En construcción.

Cimentaciones (si aplica) en la Preparación del Sitio para el Montaje de Estructuras Metálicas

La Base de Todo: Importancia y Consideraciones sobre las Cimentaciones

Las cimentaciones son los elementos estructurales encargados de *transmitir las cargas* de la estructura (peso propio, cargas vivas, cargas de viento, cargas sísmicas) al *suelo* de forma *segura* y *estable*. Son la *base* de cualquier edificación o estructura, y su correcto diseño y construcción son *fundamentales* para garantizar la *seguridad*, la *durabilidad* y la *funcionalidad* de la misma. Aunque el título de esta sección incluye la frase "si aplica", en la *gran mayoría* de los casos, las estructuras metálicas *requieren* cimentaciones. Solo en casos muy excepcionales, como estructuras muy ligeras y temporales, se podría prescindir de ellas.

En el contexto de la preparación del sitio para el montaje de estructuras metálicas, la sección de "Cimentaciones (si aplica)" se refiere a las actividades necesarias para *preparar* el terreno y *construir* las cimentaciones *antes* de iniciar el montaje de la estructura metálica. Estas actividades suelen ser responsabilidad del *contratista de obra civil*, *no* del montador de la estructura metálica. Sin embargo, el montador debe *coordinar* estrechamente con el contratista de obra civil para asegurar que las cimentaciones estén *listas* y en *perfectas condiciones* antes de iniciar el montaje.

Unas cimentaciones *mal diseñadas* o *mal construidas* pueden provocar:

  • Asentamientos diferenciales: Hundimientos desiguales de la estructura, que pueden generar grietas, deformaciones, inclinaciones e incluso el colapso.
  • Fallas estructurales: Daños en la estructura metálica debido a las deformaciones o movimientos de las cimentaciones.
  • Inestabilidad de la estructura: Riesgo de volcamiento o deslizamiento.
  • Sobrecostos: Por la necesidad de realizar reparaciones o refuerzos.
  • Retrasos: En el cronograma del proyecto.
  • Problemas legales: Responsabilidad civil y penal por los daños causados.

Diseño de las Cimentaciones

El diseño de las cimentaciones es responsabilidad del *ingeniero estructural* y del *ingeniero geotécnico*. Se basa en:

  • Estudio de suelos: Proporciona información sobre las características del suelo (tipo, capacidad portante, nivel freático, etc.).
  • Cargas de la estructura: Peso propio de la estructura metálica, cargas vivas (personas, muebles, equipos), cargas de viento, cargas sísmicas, etc. Estas cargas son determinadas por el ingeniero estructural.
  • Normativa aplicable: En Colombia, la norma *fundamental* es la *NSR-10* (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente), que establece los requisitos para el diseño y la construcción de cimentaciones.

El diseño de las cimentaciones debe definir:

  • Tipo de cimentación:
    • Cimentaciones superficiales: Se utilizan cuando el suelo resistente se encuentra a *poca profundidad*. Son las más comunes para estructuras metálicas. Incluyen:
      • Zapatas aisladas: Elementos de concreto que se colocan debajo de cada columna. Son las más comunes.
      • Zapatas corridas: Elementos de concreto que se colocan debajo de muros o filas de columnas.
      • Losas de cimentación: Placas de concreto que cubren toda el área de la estructura. Se utilizan en suelos blandos o cuando las cargas son muy elevadas.
      • Zapatas combinadas: Cuando dos o más columnas están muy cerca, y sus zapatas individuales se solaparían.
    • Cimentaciones profundas: Se utilizan cuando el suelo resistente se encuentra a *gran profundidad*. Son menos comunes para estructuras metálicas, pero pueden ser necesarias en suelos muy blandos o en estructuras muy altas. Incluyen:
      • Pilotes: Elementos largos y delgados, de concreto, acero o madera, que se hincan o se perforan en el terreno hasta alcanzar el suelo resistente.
      • Caissons (pilotes excavados): Cilindros de concreto que se construyen en el sitio, excavando el terreno y rellenando el hueco con concreto.
  • Dimensiones de las cimentaciones: Ancho, largo, profundidad, espesor. Las dimensiones deben ser *suficientes* para *distribuir las cargas* de la estructura al suelo de forma que *no se supere la capacidad portante* del suelo.
  • Materiales de las cimentaciones: Generalmente, se utiliza *concreto reforzado*. Se debe especificar la *resistencia del concreto* (f'c) y el *tipo de acero de refuerzo*.
  • Profundidad de desplante: Profundidad a la que se debe colocar la cimentación. Debe estar *por debajo de la capa de suelo vegetal* y de la *zona de influencia de las heladas* (si aplica). En Colombia, la profundidad mínima suele ser de 50-80 cm, pero puede ser mayor según el estudio de suelos.
  • Armadura de refuerzo: Cantidad, diámetro y disposición de las barras de acero de refuerzo.
  • Detalles constructivos: Juntas de construcción, impermeabilización, anclajes, etc.

