Causas De Fallos En Las Cimentaciones
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PATOLOGÍA E INTERVENCIÓN EN CIMENTACIONES DE EDIFICACIÓN
MÓDULO 2. CAUSAS DE FALLOS EN LAS CIMENTACIONES
Índice 2. Causas de fallos en las cimentaciones 2.1.
El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4.
Los rellenos artificiales Las arcillas expansivas Los terrenos karstificados o con erosión interna Los terrenos colapsables
2.2
Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones
2.3
Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación
2.4
2.3.1.
Los derribos hechos junto a edificios existentes
2.3.2.
Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes
2.3.3.
Las alteraciones del nivel freático
Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
2. CAUSAS DE FALLOS EN LAS CIMENTACIONES Las causas más frecuentes de fallos en las cimentaciones son muchas y muy variadas, pero pueden concretarse en las cuatro siguientes: •
El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno.
•
Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones.
•
Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación.
•
Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación. A continuación, vamos a comentar breve y ordenadamente cada una de estas causas.
2.1. El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno De entre las diversas características del terreno cuyo desconocimiento suele ser causa de fallos en las cimentaciones, destacan las siguientes: •
Composición estratigráfica heterogénea.
•
Presencia de terrenos muy flojos o muy blandos.
•
Presencia de laderas inestables.
•
Presencia de terrenos especialmente problemáticos.
El hecho de que estas características hayan sido o todavía sean desconocidas no debe parecer extraño, al menos en nuestro país. Téngase en cuenta que, en España, la obligatoriedad de encargar un Informe Geotécnico con carácter previo a la redacción del correspondiente proyecto de ejecución es muy reciente. De hecho, hasta la entrada en vigor de la nueva Ley de Ordenación de la Edificación, el Informe Geotécnico sólo era obligatorio para la redacción de los proyectos de viviendas de protección oficial y de edificios de uso público. Y, hasta la entrada en vigor del nuevo Código Técnico de la Edificación, no ha existido en España ningún tipo de reglamentación ni acerca de la planificación de un Informe Geotécnico ni acerca de su contenido. Por ello, aunque se dispusiera de un Informe Geotécnico, no existía seguridad alguna de que en él estuviera reflejada toda la información mínimamente imprescindible. Como es natural, los fallos en las cimentaciones suelen coincidir con situaciones adversas. Veamos algunos ejemplos: Una composición estratigráfica heterogénea es aquella en la que el terreno presenta una gran variedad de capas o estratos, cuyo desarrollo en planta y cuyo espesor también son muy variables. Y los fallos suelen ocurrir en aquellos edificios cuyos cimientos apoyan sobre un mismo y único plano horizontal. (Véase Figura 2-1)
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-1. Composición estratigráfica heterogénea
El origen de esos daños está en el apoyo de cada uno de los distintos elementos de cimentación sobre un conjunto de capas de terreno que presentan una compresibilidad y una capacidad portante diferentes. Por ello y aunque tales elementos de cimentación estuvieran cargados con cargas (P) iguales, los asientos de cada uno de ellos serían diferentes y la distorsión angular () entre cada dos de dichos elementos de cimentación no cumpliría la mínima admisible para asegurar la ausencia de daños. Los terrenos muy flojos o muy blandos suelen causar daños en aquellos edificios de cierta entidad que transmiten cargas considerables al terreno. El origen de esos daños está en el apoyo de la cimentación sobre un terreno cuya capacidad portante es muy limitada y no puede contrarrestar las cargas transmitidas por dicha cimentación. (Véase Figura 2-2).
Figura 2-2. Daños en edificios apoyados sobre terrenos muy flojos o muy blandos
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Las laderas inestables causan daños en los edificios que están construidos sobre ellas. El origen de esos daños es el movimiento generalizado de la ladera, a su vez producido por alguna alteración, natural o artificial, o bien de sus materiales constituyentes o bien de sus pendientes naturales. Las alteraciones naturales suelen producirse por la presencia de agua, estática o en circulación. Téngase en cuenta que la estabilidad de una ladera depende de la resistencia a cortante del terreno y que dicha resistencia disminuye en presencia de agua. Además, hay terrenos que contienen en el seno de su masa sales solubles o huecos, cuya densidad y cuyo tamaño se incrementan con la presencia del agua y, cuando hay presencia de estos terrenos en una ladera, ese incremento de la densidad y tamaño de los huecos causa la inestabilidad de dicha ladera. Las alteraciones artificiales suelen producirse o bien por la ejecución de excavaciones (al pie o a media ladera) o bien por la modificación de las pendientes naturales para la construcción de un edificio o de una infraestructura. Téngase en cuenta que, en general, los terrenos tienen una resistencia a cortante muy baja, incluso a veces nula, en ausencia de tensión normal. Por ello, tanto la reducción de peso causada por una excavación como el aumento del ángulo de inclinación de la ladera pueden provocar su inestabilidad. (Véase Figura 2-3)
Figura 2-3. Causas de inestabilidad de una ladera
Cuando una ladera pierde estabilidad, se produce un movimiento de miles de metros cúbicos de tierras, por lo que las soluciones para frenar la progresión de dicho movimiento son muy complejas y de gran repercusión económica. (Véase Figura 2-4). En otro orden de cosas, hay terrenos que, debido a sus propias características intrínsecas, resultan especialmente problemáticos y constituyen un origen frecuente de los daños que padecen las cimentaciones de los edificios. De entre estos terrenos especialmente problemáticos, cabe destacar los siguientes: •
Los rellenos artificiales.
•
Las arcillas expansivas.
•
Los terrenos karstificados o con erosión interna.
•
Los terrenos colapsables.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-4. Daños causados por el movimiento de una ladera
2.1.1. Los rellenos artificiales Ningún relleno artificial debería constituir el apoyo de una cimentación, pero lo cierto es que, lamentablemente, son muy frecuentes las patologías causadas por el indebido apoyo de los cimientos sobre esta clase de terrenos, sobre todo cuando corresponden a edificios de escasa entidad. En efecto, en esta clase de edificios de volumen limitado es tan erróneo como frecuente el intento de economizar al máximo, tanto en los gastos derivados de la investigación del terreno (Informe Geotécnico) como en los costes de construcción de la cimentación. En consecuencia, los cimientos se apoyan sobre los rellenos en lugar de atravesarlos, unas veces por el simple desconocimiento de que son rellenos y otras veces por pura tacañería, empeorada por el desconocimiento de que, incluso en ausencia de cargas, todo relleno experimenta notables deformaciones espontáneas. Hay muchas clases de rellenos y todos ellos son peligrosos para la estabilidad de las edificaciones, pero los peores son los vertederos y, dentro de ellos, los basureros, debido tanto a la heterogeneidad de su composición como a su gran deformabilidad. Uno de los mayores problemas que presentan los vertederos es el de conocer su localización y su extensión exactas. Con frecuencia, los vertidos en las áreas periféricas de los antiguos cascos urbanos han sido y todavía siguen siendo incontrolados. Y lo que es peor, cuando los vertidos en esas áreas han cesado (realmente, cuando esos vertederos han sido trasladados, porque el crecimiento urbano ha invadido las antiguas áreas marginales), la vegetación natural espontánea se encarga de enmascarar la facies de los vertederos abandonados. Por ello, si no se ha hecho una investigación geotécnica en esas áreas antes de construir, resulta muy difícil y hasta imposible conocer la localización de tales rellenos. Pero además de la problemática causada por los vertederos, debe considerarse la que se deriva de otras dos intervenciones que han sido desastrosas para la estabilidad de los edificios y que, por desgracia, continúan siéndolo. Estas intervenciones son: •
El relleno artificial de antiguas vaguadas, hecho con el objetivo de construir nuevas infraestructuras (Véase Figura 2-5) o de crear nuevas áreas de ocupación urbana. En algunas ciudades, como Madrid, esta solución ha sido tan frecuente como peligrosa para la estabilidad de las nuevas construcciones 6
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
levantadas en esas áreas. Téngase en cuenta que muchos de esos rellenos de vaguadas han ocultado antiguos cursos de agua y han aterrado drenajes naturales. En consecuencia, la base de los depósitos se carga de agua temporal y aleatoriamente. Y, para lo que se refiere a la estabilidad de las construcciones, la combinación de RELLENO + AGUA resulta indefectiblemente ruinógena.
Figura 2-5. Daños en la calzada de la autovía A-3 en la zona construida sobre el relleno del cauce del arroyo Mingueles
•
La construcción sobre restos de antiguas edificaciones (Véase Figura 2-6). Esta clase de intervención, tan indebida como frecuente en todas las culturas de las distintas áreas geográficas, obedece a distintos motivos. Unas veces, éstos son de carácter esotérico, aunque también pueden estar relacionados con la comprobación de que el emplazamiento elegido es bueno para edificar. Otras veces (la mayoría de ellas), los motivos de esta mala práctica son de carácter puramente económico y están relacionados con el ahorro de materiales y de mano de obra en todos aquellos elementos constructivos que quedan ocultos a la vista, como es el caso de la cimentación.
