Exigencias que requieren las Excavaciones y Cimentaciones

1 Excavaci贸n de Torre Squadra, Bogot谩.

Informe Especial

Excavaciones y cimentaciones

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Excavaciones y cimentaciones Para la construcción de cualquier obra se requieren dos tipos de actividades –excavación y cimentación–, que preparan el terreno existente y le transmiten las cargas de la nueva edificación. Para ilustrar este tema, el informe especial de esta edición presenta cuatro importantes proyectos, los cuales se destacaron por el desafío que representó cada uno de ellos para los profesionales del sector.

Las excavaciones son necesarias para modificar la topografía original de un terreno, de tal manera que éste se adapte a los requerimientos de diversos proyectos, como son la instalación de tuberías, la excavación de túneles, la ejecución de cimentaciones que trasladen las cargas de los edificios a los suelos y la construcción de sótanos.

Sin embargo, excavar y cimentar en suelos en condiciones geológicas como las que presenta Colombia no ha sido tarea fácil para los constructores, quienes se han visto obligados a implementar sistemas que den solución no sólo a las diferentes variables topográficas y geotécnicas, sino también a la enorme y creciente demanda de parqueaderos en las ciudades capitales.

Este último aspecto es una constante en los proyectos construidos desde hace poco más de dos décadas, el cual ha representado un gran desafío para el sector, pues para cumplir con los requerimientos técnicos, de seguridad y sismorresistencia, también requiere un cuidadoso estudio y, en algunos casos, revaluación de las técnicas de excavación y cimentación. De esta manera ha sido posible garantizar la estabilidad de las nuevas construcciones, de las edificaciones colindantes, de las redes urbanas y de la infraestructura vial.

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Excavaciones y cimentaciones

Caissons en cimentación de Torre Cusezar, Bogotá.

EDICIÓN 153 DICIEMBRE 2009 - FEBRERO 2010

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Sistemas constructivos de excavaciones En las zonas urbanas se ejecutan excavaciones para adecuar los terrenos y construir sótanos de edificios, las cuales se llevan a cabo tanto en las laderas periféricas

©2009 JupiterImages Corporation

a los valles, como en las zonas planas y de menor pendiente. Por sus características, las excavaciones se pueden dividir en tres categorías:

Excavación a cielo abierto de Torre Squadra, Bogotá.

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Túnel presurizado

A cielo abierto

Comúnmente utilizado para la construcción de túneles interceptores o de sistemas de transporte tipo metro, este sistema excava con una cabeza giratoria equipada con elementos de corte y accionada por motores hidráulicos, impulsados por un sistema de gatos desde el pozo de acceso al túnel. El túnel presurizado se clasifica en topo y en escudos, estos últimos encargados de sostener el terreno a medida que avanza la excavación gracias al revestimiento metálico exterior de la estructura que le da su nombre. Ejemplos de este sistema son el túnel interceptor del río Bogotá y el de Fontibón.

Este tipo de excavación por lo general se ejecuta según la consistencia del terreno, con taludes o paredes inclinadas estables. También puede soportarse utilizando paredes verticales ancladas por medio de tirantes (tie backs) ubicados por fuera de la excavación y detrás del posible plano de falla.

En Bogotá se realizan numerosas excavaciones a cielo abierto para proyectos con un solo sótano y con cimentaciones sobre zonas planas, conformadas por suelos arcillosos de origen lacustre y de poca consistencia. Estos terrenos permiten excavaciones hasta de 4 o 5 m de profundidad, con taludes de 45 grados de pendiente, sin que se presenten fallas de importancia. En otras ciudades como Medellín, Bucaramanga y Tunja son muy comunes los taludes a 60 grados de pendiente para excavaciones hasta de 10 metros, dadas las condiciones rocosas o de buena resistencia de los suelos, a diferencia de los blandos que se encuentran en gran parte del territorio bogotano.

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Excavaciones y cimentaciones

Bajo estructuras Son las excavaciones en las que es necesario conformar o construir, inicialmente, los muros de contención y parte de la estructura misma. Luego se retira la tierra por debajo de esa estructura, generando así los espacios para los sótanos. Dentro de este sistema se destacan dos métodos implementados en Bogotá: • Cajón hincado: método que busca que los sótanos lleguen al nivel requerido según el diseño del proyecto. Consiste en la construcción en superficie de 2 o 3 sótanos para que luego, al hincar el cajón, la estructura baje al nivel proyectado.

