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CIMENTACIONES
PROFUNDAS. Ingeniera geotcnica.
DESCRIPCIN BREVE En el documento de tratar de tipos de cimentaciones
profundas, as como mtodos, aplicaciones y nuevas
tendencias en la Ciudad de Mxico y en el mundo.
Edgar Ricardo Rojas Martnez 209300378
Edgar Ricardo Rojas Martnez 209300378 UAM-Azcapotzalco.
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1.- Introduccin.
A mediados de los 1960s, la industria de las cimentaciones profundas pareca ser simple:
la eleccin para una cimentacin profunda estaba entre pilotes de madera, de acero H o
tubular, y de concreto precolado. Los pilotes se hincaban con martillos de cada libre, de
aire, vapor o diesel. La capacidad de carga se determinaba con algn tipo de frmula
dinmica y se confirmaba con pruebas de carga esttica.
Existan diversos tipos de pilas coladas en sitio y cajones; algunos estn en uso todava,
con mtodos y equipos mejorados.
La innovacin en la construccin de cimentaciones profundas en Mxico parece
importarse de Europa: martillos diesel e hidrulicos, vibohincadores, perforadoras y
diversas tcnicas de perforacin. Los constructores que usan tecnologa moderna son
ingenieros mexicanos que usan tecnologa importada o compaas extranjeras que radican
en el pas.
Como una muestra del proceso de cambio que se vive en el mundo, en este trabajo se
presentan algunas ideas que se han empezado a utilizar en otros pases; inclusive, algunas
han empezado a llegar a Mxico.
Se trata en forma descriptiva los siguientes temas: incorporacin de nuevos materiales,
aplicaciones de procedimientos conocidos con enfoque diferente (resultando en un
proceso o producto innovador), equipos de construccin novedosos, control de calidad, y
requerimientos ambientales.
Finalmente, se dan algunos comentarios, con el propsito de incentivar el ingenio y la
imaginacin caracterstica de los profesionales mexicanos involucrados en la industria de
las cimentaciones profundas.
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2.- Antecedentes histricos.
Chichimecas provenientes del norte de la
frontera mesoamericana fundaron la ciudad de
Mxico Tenochtitlan en 1325, asentndose en
sitios ms bien inhspitos de la Cuenca de
Mxico. Los pobladores que ocupaban los lagos
de Zumpango y Xaltocan por el norte, el de
Texcoco-Tenochtitlan en la porcin central
donde se ubicara el centro de la ciudad, y los
lagos de Xochimilco y Chalco al sur impidieron que se asentaran en sus riberas; no
tuvieron ms remedio que ocupar la zona lacustre pantanosa. Se reconoce que
ancestralmente vivan en las riberas de un lago llamado Aztln, por lo que ese medio no
les fue ajeno, de tal forma que ah se establecieron y florecieron, consiguiendo un gran
desarrollo artstico, tcnico y blico ya como cultura Mexica. En pocas dcadas
incorporaron conocimientos de otros pueblos del altiplano y construyeron un gran
imperio, destacando las colosales construcciones trreas como el dique de Nezahualcyotl
con 16 km de longitud, plataformas artificiales y el complejo ceremonial de Tenochtitlan
en el que sobresala el Templo Mayor.
