 |
Losas de cimentación residenciales. Evaluación de su comportamiento |
 |
||
|
Kenneth B. Bondy Muchos de los litigios actuales por construcciones defectuosas involucran edificios residenciales ligeros con marcos de madera, apoyados en cimientos de concreto postensado construidos sobre suelos expansivos. El comportamiento funcional de las losas de cimentación es con frecuencia un punto de discusión en estos litigios. En estos casos, una herramienta primordial para la evaluación del comportamiento de los cimientos es un levantamiento topográfico del nivel del perfil de la superficie de la losa, comúnmente hecho durante la fase de descubrimiento del litigio. Usualmente este levantamiento se hace usando un nivel de agua o "manómetro", un instrumento simple y barato que puede proporcionar precisión razonable si el levantamiento se ejecuta apropiadamente. Los consultores forenses alegan con frecuencia, con base en el levantamiento del nivel, que ha ocurrido un excesivo movimiento del cimiento debido a los efectos de los cambios de volumen del suelo expansivo, y que se requieren reparaciones costosas a la cimentación. En algunos casos, los consultores atribuyen todas las diferencias actuales en la elevación de la superficie de la losa al movimiento del suelo, ignorando así completamente los efectos de la construcción, y suponiendo efectivamente que la losa fue construida perfectamente a nivel. Esos consultores que no reconocen efectos de la construcción, con frecuencia usan para su evaluación criterios no estándar, que varían ampliamente de un consultor a otro y que se basan en gran medida en las opiniones personales anecdóticas que no pueden sustentarse en ningún estudio o trabajo publicado de aceptación general. El propósito de esta nota técnica es presentar un protocolo racional para la evaluación del comportamiento de las losas de cimentación residenciales de concreto, enfocándose principalmente en la estimación de la horizontalidad de la construcción al momento de realizarse, usando criterios estandarizados y publicados. El protocolo desarrollado es aplicable a cimientos postensados, así como también a los no presforzados.
. La manera más confiable y, ciertamente, la más fácil para evaluar el comportamiento de los cimientos, incluyendo efectos de construcción, es comparar dos levantamientos competentemente ejecutados hechos sobre la superficie de la losa, uno actual y otro hecho inmediatamente después de la construcción de la losa. Si el perfil actual de la superficie es muy similar al perfil original, puede concluirse razonablemente que la losa fue construida en su posición actual. Si el perfil actual de la superficie es sustancialmente diferente del perfil original, puede concluirse razonablemente que el movimiento del cimiento ha causado la diferencia. Desafortunadamente, rara vez se tiene a la mano el levantamiento anterior, y generalmente debe hacerse el diagnóstico del comportamiento de los cimientos con sólo un levantamiento, llevado a cabo años después de la construcción de la losa. Al carecer de un levantamiento inicial, es imposible determinar con certeza si la losa: 1) fue construida con su perfil de superficie actual, 2) fue construida con un perfil de superficie completamente diferente y deformada hasta tener su forma actual, o 3) si adquirió su perfil de superficie actual por alguna combinación de 1 y 2. Sin embargo, con el uso del protocolo aquí propuesto, es posible un diagnóstico razonable de la presencia o ausencia de movimiento significativo del suelo y los cimientos. Protocolo para la evaluación de un levantamiento único En ausencia de información de levantamiento topográfico acerca del perfil de la superficie de la losa al momento de ser construida, el diagnóstico posterior del excesivo movimiento del suelo expansivo requiere, en opinión del autor, tres condiciones relacionadas y concurrentes, cada una de las cuales debe ser cuidadosamente evaluada y debe estar presente para establecer un diagnóstico razonablemente cierto del movimiento excesivo del suelo y los cimientos: 1.
La superficie de la losa debe estar fuera del nivel, excediendo sustancialmente
las tolerancias de horizontalidad estandarizadas del Instituto Americano
del Concreto (ACI). 2.
Debe haber una condición de peligro relacionada en la superestructura.
Si ha ocurrido un excesivo movimiento del suelo, el mismo estará acompañado
por una significativa situación de peligro en la superestructura (agrietamiento
generalizado asimétrico, unidireccional y diagonal en el panel interior
de yeso laminado y en los muros exteriores de yeso) en la vecindad del
movimiento excesivo del suelo, y consistente con la orientación de las
diferencias de elevación relativas en el perfil de las superficies de
las losas.
