Cimentación de estructuras de acero: tipos, diseño, métodos de construcción y más

La cimentación de la estructura de acero es una parte vital de cualquier proyecto de construcción de estructuras de acero. Su función principal es garantizar la estabilidad, durabilidad y seguridad del edificio. Se puede decir que la cimentación es la “base” del edificio de estructura de acero, al igual que un árbol necesita una raíz fuerte.

Lo llevaremos a analizar en profundidad varios tipos principales de cimientos de estructuras de acero, analizaremos los factores clave que se deben considerar en el diseño y las precauciones durante el proceso de construcción. Espero que a través del análisis en profundidad de estos contenidos, pueda ayudar a todos a comprender mejor el papel central de los cimientos de estructuras de acero y cómo garantizar que logren los mejores resultados en la práctica.

Tipos de cimentaciones de estructuras de acero

Los tipos de cimientos de estructuras de acero se pueden seleccionar en función de la naturaleza del suelo, el tamaño de la carga del edificio y las necesidades específicas de la estructura. Los cimientos se dividen generalmente en tres categorías: cimientos superficiales, cimientos profundos y cimientos mixtos. Cada tipo de cimiento tiene sus escenarios aplicables. A continuación, presentaremos estos tipos de cimientos en detalle.

Cimentación superficial

Por lo general, se entiende por cimientos superficiales aquellos que son adecuados para lugares con capas de suelo más firmes. En edificios con cargas más ligeras, los cimientos superficiales suelen proporcionar un soporte suficiente.

Fundación independiente: La cimentación independiente es la forma más sencilla de cimentación y se utiliza habitualmente en estructuras soportadas por una sola columna. Tiene una superficie de apoyo relativamente pequeña y es adecuada para edificios con cargas más ligeras.

Fundación conjunta: La cimentación conjunta está compuesta por varias unidades de cimentación conectadas por una placa base o pedestal común y es adecuada para estructuras de edificios soportadas por varias columnas. El propósito del diseño de este tipo de cimentación es compartir la carga de varias columnas a través de una superficie de cimentación común y la distribución de la carga es relativamente uniforme.

Fundación de tiras: La cimentación corrida es, por lo general, una tira de cimentación larga dispuesta a lo largo de la pared o columna del edificio. Puede distribuir uniformemente la carga, es adecuada para suelos con una gran capacidad de carga y es relativamente sencilla de construir. Este tipo de cimentación es común en edificios de acero de poca altura, especialmente algunos edificios largos como almacenes, talleres, etc.

Fundación de balsa: Generalmente se utiliza en áreas con baja capacidad de carga del suelo, especialmente suelos blandos o cimientos débiles. La cimentación de losa distribuye la carga del edificio a través de una gran área de superficie de losa para evitar asentamientos locales. Esta cimentación se puede utilizar en edificios de acero de gran altura, plantas industriales y grandes instalaciones de almacenamiento.

Fundación profunda

La cimentación profunda significa que la cimentación está enterrada a mayor profundidad y se utiliza generalmente en zonas con capacidad de soporte insuficiente del suelo o con niveles elevados de agua subterránea. Al transferir la carga a capas más profundas de suelo o roca, se obtiene un soporte más fuerte.

Fundación sobre pilotes: La cimentación con pilotes es adecuada para suelos blandos o encharcados. Cuando la superficie del suelo no tiene la capacidad de carga adecuada, la cimentación con pilotes se extiende profundamente en el suelo para transferir la carga a capas de suelo o formaciones rocosas más competentes y profundas. La longitud y el diámetro del pilote se diseñan de acuerdo con los requisitos de carga y las condiciones del suelo. Se utiliza comúnmente en las cimentaciones de edificios pesados, como edificios de gran altura y puentes.

Cimentación sobre pilotes perforados: Los pilotes perforados se colocan perforando agujeros, lo que permite formar cimientos de pilotes con precisión en los lugares designados y, por lo general, tienen una gran capacidad de carga y estabilidad. Su ventaja es que la profundidad y el número de pilotes se pueden ajustar de acuerdo con la situación real en el sitio y es adecuado para condiciones geológicas complejas. Es adecuado para edificios que soportan cargas concentradas pesadas, como puentes, edificios de gran altura o soporte de equipos industriales de gran tamaño.

