Suelos y Fundaciones[1]

CONSTRUCCIONES UNO 2008 FACULTAD DE ARQUITECTURA, DISEÑO ARTE Y URBANISMO - UNIVERSIDAD DE MORÓN

SUELOS Y FUNDACIONES

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Elaboración propia, sobre textos varios. Copyright taller@ 2008. Todos los derechos reservados.

INTRODUCCIÓN

En Introducción a las Construcciones, hablábamos de la CAJA ARQUITECTÓNICA, o CAJA EDILICIA, esto es la "CAJA" que se delimita (construye), con las partes verticales (o de función vertical; los muros, los tabiques etc.), y las partes horizontales (o de función horizontal: como las cubiertas y los

entrepisos), quedaba pendiente un tema

La relación entre la CAJA EDILICIA y el SUELO sobre el cual se asienta.

Cuando decimos, suelo, nos referimos al terreno donde debe ser construido el edificio. La topografía

del mismo (los desniveles) y la constitución de los suelos (características de sustancia y contenidos de humedad), son variables de consideración que el diseñador debe tomar en cuenta en su proyecto.

Entre la CAJA EDILICIA y el SUELO, deberemos construir una parte del edificio que establezca una

situación de equilibrio con las dos variables del terreno que hemos definido: los NIVELES y el TIPO DE SUELO.

A esta parte del edificio la denominamos FUNDACIONES, y configuran una parte distintiva de la CAJA EDILICIA.

Tiene una presencia oculta, cuando la obra esta terminada, las FUNDACIONES no se verán. Pero de la

correcta solución de esta parte del edificio dependerá el futuro del mismo.

Una resolución inadecuada de esta parte de la obra, que debe establecer una relación de equilibrio

entre edificio y terreno, tendrá como consecuencias importantes patologías (fallas, fisuras, humedades etc.).

Los niveles, para adecuar la geometría de nuestra CAJA EDILICIA, a la superficie del terreno, y una

relación entre las cargas (los pesos del edificio y su uso) que se transmiten y la capacidad del suelo para resistirlas, son puntos de importancia en la buena resolución de un proyecto.

Como una introducción al tema, el presente documento incorpora un breve resumen de conceptos

sobre las condiciones y tipos del suelo, los tipos de fundación, y algunas imágenes con comentarios.

SUELOS

1. PROPIEDADES FÍSICAS.

Dado que, si bien la compleja composición con que los suelos se presentan hace necesario su reconocimiento a través de técnicas de laboratorio, existen algunas formas “in situ” que hace posible

una pequeña aproximación.

Los suelos están constituidos por partículas de diversos tamaños.

Hay determinados tipos de suelos fácilmente reconocibles a simple vista: (por ejemplo: gravas y arenas).

En general éstos se presentan mezclados entre sí en diferentes proporciones y granulometrías.

Los granos de tamaño mayor de 0,06 mm pueden ser examinados a simple vista o con una lupa y constituyen la “fracción gruesa” de los suelos.




Los granos de dimensiones inferiores a los 0,60 mm se consideran pertenecientes a la “fracción fina” o “muy fina” y para su análisis deben ser examinados con microscopios.

2. PROPIEDADES HIDRÁULICAS.

Todos los suelos en razón de estar compuestos de partículas de diversas granulometrías, dejan entre ellas intersticios que pueden contener agua o vapor de agua y aire en distintas proporciones. Se dice que un suelo está saturado cuando el agua ocupa el 100% del volumen de espacios vacíos.

Los suelos de tipo cohesivos pueden cambiar algunas de sus propiedades (por ejemplo la plasticidad), con el solo hecho de variar su contenido de humedad.

Por otro lado, suelos de tipo no cohesivos adquieren una aparente cohesión en presencia de humedad, que desaparece con ella cuando ésta es eliminada.

Otra de las propiedades que se distinguen en los suelos con relación a su contenido de agua, es la

permeabilidad.

Cuando un suelo permeable tiene a continuación una capa de mayor densidad, puede ocurrir que las

aguas filtradas se acumulen en él formando un manto horizontal y variaciones de nivel a partir de ésta; en éste caso estamos en presencia de una NAPA FREÁTICA.

