PROPIEDADES ESTRUCTURALES BÁSICAS

Las características que hacen que un material sea adecuado para cumplir funciones estructurales se  relacionan con sus propiedades mecánicas y con su costo, principalmente. Las estructuras civiles implican grandes volúmenes y no permiten el empleo de materiales de resistencia extraordinariamente alta y de comportamiento estructural excelente, pero de costo muy elevado, como los que usan con frecuencia en las estructuras aeronáuticas y aerospaciales. Comúnmente, el material debe cumplir dentro de la construcción funciones adicionales a las puramente estructurales. La estructura no suele ser un mero esqueleto resistente recubierto y protegido por otros componentes que tienen la función de formar una envoltura externa y de subdividir los espacios. Frecuentemente la estructura misma debe cumplir parcialmente estas funciones, por lo que el material que la compone debe tener, además de características estructurales adecuadas, propiedades de impermeabilidad y durabilidad ante la intemperie y de aislamiento térmico y acústico, por ejemplo. Además de la estructura integrada al resto de los componentes constructivos debe poder proporcionar cualidades estéticas a la construcción.

Obviamente, no existe un material estructural óptimo; la opción más conveniente en cada caso  depende tanto de la función estructural como de las propiedades no estructurales que son deseables para una situación específica.

Las propiedades estructurales de un material se definen en forma rigurosa por medio de sus leyes constitutivas, o sea del conjunto de ecuaciones que describen el estado de deformaciones que se presenta en el material ante cada posible estado de esfuerzos, así como los estados que corresponden a condiciones de falla. De una manera más sencilla las principales propiedades de un material pueden representarse mediante curvas esfuerzo-deformación obtenidas de ensayes estándar ante condiciones uniaxiales de esfuerzos (de compresión o tensión). Se ignoran en estos ensayes, efectos como los de la velocidad y permanencia de la carga, los de repeticiones y alteraciones de esfuerzos y los de estados multiaxiales de esfuerzos. A pesar de estas  limitaciones, las curvas esfuerzo, deformación en tensión y en compresión, recabadas de ensayes en condiciones estándar, proporcionan una información relevante acerca del comportamiento de un material.

Hay algunas características no propiamente estructurales que tienen una influencia relevante en  el comportamiento y en el aprovechamiento que puede darse a un material dado dentro de una estructura. Una de ellas es el peso; en materiales de gran peso volumétrico y de resistencia no muy alta, buena parte de la resistencia debe destinarse a soportar su propio peso, como en el caso de un puente de concreto, por ejemplo. Se ha llegado a manejar como medida de la eficiencia estructural de un material a la relación entre su resistencia y su peso volumétrico. Es, sin embargo, muy limitado el valor que puede darse a las comparaciones de eficiencia que se hacen en estos términos, ya que la conveniencia de uno u otro material depende de muy diversas funciones, estructurales y no, que debe cumplir la estructura.

Otro aspecto que influye en la posibilidad de usar eficientemente un material es la posibilidad de darle forma más adecuada para la función estructural a la que está destinado, tanto en lo relativo a la forma de la sección como a la de los elementos y sistemas estructurales básicos. Propiedades también relevantes son la durabilidad, o sea la capacidad de mantener inalteradas sus características con el tiempo y ante el efecto de condiciones ambientales severas, y la de requerir poco mantenimiento para alcanzar dicha durabilidad.

PILOTES DE TUBO LLENOS DE CONCRETO

Los pilotes de tubo llenos de concreto son pilas de concreto simple o reforzado colado in s/tu. Para formarlas se usa    un barrenador grande o se excava un pozo a mano hasta llegar a un estrato resistente adecuado que se llena con concreto. Por esta razón, también se les denomina pilotes o pilas perforados.

■ Pilote de tubo lleno con concreto 1.

■ El refuerzo en la parte superior del pozo suministra una resistencia adicional a la flexión causada por las fuerzas laterales o por una carga excéntrica en la columna. 2.

■ La perforación es de un diámetro de 760 mm (2'-6") o mayor para permitir la inspección del fondo. 3.

