Espacios de Ingeniería

1. Los Estudios Geotécnicos, Una Necesidad en las Obras Civiles.

En muchas ocasiones, se habla de la importancia de ejecutar una exploración de campo e investigación de laboratorio, las cuales se deben complementar con un análisis de ingeniería, sobre la utilización de los suelos en forma hidráulica y mecánica, para lograr una buena relación entre el terreno y la estructura. Sin embargo, estos procesos muchas veces no se hacen, y como resultado de esto se presentan las fallas estructurales y por ende pérdidas de tiempo y dinero.

Se sabe que el comportamiento de una estructura, y especialmente de una edificación, depende en gran parte de la superestructura y cimentación o fundación. “El costo de esta ultima muy rara vez excede una decima parte del costo de la estructura; pero de la fundación depende la seguridad de la superestructura, y todo intento por economizar en esta parte de la obra podría poner en riesgo la superestructura aunque esta haya sido bien proyectada y bien estudiada” – Tomado de Estudios Geotécnicos de José Guardo Polo.

Cabe resaltar que el comportamiento de toda la obra depende también, del terreno sobre el cual se apoya, de las condiciones de este y de la forma como hayan sido incorporadas al diseño de la estructura. El mayor interés se encuentra en la resistencia del material y el asentamiento que generara las cargas sobre él.

“la razón más importante para ejecutar el estudio geotécnico es tener una seguridad razonable para la obra, al menor costo posible, con lo cual se evitan contratiempos y demoras durante la construcción” – Tomado de Estudios Geotécnicos de José Guardo Polo.

Muchas veces, los problemas de una obra consisten en encontrar terrenos inestables o material poco estable, para evitar situaciones como esta, se deben utilizar los estudios Geotécnicos, para así rediseñar los cimientos. De aquí resulta, claro que el estudio geotécnico debe ser un requisito indispensable en un proyecto para su preparación y ejecución.

Aquí en Colombia existen varias leyes como las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistentes, NSR 98, Ley 400 de 1997 y el Decreto 33 de 1998. Sin embargo para entender estos decretos y normas, se debe realizar primero una revisión de conceptos.

2. Revisión de Conceptos.

2.1. Estudio Geotécnico y Clasificación de un Proyecto.

Un Estudio Geotécnico “es el conjunto de actividades que comprenden la investigación del subsuelo, los análisis y las recomendaciones de ingeniería para el diseño y construcción de obras en contacto con el suelo o la roca, de tal forma que se garantice el comportamiento adecuado de la edificación y se protejan las vías aledañas, las instalaciones de servicios públicos y los predios y construcciones vecinas.” – Tomado de Revisión de Conceptos Relacionados con estudios Geotécnicos.

La Normas definen dos tipos de Estudios Geotécnicos básicos: el preliminar, encomendado para proyectos importantes o de magnitud considerable, que implica la definición de los aspectos ya mencionados, y el definitivo que es para un proyecto específico y comprende al menos los siguientes puntos:

• Proyecto (nombre, plano de localización, objetivo y alcance del estudio, descripción general del proyecto y sistema estructural y cargas esperadas).

• Subsuelo (origen geológico, morfología, resumen de la investigación “in-situ”, descripción visual, características físico–mecánicas y niveles de agua e interpretación).

• Análisis geotécnicos (resumen y criterios según el “Diseño Geotécnico”).

• Recomendaciones para diseño (tipo de cimentación, profundidad de apoyo, presiones admisibles, asentamientos calculados, perfil para diseño sismo resistente, parámetros para evaluación de interacción dinámica suelo –estructura)

• Recomendaciones para construcción (procedimientos constructivos, tolerancias, Instrumentación, protección de drenajes).

• Anexos (planos, registros, resultados de ensayos, perfil del subsuelo, resumen de memorias de cálculo, fotografías, esquemas, dibujos, otros).

La Norma define cuatro tipos de perfil de suelo, que afectarán el diseño sismo resistente (mediante un coeficiente de sitio “S”) partir de una caracterización muy general del suelo presente bajo la estructura (Grafica 2.1).



El primer factor se establece a partir del tipo de construcción que se piense edificar, es decir casa ó edificio, en función del área del lote y/ó cantidad de viviendas para el primer caso, y, el área del lote y/ó número de pisos en el segundo caso (Tabla 2.1).


Cruzando estas categorías con la variabilidad establecida para el subsuelo (segundo factor) a partir de los estudios de zonificación y algunos otros parámetros, se obtiene la matriz de complejidad que determina cuatro grados diferentes y que se reflejarán en requisitos para adelantar el Programa de exploración del subsuelo (Tabla 2.2).