Fundación del muelle: La cimentación con pilares es generalmente adecuada para el diseño de cimentaciones de profundidad media. Sostiene edificios mediante pilares más grandes y puede proporcionar estabilidad hasta cierto punto. Es especialmente adecuada para puentes de tráfico, edificios especiales, etc. La cimentación con pilares es más sencilla de construir que las cimentaciones con pilotes y otras cimentaciones profundas, y es adecuada para áreas con una profundidad de suelo moderada.

Cimentación de cajón: La cimentación con cajón se utiliza principalmente para edificios en zonas submarinas o bajas, como instalaciones portuarias, puentes, etc. El cajón es una estructura de hormigón armado con una cavidad que soporta la carga de la estructura hundiéndose hasta el fondo del agua. El diseño de la cimentación con cajón puede hacer frente a condiciones geológicas complejas y submarinas, lo que es especialmente importante para las estructuras de acero que deben construirse en zonas con agua o suelo blando.

Fundación mixta

La cimentación mixta combina las ventajas de diferentes formas de cimentación y es adecuada para condiciones de suelo complejas o necesidades de ingeniería especiales. El diseño de cimentaciones mixtas puede proporcionar soluciones más adecuadas según la diferenciación del suelo y las diferentes cargas de los edificios.

Cimentación sobre losa de pilotes

• La cimentación sobre pilotes combina las ventajas de la cimentación sobre pilotes y la cimentación sobre losa, y generalmente se utiliza en áreas con condiciones de suelo complejas y poca capacidad de carga. 
• La cimentación con losa de pilotes puede distribuir uniformemente la carga del edificio en el suelo profundo mediante la colocación de pilotes debajo de la losa, lo que proporciona una gran estabilidad y capacidad antiasentamiento. Esta cimentación se utiliza ampliamente en estructuras como grandes edificios de estructura de acero, edificios urbanos de gran altura y puentes.

Fundación flotante

• La base flotante generalmente es adecuada para estructuras sobre o debajo del agua, como plataformas petrolíferas marinas, muelles flotantes, etc. Una base flotante sostiene el edificio a través del principio de flotabilidad, lo que le permite “flotar” en la superficie del agua. 
• Este diseño de cimentación es muy especial y puede hacer frente a las necesidades de construcción en entornos especiales, como océanos y lagos. Cuando el suelo superficial carece de suficiente capacidad de carga, la cimentación con pilotes se introduce profundamente en la tierra para redistribuir la carga a estratos de suelo más fuertes y profundos o capas de roca que se encuentran debajo.

Consideraciones clave para el diseño de cimientos de estructuras de acero

El diseño de los cimientos de una estructura de acero es una tarea compleja y multifacética que requiere una consideración cuidadosa de numerosos factores. A continuación, se presentan algunas de las consideraciones de diseño más importantes.

Análisis de suelo

La naturaleza del suelo afecta directamente el diseño de la cimentación. En primer lugar, se requieren estudios geológicos y pruebas de suelo. Los diferentes tipos de suelo afectarán la capacidad de carga y la estabilidad de la cimentación. Por ejemplo, el suelo blando puede requerir medidas de refuerzo especiales, mientras que el suelo duro puede proporcionar un soporte más fuerte.

• Tipo de suelo: determina la profundidad y la forma del diseño de la cimentación.
• Capacidad de carga: La resistencia del suelo es un factor determinante a la hora de seleccionar el tamaño y tipo de cimentación adecuado.
• Nivel del agua subterránea: Los niveles altos de agua pueden afectar la estabilidad de la base, y se deben prestar consideraciones especiales a las medidas de drenaje o refuerzo.

Cálculo de carga

La base debe soportar diversas cargas de la estructura del edificio, y el cálculo preciso de la carga es el núcleo del diseño.

• Peso muerto estructural: El peso del propio edificio.
• Carga viva: Cargas dinámicas durante el uso del edificio, como personal, mobiliario, etc.
• Carga de viento y carga sísmica: especialmente en áreas con vientos de alta velocidad o propensas a terremotos, no se puede ignorar el impacto de estas cargas sobre los cimientos.

Factores ambientales

• Diseño sísmico: Asegurar que la cimentación no se deteriore durante un terremoto. Inestabilidad.
• Cambios de temperatura y movimiento del suelo: Se debe considerar el impacto de las diferencias de temperatura en la estructura de la cimentación para evitar que ésta se desplace debido al asentamiento o expansión del suelo.