3. La forma total de la superficie de la losa debe ser compatible con
los patrones reconocidos de deformación que, se sabe, son causados por
el movimiento de suelo expansivo. El perfil de la superficie de la losa
debe parecerse razonablemente, ya sea a una elevación de borde o a una
elevación de centro (véase Diseño y construcción de losas postensadas
sobre el suelo, 2ª. ed., Sección 4.2 (B), Instituto de Postensado). No
puede hacerse un diagnóstico positivo del movimiento excesivo del cimiento
causado por cambios de volumen del suelo expansivo si alguna de las condiciones
establecidas arriba no se satisface. Debe hacerse notar que los criterios
del número F de la horizontalidad mínima para losas residenciales convencionales
(FL =10) corresponden a un gradiente de elevación máxima en la superficie
de la losa de 1 vertical a 96 horizontal, o aproximadamente uno por ciento.
Sin embargo, con base en la experiencia del autor, es poco probable que una losa que esté actualmente a nivel con las tolerancias de horizontalidad de construcción del ACI haya podido experimentar suficiente deformación para producir un agrietamiento excesivo del muro. Sería extremadamente difícil, en esas condiciones, aislar el agrietamiento causado por el movimiento del suelo de aquél que puede ser ocasionado por otros factores no relacionados con dicho movimiento. En tal situación, el movimiento del suelo no puede eliminarse como una causa del agrietamiento del muro, pero tampoco puede ser positivamente diagnosticado. Cada uno de los tres factores enlistados es importante en la evaluación del rendimiento de un cimiento residencial. Se admite que los últimos dos factores son subjetivos, y aunque existe un protocolo razonable para estudiarlos, se requiere de la consideración cuidadosa de un ingeniero experimentado en el comportamiento de cimientos residenciales, superestructuras y materiales. Sin embargo, la estimación de los efectos de construcción puede evaluarse sobre una base sustancialmente objetiva, usando los criterios estandarizados desarrollados y publicados por el ACI.
La evaluación competente del comportamiento de losas residenciales requiere
una firme comprensión de estos estándares del ACI para los criterios de
horizontalidad en la construcción de losas, y saber cómo pueden usarse
efectivamente estos criterios para predecir el grado inicial de horizontalidad
de construcción que pueda obtenerse por distintas técnicas de acabado.
Estándares del ACI para la planicidad y la horizontalidad La
"planicidad" de una losa describe las irregularidades locales o la "aspereza"
de la superficie de la misma, y tiene una relevancia primaria solamente
para las losas sobre las cuales hay un tránsito vehicular aleatorio, más
que tránsito peatonal. La "horizontalidad" de la losa describe la forma
y curvatura total de la superficie de la losa.
De todas las publicaciones del ACI, las que representan el desarrollo
más riguroso son los documentos estandarizados. Están desarrollados y
aprobados, sobre una base de consenso, por un Comité Técnico permanente
del ACI, aprobados por el Comité de Actividades Técnicas y el Consejo
de Revisión de Estándares, y se publican en una revista internacionalmente
distribuida para la revisión y el comentario de todos los miembros del
ACI y el público interesado en general. Los Números F Las
tolerancias estándar de la horizontalidad en la construcción de losas
del ACI están basadas en el sistema de "Número F", que fue desarrollado,
en parte, por un amplio estudio de la horizontalidad en cientos de losas
funcionales existentes con una variedad de usos diferentes. Número
F de la horizontalidad promedio
Para determinar el FL para el área de una losa, se hacen mediciones de
elevación en un número específico de puntos sobre la superficie de la
losa, todos a una distancia de 3 m uno del otro. El número total de puntos
requeridos para un área particular, y el método preciso para localizarlos,
están especificados en el ASTM E1155-96. Ecuación (1) donde: El
ACI 117-90 especifica un valor mínimo aceptable para este número FL promedio
como una función de tres categorías de la calidad del perfil del piso:
convencional, plano y muy plano. Para la calidad convencional se incluyen
dos sub-categorías, acabado con llana de mango largo o con regla recta