El diseño de las cimentaciones debe ser *documentado* en *planos* y *especificaciones técnicas*, que deben ser *aprobados* por el ingeniero estructural y por la entidad encargada de otorgar la licencia de construcción.

Construcción de las Cimentaciones (Actividades Típicas)

La construcción de las cimentaciones generalmente implica las siguientes actividades:

1. Excavación:

Se realiza la *excavación* del terreno hasta la *profundidad de desplante* de la cimentación, siguiendo las dimensiones y la forma indicadas en los planos. La excavación se puede realizar con *herramientas manuales* (palas, picos) o con *equipos* (retroexcavadoras, excavadoras).

  • Taludes: Si la excavación es profunda, se deben construir *taludes* con una pendiente *segura* para evitar derrumbes. La pendiente dependerá del tipo de suelo. En algunos casos, puede ser necesario utilizar *entibados* o *tablestacados* para sostener las paredes de la excavación.
  • Control de nivel: Se debe *controlar* *constantemente* la *profundidad* y la *nivelación* de la excavación, utilizando un nivel topográfico.
  • Protección de la excavación: Se debe *proteger* la excavación de la lluvia y del agua subterránea, para evitar inundaciones y derrumbes. Se pueden utilizar *bombas* para extraer el agua, y se pueden construir *canales de desagüe*.
  • Seguridad: Se deben tomar todas las medidas de seguridad necesarias para *prevenir accidentes* durante la excavación (caídas, golpes, atrapamientos, derrumbes). Se debe *señalizar* y *delimitar* la zona de excavación. Los trabajadores deben utilizar el *equipo de protección personal* adecuado (casco, gafas, guantes, botas de seguridad).
  • Inspección: Se debe inspeccionar el fondo de la excavación para verificar que se ha alcanzado el suelo firme y que no hay presencia de agua o de materiales inadecuados.

2. Encofrado:

Se instala el *encofrado*, que es un *molde* temporal que se utiliza para *dar forma* al concreto fresco de la cimentación. El encofrado puede ser de *madera*, *metal* o *plástico*. Debe ser *resistente*, *estable* y *estanco* (para evitar que se escape el concreto fresco).

  • Alineación y nivelación: El encofrado debe estar *correctamente alineado* y *nivelado*, de acuerdo con los planos.
  • Limpieza: El encofrado debe estar *limpio* y *libre de polvo*, *aceite* o cualquier otro material que pueda afectar la adherencia del concreto.
  • Desmoldante: Se debe aplicar un *desmoldante* al encofrado para facilitar su posterior retiro y para evitar que el concreto se adhiera al encofrado.
  • Sujeción: El encofrado debe estar *firmemente sujeto* para evitar que se mueva o se deforme durante el vaciado del concreto. Se utilizan puntales, tensores, etc.
  • Inspección: Se debe inspeccionar el encofrado antes de vaciar el concreto, para verificar que esté correctamente instalado y que cumpla con los requisitos.

3. Colocación del Acero de Refuerzo:

Se coloca el *acero de refuerzo* dentro del encofrado, siguiendo las indicaciones de los planos. El acero de refuerzo le proporciona *resistencia a la tracción* al concreto, que es débil en este aspecto.