Figura 2-6. Templo medieval construido sobre unas termas romanas en Siracusa (Sicilia)
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
El principal problema que presentan todos los rellenos es su gran compresibilidad, que depende tanto de su composición (no asienta lo mismo un relleno de tierras que un basurero) como de su espesor (esto es, de la altura del relleno). Pero los rellenos todavía tienen otra característica negativa y es que sus asientos nunca son homogéneos, sino diferentes bajo cada punto. Además, como ya se ha hecho constar, esos asientos pueden producirse espontáneamente en ausencia de carga, porque a través de esos movimientos los rellenos intentan consolidarse y transformarse en un nuevo terreno natural. Ahora bien, en relación con ese proceso de consolidación espontánea, debe tenerse en cuenta que la formación de un suelo requiere cientos de miles de años, por lo que es seguro que cualquier relleno artificial (aunque sea prehistórico) todavía no ha terminado su larguísimo período de consolidación. De acuerdo con todo lo que se acaba de exponer, no es extraño que los daños en los edificios cimentados sobre rellenos sean, aparte de los más frecuentes, los más graves y espectaculares. Además, las grietas que acusan tales daños no presentan ninguna ley, sino que suelen orientarse en todas direcciones. En ocasiones y aunque la generalidad de una edificación esté debidamente cimentada, sus elementos secundarios (aceras, escaleras, soleras, etc…) han sido construidos directamente sobre rellenos, sin ninguna clase de tratamiento ni de precaución. Y, como es lógico, esos elementos son los que presentan daños. Un caso bastante frecuente es el que se presenta, a título de ejemplo, en la Figura 2-7, en el que la construcción de una parte de la urbanización interior de una parcela (una acera y una zona de la calzada) ha sido realizada sobre los rellenos exteriores del muro de contención del sótano del edificio.
Figura 2-7. Urbanización interior de una parcela sobre los rellenos del muro de contención de sótano del edificio
Como ya se ha apuntado, el mayor agravante de los problemas padecidos por las construcciones sobre rellenos es el AGUA, cualquiera que sea su origen (natural o artificial). De hecho, las instalaciones de agua presentes bajo los edificios constituyen un origen muy frecuente de daños y, en particular, las canalizaciones de saneamiento enterradas resultan muy conflictivas. Téngase en cuenta que cuando el terreno de rellenos se mueve, se producen desconexiones y roturas en los tubos y en las arquetas de los saneamientos enterrados y las aguas residuales que fluyen a través de esas desconexiones y roturas embeben los rellenos, acelerando sus movimientos, con lo cual aumentan las roturas en número y en amplitud hasta que todas esas aguas residuales acaban disipándose directamente a los rellenos, provocando su imbibición y su hundimiento. La nociva presencia de agua sobre terrenos de relleno también puede deberse al riego de una zona ajardinada o al baldeo de espacios libres o al mal funcionamiento de implantaciones deportivas (muy frecuentemente de las piscinas) o a la simple presencia del agua de lluvia. En todos los casos, el efecto final es el mismo: hundimiento del relleno y roturas en los elementos constructivos que apoyen sobre él.
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
2.1.2. Las arcillas expansivas Las arcillas expansivas son terrenos cuyos minerales constituyentes presentan la propiedad de cambiar de volumen cuando varía su humedad, experimentando o bien hinchamientos cuando aumenta dicha humedad o bien retracciones cuando ésta disminuye (Véase Figura 2-8).
Figura 2-8. Retracciones en arcillas expansivas
Por ello y aunque en toda la geografía española la presencia de arcillas expansivas puede ser calificada de razonablemente frecuente, sus efectos patológicos solamente suelen ser conocidos (por cuanto son padecidos) en aquellas zonas climáticas que experimentan las variaciones de humedad más notables, esto es, desde la submeseta inferior hacia el sur. En concreto, la patología debida a la presencia de arcillas expansivas suele presentarse en aquellas regiones cuyo balance hídrico es negativo y los daños en los edificios construidos sobre arcillas expansivas suelen manifestarse después de un largo período de sequía. La zona en la que la arcilla se ve afectada por los cambios de humedad y, en consecuencia, por los cambios de volumen, se denomina ZONA ACTIVA. Su profundidad es variable, en función de la climatología (variaciones estacionales) y de la existencia de niveles de agua permanentes en el terreno. En España, esa profundidad oscila entre los 3 metros y los 6 metros. Tal y como puede apreciarse en la Figura 1-9, en una excavación realizada al final del verano, el terreno más somero se presenta muy seco y va aumentando su humedad con la profundidad hasta alcanzar una humedad de equilibrio. Por el contrario, si dicha excavación se hiciera al final del invierno, el terreno más somero se presentaría muy húmedo y su humedad iría disminuyendo con la profundidad hasta alcanzar esa misma humedad de equilibrio.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-9. Variación estacional de la humedad en función de la profundidad
En consecuencia, no cabe duda de que el riesgo de movimientos de una cimentación apoyada sobre arcillas expansivas será mayor cuanto menor sea la profundidad de su plano de apoyo, ya que ese plano más somero es el que está sometido a las mayores variaciones de humedad. De hecho, ese riesgo solamente desaparece cuando la profundidad del repetido plano de apoyo sobrepasa la zona activa. El movimiento más característico de una edificación construida sobre arcillas expansivas es el denominado “movimiento convexo” o “de quebranto”. Este último calificativo es muy acertado, porque se trata de un movimiento en el que se combinan hinchamientos bajo el centro del edificio con asientos bajo sus bordes. Y al igual que le sucede a un barco cuando queda sobre la cresta de una ola, los extremos laterales del edificio quedan trabajando en ménsula y la construcción se agrieta, principalmente, en su coronación. (Véase Figura 2-10)
Figura 2-10. Movimiento convexo de un edificio construido sobre arcillas expansivas
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Este movimiento es una consecuencia directa de la simple presencia de la propia edificación, la cual funciona como un tapón que favorece la acumulación de humedad bajo su centro, salvo en el caso de que en el plano de contacto entre el edificio y el terreno se disponga una cámara de aire ventilada: el denominado “vacío sanitario”. Esa acumulación de humedad bajo el centro del edificio es el origen de los hinchamientos de solados y soleras y puede agravarse por la presencia de desconexiones y roturas en las canalizaciones de agua enterradas que tenga el propio edificio (y en particular en las del saneamiento), por cuanto éstas no suelen estar preparadas para afrontar los movimientos del terreno. En las temporadas de sequía, la humedad disminuye en los bordes del edificio, causando las retracciones que constituyen el origen de los asientos en dichos bordes. Esas retracciones pueden agravarse por la presencia de arbolado en el entorno inmediato de la edificación, habida cuenta de que las raíces se extienden hacia las zonas más húmedas (hacia el centro del edificio) y, en su recorrido, desecan todavía más el volumen de terreno que les queda más cerca. Y allí, bajo el centro del edificio, las raíces encuentran y rompen las canalizaciones de agua enterradas, generando las correspondientes pérdidas, las cuales, a su vez, favorecen nuevos hinchamientos del terreno y nuevas roturas de las instalaciones. En resumen, todavía aumenta más la diferencia de humedad entre la zona central y los bordes del edificio, con lo que también se incrementa el movimiento general del mismo. El movimiento de quebranto es muy peligroso para la estabilidad general de los edificios, porque la importancia de los daños depende, principalmente, de la resistencia a tracción que el edificio posea en su coronación, resistencia que suele ser muy reducida, ya que se debe exclusivamente a la que pueda proporcionar el zuncho de atado en esa coronación, cuando lo hay. Otra patología característica de los edificios apoyados sobre arcillas expansivas es la que se deriva de las acciones de empuje, que pueden actuar sobre las estructuras de contención y sobre los propios elementos de cimentación. En efecto, los movimientos de un terreno expansivo en la zona activa no son exclusivamente verticales, sino también horizontales, de resultas de lo cual causan unos empujes muy considerables, sobre todo en las capas más superficiales, las cuales, obviamente, son las más expuestas a los cambios de humedad. 2.1.3. Los terrenos karstificados o con erosión interna Estos terrenos presentan en el seno de su masa huecos o cavidades, que pueden haberse formado de manera natural o artificial. En los terrenos calizos y en los yesíferos, las cavidades se forman de manera natural, porque en su composición intervienen sales solubles que son disueltas y arrastradas por el paso del agua, cualquiera que sea la procedencia de ésta. Este proceso natural de disolución se denomina karstificación. (Véase Figura 2-11) Pero los huecos y cavidades también pueden haberse producido de manera artificial, como consecuencia de la erosión interna del terreno derivada de las actividades extractivas correspondientes a la ejecución de túneles, pozos y galerías. Cualquiera que sea el origen de esas cavidades, natural o artificial, el principal problema que se presenta en esta clase de terrenos es la localización de los huecos, porque su distribución es errática y resulta extremadamente difícil el conocerla mediante las campañas usuales de investigación del terreno. Con suerte, el Informe geotécnico puede llegar a describir la presencia de huecos o cavidades en la masa del terreno, o bien porque hayan sido localizados en alguno de los reconocimientos realizados o bien porque se tengan noticias de su presencia en el entorno de la zona investigada. Pero lo que no resulta posible es conocer ni la localización exacta de todos los huecos, ni la densidad de su presencia, ni su tamaño. En consecuencia, no se puede asegurar que una cimentación construida sobre esta clase de terrenos no apoya sobre algún hueco. De hecho, solamente se tendría esa seguridad si se hubiera hecho un punto de reconocimiento del terreno por cada punto 11
Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
de cimentación. Y aun así, en el caso de terrenos kársticos en presencia de agua, después de haber construido la cimentación podrían formarse nuevos huecos o aumentar el tamaño de los existentes.
