Zapatas y Cimentaciones: La Base de Toda Edificación Segura

Toda edificación, desde la más humilde hasta el rascacielos más imponente, comparte un secreto fundamental para su estabilidad y durabilidad: una cimentación sólida. La cimentación es la interfaz crucial entre la estructura y el terreno, encargada de transmitir todas las cargas al suelo de manera segura, garantizando el equilibrio y la funcionalidad del edificio. Sin una base adecuada, incluso la estructura más robusta corre el riesgo de fallar. En este artículo, desglosaremos los tipos de cimentaciones, la ciencia detrás de los materiales estructurales y las normativas que rigen su diseño y ejecución, ofreciendo una visión completa de cómo se construye la seguridad desde abajo hacia arriba.

Cimentaciones: El Pilar Invisible de un Edificio

La misión principal de cualquier cimentación es anclar la estructura portante en el terreno, asegurando sus condiciones de equilibrio y transmitiendo eficazmente todos los esfuerzos generados por el edificio al suelo. Esta transmisión debe ser uniforme y controlada para evitar asentamientos diferenciales que puedan comprometer la integridad de la construcción.

Tipos de Cimentaciones Superficiales: Zapatas y Losas

Dentro de las cimentaciones superficiales, que se ejecutan a poca profundidad en comparación con su ancho, encontramos principalmente las zapatas y las losas. Las cimentaciones que producen una transmisión de esfuerzos puntuales y se ejecutan por puntos son, precisamente, las zapatas aisladas. Estas son ideales para pilares individuales que transmiten cargas concentradas. Sin embargo, no son las únicas opciones:

• Zapatas Aisladas: Para pilares individuales.
• Zapatas Corridas: Se utilizan típicamente bajo muros de carga o cuando varios pilares están alineados y relativamente cercanos. Según el Código Técnico de la Edificación (CTE), las zapatas corridas son aquellas que recogen más de tres pilares, aunque en la práctica su uso se extiende a muros. Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente, adaptándose a la carga y la resistencia del terreno.
• Zapatas Combinadas: Se emplean cuando dos o más pilares están muy cerca entre sí, lo que haría ineficiente o inviable el uso de zapatas aisladas independientes. También son útiles cuando un pilar se encuentra muy próximo a un límite de propiedad y no se puede centrar la zapata. Aunque el CTE las distingue de las corridas al considerarlas para dos pilares, el principio de combinar cargas de varios elementos es el mismo.
• Placas o Losas de Cimentación: Cuando la capacidad portante del terreno es baja o las cargas del edificio son muy elevadas y distribuidas, se opta por una losa que cubre toda el área de la planta del edificio, distribuyendo la carga sobre una superficie mucho mayor.

Detalles Constructivos de las Zapatas Corridas

La altura mínima para los cimientos de hormigón suele ser de aproximadamente 30 cm. Si se requieren mayores alturas, se les da una forma escalonada, considerando un ángulo de reparto de las presiones que se estima en unos 45º. Este ángulo es fundamental para el cálculo de la altura de la zapata, apoyándose en el concepto del bulbo de presiones, que describe cómo se distribuyen las tensiones en el terreno. Para asegurar una correcta unión en caso de interrupción de los trabajos de cimentación, se recomienda cortar en escalones la junta vertical e incorporar hierros de armadura que refuercen esta unión.

Eliminando la Excentricidad en Zapatas

Las zapatas excéntricas, a menudo necesarias por limitaciones de espacio o colindancia, generan momentos que deben ser contrarrestados. Para eliminar o reducir el momento de excentricidad que se produce en una zapata excéntrica, se pueden emplear varias estrategias:

• Se utiliza un zuncho de atado, que conecta la zapata excéntrica a otra zapata o a un elemento estructural para absorber el momento.
• Se utiliza una viga centradora, que es una viga rígida que une la zapata excéntrica con un pilar interior o una zapata contigua, redistribuyendo las cargas y contrarrestando el momento.
• Se dota la zapata de más armadura, aumentando su capacidad para resistir los esfuerzos de flexión generados por la excentricidad.

Cimentación Profunda vs. Superficial

Consideramos que una cimentación es profunda cuando la relación de la profundidad del firme de cimentación y el ancho del cimiento es mayor de 10. Esto ocurre cuando las capas superficiales del terreno no poseen la capacidad portante necesaria para soportar la cimentación del edificio, requiriendo alcanzar estratos más resistentes a mayor profundidad mediante pilotes o micropilotes.

