Cómo mitigar los efectos de las arcillas expansivas

Las arcillas pueden presentar distintos grados de expansividad, dependiendo su respuesta a las variaciones de humedad a las que se vean sometidas. Al ganar humedad, presentan un incremento de volumen o hinchamiento según su grado de expansividad y al desecarse, justo lo contrario, el volumen disminuye produciéndose un agrietamiento del suelo.

Agrietamiento por desecación en arcillas expansivas. Imagen cedida por Laboratorio de Ingeniería y Medio Ambiente (IMASALAB)
Agrietamiento por desecación en arcillas expansivas. Imagen cedida por Laboratorio de Ingeniería y Medio Ambiente (IMASALAB)

Hay que tener en cuenta que las variaciones de humedad del terreno se producen en los primeros metros. A esto se le llama profundidad activa y en España puede rondar los 3 m.

Para identificar el grado de expansividad se emplean ensayos. Entre los más comunes distinguimos los límites de Atterberg, granulometría por sedimentación, el ensayo Lambe y el edómetro.

Una vez caracterizado el grado de expansividad, hay que actuar en consecuencia, no sólo con el diseño de la cimentación sino con el de la propia estructura y su entorno.

Hay que tener en cuenta que pueden obtenerse presiones de hinchamiento superiores a 0,25 MPa (2,5 kg/cm2), lo que hace que el terreno al aumentar de volumen no sea capaz de  levantar únicamente los elementos estructurales y no estructurales que cargan poco (correas de atado, soleras…) sino también puede producir el levantamiento de la propia cimentación al superar la tensión transmitida.

En vista de todo lo anterior, podríamos indicar una serie de criterios a seguir:

  • Mantener vistos los conductos de fontanería y saneamiento para que en el caso de rotura o fugas, pueda detectarse y repararse con rapidez.
  • Realizar una amplia acera alrededor de la estructura que mantenga el grado de humedad constante en el terreno. Se realizarán pendientes hacia fuera de la estructura de forma que no se acumule agua.
  • Realizar el apoyo de la cimentación lo más alejada posible de la capa activa. Si se trata de una estructura de edificación, mejor con sótano que sin él.
  • Si se trata de zapatas, no hay que ser generosos con el tamaño de la zapata. Imaginemos que tenemos una tensión admisible de 0.2 MPa. Cuando dimensionemos las zapatas a hundimiento, lo haremos precisamente con esa tensión admisible (no algo menos de forma que la zapata sea más grande y dotemos a la cimentación de más seguridad ya que en este caso ocurriría justo lo contrario). Si para verificar el hundimiento comparamos la tensión máxima transmitida por la zapata con la tensión admisible, para verificar la expansividad, justo lo contrario. Consideraremos la estructura con la menor carga posible (solo con permanentes) y comprobaremos que con la tensión transmitida en estas condiciones, superamos la presión de hinchamiento.
  • En el caso de no conseguir encajar las zapatas y tener que recurrir a losa (contraproducente en el caso que nos ocupa ya que minimizamos la tensión transmitida), la dimensionaremos con exigentes criterios de rigidez, para prevenir movimientos diferenciales.
  • En los dos casos anteriores de cimentación superficial, podemos minimizar aún más los efectos de la expansividad:
    • Disponiendo una capa de grava bajo la cimentación, de forma que cuando las arcillas se hinchen “fluyan” entre los espacios de la grava que hará de “colchón” y evitará los empujes directos sobre la base de la cimentación.
    •  No hay que olvidarse de los laterales. Si la superficie lateral del cimiento es importante, las arcillas pueden crear una tensión tangencial ascendente nada despreciable. Particularmente junto con la solución anterior he interpuesto en más de una ocasión en los laterales de la zapata o losa un material (como puede ser una lámina de poliestireno) que impida que las arcillas produzcan ese empuje ascensional sobre el canto.
  • Los pilotes también pueden dar buen resultado, pero hay que tener en cuenta que pueden funcionar como tirantes si el terreno “tira” hacia arriba de ellos. Lo que haremos es anclarlos lo suficiente en la zona inferior a la activa. Para mejorar el efecto podemos hacer algo similar a lo anterior, es decir, en la zona activa interponer un elemento de baja rugosidad (por ejemplo un tubo de PVC o acero) de forma que las arcillas no se peguen y produzcan un empuje hacia arriba sobre el fuste. Evidentemente en la zona superior donde dispongamos la camisa permanente no consideraremos resistencia por fuste en los cálculos a hundimiento. Bajo el encepado puede recurrirse a la capa de gravas citada anteriormente de forma que el terreno no produzca presiones elevadas sobre su base al expandirse.
  • Respecto a la estructura, lo más recomendable es hacerla lo más isostática posible de forma que admita los movimientos derivados del terreno sin crear esfuerzos adicionales.
  • Para terminar, otra cosa que podemos plantear es una mejora del terreno frente a la expansividad. Funcionan bastante bien las inyecciones de cal y aditivos a presión (estabilización profunda).