■ Puede reú[uerirse una carcasa temporal para impedir el paso del agua, la arena o el relleno suelto proveniente del pozo durante la excavación. 4.

■ La base del pilote de tubo puede ampliarse en forma de campana para aumentar el área de contacto y resistir la elevación del suelo. La campana puede excavarse a mano o mediante un aditamento de cuchillas retráctiles. 5.

■ Estrato de suelo o de roca. 6.

■ Los pilotes de tubo con casú[uillo se perforan hasta un estrato de roca sólida para ol/tener mayor apoyo por fricción. 7.

■ Los pilotes de tubo para roca son pilotes con casquillo que tienen un núcleo de perfil H de acero dentro de una carcasa tubular llena de concreto. 8.

LOSAS DE CONCRETO NIVELADAS

Una losa de concreto puede colocarse a rivel horizortal, o cerca del mismo, para servir como ur sistema combinado de piso y de cimentaciór. El uso adecuado de ura losa de concreto para este uso depende de la ubicación geográfica. de la topografía y de las características del suelo en el sitio, y del diseño de la superestructura.

Las losas de concreto niveladas requieren el apoyo de una base de suelo nivelada, estable, uniformemente densa o apropiadamente compactada que no contenga materia orgánica. Cuando se coloca sobns un suelo de baja capacidad de carga o sobre suelos altamente compresibles o expansivos, este tipo de losa debe diseííarse como una losa o una carpeta de cimentación, lo que requiere un análisis y un diseño por parte de un ingeniero especializado en estructuras.

● Espesor de losa mínimo de 100 mm (4"); el espesor requerido depende del uso esperado y de las condiciones de carga. 1.
● La malla de refuerzo que se coloca ligeramente más arriba de la mitad del peralte de la losa controla los esfuerzos térmicos, el agrietamiento por contracción y los ligeros movimientos diferenciales del lecho del suelo: puede requerirse una parrilla de varillas de refuerzo si las losas sustentan cargas de piso mayores c[ue lo normal.  2.
● Puede aíiadirse a la mezcla de concreto un aditivo de fibras de vidrio, acero o de polipropileno para reducir el agrietamiento por contracción.
● Los aditivos de concreto pueden aumentar la dureza superficial y la resistencia a la abrasión. 
● Barrera contra la humedad de polietileno de 0.15 mm (6 milésimas). 3.
● El American Concrete Institute recomienda que se coloque una capa de arena de 51 mm (2") sobre la barrera contra la humedad para absorber el agua en exceso proveniente del concreto durante el curado. 4.
● Embasamiento de grava o de piedra triturada para evitar el ascenso capilar del agua subterránea; mínimo 100 mm (4"). 5.
● Base de suelo estable y uniformemente densa; puede requerirse compactación para aumentar la estabilidad del suelo, la capacidad de sustentar cargas y la resistencia a la penetración del agua. 6.

Pueden crearse o construirse tres tipos de juntas con objeto de acomodar el movimiento en el plano de una losa de concreto nivelada: juntas de aislamiento, juntas de construcción y juntas de control.

Juntas de aislamiento
También llamadas juntas de expansión, las juntas de aislamiento permiten la existencia de movimiento entre una losa de concreto y las columnas y muros adyacentes de un edificio. 7.

Juntas de construcción
Para tener un lugar donde la construcción se detenga para continuar posteriormente, se usan juntas de construcción. Estas juntas, que también sirven como juntas de aislamiento o de control, pueden acuñarse o enclavijarse para evitar el movimiento diferencial vertical de las secciones contiguas de la losa. 8.

Juntas de control
Para crear líneas de fragilidad, de modo que el agrietamiento que pueda resultar de los esfuerzos de tensión se presente a lo largo de líneas previamente determinadas, se colocan juntas de control. Estas juntas de control van espaciadas en el concreto expuesto de 4570 a 6100 mm (15' a 20') centro a centro, o siempre que se requiera fragmentar una losa con forma irregular en secciones cuadradas o rectangulares. 9.

