Cimentación de viga invertida

La cimentación de viga invertida representa una solución estructural eficaz y versátil, especialmente apreciada y extendida en contextos donde es necesario garantizar una distribución uniforme de cargas en suelos con características geotécnicas variables. Este artículo explorará en detalle los aspectos técnicos del diseño y la realización de una cimentación de viga invertida, proporcionando información útil para los técnicos del sector de la construcción.

¿Qué es la cimentación de viga invertida?

La cimentación de viga invertida es un tipo de cimentación directa continua (a menudo también llamada viga invertida, por la forma de su sección), utilizada cuando la estructura portante es un esqueleto independiente, como en estructuras de hormigón armado o de acero.

Por lo general, las vigas invertidas tienen un desarrollo lineal y se utilizan normalmente, en el ámbito de la construcción, cuando se necesita una mayor superficie de contacto en comparación con los pilotes de cimentación.

La denominación de viga invertida proviene de su comportamiento estático: de hecho, se comporta como una viga invertida cargada por la reacción del suelo que actúa de abajo hacia arriba. Solicitada por las cargas transmitidas por los pilares, los momentos flectores tendrán signos opuestos a los de las vigas de los forjados. Por lo tanto, su comportamiento estático es inverso al de las vigas en elevación.

Vulnerabilidad sísmica, software de cálculo estructural

¿Cómo funcionan?

Para lograr una distribución más uniforme de las cargas en el suelo de la cimentación y garantizar una mayor rigidez de la estructura de cimentación, las vigas invertidas se conectan a los pilares en dos direcciones ortogonales, formando mallas cerradas que reproducen la planta del esqueleto del edificio.

Suponiendo que la reacción del suelo se distribuye uniformemente en las zapatas, las vigas se calculan como vigas continuas. Las armaduras metálicas se disponen para absorber las solicitaciones de tracción y corte que se desarrollan debido a la flexión elástica de las vigas, y que el hormigón por sí solo no podría soportar.

Cuando, por el contrario, hay varios pilares alineados, cargados y espaciados de forma diferente, y se desea igualar la carga unitaria transmitida desde los cimientos al suelo, es aconsejable diseñar una balsa de cimentación (losa de cimentación) de anchura variable (lee también el artículo Fundaciones a platea: del cálculo a la realización). Esto permite que los resultados de las reacciones del terreno sobre las superficies de apoyo tengan la misma línea de acción que los resultados de las cargas que actúan sobre ellas.

¿Cuándo se utiliza la cimentación de viga invertida?

La cimentación de viga invertida se utiliza en una variedad de situaciones específicas en las que las características del suelo y los requisitos estructurales hacen que esta solución sea particularmente ventajosa. A continuación, se enumeran los principales contextos en los que se recurre a este tipo de cimentación:

• terrenos con capacidad portante baja o variable. Cuando el suelo tiene una baja capacidad portante o presenta variaciones significativas en sus propiedades mecánicas, la cimentación de viga invertida es preferida porque permite distribuir las cargas de manera más uniforme, reduciendo el riesgo de asentamientos diferenciales;
• estructuras de marco de hormigón armado o de acero;
• suelos sujetos a movimientos diferenciales. En suelos sujetos a movimientos diferenciales, como los arcillosos que pueden expandirse o contraerse según el contenido de agua, las vigas invertidas ofrecen una mayor estabilidad y resistencia a las elevaciones del suelo;
• zonas con alta sismicidad. En zonas sísmicas, las cimentaciones de viga invertida son ventajosas porque mejoran la capacidad de la estructura para resistir las fuerzas horizontales generadas por los terremotos. Su configuración ayuda a reducir el riesgo de vuelco y mejora la disipación de las energías sísmicas;
• estructuras con cargas concentradas elevadas. Para edificios con cargas concentradas elevadas, como pilares de edificios de varios pisos o estructuras industriales pesadas, las vigas invertidas ayudan a distribuir estas cargas en un área más grande, evitando presiones excesivas en el suelo;
• construcciones en suelos heterogéneos. Cuando se construye en suelos con capas geotécnicas heterogéneas, las cimentaciones de viga invertida ayudan a uniformar la respuesta del suelo a las cargas estructurales, reduciendo el riesgo de deformaciones irregulares.

Criterios de diseño de las vigas invertidas

Para evaluar los criterios de diseño de las vigas invertidas de hormigón armado, es importante considerar los siguientes aspectos:

• material de construcción;
• sección transversal de la viga;
• número y tipo de apoyos;
• tipo de suelo;
• tipo de solicitaciones a las que está sometida.

¿Cuáles son los tipos de cimentaciones?

Las cimentaciones pueden tener características diferentes según las decisiones de diseño y las características del suelo.

