patologia de l’edificació i processos del terreny

.
La primera sessió de geotècnia del postgrau de patologies que impartim al CAATB té com objectiu donar una aproximació als processos que es desenvolupen al terreny, i que es relacionen amb els danys que apareixen sobre els edificis. A modus de síntesi vaig preparar uns apunts que aborden alguns (no pas tots) d’aquests processos, la finalitat dels quals és servir com introducció al tema, per poder treballar en major profunditat a classe. La cosa va com segueix…

———–

Processos relacionats amb el comportament del terreny

Índex

1. Antecedents
2. Accions de l’edificació sobre el sòl:
3. Accions i reaccions del sòl vers l’edificació:
4. Sòls expansius
5. Sòls col·lapsables
6. Assentaments
7. Falla generalitzada del sòl

1. Antecedents (o sobre la necessitat d’abordar els problemes de la geotècnia amb una mentalitat adequada)

La relació entre l’edificació i el terreny que la sustenta és un aspecte tractat de forma marginal en bona part dels projectes de rehabilitació. Només en els estudis que aborden de forma específica l’aparició de patologies greus que afecten a la seguretat estructural o a l’habitabilitat d’un edifici consideren la necessària comprensió d’aquest maridadge entre edifici i terreny. Tanmateix, i fins i tot en aquest segon supòsit, són molts els casos en els que hom pot apreciar una aproximació poc adequada o rigorosa a la naturalesa del problema: abunden els exemples de presumptes patologies atribuïdes al sòl que en realitat han estat causades per deficiències d’execució, mala qualitat de materials, o errors de dimensionat d’elements estructurals aliens a la fonamentació.

Per raons humanament comprensibles, però tècnicament poc justificades, persisteix una tendència a culpar al terreny de tota mena de malalties que poden afectar a un edifici; les motivacions que fomenten aquesta actitud tenen molt a veure amb una visió ancestral i quasi obscurantista en vers al càlcul geotècnic, practicada sovint tant pels qui projecten o edifiquen una estructura com per aquells que es dediquen a predir com reaccionarà el subsòl davant de la mateixa.

Hom pot llegir encara en gran quantitat de literatura tècnica, i fins i tot en alguna normativa, expressions sobre vicis ocults del terreny, sobre presència d’estrats erràtics, o en vers l’aparició imprevisible de venes d’aigua. Cal preguntar-se l’origen d’aquesta terminologia, més pròpia d’un alquimista o d’un zahorí que no pas d’un tècnic del segle XXI.

Podem especular fàcilment amb hipòtesis que expliquin aquesta aproximació inadequada a la naturalesa del subsòl sobre el qual edifiquem. La primera és la generalitzada absència (fins a dates molt recents) d’interès en el nostre entorn geogràfic i cultural més immediat per abordar el projecte o la construcció d’un edifici comptant amb dades adequades del terreny, necessàries per dimensionar correctament un sistema de fonamentació, de contenció o d’impermeabilització sense sobrecostos innecessaris o riscos inassumibles. És vox populi entre la comunitat geotècnica del país una dita segons la qual el 80 % de les fonamentacions executades es troba àmpliament sobredimensionada: sempre ha semblat més raonable esmerçar més esforços en l’obra que en projecte, malgrat que cada pesseta ben invertida en projecte sigui compensada per l’estalvi d’un duro en execució.

Aquesta manca d’interès ha estat sovint ben corresposta en moltes ocasions pel treball tradicional dels tècnics que estudien el terreny: quantes vegades n hem tingut a les mans un estudi geotècnic que s’assembla més a un llibre de text de batxillerat que a un annex del projecte, amb profusió de referències sobre la importància de l’orogènia herciniana sobre el bassament paleozoic dels Catalànids. Quantes altres, desprès de llegir un informe de reconeixement, hem acabat per preguntar-nos com és possible que es presenti una recomanació d’una tensió de treball per a una fonamentació sense tenir en compte si el pilar que s’hi recolza sustentarà dues o vint plantes. I, com és possible que tants càlculs d’assentaments donin com a resultat un valor tan exacte com 2.54 cm?.