Se requieren zapatas aisladas o integradas para transmitir cargas desde la superestructura superior al suelo de la cimertación.

Se requieren zapatas aisladas o integradas para transmitir cargas desde la superestructura superior al suelo de la cimertación.

● Recubrimierto mírimo de 64 mm (2 1/2"). 10.
● Aislamiento perimetral. 11.
● Ductos de aire aislados. 12.

● Recubrimiento de 40 a 75 mm (1 1/2" a 3"). 13.
● Tubería de cobre o de polibutilero; prevenga elmovimiento si los tubos atraviesan juntas de construcción. 14.
● Aislamiento recomendado para el patío inferior de la losa. 15.

● El aislamiento espumado de las tuberías de plástico aisla las tuberías de abastecimiento de agua y de aguas grises de la losa de concreto. 16.

●  Chaflán o borde con radio 17.
●  Barra del vuelo del escalón; poner revestimiento de 36 mm (1 1/2") 18.
● Espesor mínimo de 100 mm (4") 19.
● Junta de expansión o de construcción 20.
● Use dovelas revestidas o una curia de cortante para evitar el movimiento vertical diferencial. 21.

● Para aberturas de losa mayores que 305 mm (12"), coloque una segunda capa de malla de alambre de refuerzo de 610 mm (2'-0") en todos los lados de la abertura. 22.

MUROS DE CIMENTACIÓN

Los muros de cimentación suministran apoyo para la superestructura superior y cercan un sótano o un espacio de gateo parcial o totalmente por debajo de la rasante. Además de las cargas verticales provenientes de la superestructura, los muros de cimentación deben diseñarse y construirse para resistir la presión activa del terreno y anclar la superestructura contra el viento y las fuerzas sísmicas.

Los espacios de gateo (ductos o vías para arrastrarse) cercados por un muro de cimertaciór contiruo o por pilares sumiristran espacio bajo ur primer piso para la integración y acceso a instalaciones mecánicas, eléctricas y de plomería.

Muros de cimentación de concreto

Los muros de cimentación de corcreto colado in situ requieren de cimbra y de un acceso para colocar el concreto.

Muros de cimentación de mampostería de concreto

Los muros de cimentación de mampostería de concreto utilizan unidades pequeñas que se manejan fácilmente y no requieren de cimbra. Debido a que la mampostería de concreto es un material modular, todas las dimensiones principales deben basarse en el módulo de 205 mm (6") de blocjue de concreto estándar.

La parte superior de un muro de cimentación debe prepararse para recibir, sustentar y anclar los sistemas de muro y de piso de la superestructura.

Se requiere de un sistema de drenaje del subsuelo para recolectar y desviar el agua lejos de la cimentación al drenaje pluvial, a un pozo seco, o de ur emisor natural hacia una elevación inferior en el sitio.

El aislamiento de humedad se aplica a un muro de cimentación cuando las condiciones del subsuelo indican que no se presentará una presión hidrostática proveniente del nivel freático. Guardo estér sujetos a la presión hidrostática del nivel freático, los muros de cimentación deben impermeabilizarse. Algunos reglamentos de construcciones requieren que todos los muros de cimentación que cerquen un espacio habitable debajo de la rasante deben impermeabilizarse.

Los sistemas de cimentación de madera tratada pueden usarse para la construcción tanto de sótanos como de espacios de gateo (ductos o vías para arrastrarse). Las secciones del muro pueden construirse in situ o fabricarse en planta para reducir el tiempo de montaje. Toda la madera y la madera laminada o¡ue se use para fabricar un sistema de cimentación debe tratarse a presión con un con¬ servador aprobado para uso de contacto en el suelo; todos los cortes de campo deben tratarse con el mismo conservador. Todos los sujetadores de metal deben ser de acero inoxidable o de acero galvanizado con recubrimiento de zinc.

EDIFICION - CIMENTACIONES CON PILOTES

■ Los pilotes de madera son maderos hincados como un pilote de fricción. Generalmente, se les coloca una zapata de acero y una banda de hincado para evitar que el cuerpo del pilote se astille o se despedace. 1.