Veamos específicamente todos los tipos de cimentaciones según el suelo de la zona de intervención:

suelos con buena resistencia

• cimentaciones superficiales (directas)
  • continuo
  • balsa
  • una meseta
  • vigas invertidas
  • discontinuo
  • zócalos aislados
• cimentaciones profundas (indirectas)
  • en pilones
  • sobre pilotes portantes
    • perforado
    • vertido
    • batido

suelos de baja resistencia

• cimentaciones superficiales (directas)
  • puestos
  • balsa
• cimentaciones profundas (indirectas)
  • en postes suspendidos
• cimentaciones hidráulicas.

Tipos de cimentaciones

Cimentación de viga invertida vs cimentación de losa

Cimentación de losa

La cimentación de losa es un cuerpo monolítico de hormigón armado, con un espesor variable, generalmente entre 30 y 40 cm, que tiene la función de transmitir todo el peso del edificio y las cargas que actúan sobre él al suelo subyacente.

Es una solución constructiva rápida, fácil de realizar y muy efectiva, que garantiza una distribución homogénea de las cargas incluso en presencia de suelos con baja capacidad resistente. De hecho, es la mejor solución para evitar la aparición de asentamientos diferenciales y para constituir una balsa flotante sobre el suelo subyacente.

Estructura de hormigón armado creada con EdiLus

En comparación con otras soluciones (zapatas, vigas invertidas), requiere el uso de una mayor cantidad de material (acero y hormigón). A pesar de esto, el coste de la losa de cimentación suele ser igual, o incluso en algunos casos inferior, a otras soluciones, debido a su sencillez de instalación y al menor tiempo necesario para su preparación (excavaciones, encofrados, etc.).

Cimentación de viga invertida

Por otro lado, las vigas invertidas están formadas por una retícula de vigas de sección rectangular o en T invertida, con una base variable de 40 a 80 cm y una altura de 40 a 50 cm, dispuestas de forma ortogonal entre sí y a lo largo de las líneas de los muros en elevación.

En general, el espesor depende de las solicitaciones de corte o punzonamiento. La anchura, por otro lado, depende de la capacidad portante del suelo y de las cargas provenientes de la superestructura.

La viga de cimentación se construye sobre una capa de limpieza que la protegerá de las agresiones químicas del suelo; se trata de una capa de hormigón, generalmente sin armadura metálica, con bajo contenido de cemento, colocada a la cota de excavación.

Los espacios libres entre las vigas se rellenan con un relleno, generalmente realizado con grava, bloques de poliestireno, etc., y se finaliza con un forjado que constituye la primera losa del edificio en elevación. En ambas soluciones, es posible añadir una cámara de ventilación entre la cimentación y la primera losa, especialmente en suelos húmedos y para reducir los efectos negativos del gas radón proveniente del suelo.

La cimentación con vigas invertidas era muy común hasta hace unos años. Actualmente, sin embargo, se tiende a preferir la opción de la losa de cimentación, por su sencillez de ejecución y el ahorro en mano de obra. Aunque sigue siendo un sistema constructivo válido, las vigas invertidas son menos utilizadas en comparación con la losa.

Cómo diseñar una cimentación con vigas invertidas

Para mejorar y simplificar todas las operaciones relacionadas con el diseño de cimentaciones (pero también aquellas relacionadas con la estructura en su conjunto) se puede utilizar un software de cálculo estructural.

El diseño de cimentaciones con vigas invertidas con el apoyo de un software que aprovecha la integración entre herramientas BIM y tecnologías para el cálculo estructural, ofrece numerosas ventajas en términos de precisión, eficiencia, optimización de materiales y cumplimiento de las normativas vigentes. Para proceder con el cálculo, primero es necesario modelar la estructura en 3D, integrando las vigas invertidas con los elementos verticales y horizontales de manera detallada. El software permite simular las condiciones de carga reales, incluidas cargas estáticas, dinámicas y sísmicas, proporcionando una visión detallada del comportamiento estructural bajo diferentes condiciones.

Uniones de acero

El modelado 3D facilita la visualización de la distribución de esfuerzos y deformaciones a través de las vigas y las cimentaciones. Esto ayuda a identificar posibles puntos críticos y optimizando la disposición del armado. Además, las potentes capacidades de análisis finito del software permiten realizar verificaciones de seguridad y cumplimiento normativo. Lo que asegura que el proyecto cumpla con todos los requisitos técnicos y de seguridad. Por otro lado, este enfoque integrado mejora la precisión y la confiabilidad del diseño, incluso en relación con el riesgo de conflicto con otros elementos involucrados en el diseño (elementos de instalaciones, arquitectónicos, etc.). Esto permite reducir errores y aumentar la eficiencia general del proceso de diseño.