Cimentación en los edificios de gran altura

Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla Grado en Fundamentos de la Arquitectura Trabajo Fin de Grado TFG-B: Construcciones Arquitectónicas-Ingeniería del Terreno-Estructuras de la Edificación Curso Académico 2017 – 2018 Cimentación en los Edificios de Gran Altura Autor: Nerea Jiménez Cordero Grupo: TFG-B-Ingeniería del Terreno 4 de septiembre de 2018 Tutor: Antonio Jaramillo Morilla Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 2 Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 3 Índice 1. OBJETIVOS ............................................................................................................ 5 2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 6 3. ASPECTOS ESPECIFICOS DE EDIFICIOS DE GRAN ALTURA. ................ 9 3.1. Grandes cargas por el elevado número de plantas ............................................. 9 3.2. Efecto sobre estructuras próximas. .................................................................. 11 3.3. Cargas horizontales debido a viento. ............................................................... 12 3.4. Influencia del momento en la base, debido a viento y sismo. ......................... 17 4. REDUCCIONES DE CARGA. ............................................................................ 20 4.1. Peso Propio. ..................................................................................................... 20 4.2. Sobrecarga de Uso. .......................................................................................... 20 5. DEFORMACIONES ............................................................................................. 23 5.1. Deformación horizontal ................................................................................... 23 5.2. Deformación vertical ....................................................................................... 25 6. VIBRACIONES ..................................................................................................... 27 7. TIPOS DE CIMENTACIONES ........................................................................... 29 7.1. Estudio Geotécnico ......................................................................................... 29 7.2. Cimentaciones Superficiales. .......................................................................... 31 7.2.1. Zapatas ....................................................................................................... 31 7.2.2. Losas .......................................................................................................... 33 7.3. Cimentaciones Profundas. ............................................................................... 37 7.3.1. Pilotes ........................................................................................................ 37 7.3.2. Muros pantalla ........................................................................................... 39 7.4. Cimentaciones Mixtas. .................................................................................... 41 Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 4 7.4.1. Zapatas y Pilotes ........................................................................................ 41 7.4.2. Losas pilotadas .......................................................................................... 43 8. CIMENTACIÓN TORRE SEVILLA. ................................................................ 46 8.1. Estimación de cargas ....................................................................................... 50 8.1.1. Datos de partida ......................................................................................... 50 8.1.2. Resistencia característica al hundimiento .................................................. 52 8.1.3. Carga que transmite la pantalla ................................................................. 55 9. CONCLUSIONES ................................................................................................. 57 10. IDEAS PARA AMPLIAR EL TRABAJO ...................................................... 59 11. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 60 NORMAS ................................................................................................................... 60 ARTICULOS ............................................................................................................. 60 REVISTAS ................................................................................................................. 60 LIBROS ...................................................................................................................... 61 PÁGINAS WEB ......................................................................................................... 