3. PROPIEDADES MECÁNICAS.

Las propiedades mecánicas de los suelos, tienen que ver con: la resistencia a la compresión; la resistencia al corte y a las deformaciones plásticas y a la relación tensión – deformación.

4. COLOR.

Por su coloración un suelo puede también ser reconocido. Tratándose de gravas y arena, generalmente el reconocimiento se realiza a partir de sus características granulométricas y no por su color.

El color adquiere importancia cuando la granulometría no permite a simple vista saber que tipo de suelo se está analizando.

Entonces podemos decir, cuando se trata de:

Limos con materia orgánica, su coloración varía del gris al gris oscuro; éstos suelos son poco permeables y muy comprensibles.

Arcilla con materia orgánica, varía del gris oscuro al negro; saturadas son muy compresibles y secas adquieren buena resistencia.

Arcillas secas y compactas, van del color amarillento a castaño (tierras coloradas); son suelos

considerados no compresibles.

La turba, suelo no apto para fundar, varía su coloración del castaño claro al negro.

Hay suelos que por su característica de formación bajo ciertas condiciones particulares se los identifica con facilidad. Mencionaremos a continuación algunos de ellos:

LOESS: son formaciones limosas de origen eólicos, de grano muy fino (0,01 a 0,05mm).

TOSCA: son suelos de composición variable, en general de origen loésico con gran composición de

calcáreo. La presencia de caliza le da una coloración amarillo-blancuzca.

CREDA: compuestas por arcillas plásticas más o menos compactas y arenas arcillosas.




TURBA: de aspecto terroso, es el resultado de la descomposición de restos vegetales acumulados en lugares pantanosos.

ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LAS CONDICIONES DEL SUELO Y SU ESTUDIO.

Puede ocurrir que el tipo de suelo sobre el que se proyecta construir, varía en forma significativa a lo largo de toda la superficie prevista, con lo cual no resulta fácil la elección del tipo de fundación y su

profundidad.

Podemos encontrar variedades de suelos, que puede tener comportamientos de expansión, (se han

encontrado suelos arcillosos que se llegan a expandir hasta 23 cm o más al someterlos a largos periodos de humedecimiento o secado); o comportamientos de depresión, (los suelos con alto contenido orgánico llegan a comprimirse con el paso del tiempo bajo el peso del edificio, disminuyendo

su volumen inicial y provocando el hundimiento de la estructura).

Por estos motivos, los análisis geológicos y del suelo son necesarios para saber si una edificación

proyectada se puede mantener adecuadamente y para hallar los métodos más eficaces y económicos.

Como arquitectos debemos tener capacidad de "leer" y "comprender", el informe del especialista, y poder elegir entre las alternativas que nos propone, o proponer otras.

Un estudio de suelos, (así se llama al análisis de características y posibilidades de cargas que puede soportar un suelo, realizado por un profesional competente) no es un servicio costoso, y toda obra de cierta significación debería tenerlo.

Esto es al margen que las normas municipales lo indiquen o no. Al referirnos a un edifico de significación, estamos incluyendo una vivienda de dimensiones normales.

Para realizarlo, se toman muestras del terreno, donde se implantará la edificación, a diferentes profundidades, y se las ensaya y analiza en laboratorio.

El profesional a cargo, garantiza con su matrícula y firma, los resultados de los ensayos y de todos los análisis que de ellos se desprendan.

El estudio de suelos nos indicará:

Tensión admisible del suelo: es la capacidad portante de los suelos, es decir cuanta carga puede

soportar. Esta irá variando conforme varía la profundidad de la muestra tomada. La unidad de tensión más común es Kg/cm2.

Plano de fundación: Es la profundidad en la cual encontramos una tensión de suelo, que pueda

soportar las cargas planteadas por el edificio, con una fundación eficaz y económica.

Por lo general, el profesional a cargo del estudio, también aconseja en él, los tipos de fundaciones

más adecuadas para el suelo analizado.




Fundaciones

FUNDACIÓN: Dice el diccionario, entre otras acepciones, “Principio u origen de una cosa”.