La tercera hipòtesi que pot explicar aquest peculiar tractament del que és objecte el terreny en els nostres projecte d’edificació es relaciona amb un aspecte, pot ser, més obscur de la condició humana: la tendència a defugir les nostres responsabilitats quan ens equivoquem. Assumir davant d’un promotor que un error propi és causa d’una patologia requereix d’una bona dosi d’humilitat, coratge i seguretat tècnica en un mateix que no sempre es troba (a banda d’una pòlissa de responsabilitat civil professional a l’alçada de les circumstàncies). Molt més fàcil és responsabilitzar del desastre a la imprevisibilitat, al mal caràcter o fins i tot als vicis d’algú que no té necessitat d’un advocat per a la seva defensa: el terreny, a qui no es pot dur davant d’un tribunal ni demanar responsabilitats civils o penals.

Malgrat tots aquests prejudicis que envolten l’estudi del subsòl en relació a l’edificació, existeixen formes objectives, rigoroses i homologables al tractament que fem d’altres elements que conformen el nostre projecte (estructures, instal·lacions, tancaments…) sobre les quals hem de recolzar la nostra aproximació a la geotècnia del mateix. Comú a totes elles és considerar que el terreny és un element caracteritzable sota paràmetres físics concrets, i que llur comportament pot ser avaluat aplicant models predictius o d’anàlisi que es fonamenten en els mateixos principis de la mecànica que governen qualsevol estructura.

2. Accions de l’edificació sobre el sòl

A les escales humanes d’observació vers espai i el temps són pocs els fenòmens que afecten al terreny i que ens permeten apreciar que la minsa capa de l’escorça de la terra sobre la que transcorre la nostra existència canvia i evoluciona. Generalment, relacionem aquests canvis sobtats amb allò que hom anomena catàstrofe natural: grans esllavissades de terres, terratrèmols, esfondraments de grans àrees, etc, a banda d’altres fenòmens lligats a la meteorologia i que en sí mateixos no s’originen en la natura pròpia del subsòl.

Tret d’aquestes anècdotes excepcionals, la nostra perspectiva sobre el subsòl acostuma a ser la d’una entitat si no estàtica, sí en un equilibri prou estable amb el mitjà que l’envolta.

La nostra activitat a l’hora d’ocupar el territori, modificar el paisatge, i edificar comporta una alteració d’aquest equilibri, donant lloc a un seguit d’accions (en el més estricte significat físic), d’entre les més significatives poden esmentar-se les següents:

– Modificacions en l’estat de càrregues (increment o decrement) considerant essencialment la component vertical. Exemples: càrrega d’una fonamentació sobre el sòl (increment); descàrrega del fons d’excavació en un buidat (decrement).

– Modificacions en l’estat de càrregues considerada la component horitzontal. Exemples: excavació d’un talús (decrement), execució d’un mur de contenció ancorat (increment).

– Variacions de la dinàmica hidrològica del subsòl. Exemple: Abatiment del nivell piezomètric per a l’execució d’una planta soterrani.

– Modificacions en l’estat d’humitat per sobre de la cota piezomètrica. Exemple: moviment del límit de la zona activa per limitació de l’evapotranspiració induïda per la construcció d’un habitatge.

No totes les accions descrites tenen una incidència directa sobre els projectes u obres de rehabilitació en estructures antigues o en la resolució de danys apareguts en una obra existent (en contades ocasions l’actuació sobre una estructura existent pot requerir d’un buidat, per exemple). Cal conèixer, però, els efectes que aquestes accions tenen sobre el terreny, atès que la resposta del mateix en front de les sol·licitacions que implica el procés d’edificació són causants potencials de problemes que poden desembocar en l’aparició d’un dany.

3. Accions i reaccions del sòl vers l’edificació

Les reaccions que el terreny manifesta davant la modificació del seu estat inicial (en essència es considera l’estat de tensions i l’estat d’humitat) provocat per l’execució d’una edificació, són d’un costat les causants més habituals dels danys que poden aparèixer en una estructura, i d’altra banda, constitueixen els processos que cal preveure quan s’aborda una modificació (rehabilitació) d’una edificació, que pugui comportar un canvi en la relació de l’estructura preexistent i el subsòl. A títol d’exemple, el procés de consolidació que un sòl argilós sofreix sota l’acció d’una sabata pot ser causant de l’aparició de danys en l’estructura (si és superada l’admissibilitat de la mateixa vers les deformacions) tant en els anys immediatament posteriors a la construcció de l’edifici, com en etapes més tardanes si una actuació sobre el mateix comporta un increment de les sol·licitacions inicials sobre el terreny.

