ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO

“ANALISIS DEL DISEÑO GEOTECNICO PARA EDIFICIOS ALTOS DE CONCRETO”
Dr. ARNALDO CARRILLO GIL
Profesor Principal, Universidad Ricardo Palma
Profesor Emérito, Universidad Nacional de Ingeniería
Presidente de AC Ingenieros Consultores SAC
Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú
1
En las últimas décadas en el mundo, se ha visto
un significativo incremento en la construcción de
edificios altos superando en todos los casos las
edificaciones utilizando concreto armado (Fig.
1). En Lima Metropolitana y también en algunas
capitales de Departamento en nuestro país se ha
presentado este crecimiento, encontrándose
nuevos desafíos particularmente en relación con
el diseño geotécnico y estructural. Muchos de
los métodos tradicionales de diseño no pueden
ser aplicados con mucha confianza más allá de
los dominios de las experiencias anteriores.
Ahora debemos utilizar métodos del estado del
arte y ensayos de campo que permiten
establecer con mayor seguridad las condiciones
reales del suelo subyacente y su
comportamiento a esfuerzo y deformación.
Algunos retos en los edificios altos son:
• Grandes Cargas verticales – incremento
no lineal con altura (Fig. 2)
• Asentamientos diferenciales críticos
• Fuerzas laterales y momentos de flexión
importantes
• Naturaleza cíclica de la carga
• Fuerzas sísmicas sobre las
cimentaciones, fuerza inercial y fuerza
cinemática
• Problemas de interacción suelo-
estructura y presencia del nivel freático
Figura 1 Material utilizado en edificios altos (Datos obtenidos
de CTBUH)
Para afrontar estos retos se deberán tener en
consideración lo siguiente:
 Estudio de suelos de alta calidad
 Modelo geotécnico completo
 Estratigrafía y ensayos de campo y
laboratorio
 Parámetros geotécnicos reales y
confiables
 Proceso de diseño utilizando las
herramientas apropiadas
 Pruebas de carga
 Medidas del rendimiento

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Figura 2 Incremento no lineal en edificios: Peso con altura
Para resolver estos retos actualmente utilizamos
una serie de equipos y facilidades que permiten
ejecutar Estudios de Suelos con calidad y
tecnología reciente, tal como la exploración de
suelos con radar y tomógrafo, piezocono
sísmico, y PDA para verificar condiciones de
instalación de pilotes y pruebas de carga
dinámica (Figs. 3 y 4)
Figura 3. Como afrontar los retos en la construcción de
edificios altos
Figura 4. Mediciones de carga y movimiento en cimentaciones
profundas
Consecuentemente, en todos los casos se debe
hacer una evaluación preliminar de los
requerimientos de cimentación. El diseño
detallado se ejecuta en conjunto con quien
realiza el diseño estructural. Posteriormente se
ejecutara el monitoreo del desempeño del
edificio durante y después de su construcción. Las
combinaciones de carga requeridas para diseñar
la estructura y el sistema de cimentación
deberían ser regidas por un apropiado código de
carga estructural.
La investigación de sitio y su caracterización,
requiere un profundo conocimiento de la
Geología con énfasis en ingeniería. Se debe
determinar la estratigrafía real del sitio y
cuantificar los parámetros geotécnicos
adecuados, utilizando métodos que permitan
obtener datos geotécnicos que obliguen a
ejecutar proyectos con la mayor seguridad y
estabilidad:
 Ensayos In-situ
 Ensayos de laboratorio
 Pruebas de carga
 Posición del NF y calidad del agua

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En el proceso para el diseño de la cimentación,
se determina el tipo de ésta (ya sea usualmente
de zapatas, vigas, plateas, o pilotes) basado en:
 Cargas de cimentación
 Criterio de diseño
 Problemas de construcción
Se debe tomar en cuenta las siguientes
cuestiones clave en diseño de cimentaciones
superficiales:
1. Capacidad ultima de carga
2. Efectos de carga cíclica (aire, sísmo)
3. Asentamientos
4. Asentamientos diferenciales e inclinación
5. Efectos externos de movimiento de
tierras
6. Comportamiento dinámico (aire, sismo)
7. Reacción a terremotos y licuefacción
8. Resistencia estructural de los elementos
de cimentación
9. Durabilidad.
En el enfoque de análisis para cimentación
profunda, la estabilidad general debe
considerar:
 Aplicar combinación de cargas
 Aplicar factores de reducción geotécnica
para resistencia axial y lateral de pilotes
 Evaluar si el sistema de cimentación
degradado puede resistir las
combinaciones de carga sin colapso
 Si es así, satisfacer la solución de
condición general
Es conveniente también tomar en cuenta los
parámetros importantes a evaluar adicionalmente
en las cimentaciones profundas que son:
 Capacidad Ultima de fricción
 Soporte Último extremo
 Rigidez del suelo/módulo de carga vertical
-Largo plazo (carga muerta más carga viva)
-Corto plazo ( viento, carga sísmica)
 Presión lateral última
 Rigidez del suelo/ módulo de carga vertical
 Rigidez dinámica del suelo y
amortiguamiento
Para evaluar las características importantes en los
edificios altos debe tomarse en cuenta:
a) El peso del edificio y en consecuencia la
carga vertical a ser soportada por la
cimentación que puede ser importante.
b) Que las cargas y momentos laterales
inducidos por el viento y sismo son cíclicos
por su naturaleza.
c) Que los períodos altos dependerán de las
características de la estructura.
Criterios generales de diseño