Figura 2-11. Terrenos karstificados
2.1.4. Los terrenos colapsables Los terrenos colapsables son aquellos que, en presencia de agua, experimentan un asiento súbito (“de colapso”), debido a la disolución de las sales presentes en los contactos entre sus partículas. Esta disolución puede deberse a la circulación natural del agua, pero también a la indebida presencia de ésta, causada por pérdidas en las redes de las instalaciones enterradas. Cualquiera que sea su origen, el colapso del terreno provoca su hundimiento y, en su caso, el movimiento diferencial de los elementos de cimentación que estén apoyados sobre él.
2.2. Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones también son causas muy frecuentes de que los edificios padezcan daños. Las deficiencias en el proyecto de una cimentación suelen derivarse del ya mencionado desconocimiento de las características intrínsecas del terreno, pero también pueden deberse al desconocimiento del funcionamiento mecánico de la estructura, el cual conduce a errores en la cuantificación de las acciones transmitidas al terreno por dicha estructura. Cualquiera de esos dos desconocimientos conduce a errores en la definición de la cimentación, ya sea en la 12
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
selección del sistema más adecuado al caso concreto de que se trate, ya sea en el dimensionado de los distintos elementos que la constituyen. Como consecuencia de esos errores, los terrenos resultan sobrecargados en exceso, porque los cimientos o bien apoyan sobre terrenos que no son aptos para cimentar o bien presentan unas cuantificaciones dimensionales inferiores a las mínimamente necesarias para transmitir las correspondientes acciones. Y los excesos de carga transmitida dan lugar a que el terreno experimente unos movimientos que no son tolerables para la clase de estructura adoptada. A estos efectos, debe tenerse en cuenta que hasta bien entrado el siglo XIX el dimensionado de los elementos estructurales de los edificios se hacía de una manera empírica, conforme a unas reglas experimentales que solamente contemplaban los pesos propios. Prueba de ello es que los elementos estructurales que constituían las fachadas solían tener unas dimensiones mayores que los de las crujías interiores, simplemente porque esas fachadas se construían con unos materiales más pesados (piedra, ladrillo) que los empleados para construir los muros definitorios de las crujías interiores (entramados de madera). Y, hasta esas épocas, el dimensionado de las cimentaciones se hacía en función de los espesores y de las alturas de los elementos estructurales que apoyaban sobre ellas, por lo que era muy frecuente que las cimentaciones de las fachadas tuvieran unas dimensiones mayores que las que soportaban los muros de las crujías interiores. Y esto no solamente en planta, sino también en sección vertical, por lo que de hecho también es muy frecuente que las cimentaciones de las fachadas apoyen a mayor profundidad que las de los muros interiores. Por cuanto las cimentaciones de esos muros interiores presentaban unas dimensiones muy reducidas aunque estaban más sobrecargados que los de las fachadas, es muy frecuente que los edificios antiguos padezcan un movimiento de hundimiento bajo su centro. En algunos lugares, como en Venecia, esta deficiencia llegó a ser tan frecuente y tan generalizada que el movimiento de hundimiento de las cimentaciones situadas bajo el centro de los edificios ha recibido la denominación de “efecto Venecia”. (Véase Figura 2-12).
Figura 2-12. Sistema constructivo tradicional en Venecia
Y es que, desde los comienzos de la arquitectura llamada palacial hasta bien entrado el siglo XVIII, las cimentaciones de los muros de fachada en Venecia, por cuanto recaían a los canales, además de tener unas dimensiones mayores que las de los muros interiores, tanto en planta como en alzado, apoyaban sobre un te13
Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
rreno mejorado mediante un conjunto de estacas hincadas conforme al criterio de “a tanto espacio lleno como vacío”. En lo relativo a las deficiencias en la ejecución de las cimentaciones, debe hacerse constar que su origen suele deberse al empleo de materiales y de fábricas de mala calidad. No debe olvidarse que, a lo largo de la historia, la práctica constructiva en la edificación ha tenido el afán, tan erróneo como frecuente, de ahorrar al máximo en todo aquello que quedaba oculto a la vista, como son las cimentaciones. La normativa española actual obliga a que todas las cimentaciones sean construidas con un hormigón armado cuya resistencia mínima sea 25.000 kN/m2 y cuyas características sean las adecuadas en función de la agresividad del terreno y del agua contenida en el mismo. Pero, hasta la entrada en vigor de la actual Instrucción de Hormigón Estructural “EHE”, las cimentaciones solían construirse con unos hormigones que tenían menor resistencia y peor dosificación que los empleados en las estructuras sobre rasante. Debe recordarse que, salvo en muy contadas excepciones, en las cimentaciones de los edificios construidos después de la caída del Imperio Romano solían emplearse fábricas constituidas por simples piedras mezcladas con algún aglomerante (muchas veces, pasta de cal). Además, no cabe duda de que la ejecución de las fábricas de cimentación siempre ha sido menos cuidada y ha tenido unos niveles de control más reducidos que los aplicados a las estructuras sobre rasante. Los motivos de esta práctica errónea solamente pueden ser puramente económicos, puesto que, desde un punto de vista estrictamente técnico, no cabe duda de que los materiales y las fábricas de cimentación están mucho más expuestos a las acciones agresivas externas que los materiales y fábricas que constituyen las estructuras sobre rasante. La indebida selección de los materiales o la mala ejecución de las fábricas de cimentación conducen a su degradación, que puede sobrevenir por la acción del agua o de las sustancias agresivas que pueda contener el terreno. Además, esa degradación también puede producirse o agravarse como consecuencia de las fugas de agua procedentes de las redes urbanas o de las instalaciones de los edificios, incluso de las del propio inmueble. El resultado de dicha degradación es que las fábricas se descomponen y las secciones mecánicas útiles de los distintos elementos de cimentación se reducen, con lo cual éstos se sobrecargan y transmiten al terreno unas acciones que no pueden ser contrarrestadas con unas deformaciones tolerables. En resumen, se presenta un cuadro muy similar al que ya se ha comentado para las cimentaciones mal dimensionadas.
2.3. Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación En el entorno inmediato de una cimentación pueden ser llevadas a cabo muchas y muy variadas actuaciones inadecuadas, agresivas y potencialmente ruinógenas. Pero, de entre todas ellas, las que constituyen el origen más frecuente de daños son las tres siguientes: •
Los derribos hechos junto a edificios existentes.
•
Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes.
•
Las alteraciones del nivel freático.
2.3.1. Los derribos hechos junto a edificios existentes En los cascos urbanos antiguos y consolidados, es muy frecuente la presencia de indebidas acciones de empuje mutuo entre edificios colindantes, debida tanto a la ausencia de juntas constructivas entre ellos como al mal dimensionado de los cimientos medianeros, dimensionado que no contemplaba la presencia de acciones excéntricas. (Véase Figura 2-13). 14
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-13. Daños causados por un mal dimensionado de los cimientos medianeros
En consecuencia, una vez efectuado el derribo de alguno de estos edificios y si no se toman las medidas preventivas adecuadas (apeos, acodalamientos), suele producirse un movimiento de hundimiento de los inmuebles colindantes, generalmente combinado con un giro de éstos hacia el solar que estaba ocupado por el edificio demolido. (Véase Figura 2-14) Este movimiento es muy peligroso para la estabilidad general de los edificios, porque la importancia de los daños depende, principalmente, de la resistencia a tracción que posean en su coronación, resistencia que, como ya se ha comentado anteriormente, suele ser muy reducida, porque se debe exclusivamente a la que pueda proporcionar el zuncho de atado en coronación, cuando lo hay. Y, aunque resulte obvio, debe hacerse constar que, en estas condiciones, cualquier mínima excavación que se haga en el solar que estaba ocupado por el edificio derribado constituye un agravante que puede conducir a la ruina de los inmuebles colindantes.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-14. Movimiento de los edificios colindantes hacia el solar que ocupaba el edificio derribado
2.3.2. Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes Cualquier excavación provoca en el terreno adyacente unas deformaciones apreciables (verticales y horizontales) que se extienden fuera del área ocupada por la propia excavación, por lo que pueden afectar a los edificios colindantes. (Véase Figura 2-15) La magnitud de esas deformaciones depende principalmente de la compresibilidad del terreno y de la profundidad y las técnicas de ejecución de la excavación. Como es lógico, las mayores deformaciones se presentan en terrenos de arcillas blandas (que son muy compresibles), con profundidades notables de excavación y ejecutadas sin ninguna clase de entibación ni de estructura de contención (excavaciones libres). En una excavación libre, los desplazamientos máximos (verticales y horizontales) tienen aproximadamente la misma magnitud. La Tabla 2-1 proporciona una orientación aproximada acerca de la magnitud de dichos desplazamientos máximos (S), en función de la profundidad de la excavación (H) y de la naturaleza del terreno.