■ Los pilotes compuestos están construidos cor dos materiales, como un pilote de madera y una sección superior de concreto para evitar el deterioro de la parte del pilote cjue está arriba del nivel freático.

■ Los pilotes H y los perfiles H de acero se ahogan en concreto hasta un punto por debajo del nivel freático para evitar la corrosión. Los perñles H pueden soldarse en el proceso de hincado para formar pi¬ lotes de cualcjuier longitud. 2.

■ Los pilotes de tubo de acero se hincan con el extremo inferior abierto o cerrado con una placa o una punta de acero y se llenan con concreto. Un pilote de tubo con el e>ctremo abierto recjuiere inspección y excavado antes de llenarse con concreto.3.

■ Los pilotes de concreto precolado tienen secciones transversales redondas, cuadradas, poligonales, o con un núcleo abierto. Los pilotes precolados generalmente son presforzados. 4.

■ Los pilotes de concreto colado in situ se construyen vaciando concreto en una carcasa en el suelo. Estos pilotes pueden ser revestidos o sin revestimiento.

■ Los pilotes revestidos se construyen hincando un tubo o una carcasa de acero en el suelo hasta
que encuentra la resistencia recjuerida y luego se llena con concreto. La carcasa es una sección cilindrica de acero, corrugada o ahusada para mayor rigidez. 5e inserta un mandril de tubo o un núcleo de acero en una carcasa de pared delgada para evitar cjue se colapse en el proceso de hincado; luego se retira antes de vaciar el concreto en la carcasa. 5.

■ Los pilotes sin revestimiento se construyen hincando un tapón de concreto en el suelo junto con una carcasa de acero hasta cjue encuentra la resistencia reíiuerida; luego se apisona el concreto en su lugar a medida cjue se retira la carcasa. 6.

■ Un pilote de pedestal sin revestimiento tiene una punta agrandada para aumentar el área de carga del pilote y reforzar el estrato de apoyo por compresión. La punta se forma vaciando concreto a presión en el suelo circundante en la parte inferior de la carcasa. 7.

CIMENTACIONES PROFUNDAS DE UN EDIFICIO

Las cimentaciones profundas se prolongan más allá de los suelos inadecuados o inestables para transferir las  cargas del edificio a un estrato resistente de roca o de gravas y arenas densas muy por debajo de la superestructura. Los dos tipos principales de cimentaciones profundas son las cimentaciones con pilotes y las cimentaciones con pilotes de tubo llenos de concreto.

Una cimentación con pilotes es un sistema de pilotes de punta, de cabezales de pilotes y de vigas tensoras para transferir las cargas del edificio hasta un estrato de carga.

• Muro de carga. 1.
• Rasante de concreto reforzado o viga tensora con cabezales integrados para pilote. 2.
• Los pilotes generalmente se hincan en grupos de dos o más, espaciados de 760 a 1220 mm (2'-6" a 4'-0") entre centros. 3.
• Un cabezal para pilote de concreto reforzado une fas cabeceras de un grupo de pilotes con objeto de distribuir la carga de una columna o de una viga de rasante igualmente entre los pilotes. 4.
• Varía con la carga de la columna: 305 mm (12") como mínimo. 5.
• 75 mm (3") 6.
• 150 mm (6") 7.
• Colocar debajo del nivel de penetración de la helada. 8.
• Los pilotes pueden ser postes de madera tratada, pero para edificios grandes son más comunes los perfiles H de acero, los tubos llenos de concreto, o el concreto reforzado precolado o el concreto presforzado. 9.
• Los pilotes se hincan en el terreno con una mácjuina piloteadora. Esta máciuina está compuesta de un bastidor alto que, sustenta el mecanismo para elevar al pilote en su posición, un martillo de hincado y rieles o guías verticales para dirigir el martillo.
• Los pilotes de punta dependen principalmente de la resistencia a la carga del suelo o de la roca debajo de la punta de sustentación. La masa circundante de suelo suministra un grado de estabilidad lateral para el pilote. 10.
• Para su sustentación, los pilotes de fricción dependen principalmente de la resistencia a la fricción de una masa circundante de suelo. La fricción externa desarrollada entre los lados de un pilote hincado y el suelo está limitada por la adhesión del suelo a los lados del pilote y por la resistencia a la fuerza cortante de la masa de suelo circundante. 11.
• La carga permisible del pilote es la carga máxima axial y la carga máxima lateral, c|ue se determina por una fórmula dinámica para pilotes, un ensayo estático de carga, o una investigación geotécnica del suelo de la cimentación.
• La excentricidad del pilote o la desviación del pilote de su ubicación en planta o de la vertical pueden reducir su carga permisible.
• Estrato resistente de suelo o de roca. 12.