(acabado con una llana para carretera). Número F de la horizontalidad local (el peor caso) El ACI 117-90 también especifica un número FL local mínimo, que representa el número FL mínimo aceptable medido entre cualesquiera dos puntos individuales en el conjunto de muestras de las mediciones. Puesto que la desviación estándar para un valor único es cero, y la media de un valor único es el valor mismo, el número FL local mínimo puede determinarse por la Ecuación (1) como sigue: Ecuación (2) donde: zmax = la diferencia máxima en elevación entre cualesquiera dos puntos que estén separados 3 m uno del otro en la muestra j (el valor Zi único más grande en el conjunto de diferencias de elevación). Para una losa sobre el terreno residencial acabada con un enrasado húmedo y una llana de mango largo, en donde la clasificación de la calidad del perfil del piso es "convencional" de acuerdo con el ACI 117-90 en la Sección 4.5.6, el número FL local mínimo requerido es 10. Un examen cuidadoso de un levantamiento del nivel de la superficie de la losa puede determinar si el número F local o el promedio es el factor de control para satisfacer la especificación de tolerancia del ACI 117. Si el gradiente máximo de la superficie o la curvatura (el punto en donde el número F local es mínimo) ocurre en cualquiera de los dos lugares aislados, y el resto de la losa está sustancialmente más nivelado que en aquellos puntos de un gradiente máximo, es probable que el número F local sea más crítico que el número F promedio. Si el gradiente de superficie máximo (el número F local mínimo) aparece extensamente en toda la superficie de la losa (como en una losa inclinada), entonces es probable que el número F promedio sea más crítico, ya que siempre es más grande que el número F local. Esta discusión es importante, ya que significa que la satisfacción de las tolerancias de horizontalidad de la construcción de losas estándar del ACI puede generalmente determinarse con una confiabilidad razonable sin necesidad de llevar a cabo el protocolo de prueba completo y determinar el número FL promedio. El número FL local mínimo puede determinarse con precisión por medio de cualquier levantamiento topográfico competente de la superficie de la losa. Esto se hace examinando el levantamiento y determinando la diferencia máxima en la elevación de la superficie de la losa entre dos puntos cualesquiera que estén separados 3 m. Si el número FL local mínimo satisface los criterios del ACI 117-90 para la tolerancia de horizontalidad (por ejemplo, 10 en el caso de calidad convencional), y los sitios de puntos de gradiente máximo son pocos y aislados, entonces se puede concluir razonablemente que el número FL promedio también será satisfecho y que la losa satisface los criterios del ACI 117-90. Si el gradiente máximo es extendido en toda la losa, el número F asociado con el gradiente máximo debe entonces compararse con el criterio más restrictivo del número F promedio. Si el número FL local mínimo es mayor que los criterios del número F promedio, los criterios del ACI 117-90 quedan obviamente satisfechos. La ecuación (2) puede reordenarse como sigue: Ecuación (3) La sustitución de los criterios del ACI 117-90 de 10 por el número FL local mínimo para la calidad de horizontalidad convencional nos permite el cálculo del valor más grande aceptable de Zmax (la diferencia máxima de elevación entre cualesquiera dos puntos en la superficie de la losa que estén separados 3 m uno del otro), para satisfacer los criterios de horizontalidad: Ecuación (4) Así pues, para las losas residenciales "convencionales" sobre el suelo, acabadas con lenrasado húmedo y llana de mango largo, las tolerancias de horizontalidad en la construcción de losas del ACI quedan satisfechas si la diferencia máxima de elevación entre cualesquiera dos puntos en la superficie de la losa separados 3 m uno del otro no es mayor de 3.17 cm. Alineación de nivel El ACI 117-90 también establece una tolerancia de 1.9 cm para la elevación de superficie especificada de una losa sobre rasante en la sección 4.3.1.1. Esto significa que cuando se especifica una elevación para la superficie superior de una losa sobre terreno, puede variar en ± 1.9 cm (la superficie real de la losa puede ser 1.9 cm más alta o más baja que la elevación especificada). Así pues, la elevación de la superficie tal como fue construida debe estar dentro de una cobertura de 3.8 cm a horcajadas de la elevación especificada, y las variaciones locales de elevación consideradas en la sección 4.5.6 deben ajustarse dentro de esa cobertura de 3.8 cm. Esto queda establecido en el ACI 117R-90, "Comentarios sobre las Especificaciones Estándar para las Tolerancias para Construcción y Materiales de Concreto", secciones 4.3, 4.4, y 4.5, p.117R-6: La cobertura de elevación aceptable de la superficie de la losa y de la parte baja de la losa es de más o menos 1.9 cm. La velocidad de cambio de los puntos adyacentes de la elevación de la superficie dentro de la elevación aceptable está regida por la sección 4.5.5 de la especificación [que incluye los criterios de horizontalidad del número F]. Debe hacerse notar que la sección 4.3.1.1. se aplica únicamente cuando se especifica una elevación para la superficie de la losa. Si no se especificara la elevación, los únicos criterios para las tolerancias de horizontalidad de la superficie estarían dados por la sección 4.5.6.