Se trata de un método antiguo que fue utilizado en la edificación de pilas al lado de los ríos (caissons neumáticos) para permitir la construcción hacia abajo de una que pudiera llegar hasta los 30 m de profundidad, la cual, al rellenarla con concreto, soportaría los pilares o columnas de puentes con grandes dimensiones.

En Colombia, el sistema cajón hincado se implementó en Bogotá para el diseño de las excavaciones de cinco importantes edificios: las tres torres del World Trade Center, la torre Propaganda Sancho y el Hotel Dann de la calle 116, los cuales fueron cimentados mediante una placa flotante o compensada. Estas estructuras están apoyadas hoy sobre suelo blando con un peso importante que reemplazó el del suelo excavado, logrando así la estabilidad de la construcción.

Sin embargo, este sistema presenta importantes desventajas centradas en el posible movimiento de los terrenos vecinos, sobre todo de aquellos ubicados muy cerca del cajón, que resultan afectados por el descenso de la estructura, como se evidenció en las construcciones anteriormente mencionadas. La recomendación, entonces, es que los proyectos ejecutados a partir de este sistema se realicen a una distancia prudente, según el diseño y el peso de la nueva construcción, así como de las edificaciones existentes, pues cuando las condiciones son apropiadas el método resulta muy conveniente.

• Up Down Construction: conocido como sistema ascendente-descendente, ha sido el más utilizado en el país para la ejecución de excavaciones hasta de seis sótanos en terrenos difíciles. El método, con algunas variaciones, consiste básicamente en: • Construcción de muros y pilotes.

• Excavaciones necesarias, mediante caissons de aproximación, para alcanzar la cabeza de los pilotes y construir sobre ellos el dado de la columna.

• Levantamiento de las columnas hasta la superficie.

• Construcción de las vigas y, posiblemente, porciones de la placa del primer piso, que soporta (horizontalmente y a nivel de la cabeza de los pilotes) los muros de contención.

• Construcción de las columnas del primer piso, es decir, desde el nivel de la superficie hacia arriba, por debajo del cual se van destapando, sótano a sótano, las columnas ya construidas para llevar a cabo el levantamiento de las vigas o placas que soportan horizontalmente los muros de contención en cada nivel, hasta llegar a excavar el último sótano.

• Por lo general el último sótano requiere la construcción de una placa capaz de soportar una subpresión que se puede dar por el agua, el nivel freático cercano a la superficie o una posible falla de fondo.

Como desventajas de este sistema se encuentran la deformación que pueden sufrir los terrenos vecinos, dificultad que es necesario controlar para evitar daños en dichas construcciones, y el aumento de los costos por factores como el uso obligatorio de instrumentación para mantener los niveles de asentamiento e inclinación, la capacidad de la maquinaria utilizada para la excavación y el tiempo que toma cada etapa del proceso.

Up Down Construction en excavación de Torre Cusezar.

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Sistemas constructivos de cimentaciones Frente aislado

Nivel existente Barra adaptable de fuerza Zona no portante

Zona portante

Barra de extensiรณn Anclaje Final de la excavaciรณn

Muro de contenciรณn

Plano de falla admitido

Caissons en cimentaciรณn de Torre Cusezar, Bogotรก.

Caissons: son un recurso constructivo muy utilizado en Colombia, especialmente en Bogotรก. Consiste en excavar manualmente cรญrculos o elipses que permitan llegar a niveles apropiados de cimentaciรณn, para despuรฉs levantar dentro de ellos las columnas del edificio. Las paredes de la excavaciรณn se recubren sucesivamente con anillos de concreto que trabajan a compresiรณn manteniendo estable el piso alrededor, lo cual garantiza la seguridad de los operarios en el interior.

Pantallas en cimentaciรณn de Centro Empresarial Gran Estaciรณn, Bogotรก.

