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El diseño de fundaciones para edificios de gran altura representa uno de los retos más críticos y complejos de la ingeniería estructural y geotécnica. El sistema de fundación sirve como la interfaz crucial entre la superestructura y el suelo, responsable de transferir de forma segura cargas verticales masivas, fuerzas laterales del viento y actividad sísmica, y volcar momentos al suelo o roca subyacente. El peso del edificio, y por lo tanto la carga vertical que debe ser soportada por la fundación, puede ser sustancial. Esta guía completa explora las consideraciones prácticas, metodologías de diseño, procedimientos de cálculo y mejores prácticas que los ingenieros deben entender para crear sistemas de base seguros, económicos y duraderos para edificios altos.

Comprender los edificios de alto nivel y los requisitos de la Fundación

"Estructura total" (a menudo llamada "edificio elevado") es característicamente un edificio con una pequeña huella y área de techo pero una fachada muy larga y alta. La clasificación de lo que constituye un edificio de altura varía dependiendo del contexto y la ubicación. Según el Consejo de Edificios de Tall y Hábitat Urbano (CBTUH), se pueden utilizar las siguientes categorías. En primer lugar, el contexto urbano en donde existe el edificio. Si un edificio de 10 pisos se encuentra en un distrito de negocios central rodeado de edificios de 20 pisos, entonces no se puede considerar alto. Sin embargo, si se encuentra en un área suburbana que es predominantemente baja, entonces puede ser considerado alto.

Otra manera de considerar un edificio alto es por su relación de esbeldeza. La relación esbelta se obtiene dividiendo la altura total del edificio por la menor de las dimensiones de ancho base. En una proporción de esbelto de 5 o menos, el sistema estructural suele acomodar las cargas laterales típicas de estructuras de baja o media altura. A la inversa, para una proporción de esbelde de 5 y superior, es decir, donde la esbelta estructura puede afectar significativamente el diseño. En esta gama de ratios de esbeldeza, el sistema estructural trabajará más duro para resistir las fuerzas laterales y es probable que el comportamiento dinámico sea dominante en la solución estructural, y por lo tanto el edificio se considera alto.

Las características únicas de los edificios de altura crean desafíos específicos para el diseño de fundaciones. Los edificios de altura suelen estar rodeados de estructuras de podio de baja altura que están sujetas a cargas mucho más pequeñas. Por lo tanto, es necesario controlar los asentamientos diferenciales entre las partes altas y bajas. Además, las fuerzas laterales impuestas por la carga eólica y los consiguientes momentos del sistema de fundación pueden ser muy altas. Estos momentos pueden imponer mayores cargas verticales en la fundación, especialmente en las pilas exteriores dentro del sistema de fundación. El diseño estructural de las pilas necesita tener en cuenta estas cargas aumentadas que actúan conjuntamente con las fuerzas laterales y los momentos.

Tipos de sistemas de fundaciones para edificios de alto nivel

La selección de un tipo de fundación adecuado es fundamental para el éxito de cualquier proyecto de construcción de altura. El tipo de fundación que elija dependerá de varios factores, incluyendo el tamaño y el peso del edificio, las condiciones del suelo y el presupuesto general. Las opciones de la Fundación para estructuras altas van desde una balsa que transfiere las cargas del edificio a la capa inmediata del suelo directamente por debajo de la estructura, o una solución totalmente apilada para transferir cargas estructurales desde capas débiles de suelos a capas más firmes, o un sistema compuesto que utiliza soluciones de balsa y apiladas.

Deep Pile Foundations

Las bases profundas se utilizan normalmente cuando la superficie terrestre no es lo suficientemente fuerte como para soportar la carga del edificio. Para abordar esto, se instalan profundas fundaciones, penetrando a través de capas de suelo débiles hasta alcanzar un terreno más estable y duro. Los edificios de alta altura suelen fundarse en alguna forma de fundición apilada sujeta a una combinación de fuerzas verticales, laterales y volcadas.