  • Tipo de acero: Se debe utilizar el tipo de acero de refuerzo especificado en los planos (generalmente, acero corrugado).
  • Diámetro y espaciamiento: Se deben colocar las barras de acero con el *diámetro* y el *espaciamiento* indicados en los planos.
  • Recubrimiento: Se debe asegurar un *recubrimiento* mínimo de concreto sobre el acero de refuerzo, para protegerlo de la corrosión. El recubrimiento mínimo depende del tipo de elemento y de la exposición al ambiente (generalmente, entre 2 y 5 cm). Se utilizan *separadores* para mantener el acero de refuerzo en su posición y asegurar el recubrimiento.
  • Empalmes: Se deben realizar los *empalmes* de las barras de acero de acuerdo con las indicaciones de los planos y de la norma NSR-10. Los empalmes pueden ser por *traslapo*, por *soldadura* o con *conectores mecánicos*.
  • Anclajes: Se deben anclar las barras de acero en los extremos, utilizando *ganchos* o *dobleces*, según se indique en los planos.
  • Limpieza: El acero de refuerzo debe estar *limpio* y *libre de óxido*, *grasa* o cualquier otro material que pueda afectar su adherencia al concreto.
  • Inspección: Se debe inspeccionar la colocación del acero de refuerzo antes de vaciar el concreto, para verificar que cumple con los planos y las especificaciones.

4. Vaciado del Concreto:

Se *vacia* el concreto fresco dentro del encofrado, utilizando *bombas de concreto*, *carretillas* o *cubos*, según el tamaño y la accesibilidad de la cimentación.

  • Preparación del concreto: Se debe utilizar un concreto con la *resistencia* (f'c) y la *trabajabilidad* (asentamiento) especificadas en los planos. Se debe verificar la calidad del concreto mediante *ensayos de laboratorio*. Se debe preparar la mezcla en una planta de concreto, o en el sitio si se cuenta con los equipos adecuados.
  • Vaciado: Se debe vaciar el concreto de forma *continua* y *uniforme*, evitando la *segregación* (separación de los componentes del concreto). Se debe vaciar el concreto en *capas* de espesor *no mayor a 30-50 cm*.
  • Vibrado: Se debe *vibrar* el concreto inmediatamente después de vaciarlo, para *eliminar el aire atrapado* y *asegurar una buena compactación*. Se utiliza un *vibrador de inmersión* o un *vibrador de encofrado*. El vibrado debe ser *enérgico* pero *no excesivo*, para evitar la segregación. Se debe evitar el contacto del vibrador con el encofrado y con el acero de refuerzo.
  • Nivelación: Se debe *nivelar* la superficie del concreto con una *regla* o *llana*.
  • Curado: Se debe *curar* el concreto después de vaciarlo, para *evitar la evaporación rápida del agua* y *asegurar un buen desarrollo de la resistencia*. El curado se puede realizar *manteniendo húmeda* la superficie del concreto (con agua, con telas húmedas, con plásticos) o aplicando un *compuesto de curado*. El curado debe durar *al menos 7 días*, y preferiblemente más tiempo (14-28 días).
  • Protección: Se debe *proteger* el concreto fresco de la lluvia, el sol y las temperaturas extremas.

5. Desencofrado:

Se *retira* el encofrado una vez que el concreto ha adquirido la *resistencia suficiente* para soportar su propio peso y las cargas de construcción. El tiempo de desencofrado depende de la resistencia del concreto, del tipo de elemento y de las condiciones climáticas. Generalmente, se puede desencofrar las zapatas a los 2-3 días, pero se debe consultar al ingeniero estructural.

  • Precaución: Se debe *desencofrar* con *cuidado* para no dañar el concreto. Se deben utilizar herramientas adecuadas (palancas, cuñas).
  • Limpieza: Se debe *limpiar* el concreto de cualquier resto de encofrado o desmoldante.
  • Inspección: Se debe *inspeccionar* el concreto después de desencofrar, para detectar posibles defectos (grietas, coqueras, etc.). Si se encuentran defectos, se deben *reparar* de acuerdo con las indicaciones del ingeniero estructural.

6. Relleno y Compactación (si aplica):

Si la cimentación se encuentra por debajo del nivel del terreno, se debe *rellenar* el espacio entre la cimentación y el terreno natural con *material de relleno* adecuado, y se debe *compactar* el relleno en capas, siguiendo los procedimientos descritos anteriormente (en la sección de "Nivelación y Compactación").