61 OTROS DOCUMENTOS .......................................................................................... 62 Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 5 1. OBJETIVOS Con este trabajo se pretende conocer las situaciones específicas a las que están sometidos los edificios de gran altura. Son factores que afectan a la hora de llevar a cabo el diseño de su cimentación. Una vez que estén claras las circunstancias a tener en cuenta en la determinación del tipo de cimentación adecuada, se estudiarán los distintos tipos de cimentaciones posibles en este tipo de construcciones, de acuerdo con las características del terreno en el que se encontrará la edificación y los demás aspectos considerados anteriormente, como son las acciones horizontales debidas a viento y sismo, y la influencia en las construcciones adyacentes. También se verán los aspectos importantes a tener en cuenta en cada tipo de cimentación. Cada tipo de cimentación se apoyará con un ejemplo de edificio alto construido con el tipo considerado. Como caso específico se estudiará la cimentación de la Torre Sevilla. Se comprobará que la tensión transmitida al terreno es soportada por el tipo de cimentación que tiene, y que, por tanto, dicha cimentación es adecuada al tipo de edificio y de terreno, evitándose, de esta manera, el peligro de hundimiento del edificio. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 6 2. INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia ha habido una importante evolución en cuanto a la altura de los edificios que se han ido construyendo. Ilustración 1_Evolución edificios en altura a lo largo de la historia, extraída de internet En las dos últimas décadas se ha llevado a cabo un importante crecimiento de la construcción de edificios altos, de más de 300 m. Ilustración 2_Edificios más altos del mundo de las últimas décadas, extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 7 Este tipo de construcciones todavía suponen un reto para los arquitectos e ingenieros que tienen que diseñarlos, debido a que no hay una norma específica donde basarse. Toda cimentación debe cumplir la función principal de transmitir los esfuerzos de la estructura al terreno, a la vez de soportar los esfuerzos de reacción del terreno ante dichas solicitaciones. Ilustración 3_Esquema de funcionamiento de la cimentación, extraída de internet Cuando dimensionamos una cimentación, hay que tener en cuenta las características del terreno en el que nos encontramos, los distintos tipos de cargas que tendremos, dependiendo del tipo de estructura, y el comportamiento del terreno antes dichas cargas. En el caso de los edificios de gran altura esto no iba a ser menos, al contrario, se requiere de una adecuada elección del tipo de cimentación, donde estos factores cobran todavía una mayor importancia, debido a las enormes cargas que se ponen en juego en este tipo de construcciones. Las características del terreno, determinan la elección del tipo de cimentación, para que la interacción del terreno con la base del edificio sea la adecuada y no se produzcan daños que impidan un rendimiento adecuado de la estructura. Además de tener en cuenta las características del terreno y las enormes cargas de estos edificios, hay otros factores importantes a tener en cuenta cuando se dimensiona una cimentación para un edificio alto. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 8 El efecto que se puede originar en las construcciones adyacentes, generalmente más bajas, y el efecto de las acciones horizontales sobre este tipo de edificios, son también determinantes para la elección del tipo de cimentación. El objetivo de estas cimentaciones es dar respuesta a las importantes deformaciones que se puedan producir en este tipo de edificios debido a las acciones que actúan sobre él, de forma que no se perturbe el confort de los usuarios. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 9 3. ASPECTOS ESPECIFICOS DE EDIFICIOS DE GRAN ALTURA. En este tipo de edificios hay que tener en cuenta una serie de características que afectan de forma considerable en el diseño de la cimentación. 3.1. Grandes cargas por el elevado número de plantas En el peso de un edificio influye de forma muy significativa la altura del propio edificio, teniendo en cuenta aspectos como el elevado número de plantas y el peso de los materiales de construcción, se obtiene el peso propio del edificio, siendo considerablemente elevado en este tipo de construcciones. “El peso del edificio aumenta de forma no lineal con el aumento de la altura, y por lo tanto la carga vertical que se apoya en la base, puede ser sustancial.” (Poulos, H. G. 2012, pag. 1) Se transmite al terreno una presión bastante elevada, en forma de lo que llamamos “bulbo de presiones”. Esta expresión quiere decir que la presión no se transmite de forma linealmente vertical al terreno, si no que se