Los antiguos mexicanos reconocieron la problemtica de cimentar sus obras en la antigua
Tenochtitlan. Como ejemplo, en la construccin del Templo Mayor con 36 m de altura y
ubicado en el corazn actual de la ciudad capital, se pusieron en prctica procedimientos y
conceptos geotcnicos que tienen vigencia en la
actualidad, como son el mejoramiento masivo del
terreno mediante el hincado de troncos, la construccin
de un relleno para precargar el subsuelo y la
construccin por etapas seis en esta pirmide-, el uso
de estacones para transferir la carga al subsuelo, y el
empleo de tezontle como relleno ligero con el objeto de
reducir el peso de la pirmide. Salvando las dificultades
que ofreca el subsuelo, esta obra magnfica de la que
todava tenemos vestigios, se conserv estable aunque
con asentamientos tan grandes como 6.5 m, hasta que fue arrasada por los
conquistadores para edificar sobre ellas diversas construcciones coloniales. Precisamente
al desarrollarse las edificaciones del gobierno y los templos religiosos de la Colonia,
muchas de ellas sobre las ruinas mismas de las construcciones mexicas, se genera en el
subsuelo una historia compleja de cargas y descargas as como zonas precomprimidas, lo
que da como resultado la variacin inducida de las propiedades mecnicas del subsuelo, y
como consecuencia la aparicin de asentamientos diferenciales en esas y en las actuales
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construcciones del Centro Histrico de la ciudad. Muchos de los actuales problemas
geotcnicos que enfrentamos en la ciudad de Mxico pudieron haberse evitado, si
hubiese prevalecido la idea de quienes opinaban que no deba edificarse la capital de la
Nueva Espaa sobre las ruinas de la antigua Tenochtitlan. El pensamiento y voluntad de
Hernn Corts se impuso.
Las construcciones dentro de la Traza Colonial, que comprende al Centro actual de la
capital, sufrieron las consecuencias de su desplante sobre los depsitos lacustres blandos.
Al Portal de Agustinos situado en la vieja calle de Tlapaleros, lo que hoy corresponde a la
avenida 16 de Septiembre en el Centro, se le describe con muchos de sus arcos
hundidos por la insegura inestabilidad del subsuelo lodoso que no soporta grandes pesos,
mayormente y con ms razn ste, que sustentaba dos pisos altos, de elevadas
techumbres. Esta descripcin explica claramente el efecto y la causa primordial al
sobrecargar las cimentaciones superficiales en la Zona del Lago.
3.- El suelo como elemento portante de las cimentaciones.
Las cargas que transmite la cimentacin a las capas del terreno causan tensiones y por
tanto, deformaciones en la capa del terreno soporte. Como en todos los materiales, la
deformacin depende de la tensin y de las propiedades del terreno soporte. Estas
deformaciones tienen lugar siempre y su suma produce
asientos de las superficies de contacto entre la
cimentacin y el terreno.
La conducta del terreno bajo tensin est afectada por
su densidad y por las proporciones relativas de agua y
aire que llenan sus huecos. Estas propiedades varan
con el tiempo y dependen en cierto modo de otros
muchos factores.
* Variacin del volumen de huecos como consecuencia
de la compactacin del terreno.
* Variacin del volumen de huecos como consecuencia del desplazamiento de las
partculas.
* Variacin del volumen de huecos como consecuencia de la deformacin de las
partculas del terreno.
Los cimientos constituyen los subsistemas de cualquier edificacin que transmiten
directamente las cargas de esta hacia el suelo o terreno; su funcin es distribuir las cargas
del edificio, dispersndolas en el suelo adyacente, de modo que ste y los materiales que
los sostienen tengan suficiente fuerza y rigidez para soportarlas sin sufrir deformaciones
excesivas.
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Debido a las interacciones de suelos y cimientos, las caractersticas de los suelo o terrenos
sobre los que se construye influyen de modo determinante en la seleccin del tipo y
tamao de los cimientos usados; estos ltimos a su vez, afectan significativamente el
diseo de la superestructura, el tiempo de construccin del edificio y, en consecuencia, los
costos de la obra.
4.- Tendencias en la construccin de cimentaciones profundas.
Nuevos materiales
Pilotes de fibra de vidrio
Se trata de pilotes tubulares compuestos, fabricados en
una coraza cilndrica de materiales reforzados con fibra
de vidrio de alta resistencia. Opcionalmente, la superficie
exterior de la coraza puede cubrirse con acrlico
vulcanizado, que provee una proteccin adicional contra
la abrasin, rayos ultravioleta y qumicos. La superficie
interior est texturizada para formar buena adherencia
con el material de relleno, generalmente concreto, que
se coloca despus del hincado. El pilote resultante tiene
aproximadamente la misma rigidez que un pilote de madera, pero es 4 veces ms
resistente y absorbe 15 veces ms energa, con la durabilidad del plstico.