Ahora el Geotecnista puede definir el tipo y cantidad mínima de exploración del subsuelo que requiere adelantar para llevar a cabo la caracterización del suelo en forma adecuada. La cantidad y profundidad mínima de los sondeos que se deben realizar se dan en función del grado de complejidad en que se haya clasificado el proyecto (Tabla 2.3).


La norma establece unos criterios adicionales a tener en cuenta al momento de definir la cantidad y profundidad mínima de sondeos, además para cuando se tienen unidades repetidas de construcción, bien sea casas o edificios. Por ejemplo se establece que los sondeos se deben realizar a partir del nivel más bajo de excavación (para sótanos).

Los ensayos de laboratorio permiten a su vez clasificar el suelo de fundación y determinar sus propiedades físico–mecánicas e hidráulicas (resistencia al corte, deformabilidad, expansión, permeabilidad, etc.) para el posterior análisis y recomendaciones de diseño y construcción a que tiene lugar.


2.2. Alcances de un Estudio Geotécnico.

El Estudio Geológico, comprende dos aspectos fundamentales:

1. Investigación del Subsuelo: abarca el estudio y conocimiento de su origen geológico, la exploración de campo y laboratorios necesarios para cuantificar las características físicas, mecánicas e hidráulicas del suelo.

2. Análisis de Ingeniería: comprende la interpretación técnica que permita la caracterización del subsuelo y la evaluación de os posibles mecanismos de falla que hagan posible suministrar los parámetros y recomendaciones necearías para el diseño y la construcción de las cimentaciones.


2.3. Contenido del Estudio Geológico.

a. Identificación del Proyecto: localización, objetivo del estudio, descripción general del proyecto, sistema estructural y cargas.

b. Subsuelo: Resumen de la investigación ejecutada, morfología del terreno, origen geológico, estratigrafía, características mecánicas, nivel de aguas subterráneas y comportamiento del proyecto.

c. Análisis Geotécnico: Resumen de los resultados y justificación de los criterios geotécnicos adoptados para determinar estados limites de falla, modos de falla, etc.

d. Recomendaciones para Diseño: Se incluyen tipo de cimentación, profundidad de apoyo, capacidad de carga admisible, asentamientos, perfil suelo para análisis y diseño sismo-resistente, interacción suelo-estructura, comportamiento del depósito y estabilidad de excavaciones.

e. Recomendaciones para Construcción: Procedimientos de Construcción, tolerancia de la cimentación, instrumentación, verificación y controles.

f. Anexos: Incluyen plano de localización general y de ubicación de apiques, ensayos in-situ, registros de perforaciones, resultados de ensayos y resumen de las memorias de cálculo, fotografías, planos, gráficos y cualquier otro elemento que justifique el estudio.

Una vez, aclarada el por qué de la necesidad de los estudios geotécnicos y haber revisado los conceptos básicos, se puede comenzar a analizar las normas colombianas NSR 98 y los diferentes decretos mencionados anteriormente.

SILVIA VIVIANA LOPEZ NIÑO
JUAN SEBASTIÁN LOZANO CHINCHILLA
CRISTIAN GERARDO BARBOSA GALEANO
RONAL ORLANDO SERRRANO ROMERO

Anteproyecto de Geología.
Presentado al Docente
ELIAS PINTO MARTINEZ

Una de las partes más importantes del diseño y construcción de una edificación, son los estudios geotécnicos que permiten determinar las condiciones del terreno en el cual se va a desarrollar la obra, con lo que se puede conocer las propiedades del subsuelo, para así, implementar el método más conveniente para la cimentación del proyecto.



Para poder entender la aplicación e importancia de los estudios geotécnicos y de la geología en la Ingeniería Civil, y más específicamente en la construcción de edificaciones; se tomo como estudio la obra en desarrollo ubicada en la Carrera 13 No. 44 -34, de Ekko Promotora S.A., y que tiene como nombre Céntrika. De esta se conocerá la descripción, el estudio de suelos y los métodos aplicados en la cimentación.


1. Edificación Céntrika.

La obra Céntrika es un edificio de 208 apartamentos, 3 locales y 202 parqueaderos, con un total de 12 pisos sin parqueaderos; ubicado en la Carrera 13 No. 44 -34 y a cargo de Ekko Promotora S.A. Este se desarrolla en un área de 2500 m2 y una pendiente descendiente de oriente a occidente del 11% aproximadamente.