transmite en forma de curvas, siendo mayor la presión transmitida en el centro que en los extremos. Ilustración 4_Esquemas de bulbos de presiones bajo zapatas, extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 16 Para ello hay que acudir a ensayos en túneles aerodinámicos, utilizando modelos a escala de la edificación a estudiar, con las mismas características de flexibilidad que el modelo real y donde el flujo de viento alrededor del modelo sea también lo más similar posible a la realidad. A la vez, estas pruebas en túneles de viento, sirven para ver cómo reaccionan los modelos y comprobar el comportamiento de la estructura frente a las solicitaciones que genera la acción del viento, de esta manera sabremos cómo va a reaccionar el edificio antes de su construcción, evitándose deformaciones de esta. “El uso de ensayos de túneles aerodinámicos descansa en el llamado principio de semejanza, que es ampliamente utilizado para obtener información acerca de las cargas de viento sobre un cuerpo real mediante ensayos con modelos a escala” (Gómez Hermoso, J., Irastorza, L., Pascual, J., Calzón, J. M., & Castañón Jiménez, C, 2014, pag. 60) Ilustración 13_Ensayo en túnel aerodinámico de un modelo a escala, extraída de la revista Ingenieros de camino, canales y puertos. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 17 3.4. Influencia del momento en la base, debido a viento y sismo. VIENTO El viento es una fuerza perpendicular al plano de acción, en el caso de los edificios, perpendicular a la fachada, que hace que el edificio se comporte como una ménsula, produciéndose un momento volcador en la base de éste. Dicho momento depende de la altura y de la superficie expuesta del edificio. A mayor altura, mayor velocidad del viento y, por tanto, mayor es la acción que genera el momento volcador. Lo mismo ocurre con la superficie expuesta, la acción es mayor cuanto mayor sea la superficie de contacto. Ilustración 14_Esquema de actuación del viento en un edificio, extraída de internet Para que el edificio sea estable frente al momento volcador que genera la acción del viento, debe cumplirse que el Momento estabilizador (Me) sea una vez y media mayor o igual que el Momento volcador (Mv), es decir, se trabaja con un coeficiente de seguridad mayor o igual a 1,5. Para esta verificación se toma el edificio descargado, es decir teniendo en cuenta solo las cargas permanentes. SISMO La acción sísmica produce oscilaciones tanto verticales como horizontales. Generalmente las oscilaciones verticales no producen daños en la estructura ni comprometen la estabilidad de ésta, debido a que está calculada para soportar importantes Me: Momento estabilizador. Mv: Momento volcador. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 18 cargas verticales, para lo que se han utilizado coeficientes de seguridad que absorben dichos esfuerzos. Ilustración 15_Oscilaciones verticales de un edificio, extraída de internet Sin embargo, las oscilaciones horizontales producidas por la acción sísmica, actúan en la estructura en ambos sentidos, produciendo un momento en la base que, normalmente, no es absorbido por los coeficientes de seguridad empleados para soportar los esfuerzos verticales. Ilustración 16_Oscilaciones horizontales de un edificio, extraída de internet Los esfuerzos sísmicos dependen de la masa y características del edificio y del grado de violencia del sismo. F = M . a F: Fuerza sísmica M: Masa del edificio A: Aceleración Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 19 A mayor masa del edificio y mayor rigidez, los edificios altos son bastante pesados, mayor son las fuerzas de inercia que generan el momento en la base. Para disminuir lo máximo posible dichos momentos es conveniente que la estructura sea lo menos pesada y flexible posible. Pero también hay que tener en cuenta que, si la estructura es demasiado flexible, no habrá daños estructurales por roturas, pero las enormes oscilaciones sí que afectarán a al confort de los habitantes. Con respecto a la naturaleza del sismo, la variación de la magnitud de las acciones que recibe la estructura se pueden producir:  en un periodo de tiempo normal, donde las aceleraciones del suelo no causen daños importantes a la estructura.  en un periodo de tiempo relativamente corto, donde las aceleraciones del terreno que recibe la construcción son de gran importancia, generándose momentos adicionales en la base modificando las tensiones y deformaciones de la estructura. Para evitar que las acciones horizontales generadas por la acción sísmica produzcan daños en la estructura, se aplicará un coeficiente de seguridad para que la interacción suelo – estructura cumpla con los requisitos que establece el Estado Limite de Servicio. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 20 4. REDUCCIONES DE CARGA. Las acciones que afectan a un edificio alto son las mismas que afectan a las demás construcciones, lo que es muy diferente es el efecto que producen en éstos. La magnitud de los efectos es mucho mayor, ya que estamos hablando de una construcción mucho mayor a las que habitualmente estamos acostumbrados a ver. 4.1. Peso Propio. Las acciones gravitatorias aumentan con la altura, debido a la acumulación de los materiales estructurales con el creciente número de plantas. Aunque en las normas no aparecen aspectos a tener en cuenta en este tipo de edificaciones con respecto al intento de disminuir lo máximo posible su peso, es importante la utilización de materiales ligeros, como hormigones ligeros con densidades que oscilan entre 1.700 y 1.900 kg/ m2 y de alta resistencia, debido a que, como hemos visto, el efecto de las acciones aumenta con el aumento de peso. De esta manera se consigue, en la medida de lo posible, disminuir el efecto de dichas solicitaciones sobre el edificio. 4.2. Sobrecarga de Uso. Al igual que ocurre con las acciones gravitatorias, las acciones de servicio también incrementan su efecto con el aumento del número de plantas del edificio. En este caso sí que aparece recogido en la norma la utilización de coeficientes de reducción de sobrecargas, en función de la categoría de uso, a la hora de calcular dichas acciones. Según Norma NBE AE 88 “3.7. Reducción de sobrecargas En los edificios de varios pisos, incluidos en los apartados B y C de la Tabla 3.1, se podrá considerar para el cálculo de todo elemento resistente: jácena, pilar, muro, cimiento, etc., que reciba la carga de varias plantas, la reducción en la suma de las sobrecargas de los elementos cuya carga recibe, que se indica en la Tabla 3.2.” (NBE AE 88, 1988, pag. 12) Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 21 Según Norma CTE DB SE AE “3.1.2 Reducción de sobrecargas 1 Para el dimensionado de los elementos portantes horizontales (vigas, nervios de forjados, etc.), y de sus elementos de enlace (ménsulas, ábacos, etc.), la suma de las sobrecargas de una misma categoría de uso que actúen sobre él, puede reducirse multiplicándola por el coeficiente de la Tabla 3.2, para las categorías de uso A, B, C y D. 2 Para el dimensionado de un elemento vertical (pilar, muro), la suma de las sobrecargas de un mismo uso que graviten sobre él, puede reducirse multiplicándola por el coeficiente de la Tabla 3.2, para las categorías de uso A, B, C y D. 3 Los coeficientes de reducción anteriores podrán aplicarse simultáneamente en un elemento vertical cuando las plantas situadas por encima de dicho elemento estén destinadas al mismo uso y siempre que correspondan a diferentes usuarios, lo que se hará constar en la memoria del proyecto y en las instrucciones de uso y mantenimiento. En el caso de 1 ó 2 plantas, se puede aplicar la reducción por superficie tributaria a los elementos verticales.” (CTE DB SE AE, 2006, pag. 10) Ilustración 17_Tablas extraídas de la norma NBE AE 88 Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 22 Ilustración 18_Tablas extraídas del CTE DB SE AE Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 23 5. DEFORMACIONES En el caso de los edificios altos hay que acostumbrarse a otra escala de valores con limitaciones distintas a las que normalmente utilizamos en los edificios convencionales. Al tratarse de edificios que superan la escala de los edificios convencionales, las limitaciones que recogen las normas, el CTE actualmente, no son de aplicación para este tipo de estructuras, ya que todo se lleva a una escala mucho mayor: el tamaño del edificio, las acciones que actúan sobre él y los efectos que éstas producen en ellos. Al igual que ocurre con las acciones, las deformaciones también aumentan con el aumento de las plantas, debido a la suma de pequeñas deformaciones de cada planta. En las normas no aparecen, como se ha dicho, limitaciones de dichos valores, por lo que hay que basarse en tablas de artículos basadas en diferentes casos de estudio de construcciones de edificios altos ya existentes. 5.1. Deformación horizontal Las acciones horizontales, que ya se han visto en puntos anteriores, son las que generan importantes movimientos en la estructura, siendo uno de los factores principales a la hora de elegir el tipo de cimentación del edificio que sea más adecuado para que soporte dichos esfuerzos. Dichos movimientos son importantes controlarlos para la adecuada conservación de los elementos estructurales y para garantizar el confort de los usuarios. A pesar de su importancia, no hay una norma que recoja los valores que limitan estas deformaciones. En varios artículos, basados en experiencias, podemos encontrar limitaciones que establecen el valor máximo admisible de flecha en coronación del edificio de:  Según Calavera, J. (1984). Proyecto y cálculo de estructuras de hormigón armado para edificios