Se producen en dimetros entre 18 y 72 pulgadas.
Su uso ms comn es para estructuras marinas que auxilian el atraque de embarcaciones,
como duques de alba, aunque tambin son utilizados en muelles. Adems, existe gran
variedad de cabezales de fibra de vidrio, que complementan estos pilotes.
Tablestaca SuperLoc
SuperLoc es una tablestaca de polmero reforzado con fibras (FRP, por sus siglas en ingls),
fabricado por pultrusin, que es un proceso de manufactura continuo, que produce
perfiles de polmero reforzado con fibra, de extraordinaria resistencia y resilencia,
diseada para proveer un desempeo a largo plazo en ambientes corrosivos.
El material resiste impactos, deformacin a largo plazo (creep), rayos ultravioleta e
intemperismo mejor que las tablestacas de PVC. Su instalacin es similar a las tablestacas
metlicas.
Aplicaciones con enfoque diferente.
Pilotes centrifugados
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Denominados PHC (abreviatura en ingls de pre- tensioned spun high strength concrete
pile), que son pilotes presforzados y centrifugados.
El proceso de centrifugado se realiza a una velocidad angular constante, entre 500 y 660
rpm, con una ligera pendiente, para eliminar por los extremos el exceso de agua y finos.
Debido a la alta velocidad angular de la cimbra, el concreto en el interior est sometido a
una fuerza centrfuga que distribuye uniformemente el concreto a lo largo de la cara
interna del molde.
El proceso de centrifugado ordena los agregados de acuerdo con su densidad; de esta
manera, la grava y la arena tienden a colocarse en la parte externa del molde, mientras
que los finos y el agua, se ubican en la cara interna del molde, Por este motivo, en este
proceso se debe controlar el tiempo de rotacin, para evitar la segregacin del concreto.
Pilotes Soilex
El pilote soilex utiliza una bolsa expandible, en el fondo del pilote, que funciona como una
ampliacin de la base.
La bolsa se desarroll en Suecia en los 1980s y consiste de un paquete de lmina
metlica, que puede expanderse despus de instalar el pilote, inyectando concreto o
mortero. De esta manera, se forma un bulbo, 5 a 10 veces ms grande que el dimetro
original. Dado que es capaz de tomar esfuerzos de compresin y tensin, se puede utilizar
como pilote de punta, o como ancla.
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La instalacin puede llevarse a cabo con mtodos convencionales perforado,
vibrohincado, hincado a golpes o con gatos.
Juntas mecnicas entre tramos de pilotes
En Mxico, la unin entre tramos de pilotes de concreto precolado, se realiza mediante
placas de acero incorporadas a los extremos, y soldadura de arco. Este procedimiento es
lento, repercutiendo en la eficiencia general del conjunto de hincado.
Existen numerosos sistemas para resolver este problema, dependiendo del trabajo
estructural que se requiera atender, todas ellas mediante sistemas mecnicos que agilizan
la operacin.
Anlisis de hincado con ecuacin de onda
Un mtodo ms racional, es el anlisis numrico con ecuacin de onda WEAP (Wave
Equation Anlisis Program, por sus siglas en ingls), que simula el hincado de pilotes, con
lo que es posible calcular el comportamiento probable del equipo (seleccionando el ms
adecuado), calcular los esfuerzos desarrollados durante el hincado, calcular la capacidad
de carga-asentamiento del pilote y corroborar los ensayes dinmicos, en su caso. Existen
diversos programas de cmputo en el mercado, algunos de acceso libre en la web.
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5.- Perspectiva actual en la ciudad de Mxico.
Pilotes y pilas de punta
En la ltima dcada, se han construido hoteles y edificios multifuncionales que albergan
centros comerciales y deportivos, departamentos unifamiliares, oficinas y centros de
negocios. Su construccin conlleva un elevado nmero de entrepisos as como
excavaciones profundas para alojar stanos de estacionamientos.