Materiales Estructurales y sus Propiedades Fundamentales

La selección y el conocimiento de los materiales son cruciales para la seguridad y el rendimiento de una estructura. Las propiedades esenciales de todo material en la construcción de la arquitectura incluyen: masa, forma, extensión, inercia y divisibilidad. Además, su comportamiento bajo carga define su idoneidad.

El Hormigón Estructural

El hormigón, un material ampliamente utilizado en cimentaciones y estructuras, está regulado por normativas específicas. En España, la Norma EHE 08 (Instrucción de Hormigón Estructural) ha sido un referente, aunque actualmente el Código Estructural la reemplaza, integrando también el acero. El hormigón de limpieza, por ejemplo, es una capa de hormigón de bajo dosaje que se coloca directamente sobre el terreno excavado para nivelar la superficie y proteger la armadura de la zapata de la humedad del suelo.

El Acero en la Construcción

El acero es un material con una alta resistencia y ductilidad, ideal para estructuras porticadas y forjados. Los perfiles de acero empleados en las estructuras se clasifican en perfiles laminados, perfiles huecos y perfiles y placas conformadas. Su designación en vigor para chapas es, por ejemplo, S 275 J2, indicando su resistencia y tenacidad. Un aspecto crítico del acero es su comportamiento a altas temperaturas; a 600 ºC, el acero presenta comportamiento plástico, perdiendo sus propiedades mecánicas de resistencia y rigidez, lo que requiere protección contra el fuego.

Las uniones entre elementos de acero son fundamentales. Para asegurar la continuidad, el empalme entre dos vigas de metal del mismo canto debe hacerse con una inclinación de aproximadamente 30º. En las estructuras porticadas mixtas de hormigón y acero, los soportes se forman por la unión estrecha entre hormigón armado y perfiles laminados de acero, combinando las ventajas de ambos materiales. La unión entre acero y hormigón armado se realiza mediante chapas de anclaje.

En cuanto a forjados, el forjado de chapa colaborante es un tipo de forjado que puede ser unidireccional o bidireccional, y su espesor total es, en general, menor que el de un forjado con viguetas para el mismo edificio y cargas a soportar, optimizando el espacio. En zonas sísmicas como Granada, para un forjado unidireccional con viguetas de acero, un apoyo continuo sobre vigas de acero es lo más conveniente, para garantizar una adecuada transmisión de esfuerzos y comportamiento sísmico.

La Madera: Sostenibilidad y Resistencia

La madera es un material con una creciente relevancia en la construcción debido a sus propiedades y su carácter ecológico. Una de sus grandes ventajas es que es un material de CO2 (carbono) neutro, es decir, en su ciclo de vida almacena el carbono que ha tomado de la atmósfera, no generando carbono adicional. El sello de calidad FSC garantiza que la explotación forestal cumple estándares sociales y ambientales exigentes.

Sin embargo, la madera presenta desventajas como su susceptibilidad a ataques de insectos xilófagos y al fuego. A pesar de esto último, en un incendio, la madera se comporta de manera particular: se origina una capa exterior carbonizada que protege el interior, ralentizando el proceso de combustión y permitiendo tiempos de desalojo más seguros. Este proceso de carbonización hace que la estructura pierda sección, pero mantiene su capacidad portante durante un tiempo, reduciendo el riesgo de derrumbe súbito.

Para retardar el fuego en una estructura de madera, se pueden aplicar capas de barniz protector contra el fuego. La madera laminada, que se construye serrando el tronco y uniendo el serrín o láminas de madera, ofrece una mayor estabilidad y resistencia que la madera maciza. Para anclar un pie derecho de madera al terreno de forma empotrada, se puede embutir en un foso de hormigón. Para un apoyo en cimentación (unión apoyada), es posible poniendo el pie derecho sobre un dado de hormigón o, mejor aún, embutiendo una pieza metálica en forma de “U” en un dado de hormigón y atornillando con pasadores en un solo eje, elevando la madera del contacto directo con la humedad del suelo. La Norma DB SE-M del CTE regula todo lo relacionado con las estructuras de madera.

En cuanto a las uniones, el empalme se utiliza para dar continuidad a las vigas (unir piezas en la misma dirección), mientras que el ensamble se utiliza para unir piezas con distintas direcciones de fibra o para aumentar la sección de la pieza.

La Fábrica: Arte y Resistencia en Muros

La fábrica, o mampostería, es una técnica constructiva milenaria que sigue evolucionando. Las propiedades de la fábrica y su buen comportamiento ante las cargas dependen críticamente de la resistencia y deformabilidad de sus componentes, así como de la ligazón entre ellos.