Los píles son miembros relativamente largos y esbeltos utilizados para transmitir cargas de fundación a través de estratos de suelo de baja capacidad de cojinete a suelos más profundos o rocas con mayor capacidad de cojinete. Las fundaciones de pile funcionan a través de dos mecanismos primarios: cojinete final y fricción cutánea. Si las capas superiores del suelo son demasiado débiles o altamente compresibles para soportar las cargas transmitidas por la superestructura, se utilizan las pilas para transferir estas cargas en una capa más fuerte de suelo o en una roca base. Los píles que transmiten cargas en una roca son llamados pilas de punta. Este tipo de pila depende exclusivamente de la capacidad de carga del material subyacente en la punta de la pila.

Por otro lado, cuando la roca es demasiado profunda, las pilas pueden transmitir las cargas a través del suelo circundante gradualmente por fricción. Este tipo de pila se llama pila de fricción. La elección entre estos mecanismos depende del perfil específico del suelo y de los requisitos estructurales del proyecto.

Pilas conducidas

Las pilas propulsadas son pilas preformadas, típicamente hechas de acero, hormigón o madera, que están martilladas en el suelo utilizando equipos de conducción de pilas. Las pilas impulsadas crean una perturbación mínima del sitio, logran una capacidad inmediata de carga debido a la compactación del suelo y son rápidas de instalar. Son altamente eficientes para proyectos con requisitos de diseño repetitivos. Sin embargo, la conducción puede causar ruido y vibraciones, que pueden ser problemáticas en áreas urbanas o sensibles. También puede ser difícil en suelos duros o muy densos.

Las pilas impulsadas son ideales para fundaciones en suelos blandos a medianos condensados donde el desplazamiento de pila mejora la estabilidad del suelo. Se utilizan comúnmente en grandes proyectos de infraestructura, como puentes y edificios de altura. El proceso de instalación implica el uso de martillos de impacto o equipos vibratorios para impulsar elementos de pila prefabricados en el suelo, que compacta el suelo circundante y puede aumentar su capacidad de rodamiento.

Bored Piles (Trozas perforadas)

La fundación Bored Pile es otro tipo popular de fundación profunda utilizada en edificios en suelos duros o rocosos. El proceso comienza por perforar en el suelo hasta alcanzar una capa capaz de llevar la carga del edificio. Las fundaciones de Caisson, también conocidas como fundaciones de eje perforado, se utilizan para edificios con cargas pesadas o en áreas con condiciones de suelo desafiantes. Caissons son grandes columnas de hormigón cilíndrico que se perforan en el suelo para soportar el peso del edificio.

Las pilas aburridas ofrecen varias ventajas para la construcción de altura. Producen vibraciones y ruidos mínimos en comparación con las pilas impulsadas, haciéndolos adecuados para entornos urbanos. El proceso de perforación permite la inspección de las condiciones del suelo durante la instalación, y las dimensiones de la pila se pueden ajustar sobre la base de las condiciones encontradas. Las pilas embellecidas se utilizan en edificios de altura, puentes y otros proyectos que requieren profundas fundaciones en suelos desafiantes.

El proceso de construcción normalmente implica perforar un agujero a la profundidad necesaria, instalar una jaula de refuerzo y llenar el agujero con hormigón. La instalación es más lenta que las pilas impulsadas, y la estabilidad del suelo puede ser una preocupación durante la excavación, especialmente en suelos sueltos o arenosos. Los casquillos temporales o fluido de perforación pueden ser necesarios para soportar la excavación.

Píldoras de vuelo continuo (CFA)

Las pilas CFA se perforan y se colocan en su lugar en una operación continua. Un auger se utiliza para perforar en el suelo, y el hormigón se bombea a través del tallo hueco del auger como se retira, formando una pila. Este método combina ventajas tanto de pilas impulsadas como aburridas, ofreciendo una vibración reducida y ruido manteniendo velocidades de instalación relativamente rápidas. Las pilas CFA son particularmente eficaces en suelos suaves a medianos y proporcionan un excelente control de calidad durante la instalación.