Por supuesto hay mucho más de lo que hablar en cuanto a precauciones se refiere pero con las que hemos indicado, nos podemos salvar de algún disgusto que otro.

 

Autor:  David Boixader Cambronero – Ingeniero Industrial. Consultor de estructuras.

Artículo de:  http://estructurando.net/2016/11/07/como-mitigar-los-efectos-de-las-arcillas-expansivas/

 

Una sencilla regla para predimensionar pilares de hormigón

En cualquier cálculo de estructuras se debe partir de unas dimensiones iniciales y entrar en un proceso iterativo en el que los esfuerzos obtenidos y el comportamiento del material nos van llevando a unas dimensiones óptimas.

Claro, mientras más cercanas sean las dimensiones iniciales a las óptimas de nuestro caso, menos iteraciones tendremos que hacer.

En este post vamos a describir un método muy sencillo para estimar el área de pilares de edificación.

 

pilares de hormigon predimensionar

La idea de este método parte en llevar las tensiones admisibles del hormigón a valores que permitan no superar la resistencia del hormigón y un armado medio. La simplificación consiste en asumir que las tensiones en el hormigón dependen del axil o carga vertical que le llega al pilar mayorado por un porcentaje para tener en cuenta la excentricidad debida a los momentos que le lleguen al pilar. Por tanto la expresión propuesta es:

Pilar de hormigón armado

Donde:

A es el área que necesitamos de pilar de hormigón armado

P es el la carga que recibe el pilar sin mayorar, la de servicio (a groso modo podemos decir que un forjado tradicional para vivienda carga unos 7,5 KN/m² con lo que sabiendo el número de pisos que soporta el pilar y su área de influencia, su obtención es directa).

fck es la resistencia característica del hormigón a compresión

α es el coeficiente según la tabla siguiente:

Situación del pilar

α

Pilar interior en primeras plantas

3,3

Pilar interior en últimas plantas si hay más de 5 plantas

4,0

Pilar extremo

4,6

Pilar de esquina

6,0

Este coeficiente α  ya tiene incorporado los coeficientes de seguridad de las acciones y los materiales, por eso en la formula la carga es en servicio y la resistencia es característica. Este hecho simplifica enormemente la fórmula, que es lo que se pretende.

¡Ojo con las dimensiones mínimas! La dimensión mínima para un pilar de hormigón armado es de 25 cm x 25 cm (según EHE-08) y, si estamos en zona sísmica (con aceleración de cálculo mayor o igual a 0.16g), de 30 cm x 30 cm.

Por último, comentar que, según se puede apreciar en la tabla anterior, mientras más momentos haya en el pilar, el coeficiente α penaliza el caso pidiendo una mayor sección de hormigón.

El área así obtenida es un buen punto de partida para empezar a calcular una estructura de edificación.