Consideraciones estructurales

El diseño de la cimentación también debe estar estrechamente coordinado con el diseño de la propia estructura de acero:

• Placa base de la columna: La placa base de la columna transfiere la carga de la estructura de acero a la base, y el diseño debe garantizar suficiente área de contacto para distribuir uniformemente la carga.
• Pernos de anclaje: Los pernos de anclaje se utilizan para fijar firmemente la estructura de acero a la base para evitar que la estructura de acero se mueva debido a fuerzas externas o con el tiempo.
• Detalles de conexión: El diseño de la conexión entre la cimentación y la estructura de acero debe garantizar una conexión firme para evitar el riesgo de asentamiento desigual o inestabilidad estructural.

Estos factores clave juntos determinan la seguridad, estabilidad y durabilidad de la cimentación de la estructura de acero. Nuestros diseñadores considerarán exhaustivamente varios factores influyentes sobre la base de garantizar la seguridad estructural y los requisitos funcionales para desarrollar el diseño de cimentación más adecuado para usted.

Proceso de construcción de cimientos de estructuras de acero

Cada paso que implica la construcción de los cimientos de una estructura de acero debe ejecutarse meticulosamente de acuerdo con las especificaciones de diseño para garantizar su estabilidad y durabilidad. Pero no te preocupes, nuestros expertos te ayudarán a completar cada paso a través del teléfono, video, etc.

Preparación del sitio

El primer paso en la construcción de los cimientos es preparar completamente el lugar de construcción. Esto incluye:

Limpieza: Retire los escombros, la vegetación y cualquier impedimento del sitio para garantizar que el área de construcción permanezca limpia y ordenada.

Excavación: De acuerdo con los planos de diseño, realice la excavación de tierra para lograr la profundidad y el área de cimentación requeridas.

Tratamiento del suelo: Si el suelo no es apto para soportar, puede ser necesario reforzarlo o mejorarlo, utilizando materiales como piedra y grava para aumentar la capacidad portante del suelo.

Instalación de encofrados y armaduras

El encofrado y las barras de refuerzo son componentes clave en la construcción de cimientos para garantizar la forma y la resistencia de los mismos:

Encofrado: Instalar encofrado de hormigón para garantizar que la forma de la cimentación cumpla con los requisitos de diseño.

Instalación de barras de refuerzo: disponga las barras de refuerzo con precisión según los planos de diseño para mejorar la capacidad de carga y la resistencia a las grietas del hormigón.

Vertido y curado del hormigón

El vertido y curado del hormigón determina la resistencia y durabilidad de la cimentación:

Vertido: El hormigón debe verterse de manera uniforme para garantizar que no queden huecos ni burbujas, evitando al mismo tiempo cualquier compactación desigual durante el proceso de vertido.

Curado: Después del proceso de vertido, el hormigón debe pasar por un período de curado específico para garantizar el pleno desarrollo de su resistencia y evitar grietas o daños.

Instalación de estructura de acero

Una vez finalizada la cimentación, la instalación de la estructura de acero se vuelve crucial:

Conexión de la estructura de acero: Asegúrese de que la estructura de acero y la base estén firmemente conectadas a través de sujetadores como pernos de anclaje para garantizar la estabilidad de la estructura de acero.

Inspección general: Verifique los detalles de conexión entre la estructura de acero y la base para asegurarse de que no haya holgura ni mala conexión.

Problemas comunes y soluciones

Durante el diseño y la construcción de cimientos de estructuras de acero, pueden surgir algunos problemas comunes que afecten la estabilidad a largo plazo de los cimientos. A continuación, se presentan algunos problemas comunes y sus correspondientes soluciones.

Asentamiento y asentamiento desigual

El asentamiento o asentamiento desigual de los cimientos puede provocar que la estructura se incline o falle, generalmente causado por una capacidad de carga desigual del suelo.

Solución:

1. Realizar un estudio geológico completo durante la fase de diseño para garantizar la uniformidad del suelo.
2. En el caso de suelos pobres, se pueden utilizar refuerzos de suelo (como cal, cenizas volantes, etc. para mejorar la resistencia del suelo) o cimentaciones profundas (como cimientos sobre pilotes) para evitar asentamientos desiguales.
3. Calcule con precisión la carga y la reacción del suelo para garantizar que el diseño de la cimentación pueda distribuir la carga de manera uniforme.