Mat (Raft) Foundations

Las fundaciones de Raft, también conocidas como fundaciones de alfombras, se utilizan para edificios con cargas pesadas o en áreas donde el suelo es propenso a asentamiento. Los cimientos de Raft consisten en una gruesa losa de hormigón que se extiende sobre toda la huella del edificio, distribuyendo el peso uniformemente a través del suelo. Un cimiento de balsa, también conocido como una "funda de meta", es esencialmente una losa continua que se encuentra directamente encima del suelo que se extiende sobre toda la huella del edificio, transfiriendo así sus pesos y las cargas al suelo en una distribución más uniforme.

Este tipo de fundación se utiliza comúnmente en edificios de altura o zonas con malas condiciones de suelo. Las fundaciones de Raft son menos propensos a la solución que otros tipos de fundaciones y proporcionan una excelente estabilidad para edificios comerciales. Los cimientos de la matriz son especialmente adecuados cuando la capacidad de cojinete del suelo es relativamente uniforme a lo largo de la huella del edificio y cuando las cargas del edificio son lo suficientemente sustanciales que las pisadas individuales cubrirían un gran porcentaje del área de construcción.

Los cimientos de Raft o mat son grandes, continuos, rectangulares o de hormigón circular que llevan la carga de su superestructura y la distribuyen en toda la zona debajo de su edificio. Este tipo de fundación se considera una de las bases más poco profundas y ayuda a controlar el asentamiento diferencial.

Piled Raft Foundations

Las fundaciones de balsa de empuje pueden utilizarse para grandes estructuras y en situaciones en las que el suelo no es adecuado para evitar un asentamiento excesivo. Las fundaciones de balsa de empuje se están haciendo cada vez más populares para edificios de altura. Este sistema compuesto combina los beneficios de distribución de carga de una base de estera con las capacidades de transferencia de carga profunda de fundaciones de pila. La balsa proporciona rigidez adicional y ayuda a distribuir cargas entre las pilas, mientras que las pilas reducen los asentamientos totales y diferenciales.

Una base de pila para estructuras de altura consiste a menudo en un gran número de pilas. El reto en el diseño de un sistema de fundación de pila es capturar los efectos de la interacción de grupo. Es bien sabido que el asentamiento debido a un grupo de pilas para el nivel medio de carga equivalente puede variar significativamente de un solo asentamiento de pila. En sistemas de balsa apilada, tanto la balsa como las pilas contribuyen a cargar las cargas estructurales, creando una solución de base más eficiente y económica para muchas aplicaciones de gran altura.

Consideraciones geotécnicas críticas

La transferencia de carga en una estructura alta puede influir en el terreno a mayor profundidad y a sus estructuras adyacentes, por lo tanto, una investigación exhaustiva de terreno o sitio debe completarse durante el diseño de la fundación. La interacción entre la estructura y el terreno de apoyo debe ser evaluada de cerca por los ingenieros durante el proceso de diseño. Una investigación geotécnica adecuada constituye la base de un exitoso diseño de bases de gran altura.

Investigación y caracterización del suelo

Se describirá un proceso de tres etapas de diseño y verificación de fundaciones, y se hará hincapié en la importancia de una adecuada caracterización y evaluación de los parámetros geotécnicos. La investigación geotécnica debe incluir suficientes agujeros para caracterizar el perfil del suelo en toda la huella del edificio y a las profundidades que serán influenciadas por las cargas de la fundación.

Los datos de diseño de pre-fundación, como el tipo de pila, longitud y tamaño, son predeterminados basados en datos de informe geotécnico. Algunos de los parámetros críticos que son necesarios para más pilas de diseño y análisis de bases son los tipos de suelo, peso unitario, resistencia al derrame, módulo de reacción subgrado y datos de aguas subterráneas. La investigación debe incluir tanto las pruebas in situ (como las Pruebas de Penetración Estándar, Pruebas de Penetración de Cono y pruebas de presión) como las pruebas de laboratorio de muestras de suelo para determinar propiedades de ingeniería.

