos de cloruros, que por capilaridad ingresan al concreto, llegan al acero de refuerzo, generando corrosión y la posterior degradación al elemento de concreto.
Por lo anterior, se debe conocer muy bien el grado de exposición al cual va a estar sometido el concreto para determinar cuál es el tipo de mezcla más recomendable para garantizar la durabilidad del mismo.
2. ETAPA DE CONSTRUCCIÓN
En esta etapa hablaremos sobre las especificaciones de los materiales y el proceso constructivo:
EL CONCRETO:
El concreto es un material que tiene extraordinarias propiedades físicas y múltiples ventajas, del que se requiere conocer sus principales características para su manejo y beneficio, sin embargo, generalmente se especifica el tipo de mezcla por resistencia y consistencia (asentamiento), sin incluir otros aspectos importantes en las mezclas de concreto, como las siguientes:
En cimentaciones superficiales
Tamaño máximo del agregado, en función de la sección del elemento, separación de aceros y recubrimientos.
Relación a/mc máxima si se tienen condiciones de exposición que pueden afectar la durabilidad.
Contenido mínimo de cemento.
Consistencia de la mezcla, dependiendo del sistema de colocación, sección del elemento, densidad de acero y tiempo de vaciado.
Tiempo de manejabilidad, dependiendo del tamaño del elemento.
Temperatura del concreto.
En cimentaciones profundas fundidas in situ adicional a las anteriores:
Contenido mínimo de pasta
Contenido mínimo de cemento
Contenido mínimo de finos
Viscosidad
Asentamiento de 8” +/- 1” para pilotes tipo Kelly o pantallas; asentamiento de 9” +/- 1” o por flujo libre 70 +/- 5 cm, para pilotes tipo tornillo.
Es importante tener en cuenta que asentamientos superiores generan inestabilidad en la mezcla y pueden producir segregación en el concreto; y asentamientos inferiores a la especificación generan baja manejabilidad que puede incrementar la contaminación del concreto con el suelo o los fluidos de excavación, afectando la adherencia del concreto con el acero.
En cimentaciones profundas con pilotes o pantallas hincadas
Adicional a lo descrito en cimentaciones superficiales, se debe tener en cuenta, que estos pilotes son prefabricados, y para optimizar espacio y tiempo del concreto en los moldes, se requieren resistencias tempranas, por lo cual es necesario conocer:
Resistencia mínima para movimiento e izaje del elemento.
Tipo de cemento.
Relación arena / agregado.
Tiempo y tipo de curado.
EL ACERO DE REFUERZO
El acero a utilizar como complemento del concreto reforzado, debe garantizar que cumpla con las propiedades de: resistencia a la tracción y a la fluencia, deformaciones, ductilidad, dureza, tenacidad, etc., enmarcadas dentro de las respectivas normas; sin embargo en obra es importante atender los siguientes aspectos que pueden afectar la durabilidad del elemento:
Barras y flejes libres de suciedad e impurezas.
Libre de corrosión.
Figurado, armado y traslapos con las medidas y diámetros especificados.
Utilizar distanciadores para garantizar el recubrimiento especificado, el cual para elementos de concreto en contacto con el suelo es de 75 mm.
Tener cuidados en el izaje e instalación de las canastas en la excavación para evitar rotura de amarres o deformaciones y desplazamiento de barras principales.
PROCESO CONSTRUCTIVO:
El proceso constructivo necesita del conocimiento de las técnicas propias de la fabricación, manejo, colocación y curado del concreto, por lo cual para entender los aspectos que pueden afectar la durabilidad dividiremos en tres partes esta etapa: antes, durante y después del vaciado.
La construcción de cimientos profundos, es en muchas ocasiones un proceso ciego, y es mayor su incertidumbre cuando se efectúa en medio del agua, para lo cual la metodología de vaciado con tubería tremie , aunque sin poder ver qué ocurre en lo profundo de la excavación durante el vaciado del concreto, sí permite disminuir la incertidumbre de lo que debe ser la calidad del cimiento.
ANTES DEL VACIADO DE CONCRETO:
Cimentaciones superficiales
- Vaciar concreto de limpieza de por lo menos 5 cm de espesor.
- La excavación, formaletas y acero deben estar libres de escombros y suciedades.
- Humedecer el acero y las formaletas.
- Verificar que se cumple con los recubrimientos del acero de refuerzo.
Cimentaciones profundas
-Siempre utilizar fluidos estabilizadores de excavación (polímeros o bentonita), para evitar derrumbes en la excavación y evitar la sedimentación en el fondo de la excavación.
-Se debe realizar control de viscosidad, densidad, pH y contenido de arena a los fluidos de excavación.
-No utilizar agua como estabilizador puesto que se corre el riesgo de inestabilizar la excavación, contaminar el acero y producir segregación y lavado del concreto.
-Verificar que se cumple con el recubrimiento del acero de refuerzo.
DURANTE EL VACIADO DE CONCRETO:
Una vez validado y aceptado el cumplimiento de la consistencia de la mezcla de concreto, se procede al vaciado del mismo en los elementos.
Cimentaciones superficiales
-Descargar el concreto a una altura máxima de 1.2 m para evitar segregación del mismo.
-Realizar un vibrado interno y externo adecuado, garantizando la compactación del concreto y remoción del aire atrapado, esta actividad se debe hacer sin excederse porque se puede producir segregación.
-Realizar el acabado superficial del elemento, asegurándose de que el acero superficial quede completamente embebido y con el recubrimiento adecuado.
-Al finalizar el vaciado, es recomendable que el vaciado se prolongue al menos 1 m por encima de la cota de proyecto, debido a que el concreto superior es de una calidad inferior por estar contaminado con los fluidos o lodos de excavación. Este concreto posteriormente se demuele.
-En pilotes de tipo tornillo, debe haber sincronización entre el operario del equipo de perforación y el bombeo del concreto de tal forma que se asegure que la extracción del barreno sea a una velocidad constante y correspondiente al bombeo de concreto, asegurándose que la tubería y la manguera esté siempre llena de concreto, esto para evitar segregación del concreto.
DESPUES DEL VACIADO
Cimentaciones superficiales
Realizar un curado adecuado del concreto, para concreto con resistencia de diseño f’c a 28 días, se debe mantener en humedad permanente durante mínimo 7 días y para concretos de resistencia acelerada, mínimo durante 3 días, esto asegura que el cemento se hidrate y se cumpla la resistencia del concreto, adicionalmente retrasa el efecto de contracción del mismo, minimizando el riesgo de fisuración.
Cimentaciones profundas
El concreto después de vaciado queda en condiciones ideales de humedad y temperatura, que garantizan un curado ideal. Posteriormente y después de la excavación se debe realizar el descabece del pilote retirando el concreto contaminado.
Credito: Argos - Medellin, Colombia
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