Se requieren factores bajos de resistencia (geotécnica y estructural) que superen factores altos de
combinaciones de carga.
Las condiciones límite de servicio deben cumplir con:
Los valores permitidos dependerán de la estructura y deben ser concordados con el ingeniero
estructural.(Tabla 1)
En cargas dinámicas, los siguientes principios de diseño pueden ser aplicados:
 La frecuencia natural del sistema de cimentación debe ser mayor a la de la estructura que
soporta.
 La amplitud de los movimientos dinámicos de la estructura de cimentación deben estar dentro
de los límites tolerables.
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Tabla 1. Criterios sugeridos de serviciabilidad para estructuras (Zhang y Ng, 2006)

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Por otro lado, es conveniente puntualizar que en
las relaciones entre los ingenieros geotécnicos y
estructurales hay profundas diferencias en la
filosofía entre cada uno de ellos. Estas deben ser
entendidas para que las dos profesiones puedan
cooperar con éxito. Las dificultades se derivan
principalmente en que el ingeniero geotécnico
trabaja con materiales generados por la
naturaleza, que además son complejos en su
comportamiento mecánico y difícil de explorar
“in situ” con precisión. El análisis geotécnico es
muy similar al diagnóstico de un médico. Por el
contrario, el ingeniero estructural especifica las
propiedades de los materiales con los que
trabaja, controla su fabricación y define su
geometría.
Se ha llegado a la conclusión de que, la razón
fundamental del problema son las diferencias en
el enfoque de modelamiento hacia una situación
real. El modelamiento es el proceso de idealizar
un proyecto a gran escala, incluyendo la
geometría, las propiedades del material y la
carga probable actuante. Por lo tanto el diseño
de un modelo es mucho más complejo que
simplemente llevar a cabo un análisis.
El modelaje geotécnico es un tema difícil porque
analiza un material complicado debido a los
siguientes factores:
 Partículas con poca o ninguna unión
entre ellas
 La rigidez y el esfuerzo no se fijan,
dependerá de la presión de
confinamiento
 El suelo se dilata o contrae durante la
deformación
 Las partículas pueden cambiar de
orientación durante la deformación
 La acción del “efecto arco”
 Las presiones intersticiales del agua que
actúan dentro de los poros son tan
 La acción del “efecto arco”
 Las presiones intersticiales del agua que
actúan dentro de los poros son tan
importantes como los esfuerzos límites
aplicados.
 Debe modelarse el material geotécnico
como un conjunto, pero no debemos
olvidar que se trata de partículas.
 El desarrollo de un modelo adecuado
para cada análisis. (puede variar desde lo
puramente conceptual a muy sofisticado,
pero debe capturar los mecanismos
esenciales de la conducta futura del
material geotécnico)
 El uso del precedente y de la experiencia
como información de calidad, tanto en el
desarrollo como en la interpretación del
modelo.
En el Triángulo Geotécnico de Burland se
explican gráficamente los conceptos expresados
anteriormente (Figura 5)
Figura 5 Triangulo geotécnico Burland (1987)