L/700 ó L/1000 (Siendo L la altura del edificio) Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 24  Según Manterola Armisén, J. (1985). La estructura resistente de los edificios altos. L/ 400 ó L/600 (Siendo L la altura del edificio) En este artículo se tiene en cuenta otra limitación más restrictiva, para el caso de edificios altos con cerramientos importantes, de L/300. Como se puede observar, no hay una restricción común, por lo que hay que tener en cuenta el criterio de cada uno a la hora de establecer la limitación. Teniendo en cuenta uno de los factores que más afectan a este tipo de construcciones, el viento, se puede establecer una limitación de: L/ 600 Ilustración 19_Extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 25 5.2. Deformación vertical Las deformaciones verticales se dan por varias causas:  Asientos del terreno. El límite aceptable de los asientos que se producen en edificios altos es muy superior al de los edificios convencionales. Asientos de más de 100 mm son aceptables, según experiencias contempladas en la siguiente tabla, sin que se produzcan daños estructurales. Ilustración 20_Tabla de limitaciones de deformaciones extraída del artículo de Fundation  Causas térmicas. Las variaciones de temperatura, que en edificios convencionales determinan la colocación de las juntas de dilatación, en edificios altos pueden generar esfuerzos importantes en los forjados, debido a la acumulación de alargamiento o acortamiento en las diferentes plantas. Por ello es importante controlar la temperatura en los pilares. En este caso las diferencias de temperatura entre los pilares que están expuestos al exterior y los pilares interiores es bastante notable, llegando a ocasionar deformaciones diferenciales entre ellos. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 32  La superposición de las leyes de tensiones que las zapatas transmiten al terreno generará un asiento mayor en las zapatas del interior del edificio que en las del perímetro.  Hay que comprobar la estabilidad a vuelco, las zapatas tienen que absorber los enormes esfuerzos que generan las solicitaciones de viento y sismo, lo que puede generar enormes cantos de zapatas fuertemente armadas. EJEMPLO Torres Gemelas, Nueva York, 1973. Ilustración 29_Extraída de internet Con una altura de 110 pisos (417m). Estaban situadas sobre terreno de relleno del río Hudson. Para su construcción se llevó a cabo un muro perimetral de hormigón de 90 cm de espesor anclado a las rocas (cota -21m), que contuviera los empujes del terreno. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 33 Ilustración 30_Foto de la excavación de la cimentación de las Torres Gemelas, extraída de internet Su cimentación consistía en zapatas de acero ancladas a las rocas bajo cada uno de los pilares que rodeaban las torres. Ilustración 31_Foto de la cimentación de las Torres Gemelas, extraída de internet 7.2.2. Losas Para un buen funcionamiento de las losas, donde se reduzcan lo máximo posible los asientos esperados, se utiliza el principio de cimentación compensada. Éste consiste en que la losa transmita una tensión igual o menor a la que había en el terreno antes de la excavación, evitando el hundimiento del edificio y consiguiendo asientos muy reducidos o despreciables. Este tipo de cimentación, en edificios de gran altura, se utilizan cuando: Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 34  La superficie de zapatas superaría el 50% de la superficie del edificio en planta.  Los terrenos de apoyo tienen una resistencia media - baja.  Se desea minimizar los asientos diferenciales.  Se quieren construir sótanos bajo nivel freático. Ilustración 32_Esquema de diferentes tipos de losas, extraída de la norma Asociación C.-T. del H ASPECTOS A TENER EN CUENTA:  En edificios con zonas de distinta altura, la cimentación debe ir separada mediante juntas de asiento para que la presión que transmite la losa en cada caso siga siendo igual a la tensión previa a la excavación, lo que lleva a distintos niveles de sótanos. Ilustración 33_Esquema cimentación compensada, extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 35  Se tiene que tener en cuenta que el centro de gravedad de la losa coincida, lo máximo posible, con el de las cargas verticales del edificio, para evitar el giro de éste debido a la acción de su peso propio.  