7. Instalación de Anclajes:

Se instalan los *pernos de anclaje* o *placas de anclaje* que conectarán la estructura metálica a la cimentación. Los anclajes deben ser *instalados* de acuerdo con los *planos* y *especificaciones* del proyecto, y deben ser *verificados* por el ingeniero estructural.

  • Ubicación: Los anclajes deben ser ubicados *exactamente* en la posición indicada en los planos. Se deben utilizar *plantillas* para asegurar la correcta ubicación.
  • Nivelación: Los anclajes deben estar *perfectamente nivelados* y *alineados*.
  • Fijación: Los anclajes pueden ser *embebidos* en el concreto fresco (durante el vaciado) o *instalados* después del fraguado del concreto (utilizando adhesivos epóxicos o anclajes mecánicos). Se debe seguir el procedimiento especificado en los planos.
  • Protección: Los anclajes deben ser *protegidos* contra la corrosión, utilizando *pintura anticorrosiva*, *galvanizado* u otros recubrimientos. Las roscas de los pernos deben ser *protegidas* con *grasa* o *cinta* para evitar daños durante el montaje.
  • Inspección: Se debe *inspeccionar* la instalación de los anclajes antes de iniciar el montaje de la estructura metálica, para verificar que cumplen con los planos y especificaciones. Se deben realizar *pruebas de carga* en algunos casos, según lo especificado en el proyecto.

Es *fundamental* que los anclajes estén *correctamente instalados*, ya que son los encargados de *transmitir las cargas* de la estructura metálica a la cimentación. Un anclaje *mal instalado* puede *fallar* y comprometer la *estabilidad* de toda la estructura.

8. Inspección y Control de Calidad:

Se deben realizar *inspecciones* y *ensayos* durante *todas* las etapas de la construcción de las cimentaciones para asegurar que se cumplan los requisitos de calidad. Esto incluye:

  • Inspección de la excavación.
  • Inspección del encofrado.
  • Inspección de la colocación del acero de refuerzo.
  • Inspección del concreto fresco (asentamiento, temperatura).
  • Ensayos de resistencia del concreto (cilindros o cubos de concreto).
  • Inspección del desencofrado.
  • Inspección de la instalación de anclajes.
  • Control topográfico.
  • Ensayos de compactación del relleno (si aplica).

Se deben llevar *registros* de todas las inspecciones y ensayos realizados. Cualquier *no conformidad* debe ser *registrada* y *corregida* de acuerdo con el Plan de Calidad.

Coordinación con el Montaje de la Estructura Metálica

Es *fundamental* que exista una *estrecha coordinación* entre el contratista de obra civil (responsable de la construcción de las cimentaciones) y el montador de la estructura metálica. Se deben coordinar los siguientes aspectos:

  • Cronograma: Se debe asegurar que las cimentaciones estén *listas* y en *perfectas condiciones* *antes* de iniciar el montaje de la estructura metálica. Se debe prever un *tiempo suficiente* para la construcción de las cimentaciones, incluyendo el tiempo de *curado* del concreto.
  • Planos y especificaciones: Se debe asegurar que ambos contratistas tengan los *mismos planos* y *especificaciones* actualizados, y que los *comprendan* correctamente.
  • Tolerancias: Se deben establecer *tolerancias* para la construcción de las cimentaciones y para el montaje de la estructura metálica, y se debe asegurar que estas tolerancias sean *compatibles*.
  • Inspecciones: Se deben realizar *inspecciones conjuntas* de las cimentaciones antes de iniciar el montaje de la estructura metálica, para verificar que cumplen con los requisitos.
  • Comunicación: Se debe mantener una *comunicación constante* y *fluida* entre ambos contratistas para resolver cualquier problema o duda que pueda surgir.
  • Entrega: Se debe realizar una entrega formal de las cimentaciones, por parte del contratista de obra civil al montador de la estructura.

Una buena coordinación entre ambos contratistas es *esencial* para evitar problemas y retrasos en el proyecto.