Esta definición es muy general y nos habla de la importancia de éste tema, ya que para los edificios su “nacimiento” (en lo que respecta a la materialización), repercutirá de manera significativa en el

resto de la construcción. Si bien una vez concluida la obra, las FUNDACIONES o CIMIENTOS no se manifestaran, (no

quedan a la vista) el diseño de los mismos ha significado una respuesta a una problemática compleja (como todos los problemas de diseño) en el que intervendrán por lo menos aspectos mecánicos, funcionales, económicos, tecnológicos, del suelo, el clima, entre otros.

El CIMIENTO es la vinculación en un sentido amplio y estricto del edificio y el suelo.

Este vínculo deberá cumplir con las necesidades de llevar al suelo las cargas (pesos) que el resto de la estructura va recibiendo de toda la construcción Generalmente las cargas (pesos) de los edificios son más importantes, pero, debemos tener en cuenta

también la acción del viento, que al producir succión crea una reacción en la fundación contraria a la gravedad, debiéndose comportar esta como un peso, un lastre, que contrarreste la acción.

El punto de contacto de los cimientos con el plano de fundación, o mejor dicho, la superficie de apoyo de la fundación, (ya que no es un punto) estará determinada por la magnitud de las cargas (pesos) del

edificio y la tensión admisible del terreno. Como toda tensión (fuerza/superficie) su unidad se expresa en Kgr/cm2 o cualquiera de sus equivalentes. Para el área del gran Buenos Aires un promedio posible (atención!! que siempre es

mejor realizar un estudio de suelo) se ubica entre 1,5 a 2 Kgr/cm2

La determinación del plano de fundación, está dado por el conocimiento particularizado del terreno en cuestión, el que surge de un “Estudio de Suelo”.

Un elemento muy importante a tener en cuenta es la presencia de agua, ya sea como humedad del terreno natural, como ríos subterráneos, como eventuales urgencias de una excavación, como posibles

inundaciones de aquellas por acción de las lluvias durante la construcción o como invasión de cursos próximos, etc.; debiendo en cada caso adoptar una solución y precaución diferente, ponderando cada alternativa.

Los materiales que utilizaremos estarán determinados con los mismos criterios generales,

disponibilidad, costos y la relación con su aplicación; o sea, el empleo de la mano de obra que se disponga y las condiciones para su empleo.

TIPOS DE FUNDACIONES

1. DIRECTAS o SUPERFICIALES: (cuando el plano de fundación se encuentra a poca distancia bajo la base del edificio)

1.1 PLATEAS: Losa única que cubre toda la superficie ocupada por la construcción.




1.2. BASES: Base cuadrada o rectangular.

Individual: recibe una columna.

Combinada: recibe un grupo de columnas.

Individual con viga de fundación: recibe la carga de un muro.

1.3. PILOTINES: Base circular con diámetro no mayor a los 30cm. Con viga de fundación: recibe la carga de un muro.

1.4 ZAPATA CONTINUA. Recibe la carga de un muro. Tiene apoyo continuo sobre el plano de

fundación. Han quedado prácticamente en desuso, por ser antieconómicas, pero podemos

encontrarlas en muchos reciclados de casas antiguas, (60 o 70 años) realizadas con ladrillos.

2. INDIRECTAS o PROFUNDAS: (cuando el suelo resistente o plano de fundación se encuentra a

varios metros bajo la superficie del terreno). 2.1 PILOTES:

Pilotes hincados.

Pilotes in situ.

2.2. PILARES DE FUNDACIÓN: Pozos Romanos.

ALGUNAS CONSIDERACIONES, PARA LA ELECCIÓN DE UN TIPO DE FUNDACIÓN.

La elección de los cimientos para un edificio determinado dependerá de la resistencia del suelo, y la magnitud de las cargas estructurales.

Los cimientos más económicos son las bases de hormigón armado, empleados para edificios en zonas cuyo suelo no presenta dificultades especiales. Estos cimientos consisten en planchas de hormigón situadas bajo cada columna de la estructura. Bajo los muros de carga, pueden darse, o una plancha

continua (zapata continua) o lo más común que son las bases individuales con vigas de fundación o pilotines con vigas de fundación.

