En la construcción de edificios, uno de los pasos más importantes es la cimentación. Hay varios tipos de cimentaciones, entre ellas están las zapatas aisladas. ¿Qué son? ¿Cómo se diseñan? ¿Qué tipos hay?
Las Zapatas Aisladas son un tipo de cimentación superficial que sirve de base para elementos estructurales puntuales como son los pilares. Como ya se ha mencionado, una zapata es un tipo de cimentación superficial. Las cimentaciones superficiales se encargan de repartir la fuerza de una estructura sobre una superficie a través de sus elementos de apoyo.
Qué son y para qué se usan
La zapata aislada es uno de los tipos de cimentación superficial más comunes que se utilizan para la construcción de múltiples obras, tanto por su facilidad y capacidad de transmitir las cargas puntuales de la estructura hacia el terreno de forma directa. Las zapatas aisladas se utilizan como cimientos poco profundos para soportar cargas concentradas en estructuras de pequeña y mediana altura. Ubicadas debajo de las columnas estructurales de forma individual y espaciada (no se conectan directamente con otras zapatas como las corridas o combinadas), desempeñan la función de redistribuir el peso de la estructura desde los cimientos hacia el suelo subyacente. Su uso es recomendado en terrenos firmes con alta resistencia.
La zapata aislada es un tipo de cimentación somera, es decir, su profundidad de desplante es menor de unas tres veces su ancho. En el caso de la Ciudad de México, este tipo de cimentación se utiliza en suelo de Tipo I (lomerío), para edificios de baja hasta mediana altura (6 niveles como máximo) y con poca rigidez estructural.
Materiales y elementos constructivos
Una zapata aislada está hecha de concreto estructural, una mezcla de cemento, arena, grava y agua que va reforzada con varillas de acero de refuerzo de grado 42 o 56, lo que permite resistir tanto esfuerzos de compresión como de tracción. Durante su construcción, se utilizan encofrados temporales de madera, triplay o metálicos para darle forma en el vaciado, también puede incluir una capa de concreto pobre en el fondo para nivelar y aislar del terreno. En ocasiones se colocan membranas impermeables para evitar la pérdida de agua o la humedad del suelo, además de proteger la estructura de la corrosión y el desgaste a lo largo del tiempo.
Elementos Constructivos:
- Base de la zapata: Apoyo inferior de la cimentación que entra en contacto con el suelo, distribuye las cargas verticales de una columna hacia el terreno, aumentando el área de contacto entre la estructura y el suelo, procurando evitar asentamientos diferenciales o fallas en el suelo por la presión.
- Pedestal o dado: Es la parte que sobresale de la zapata y sobre la cual se apoya la columna; puede tener diversas formas, comúnmente cuadrada o rectangular, su composición es de concreto reforzado.
- Armado: Funciona como el "esqueleto" de la estructura. Se compone por varillas de acero de refuerzo colocadas principalmente en la parte inferior para resistir esfuerzos de tracción, evitando fallas o fisuras.
- Concreto estructural: Es el volumen principal de la zapata, consta de una mezcla de cemento, arena, grava y agua que le da cuerpo y recubre toda la estructura, para darle resistencia y estabilidad.
- Contratrabes: Vigas de concreto armado que conectan las zapatas aisladas entre sí, formando un sistema más rígido y estable. Impiden movimientos diferenciales entre zapatas y resisten esfuerzos laterales.
Diseño y cálculo
La altura de estas zapatas es menor que el largo en las dos direcciones de la zapata. Están sometidas tanto a esfuerzos de tracción como de compresión. La altura de estas zapatas es menor o igual que el largo máximo medido en ambas direcciones. Al ser rígidas, no cumple la teoría de la flexión mencionada anteriormente, por lo que para su cálculo se plantea un modelo de bielas y tirantes. El arriostramiento consiste en rigidizar y estabilizar una estructura a través de elementos que impidan que esta se desplace o se deforme. Esas vigas que unen varias zapatas se suelen denominar vigas riostras, de atado o de arriostramiento, y normalmente están hechas de hormigón armado u otro elemento que resista tracciones. El objetivo del arriostramiento es absorber acciones horizontales que puedan recibir los cimientos, ya sea por la estructura o por el terreno.