Existeixen també altres processos inherents al caràcter del terreny i que no es relacionen directament amb l’estructura, o no canvien pel fet de que s’edifiqui al seu damunt. Així per exemple, la presència d’agents químics potencialment reactius amb els materials constituents de l’obra (compostos de Sofre, per exemple) poden ser causants de la degradació dels mateixos fins al límit de provocar l’esgotament de llur capacitat estructural.

En els següents punts passarem revista a aquests agents i processos, essent els més significatius els que a continuació s’enumeren.

Agents o processos preexistents:

– Moviments verticals ascendents: inflament
– Moviments verticals descendents: col·lapses
– Empentes
– Flux d’aigua
– Alteració química

Agents o processos induïts directament per l’edificació (reacció a les càrregues):

– Assentaments
– Falla generalitzada del sòl

En la present sessió no seran tractats tots els agents o processos descrits anteriorment, doncs alguns d’ells (accions horitzontals per empentes del terreny, alteració química) són o han estat objecte d’estudi de matèries complementàries a la geotècnia en el present curs de postgrau.

4. Sòls expansius

Es considera expansiu un sòl que manifesta, davant d’una modificació del seu estat[1], un procés d’increment de volum (cas que l’estat de tensions així ho permeti) com a conseqüència de la generació d’una tensió vertical en el sí de la seva estructura interna. Si l’estat de tensions és tal que la tensió a la que està sotmès el sòl iguala o supera l’anomenada tensió d’inflament no es produeix cap variació de volum, tot i que comporta una modificació en la situació de tensions del sòl respecte als materials o estructures amb que està en relació.

L’agent causant més habitual que dona lloc a aquest procés és l’aigua. Els components del sòls més abundants que són susceptibles a manifestar processos d’expansivitat són determinats tipus de minerals del grup de les argiles.

Una argila presenta una estructura molecular definida per l’organització de làmines. Tot i que càrrega elèctrica de cada làmina molecular està ben compensada (els enllaços entre anions i cations són de tipus covalent, molt difícilment disociable) la tipologia dels enllaços que uneixen les làmines entre sí (ponts d’Hidrògen i enllaços de Van der Waals) representa una força d’unió relativament feble. Aquesta característica permet l’entrada d’aigua en l’estructura cristal·lina, doncs la distància entre làmines és (a escala molecular) molt gran.

Quan l’aigua accedeix a l’estructura de capes, el caràcter dipolar de la seva molècula provoca un seguit de processos en relació a l’equilibri de càrregues elèctriques del sistema molecular, que com a resultat donen lloc a un increment en l’espaiat entre les capes (per efecte repulsió elèctrica). Com efecte final del fenomen es produeix un increment net del volum total del sòl, molt superior al volum de l’aigua que entra en el mateix.

En moltes ocasions s’assumeix que tot problema del terreny que afecta a una estructura i produït per un fenomen d’expansivitat té relació amb l’accés d’aigües subterrànies o el trencament de canonades que aporten aigua al terreny. Tanmateix, existeixen altres mecanismes que condueixen a una modificació de l’estat d’humitat del sòl, i que en moltes ocasions passen desapercebuts.

El més immediat a la construcció d’un edifici que ocupa una parcel·la fins aquell moment lliure és la modificació de la humitat natural del terreny situat immediatament sota cota de fonamentació. El sòl que es situa a poc menys de 1 m sota la rasant de terreny natural (una cota habitual de fonamentació) és sotmès a variacions estacionals d’humitat sota la influència del règim climàtic i pluviomètric local. Durant la major part de l’any es produeix una migració ascendent d’aigua per fenomen de capilaritat (ascendent des de la zona saturada permanentment) compensat per l’evapotranspiració. A l’edificar s’elimina pràcticament l’evapotranspiració de la capa superficial del terreny, provocant en poc temps un augment d’humitat en el terreny.

Aquest efecte és més notable en les fonamentacions situades en l’interior del perímetre edificat, donant lloc a l’aparició de danys en forma d’esquerdes que es distribueixen pels tancaments “a crebant”.

En altres casos, les zones enjardinades del perímetre de l’habitatge contribueixen a una aportació continua d’aigua (pel rec de plantacions de gespa, per exemple) que pot afectar a l’estat d’humitat del terreny sobre el que es recolzen fonamentacions del perímetre de l’edifici. En aquest cas els danys apreciats es corresponen amb l’aparició d’esquerdes en els tancaments en geometria “a rufa”.