Corrosión

El acero es propenso a la corrosión en ambientes húmedos o químicos, y la corrosión a largo plazo puede afectar gravemente la resistencia y la estabilidad de la base.

Solución:

1. Aplique una capa protectora, como pintura epoxi o revestimiento de zinc, a la superficie del elemento de acero para crear una película de barrera que evite que la humedad y el oxígeno lleguen al acero.
2. Para entornos más severos, se puede utilizar un sistema de protección catódica para proteger la estructura de acero de la corrosión por medios electroquímicos.
3. Verifique periódicamente la corrosión de la estructura de acero y realice el mantenimiento y las reparaciones de manera oportuna.

Fortalecimiento de las bases existentes

Con el tiempo, los cimientos existentes pueden perder su capacidad portante, especialmente en edificios con cargas mayores o en edificios más antiguos.

Soluciones:

1. Añadir cimientos sobre pilotes: aumente la capacidad de carga de los cimientos añadiendo cimientos sobre pilotes para compartir más carga.
2. Medidas de refuerzo: La cimentación se puede reforzar añadiendo una capa de hormigón armado encima o alrededor de la cimentación, o utilizando un sistema de soporte externo (como refuerzo de columnas).

Mantenimiento e inspección de cimientos de estructuras de acero

Aunque la base de la estructura de acero proporciona un soporte sólido después de la construcción, aún es necesario realizar tareas de mantenimiento e inspecciones periódicas para garantizar la estabilidad y la seguridad a largo plazo. A continuación, se indican algunos puntos de mantenimiento habituales:

Inspección regular

• Inspección de grietas: debe prestar atención a si hay grietas en los cimientos. Las grietas pueden indicar hundimientos u otros problemas relacionados con la tensión. Si se descubren grietas, las medidas de reparación inmediatas pueden evitar que el problema se agrave.
• Inspección de corrosión: Las piezas de la estructura de acero son susceptibles a la corrosión por humedad o productos químicos, especialmente las que están en contacto con el suelo y el agua. Compruebe periódicamente la corrosión de los componentes de acero y tome medidas de protección.
• Inspección de asentamiento: supervisar si los cimientos se han asentado, especialmente si hay un asentamiento desigual, que puede afectar la estabilidad de todo el edificio.

Medidas de mantenimiento

• Reparar grietas: Si aparecen grietas, se deben reparar a tiempo y rellenar con materiales de reparación adecuados para evitar que la humedad y el aire entren y provoquen daños mayores.
• Protección impermeable: Impermeabilizar los cimientos, especialmente en zonas con altos niveles de agua. Prevenir la infiltración de humedad en los cimientos para mitigar los riesgos de corrosión y erosión del suelo.
• Protección del suelo: Si hay signos de erosión en el suelo alrededor de los cimientos, la situación se puede mejorar reforzando el suelo o añadiendo medidas de drenaje.

Seguimiento a largo plazo

Para comprender mejor el estado de salud de los cimientos, la tecnología moderna también nos brinda mucha comodidad. Mediante sensores y sistemas de monitoreo, podemos rastrear cambios en los cimientos en tiempo real, incluidos los asentamientos, la tensión y la temperatura. Esto no solo nos ayuda a detectar posibles problemas a tiempo, sino que también brinda datos de respaldo para el mantenimiento futuro.

Resumen

La cimentación de la estructura de acero es la “base” para la seguridad y estabilidad de todo el edificio. Ya sea en el diseño, la construcción o el mantenimiento posterior, debemos prestarle suficiente atención y atención. A través del diseño científico de la cimentación, un proceso de construcción preciso y una inspección y mantenimiento regulares, podemos garantizar que el edificio sea estable y confiable a largo plazo y resista diversas presiones externas.

Si tiene alguna pregunta sobre los cimientos de la estructura de acero o necesita asesoramiento profesional y asistencia en el diseño, no dude en ponerse en contacto con nosotros. Le brindaremos soluciones a medida para que su proyecto se desarrolle sin problemas, garantizando que los cimientos de cada estructura de acero sean sólidos y estables, lo que respaldará un futuro mejor.