Generalmente se producen más asientos en la zona central de una losa flexible, por lo que se lleva a cabo una cimentación más profunda en la zona central, para evitar los asientos diferenciales. Ilustración 34_Cimentación con losa a diferentes profundidades, extraída de la norma Asociación C-T.delH  En el caso de las losas, la estabilidad al vuelco, debida a las enormes solicitaciones de viento y sismo, se consigue con la construcción de sótanos bajo rasante, consiguiendo así una cimentación más profunda para estabilizar cargas y estabilizar la edificación. EJEMPLO: Torre Caja Madrid, Madrid 2009. Ilustración 35_Extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 36 42 plantas y 5 niveles de sótano (250 m). Se encuentra situada sobre terreno de arenas tosquizas hasta los 15 y 25 m, y un sustrato de tosco arenoso. La torre cuenta con una cimentación de losa de hormigón armado de 5 m de canto, apoyada sobre tosco. Sobre la losa asientan los dos núcleos de hormigón de la estructura portante del edificio. Ilustración 36_Planta cimentación Torre Caja Madrid, extraída de inernet Ilustración 37_Foto ejecución losa de cimentación Torre Caja Madrid, extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 37 7.3. Cimentaciones Profundas. “Una cimentación se considera profunda cuando su cota de apoyo se encuentra a una profundidad igual o mayor a cinco veces la mínima dimensión en planta del elemento de cimentación (el diámetro en el caso de un pilote), con un valor mínimo entre 5 y 6 m.” (Asociación C.-T. del H, pag. 408) Se utiliza cuando se dan las siguientes situaciones:  Asientos excesivos con las soluciones de zapatas o losas.  Cuando la capa resistente de apoyo se encuentra a bastante profundidad.  Por condiciones de estabilidad (giro).  Cuando aparecen tracciones (levantamientos) debido a las acciones de viento o sismo.  Por flotabilidad del edificio. La subpresión total en el fondo de la excavación, debida al nivel freático, sea mayor que el peso total del edificio. 7.3.1. Pilotes  Sección circular entre 1000mm y 2500mm.  Profundidad habitual 35m, excepcionalmente 50m. La profundidad no debe superar los 30 – 40 diámetros del pilote, por cuestiones de esbeltez y sistemas de ejecución.  Separación habitual entre ejes de pilotes de 2 – 3 diámetros.  Los pilotes pueden trabajar por fuste o por punta, dependiendo del terreno en el que se encuentren. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 38 ASPECTOS A TENER EN CUENTA:  A mayor diámetro de pilote, mayor separación entre sus ejes. A consecuencia, el encepado tendrá una mayor superficie y requerirá un elevado canto para considerarlo rígido.  La separación entre ejes de pilotes es bastante importante, debido a que el comportamiento de un pilote aislado difiere mucho de un grupo de pilotes. Por lo tanto, la separación entre ejes debe ser, según CTE, mayor a 2 diámetros, para que no se produzca el efecto grupo y se vea reducida la capacidad de carga de los pilotes. Un pilote que trabaja de forma individual tiene una mayor capacidad de soporte.  Los asientos que se producen también se ven afectados por el efecto grupo, en un grupo de pilotes se da un asiento bastante mayor que en un pilote aislado.  Normalmente se utilizan encepados flexibles, dada la dificultad de conseguir encepados rígidos, debido a las grandes dimensiones. Se suele emplear una gran losa que une los pilotes de varios elementos estructurales cercanos. EJEMPLO: Edificio Taipei 101 en Taiwan, 2004 Ilustración 38_Extraída de internet Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 39 Con 101 plantas y 5 niveles de sótano (508m). Se encuentra situado sobre terreno pantanoso, donde el sustrato rocoso se encuentra a 60 m de profundidad. Dispone de 380 pilotes de 1500mm de diámetro de 80m de longitud, empotrados en terreno rocoso. Ilustración 39_Esquemas cimentación edificio Taipei 101, extraída de internet 7.3.2. Muros pantalla  Adecuado para cimentar muros, pantallas del edificio o pilares puesto que hay una transmisión continua de un elemento a otro.  Se ejecutan por bataches, cuyas dimensiones dependen del tamaño máximo de la cuchara disponible en mercado, que se sitúa en torno a los 5m.  Espesores desde los 400 mm a los 1200mm, bastante superiores a los espesores de los elementos estructurales, debido a que éstos transmiten una tensión superior a la tensión admisible de los elementos de cimentación.  La máxima profundidad de excavación se sitúa entre 35 y 40 m. De forma excepcional se pueden alcanzar los 100m de profundidad, mediante el empleo de maquinaría específica.  Mayor capacidad para absorber esfuerzos horizontales.  Capacidad portante 30% menos que lo pilotes aislados, pero sólo es necesaria una viga de coronación como elemento que conecta el muro con el elemento estructural, frente al enorme encepado necesario en el caso de los pilotes, y por tanto se necesita menos hormigón y acero que el encepado de los pilotes. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 40 ASPECTOS A TENER EN CUENTA:  Cuando las dimensiones de los bataches necesarios sean superiores a las máximas disponibles según los métodos de ejecución del mercado (5m), se tendrán que ejecutar varios bataches. En este caso, la viga de atado tendrá que repartir la carga entre todos los bataches para evitar movimientos diferenciales entre ellos, por lo que tendrá un canto importante para obtener mayor rigidez.  