Capacidad de los rodamientos de suelo

Determinar la capacidad de rodamientos del suelo es fundamental para el diseño de la base. Para fundaciones poco profundas o fundaciones de estera, la capacidad de rodamiento depende de los parámetros de fuerza del suelo, dimensiones fundamentales y profundidad de la incrustación. Los ingenieros deben evaluar tanto la capacidad de rodamiento definitiva como la capacidad de rodamiento admisible, aplicando factores apropiados de seguridad basados en el nivel de incertidumbre en los parámetros del suelo y en los métodos de control de la construcción que deben emplearse.

Para los cimientos profundos, los cálculos de la capacidad de rodamiento deben considerar tanto los componentes de cojinete final como los componentes de fricción de eje. La resistencia total de la pila puede dividirse en componentes de la base y el eje. Los métodos de cálculo varían dependiendo de si la pila se funde en suelos cohesivos (clay) o sin cohesión (sand), con diferentes enfoques analíticos necesarios para cada tipo de suelo.

Consideraciones sobre las aguas subterráneas

Si el nivel de las aguas subterráneas es alto, la presión sobre el suelo aumenta, reduciendo su capacidad de rodamiento. Por lo tanto, la fundación debe ser diseñada para soportar la presión del agua. Los altos niveles de aguas subterráneas pueden afectar significativamente el diseño de bases de múltiples maneras. El efecto boyante de las aguas subterráneas reduce las tensiones efectivas en el suelo, lo que disminuye la capacidad de rodamiento y aumenta el potencial de asentamiento. Las aguas subterráneas también pueden crear fuerzas de elevación en las estructuras y fundaciones del sótano.

El desguace puede ser necesario durante la construcción, pero las soluciones de deshidratación a largo plazo deben evaluarse cuidadosamente para su impacto en las estructuras adyacentes y el medio ambiente. En áreas con altos niveles de agua subterránea, se utilizan a menudo fundaciones de pila con zapatos de hormigón para evitar la erosión del suelo alrededor de las pilas. Los sistemas adecuados de impermeabilización y drenaje deben integrarse en el diseño de la fundación para gestionar las presiones de las aguas subterráneas y prevenir la infiltración de agua.

Settlement Analysis

El análisis de asentamientos es fundamental para edificios de gran altura, donde incluso pequeños asentamientos diferenciales pueden causar problemas estructurales significativos. Los ingenieros deben evaluar tanto la solución inmediata (elástica) como la consolidación a largo plazo. Aparte de su capacidad de transmitir cargas de fundación a pilas de estratos subyacentes también se utilizan ampliamente como medio de controlar el asentamiento y el asentamiento diferencial.

El asentamiento total debe limitarse a valores aceptables basados en el sistema estructural y los acabados arquitectónicos del edificio. Más importante aún, el arreglo diferencial entre diferentes partes de la fundación debe ser controlado para prevenir daños estructurales. Las pilas más profundas se especificaron debajo del núcleo central basado en las cargas verticales superiores en el centro del edificio en comparación con el exterior. Las pilas más largas sirven para reducir el efecto de asentamiento "dishing" debido al mayor estrés de la unidad en el suelo subyacente directamente debajo del núcleo.

Consideraciones de carga lateral

Los sistemas estructurales de edificios altos deben llevar cargas de gravedad vertical, pero las cargas laterales, como las debidas al viento y los terremotos, también son una consideración importante. Las cargas laterales crean desafíos únicos para el diseño de fundaciones que deben ser cuidadosamente abordados.