Autor:  Ing. José Antonio Agudelo Zapata
Artículo de: http://estructurando.net/2014/02/24/una-sencilla-regla-para-predimensionar-pilares-de-hormigon/

La comprobación del sifonamiento en pantallas

La comprobación del sifonamiento en pantallas

Hoy vamos a hablar de cómo verificar el sifonamiento en pantallas, o en general, en elementos de contención.

1-Bombeo-de-achique

 

Lo primero que vamos a contar es en qué consiste el sifonamiento.

Cuando realizamos una excavacion en un terreno saturado y por debajo del nivel freático, el agua tenderá a llenar la excavación hasta ir a la cota superior del fréatico. De hecho si interpusieramos una cimentación, ésta debería de soportar la subpresión debida al empuje del agua, como diferencia entre la cara inferior de la cimentación y el nivel del freático.

Pues bien, esta filtración del agua en el terreno puede producirse con más o menos velocidad en función de diversos parámetros. Puede darse el caso en que la velocidad de circulación del agua sea muy elevada y se produzca el arrastre de partículas y la rotura brusca del fondo de nuestra excavación. Esto es lo que conocemos como sifonamiento.

Si alguna vez teneis la mala suerte de encontrarlo, lo identificareis porque en un momento teneis una fuente y al momento siguiente una piscina.

La forma de prevenir esto es bombear el fondo de la excavación, de forma que se produzca el rebajamiento del nivel freático; siempre con las debidas precauciones de cara a estructuras cercanas.

El sifonamiento se puede verificar con ciertas garantías de seguridad. Si acudimos al Código Técnico, en la parte de cimientos, concretamente el Art. 6.3.2.2.2.8, nos dice que si el gradiente real en un sentido vertical en un determinado punto (ir) no supera al gradiente crítico minorado del terreno (icr), tendremos verificada la seguridad frente al sifonamiento, es decir:

2-Verificacion_sifonamiento-300x75

 

Y hasta aquí nos empezamos a echar a temblar porque ya estamos buscando los apuntes de hidráulica de la carrera, porque el CTE, en virtud de que las normas no son libros de texto, no nos cuenta nada más.

Pero que no cunda el pánico, si acudimos a la ROM 05-05, el tema viene un poco más extenso. En su artículo 3.4.6 nos indica cómo obtener el coeficiente de seguridad anterior como cociente entre el peso específico sumergido del terreno y el producto del gradiente real ir o de salida por el peso específico sumergido, es decir:

y además nos indica que el gradiente de salida ir viene dado como el cociente entre el exceso de presión intersticial bajo la punta de la pantalla y su profundidad t de empotramiento de la pantalla:

 

Siendo el exceso de presión intersticial:

3-Exceso-presion-intersticial

 

Con los significados geométricos de la figura siguiente:

4-Dimensiones-pantalla

 

Siendo:

5-Altura-equivalente

 

Con k2/k1 la relación de permeabilidades del terreno.

Para aclarar lo anterior, podemos hacer un ejemplo sencillo:

Supongamos que el cálculo de una pantalla nos da unos valores de empotramiento de t=6 m para una excavación de hs=6 m.

Supongamos también que el nivel freático aflora prácticamente en la superficie de la coronación de la pantalla y que el terreno es homogéneo en toda la excavación con un peso específico saturado γsat=20 kN/m3 con una permeabilidad en su parte superior k1=0.01 m/s (entrada) y en su parte inferior (salida) k2=0.0001 m/s. La separación entre la pantalla y la opuesta es B=15 m.

Por tanto la pantalla cumpliría con el coeficiente de seguridad de 2 y no sería necesario profundizar más.

Hay que tener especial cuidado con la situación de que exista un estrato con menor permeabilidad cercano al pie de la pantalla ya que las presiones de agua pueden resultar mucho mayores a la obtenida.

 

Autor:  David Boixader Cambronero

Ingeniero Industrial. Consultor de estructuras.