Tirantes y anclajes (tie-backs): son elementos que se anclan al suelo de los terrenos vecinos para soportar los muros de contenciรณn de la estructura. Estรกn hechos generalmente con varillas de acero que se ubican dentro de las excavaciones realizadas con un equipo de perforaciรณn, con diรกmetros entre 10 y 20 cm para que alcancen la profundidad necesaria y soportar el muro de contenciรณn por detrรกs de cualquier posible bloque de falla. Se utilizan por lo regular en excavaciones de suelos de dureza media a alta, pues en los suelos blandos tienden a desplazarse hacia la excavaciรณn.

Pantallas o muros fundidos bajo lodo: son muros de concreto de un ancho aproximado de 0,60 m y una profundidad superior a la de la excavaciรณn prevista que logra un empotramiento adecuado en el suelo para aislar el nivel freรกtico, absorber parte de los empujes horizontales y, en algunos casos, evitar la diferencia de presiones. Estos muros se construyen con equipos especiales con los que se excavan trincheras en tramos de unos 3 m de ancho.

Luego de ejecutada toda la pantalla, se comienza la excavaciรณn, la cual se realiza en etapas sucesivas.

Zonificaciรณn de suelos

Fuente: Ingeominas, 1988 16

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Excavaciones y cimentaciones

CENTRAL S.A.S. www.centralcolombia.com Tel. 369 0500 Bogotá D.C.

VENTA - ALQUILER - SERVICIO Pilotaje en cimentación de Centro Empresarial Gran Estación, Bogotá.

Taludes en cimentación de Torre Squadra, Bogotá.

Pilotes: son columnas verticales de concreto encajadas en el terreno, que sirven como sistema de cimentación dado que reciben la carga de las columnas y la trasladan al suelo, ya sea a capas duras muy profundas, a pilotes de punta o a los suelos blandos, pilotes flotantes o de fricción. Los hay de tipo preexcavado y fundidos en sitio, y los prefabricados en superficie e hincados con martinete, herramienta que hunde el elemento vertical hasta la profundidad deseada para garantizar el soporte de las cargas.

Taludes: las excavaciones de 3 o 4 m de profundidad en la zona blanda y con alturas superiores a los 20 m en los suelos duros, se pueden realizar dejando taludes o paredes inclinadas en tierra que invadan la zona que se va a vaciar. Estos muros resultan estables para poca profundidad en los suelos blandos, donde tendrán una pendiente de 45 grados; en los suelos duros podrán usarse con ángulos de 45, 60 o más grados. Una vez realizada la excavación, los taludes se reemplazan por los muros de contención correspondientes manteniendo su soporte horizontal con trincheras o ventanas de corta longitud. Generalmente esto ocurre después de levantada la estructura en la zona central de la excavación.

El mapa de zonificación de Bogotá recrea los fragmentos en los que la ciudad se divide, según las características de sus suelos:

Suelos rocosos: son los cerros orientales, Suba, Subachoque, Tabio y Tenjo, entre otros. Allí existen las formaciones Bogotá y Guaduas, que son predominantemente arcillosas, y la formación Guadalupe, conformada principalmente por areniscas intercaladas con delgadas capas de arcilla.

Piedemonte: están localizados en la zona de transición entre los suelos rocosos de los cerros y los suelos blandos o de origen lacustre del área plana de la ciudad. Son los más complejos de trabajar por su heterogeneidad.

Arcillas blandas: son las arcillas del área plana de la ciudad, de baja consistencia hacia el norte y noroccidente. Su composición predominante es de arcillas blandas, mientras que cerca de la superficie cuentan con una capa o costra de 3 a 6 m, consolidada por desecación y apta para el soporte de cargas livianas y para la ejecución de excavaciones no muy profundas a cielo abierto.

Arcillas duras: estas arcillas se han formado hacia el sur y el suroccidente de la ciudad. Tienen mayor consistencia que las arenas duras por haberse formado en zonas más áridas.

Rondas de ríos y humedales: en los ríos Bogotá, Salitre, Juan Amarillo, Fucha y Tunjuelo, entre otros, se presentan capas de arena intercaladas con los suelos de origen lacustre o arcillas blandas, depositadas en las diferentes épocas de su historia geológica.

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CARGADORES - MANIPULADORES Transporte, cargue, manejo de materiales.

EXCAVADORAS Excavación, instalación de redes, zanjas.

ACCESORIOS Martillo, horquillas, barredora, fresadora.

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