“El edificio se construirá en pórticos convencionales de concreto reforzado y/o muros de carga, con luces entre ejes de columnas hasta de 5.05/6.29 metros. Las cargas previstas estimadas por áreas aferentes serán del orden de 500 Ton para cargas puntuales y hasta 60 Ton/ml para cargas lineales”



Tomado de Estudio de Suelos para el Proyecto a Construirse en la Carrera 13 No. 44 -34 de Bogotá. Página 1.


2. Aplicación de la Geología en el Proyecto.

La aplicación de la geología en la ingeniería civil es amplia, para el caso de edificaciones, consisten en la investigación del subsuelo y parámetros geotécnicos aplicados en el estudio de suelos necesarios para la obra. A partir de este se plantea una metodología de diseño (cimentación, placa de contrapiso, excavación, drenajes y consideraciones sísmicas).

En el caso de Céntrika, la aplicación de la geología en el estudio de suelos se dividió en la investigación y los resultados arrojados.

2.1. Investigación del Subsuelo y Estudio de Suelos.

La investigación comenzó con 5 perforaciones así: una de 50 metros, dos de 20 metros y dos de 15 metros; con los cuales se realizaron ensayos de consistencia de suelos arcillosos y densidad de suelos granulares encontrados. Adicionalmente se midió la resistencia al corte de los suelos arcillosos y se tomaron muestras para laboratorio.

2.2. Resultados del Estudio de Suelos.

2.2.1. Descripción del Subsuelo.

La estratigrafía detectada a través del estudio de suelos está conformada por depósitos de piedemonte oriental, el cual tiene una descripción promedio de:

a. Entre 0 y 9/16.50 metros se encontró arcilla gris de consistencia dura a medio firme, con algunos sectores de arena, gravas y turba. Su resistencia al corte varía entre 3.77 y 0.50 kg/cm2.

b. Entre 9/16.50 y 16.50 metros se encontró arena habana con gravas de densidad media suelta. Con resistencia al corte similar al anterior.

c. Entre 16.50 y 24 metros se encontró arcilla habana gris rojiza oxidada de consistencia dura a blanda. Su resistencia al corte varía entre 1.77 y 0.25 kg/cm2.

d. Entre 24 y 29.50 metros se encontró conglomerado compuesta por arena gris habana y gravas de arenisca de densidad compacta. La resistencia al corte es similar al anterior.

e. Entre 29.50 y 50 metros se encontró arcillolita de resistencia muy compacta.

A partir de lo anterior se puede concluir que los primeros 3 metros de subsuelo tienen una pequeña pre-consolidación, luego subsuelos de consistencias bajas hasta 20 metros, y en adelante aumenta gradualmente su consolidación.

2.2.2. Nivel Freático.

A partir de las excavaciones hechas para el estudio de suelos, se detecto el nivel freático del terreno entre 2.20 y 3.40 metros de profundidad. Este nivel podrá variar de acuerdo con el régimen de lluvias; debido a esto, se debe encontrar una solución que evite que este nivel freático aumente al punto de afectar la obra.

2.3. Decisiones y Propuesta de Cimentación.


A partir de los resultados del estudio de suelos se pudo concluir que el apoyo directo de las cargas generaría una consolidación excesiva con deformaciones totales y diferenciales inadmisibles, por lo que en el proyecto se debe buscar una tipo de cimentación alternativo que traslade las cargas por fricción a lo largo del subsuelo y pueda crear un sistema de fundación que se explicara a continuación.

2.3.1. Sistema de Fundación

El sistema de fundación para la cimentación del proyecto, consiste en 295 pilotes cilíndricos, con un espaciamiento de 2.50 m de diámetros y a razón de 1 a 3 por columna; de concreto reforzado, pre-excavados y fundidos de 40 cm de diámetro y una profundidad de 24 metros a partir de la loza de contrapiso y de la cota actual del terreno. Cabe resaltar que se utilizo un concreto SIU (concreto industrializado) de una resistencia de entre 3000 y 4000 Psi.

A partir de la estratigrafía detectada en el terreno se definió una longitud de 24 metros con el objetivo de garantizar el empotramiento de los cimientos en el conglomerado encontrado a 24 metros de la superficie.


2.4. Validación de la Cimentación.

Con base en la estratigrafía y el método de cimentación planteado, la oficina de Ekko Promotora S.A., podrá dar al diseño de cimentación la aprobación siempre y cuando los asentamientos y esfuerzos estén dentro de los parámetros establecidos.