Fábrica Armada y Confinada

• Fábrica Armada: Consiste en incorporar una armadura de barras de acero (normalmente galvanizado y protegido contra la humedad) dentro de la fábrica de forma organizada y generalizada, siguiendo el proceso constructivo. Esta técnica es ideal para la ejecución de dinteles y cargaderos, o cuando necesitamos paños de muros cortos entre juntas de dilatación. Su gran ventaja respecto a una fábrica normal es que aguanta mejor los asentamientos, porque le permite trabajar con ciertos esfuerzos de flexión sin fisurarse, mejorando su comportamiento estructural.
• Fábrica Confinada: Se diferencia de la armada en que sus elementos horizontales (vigas de atado) coinciden con los forjados y los verticales (pilares) con las intersecciones de los muros, formando un marco de hormigón armado que “confina” el muro de fábrica.

La distancia máxima entre juntas de movimiento o dilatación en fábricas sustentadas de piezas de hormigón ordinario es de 20 metros, para permitir las deformaciones por cambios de temperatura y humedad sin generar fisuras. El espesor mínimo que debe tener un muro portante de fábrica según el Documento Básico DB-SE-F del Código Técnico es de 115 mm (11.5 cm).

Tipos de Muros y Tabiques

• Muros Portantes: Son los que soportan cargas de la estructura. Pueden ser paralelos a fachada y de arriostramiento perpendiculares a los anteriores, o de planta celular. El espacio que se genera entre dos muros de carga consecutivos se denomina crujía.
• Tabiques: Elementos divisorios no portantes. Un ejemplo es el tabique a la capuchina, que se caracteriza por tener una cámara de aire entre dos hojas, mejorando el aislamiento térmico y acústico. El tabique conejero es otro tipo, mientras que el tabique doblado se refiere a dos tabiques conejeros unidos entre sí.

Las piezas de fábrica también tienen sus particularidades. La testa de un ladrillo corresponde a su cara menor, delimitada por el tizón y el grueso. Los bloques de termoarcilla, por ejemplo, son un material con una alta resistencia térmica, contribuyendo significativamente a la eficiencia energética de los edificios.

Conceptos Clave de la Ingeniería Estructural

Para comprender el comportamiento de las estructuras, es fundamental familiarizarse con algunos conceptos de la mecánica de materiales y la teoría de estructuras.

Estados Límite

El diseño estructural se basa en la verificación de los estados límite, que son situaciones a partir de las cuales la estructura deja de cumplir su función. Se distinguen dos tipos principales:

• Estado Límite Último: Es aquel que, de ser rebasado, constituye un riesgo para las personas por producir el colapso total o parcial del edificio. Se relaciona con la seguridad.
• Estado Límite de Servicio: Es aquel que, de ser rebasado, afecta al correcto funcionamiento del edificio o a su buena apariencia (por ejemplo, deformaciones excesivas, vibraciones, fisuración). No supone un riesgo para la seguridad, pero afecta la habitabilidad.

Acciones y Solicitaciones

Las acciones en la estructura portante de un edificio pueden ser de tres tipos: permanentes (peso propio de la estructura), variables (uso, nieve, viento) y accidentales (sismos, explosiones). Estas acciones generan solicitaciones internas en las piezas prismáticas verticales (como pilares o muros), que son: esfuerzo normal o axil (compresión/tracción), esfuerzos cortantes (tendencia a cizallamiento), momento torsor (torsión) y momentos flectores (flexión).

La propiedad que permite a los materiales cambiar de forma de modo permanente se llama plasticidad. Los materiales cuya deformación se mantiene una vez retirado el efecto que la produjo y se produce velocidad de deformación son los materiales plásticos. La deformación angular unitaria se denomina distorsión.

Normativas de Obligado Cumplimiento

La seguridad estructural está estrictamente regulada. La normativa de obligado cumplimiento que regula todo lo relacionado con la cimentación de un edificio es el Documento Básico DB-SE-C del Código Técnico de la Edificación (CTE). Para el hormigón, como se mencionó, la Norma EHE 08 fue relevante. Para las estructuras de acero, el Documento Básico DB-SE-A del CTE es fundamental, y para la madera, el DB SE-M.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Cuándo se utiliza una zapata combinada?

Una zapata combinada se utiliza cuando dos o más pilares están muy cerca entre sí, o cuando un pilar está tan cerca del límite de propiedad que una zapata aislada no podría centrarse adecuadamente.