Los cimientos de losa continua (platea) se suelen emplear en casos en los que las cargas del edificio son tan extensas y el suelo tan débil que las bases, o zapatas, por sí solas cubrirían más de la mitad de la zona de construcción.

La platea, consiste en una losa de hormigón, reforzada con acero, que soporta el peso hacia abajo procedente de cada pilar y muro.

El peso de la carga que soporta cada zona de la superficie del suelo debajo de la losa no es excesivo y se distribuye por toda la superficie.

En las grandes losas que soportan edificios de gran envergadura, las cargas se reparten más a

menudo por medio de nuevos cimientos y muros cruzados, que rigidizan la losa.

Los pilotes (hincados o in situ) se emplean exclusivamente en zonas en las que las condiciones del suelo próximo a la superficie no son buenas.

Están fabricados con hormigón o acero y se colocan agrupados en pilares. Los pilotes se introducen a determinada profundidad dentro del suelo y luego cada pilar se cubre con una capa de hormigón

armado llamado cabezal.




Un pilote puede soportar su carga tanto en su base como en cualquier parte de su estructura por el rozamiento superficial.

La cantidad de pilotes que debe incluirse en cada pilar dependerá de la carga de la estructura y la capacidad que soporte cada pilote de la columna.

Un pilote de hormigón puede tener cualquier altura que se necesite y puede introducirse en la mayoría de los casos, por debajo del nivel freático.

En edificios muy pesados o muy altos se emplean pilotes de acero, llamados por su forma, pilotes en

H, que se introducen dentro de la roca, a menudo hasta 30 m de profundidad.

Con estos pilotes se alcanza más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes de hormigón.

Aunque los pilotes de acero son mucho más caros, su costo está justificado en los grandes edificios, que suelen representar una importante inversión financiera.

Los cimientos de pilares de fundación o pozos romanos se emplean cuando hay un suelo adecuado

para soportar grandes cargas, bajo capas superficiales de materiales débiles como turba o tierra de relleno.

Un cimiento de pilares de fundación o pozos romanos consiste en unos pilares de hormigón construidos en forma de cilindros que se excavan en los lugares sobre los que se asentarán las vigas de la estructura.

Fin.




Esta es la vista del terreno, con los pozos cavados de las bases y el encadenado. Lo irregular de la superficie, junto con las

montañas de tierra, es una constante cuando se realizan estos trabajos, sobre todo si el terreno no cuenta con zonas

libres de construcción, donde poner la tierra.

Zanja abierta para la viga de encadenado. El encofrado, el

molde, es la misma tierra.

Al fondo se ven las extensiones del tronco de la base,

donde luego se tomarán los hierros de las columnas.

Pozo de base, cavado directamente en la tierra. Se ha llenado la misma con hormigón, dejando a la vista aún la

armadura del tronco, cuyas extensiones veíamos en la foto anterior. Se ha conformado la superficie superior de la

base inclinándola. Luego que se llena el tronco se deberá tapar con tierra, hasta el nivel de terreno.




Zanjas para la viga de encadenado, con la armadura en su posición, lista para comenzar a llenar.

En la foto de abajo a la izquierda, se aprecia el cruce de armaduras entre la

viga y el tronco de la base, para que se materialice un anclaje entre uno y otro.

La herramienta que aparece aquí, se llama grifa, y sirve para ejecutar el doblado de los hierros. El largo del mango es para ampliar el brazo de

palanca, y realizar el doblado con menos esfuerzo. Debajo de la grifa, sobre la madera está lo que se denomina estribo, que son los elementos que permiten darle forma y sostén a la armadura principal

de vigas y columnas. Algunas veces también colaboran, con la armadura principal en la función estructural.

Vemos un pequeño banco de armado, de la armadura.

También podemos ver la armadura de la viga de encadenado, con tres hierros

en la parte superior, y los estribos, bastante juntos.