El encepado lineal que une los diferentes bataches ocupa una superficie menor que la necesaria en un encepado de pilotes.  Es importante que la excavación se realice lo más vertical posible para evitar excentricidades que hagan necesarios, el aumento del canto de la viga de coronación, o el empleo de vigas centradoras.  Normalmente, en los edificios altos se lleva a cabo la ejecución de un muro pantalla perimetral, que permite la construcción de varios niveles de sótano, de forma que, si se utiliza el mismo equipo para la excavación de la cimentación, sin necesidad de llevar una pilotadora, se consigue un ahorro económico importante. EJEMPLO: Torre Sevilla (estudiada en un apartado posterior) Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 41 7.4. Cimentaciones Mixtas. Este tipo de cimentaciones se puede llevar a cabo tanto en terrenos blandos como duros. Con él se produce un importante ahorro económico y de tiempos de ejecución, respecto al sistema de cimentación mediante pilotes, debido a que parte de la carga transmitida al terreno es asumida por la losa o zapatas y otra parte por los pilotes. 7.4.1. Zapatas y Pilotes  Adecuada para cimentaciones donde: - el terreno resistente (piedra caliza) no se encuentra en la superficie. - La tensión admisible del terreno es superior a la tensión transmitida por el edificio al terreno, de forma que el terreno tiende a levantar las zapatas y los pilotes evitan esa situación.  En este tipo de cimentaciones: - los pilotes trabajan a tracción para soportar los empujes del terreno que tienden a levantar las zapatas. - las zapatas son las encargadas de transmitir las fuerzas de compresión de la estructura al terreno ASPECTOS A TENER EN CUENTA:  Ahorro económico respecto a una cimentación exclusivamente con pilotes. Con las zapatas transmitiendo los esfuerzos al terreno, evitamos la ejecución del encepado de gran canto necesario en el caso de cimentación por pilotes.  Se emplea cuando la superficie ocupada por las zapatas es menor que la mitad de la superficie total ocupada en planta por el edificio. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 48 FOTOS DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA CIMENTACIÓN Ilustración 47_Cedida por el profesor José Sánchez Ilustración 48_Cedida por el profesor José Sánchez Ilustración 49_Cedida por el profesor José Sánchez Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 49 Ilustración 50_Cedida por el profesor José Sánchez Ilustración 51_Cedida por el profesor José Sánchez Ilustración 52_Cedida por el profesor José Sánchez Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 50 8.1. Estimación de cargas Se realizará una estimación de cargas que soportan las pantallas por metro lineal. Ilustración 53_Esquema metro lineal de muro, imagen propia 8.1.1. Datos de partida  39 Plantas de altura (2 de ellas dedicadas a instalaciones) más 3 Plantas bajo rasante.  Un área aproximada por cada planta de 1170 m².  Hormigón armado como material principal de la estructura y cimentación. PESO PROPIO  37 Plantas  2 Plantas técnicas  3 Plantas bajo rasante Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 51 P. Propio del forjado (losa de h. armado de 30 cm de espesor)………..7,50 KN/m² Pavimentos…………………………………………………………....1,20 KN/m² Cerramiento……………….………………………………………...10,00 KN/m² Peso Propio pantalla de hormigón armado……………..…………….25,00 KN/m² Instalaciones de ventilación……………...……………..…………....25,00 KN/m² 48,70 KN/m² TOTAL: 48,70 KN/m² . (37,00m . 1170 m2)…………………….2.466.620,91 KN SOBRECARGA DE USO  23 Plantas de Oficina  1 Planta eventos  1 Planta vestíbulo hotel  12 Plantas de habitaciones de hotel  2 Plantas técnicas  3 Plantas de aparcamiento bajo rasante Zona Administrativa…2,00 KN/m² . (23 . 1170 m²)……………………53.820 KN Habitaciones Hotel…..2,00 KN/m² . (12 . 1170 m²)……………………28.080 KN Zona sin obstáculos….5,00 KN/m² . (2 . 1170 m²)………………….…11.700 KN Aparcamiento………..2,00 KN/m² . (3 . 1170 m²)………………….…..7.020 KN Instalaciones…………5,00 KN/m² . (2 . 1170 m²)………………….….11.700 KN 112.320 KN Se aplica un coeficiente de reducción de 0,8 (elementos verticales) TOTAL:………………………………………………………………89.856 KN Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 52 8.1.2. Resistencia característica al hundimiento Se calcula la resistencia característica al hundimiento de la pantalla para comprobar lo que puede soportar la pantalla. Para ello hay que tener en cuenta las características del terreno obtenidas en los estudios geotécnicos realizados. Ilustración 54_Estudio Geotécnico extraído del proyecto básico de Torre Sevilla, extraída del Proyecto Básico Ilustración 55_Estudio Geotécnico extraído del proyecto básico de Torre Sevilla, extraída del Proyecto Básico Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 53 Ilustración 56_Esquema de cimentación y estratos del terreno para el cálculo, imagen propia El nivel freático se sitúa entre las cotas +1,50 y +2,80 m. RESISTENCIA POR PUNTA Margas – qu = 1000 KPa – 350 KPa qu = 500 KPa Cu = qu / 2 Cu = 500 KPa / 2 Cu = 250 KPa qp = Np . Cu qp = 7,5 . 