¿Cómo se puede eliminar el momento de excentricidad que se produce en una zapata excéntrica?

Se puede eliminar o reducir utilizando un zuncho de atado, una viga centradora, o dotando a la zapata de más armadura para resistir los esfuerzos de flexión.

¿Qué cimentación produce una transmisión de esfuerzos puntuales y se ejecuta por puntos?

Las zapatas aisladas son el tipo de cimentación que produce una transmisión de esfuerzos puntuales y se ejecuta por puntos.

¿Cuándo consideramos que una cimentación es profunda?

Una cimentación es considerada profunda cuando la relación de la profundidad del firme de cimentación y el ancho del cimiento es mayor de 10.

¿Cuál es la misión que toda cimentación de un edificio debe cumplir?

La misión fundamental es anclar en el terreno la estructura portante para asegurar sus condiciones de equilibrio y transmitir al terreno todos los esfuerzos.

¿Qué normativa de obligado cumplimiento es la que regula todo lo relacionado con la cimentación de un edificio?

Es el Documento Básico DB-SE-C del Código Técnico de la Edificación (CTE).

Para el cálculo de la altura de una zapata, ¿cuál es el ángulo que tenemos que tener en cuenta en el bulbo de presiones?

Para el cálculo de la altura de una zapata, apoyándose en el bulbo de presiones, el ángulo que se suele tener en cuenta es aproximadamente 45º.

¿Cómo se llama la propiedad que permite a los materiales cambiar forma de modo permanente?

Se llama plasticidad.

¿Cuáles son los materiales cuya deformación se mantiene una vez retirado el efecto que la produjo y se produce velocidad de deformación?

Son los materiales plásticos.

¿Cómo se denomina la deformación angular unitaria?

Se denomina distorsión.

¿En qué consiste la fábrica armada?

Consiste en la incorporación generalizada de una armadura de barras de acero dentro de la fábrica, como parte integrante de la misma, mejorando su resistencia a la flexión y su comportamiento frente a asentamientos.

¿En cuál de estos casos se utilizará la fábrica armada?

Se utilizará para la ejecución de dinteles y cargaderos, o cuando necesitamos paños de muros cortos entre juntas de dilatación.

¿Cuál es la distancia máxima entre juntas de movimiento/dilatación de fábricas sustentadas de piezas de hormigón ordinario?

La distancia máxima es de 20 m.

¿En qué consiste el estado límite de servicio de una estructura portante de muros de fábrica de bloques?

Es aquel que, de ser rebasado, afecta al correcto funcionamiento del edificio o a su buena apariencia, pero no supone un riesgo para las personas.

¿Qué nombre recibe el espacio que se genera entre dos muros de carga consecutivos?

Recibe el nombre de crujía.

¿Qué tipo de estado límite constituye un riesgo para las personas presentes en la edificación debido al colapso de esta?

Es el estado límite último.

¿Cuáles son las solicitaciones de una pieza prismática vertical en un estado de equilibrio de fuerzas nulo?

Son el esfuerzo normal o axil, esfuerzos cortantes, momento torsor y momentos flectores.

¿Qué espesor mínimo debe tener un muro portante de fábrica según el Documento Básico DB-SE-F del Código Técnico?

Debe tener un espesor mínimo de 115 mm.

¿A qué parte del ladrillo corresponde la testa?

Corresponde a la cara menor, delimitada por el tizón y el grueso.

¿Cuál de las siguientes opciones es una característica propia de un bloque de termoarcilla?

Es un material con una alta resistencia térmica.

¿Cuál es la gran ventaja que tiene una fábrica armada respecto a una fábrica normal?

La fábrica armada aguanta mejor los asentamientos, porque le permite trabajar con ciertos esfuerzos de flexión sin fisurarse.

¿Qué es la resistencia de cálculo en una estructura portante de muros de fábrica?

Corresponde a la resistencia característica dividida por el coeficiente de seguridad a utilizar.

¿Qué requisitos básicos tiene que cumplir la armadura de la fábrica armada?

Debe estar constituida por un acero galvanizado protegido con una capa de resina y permitir alojarse en las hiladas horizontales o verticales según su disposición.

Uno de los enemigos del acero es la temperatura, ya que a 600 ºC el acero presenta comportamiento plástico, perdiendo propiedades:

Pierde propiedades mecánicas.

El empalme entre dos vigas de metal del mismo canto debe hacerse con una inclinación para asegurar la continuidad. Este ángulo debe ser de:

Este ángulo debe ser de 30º.