Las solicitaciones ssmicas en la
cimentacin bajo tales condiciones
requieren la construccin de
cimentaciones profundas con pilas
que alcanzan cada vez con mayor
frecuencia los depsitos profundos de
la Cuenca, empotrndose en stos
algunos metros; con ello el diseador
busca obtener suficiente resistencia del trabajo por fuste para tomar las tensiones
generadas durante los eventos ssmicos.
Las pilas que se construyen para estos proyectos suelen ser de dimetros generosos,
desde 1.2 m hasta 1.5 m o ms; incluso, se usan pilas oblongas cuando el diseo requiere
gran capacidad portante o cuando el sembrado de las pilas y las restricciones del rea de
construccin obligan a juntar algunas de stas.
Por otra parte, los diseadores encuentran en las pilas de grandes dimetros ventajas para
resistir cargas laterales ante eventos ssmicos, sobre todo en puentes carreteros y
vehiculares, debido al momento de inercia grande de su seccin (ONeill, 1998).
Pilotes de control El mal
comportamiento de los
mecanismos de control en la
cabeza de los pilotes (sismo
1985), los esfuerzos por
solucionar este problema
estuvieron enfocados en dos
direcciones (Santoyo y Segovia,
1995): a) sustituir las celdas
deformables por materiales con
leyes de deformacin ms
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definidas o sistemas mecnicos de ajuste; y b) sustitucin del puente de reaccin y
de la celda deformable, por mecanismos que permitan soportar tensiones y
momentos de volteo.
Micropilotes
Como una respuesta a la problemtica en recimentaciones, se ha difundido el uso de
micropilotes para recimentar estructuras y monumentos, e inclusive para edificaciones
nuevas. Se han adoptado diferentes tcnicas, principalmente europeas, con adaptaciones
a las condiciones locales de la ciudad de Mxico (Santoyo y Segovia, 1995).
Fundamentalmente trabajan como pilotes de friccin, aunque en ciertos casos se han
utilizado de punta. Tambin se emplean como anclas, inclusiones, o con el concepto de
soil nailing.
Pilotes entrelazados
La aplicacin de pilotes entrelazados se ha renovado, con diferentes enfoques de diseo
(Menache, 2002). Estuvieron prcticamente en desuso durante poco ms de una dcada,
pero han vuelto a la prctica de la ingeniera de cimentaciones desde mediados de la
dcada de 1990.
Para su aplicacin, han ayudado nuevas herramientas de clculo, as como una mejor
comprensin de la transmisin de carga del grupo, utilizando el enfoque de anlisis de
inclusiones.
Muros miln
Una alternativa constructiva a las
pilas para tensiones, es la
construccin de muros miln pila;
en efecto, las excavaciones para
alojar los stanos suelen hacerse
con muro miln anclado o
apuntalado, sea ste estructural o
de acompaamiento, donde
algunos de sus tableros se
profundizan ms que el resto del
permetro ademado, con el objeto
de alcanzar depsitos resistentes,
formando as muros-pila que
trabajan tanto a tensin como a compresin. Si bien este sistema tiene la ven taja de que
elimina el detalle de la conexin estructural de las pilas perimetrales con el cajn y losa de
cimentacin, debe decirse que la calidad de la construccin de los muros colados in situ a
grandes profundidades requiere un gran control en obra. En nuestra ciudad hay pocas
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experiencias al respecto (por ejemplo, Torre Mayor); en la ciudad de Puebla se han
cimentado tres torres de ms de 100 m de altura con esta solucin (Paniagua, 2003).
Pilotes en desuso
Pilotes seccionados. Para solucionar el problema de falta de continuidad estructural, se
propusieron diversos mecanismos para la unin de los segmentos, el ms popular las
placas de acero soldadas. Sin embargo, estos pilotes han sido prcticamente sustituidos
por los micropilotes, en sus diversas modalidades constructivas.
Pilotes Tensa. El uso de pilotes presforzados tipo Tensa ha cado en desuso; se siguen
utilizado pilotes presforzados de otro tipo, tanto en la ciudad de Mxico, como en
proyectos costeros (Paniagua 1994, 2002).