Existeixen altres processos susceptibles de donar lloc a inflaments del terreny: la gelada de determinades tipologies de sòls (sediments lacustres o “varves”) en zones de climatologia severa de fred intens i en presència d’humitat, les modificacions en l’estructura cristal·lina de minerals deshidratats al prendre aigua (anhidrita transformada en guix), i d’altres fenòmens més o menys exòtics.

5. Sòls col·lapsables

Determinats tipus de sòls poden patir una disminució de volum, a la qual s’associa un assentament, sense necessitat de que s’hi apliqui cap càrrega vertical. Aquest fenomen té dues causes essencials per a la seva aparició. Per un costat poden presentar-se sòls amb una composició mineralògica en la qual entrin elements solubles en aigua; l’accés d’aigua a l’estructura del material comportarà doncs un procés de dissolució de part de la mateixa, col·lapsant la resta per reordenar-se fins assolir un grau d’empaquetat conforme a l’estat de tensions en que es trobi el terreny. S’han descrit patologies associades a processos de col·lapse induïts per dissolució en formacions d’argiles i guixos, comuns per exemple a la plana de Lleida.

Una altra causa a la qual poden imputar-se fenòmens de col·lapse és la manca de compacitat de determinats sòls, de granulometria molt fina i baixa plasticitat (els llims). Algunes formacions de llims sedimentats en règim eòlic i sota clima àrid poden patir un procés de col·lapse si la seva humitat supera un determinat límit, per sobre del qual les tensions capil·lars (que juguen un paper essencial en el manteniment de l’estructura) es desequilibren.

6. Assentaments

a. Conceptes fonamentals:

D’entre els processos que tenen lloc en l’horitzó del subsòl sotmès a càrregues de l’estructura, el que provoca un major número de danys en edificacions, o bé cal tenir present en major mesura en estudis de rehabilitació, són els assentaments.

Un assentament del terreny es defineix com una disminució de volum del sòl, amb un sentit predominantment vertical i descendent, producte de l’aplicació d’una càrrega de tipus axil.

Tota càrrega aplicada per una fonamentació sobre un terreny provoca un assentament, malgrat que la magnitud del mateix pugui ser tan petita que es prengui com inexistent o inapreciable.

Hi ha tres processos que permeten explicar la reacció d’un sol davant d’una càrrega: la deformació elàstica, la consolidació i la consolidació secundària o creep.

S’entén per deformació elàstica al canvi de volum (o disminució de gruix d’un estrat, si hom s’aproxima al problema estudiant-lo en “dues dimensions”) que segueix una llei assimilable a un model elàstic, és a dir, que es pot establir una relació lineal de proporcionalitat entre la tensió aplicada i la deformació resultant, relacionades ambdues per un mòdul de deformació axil (mòdul de Young) i un coeficient de deformació transversal o diametral (coeficient de Poisson).

A partir d’aquesta aproximació teòrica pot estudiar-se de forma raonablement adequada l’assentament de sòls en els quals el procés de càrrega per una fonamentació no implica una modificació substancial de les pressions intersticials, és a dir, de sòls que ràpidament drenen l’augment de pressió intersticial que sofreix l’aigua que omple (total o parcialment) els seus porus. Aquests són els casos de sòls granulars: sorres i graves.

La deformació elàstica és producte d’una reordenació ràpida de l’estructura del terreny, acompanyada d’un alliberament ràpid de les tensions intersticials (drenatge).

També pot estimar-se de forma correcta la deformabilitat de sòls coherents quan aquests presenten una consistència mitjana a dura (argiles rígides) i la tensió que indueix la fonamentació sobre les mateixes es troba àmpliament per sota de la seva resistència a compressió simple (un valor que acostuma a ser proper a la tensió de preconsolidació[2] de l’argila en qüestió).

S’acostuma a considerar que l’assentament elàstic és quasi immediat a l’aplicació de la càrrega.