250 KPa qp = 1.875 KPa Rpk = qp . Ap Rpk = 1.875 KPa . (0,80 m . 1,00 m) Rpk = 1.500 KPa Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 54 RESISTENCIA POR FUSTE τf = (100 . Cu) / (100 + Cu) τf = (100 . 250 KPa) / (100 + 250 KPa) τf = 71,43 KPa Rfk = τfi . Afi Rfk = 71,43 KPa . (37,00 m . 1,00 m . 2 caras) Rfk = 5.285,82 KPa RESISTENCIA CARACTERÍSTICA A HUNDIMIENTO Rck = Rck + Rck Rfk = 1.500 KPa + 5.285 KPa Rfk = 6.785 KPa Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 55 8.1.3. Carga que transmite la pantalla Se calcula la resistencia que está transmitiendo al terreno la pantalla, por metro lineal, para comprobar si están trabajando bien y no hay peligro de hundimiento de la estructura. Ilustración 57_Esquema planta Torre Sevilla, imagen propia CARGA TOTAL/ml (PP+SU)=2.466.620,91KN+89.856KN = 2.556.476,91KN Calculamos la longitud de la pantalla de cimentación (para hacerlo de forma simplificada y sacar una aproximación, se considerará la planta circular, con un radio aproximado de 23 m): L = 2πr = 2 . π . 23m = 144,50m, Se tomará como valor aproximado 150m De esta manera se ha obtenido la longitud de una cara de la pantalla. Hay que multiplicar este valor por dos para obtener la longitud de las dos caras de la pantalla, de forma que queda: LT = 150m . 2 = 300m Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 56 Una vez sacada la longitud total de las dos caras que forman de la pantalla, se multiplicará por la carga total por metro lineal que aguantan para obtener la carga total que transmite la pantalla al terreno: CARGA TOTAL = 2.556.476,91KN . 300m = 7.669.430,73 KN Para comprobar que no hay peligro de hundimiento se tiene que comprobar que el coeficiente de seguridad al hundimiento igual o mayor que 3: ᵞ = 7.669.430,73 KN / 2.556.476,91KN = 3 CUMPLE Por tanto, del análisis aproximado de la cimentación de la Torre Sevilla realizado, se obtiene que el sistema de cimentación empleado es adecuado para el tipo de edificio, según el terreno en el que se encuentra, sin que existan, a priori, problemas de hundimiento. Trabajo Fin de Grado Nerea Jiménez Cordero 57 9. CONCLUSIONES Cuando se habla de edificios de gran altura hay que centrarse en una escala de valores y dimensiones totalmente distinta a la que normalmente se utiliza en construcciones más convencionales. Con la altura, el efecto de las acciones que intervienen en un edificio de este tipo se incrementa. Por tanto, a la hora de dimensionar su cimentación es muy importante tener en cuenta factores como el viento, el sismo y el propio peso del edificio, que serán determinantes, junto con el tipo de terreno, para la elección del tipo de cimentación adecuado. El efecto de dichos factores hace que las cimentaciones sean propias edificaciones en sí, ya que alcanzan dimensiones de edificios convencionales, con cantos de encepados de 4m, como en el caso de la Torre Sevilla, y pilotes de bastante profundidad. La cimentación, en el caso de edificios de gran altura, tiene que soportar grandes momentos en la base debido a acciones horizontales de viento y sismo, además de empujes los empujes del terreno. Todo ello puede contribuir a problemas de vuelco de la estructura, cosa que tiene que evitar la cimentación. Se trata de la parte estructural del edificio encargada de transmitir las cargas al terreno, por lo que se tendrá que realizar en función de las características del mismo. El asegurar la estabilidad de estos grandes edificios es lo que hace que la cimentación tenga grandes dimensiones y profundidad. El coste de este tipo de construcciones es bastante elevado, por lo que es importante buscar siempre la solución más económica posible. En el caso de la cimentación hay que tener en cuenta que sea el tipo adecuado para el terreno en el que se encuentra el edificio para que cumpla con los requisitos de estabilidad. En general, es usual ir a losas cuando el terreno tiene una suficiente consistencia y, por tanto, no se esperan grandes asientos diferenciales. En el caso contrario (grandes asientos esperables), se recurre a encepados de pilotes. Con el primer sistema se atribuye la transmisión de las cargas totalmente a la losa y con el segundo, a los pilotes, despreciando lo que pueda contribuir el encepado. Pues bien, una losa pilotada es una cimentación que está en el punto intermedio entre losa y encepado de pilotes, consiguiendo minorar en gran medida tanto los asientos esperables si se hubiera elegido una cimentación losa, como el coste de hacer un encepado con un alto número de pilotes. Es decir, funciona, es seguro y es mucho más barato.