Efectos de carga de viento

Las fuerzas eólicas en edificios de alto nivel aumentan con altura y pueden crear cargas laterales sustanciales y momentos de recesión a nivel de fundación. Las fuerzas del viento también aumentan con la altura del edificio a un valor constante o gradiente, ya que el efecto de la fricción del suelo disminuye. La fundación debe diseñarse para resistir estas fuerzas laterales mediante una combinación de presión pasiva del suelo, fricción entre la fundación y el suelo, y la capacidad estructural de los elementos de fundación.

El efecto de las fuerzas eólicas en edificios altos es doble. Un edificio alto puede ser considerado como un haz de cañón con su extremo fijo en el suelo; la presión del viento en el edificio hace que se doble con la deflexión máxima en la parte superior. La fundación debe proporcionar una fijación adecuada para resistir estos momentos de recesión, al tiempo que limita las rotaciones que podrían causar una excesiva deriva del edificio.

Las cargas laterales inducidas por el viento y los momentos son cíclicos en la naturaleza. Por lo tanto, hay que tener en cuenta la influencia de la carga vertical y lateral cíclica en el sistema de fundación, ya que la carga cíclica tiene el potencial de degradar la capacidad de fundición y provocar mayores asentamientos.

Consideraciones de diseño sistémico

En regiones sísmicamente activas, las fuerzas del terremoto pueden gobernar el diseño de la fundación. El terremoto o las fuerzas sísmicas, a diferencia de las fuerzas eólicas, se limitan generalmente a zonas relativamente pequeñas, principalmente a lo largo de los bordes de las placas continentales lentamente en movimiento que forman la corteza terrestre. Cuando ocurren movimientos abruptos de los bordes de estas placas, la energía liberada propaga ondas a través de la corteza; este movimiento de onda de la Tierra se imparte a edificios que descansan sobre ella.

El diseño sismológico de las fundaciones debe considerar varios factores, como el potencial de licuación del suelo, los efectos de interacción de la estructura del suelo y la respuesta dinámica del sistema de estructuración de la base. Efectos posibles del terremoto en la fundación, incluyendo la respuesta del sistema de fundación a las excitaciones del terremoto y las posibilidades de licuefacción en el suelo que rodea o apoya la fundación. Las fundaciones en suelos licuados pueden requerir medidas especiales como la mejora del suelo, profundas bases que se extienden por debajo de capas licuadas o sistemas estructurales diseñados para dar cabida a grandes deformaciones terrestres.

Los píles son una base más adecuada para estructuras sujetas a fuerzas horizontales. Los píles pueden resistir las acciones horizontales a través de la curvatura mientras pueden transmitir fuerzas verticales de la superestructura. Esta es una situación típica para diseñar estructuras que retengan la tierra y estructuras altas sujetas a vientos altos o fuerzas sísmicas.

Foundation Design Process and Methodology

El diseño de la base de edificios de altura necesita captar el impacto total de la estructura, tanto por encima como por debajo del suelo. Estos tipos de fundaciones son complejos y generalmente requieren más esfuerzo de ingeniería estructural que otros sistemas de base convencionales encontrados en estructuras de bajo/medio-rise. También es común en la práctica hacer el diseño de la fundación un esfuerzo más colaborativo con el ingeniero geotécnico.

Determinación y análisis de carga

El primer paso en el diseño de la fundación implica determinar todas las cargas que serán transmitidas a la fundación. Estos incluyen cargas muertas de la estructura del edificio y accesorios permanentes, cargas vivas de ocupación y uso, cargas de viento, cargas sísmicas y cualquier carga especial como equipo o almacenamiento. Las combinaciones de carga deben evaluarse según los códigos de construcción aplicables para determinar los casos de diseño crítico.

Para edificios de altura, la distribución de cargas rara vez es uniforme a través de la fundación. Las áreas básicas suelen llevar cargas mucho más altas que las áreas del perímetro. Las pilas más profundas se especificaron debajo del núcleo central basado en las cargas verticales superiores en el centro del edificio en comparación con el exterior. Las pilas más largas sirven para reducir el efecto de asentamiento "dishing" debido al mayor estrés de la unidad en el suelo subyacente directamente debajo del núcleo. El diseño de la base debe tener en cuenta estas variaciones de carga para controlar los asentamientos diferenciales.