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-15. Movimientos producidos por una excavación
Desplazamientos máximos S/H (%) 0,05 a 0,20 1,00 a 2,00 0,10 a 0,20
Terreno Arenas Arcillas blandas Arcillas duras
Tabla 2-1. Desplazamientos máximos en una excavación libre
Aunque a la vista de la Figura 2-15 resulte obvio, debe hacerse constar que todos los desplazamientos producidos por una excavación son diferenciales, esto es, son diferentes bajo cada punto. En consecuencia, el conjunto de tales desplazamientos puede conducir a que los edificios colindantes afectados padezcan una superposición de dos movimientos distintos: un movimiento cóncavo, originado por los desplazamientos horizontales diferenciales (Véase Figura 2-16); y un movimiento convexo, causado por los desplazamientos verticales diferenciales. (Véase Figura 2-17).
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-16. Movimiento cóncavo causado por los desplazamientos horizontales de una excavación
Figura 2-17. Movimiento convexo causado por los desplazamientos verticales de una excavación
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
A la hora de evaluar las consecuencias de tales movimientos, debe considerarse la relación entre la profundidad de la excavación y la cota vertical del plano de contacto entre el edificio colindante y el terreno. Porque es evidente que, si la excavación no alcanza y sobrepasa la cota de coronación de ese plano de contacto y la cimentación medianera de dicho edificio está bien dimensionada, no deberían producirse movimientos. Pero, por el contrario, si la excavación sobrepasa la referida cota de coronación y, todavía peor, si sobrepasa la del nivel del plano de apoyo del plano de contacto, los movimientos de la excavación podrían causar la ruina del edificio. (Véase Figura 2-18).
Figura 2-18. Relación entre la profundidad de excavación y el plano de contacto del edificio colindante con el terreno
La ejecución de la excavación al amparo de una estructura de contención (entibación autoportante, pantalla) reduce la magnitud de los posibles movimientos, pero no supone que quede automáticamente garantizada la ausencia de deformaciones en los edificios colindantes. Una pantalla en ménsula indebidamente proyectada o mal ejecutada podría generar en el edificio colindante la misma combinación de movimientos que una excavación libre. (Véase Figura 2-19). Y una pantalla con apoyos defectuosa podría generar en el edificio colindante un movimiento generalizado de hundimiento. (Véase Figura 2-20).
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Figura 2-19. Movimientos producidos por una excavación realizada al abrigo de una pantalla en ménsula
Figura 2-20. Movimientos producidos por una excavación realizada al abrigo de una pantalla con un apoyo
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
En estos casos y para garantizar que no se produzcan daños en los edificios colindantes, es imprescindible que las pantallas posean una rigidez y una longitud de empotramiento suficientes para minimizar las deformaciones. 2.3.3. Las alteraciones del nivel freático Cualquier alteración del nivel freático causa una variación (incremento o reducción) de la humedad natural del terreno y, en consecuencia, del peso propio del mismo. Esta variación conlleva una modificación de las presiones geostáticas iniciales que presenta el terreno en su estado natural, con el subsiguiente movimiento del mismo (generalmente, de hundimiento). Y todo esto con absoluta independencia de la degradación o de la pudrición que tales variaciones de humedad puedan causar en ciertos materiales, fábricas o elementos de cimentación, por ejemplo en los pilotes de madera. Aunque las alteraciones del nivel freático pueden deberse a causas naturales, lo cierto es que el origen más frecuente de los daños causados por su presencia en las edificaciones se debe o bien al rebajamiento en la ejecución de excavaciones o bien a la ejecución de pantallas de gran profundidad, las cuales interrumpen el drenaje natural de las aguas contenidas en el terreno. El rebajamiento en la ejecución de excavaciones causa un descenso del nivel freático. Como consecuencia de ese descenso, el terreno que inicialmente estaba sumergido aumenta de peso, al pasar al estado saturado. Este aumento de peso es una sobrecarga que, combinada con el drenaje del agua que contenían las tierras eliminadas al realizar la excavación en seco, da lugar a la consolidación del terreno y, en consecuencia, a un movimiento del mismo en el entorno afectado. (Véase Figura 2-21). La interrupción del drenaje natural de las aguas contenidas en el terreno mediante la construcción de pantallas de gran profundidad causa un ascenso del nivel freático. Como consecuencia de dicho ascenso, el terreno pasa a un estado sumergido, en el cual disminuye su resistencia y, en resumen, la capacidad portante de las cimentaciones que apoyan sobre él, lo que puede dar lugar al hundimiento de tales cimentaciones. Los movimientos del terreno causados por las alteraciones del nivel freático se denominan “de subsidencia” y no causan deformaciones en un solo edificio, sino en un conjunto de inmuebles construidos en un amplio entorno. Además, por cuanto la alteración del nivel freático en dicho entorno nunca es homogénea, causa asientos diferenciales, los cuales conducen a daños variables en los edificios afectados, en función de las características de sus cimentaciones y estructuras y de su estado de conservación.
Figura 2-21. Consolidación por descenso del nivel freático
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Obviamente, los daños también afectan a las conducciones de agua enterradas (de saneamiento y de agua a presión), causando desconexiones y roturas en dichas redes, todo lo cual conduce a la inundación del terreno y al agravamiento de los daños. Debe hacerse constar que, como es lógico, en el entorno afectado por la subsidencia también se producen daños en los elementos secundarios, esto es, en las soleras, escaleras y aceras. (Véase Figura 2-22).
Figura 2-22. Daños causados por un fenómeno de subsidencia en elementos secundarios
2.4. Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación Los fallos y fugas en las conducciones de agua enterradas, ya sean éstas las del propio edificio o sean las de las redes generales urbanas, constituyen el origen más frecuente de las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación. (Véase Figura 2-23).
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-23. Daños causados por un fallo en las conducciones de agua enterradas
En las canalizaciones enterradas de la red de saneamiento, las roturas o los fallos en sus conexiones causan la inundación del terreno adyacente y, en consecuencia, un movimiento localizado del mismo, generalmente de hundimiento, que además de agravar el proceso de deterioro de la propia instalación puede causar asientos de las cimentaciones próximas a la misma. La patología causada por las deficiencias en las canalizaciones enterradas de la red de saneamiento es muy frecuente en los edificios antiguos, debida tanto a deficiencias en la construcción de dicha red, como a la insuficiencia o inexistencia de un mantenimiento y de una renovación de tales canalizaciones a lo largo del período de vida del edificio. En las conducciones enterradas de agua a presión, las roturas o los fallos en sus conexiones, además de provocar por simple inundación el asiento de las cimentaciones próximas, pueden llegar a producir la socavación del terreno, por deslavado y arrastre de sus finos. (Véase Figura 2-24).
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-24. Daños causados por un socavón
La socavación también puede afectar al terreno de apoyo de las cimentaciones construidas en su entorno inmediato, generando un vacío por debajo de las mismas y causando su inestabilidad. En algunas ciudades, como es el caso de Madrid, la presencia de socavones por debajo de las calzadas y aceras de las calles y de los cimientos de las fachadas de los edificios es tan antigua como frecuente. De hecho, en el archivo de la Comunidad de Madrid, pueden encontrarse numerosas fotografías del siglo pasado con imágenes de socavones antiguos. (Véanse Figura 2-25 y Figura 2-26).
Figura 2-25. Daños causados por un socavón en Madrid
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-26. Daños causados por un socavón en Madrid
En Madrid, esa antigüedad y frecuencia de los socavones se debe a la combinación de las siguientes causas: •
Deficiente estado de la red urbana enterrada de agua a presión, debido a insuficiencias en la conservación y en la renovación de dicha red.
•
Presencia de terrenos finos, que pueden ser arrastrados por aguas incontroladas.
•
Presencia de numerosos túneles, galerías, etc…, que permiten la circulación del agua y de sus arrastres.
•
Construcción de las calzadas y aceras sobre soleras de hormigón con notable rigidez, lo cual permite que los vacíos iniciales queden puenteados, por lo que no se puede advertir la presencia del subsiguiente socavón hasta que éste presenta grandes dimensiones.
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MÓDULO 2. CAUSAS DE FALLOS EN LAS CIMENTACIONES
Índice 2. Causas de fallos en las cimentaciones 2.1.