CIMENTACIÓN CON POSTES

La cimentación con postes eleva las estructuras de madera por arriba del terrero, recjuiere de excavación minima y preserva las características naturales de los patrones de drenaje existentes de un sitio. Es especialmente útil cuando se construye en taludes empinados y en áreas sujetas a inundaciones periódicas.

Los postes tratados se colocan a lo largo de una retícula definida por el patrón reticular de vigas y viguetas. Su espaciamiento determina tanto los claros de vigas y viguetas como las cargas verticales cjue deben sustentar.

• Postes de 150 a 305 mm (6" a 12") de diámetro; tratados con un conservador para protegerlos de la pudrición y de la invasión de Insectos. Estos postes pueden prolongarse en sentido vertical para formar el marco de sustentación de las cargas de la superestructura o terminar en el nivel del primer piso para sustentar un marco convencional de plataforma. 1.
• Vigas de madera sólidas, compuestas o espaciadas: deben limitarse los voladizos a 1/4 del claro restante. 2.
• Los pisos, los muros y el techo deben aislarse de acuerdo con las condiciones climáticas locales. 3.• Los postes se espacian de 1530 a 3660 mm (6' a 12') para sustentar las áreas de piso y de techo hasta
13.4 m^2 (144 pies cuadrados) 4.

Los postes se colocan en agujeros excavados a mano o mediante un barrenador de potencia. En una estructura de postes se recjuiere de una longitud adecuada de em¬ potramiento, de un relleno adecuado y de conectores apropiados para tener la rigidez y la resistencia necesarias para las fuerzas laterales eólicas y sísmicas. La longitud recjuerida de empotramiento varía de acuerdo con:

• la pendiente del sitio
• las condiciones subsuperficiales del suelo
• el espaciamiento de los postes
• la altura no sustentada de los postes
• la zona sísmica.
• Los pisos deben diseñarse y construirse como un diafragma para transferir la rigidez de los postes cuesta arriba al resto de la estructura. 5.

Longitud de empatramiento para pendientes empinadas

• De 1525 a 2440 mm (5' a 8') para los postes cuesta arriba: estos postes tienen alturas no soportadas más cortas, pero recjuieren de un empotramiento más profundo con objeto de suministrar la rigidez necesaria a la estructura. 6.
• De 1220 a 2135 mm (4' a 7') para los postes cuesta abajo 7.
Longitud de empotramiento poro pendientes llanas

• De 1220 a 1525 mm (4' a 5') 8.
Cuando el empotramiento necesario no sea posible, como en una pendiente rocosa, pueden usarse el arriostramiento transversal con varilla de acero y con tensores o muros de cortante de concreto o de mampostería para suministrar estabilidad lateral.

• Consultar a un ingeniero especializado en estructuras cuando se disefíe y se construya una estructura con postes, especialmente cuando se trate de un sitio con pendiente pronunciada sujeto a ventarrones o a inundaciones.

Las vigas espaciadas se fijan con tornillos pasantes a los lados de los postes tratados, las cuales luego continúan hacia arriba para formar el bastidor receptor de cargas de la superestructura.

Los postes distribuyen sus cargas con una zapata o collar de concreto o al apoyarse directamente en la roca. Los bloques y los collares de concreto aumentan el área de contacto de los postes con el suelo y distribuyen sus cargas sobre un área mayor.