En el caso de los asentamientos se obtuvo una condición de asentamiento elástico para el nivel de cargas dadas por la cimentación, la cual tiene un valor hasta de 4 metros. Estas cargas forman lo que se conoce como bulbo, y es la forma de reacción del terreno ante las cargas de la cimentación.



Ahora teniendo en cuanta las cargas aplicadas y dada la cimentación se obtienen esfuerzos verticales máximos de 8.40 Ton/m2 en el suelo de apoyo, teniendo un esfuerzo cortante máximo unitario de 1.35, lo que se considera admisible.

2.5. Placa de Contrapiso.

La placa de contrapiso que se utilizara en el proyecto está calculada a partir de los valores obtenidos del estudio geológico y de la cimentación aplicada. Esta tendrá un espesor de 10 cm y refuerzo por temperatura, que se fundirá sobre 20 cm de recebo compacto.

2.6. Drenajes

Por debajo de la placa de contra piso y dependiendo del estado de esta, se proyecto una red de drenajes en espina de pescado compuesta por tubería de 4 pulgadas de diámetro cubierta con gravilla y arena de rio mezcladas, con un ancho de 0.50 m y 0.70 m de altura.

2.7. Consideraciones Sísmicas.

Con base en el Decreto 33 de 1998, el suelo de este proyecto es de tipo S2.


3. Conclusiones del Proyecto.

a. Para buscar una mayor estabilidad en la cimentación se deben evitar zonas, por lo general, donde haya existido actividad agrícola, ganadera o de deforestación, buscar suelos compactos, para que además de producir gran fricción en los elementos (método de cimentación que traslada cargas por fricción para la estabilidad de los elementos), posea alta presencia de conglomerados que ayuden al empotramiento de la cimentación.

b. Para hacer pruebas de laboratorio y determinar la composición del subsuelo, es importante realizar más de una excavación con diferentes profundidades, para que la precisión del estudio y resultados de las reacciones del subsuelo sea alta.

c. El diseño de la cimentación a aplicar en un proyecto, depende directamente de los resultados arrojados en el estudio de suelos, para así tener un sistema adecuado que tenga un equilibrio entre carga de la estructura y resistencia del suelo.

d. Los efectos de cargas puntuales sobre el terreno y aun más en suelos poco consolidados, aumentan el riesgo de asentamientos y hundimientos en el terreno que provocan daños graves en la obra.


4. Recomendaciones para Cualquier Edificación.

a. Teniendo en cuenta que los niveles freáticos dependen en gran manera con el régimen de lluvias, se recomienda utilizar un sistema de filtros, capaces de evitar la saturación de agua y el incremento del nivel freático; el cual podría captar el agua y transportarla a los pozos de inspección de la edificación.


b. Contando con la humedad del terreno, es de gran medida diseñar una napa de agua cuando las edificaciones introducen sus espacios dentro de la superficie (sótanos), ubicada en la parte inferior de la placa de menor cota de la edificación, la cual aisla horizontalmente toda la obra.


c. Es recomendable utilizar juntas de dilatación, en el momento de fundir y unir placas para independizar el trabajo y esfuerzo de cada una, ya que en el caso de fractura o falla de una placa por causa de movimientos del terreno por sismos o falta de manejo de aguas, el daño no sea masivo y afecte únicamente a la placa situada en el espacio causante del problema. Esto se recomienda en placas de cimentación.


d. Para evitar asentamientos y disipar cargas puntuales por la cimentación y peso de la estructura, es muy recomendable utilizar el sistema conocido como “pata de elefante”, el cual consiste en empotrar un elemento de cimentación a un fragmento de mayor área la cual disipa la carga puntual y disminuye el efecto sobre el terreno.

e. Otra recomendación para evitar asentamientos y disipar cargas puntuales, es utilizar el concreto SIU (sistema industrializado), el cual tiene la capacidad de auto-compactarse; y las pantallas disipadoras como elemento de cimentación, que cumplen la misma función de las llamadas “patas de elefante”.



ING. SILVIA VIVIANA LÓPEZ NIÑO
ING. JUAN SEBASTIÁN LOZANO CHINCHILLA
ING. CRISTIAN GERARDO BARBOSA GALEANO
ING. RONAL ORLANDO SERRANO ROMERO

Estudio de Suelos para el Proyecto en construcción
En la Carrera 13 No. 44 -34 de Chapinero - Bogotá D.C.

Presentado al Docente
ELÍAS PINTO MARTÍNEZ