Una arquitecta en formación (AenF) en el año 2003, envió al aula virtual (qué lejos quedó el “aula

virtual”, ahora usamos foros) un par de preguntas sobre el tema fundaciones, motivadas en la resolución de una ejercitación. La producción de las respuestas, fue un poco más allá, y generaron estas páginas.

P Soy Mercedes (así se llama la AenF) y te tengo que hacer una consulta con respecto al ejercicio del jueves (Construcciones 1).

A mí me dio que la carga total de la construcción necesita 10500cm2 de superficie de apoyo. Y si elijo

poner bases de 60x60cm, o sea de 3600cm2, me da que necesito 3 bases, y no lo veo razonable

porque ¿Cómo las reparto?, y achicarlas no puedo porque es el mínimo. Por lo tanto lo calcule con pilotines de 35cm de diámetro y me dio que necesito 11 pilotines y van cada 1,40m ¿Esta bien? ¿Conviene? porque Meyer nos dijo que no conviene hacer pilotines de 35cm de diámetro.

R El diámetro de los pilotines no es por conveniencia, sino por la necesidad emanada del cálculo, tal

como lo planteaste e hiciste vos. El tema será como ejecutarlos en la obra, y digamos que lo más complejo es realizar el pozo.

Cavar en forma de cilindro, y en diámetros reducidos no es fácil. Cuando cavamos con la "pala vizcachera" (donde su movimiento es circular, - como una mecha- y no

de corte y empuje como las palas planas) el diámetro está entre los 22 a 28 cm, dependiendo de la pala, las condiciones de la tierra, etc. Si contratás por alquiler una máquina para hacer los pozos, (ver la de la foto) todo dependerá de la

"mecha" utilizada. La máquina de la foto se llama Bobcat, y es en realidad un

sistema, pues a la misma máquina le podés agregar distintas herramientas, como pala excavadora o niveladora, o un martillo neumático.

Por la escala, fijate la relación con un hombre, es muy práctica para trabajar en espacios reducidos, y obviamente para trabajos chicos o medianos.

Hoy en día, no creo que tengas muchas posibilidades de elección, en cuanto a la mecha ya que el sistema, es

importado y en la relación dólar 1:1, tanto el sistema que se adapta a la máquina como los componentes ya eran en aquella época bastante costosos.

En el caso de la foto la mecha no debe ser menor a 30-35 cm, de diámetro.

Como imaginarás al verla, en un día se pueden hacer sin tanto esfuerzo muchos pozos para pilotines. Volviendo a lo que calculaste, digamos que la distancia, está en el límite de la separación mínima y razonable entre pilotines.

Pero no solo esto tendremos que evaluar, como profesionales al momento de decir Está bien??, nos

conviene? veamos, por ejemplo: Cuánto será el volumen de tierra a excavar??? Si hacemos 11 pilotines de 35cm diámetro o cuatro bases de 60x60 cm (Pongo 4 por que 3 que es lo

que te cubre el cálculo, pero como ya te diste cuenta no es fácil de repartir)




Supongamos el plano de fundación a 1,5m. del nivel del terreno.

Volumen pilotín : 0.144m3 multiplicado por 11 = 1.587m3, pero dijimos que la tierra al “sacarla” al moverla, se le incorpora aire, se “esponja” y eleva su volumen entre un 20 y un 30% con lo cual

tendremos en definitiva 1.983m3 de tierra. (Con un esponjamiento del 25%) En bases sería , 0.54m3 (0.60x0.60x1.50m) por base, por 4 = 2.16m3, con el esponjamiento se

convierte en 2.70m3.

En consecuencias deberemos en principio excavar y movilizar un 35% más de tierra, para las bases. Pero no olvidemos que en las bases, parte de la tierra deberá ser utilizada para volver a rellenar el pozo, que no ocupará en su totalidad la base. Con lo cual si bien debemos excavarlo, no todo el

volumen deberá ser retirado.

Analicemos la cantidad de hormigón para ambos casos: Pilotines, lo mismo que excavo, tengo que rellenar, volumen de hormigón = 1.587m3.

Bases, con una altura de 0.30m y un tronco de 0.25x0.25m, tenemos, (0.6x0.6x0.3m) +(0.25x0.25x1.20m) = 0.183m3, por cuatro, volumen total = 0.732m3.