El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4.
Los rellenos artificiales Las arcillas expansivas Los terrenos karstificados o con erosión interna Los terrenos colapsables
2.2
Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones
2.3
Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación
2.4
2.3.1.
Los derribos hechos junto a edificios existentes
2.3.2.
Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes
2.3.3.
Las alteraciones del nivel freático
Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
2. CAUSAS DE FALLOS EN LAS CIMENTACIONES Las causas más frecuentes de fallos en las cimentaciones son muchas y muy variadas, pero pueden concretarse en las cuatro siguientes: •
El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno.
•
Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones.
•
Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación.
•
Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación. A continuación, vamos a comentar breve y ordenadamente cada una de estas causas.
2.1. El desconocimiento de las características intrínsecas del terreno De entre las diversas características del terreno cuyo desconocimiento suele ser causa de fallos en las cimentaciones, destacan las siguientes: •
Composición estratigráfica heterogénea.
•
Presencia de terrenos muy flojos o muy blandos.
•
Presencia de laderas inestables.
•
Presencia de terrenos especialmente problemáticos.
El hecho de que estas características hayan sido o todavía sean desconocidas no debe parecer extraño, al menos en nuestro país. Téngase en cuenta que, en España, la obligatoriedad de encargar un Informe Geotécnico con carácter previo a la redacción del correspondiente proyecto de ejecución es muy reciente. De hecho, hasta la entrada en vigor de la nueva Ley de Ordenación de la Edificación, el Informe Geotécnico sólo era obligatorio para la redacción de los proyectos de viviendas de protección oficial y de edificios de uso público. Y, hasta la entrada en vigor del nuevo Código Técnico de la Edificación, no ha existido en España ningún tipo de reglamentación ni acerca de la planificación de un Informe Geotécnico ni acerca de su contenido. Por ello, aunque se dispusiera de un Informe Geotécnico, no existía seguridad alguna de que en él estuviera reflejada toda la información mínimamente imprescindible. Como es natural, los fallos en las cimentaciones suelen coincidir con situaciones adversas. Veamos algunos ejemplos: Una composición estratigráfica heterogénea es aquella en la que el terreno presenta una gran variedad de capas o estratos, cuyo desarrollo en planta y cuyo espesor también son muy variables. Y los fallos suelen ocurrir en aquellos edificios cuyos cimientos apoyan sobre un mismo y único plano horizontal. (Véase Figura 2-1)
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-1. Composición estratigráfica heterogénea
El origen de esos daños está en el apoyo de cada uno de los distintos elementos de cimentación sobre un conjunto de capas de terreno que presentan una compresibilidad y una capacidad portante diferentes. Por ello y aunque tales elementos de cimentación estuvieran cargados con cargas (P) iguales, los asientos de cada uno de ellos serían diferentes y la distorsión angular () entre cada dos de dichos elementos de cimentación no cumpliría la mínima admisible para asegurar la ausencia de daños. Los terrenos muy flojos o muy blandos suelen causar daños en aquellos edificios de cierta entidad que transmiten cargas considerables al terreno. El origen de esos daños está en el apoyo de la cimentación sobre un terreno cuya capacidad portante es muy limitada y no puede contrarrestar las cargas transmitidas por dicha cimentación. (Véase Figura 2-2).
Figura 2-2. Daños en edificios apoyados sobre terrenos muy flojos o muy blandos
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Las laderas inestables causan daños en los edificios que están construidos sobre ellas. El origen de esos daños es el movimiento generalizado de la ladera, a su vez producido por alguna alteración, natural o artificial, o bien de sus materiales constituyentes o bien de sus pendientes naturales. Las alteraciones naturales suelen producirse por la presencia de agua, estática o en circulación. Téngase en cuenta que la estabilidad de una ladera depende de la resistencia a cortante del terreno y que dicha resistencia disminuye en presencia de agua. Además, hay terrenos que contienen en el seno de su masa sales solubles o huecos, cuya densidad y cuyo tamaño se incrementan con la presencia del agua y, cuando hay presencia de estos terrenos en una ladera, ese incremento de la densidad y tamaño de los huecos causa la inestabilidad de dicha ladera. Las alteraciones artificiales suelen producirse o bien por la ejecución de excavaciones (al pie o a media ladera) o bien por la modificación de las pendientes naturales para la construcción de un edificio o de una infraestructura. Téngase en cuenta que, en general, los terrenos tienen una resistencia a cortante muy baja, incluso a veces nula, en ausencia de tensión normal. Por ello, tanto la reducción de peso causada por una excavación como el aumento del ángulo de inclinación de la ladera pueden provocar su inestabilidad. (Véase Figura 2-3)
Figura 2-3. Causas de inestabilidad de una ladera
Cuando una ladera pierde estabilidad, se produce un movimiento de miles de metros cúbicos de tierras, por lo que las soluciones para frenar la progresión de dicho movimiento son muy complejas y de gran repercusión económica. (Véase Figura 2-4). En otro orden de cosas, hay terrenos que, debido a sus propias características intrínsecas, resultan especialmente problemáticos y constituyen un origen frecuente de los daños que padecen las cimentaciones de los edificios. De entre estos terrenos especialmente problemáticos, cabe destacar los siguientes: •
Los rellenos artificiales.
•
Las arcillas expansivas.
•
Los terrenos karstificados o con erosión interna.
•
Los terrenos colapsables.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-4. Daños causados por el movimiento de una ladera
2.1.1. Los rellenos artificiales Ningún relleno artificial debería constituir el apoyo de una cimentación, pero lo cierto es que, lamentablemente, son muy frecuentes las patologías causadas por el indebido apoyo de los cimientos sobre esta clase de terrenos, sobre todo cuando corresponden a edificios de escasa entidad. En efecto, en esta clase de edificios de volumen limitado es tan erróneo como frecuente el intento de economizar al máximo, tanto en los gastos derivados de la investigación del terreno (Informe Geotécnico) como en los costes de construcción de la cimentación. En consecuencia, los cimientos se apoyan sobre los rellenos en lugar de atravesarlos, unas veces por el simple desconocimiento de que son rellenos y otras veces por pura tacañería, empeorada por el desconocimiento de que, incluso en ausencia de cargas, todo relleno experimenta notables deformaciones espontáneas. Hay muchas clases de rellenos y todos ellos son peligrosos para la estabilidad de las edificaciones, pero los peores son los vertederos y, dentro de ellos, los basureros, debido tanto a la heterogeneidad de su composición como a su gran deformabilidad. Uno de los mayores problemas que presentan los vertederos es el de conocer su localización y su extensión exactas. Con frecuencia, los vertidos en las áreas periféricas de los antiguos cascos urbanos han sido y todavía siguen siendo incontrolados. Y lo que es peor, cuando los vertidos en esas áreas han cesado (realmente, cuando esos vertederos han sido trasladados, porque el crecimiento urbano ha invadido las antiguas áreas marginales), la vegetación natural espontánea se encarga de enmascarar la facies de los vertederos abandonados. Por ello, si no se ha hecho una investigación geotécnica en esas áreas antes de construir, resulta muy difícil y hasta imposible conocer la localización de tales rellenos. Pero además de la problemática causada por los vertederos, debe considerarse la que se deriva de otras dos intervenciones que han sido desastrosas para la estabilidad de los edificios y que, por desgracia, continúan siéndolo. Estas intervenciones son: •
El relleno artificial de antiguas vaguadas, hecho con el objetivo de construir nuevas infraestructuras (Véase Figura 2-5) o de crear nuevas áreas de ocupación urbana. En algunas ciudades, como Madrid, esta solución ha sido tan frecuente como peligrosa para la estabilidad de las nuevas construcciones 6
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
levantadas en esas áreas. Téngase en cuenta que muchos de esos rellenos de vaguadas han ocultado antiguos cursos de agua y han aterrado drenajes naturales. En consecuencia, la base de los depósitos se carga de agua temporal y aleatoriamente. Y, para lo que se refiere a la estabilidad de las construcciones, la combinación de RELLENO + AGUA resulta indefectiblemente ruinógena.
Figura 2-5. Daños en la calzada de la autovía A-3 en la zona construida sobre el relleno del cauce del arroyo Mingueles
•
La construcción sobre restos de antiguas edificaciones (Véase Figura 2-6). Esta clase de intervención, tan indebida como frecuente en todas las culturas de las distintas áreas geográficas, obedece a distintos motivos. Unas veces, éstos son de carácter esotérico, aunque también pueden estar relacionados con la comprobación de que el emplazamiento elegido es bueno para edificar. Otras veces (la mayoría de ellas), los motivos de esta mala práctica son de carácter puramente económico y están relacionados con el ahorro de materiales y de mano de obra en todos aquellos elementos constructivos que quedan ocultos a la vista, como es el caso de la cimentación.
