CIMENTACIONES PARA LOSAS DE PISO DE GRAN TAMAÑO: ¿QUÉ OPCIONES EXISTEN? ¿CUÁL ES LA MÁS VIABLE?

La losa de piso es una estructura de concreto que se coloca sobre la cimentación y que forma la superficie de los pisos interiores de una edificación. La losa de piso se utiliza para proporcionar una superficie plana y resistente para caminar y colocar muebles, y también puede incluir elementos como aislamiento térmico y acústico para mejorar el confort interior. La losa de piso se encuentra a nivel del suelo o por encima del mismo, dependiendo de la ubicación de la construcción y el tipo de suelo sobre el que se encuentra.

Usualmente, cuando el suelo es suficientemente competente la losa de piso también puede funcionar como losa de cimentación, sin embargo, en muchas ocasiones, la construcción de la losa de cimentación, no es suficiente para resistir los esfuerzos y las deformaciones provocadas por grandes estructuras, por lo tanto, es necesario recurrir a cimentaciones profundas o mejoramiento de suelos. En este blog hablaremos de los principales problemas que se enfrenta la construcción de cimentaciones para losas de piso de estructuras de gran tamaño.

El diseño de una losa de cimentación depende de la geometría de la misma, tipo y magnitud de las fuerzas externas aplicadas y de las propiedades físicas y mecánicas del suelo en el cual se va a apoyar. En el caso de estructuras de gran peso y tamaño muchas veces no es suficiente construir una losa de cimentación para dar apoyo a las cargas externas.

Los principales problemas relacionados con este tipo de estructuras, a menudo se asocian con los depósitos muy blandos a blandos, tanto por consideraciones de capacidad de carga como por asentamientos de consolidación. Debemos tener en cuenta que "suelo blando" implica que el suelo está muy húmedo a saturado (Bowles, 1988). Los asentamientos de consolidación ocurren en estos depósitos con un alto contenido de agua, como los que se encuentran a lo largo de los frentes de lagos y océanos, así como en los lechos de antiguos lagos y antiguos arroyos donde los canales se han reubicado pero el nivel freático permanece alto, como en la Ciudad de México.

Otro factor que hay que tomar en cuenta para el diseño de losas de piso en estructuras de gran tamaño es la rapidez de construcción, la construcción rápida de la cimentación puede ayudar a reducir los costos de construcción, ya que el tiempo es un factor importante en el costo total del proyecto. Además, el crecimiento en la demanda de naves industriales en nuestro país implica que los plazos de entrega deban cumplirse de manera óptima en calidad y seguridad de construcción.

Así mismo, hay que tomar en cuenta que las normativas ambientales relacionadas con la industria de la construcción a nivel global se han vuelto más estrictas en cuanto a la utilización de procesos y materiales más sustentables y amigables con el medio ambiente debido al alto consumo de recursos naturales, generación de residuos y emisiones de gases de efecto invernadero que producen anualmente la construcción (van Stijn y Gruis, 2020). Para saber más acerca de este tema te invito a leer nuestro blog “¿Cómo saber si mi cimentación es sustentable?”.

Cuando las losas de cimentación no son adecuadas para soportar la carga de la estructura o garantizar su estabilidad y seguridad se requieren técnicas de mejoramiento de suelos o cimentaciones profundas para atacar el problema, a continuación, describiremos las soluciones empleadas tradicionalmente y algunas opciones alternativas:

1. Alterar el suelo

Por ejemplo, la adición de cal, cemento u otros aditivos reducirá o eliminará el cambio de volumen al humedecerse o secarse en el caso de suelos expansivos, además, los parámetros de resistencia del suelo aumentarán. A pesar de que este método ha sido empleado constantemente, no es una opción sustentable, ya que la producción del cemento genera el 8% de los gases de efecto invernadero mundial energía (Miller y Moore, 2020), así mismo, la producción de cal para la industria de la construcción puede generar emisiones de gases de efecto invernadero y partículas finas, lo que puede tener un impacto negativo en la calidad del aire y el medio ambiente.