Antes del cálculo de acero y la resistencia del hormigón, se debe establecer la dimensión de la base de la zapata en función de las cargas que llegan de la estructura al terreno. Normalmente la altura suele estar entre ¼ y ⅓ de la dimensión más grande de la zapata si esta va a tener una sección piramidal truncada. Es recomendable construir en el cuello de la columna una meseta de 10 cm a cada lado para apoyar el encofrado de la columna en una superficie plana. Dentro del diseño de la zapata es importante calcular la solicitación de flexión entre la columna y el suelo hacia la zapata. Para conocer ese momento flector se debe realizar un corte imaginario en la cara de la columna; allí hay que equilibrar los dos lados. El acero a colocar debe ir en la cara inferior de la zapata debido a que las solicitaciones traccionan esa cara. Si la zapata tiene base cuadrada, la sección de aceros en la dirección perpendicular sería la misma. Para la verificación a cortante debe realizarse otro corte imaginario a una distancia "d" de la cara de la columna.
Configuraciones y variaciones
Las zapatas aisladas pueden ser de material reforzado o no reforzado. Generalmente, este tipo de zapatas tienen una base cuadrada lo que hace que sea de fácil construcción y aporta sencillez a la estructura, aunque también se pueden encontrar en otras formas geométricas. Las zapatas aisladas van arriostradas con riostras de hormigón armado de sección inferior a la zapata. El arriostramiento puede ejecutarse de hormigón en masa, es decir, sin armar, si las zapatas tienen una altura considerable. La Norma Tecnológica NTE-CSZ es la normativa referida a las zapatas aisladas de hormigón en masa o armado como cimiento de soportes verticales. La altura de estas zapatas es menor que el largo en las dos direcciones de la zapata. Este tipo de zapatas sigue la teoría general de la flexión, cumpliendo así las hipótesis de Navier-Bernouilli y realizando el cálculo como una viga, es decir, como un elemento lineal. Están sometidas tanto a esfuerzos de tracción como de compresión.
Ventajas y desventajas
Ventajas:
- Eficiencia económica: Su construcción tiende a ser más económica en comparación con otros tipos de cimentaciones, especialmente para edificaciones pequeñas y medianas.
- Flexibilidad en el diseño: Se pueden adaptar de manera fácil a diferentes configuraciones de edificaciones y a distintos tipos de suelos, permitiendo una mayor flexibilidad en el diseño arquitectónico.
- Uso eficiente de materiales: Por lo general, requieren menos cantidad de concreto y acero que otros sistemas de cimentación más complejos.
- Anulación de vibraciones: Pueden ayudar a reducir la transmisión de vibraciones entre diferentes partes del edificio, por ejemplo, en terrenos heterogéneos.
Desventajas:
- Limitaciones de carga: No son adecuadas para soportar cargas muy elevadas, lo que las hace inadecuadas para edificios muy altos o estructuras con grandes cargas concentradas.
- Homogeneidad del terreno: Estos cimientos funcionan óptimamente en terrenos con características uniformes; en terrenos heterogéneos, podrían surgir problemas de asentamiento diferencial.
- Mayor riesgo en terrenos propensos a heladas: En áreas donde el suelo es susceptible a las heladas, las zapatas deben ser colocadas a mayor profundidad para evitar problemas de estabilidad.
Procesos constructivos y recomendaciones
Proceso Constructivo: Realizar un estudio del suelo, trazos, excavación, capa de limpieza, armado, cimbra, vaciado del concreto, curado y desmoldeo. Terminar la superficie y realizar relleno y compactación alrededor de las zapatas y contratrabes si se construye sobre ellas más adelante.
Es importante evitar que instalaciones del edificio corten zapatas ni riostras y mantener el plano de apoyo empotrado 10 cm. La profundidad del plano de apoyo se define con el informe geotécnico y debe considerar variables como nivel freático y heladas, con una profundidad mínima por debajo de la cota superficial de 50 u 80 cm en zonas afectadas.