Figura 2-6. Templo medieval construido sobre unas termas romanas en Siracusa (Sicilia)
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
El principal problema que presentan todos los rellenos es su gran compresibilidad, que depende tanto de su composición (no asienta lo mismo un relleno de tierras que un basurero) como de su espesor (esto es, de la altura del relleno). Pero los rellenos todavía tienen otra característica negativa y es que sus asientos nunca son homogéneos, sino diferentes bajo cada punto. Además, como ya se ha hecho constar, esos asientos pueden producirse espontáneamente en ausencia de carga, porque a través de esos movimientos los rellenos intentan consolidarse y transformarse en un nuevo terreno natural. Ahora bien, en relación con ese proceso de consolidación espontánea, debe tenerse en cuenta que la formación de un suelo requiere cientos de miles de años, por lo que es seguro que cualquier relleno artificial (aunque sea prehistórico) todavía no ha terminado su larguísimo período de consolidación. De acuerdo con todo lo que se acaba de exponer, no es extraño que los daños en los edificios cimentados sobre rellenos sean, aparte de los más frecuentes, los más graves y espectaculares. Además, las grietas que acusan tales daños no presentan ninguna ley, sino que suelen orientarse en todas direcciones. En ocasiones y aunque la generalidad de una edificación esté debidamente cimentada, sus elementos secundarios (aceras, escaleras, soleras, etc…) han sido construidos directamente sobre rellenos, sin ninguna clase de tratamiento ni de precaución. Y, como es lógico, esos elementos son los que presentan daños. Un caso bastante frecuente es el que se presenta, a título de ejemplo, en la Figura 2-7, en el que la construcción de una parte de la urbanización interior de una parcela (una acera y una zona de la calzada) ha sido realizada sobre los rellenos exteriores del muro de contención del sótano del edificio.
Figura 2-7. Urbanización interior de una parcela sobre los rellenos del muro de contención de sótano del edificio
Como ya se ha apuntado, el mayor agravante de los problemas padecidos por las construcciones sobre rellenos es el AGUA, cualquiera que sea su origen (natural o artificial). De hecho, las instalaciones de agua presentes bajo los edificios constituyen un origen muy frecuente de daños y, en particular, las canalizaciones de saneamiento enterradas resultan muy conflictivas. Téngase en cuenta que cuando el terreno de rellenos se mueve, se producen desconexiones y roturas en los tubos y en las arquetas de los saneamientos enterrados y las aguas residuales que fluyen a través de esas desconexiones y roturas embeben los rellenos, acelerando sus movimientos, con lo cual aumentan las roturas en número y en amplitud hasta que todas esas aguas residuales acaban disipándose directamente a los rellenos, provocando su imbibición y su hundimiento. La nociva presencia de agua sobre terrenos de relleno también puede deberse al riego de una zona ajardinada o al baldeo de espacios libres o al mal funcionamiento de implantaciones deportivas (muy frecuentemente de las piscinas) o a la simple presencia del agua de lluvia. En todos los casos, el efecto final es el mismo: hundimiento del relleno y roturas en los elementos constructivos que apoyen sobre él.
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
2.1.2. Las arcillas expansivas Las arcillas expansivas son terrenos cuyos minerales constituyentes presentan la propiedad de cambiar de volumen cuando varía su humedad, experimentando o bien hinchamientos cuando aumenta dicha humedad o bien retracciones cuando ésta disminuye (Véase Figura 2-8).
Figura 2-8. Retracciones en arcillas expansivas
Por ello y aunque en toda la geografía española la presencia de arcillas expansivas puede ser calificada de razonablemente frecuente, sus efectos patológicos solamente suelen ser conocidos (por cuanto son padecidos) en aquellas zonas climáticas que experimentan las variaciones de humedad más notables, esto es, desde la submeseta inferior hacia el sur. En concreto, la patología debida a la presencia de arcillas expansivas suele presentarse en aquellas regiones cuyo balance hídrico es negativo y los daños en los edificios construidos sobre arcillas expansivas suelen manifestarse después de un largo período de sequía. La zona en la que la arcilla se ve afectada por los cambios de humedad y, en consecuencia, por los cambios de volumen, se denomina ZONA ACTIVA. Su profundidad es variable, en función de la climatología (variaciones estacionales) y de la existencia de niveles de agua permanentes en el terreno. En España, esa profundidad oscila entre los 3 metros y los 6 metros. Tal y como puede apreciarse en la Figura 1-9, en una excavación realizada al final del verano, el terreno más somero se presenta muy seco y va aumentando su humedad con la profundidad hasta alcanzar una humedad de equilibrio. Por el contrario, si dicha excavación se hiciera al final del invierno, el terreno más somero se presentaría muy húmedo y su humedad iría disminuyendo con la profundidad hasta alcanzar esa misma humedad de equilibrio.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-9. Variación estacional de la humedad en función de la profundidad
En consecuencia, no cabe duda de que el riesgo de movimientos de una cimentación apoyada sobre arcillas expansivas será mayor cuanto menor sea la profundidad de su plano de apoyo, ya que ese plano más somero es el que está sometido a las mayores variaciones de humedad. De hecho, ese riesgo solamente desaparece cuando la profundidad del repetido plano de apoyo sobrepasa la zona activa. El movimiento más característico de una edificación construida sobre arcillas expansivas es el denominado “movimiento convexo” o “de quebranto”. Este último calificativo es muy acertado, porque se trata de un movimiento en el que se combinan hinchamientos bajo el centro del edificio con asientos bajo sus bordes. Y al igual que le sucede a un barco cuando queda sobre la cresta de una ola, los extremos laterales del edificio quedan trabajando en ménsula y la construcción se agrieta, principalmente, en su coronación. (Véase Figura 2-10)
Figura 2-10. Movimiento convexo de un edificio construido sobre arcillas expansivas
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Este movimiento es una consecuencia directa de la simple presencia de la propia edificación, la cual funciona como un tapón que favorece la acumulación de humedad bajo su centro, salvo en el caso de que en el plano de contacto entre el edificio y el terreno se disponga una cámara de aire ventilada: el denominado “vacío sanitario”. Esa acumulación de humedad bajo el centro del edificio es el origen de los hinchamientos de solados y soleras y puede agravarse por la presencia de desconexiones y roturas en las canalizaciones de agua enterradas que tenga el propio edificio (y en particular en las del saneamiento), por cuanto éstas no suelen estar preparadas para afrontar los movimientos del terreno. En las temporadas de sequía, la humedad disminuye en los bordes del edificio, causando las retracciones que constituyen el origen de los asientos en dichos bordes. Esas retracciones pueden agravarse por la presencia de arbolado en el entorno inmediato de la edificación, habida cuenta de que las raíces se extienden hacia las zonas más húmedas (hacia el centro del edificio) y, en su recorrido, desecan todavía más el volumen de terreno que les queda más cerca. Y allí, bajo el centro del edificio, las raíces encuentran y rompen las canalizaciones de agua enterradas, generando las correspondientes pérdidas, las cuales, a su vez, favorecen nuevos hinchamientos del terreno y nuevas roturas de las instalaciones. En resumen, todavía aumenta más la diferencia de humedad entre la zona central y los bordes del edificio, con lo que también se incrementa el movimiento general del mismo. El movimiento de quebranto es muy peligroso para la estabilidad general de los edificios, porque la importancia de los daños depende, principalmente, de la resistencia a tracción que el edificio posea en su coronación, resistencia que suele ser muy reducida, ya que se debe exclusivamente a la que pueda proporcionar el zuncho de atado en esa coronación, cuando lo hay. Otra patología característica de los edificios apoyados sobre arcillas expansivas es la que se deriva de las acciones de empuje, que pueden actuar sobre las estructuras de contención y sobre los propios elementos de cimentación. En efecto, los movimientos de un terreno expansivo en la zona activa no son exclusivamente verticales, sino también horizontales, de resultas de lo cual causan unos empujes muy considerables, sobre todo en las capas más superficiales, las cuales, obviamente, son las más expuestas a los cambios de humedad. 2.1.3. Los terrenos karstificados o con erosión interna Estos terrenos presentan en el seno de su masa huecos o cavidades, que pueden haberse formado de manera natural o artificial. En los terrenos calizos y en los yesíferos, las cavidades se forman de manera natural, porque en su composición intervienen sales solubles que son disueltas y arrastradas por el paso del agua, cualquiera que sea la procedencia de ésta. Este proceso natural de disolución se denomina karstificación. (Véase Figura 2-11) Pero los huecos y cavidades también pueden haberse producido de manera artificial, como consecuencia de la erosión interna del terreno derivada de las actividades extractivas correspondientes a la ejecución de túneles, pozos y galerías. Cualquiera que sea el origen de esas cavidades, natural o artificial, el principal problema que se presenta en esta clase de terrenos es la localización de los huecos, porque su distribución es errática y resulta extremadamente difícil el conocerla mediante las campañas usuales de investigación del terreno. Con suerte, el Informe geotécnico puede llegar a describir la presencia de huecos o cavidades en la masa del terreno, o bien porque hayan sido localizados en alguno de los reconocimientos realizados o bien porque se tengan noticias de su presencia en el entorno de la zona investigada. Pero lo que no resulta posible es conocer ni la localización exacta de todos los huecos, ni la densidad de su presencia, ni su tamaño. En consecuencia, no se puede asegurar que una cimentación construida sobre esta clase de terrenos no apoya sobre algún hueco. De hecho, solamente se tendría esa seguridad si se hubiera hecho un punto de reconocimiento del terreno por cada punto 11
Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
de cimentación. Y aun así, en el caso de terrenos kársticos en presencia de agua, después de haber construido la cimentación podrían formarse nuevos huecos o aumentar el tamaño de los existentes.