Artículo publicado en: http://estructurando.net/2017/09/04/la-comprobacion-del-sifonamiento-pantallas/

¿Rehabilitación o demolición? (tercera parte) Un caso concreto de Rehabilitación Estructural

Artículo del blog de e-struc

refuerzo-forjados-acero-rehabilitacion-estructuras-01

Parece que lo óptimo, en cuanto a respeto por el patrimonio y eficiencia, es la rehabilitación. Presentamos un caso de estudio sobre la conveniencia o no de demoler parte de una estructura.

En las entradas anteriores Reparación contra demolición (I) y (II), veíamos, desde el punto de vista histórico, económico, técnico y estructural, la necesidad de hacer un estudio previo para evaluar la validez de un edificio a la hora de rehabilitarlo o demolerlo. Vamos a ver un caso concreto de un edificio en el que la calidad y el estado de la estructura han condicionado la obra de rehabilitación.

En la redacción del proyecto de ampliación parcial, adecuación y reforma de un edificio de oficinas, levantado en los años setenta del siglo XX, se barajaba la opción de rehabilitar la estructura o bien demolerla parcialmente para rehacerla conforme a las exigencias actuales. El edificio, de siete plantas sobre rasante más un semisótano, es de estructura de pilares y vigas de acero, con forjados de viguetas de acero y bovedillas o rasillas cerámicas, sin capa de compresión.

Refuerzo o demolición de forjados de acero

Antes de comenzar la obra, y con parte de la demolición de acabados realizada, se encarga la redacción de un informe sobre las condiciones de la estructura y su rehabilitación.

La estructura principal de vigas y pilares estaba en aparente buen estado de conservación, con corrosión superficial en algunas zonas, pero sus secciones eran insuficientes para soportar las nuevas cargas, por lo que sería necesario reforzarlas.

Refuerzo o demolición de forjados de acero

Los mayores problemas de la estructura de vigas y pilares se detectaron en la deficiente ejecución de los nudos, con soldaduras defectuosas o inexistentes y casquillos inadecuados, lo que haría necesario rehacerlos o reforzarlos.

Refuerzo o demolición de forjados de acero

Los forjados, sin capa de compresión, y realizados de diferente manera según las zonas del edificio no cumplían la preceptiva resistencia ante el fuego, por lo que sería necesario reforzarlos y protegerlos. Los entrevigados estaban sueltos en algunas zonas, por lo que sería complicado anclar las nuevas instalaciones a los mismos. La protección al fuego debía realizarse por la cara inferior, buscando zonas no disgregadas o las propias viguetas para anclarla.

Refuerzo o demolición de forjados de acero

Como la estructura principal era sencilla de reforzar, al ser accesible por las obras previstas de reforma total de acabados e instalaciones, la duda estaba en la posibilidad de reforzar los forjados de acero existentes y mantenerlos, o bien demolerlos y sustituirlos por forjados de chapa colaborante apoyados en las vigas.

¿Cuáles son las ventajas de una y otra solución?

¿Es posible hacer una valoración de estas dos actuaciones?

¿Hay otras cuestiones de segundo orden en la toma de decisiones?

Con todos los datos vistos: estructura de acero, forjados sin capa de compresión y entrevigados rotos, vigas y pilares con nudos deficientes y secciones escasas, entre otras características, se puede hacer una lista de ventajas e inconvenientes en ambas soluciones, y sopesar todos los factores que influyen antes de tomar la decisión de rehabilitar o demoler la estructura.

Refuerzo de forjados y vigas de acero o demolición

Esquema de refuerzo manteniendo las viguetas existentes (izda) y demoliendo los forjados (dcha)

Las ventajas de la sustitución total de los forjados eran:

1.- Solución constructiva homogénea para todos los forjados del edificio, lo que evitaría fisuras de continuidad entre forjados nuevos y antiguos y facilidad de intervención en obras posteriores.

2.- Igual altura libre en plantas e igual peso de todos los forjados.

3.- Facilidad en el refuerzo de los nudos, ya que estarán libres de viguetas y entrevigado.

Refuerzo de forjados y vigas de acero o demolición

4.- Simplicidad en la ejecución de las vigas mixtas.