La tolerancia de la alineación de nivel es un valor arbitrario y no ha
sido relacionado con la metodología real de construcción de losas y equipo
como lo han sido los criterios de horizontalidad de número F. Por la experiencia
del autor, se sabe que aun cuando se especifique una elevación de la superficie
de la losa, la tolerancia de la alineación de nivel rara vez se verifica
con una topografía de nivel hecha inmediatamente después de colar la losa.
La horizontalidad como una función de los métodos de acabado de una losa El ACI 117-90 establece el grado requerido de horizontalidad de la losa para diversos propósitos de ocupación usando el sistema de número F. El Comité 302 del ACI en la "Guía para la Construcción de Pisos y Losas de Concreto (ACI302.1R-96)" usa el sistema de número F para determinar el grado de horizontalidad que puede alcanzarse por medio de varias técnicas de acabado. Esto es excepcionalmente útil para la evaluación de la deflexión de los cimientos existentes allí donde se desconoce la horizontalidad inicial de la losa al ser construida (no existe levantamiento topográfico inicial de la superficie de la losa). Conociendo
las técnicas de acabado que probablemente se hubieran usado para la losa,
puede estimarse razonablemente la horizontalidad inicial de la losa (el
punto inicial). Esto es compatible con las recomendaciones del Comité
de Losas Sobre el Suelo del Instituto de Potensado, que establece en Diseño
y construcción de losas postensadas sobre el terreno, 2da. ed., p. 28:
La evaluación de las losas existentes para determinar la deflexión involucra
considerables juicios de ingeniería, ya que la deflexión debe separarse
de los efectos de construcción (en la construcción y fuera de la horizontalidad,
por ejemplo). Idealmente, esto puede hacerse usando un levantamiento topográfico
de nivel inicial hecho inmediatamente después del colado de la losa. El ACI 302.1R-96 establece en la tabla 8.15.3.a que es posible hacer que una losa sobre rasante, cuyas formas perimetrales se establecen con equipo topográfico óptico o de láser, acabada con una técnica de enrasado simple con enrase húmedo, logre números FL locales mínimos entre 10 y 15. Para lograr consistentemente números FL locales más grandes que 17, debe usarse una enrasadora vibratoria para el enrasado inicial. Para lograr consistentemente números FL locales mayores de 20, se necesita por lo menos un enrase húmedo vibratorio y varios enrasados. Así pues, en la construcción de losas típicas sobre terreno residenciales, acabadas con un enrase único, es probable que la diferencia máxima inicial de elevación, al momento de ser construidas, entre cualesquiera dos puntos en la superficie de la losa con una separación de 3 m, se encuentre entre 2 y 3.2 cm (FL variando de 15 a 10). Recientemente, el autor tuvo la oportunidad, como consultor forense en un caso de litigación de defectos de construcción en California, de participar en el diseño, construcción y evaluación de cuatro losas sobre terreno a escala total, usando técnicas de construcción y detalles de diseño típicos de California. Las dimensiones de la losa eran de 3.65 por 14.6 m, su espesor de 10 cm, y se construyó una viga sobre rasante volteada hacia abajo en el perímetro y en lugares seleccionados en el interior de la losa. El acabado del concreto fue por medio de enrase húmedo (con una tabla de 2 por 4) y llana de mango largo, que es el método de acabado usado por décadas en la gran mayoría de las losas sobre terrenos residenciales de California. Uno
de los propósitos de estas "losas de prueba" era determinar la horizontalidad
de la superficie al ser construida. Esto se llevó a cabo haciendo un levantamiento
topográfico de nivel de la superficie de la losa un día después de colado
el concreto. Considerando el hecho de que las cuadrillas de colado y acabado
eran altamente experimentadas, que el colado y el acabado de concreto
fueron continuamente escudriñados por un grupo grande de observadores,
y que la dimensión más corta de las losas rectangulares era de únicamente
3.60 m, se tiene la impresión de que la horizontalidad de estas losas,
al terminar de construirse, debería exceder la que se encuentra en el
