Cimentaciones superficiales: Tipos, usos y factores de diseño

Durante el siglo XX, la ingeniería de cimentaciones evolucionó con el desarrollo del concreto reforzado, el uso de técnicas como el postensado y la consolidación de la mecánica de suelos como disciplina científica. Estos avances permitieron diseñar estructuras más seguras y eficientes, entendiendo mejor cómo interactúan con el terreno. Sin embargo, muchos métodos constructivos tradicionales se mantienen prácticamente sin cambios, especialmente en cimentaciones superficiales.

Las cimentaciones superficiales siguen siendo una solución confiable y común cuando el suelo cercano a la superficie tiene la capacidad suficiente para soportar las cargas de la estructura. Su diseño y ejecución adecuados son fundamentales para garantizar la estabilidad, evitar asentamientos excesivos y lograr un comportamiento estructural óptimo. En este artículo exploramos qué son, qué tipos existen, cómo se construyen, cómo se calculan y qué herramientas pueden facilitar su diseño.

¿Qué son las cimentaciones superficiales?

Las cimentaciones superficiales son elementos estructurales encargados de transmitir las cargas de la superestructura hacia el suelo resistente que se encuentra a poca profundidad. Son apropiadas cuando las capas superiores del terreno poseen suficiente capacidad portante y los asentamientos esperados se mantienen dentro de los límites admisibles.

Se consideran superficiales cuando la relación entre la profundidad de empotramiento (D) y el ancho de la cimentación (B) cumple con $D/B < 4$, y usualmente se ubican entre 0,5 m y 4 m de profundidad. Son una solución común en edificaciones pequeñas o medianas, cuando el terreno permite apoyar directamente la estructura sin necesidad de recurrir a sistemas más costosos o complejos.

¿Qué tipos de cimentaciones superficiales existen?

Los principales tipos de cimentaciones superficiales se diferencian según el número de elementos que apoyan y la distribución de las cargas. La elección depende de factores como la geometría de la estructura, la magnitud y distribución de las cargas, y las características del suelo.

Zapatas aisladas

Son elementos de cimentación que soportan individualmente columnas o pilares. Se utilizan cuando las cargas no son muy elevadas y el terreno ofrece buena capacidad portante. Su diseño es relativamente simple y es uno de los métodos más económicos de cimentación.

Zapatas contínuas

Consisten en una franja de concreto que se extiende bajo una fila de pilares alineados o muros portantes. Se recomiendan cuando las columnas están muy cercanas o cuando las zapatas aisladas ocuparían más del 30% del área de planta. Si estas zapatas se vuelven muy anchas debido a su baja capacidad de carga, puede ser más conveniente usar losas de cimentación.

Zapatas combinadas

Se emplean cuando dos o más columnas están tan cerca entre sí que sus zapatas aisladas se superpondrían. También se utilizan cuando una columna está próxima a una línea de propiedad y no se puede centrar la zapata. Se diseñan como una sola unidad estructural que distribuye las cargas de forma conjunta.

Losas

Son placas rígidas que se extienden bajo gran parte o toda la estructura, distribuyendo las cargas sobre una amplia superficie. Son apropiadas en suelos con baja resistencia o donde se desea evitar asentamientos diferenciales. Su uso se justifica cuando las zapatas contínuas ocuparían más del 50% del área de la planta.

Proceso Constructivo de Cimentaciones Superficiales

El proceso constructivo de una cimentación superficial involucra varias etapas técnicas que deben seguirse cuidadosamente para garantizar la estabilidad de la estructura. A continuación, se describen los pasos principales:

1. Exploración del suelo: Se realiza un estudio geotécnico mediante sondeos, calicatas o pruebas de penetración para conocer la estratigrafía del terreno, la resistencia de las capas, el nivel freático y otras propiedades relevantes. Esta información es fundamental para decidir si el terreno permite una cimentación superficial.

2. Determinación de propiedades para el diseño: A partir del estudio del suelo, se obtienen parámetros clave como la capacidad portante, el ángulo de fricción, la cohesión y el módulo de deformación. Estos datos se usan para dimensionar la cimentación de manera segura.

3. Estimación de la capacidad de carga admisible: Se calcula cuánta carga por unidad de superficie puede soportar el suelo sin provocar fallas. Este valor, conocido como presión admisible, se usa como base para el predimensionamiento y validación del diseño.

4. Evaluación de asentamientos: Se estima cuánto se hundirá la cimentación bajo las cargas aplicadas. Los asentamientos deben mantenerse dentro de límites permisibles y evaluarse tanto en términos absolutos como diferenciales, ya que un asentamiento desigual entre apoyos puede dañar la estructura.

5. Análisis de estabilidad global: Se verifica que la cimentación no provoque fallas generalizadas del terreno, especialmente en casos donde existan taludes, rellenos o pendientes. Se consideran posibles mecanismos de deslizamiento o volcamiento.

6. Excavación: Se excava hasta la profundidad de cimentación definida. Esta etapa debe ejecutarse con cuidado para evitar alteraciones en el terreno de apoyo. En algunos casos, puede requerirse entibado o control de agua subterránea.

7. Colocación de la cimentación: Se prepara una base nivelada (usualmente con una capa de concreto pobre), se instalan las armaduras, y luego se vacía el concreto estructural. Es esencial asegurar un buen curado y correcta ejecución para evitar fallas en el futuro.

8. Relleno y apisonado: Una vez fraguado el concreto, se rellena el perímetro con el mismo suelo extraído (o uno adecuado), aplicando compactación en capas para evitar asentamientos posteriores que afecten la estructura o las instalaciones cercanas.

Cálculo de cimentaciones superficiales

El diseño de cimentaciones superficiales debe asegurar que el sistema no fallará por hundimiento, deslizamiento, vuelco ni por esfuerzos estructurales excesivos. Dos aspectos clave del cálculo son la capacidad portante y los asentamientos.

Capacidad portante

Es la capacidad del terreno para soportar las cargas sin provocar fallas en el suelo. Se calcula a partir de teorías como las de Terzaghi o Meyerhof, considerando factores como la cohesión, fricción interna, peso del suelo y dimensiones de la cimentación. La capacidad portante admisible se obtiene aplicando un factor de seguridad al valor último.

Asentamientos

Los asentamientos son deformaciones verticales del terreno bajo carga. Se deben estimar y controlar para que no afecten la funcionalidad de la estructura. Se consideran asentamientos inmediatos (elásticos) y asentamientos por consolidación (en suelos cohesivos saturados). Si los diferenciales son grandes, pueden causar daños estructurales.

Software para cálculo de cimentaciones superficiales

Rischio.io es una plataforma de cálculo en ingeniería civil que provee las herramientas cimentación profunda y cimentación superficial, que permiten el análisis y diseño de cimentaciones. Sus resultados son presentados de manera transparente y encontrarás todos los parámetros utilizados para llegar a la solución presentada.

¡Prueba ahora nuestra plataforma! Regístrate gratis

Conclusión

Las cimentaciones superficiales son una solución eficiente y económica para estructuras que se apoyan sobre suelos resistentes a poca profundidad. Su correcta selección y diseño dependen del tipo de construcción, las cargas a soportar y las características del terreno, siendo fundamental un análisis detallado de la capacidad portante y los asentamientos para garantizar la estabilidad y durabilidad de la obra. El avance en software especializado facilita el cálculo y evaluación de estos sistemas, aportando precisión y optimización en el proceso de diseño. Comprender bien los principios y procedimientos asociados a las cimentaciones superficiales es clave para el éxito de cualquier proyecto de ingeniería civil.