Una cimentación en la construcción es la parte más baja de un edificio que transmite el peso de la estructura y las fuerzas que actúan sobre ella hacia el suelo o la roca subyacente. Distribuye estas cargas sobre una superficie suficiente para que el edificio permanezca nivelado, no se asiente de manera desigual y resista el viento, las heladas y los movimientos sísmicos. Cada cimentación pertenece a una de dos familias: superficial o profunda, y la adecuada depende de la carga superior y del terreno subyacente. Las secciones siguientes abordan la función de la cimentación, las diferencias entre la zapata y la cimentación, los principales tipos superficiales y profundos, los factores que determinan la elección y el funcionamiento de las cimentaciones bajo edificios de acero y metales.
Lo que realmente hace una cimentación
Una cimentación tiene una tarea fundamental: transmitir todas las cargas que soporta el edificio al terreno sin permitir que la estructura se asiente de forma desigual, se incline o se agriete. Estas cargas se agrupan en tres categorías: la carga muerta, correspondiente al propio peso del edificio; las cargas vivas, provenientes de personas, equipos y nieve; y las cargas laterales, debidas al viento y a los sismos. Una cimentación debe reunir todas ellas y transferirlas a un suelo capaz de soportar dicha presión.
El factor determinante es la capacidad portante del suelo, es decir, la presión máxima que el terreno puede soportar antes de fallar o asentarse en exceso. Los ingenieros dimensionan la cimentación de modo que la presión ejercida sobre ella se mantenga por debajo de ese límite, razón por la cual cálculo de carga estructural ocurre antes de verter cualquier concreto. La relación es directa: una columna que soporta más peso, o una que descansa sobre suelo más débil, requiere una base más ancha o más profunda para mantener la presión bajo control. Si se comete un error en esta correspondencia, el edificio lo hará evidente más tarde mediante paredes agrietadas, puertas que se atascan y pisos desiguales.
Zapata vs. Cimentación — Donde la gente suele confundirse
Una zapata y una cimentación no son lo mismo, aunque estas palabras se intercambian constantemente. La zapata es la base ensanchada que descansa directamente sobre el suelo y distribuye la carga sobre un área mayor. La cimentación, en cambio, es el sistema de muros, losas o pilares que transmite el peso del edificio hacia esa zapata. En una casa típica, la zapata es la amplia placa de concreto en la parte inferior, y sobre ella se apoya el muro de cimentación.
Esta distinción importa porque ambas partes están sujetas a normas diferentes. La zapata debe extenderse por debajo de la línea de escarcha, la profundidad a la cual la humedad del suelo se congela, y asentar sobre suelo firme, para evitar que las heladas estacionales la levanten. La cimentación situada encima solo necesita ser lo suficientemente resistente como para abarcar el espacio entre zapatas y mantener la estructura en posición vertical. Conocer cuál es cuál evita que un constructor coloque un muro sólido sobre una zapata demasiado poco profunda o estrecha para las condiciones del suelo.
Cimentaciones superficiales y cuándo funcionan
Las cimentaciones superficiales sostienen el edificio sobre suelos cercanos a la superficie y constituyen la opción predeterminada siempre que el terreno próximo al nivel del suelo sea lo suficientemente firme para soportar la carga. Estas cimentaciones se extienden más horizontalmente que verticalmente, lo que las hace más rápidas y económicas de construir que los sistemas profundos. La mayoría de las viviendas, pequeños edificios comerciales y estructuras ligeras de acero se apoyan sobre uno de los cuatro tipos superficiales que se describen a continuación.
Zapatas aisladas (extendidas)
Una zapata aislada soporta una sola columna sobre su propia placa cuadrada o rectangular. Cada placa se dimensiona según la carga que transmite una columna; así, una columna más pesada o un suelo más blando simplemente requieren una placa de mayor tamaño. Es la opción más económica cuando las columnas están lo suficientemente separadas como para que sus zapatas no se superpongan.
Combined Footings
Una zapata combinada sostiene dos o más columnas sobre una base común. Se utiliza cuando las columnas están tan próximas entre sí, o tan cerca del límite de propiedad, que las zapatas individuales se tocarían. Unir las columnas en una única zapata también permite equilibrar la presión cuando las cargas son diferentes.
Zapatas en Franja (Continuas)
Una zapata en franja es una larga banda continua de hormigón que se extiende bajo un muro portante. Recoge la carga lineal del muro superior y la distribuye a lo largo del suelo subyacente, por eso es la solución habitual bajo los muros perimetrales e interiores de edificios de mampostería y residenciales.
Cimentaciones en Lámina (Placa)
Una cimentación en lámina es una única losa gruesa extendida bajo toda la huella del edificio. Es la solución adecuada cuando el suelo es débil, las columnas están muy próximas entre sí o las cargas son tan elevadas que las zapatas individuales tendrían que ampliarse hasta casi tocarse. Al actuar como una gran base única, la lámina permite que el edificio se asiente sobre el suelo como un todo, evitando que alguna columna sobresalga o penetre en el terreno.
