Cimientos laminares

Cimientos laminares
Información sobre la plantilla
Detallecimientotorreberlin.jpg
Concepto:Detalle del cimiento de la Torre de televisión de Berlin

Los cimientos laminares (shell foundations) constituyen una tipología de cimentación que aplica el comportamiento de las estructuras laminares o cáscaras en la transmisión de las cargas de edificaciones hacia el suelo. Se aplican mayormente a estructuras esbeltas, tipo torre (chimeneas, depósitos elevados tipo Güira, faros, torres de televisión, entre otros) y resulta una alternativa económica en comparación con los tradicionales cimientos masivos, de base plana, empleados para sustentar este tipo de superestructuras.

Características

Los Cimientos constituyen elementos estructurales imprescindibles en las obras civiles e hidráulicas pero son, al mismo tiempo, los de mayor dificultad de diseño y construcción porque involucran al suelo cuyo comportamiento resulta siempre difícil de pronosticar. A diferencia del hormigón, el acero o el agua, las propiedades físicas y mecánicas del suelo están en función de diversas condiciones, entre ellas la influencia geológica, la ubicación geográfica y la relación con la hidrosfera. La variedad de condiciones naturales en que se deben proyectar y ejecutar los cimientos se conjuga con 2 diferentes morfologías de edificaciones, en dependencia de las necesidades que motivan su creación. Por tanto, cada obra constructiva requiere una solución particular de cimentación.

En el sector constructivo se hacen esfuerzos por reducir el costo de las obras que constituyen la infraestructura del desarrollo y el bienestar social. En ese sentido, una acción importante consiste en reducir la cantidad de materiales a utilizar y el tiempo de ejecución. La solución al problema del uso excesivo de materiales de construcción en la cimentación de estructuras esbeltas existe desde mediados del pasado siglo. Incluso desde igual fecha se aplicó en el territorio cubano, que contó con ingenieros precursores de las cimentaciones laminares, las cuales permiten un ahorro en el orden del 50% de los materiales que se emplearían al aplicar la solución de cimentación masiva.

Historia

Debido a que la estabilidad estructural de las cimentaciones laminares se basa en la redistribución de esfuerzos hacia la superficie media y el trabajo a compresión, similar a lo que ocurre en arcos y bóvedas, este principio de funcionamiento tan simple fue aprovechado por los ingenieros de la antigüedad, para aplicarlas como bases de templos y monasterios, las más pesadas obras de esos tiempos por lo que la construcción de cimientos laminares se ha calificado como una técnica que antecedió a la ciencia.

Ejemplos de aplicación de las estructuras laminares en cimentaciones durante el siglo XX resultan las torres de televisión de Stuttgart (211 m de altura), Hamburgo (271 m de altura), Viena (252m de altura), Moscú (533 m de altura), Berlín y Múnich. Estas estructuras, verdaderos colosos ingenieriles de su época, fueron dotadas de un conjunto de elementos laminares con discreto volumen y forma troncocónica para facilitar la transición de las cargas actuantes a nivel del fuste hasta la base de la cimentación, minimizando con esta solución el consumo de materiales.

En Cuba

La aplicación de cimientos laminares en Cuba comienza con la construcción de una monumental obra de la ingeniería civil: el edificio de 24 plantas sede del Ministerio de las Fuerzas Armadas Revolucionarias. A cargo del Ingeniero Dr. Sixto Ruíz Alejo, la tipología de cimiento laminar de placa poligonal fue aplicada por primera vez a un edificio de tal altura (94m sobre el nivel de base), acontecimiento que fuera refrendado por la publicación del “American Concrete Institute” .

A partir de este hecho, otro ingeniero y científico cubano, el Dr. Ing. José “Pimpo” Hernández Pérez, desarrolló el método de cálculo basado en Coordenadas Relativas (generalizando el “Método de Solicitaciones Proyectadas” sobre un plano cartesiano, que aplicó al diseño de Depósitos Elevados Tipo Güira como alternativa más económica (fundamentalmente en términos de encofrado) que los Depósitos Tipo Intze. El nombre de esta tipología de depósitos se asocia a su forma geométrica, similar al fruto del árbol de güira.

El ingeniero alemán Otto Adolf Ludwig Intze (1843-1904) fue el diseñador de los primeros depósitos elevados nombrados con su apellido lo que impulsó una nueva tipología constructiva mediante la tecnología de moldes deslizantes .

Aporte económico de su aplicación

El primer ejemplo de aporte económico obtenido al aplicar una cimentación laminar en Cuba se remonta al año 1958, cuando por razones puramente económicas se decidió la aplicación del cimiento laminar de placa poligonal al edificio de 94m de altura actual sede del MINFAR.

Sobre la base de esta experiencia económica, se construyeron otras tres obras con cimientos laminares entre los años 1960 y 1980. La primera de estas es el Depósito Elevado Tipo Güira de la Universidad de Matanzas “Camilo Cienfuegos”, de 300 m3 de capacidad y 20 m de altura, cuyo cimiento se caracteriza por una sección transversal en forma de campana de Gauss con espesor de lámina de apenas 20 cm y núcleo de suelo configurado a partir del terreno natural lo que permitió economizar energía en volumen de excavación y resultando un domo que sus constructores denominaron “helado de chocolate”.