trabajo normal de "producción" de losas. Criterios de deflexión del reglamento de construcción Primero, debe hacerse notar que los límites de deflexión especificados en los Reglamentos de Construcción Uniformes (RCU; en inglés: Uniform Building Codes, UBC) y los Reglamentos del Instituto Americano del Concreto (ACI) son para elementos estructurales elevados que se extienden entre apoyos aislados localizados y dimensionados con precisión. Estas limitaciones de deflexión no se aplican a losas sobre terreno o cimientos que están continuamente soportados por el suelo y no tienen "claros" bien definidos. Estos criterios no se aplican a losas sobre terreno. De hecho, no existen disposiciones, ni en el RCU ni en el Reglamento del ACI, que traten las mediciones reales de deflexiones aparentes en cualquier estructura existente elevada o soportada por el terreno. Las limitaciones del Reglamento sobre la deflexión son para deflexiones calculadas, no mediciones hechas sobre estructuras existentes. El UBC actual (1997) presenta limitaciones de deflexión para elementos de concreto estructural en la tabla 19-C-2, p. 2-181. La tabla lleva por título "Deflexiones calculadas permisibles máximas" (el énfasis de las mayúsculas es del autor). Todas las referencias del RCU 1997 a las limitaciones de deflexión en la Tabla 19-C-2 indican claramente que ellas son para deflexiones calculadas, únicamente. Por ejemplo, (el énfasis en las palabras en negritas es del autor): Para construcción no presforzada en una dirección: 1909.5.2.6 Las deflexiones calculadas de acuerdo con esta sección no deben exceder los límites estipulados en la tabla 19-C-2. Para construcción no presforzada en dos direcciones: 1909.5.3.4…si por medio del cálculo se demuestra que la deflexión no excederá los límites estipulados en la tabla 19-C-2. Para construcción de concreto presforzado: 1909.5.4.3
Las deflexiones computadas de acuerdo con esta sección no deben exceder
los límites estipulados en la tabla 19-C-2. El título de esta tabla es "Deflexiones calculadas permisibles máximas" (el énfasis de las palabras en negritas es del autor). Se hace referencia a esta tabla en las secciones que tratan tanto de la construcción no presforzada como de la presforzada: Para construcción no presforzada: 9.5.2.6 La deflexión calculada de acuerdo con 9.5.2.2 a 9.5.2.5 no deberá exceder los límites estipulados en la tabla 9.5 (b). Para construcción presforzada: 9.5.4.3 La deflexión calculada de acuerdo con 9.5.4.1 y 9.5.4.2 no deberá exceder los límites estipulados en la tabla 9.5(b). Las referencias específicas a los límites de deflexión calculados aparecen en las versiones previas del RCU desde 1967, y en los Reglamentos del ACI desde 1963, aclarando que los límites de deflexión del Reglamento se aplican a deflexiones calculadas, más que a deflexiones aparentes medidas. El Comité 423 del ACI es preciso sobre el punto en "Recomendaciones para Elementos de Concreto Presforzado con Tendones No Adheridos" ACI 423.3R-96, sección 3.8. Aunque este documento trata generalmente de la construcción con concreto presforzado, esta sección es claramente aplicable tanto a elementos presforzados como a los no presforzados : Es importante que los límites de deflexión de la sección 9.5.4 [que cita la tabla 9.5(b)] se refieran a las deflexiones computadas únicamente, y no a las mediciones hechas en la estructura real. Los levantamientos topográficos de campo de deflexiones aparentes pueden ser influidas por muchos factores de construcción que están más allá del control del diseñador y son imposibles de aislar de las deflexiones verdaderas causadas por cargas aplicadas.
A falta de un levantamiento de nivel de la superficie de la losa hecho
inmediatamente después de la construcción, el diagnóstico del movimiento
excesivo del suelo expansivo en los cimientos de concreto residenciales
requiere la estimación de la horizontalidad inicial de la construcción,
cuando se realizó, el examen de ingeniería de la superestructura para
determinar si existen condiciones de peligro excesivo que puedan estar
relacionadas con el movimiento diferencial del suelo, y una evaluación
del perfil de la superficie de la losa, para ver si es compatible con
los modos conocidos del hinchamiento del suelo expansivo. |
Con este artículo se pretende aportar criterios normalizados para la evaluación de losas de cimentación que presentan diferencias de elevación. Frente a quienes acostumbran atribuirlas exclusivamente, y sin mucho sustento, a cambios de volumen propios de los suelos expansivos, se busca indagar en los efectos de la construcción mediante la estimación de la horizontalidad al momento de realizarse la obra.
|
|||
|
Instituto Mexicano
del Cemento y del Concreto, A.C. |
||||
|
|
||||