6.- Mtodos para control de suelos.
Mtodos Dinmicos.
Vibrocompactacin. El mtodo consiste en la insercin de un vibrador de fondo, que
genera vibraciones horizontales; una vez densificado el suelo, se rellena el vaco generado
con arena, retirando el vibrador simultneamente. La compactacin se debe a la accin
del vibrador, que usualmente es acompaado con agua a presin, la cual reduce
temporalmente las fuerzas intergranulares entre las partculas; las vibraciones generan
exceso de presin de poro hasta que se lica el suelo; entonces, la disipacin de presin
de poro conduce a un arreglo ms compacto del suelo.
La eficiencia del mejoramiento depende del tipo de suelo, espaciamiento de los puntos de
vibrado y el tiempo de vibrado en cada punto. Generalmente, el espaciamiento est entre
1.80 y 3.50 m, con arreglos triangulares o en cuadrcula. Una vez que el vibrador alcanza la
profundidad de diseo, el tratamiento se realiza por intervalos de profundidad. Durante la
compactacin, se rellena con una arena limpia desde la superficie para compensar la
reduccin del volumen del suelo debido al proceso de densificacin; con esto se mantiene
la elevacin original. Este mtodo se utiliz con xito en el Puerto pesquero en Alvarado,
Veracruz, en 1963.
Compactacin a profundidad con probetas. Consiste en la compactacin producida por
vibraciones verticales generadas por vibradores en la superficie, conectados a probetas
metlicas que se introducen en el suelo. Estas vibraciones provocan en el suelo
sumergido, y que se encuentra alrededor de estos elementos, un aumento en la presin
de poro hasta que se licua de una manera controlada; al disiparse este exceso de presin
de poro, el suelo toma un arreglo ms compacto en forma cilndrica, el cual debe
traslaparse para obtener un suelo homogneamente compactado.
Existen varias geometras y diseos de probetas; en Mxico se han utilizado tubos
circulares (Smano y Schmitter, 2004), o en forma de Y (Avelar, 2004). Los principales
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factores que influyen en este mtodo son el espaciamiento, el tiempo de vibrado y el
manejo de la probeta (insercin, suspensin y extraccin). No existe un procedimiento
racional de diseo para la seleccin de estos parmetros, por lo que se debe disear con
base en datos recabados en la experiencia o con reas de prueba.
Compactacin dinmica. Este mtodo consiste en dejar caer una masa repetidamente
desde una cierta altura. La reaccin del suelo ante la compactacin dinmica depende del
tipo de suelo y de la energa que le sea impartida por los impactos que tienen un arreglo
predeterminado. La energa es funcin de la masa, altura de cada, espaciamiento de la
cuadrcula y nmero de cadas en cada punto. Las masas son usualmente bloques de
concreto, bloques de acero o una serie de placas de acero sujetas entre s.
Las masas se dejan caer de 2 a 10 veces en el mismo lugar, siguiendo un patrn de
cuadrcula con espaciamientos entre 1.80 y 5 m. El procedimiento normalmente se hace
con ms de una pasada o serie de apisonamientos, rellenando los crteres que se forman
entre pasadas. Se realiz mejoramiento masivo de suelos con esta tcnica en la
Modernizacin de la Refinera Lzaro Crdenas, en la ciudad de Minatitln, Veracruz.
Mtodos con refuerzo de suelos
Vibrosustitucin. La vibrosustitucin constituye un mtodo de mejora de terreno,
mediante la rigidizacin que produce la introduccin de columnas de grava en los orificios
creados por un vibrador de fondo.
La grava proporciona una mejor transmisin de la fuerza vibratoria al suelo circundante, y
por tanto incrementa el efecto de densificacin. Otros beneficios son el control de la
presin de poro por medio de la columna de grava, que acta como dren, y la reduccin
de esfuerzos cortantes cclicos en el suelo, debido a una concentracin de esfuerzos en la
columna, ya que posee mayor rigidez que el suelo que la rodea, adems de tener un
efecto de deformacin limitada.