Detalles del cimiento aplicado en la construcción del Depósito Elevado Tipo Güira del Instituto de Ciencia Animal, en Catalina de Güines
Faro sobre cimiento laminar, en Cayo Guano del Este

El segundo Depósito Elevado Tipo Güira, de 280 m3, sobre cimiento laminar (en este caso de geometría tronco-cónica, fue construido en el Instituto de Ciencia Animal (ICA), Catalina de Güines. En la construcción de este depósito se perfecciona la geometría de su precedente, la que finalmente se adoptó en los demás depósitos de su tipo construidos en Cuba y en el resto del mundo. La tercera estructura esbelta, en este caso un faro de 50 m de altura (Figura 8), se construyó en Cayo Guano del Este (Isla de la Juventud), también sobre cimiento laminar tronco-cónico, similar al caso anterior.

De los casos antes mencionados, que son parte del patrimonio construido, no se encuentran documentos que precisen el aporte económico de las soluciones de cimentación adoptadas en comparación con las tradicionales.

La ventaja de aplicar la solución de cimiento laminar en chimeneas cortas y Depósitos Elevados Tipo Güira se puede traducir en ahorro de combustible (fuel oil y crudo nacional) para producir aglomerante (cemento Portland), ya que permite un menor consumo del mismo.

En términos de impacto ambiental, es ventajoso aplicar una estructura de cimentación que requiere menor consumo de cemento en su construcción, teniéndose en cuenta que, en general, se emiten a la atmósfera aproximadamente 0,90 toneladas de CO2 por tonelada de cemento producida con la tecnología disponible actualmente en el país (independientemente del tipo de proceso de producción: vía húmeda o vía seca). Toda acción que contribuya al máximo aprovechamiento del cemento Portland resulta valiosa, teniendo en cuenta la agresividad medioambiental de esta industria.

La cantidad de CO2 que se genera en la producción de cemento para suplir la demanda de construcción de cimientos tradicionales de chimenea corta es más de cinco veces la que se genera para suplir la de construir cimientos laminares. En el caso de los Depósitos Elevados Tipo Güira, la utilización de cimientos tradicionales implica la emisión de más del doble de CO2 por fabricación de cemento, respecto a la aplicación de cimientos laminares. De las estadísticas referidas puede afirmarse que la ingeniería civil cubana puede contribuir al desarrollo sostenible, mediante la aplicación de cimientos laminares, pues con ello “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer las propias”.

La experiencia práctica adquirida en cuatro obras específicas refuta el criterio de dificultad que se atribuye a la ejecución de bases laminares. La comparación cuantitativa entre volúmenes de materiales e impacto ambiental de las tipologías tradicional y laminar de cimentación aplicadas a chimenea y Depósito Elevado Tipo Güira arroja un saldo positivo en favor de esta última, que garantiza una reducción de costo entre 55% (en el caso de la chimenea) y 25% (en el Depósito Elevado Tipo Güira), introduciendo el concepto de economía junto al de seguridad. El estricto control de ejecución, la pericia de los constructores y el dominio de las bases de cálculo por parte de los proyectistas continúan siendo tareas pendientes, cuya solución encuentra marco propicio en la actualización del modelo económico cubano.

Fuentes

  • HARAMBOURE, Y. GLEZ , COBELO, W.D, “Criterios Socio-económicos para la aplicación de cimientos laminares”. Revista Ingeniería de Construcción , Nº 1-2013. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverria, La Habana, Cuba.
  • COBELO, W.D.: “Contribución al análisis estructural y al diseño geotécnico de cimentaciones tronco cónicas bajo carga axial-simétrica en estructuras tipo torre”. Tesis de Doctorado en Ciencias Técnicas, ISPJAE, La Habana, Cuba, 2004.
  • HERNÁNDEZ PÉREZ P., ESCALONA F. y RONDA A.: “Estructuras Laminares: Teoría y aplicaciones”, Revista Ingeniería Civil, Nº 4-1973; Nº 2-1974; Nº 5-1974; Nº 4-1975 y Nº 6-1975. Centro Técnico Superior de la Construcción, Instituto del Libro, La Habana, Cuba, 1973-1975.
  • HARAMBOURE, Y. GLEZ: “Estudio comparativo de cimientos laminares bajo carga axial-simétrica para torres de chimenea de 74,5m en Cuba”, Tesis de Maestría, Dpto. de Ing. Civil, ISPJAE, La Habana, Cuba, 2010.
  • CASTAÑEDA HEVIA, A.E., COBELO CRISTIÁ, W.D., HARAMBOURE, Y. GLEZ y ÁLVAREZ PÉREZ, J.: “Una mirada a medio siglo de cimentaciones laminares, métodos de cálculo e investigaciones asociadas en Cuba”, Revista Ingeniería de Construcción, Vol. 26, Nº3, Pontificia Universidad Católica de Chile, 2011; ISSN 0718–5073.
  • RUIZ ALEJO, S. y MARTIN, I.: “Folded Plate Raft Foundation for 24-Story Building”, Journal of the American Concrete Institute, Vol. 31, Nº2, USA, August, 1959.