5.- Seguridad en el anclaje de las instalaciones fijadas a los forjados.

6.- Seguridad en la obra de ejecución de los forjados, ya que se realizará por tramos continuos, libres de obstáculos o huecos, y no por pequeñas áreas de actuación discontinua.

7.- Cumplimiento de la seguridad requerida frente al incendio.

Y el inconveniente principal era demoler más de 18.000 m2 de forjados de acero.

En contrapartida, mantener los forjados existentes planteaba la ventaja de no tener que demoler tanta superficie, aunque sí algunas zonas. Pero los inconvenientes eran numerosos:

1.- La superficie de demolición podía verse alterada durante la ejecución de la obra, a la vista del estado general del entrevigado. También al actuar sobre cabezas de pilares, al picar para la realización del refuerzo de las vigas principales y de los propios nudos.

2.- La protección al fuego de los forjados quedaba en entredicho por la laboriosidad de los trabajos necesarios para ello, por el estado de falta de adherencia y fragmentación del entrevigado.

3.- A la vista del estado del entrevigado no se podía confiar en anclar sobre él las instalaciones, con lo que habría, bien que dejar previstos anclajes en toda la superficie del forjado, bien llegar con los anclajes a la capa de compresión o a las alas inferiores de las viguetas y volver a proteger al fuego después.

4.- Era necesario limpiar la cara superior de las viguetas para soldar los conectores a cada una de ellas para conformar el nuevo forjado.

5.- Al conservarse el apoyo de las viguetas sobre las vigas, se incrementaba la complejidad en el refuerzo de las vigas.

6.- Los cantos de forjado no serían homogéneos, ni la altura libre, y el peso de los forjados ya reparados sería mayor, incluyendo el peso muerto de los entrevigados.

7.- Incremento en los refuerzos de vigas, pilares y cimentación, por el mayor peso muerto de la estructura, al conservarse los entrevigados.

8.- Mayores dificultades y plazo en la ejecución de la obra. Las áreas de trabajo están fragmentadas. Las zonas de reposición obligatoria, de ampliación de estructura y las de refuerzo no están claramente separadas, lo que conlleva mayores medidas de seguridad en la ejecución.

Refuerzo de forjados y vigas de acero o demolición

Todas estas condiciones se plasmaron en un presupuesto comparado. La conservación de los forjados resultaba un 30% más cara que la sustitución, por lo que se aconsejaba la sustitución total de los mismos.

Por otro lado, el plazo de la obra, un aspecto importante a la hora de elegir una solución, se acortaba, al facilitar la ejecución de los trabajos el hecho de demoler los forjados. También se tenía en cuenta que la demolición evitaría sorpresas sobre el estado real del entrevigado una vez comenzada la obra, y por tanto aquilataría el alcance de la rehabilitación.

Es muy importante destacar que el edificio no tenía ninguna protección histórica, que no era necesario conservar ningún elemento artístico, por lo que una intervención radical estaba plenamente permitida. Esta condición es, sin duda, prioritaria, y limita enormemente en algunas ocasiones la elección de soluciones estructurales, que han de ser compatibles con la preservación de elementos constructivos: techos, solados, escaleras, fachadas u otros cualesquiera, casi siempre adheridos a la estructura.

En nuestro caso la decisión de demoler los forjados estaba justificada, en orden de mayor a menor importancia, por los costes, por el plazo y por la simplicidad de ejecución. En menor medida porque el edificio con forjados nuevos sería más homogéneo y de fácil mantenimiento y simplicidad en intervenciones posteriores. Y estas fueron las conclusiones del informe.

Refuerzo de forjados y vigas de acero o demolición

Artículo encontrado en: http://e-struc.com/2015/06/17/rehabilitacion-o-demolicion-iii-un-caso-concreto-de-rehabilitacion-estructural/

 

¿Rehabilitación o demolición? (segunda parte)

Artículo del blog de e-struc

e-struc-calculo-estructuras-demolicion-rehabilitacion-06

La valoración técnica previa. Factores que determinan la validez estructural de un edificio antiguo para una rehabilitación. Cargas, deformaciones, normativa vigente.