Quan el sòl és de caire argilós, i la tensió que s’hi aplica per part d’una fonamentació es situa a la vora del valor de la tensió de preconsolidació, la deformació que es produeix és funció de la capacitat que té el sòl en expulsar l’aigua intersticial i equilibrar l’increment de tensió hidrostàtica que es produeix en els porus del material. La relació entre la tensió aplicada i la deformació produïda deixa de seguir en aquest procés una relació lineal, i s’assimila en millor mesura a una relació logarítmica. El paràmetre del sòl emprat de forma més usual i que en aquest cas defineix la relació entre la tensió aplicada i la deformació és el Coeficient de Compressibilitat.

Al contrari que els assentaments elàstics, els assentaments per consolidació tenen una durada que (segons sigui la magnitud de la càrrega, la permeabilitat del terreny, i el gruix de l’estrat argilós) es perllonga en el temps entre 1-2 anys i fins a 10 anys.

Una vegada estabilitzat l’assentament elàstic en sòls granulars, o el de consolidació en sòls argilosos, la càrrega aplicada encara continua provocant una certa deformació, que pot perllongar-se força anys; és l’anomenat assentament per consolidació secundària, el qual és producte d’una reordenació lenta de l’estructura del terreny a nivell de partícules.

És poc habitual entrar (en projectes convencionals) en l’estudi de la magnitud que assoleix l’assentament per consolidació secundària, assumint-se de forma usual que el seu valor representa un 10 – 20 % del valor d’assentament total calculat (elàstic i per consolidació), sumant-se a la previsió d’assentaments obtinguda en el càlcul de disseny de la fonamentació.

b. Efectes sobre les estructures

La deformació del terreny sota càrrega de la fonamentació comporta dos efectes principals: la baixada generalitzada de l’estructura, i la distorsió angular de parts de la mateixa.

Si un assentament es produeix de forma solidària al llarg de tota una estructura, bé sigui per que totes les sabates assenten per igual, o bé sigui per que l’edifici està fonamentat sobre una llosa rígida, el valor màxim que habitualment es considera tolerable per a la deformació pot ser força important. Algunes normes acceptaven fins no fa gaire valors d’assentament global de l’ordre de 50 mm, i alguns edificis històrics han patit assentaments molt homogenis de fins a 2 m (cas de la Catedral de Mèxic) sense que l’estructura s’hagi ressentit de forma significativa.

Tanmateix, no és l’assentament màxim i global el causant de la majoria de danys en estructures, si no l’assentament diferencial, o contrast d’alçada entre punts relativament propers, que dona lloc a distorsions angulars no acceptables per una estructura.

Generalment s’aprecien danys sobre tancaments per a distorsions angulars superiors a 1/500, i danys en estructures a partir de 1/250.

7. Falla generalitzada del sòl

Si s’incrementa progressivament la tensió aplicada per una fonamentació sobre el subsòl, s’assoleix un punt per sobre del qual les deformacions deixen de ser conformes a la llei elàstica o de consolidació que sigui d’aplicació al tipus de sòl que ens ocupi, punt en el qual es verifica la falla per esgotament de la resistència als esforços de tall del material.

És poc habitual que una estructura pateixi danys per aquesta causa, doncs anteriorment ha d’haver patit un grau de deformació per efecte dels assentaments que amb molta probabilitat l’haurà dut a la runa.

Tanmateix, existeixen alguns (pocs) sòls que, combinats amb determinades tipologies de fonamentació, poden trencar sense que s’assoleixin prèviament grans deformacions.

Hi ha dos casos diferenciats de terrenys que poden manifestar aquest fenomen, un és el dels materials amb un comportament fràgil, com poden ser determinades roques de baixa resistència (travertins, gredes), que arribarien al punt de trencament en tot cas sota tensions relativament altes (en referència a les tensions que usualment transmet una fonamentació).

L’altre cas és el de sorres de gra molt fi i compacitat mitjana a alta, quan sobre elles s’adopten sistemes de fonamentació superficial de reduïdes dimensions i amb un empotrament mínim.

—————-

Breu bibliografia recomanada:

“Curso aplicado de cimentaciones”. Jose Mª Rodríguez Ortiz, Jesús Serra Gesta, Carlos Oteo Mazo.
“Ingeniería Geológica”. Luis I. González Vallejo.
“Intervenir en arquitecturas portantes”, Fernando Juan Ramos Galino, Ana Ramos Sanz, rev. Tectonica – estructuras, 18.
Fitxes electròniques de patologies, ASEFA (http://www.asefa.es/)

——————–

Esta entrada fue publicada en Uncategorized y etiquetada , , , . Guarda el enlace permanente.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.