Al permitir que el suelo se expanda en las cavidades construidas en los cimientos, los movimientos de los cimientos pueden reducirse a cantidades tolerables, pero no eliminarse completamente. Una práctica común es construir losas reticulares (Fig. 3) de modo que las nervaduras soporten la estructura mientras que los huecos reticulares permiten la expansión del suelo (Bowles, 1988). Puede ser posible construir muros de cimentación hasta cierta profundidad en el suelo usando tejas colocadas de manera que el suelo pueda expandirse lateralmente en las cavidades de las tejas. Sin embargo, esta solución, al igual que la anterior, requiere grandes cantidades de cemento para la construcción de la losa de concreto, así mismo, el tiempo requerido para su construcción puede ser más elevado que los demás debido a la configuración de la losa, tiempos de fraguado del concreto y utilización de equipamientos especiales.

Esta opción, cuando es diseñada correctamente, proporciona una resistencia a las cargas mayor que las cimentaciones superficiales Esto se debe a que las cimentaciones profundas se extienden a capas más profundas del suelo, donde el suelo es más resistente, además, permite distribuir la carga de la estructura a una zona más amplia y uniforme para evitar asentamientos diferenciales. Las cimentaciones profundas requieren menos espacio en la superficie y pueden minimizar el impacto en el medio ambiente en comparación con las cimentaciones superficiales o intermedias como las losas enervadas.

Por otro lado, la construcción de cimentaciones profundas puede ser más compleja y requiere más tiempo y recursos en comparación con las cimentaciones superficiales o el mejoramiento de suelos. Se necesita equipo especializado y personal capacitado para la instalación de pilotes y otros elementos de la cimentación. Además, la excavación de grandes pozos puede requerir la eliminación de grandes cantidades de tierra y puede generar problemas logísticos en el sitio de la construcción. La excavación de grandes pozos puede generar grandes cantidades de escombros y aumentar el riesgo de contaminación del suelo y del agua subterránea. Además, el uso de maquinaria pesada y el transporte de materiales pueden generar emisiones de gases de efecto invernadero y contaminación acústica.

Una opción relativamente nueva en el campo de las cimentaciones profundas es la utilización de pilotes helicoidales Los pilotes helicoidales ofrecen algunos beneficios ambientales distintivos sobre las cimentaciones convencionales, incluidos materiales reciclables con un perfil de emisiones más bajo, menor desplazamiento del suelo y mayor durabilidad, todos los cuales también son beneficios financieros distintos y se reflejan en el costo relativamente bajo de las cimentaciones de pilotes helicoidales.

El uso de columnas de grava compactada es un sistema de mejoramiento de suelos que es cada vez más utilizado en la construcción industrial (por ejemplo, en la construcción de Megafábricas como las Gigafactory de Tesla). Esto se debe a que la utilización de columnas de grava compactada en la cimentación de estructuras puede ofrecer ventajas importantes en cuanto a la rapidez y costo de la construcción, además de mejorar la capacidad de carga, la estabilidad y la durabilidad de la estructura, mientras se minimiza el impacto ambiental de la construcción.

La construcción de cimentaciones con columnas de grava compactada mediante sistemas Geopier® puede ser más rápida que las cimentaciones tradicionales, ya que no requieren tiempo de curado y eliminan de la necesidad de utilizar cimbras. Las columnas se pueden construir en secciones, lo que permite la construcción en fases y reduce el tiempo total de construcción.

Las columnas de grava compactada pueden mejorar significativamente la capacidad de carga del suelo subyacente, lo que permite construir estructuras más pesadas y grandes sobre suelos blandos o inestables. Además, reducen los asentamientos diferenciales y la consolidación del suelo, lo que mejora la estabilidad de la estructura y prolonga su vida útil.

En cuanto a sustentabilidad, el proceso de construcción de las columnas de grava compactada no genera residuos ni materiales tóxicos, puede utilizar agregados reciclados producto de demoliciones o construcciones y reduce la necesidad de movimientos de tierra y excavaciones.

Para ejemplificar lo anterior, en la Fig. 5 se muestra una comparación de dos soluciones para el apoyo de una losa de piso de un almacén con un área de 60 m x 60 m. La primera opción es alterar el suelo mediante un reemplazo de 2 m de profundidad y colocar una cimentación superficial en la zona alterada, la segunda opción es la utilización de columnas de grava compactada. En este ejemplo podemos observar una comparación económica entre ambos métodos, concluyendo que existe un potencial ahorro económico de hasta 60% con el uso de columnas de grava compactada.

Lo anterior no quiere decir que las columnas de grava compactada sean siempre la mejor opción para el apoyo de losas de piso, se debe tomar en cuenta, como en todo proyecto geotécnico, es importante realizar una evaluación cuidadosa del sitio de construcción y de las condiciones del suelo antes de determinar el tipo de solución que se utilizará.