Figura 2-11. Terrenos karstificados
2.1.4. Los terrenos colapsables Los terrenos colapsables son aquellos que, en presencia de agua, experimentan un asiento súbito (“de colapso”), debido a la disolución de las sales presentes en los contactos entre sus partículas. Esta disolución puede deberse a la circulación natural del agua, pero también a la indebida presencia de ésta, causada por pérdidas en las redes de las instalaciones enterradas. Cualquiera que sea su origen, el colapso del terreno provoca su hundimiento y, en su caso, el movimiento diferencial de los elementos de cimentación que estén apoyados sobre él.
2.2. Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones Las deficiencias en el proyecto o en la ejecución de las cimentaciones también son causas muy frecuentes de que los edificios padezcan daños. Las deficiencias en el proyecto de una cimentación suelen derivarse del ya mencionado desconocimiento de las características intrínsecas del terreno, pero también pueden deberse al desconocimiento del funcionamiento mecánico de la estructura, el cual conduce a errores en la cuantificación de las acciones transmitidas al terreno por dicha estructura. Cualquiera de esos dos desconocimientos conduce a errores en la definición de la cimentación, ya sea en la 12
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
selección del sistema más adecuado al caso concreto de que se trate, ya sea en el dimensionado de los distintos elementos que la constituyen. Como consecuencia de esos errores, los terrenos resultan sobrecargados en exceso, porque los cimientos o bien apoyan sobre terrenos que no son aptos para cimentar o bien presentan unas cuantificaciones dimensionales inferiores a las mínimamente necesarias para transmitir las correspondientes acciones. Y los excesos de carga transmitida dan lugar a que el terreno experimente unos movimientos que no son tolerables para la clase de estructura adoptada. A estos efectos, debe tenerse en cuenta que hasta bien entrado el siglo XIX el dimensionado de los elementos estructurales de los edificios se hacía de una manera empírica, conforme a unas reglas experimentales que solamente contemplaban los pesos propios. Prueba de ello es que los elementos estructurales que constituían las fachadas solían tener unas dimensiones mayores que los de las crujías interiores, simplemente porque esas fachadas se construían con unos materiales más pesados (piedra, ladrillo) que los empleados para construir los muros definitorios de las crujías interiores (entramados de madera). Y, hasta esas épocas, el dimensionado de las cimentaciones se hacía en función de los espesores y de las alturas de los elementos estructurales que apoyaban sobre ellas, por lo que era muy frecuente que las cimentaciones de las fachadas tuvieran unas dimensiones mayores que las que soportaban los muros de las crujías interiores. Y esto no solamente en planta, sino también en sección vertical, por lo que de hecho también es muy frecuente que las cimentaciones de las fachadas apoyen a mayor profundidad que las de los muros interiores. Por cuanto las cimentaciones de esos muros interiores presentaban unas dimensiones muy reducidas aunque estaban más sobrecargados que los de las fachadas, es muy frecuente que los edificios antiguos padezcan un movimiento de hundimiento bajo su centro. En algunos lugares, como en Venecia, esta deficiencia llegó a ser tan frecuente y tan generalizada que el movimiento de hundimiento de las cimentaciones situadas bajo el centro de los edificios ha recibido la denominación de “efecto Venecia”. (Véase Figura 2-12).
Figura 2-12. Sistema constructivo tradicional en Venecia
Y es que, desde los comienzos de la arquitectura llamada palacial hasta bien entrado el siglo XVIII, las cimentaciones de los muros de fachada en Venecia, por cuanto recaían a los canales, además de tener unas dimensiones mayores que las de los muros interiores, tanto en planta como en alzado, apoyaban sobre un te13
Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
rreno mejorado mediante un conjunto de estacas hincadas conforme al criterio de “a tanto espacio lleno como vacío”. En lo relativo a las deficiencias en la ejecución de las cimentaciones, debe hacerse constar que su origen suele deberse al empleo de materiales y de fábricas de mala calidad. No debe olvidarse que, a lo largo de la historia, la práctica constructiva en la edificación ha tenido el afán, tan erróneo como frecuente, de ahorrar al máximo en todo aquello que quedaba oculto a la vista, como son las cimentaciones. La normativa española actual obliga a que todas las cimentaciones sean construidas con un hormigón armado cuya resistencia mínima sea 25.000 kN/m2 y cuyas características sean las adecuadas en función de la agresividad del terreno y del agua contenida en el mismo. Pero, hasta la entrada en vigor de la actual Instrucción de Hormigón Estructural “EHE”, las cimentaciones solían construirse con unos hormigones que tenían menor resistencia y peor dosificación que los empleados en las estructuras sobre rasante. Debe recordarse que, salvo en muy contadas excepciones, en las cimentaciones de los edificios construidos después de la caída del Imperio Romano solían emplearse fábricas constituidas por simples piedras mezcladas con algún aglomerante (muchas veces, pasta de cal). Además, no cabe duda de que la ejecución de las fábricas de cimentación siempre ha sido menos cuidada y ha tenido unos niveles de control más reducidos que los aplicados a las estructuras sobre rasante. Los motivos de esta práctica errónea solamente pueden ser puramente económicos, puesto que, desde un punto de vista estrictamente técnico, no cabe duda de que los materiales y las fábricas de cimentación están mucho más expuestos a las acciones agresivas externas que los materiales y fábricas que constituyen las estructuras sobre rasante. La indebida selección de los materiales o la mala ejecución de las fábricas de cimentación conducen a su degradación, que puede sobrevenir por la acción del agua o de las sustancias agresivas que pueda contener el terreno. Además, esa degradación también puede producirse o agravarse como consecuencia de las fugas de agua procedentes de las redes urbanas o de las instalaciones de los edificios, incluso de las del propio inmueble. El resultado de dicha degradación es que las fábricas se descomponen y las secciones mecánicas útiles de los distintos elementos de cimentación se reducen, con lo cual éstos se sobrecargan y transmiten al terreno unas acciones que no pueden ser contrarrestadas con unas deformaciones tolerables. En resumen, se presenta un cuadro muy similar al que ya se ha comentado para las cimentaciones mal dimensionadas.
2.3. Las actuaciones inadecuadas en el entorno inmediato de una cimentación En el entorno inmediato de una cimentación pueden ser llevadas a cabo muchas y muy variadas actuaciones inadecuadas, agresivas y potencialmente ruinógenas. Pero, de entre todas ellas, las que constituyen el origen más frecuente de daños son las tres siguientes: •
Los derribos hechos junto a edificios existentes.
•
Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes.
•
Las alteraciones del nivel freático.
2.3.1. Los derribos hechos junto a edificios existentes En los cascos urbanos antiguos y consolidados, es muy frecuente la presencia de indebidas acciones de empuje mutuo entre edificios colindantes, debida tanto a la ausencia de juntas constructivas entre ellos como al mal dimensionado de los cimientos medianeros, dimensionado que no contemplaba la presencia de acciones excéntricas. (Véase Figura 2-13). 14
Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-13. Daños causados por un mal dimensionado de los cimientos medianeros
En consecuencia, una vez efectuado el derribo de alguno de estos edificios y si no se toman las medidas preventivas adecuadas (apeos, acodalamientos), suele producirse un movimiento de hundimiento de los inmuebles colindantes, generalmente combinado con un giro de éstos hacia el solar que estaba ocupado por el edificio demolido. (Véase Figura 2-14) Este movimiento es muy peligroso para la estabilidad general de los edificios, porque la importancia de los daños depende, principalmente, de la resistencia a tracción que posean en su coronación, resistencia que, como ya se ha comentado anteriormente, suele ser muy reducida, porque se debe exclusivamente a la que pueda proporcionar el zuncho de atado en coronación, cuando lo hay. Y, aunque resulte obvio, debe hacerse constar que, en estas condiciones, cualquier mínima excavación que se haga en el solar que estaba ocupado por el edificio derribado constituye un agravante que puede conducir a la ruina de los inmuebles colindantes.