Consideraciones Específicas para Colombia

  • NSR-10: Se debe cumplir *estrictamente* con la *NSR-10* (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente), que establece los requisitos para el diseño y la construcción de cimentaciones en Colombia. La NSR-10 incluye requisitos *específicos* para el diseño sísmico de cimentaciones.
  • Estudios de Suelos: Es *obligatorio* realizar un estudio de suelos *antes* de iniciar cualquier construcción en Colombia. El estudio de suelos debe ser realizado por un *ingeniero geotécnico* o un *laboratorio de suelos* acreditado, y debe cumplir con los requisitos de la NSR-10.
  • Materiales: Se deben utilizar *materiales de construcción* que cumplan con las *normas técnicas colombianas (NTC)*. Se debe verificar la calidad del concreto y del acero de refuerzo mediante *ensayos de laboratorio*.
  • Mano de Obra: Se debe asegurar que el personal que realiza la construcción de las cimentaciones esté *calificado* y tenga *experiencia* en este tipo de trabajos.
  • Condiciones climáticas: Se debe tener en cuenta el impacto de las lluvias en la excavación, el vaciado y el curado del concreto.

Tablas

Tipos de Cimentaciones Comunes para Estructuras Metálicas

Tipo de Cimentación Descripción Uso Típico Ventajas Desventajas
Zapata Aislada Elemento de concreto debajo de cada columna. Estructuras con cargas moderadas y suelo relativamente bueno. Económica, fácil de construir. No adecuada para suelos blandos o cargas muy elevadas.
Zapata Corrida Elemento de concreto debajo de muros o filas de columnas. Muros de carga, estructuras con columnas alineadas. Distribuye mejor la carga que las zapatas aisladas. Más costosa que las zapatas aisladas.
Losa de Cimentación Placa de concreto que cubre toda el área de la estructura. Suelos blandos, cargas elevadas, estructuras con sótanos. Distribuye la carga uniformemente, buena para suelos problemáticos. Costosa, requiere más excavación.
Zapata Combinada Combina dos o más columnas en una sola zapata. Columnas muy cercanas entre sí. Evita el solape de zapatas individuales Más compleja de diseñar y construir
Pilotes Elementos largos y delgados (concreto, acero, madera) hincados o perforados. Suelos blandos a gran profundidad, cargas muy elevadas. Pueden alcanzar suelos resistentes a gran profundidad. Costosos, requieren equipos especiales.

Actividades en la Construcción de Cimentaciones

Actividad Descripción Consideraciones
Excavación Remoción de tierra hasta la profundidad de desplante. Taludes estables, control de nivel, seguridad.
Encofrado Instalación de moldes para el concreto. Alineación, nivelación, limpieza, desmoldante, sujeción.
Colocación de acero de refuerzo Instalación de barras de acero según planos. Tipo de acero, diámetro, espaciamiento, recubrimiento, empalmes, anclajes.
Vaciado de concreto Vertido del concreto fresco en el encofrado. Preparación del concreto, vaciado continuo, vibrado, nivelación, curado, protección.
Desencofrado Retiro del encofrado. Después de que el concreto alcance suficiente resistencia, con cuidado.
Relleno y Compactación Relleno del espacio entre la cimentación y el terreno Material adecuado, compactación por capas, humedad óptima.
Instalación de anclajes Colocación de pernos o placas de anclaje. Ubicación precisa, nivelación, fijación, protección contra corrosión.

Ensayos Comunes para el Control de Calidad de Cimentaciones

Ensayo Objetivo Norma (Ejemplo)
Resistencia a la compresión del concreto Verificar la resistencia del concreto. NTC 673 (Colombia), ASTM C39 (EE. UU.)
Asentamiento del concreto (Cono de Abrams) Medir la trabajabilidad del concreto fresco. NTC 396 (Colombia), ASTM C143 (EE. UU.)
Proctor (estándar o modificado) Determinar la humedad óptima y la densidad máxima seca del suelo (en laboratorio). INV E 141/142 (Colombia), ASTM D698/D1557 (EE. UU.)
Densidad en sitio (cono de arena, densímetro nuclear) Medir la densidad del suelo compactado en campo. INV E 161/164 (Colombia), ASTM D1556/D6938 (EE. UU.)