Finalmente, cabe mencionar que en esta
conferencia se revisarán algunos de los desafíos
que enfrentan los diseñadores de edificios que
en la Metrópoli están llegando a 35 pisos y 12
sótanos, tanto en Lima como en provincias
donde la presencia del nivel freático y el tipo de
suelo encontrado es determinante, sobre todo
por la construcción de los sótanos.
El proceso de diseño geotécnico de cimentación
para edificios altos será ilustrado vía nuestra
experiencia geotécnica reciente tomando como
apoyo sobre el “Conglomerado de Lima” y en los
suelos arenosos, areno-limosos y arcillosos que
encontramos fuera de la Metrópoli (Figura 6)
Figura 6 Vista panorámica de las edificaciones altas
en Lima
Las condiciones de resistencia del suelo granular
grueso del “Conglomerado de Lima” son óptimas
y sus deformaciones para cargas mayores a 20
kg/cm2 no llegan a superar los 3.0 mm en
compresión (Figura 7).Sin embargo, no deben
descuidarse los aspectos de diseño indicados
anteriormente y las condiciones sísmicas de la
costa frente al Callao.
Figura 7 Estado natural del “Conglomerado de Lima
Metropolitana”
Las investigaciones que hemos efectuado
desde hace más de 40 años establecen que
existe una cohesión que no se debe a ninguna
adhesión entre las partículas o algún
cementante que las una, sino más bien a un
entrampamiento mecánico entre las partículas
grandes y pequeñas que constituyen el suelo
granular grueso.
Complementariamente hemos acumulado
abundante información histórica obtenida de
ensayos de campo, que han sido practicados
tanto en condiciones húmedas como secas,
logrando más de 3,000 resultados de Ensayos
de Placa, de Rotura Progresiva en Prismas y de
Corte Directo que muestran un
comportamiento del suelo excelente para
cimentación.
Actualmente para Edificios Altos de más de 30
pisos y 10 sótanos estamos considerando una
capacidad portante hasta de 8.00 kg/cm2 para
deformaciones no mayores de 4.0 mm, lo que
implica excavaciones hasta de 30 m y en
muchos casos adyacentes a edificios de
mediana altura.
Para el caso de provincias, las cimentaciones
apoyadas en los suelos blandos o sueltos, con
nivel freático cercano a la superficie y efectos
de sismo severos, las condiciones de apoyo
exigen soluciones especiales para Edificios
Altos que incluyen cimentaciones por medio
de vigas, plateas y pilotes así como
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de sismo severos, las condiciones de apoyo exigen soluciones especiales para Edificios Altos que
incluyen cimentaciones por medio de vigas, plateas y pilotes así como consideraciones sobre
potencial de licuación por efecto de sismo severo.
Las condiciones estratigráficas del suelo subyacente en ciudades como Trujillo y Arequipa, (Figuras 8
y 9) indican materiales geotécnicos dispuestos en estratos paralelos de suelos cohesivos y no
cohesivos en algunos casos intercalados con lentes de suelos granulares gruesos y presencia del nivel
freático a profundidades variables que obligan a la impermeabilización de sótanos o modificaciones
en los niveles de los pisos de los edificios como alternativa necesaria para alojar los sótanos
obligatorios en la construcción de la edificación (Figuras 10 y 11)
Figura 8 Condiciones estratigráficas típicas en Trujillo
Figura 9. Condiciones estratigráficas de Arequipa
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Figura 10. Modificación de niveles por presencia del NF
Figura 11. Sistema de impermeabilización y subpresión por NF alto
Entre los casos de edificios altos importantes en el extranjero mencionaremos el proyecto Burj
Dubai, que comprende la construcción de una torre de gran altura de 160 pisos, con el desarrollo de
un estrado alrededor de la base inferior de la torre, incluyendo un garaje de 4-6 niveles (Fig. 12).
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Fig. 12 Edificio Burj Dubai (Khalifa) tower, de más de 800 m de altura
El edificio Burj Dubai, es en la actualidad el edificio más grande del mundo y la Torre Nakheel se
convertirá en el edificio más alto cuando se culmine su construcción. El sistema de cimentación para
cada torre, consiste en un entramado de pilotes anclados en depósitos profundos de suelos
carbonatados y rocas.
Las principales características de esta edificación son:
 Se trata de uno de los edificios más altos del mundo
 Tiene cimentación por medio de pilotes anclados en Suelos/rocas así como precauciones de
carga cíclica sobre la cimentación profunda.
 Presenta asentamientos diferenciales debidos al cambio de gran altura a baja altura de
acuerdo al diseño del edificio.
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9

Figura 13. Fotografía del sitio antes de la construcción – Septiembre 2003
Condiciones de cimentación para la Torre (Figuras 14, 15 y 16) pilotes de 1.50m de diámetro y 47.50
m de longitud Condiciones de cimentación superficial 750 pilotes de 0.90 m de diámetro y 30m de
longitud Platea de cimentación de 3.70 m de espesor (en la torre)
Figura 14, Disposición de pilotes en la cimentación
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Figura 15. Contorno de asentamiento previsto en la Torre
Figura 16. Cimentación terminada dela Torre Burj Dubai
La altura final del Burj Dubai representa un secreto muy bien guardado, pero ha alcanzado una altura
sobre los 800m en febrero del 2009. La torre de concreto armado de 280,000 m2
, será usada para
múltiples propósitos, incluyendo ventas, hotel, residencias y espacios de oficinas. El edificio tiene
forma de “Y”, para reducir las fuerzas del viento en la torre y conservar una estructura relativamente
simple para ayudar al proceso de construcción.
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En conclusión, tomando en cuenta los límites de las teorías, las incertidumbres inherentes al
probable comportamiento del suelo y la roca, el sano juicio profesional continuará siendo la mejor
llave para lograr el éxito en el diseño geotécnico de las cimentaciones, por lo tanto, el criterio y la
experiencia siempre serán la mejor herramienta para solucionar las graves incógnitas que se nos
presentarán en el futuro.
Ningún modelo de suelo existe para capturar todos los efectos dentro de nuestros métodos
analíticos. Debido a este estado complejo, los geotécnicos experimentados saben observar el real
funcionamiento del suelo durante la construcción y están preparados para efectuar las
modificaciones requeridas, evaluándolas para aprender que hacer la próxima vez.
Con la ventaja de la experiencia y las mediciones de desempeño, nuestras capacidades predictivas
han mejorado, por lo tanto la cooperación entre los diseñadores geotécnicos y estructurales es
esencial, dado a que las nuevas soluciones no solo se ceñirán a las leyes físicas, químicas o biológicas
que involucran el comportamiento de los geomateriales.
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