Cimentaciones Profundas para Suelos Débiles o Cargas Pesadas
Las cimentaciones profundas alcanzan, por debajo del suelo débil de la superficie, estratos firmes o roca situados a gran profundidad. Se emplean cuando las zapatas superficiales no pueden desarrollar una capacidad portante suficiente, lo cual ocurre en casos de arcilla blanda, rellenos profundos, un nivel freático elevado o cargas concentradas muy pesadas procedentes de edificios altos o estructuras industriales. Alcanzar un terreno apto resulta más costoso y requiere equipos especializados; por ello, los sistemas profundos se utilizan cuando los sistemas superficiales realmente no ofrecen la resistencia necesaria.
Cimentaciones con pilotes
Una pilote es una columna larga y delgada de hormigón o acero que se introduce o se perfora profundamente en el terreno. Las pilotes de apoyo en punta atraviesan las capas blandas y apoyan su extremo sobre roca o suelo denso, actuando casi como columnas que llegan hasta un piso sólido. En cambio, las pilotes de fricción transmiten la carga mediante la adherencia entre la superficie de la pilote y el suelo circundante a lo largo de toda su longitud. Dependiendo de la ubicación del terreno firme, las pilotes pueden medir desde unos pocos pies hasta más de cien pies de longitud.
Pozos perforados y cajones
Un pozo perforado, también llamado cajón, es un hueco de gran diámetro excavado en el terreno y rellenado con hormigón armado. Funciona como una pilote gruesa, ejecutada in situ, y puede soportar por sí sola cargas de columna muy elevadas. Dado que el pozo tanto sostiene la estructura como retiene el terreno circundante durante su construcción, resulta adecuado para edificios pesados y pilares de puentes, donde sería más difícil colocar un conjunto de pilotes pequeños.
Qué determina la cimentación adecuada
El tipo de cimentación se define al comparar cuatro factores: la carga descendente, la capacidad portante del suelo, la profundidad de la helada local y el nivel freático. Ninguno de estos aspectos es una cuestión de preferencia; todos se miden o especifican, y en conjunto excluyen o incluyen la mayoría de las opciones antes incluso de iniciar el diseño.
El suelo es lo primero, pues un estudio geotécnico indica al ingeniero cuánta presión puede soportar el terreno y cómo se comporta cuando está húmedo o sometido a cargas. Un suelo débil en la superficie orienta el diseño hacia una losa de cimentación o pilotes, mientras que un suelo firme permite el uso de zapatas simples. Cuando el suelo es deficiente, a veces resulta más económico aportar y compactar un relleno de mejor calidad que profundizar. La profundidad de la helada determina cuán abajo deben extenderse las zapatas para evitar que el congelamiento las levante, y un nivel freático elevado puede exigir una solución profunda o una losa de cimentación, junto con medidas adicionales de impermeabilización. A continuación, los códigos locales de construcción establecen las profundidades mínimas, el refuerzo y los valores de capacidad portante, que varían según la región debido al clima y a las características del suelo. El proceso de verificación sigue siendo el mismo: obtener un informe del suelo, entregarlo junto con las cargas estructurales a un ingeniero y permitir que estos dos datos definan la cimentación.
Cimentaciones para edificios de acero y metal
A cimentación del edificio de acero sigue la misma lógica de superficialidad frente a profundidad que cualquier otra estructura, pero impone dos exigencias adicionales. Debe coincidir con la disposición de los pernos de anclaje del marco y debe resistir el fuerte levantamiento por viento que atraen los edificios ligeros de acero. El marco es liviano en relación con su superficie, por lo que la cimentación suele oponerse tanto al levantamiento como a la presión hacia abajo.
A losa de hormigón para un edificio de acero es la opción habitual, porque con una sola vertida se obtienen tanto el piso terminado como la base en la que se anclan las columnas. Cuando un edificio solo requiere un piso de tierra o grava, como en estructuras agrícolas o abiertas, se colocan pilares de hormigón armado bajo cada columna en lugar de una losa continua. Una zapata perimetral, o muro de arranque, puede rodear el perímetro del edificio para sostener los muros estructurados, combinándose a menudo con pilares o con una losa.
Los pernos de anclaje son los elementos que fijan las columnas de acero a la cimentación subyacente. Fundidos en el hormigón, mantienen la placa base de cada columna en su posición y transmiten las fuerzas horizontales y de levantamiento a la masa de la zapata. Las normas estadounidenses para el montaje de estructuras de acero, bajo OSHA, exigen un mínimo de cuatro pernos de anclaje por columna, tanto para estabilizar la columna durante el montaje como para soportar la carga una vez que el marco está erigido. Dado que un edificio ligero de acero se comporta como una cometa ante una tormenta, las zapatas y los pilares suelen dimensionarse también como contrapeso contra el levantamiento por viento como para soportar la carga descendente.