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-14. Movimiento de los edificios colindantes hacia el solar que ocupaba el edificio derribado
2.3.2. Las excavaciones realizadas al pie de cimientos existentes Cualquier excavación provoca en el terreno adyacente unas deformaciones apreciables (verticales y horizontales) que se extienden fuera del área ocupada por la propia excavación, por lo que pueden afectar a los edificios colindantes. (Véase Figura 2-15) La magnitud de esas deformaciones depende principalmente de la compresibilidad del terreno y de la profundidad y las técnicas de ejecución de la excavación. Como es lógico, las mayores deformaciones se presentan en terrenos de arcillas blandas (que son muy compresibles), con profundidades notables de excavación y ejecutadas sin ninguna clase de entibación ni de estructura de contención (excavaciones libres). En una excavación libre, los desplazamientos máximos (verticales y horizontales) tienen aproximadamente la misma magnitud. La Tabla 2-1 proporciona una orientación aproximada acerca de la magnitud de dichos desplazamientos máximos (S), en función de la profundidad de la excavación (H) y de la naturaleza del terreno.
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-15. Movimientos producidos por una excavación
Desplazamientos máximos S/H (%) 0,05 a 0,20 1,00 a 2,00 0,10 a 0,20
Terreno Arenas Arcillas blandas Arcillas duras
Tabla 2-1. Desplazamientos máximos en una excavación libre
Aunque a la vista de la Figura 2-15 resulte obvio, debe hacerse constar que todos los desplazamientos producidos por una excavación son diferenciales, esto es, son diferentes bajo cada punto. En consecuencia, el conjunto de tales desplazamientos puede conducir a que los edificios colindantes afectados padezcan una superposición de dos movimientos distintos: un movimiento cóncavo, originado por los desplazamientos horizontales diferenciales (Véase Figura 2-16); y un movimiento convexo, causado por los desplazamientos verticales diferenciales. (Véase Figura 2-17).
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Patologías e intervención en las cimentaciones de edificación
Figura 2-16. Movimiento cóncavo causado por los desplazamientos horizontales de una excavación
Figura 2-17. Movimiento convexo causado por los desplazamientos verticales de una excavación
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
A la hora de evaluar las consecuencias de tales movimientos, debe considerarse la relación entre la profundidad de la excavación y la cota vertical del plano de contacto entre el edificio colindante y el terreno. Porque es evidente que, si la excavación no alcanza y sobrepasa la cota de coronación de ese plano de contacto y la cimentación medianera de dicho edificio está bien dimensionada, no deberían producirse movimientos. Pero, por el contrario, si la excavación sobrepasa la referida cota de coronación y, todavía peor, si sobrepasa la del nivel del plano de apoyo del plano de contacto, los movimientos de la excavación podrían causar la ruina del edificio. (Véase Figura 2-18).
Figura 2-18. Relación entre la profundidad de excavación y el plano de contacto del edificio colindante con el terreno
La ejecución de la excavación al amparo de una estructura de contención (entibación autoportante, pantalla) reduce la magnitud de los posibles movimientos, pero no supone que quede automáticamente garantizada la ausencia de deformaciones en los edificios colindantes. Una pantalla en ménsula indebidamente proyectada o mal ejecutada podría generar en el edificio colindante la misma combinación de movimientos que una excavación libre. (Véase Figura 2-19). Y una pantalla con apoyos defectuosa podría generar en el edificio colindante un movimiento generalizado de hundimiento. (Véase Figura 2-20).
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Figura 2-19. Movimientos producidos por una excavación realizada al abrigo de una pantalla en ménsula
Figura 2-20. Movimientos producidos por una excavación realizada al abrigo de una pantalla con un apoyo
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
En estos casos y para garantizar que no se produzcan daños en los edificios colindantes, es imprescindible que las pantallas posean una rigidez y una longitud de empotramiento suficientes para minimizar las deformaciones. 2.3.3. Las alteraciones del nivel freático Cualquier alteración del nivel freático causa una variación (incremento o reducción) de la humedad natural del terreno y, en consecuencia, del peso propio del mismo. Esta variación conlleva una modificación de las presiones geostáticas iniciales que presenta el terreno en su estado natural, con el subsiguiente movimiento del mismo (generalmente, de hundimiento). Y todo esto con absoluta independencia de la degradación o de la pudrición que tales variaciones de humedad puedan causar en ciertos materiales, fábricas o elementos de cimentación, por ejemplo en los pilotes de madera. Aunque las alteraciones del nivel freático pueden deberse a causas naturales, lo cierto es que el origen más frecuente de los daños causados por su presencia en las edificaciones se debe o bien al rebajamiento en la ejecución de excavaciones o bien a la ejecución de pantallas de gran profundidad, las cuales interrumpen el drenaje natural de las aguas contenidas en el terreno. El rebajamiento en la ejecución de excavaciones causa un descenso del nivel freático. Como consecuencia de ese descenso, el terreno que inicialmente estaba sumergido aumenta de peso, al pasar al estado saturado. Este aumento de peso es una sobrecarga que, combinada con el drenaje del agua que contenían las tierras eliminadas al realizar la excavación en seco, da lugar a la consolidación del terreno y, en consecuencia, a un movimiento del mismo en el entorno afectado. (Véase Figura 2-21). La interrupción del drenaje natural de las aguas contenidas en el terreno mediante la construcción de pantallas de gran profundidad causa un ascenso del nivel freático. Como consecuencia de dicho ascenso, el terreno pasa a un estado sumergido, en el cual disminuye su resistencia y, en resumen, la capacidad portante de las cimentaciones que apoyan sobre él, lo que puede dar lugar al hundimiento de tales cimentaciones. Los movimientos del terreno causados por las alteraciones del nivel freático se denominan “de subsidencia” y no causan deformaciones en un solo edificio, sino en un conjunto de inmuebles construidos en un amplio entorno. Además, por cuanto la alteración del nivel freático en dicho entorno nunca es homogénea, causa asientos diferenciales, los cuales conducen a daños variables en los edificios afectados, en función de las características de sus cimentaciones y estructuras y de su estado de conservación.
Figura 2-21. Consolidación por descenso del nivel freático
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Obviamente, los daños también afectan a las conducciones de agua enterradas (de saneamiento y de agua a presión), causando desconexiones y roturas en dichas redes, todo lo cual conduce a la inundación del terreno y al agravamiento de los daños. Debe hacerse constar que, como es lógico, en el entorno afectado por la subsidencia también se producen daños en los elementos secundarios, esto es, en las soleras, escaleras y aceras. (Véase Figura 2-22).
Figura 2-22. Daños causados por un fenómeno de subsidencia en elementos secundarios
2.4. Las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación Los fallos y fugas en las conducciones de agua enterradas, ya sean éstas las del propio edificio o sean las de las redes generales urbanas, constituyen el origen más frecuente de las alteraciones del terreno en el entorno inmediato de una cimentación. (Véase Figura 2-23).
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Módulo 2. Causas de fallos en las cimentaciones
Figura 2-23. Daños causados por un fallo en las conducciones de agua enterradas
En las canalizaciones enterradas de la red de saneamiento, las roturas o los fallos en sus conexiones causan la inundación del terreno adyacente y, en consecuencia, un movimiento localizado del mismo, generalmente de hundimiento, que además de agravar el proceso de deterioro de la propia instalación puede causar asientos de las cimentaciones próximas a la misma. La patología causada por las deficiencias en las canalizaciones enterradas de la red de saneamiento es muy frecuente en los edificios antiguos, debida tanto a deficiencias en la construcción de dicha red, como a la insuficiencia o inexistencia de un mantenimiento y de una renovación de tales canalizaciones a lo largo del período de vida del edificio. En las conducciones enterradas de agua a presión, las roturas o los fallos en sus conexiones, además de provocar por simple inundación el asiento de las cimentaciones próximas, pueden llegar a producir la socavación del terreno, por deslavado y arrastre de sus finos. (Véase Figura 2-24).
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Figura 2-24. Daños causados por un socavón
La socavación también puede afectar al terreno de apoyo de las cimentaciones construidas en su entorno inmediato, generando un vacío por debajo de las mismas y causando su inestabilidad. En algunas ciudades, como es el caso de Madrid, la presencia de socavones por debajo de las calzadas y aceras de las calles y de los cimientos de las fachadas de los edificios es tan antigua como frecuente. De hecho, en el archivo de la Comunidad de Madrid, pueden encontrarse numerosas fotografías del siglo pasado con imágenes de socavones antiguos. (Véanse Figura 2-25 y Figura 2-26).
Figura 2-25. Daños causados por un socavón en Madrid
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Figura 2-26. Daños causados por un socavón en Madrid
En Madrid, esa antigüedad y frecuencia de los socavones se debe a la combinación de las siguientes causas: •
Deficiente estado de la red urbana enterrada de agua a presión, debido a insuficiencias en la conservación y en la renovación de dicha red.
•
Presencia de terrenos finos, que pueden ser arrastrados por aguas incontroladas.
•
Presencia de numerosos túneles, galerías, etc…, que permiten la circulación del agua y de sus arrastres.
•
Construcción de las calzadas y aceras sobre soleras de hormigón con notable rigidez, lo cual permite que los vacíos iniciales queden puenteados, por lo que no se puede advertir la presencia del subsiguiente socavón hasta que éste presenta grandes dimensiones.
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