Los dos mtodos de instalacin ms comunes son: vibrosustitucin por va hmeda y
vibrosustitucin por va seca. A ste ltimo tambin se le llama vibrodesplazamiento.
El mtodo de vibrosustitucin por va seca, se utiliza para mejorar suelos finos blandos,
creando perforaciones mediante el desplazamiento del terreno producido por las fuerzas
horizontales impartidas por el vibrador, ayudado por aire comprimido en cada punto del
tratamiento.
Los procesos de vibrosustitucin va hmeda y vibrodesplazamiento implican la realizacin
de la perforacin por medio de agua y aire a presin, respectivamente, hasta una
profundidad especfica, alimentando la perforacin con grava, a partir de esta
profundidad se empieza a introducir y extraer el vibrador con una vibracin de 30 Hz, por
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lo que la grava se empieza a densificar y adherir en el suelo circundante. En Mxico se ha
utilizado con xito en Manzanillo.
7.- Torre Mayor CDMX
El diseo ssmico propuesto que se utiliz en La Torre Mayor ofrece un innovador concepto de absorcin de la energa ssmica para edificios altos. Para obtener una informacin realista con respecto a la sismicidad y la respuesta de la misma, se llev a cabo un anlisis de interaccin con la estructura del suelo y un anlisis del espectro especfico del sitio. El edificio est equipado con dispositivos disipadores de energa en un sistema de amortiguadores altamente eficientes para reducir las fuerzas ssmicas en la estructura y sus consiguientes movimientos.
La cimentacin para la Torre Mayor es una combinacin de sistemas conformado por pilotes de concreto y losas. El edificio est basado en pilas de hasta 1.50 m de dimetro llegando al estrato duro o depsitos profundos hasta 40 m, existentes debajo de la capa de depsitos de suelo suaves tpicamente encontrados en Ciudad de Mxico. El sistema de losa de cimentacin de concreto reforzado conecta todas las pilas y al muro de cimentacin de 800 mm. de espesor en el nivel ms bajo de los stanos.
El diseo incorpora un grado de redundancia para asegurar la accin uniforme bajo las ms severas fuerzas ssmicas. En teora, el edificio puede soportar un sismo de 8.5 grados en la escala de Richter, una fuerza que podra derrumbar cualquier otro edificio del tamao de Torre Mayor.
Torre Mayor es el primer edificio en Latinoamrica en contar desde su diseo con enormes amortiguadores ssmicos.
La seguridad estructural de Torre Mayor ha sido calculada para exceder los requerimientos de los Reglamentos de
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Construcciones de la Ciudad de Mxico y California, que son los ms rigurosos del mundo y proporcionar al mximo de seguridad y confort a sus ocupantes. La estructura de acero y concreto cuenta con 98 amortiguadores ssmicos que reducen al mnimo su desplazamiento durante un sismo, amortiguando y disipando una porcin importante de la energa que la torre absorbe.
8.- Bibliografa
Tendencias en la construccin de Cimentaciones profundas Walter I. Paniagua Z., Pilotec, S.A. de C.V. Alberto Jaime Paredes, Divisin de Ingeniera Civil, Topogrfica y Geodesia, UNAM
PERSPECTIVA ACTUAL DE LAS CIMENTACIONES PROFUNDAS Walter Ivan Paniagua Zavala, Jos Luis Rangel Nez y Enrique Ibarra Razo.
Comportamiento y Diseo de Cimentaciones Profundas en la Ciudad de Mxico Especialidad: ingeniera civil Dr. manuel jess mendoza lpez Septiembre 20, 2007 Mxico, D. F.
LA MECNICA DE SUELOS Y LAS CIMENTACIONES EN LAS CONSTRUCCIONES
INDUSTRIALES
Prof. Dr. Jorge A. Capote Abreu
Estructura Ssmica de la Torre Mayor
www.torremayor.com.mx/index.php/es/.../k2/.../214-losa-cimentacion