Los perfiles de acero empleados en las estructuras de acero se clasifican en tres grupos. Señala la respuesta correcta.

Se clasifican en perfiles laminados, perfiles huecos y perfiles y placas conformadas.

Los soportes de las estructuras porticadas mixtas (hormigón y acero) tienen como característica propia la que se indica a continuación.

Están formadas por la unión estrecha entre hormigón armado y perfiles laminados de acero.

¿Cuál de las siguientes expresiones se corresponde con la designación en vigor de los aceros utilizados para la fabricación de las chapas?

La designación es S 275 J2.

¿En qué norma de recomendación nos apoyamos para el diseño y construcción de forjados de acero estructural?

Nos apoyamos en Normas NTE (como NTE EAF).

¿En qué norma de recomendación se recogen los soportes de las estructuras de acero?

En la norma NTE-EAS.

¿Cuál de estos grupos de perfiles está previsto para las estructuras de acero, según el Documento Básico DB-SE-A del CTE?

Los perfiles huecos están previstos.

En una crujía de luz de más de 20 metros, ¿qué perfil de acero utilizaremos como viga maestra?

Se utilizará una Viga compuesta.

¿Cómo se une el acero y el hormigón armado, ya se trate de un pilar o de una viga?

Se une mediante chapas de anclaje.

¿Qué tipo de apoyo es conveniente para un forjado unidireccional con viguetas de acero en Granada (zona sísmica)?

Un apoyo continuo, sobre vigas de acero.

¿El espesor total de forjado de estructura portante de acero, en qué caso es menor de los que se indican a continuación para el mismo edificio y cargas a soportar?

Es menor en un forjado con chapa colaborante.

¿Qué tipo de forjado es el de chapa colaborante?

Ambos se pueden resolver con chapa colaborante (unidireccional y bidireccional).

¿Por qué la utilización de la madera no contamina al medio ambiente?

Porque es un material de CO2 (carbono) neutro, es decir, en su ciclo de vida (producción, transporte, uso y reciclaje) almacena el carbono que ha tomado de la atmósfera.

¿Qué desventajas presenta la construcción de estructuras portantes con madera?

Es susceptible a ataques de insectos xilófagos y susceptible al fuego.

¿Qué garantiza el sello de calidad FSC?

Garantiza que la explotación forestal cumple unos estándares sociales y ambientales exigentes.

En un incendio, ¿cómo se comporta la madera?

Se origina una capa exterior carbonizada, que protege el interior, ralentizando el colapso.

De las siguientes características ¿cuál es la más característica de la madera?

Su resistencia a flexión y su resistencia térmica.

¿Cómo se le llama a la madera cuando se construye serrando el tronco y uniendo el serrín?

Se le llama aglomerada (o también laminada si son láminas unidas).

¿Cómo se ancla un pie derecho al terreno tratándose de una unión empotrada?

Se puede anclar embutido en un foso de hormigón.

¿Se puede crear un apoyo en cimentación con madera? (Unión apoyada)

Sí, poniendo el pie derecho sobre un dado de hormigón o, mejor aún, embutiendo una pieza metálica en forma de “U” en un dado de hormigón y atornillando con pasadores en un solo eje.

¿Qué le sucede a la estructura portante de madera cuando sufre un incendio?

Pierde sección debido a la carbonización de la superficie exterior del material, proporcionando mayor seguridad en cuanto a tiempos de desalojar la vivienda y reduce el riesgo de derrumbe.

¿Cuál de los siguientes métodos podemos usar para retardar el fuego en una estructura portante de madera?

Aplicando una capa de barniz protector contra el fuego.

Indica cuáles es la diferencia entre empalme y ensamble.

El empalme se utiliza para dar continuidad a las vigas, y el ensamble para unir piezas con distintas direcciones de fibra.

De las siguientes normas de obligado cumplimiento, ¿cuál se refiere a la estructura portante de madera?

Se refiere la DB SE-M.

Conclusión

La construcción de una edificación segura y duradera es un proceso complejo que comienza mucho antes de que se vea el primer muro. Desde la correcta elección y diseño de la cimentación, pasando por la selección de materiales estructurales como el hormigón, el acero y la madera, hasta la aplicación rigurosa de las normativas vigentes, cada etapa es crucial. Entender estos principios básicos no solo garantiza la estabilidad física de un edificio, sino que también asegura su funcionalidad y la seguridad de sus ocupantes a lo largo del tiempo. La ingeniería estructural es, en esencia, la ciencia y el arte de crear bases sólidas para el futuro.

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