Lograr estas reacciones adecuadas es la razón por la cual la cimentación se diseña como parte integral del proyecto global, diseño de edificios de acero en lugar de añadirla posteriormente. El fabricante de acero proporciona las reacciones de las columnas, las dimensiones de la placa base y el patrón de los pernos de anclaje, mientras que el ingeniero de cimentaciones diseña el hormigón para que se ajuste a estos parámetros. Qingdao KAFA, por ejemplo, fabrica las columnas en H y de sección tipo caja, así como las correas C/Z, en su planta de Qingdao bajo el sistema de gestión de calidad ISO 9001:2015; por ello, esos datos sobre reacciones y pernos provienen directamente del taller que construye el marco. Si se vierte la losa antes de fijar dichos elementos, los pernos de anclaje pueden quedar desalineados respecto al marco.
Bloquear los cimientos antes de verter el hormigón
Los cimientos están determinados por el terreno y las cargas, no por lo que resulta más económico en cuanto a su ejecución; por ello, el trabajo realmente importante se realiza antes de que llegue el hormigón. Primero hay que fijar el informe geotécnico y las cargas estructurales, ya que juntos determinan si el edificio se apoya sobre zapatas aisladas, una losa de cimentación o pilotes; invertir ese orden equivale a hacer conjeturas. En el caso de un edificio de acero o metal, añádase a esa lista previa a la colocación del hormigón dos elementos: las reacciones de las columnas y la disposición de los pernos de anclaje. Una losa o pilar que ignore el levantamiento del esqueleto y el patrón de pernos será precisamente el que deba ser retirado y rehacerse.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una zapata y unos cimientos?
Una zapata es la base ensanchada que descansa directamente sobre el suelo, mientras que los cimientos son el sistema de muros, losas o pilares que transmiten la carga del edificio hasta dicha zapata. La zapata distribuye la presión sobre un área mayor y debe situarse por debajo de la línea de helada; los cimientos superiores mantienen la estructura alineada. En el lenguaje cotidiano estas palabras suelen usarse indistintamente, pero en los planos corresponden a dos partes claramente diferenciadas.
¿Cuáles son los dos tipos principales de cimientos?
Los dos tipos principales son los cimientos superficiales y los cimientos profundos. Los cimientos superficiales, como las zapatas aisladas, las zapatas corridas y las losas de cimentación, soportan el edificio sobre suelos cercanos a la superficie y son adecuados para terrenos firmes. Los cimientos profundos, como los pilotes y los pozos perforados, penetran a través de suelos débiles hasta capas firmes o roca, y se emplean cuando la superficie no puede soportar la carga.
¿Qué profundidad debe tener un cimiento?
Un cimiento debe extenderse por debajo de la línea de helada local y apoyarse sobre un suelo suficientemente firme para soportar la carga; por eso, las profundidades mínimas varían de una región a otra. En climas templados pueden ser relativamente poco profundas; en zonas frías, las zapatas deben ser más profundas para evitar que el suelo congelado las levante. La cifra exacta depende de las normativas locales de construcción y del informe del suelo, y no existe un valor único universal.
¿Cuál es la cimentación más común para un edificio metálico?
Una losa de hormigón sobre el terreno es la cimentación más habitual para un edificio metálico, ya que una sola vertida proporciona tanto el piso como la base de anclaje para las columnas de acero. Las cimentaciones por pilares se utilizan cuando solo se requiere un piso de tierra o grava, y una zapata perimetral puede sostener las paredes estructuradas. Todas ellas dependen de pernos de anclaje fundidos en el hormigón para mantener la estructura firmemente asentada.
¿Por qué se considera la cimentación la parte más importante de un edificio?
La cimentación es el único elemento que transfiere todas las cargas del edificio al suelo; por ello, cualquier problema en ella se refleja en todo lo que está por encima. Asentamientos, grietas en las paredes y, en casos graves, derrumbes, tienen su origen en una cimentación insuficientemente dimensionada para el tipo de suelo o las cargas a soportar. Además, una vez terminada la estructura, la cimentación queda enterrada y resulta de difícil acceso, lo que hace que corregirla después sea mucho más costoso que ejecutarla correctamente desde el principio.
Lecturas adicionales
- Capítulo 18 del IBC: Suelos y Cimentaciones (International Code Council) — El capítulo modelo del código de construcción que establece la profundidad de las zapatas, la capacidad portante del suelo y los requisitos de cimentación aplicables en toda la construcción estadounidense.
- ASCE 7: Cargas Mínimas de Diseño y Criterios Asociados (ASCE/SEI) — Define las cargas muertas, vivas, del viento y sísmicas que una cimentación debe transmitir finalmente al suelo.
- OSHA 1926.755 — Column Anchorage (U.S. OSHA) — La norma de montaje de acero que exige un mínimo de cuatro pernos de anclaje por columna, a la cual deben adaptarse las cimentaciones de edificios metálicos.