En este caso las bases utilizan, menos de la mitad del hormigón que necesitan los pilotines.

También podríamos evaluar, el tiempo de ejecución de uno y otro sistema, la disponibilidad de materiales, y varias alternativas más.

A esta altura, estarás comprendiendo que las decisiones en arquitectura, no son para tomar a la ligera.

Y que lo que hace un profesional en serio, (que es lo que nuestra cátedra pretende formar) es esto, tener argumentos sólidos, que le permitan tomar las decisiones más convenientes, para la obra que está ejecutando.

Por último los “argumentos sólidos”, no se compran en el mercado, se investiga, se analiza, se debate, se piensa y se imagina. Y esto también es parte del DISEÑO.

No se vayan que hay más.............

P Mi otra consulta es: Si tengo la construcción retirada de la línea municipal y el muro de frente ocupa todo el ancho del terreno y este muro lleva toda una viga de encadenado por debajo ¿Cómo paso las cañerías, por ejemplo la de Gas si van por el contrapiso? ¿Cómo atraviesa esa cañería la viga de encadenado?

R Todo dependerá de la altura en que se encuentren, podría pasar por debajo o por arriba de la viga, y no tener necesidad de atravesarla.

Pero si tuviéramos que atravesarla, sin otra opción, lo primero a determinar, es cuál es el tamaño del objeto que la atraviesa.




Si fuera un caño de gas (no es correcto decirlo así, ya que no hay “caños de gas”, o “caños de agua” sino caños que transportan gas o agua) para una vivienda, te diría que podrías pasarlo casi por donde

quieras, (menos por donde están los hierros) pues su diámetro reducido, estaría como mucho en 1 ½” , es decir unos 37mm, no afectaría en nada a la viga.

Ahora que pasa si el caño es para desagües cloacales o pluviales, con diámetro de 110mm.??? Aquí la cosa es un poco más compleja, y tendremos que tener en cuenta varios factores

Es necesario ver antes, algo de estructuras.

Supongamos que la viga está sometida a un trabajo de flexión. Tenemos en el dibujo una viga, con una relación de sección 1-4 y al lado su diagrama de esfuerzos, de compresión en la parte de arriba

de tracción en la parte de abajo.

En el eje horizontal que pasa por el baricentro de la pieza, el esfuerzo es cero. Es cuando pasa de un esfuerzo a otro. No hay compresión, ni tracción. Se lo llama eje neutro.

Esto me está diciendo, que la materialidad que está más alejada, por encima y por debajo de este eje es lo “importante” en cuanto a tomar

esfuerzos (toma la mayor cantidad), lo que está próximo a él, toma, muy poco.

Esto indicaría que yo podría quitar la materialidad, muy próxima al eje neutro, y la pieza no sufriría una merma importante en su capacidad de tomar esfuerzos. El punto está en que no se pierda la vinculación, entre la parte de arriba y la de abajo, pues dejaría de

ser una pieza única, para ser dos.

Basados en este principio, y realizando una simplificación, se dice que si dividimos la altura de la pieza en tres partes, es en el tercio medio (rayado en el dibujo) donde podríamos realizarle huecos, y la pieza no se vería afectada.

Con esta explicación volvamos, a lo que estábamos investigando.

Cuando el conducto de pase, tiene una altura importante, habrá que tener muy en cuenta la altura de la viga.

Si el caño tiene 110mm de diámetro y la viga una altura de 200mm, uno diría que es casi imposible que la atraviese, pues estaría afectando a más del 50% de la altura de la viga.

Pero esto no es terminante, pues tendrá que ver la carga, que se transmite a la viga y el diseño de la misma, pues podría colocarse refuerzos adicionales de acero, que pudieran permitirlo.

Todo esto haría más compleja la construcción, y aquí deberíamos comenzar a analizar, el costo de realizar esto, o de llevar el caño por otro lugar o de otra forma, que no tenga que atravesar la viga.

Ya lo dijimos, pero me parece que vale repetirlo, una vez más:

“...las decisiones en arquitectura, no son para tomar a la ligera.” Fin.

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