En la entrada anterior ¿Rehabilitación o demolición?, veíamos desde el punto de vista histórico, económico y técnico, la necesidad de hacer un estudio previo para evaluar la validez de un edificio a la hora de rehabilitarlo o demolerlo. Vamos a acometer con más profundidad la valoración técnica, especialmente desde el punto de vista de su estructura, su estado y su capacidad de adaptación tanto a los nuevos usos como a los requisitos normativos.

La valoración técnica previa debe ser realizada por expertos en cada materia, porque para una visión generalista pueden admitirse cosas inadmisibles o desecharse elementos del todo aprovechables. Por ejemplo, se puede inspeccionar un edificio de oficinas antiguo que haya tenido una vida útil sin problemas y que presente un estado estructural impecable. Cualquiera diría entonces que no hay problema con su estructura y que no hay que gastar nada en su adecuación. Pues bien, se procede y se rehabilita el edificio para ser un hotel medio, de turismo convencional, sin tocar la estructura.

validez estructural de un edificio antiguo para una rehabilitación

La carga total que debe soportar un edificio de oficinas en sus forjados es del mismo orden que la que debe soportar un hotel. Pero hay dos matices fundamentales que se han escapado antes. El primero es que la estructura ya tiene una edad y, salvo el acero laminado si se conserva en perfecto estado, todos los materiales de construcción tienden a perder rigidez con el tiempo. Es decir, lo que antes podría haber sido una pequeña deformación sin importancia, puede convertirse ahora en una deformación excesiva. Pero más aún si consideramos que, siendo igual el total de carga, las cargas permanentes y las sobrecargas no actúan igual.

validez estructural de un edificio antiguo para una rehabilitación

En una oficina la carga permanente es baja, mientras que la sobrecarga puede ser alta. Pero en una planta de habitaciones de hotel, la carga permanente es enorme -solados, gran cantidad de instalaciones, muchas particiones pesadas, falsos techos, etc…- frente a la sobrecarga, que es pequeña y además actúa durante muy poco tiempo al día. Como la deformaciones permanentes y las activas -que son las que causan daños en los demás elementos constructivos- dependen primordialmente de las cargas permanentes, al aumentar considerablemente éstas, las deformaciones permanentes y activas de la estructura se dispararán, provocando daños en cerramientos, particiones, juntas, instalaciones, etc… que antes no sucedían y que el ojo del generalista no supo advertir. Pero esta es una condición física ineludible, pero hay una cuestión de responsabilidad civil que, no teniendo por qué causar daños, puede ser causa para invalidar una estructura.

validez estructural de un edificio antiguo para una rehabilitación

Supongamos el mismo caso anterior, pero en condiciones tales que nada de lo referido haya sucedido. Sin embargo, las exigencias actuales en cuanto a niveles de seguridad, durabilidad, resistencia al incendio, etc… son mayores que las que se imponían hace años. Entonces, pudiera suceder que una estructura que físicamente no presente ningún problema sí lo presente desde el punto de vista legal. Por ejemplo, los niveles de seguridad no son suficientes, o la durabilidad mínima no está asegurada. Estas dos deficiencias no tienen por qué causar daño alguno, pero el usuario o propietario final de la construcción podría reclamar por habérsele proporcionado una edificación que no satisface los mínimos legales.

validez estructural de un edificio antiguo para una rehabilitación

En definitiva, una valoración técnica acertada puede guiar en mucho cualquier decisión referida a otros factores. Es vital que una operación de rehabiltiación o reutilización de un edificio empiece por una consulta técnica, pues tal cosa puede ahorrar cantidades de dinero considerables.

En entradas posteriores seguiremos incidiendo con ejemplos en el asunto.

Artículo encontrado en: http://e-struc.com/2015/03/06/rehabilitacion-o-demolicion-ii/