Análisis estructural y modelado

El diseño y análisis de fundaciones profundas como pilas es de alguna manera una forma de arte debido a todas las incertidumbres implicadas en la interpretación de datos geotécnicos. Aunque se llevó a cabo un enfoque teórico y experimental para analizar el comportamiento y estimar la capacidad de carga de las pilas en varios tipos de suelo, pero sin embargo, todavía tenemos mucho que entender en el mecanismo de las pilas de fundación. Afortunadamente, con el avance en la ingeniería estructural, hay varios software que podemos utilizar para minimizar estas incertidumbres y reducir el tiempo de cálculo.

El diseño de base moderno se basa en un software de análisis sofisticado que puede modelar la interacción de la estructura del suelo, calcular las distribuciones de carga y evaluar el rendimiento de las bases bajo diversas condiciones de carga. El software de diseño de pilas Fundación puede realizar análisis axial y lateral de cualquier tipo de pila. Los programas pueden calcular la resistencia del eje de la pila y la capacidad de rodamiento de las pilas, teniendo en cuenta el método de instalación de la pila. Además, el software puede hacer análisis de pila lateral, calculando los desplazamientos de pila, diagramas de momento y de corte para cualquier combinación de carga aplicada en la cabeza de la pila.

El análisis tridimensional de elementos finitos se utiliza cada vez más para sistemas de base complejos. Esto permite a los ingenieros modelar la interacción entre la fundación, el suelo y la superestructura con mayor precisión, considerando factores como la no linealidad del suelo, los efectos de la secuencia de construcción y el comportamiento dependiente del tiempo.

Factores de verificación de diseño y seguridad

Los diseños de la Fundación deben incorporar factores adecuados de seguridad para tener en cuenta las incertidumbres en las propiedades del suelo, las condiciones de carga y la calidad de la construcción. Aunque la gama de factores de análisis estáticos de seguridad en el pasado era de 2 a 4, la mayoría de los métodos de análisis estáticos recomendaron un factor de seguridad de 3. A medida que las cargas de diseño de fundaciones aumentaron con el tiempo, el uso de factores más altos de seguridad a menudo dio lugar a problemas de instalación de pila. Además, la experiencia ha demostrado que los métodos de control de la construcción tienen una influencia significativa en la capacidad de pila. Por lo tanto, el factor de seguridad utilizado en un cálculo de análisis estático debe basarse en el método de control de construcción especificado.

La verificación del diseño debe incluir controles para los estados máximos (insuficiencia de la capacidad, falla estructural de los elementos de fundación) y los estados límite de servicio (acuerdo excesivo, vibraciones inaceptables). Se deben evaluar múltiples casos de carga y combinaciones para asegurar que la fundación se realice adecuadamente en todas las condiciones previstas.

Cálculos de diseño de la Fundación

Los cálculos detallados forman el núcleo del diseño de ingeniería de fundaciones. Los procedimientos de cálculo específicos varían dependiendo del tipo de fundación y las condiciones del suelo, pero varios elementos comunes se aplican a la mayoría de los diseños de base de alta altura.

Cálculo de la capacidad del pilo

Para los cimientos de pila, la capacidad final debe ser calculada teniendo en cuenta tanto el rodamiento final como la fricción del eje. La capacidad total de la base de la pila de cierre puede calcularse multiplicando el área de la punta de la pila y la capacidad de rodamiento a esa profundidad particular del suelo en el que descansa la pila. Considerando un factor razonable de seguridad, se calcula el diámetro de la pila.

El cálculo de la fricción del eje depende del tipo de suelo. Para las pilas en suelos de arcilla, el método alfa se utiliza comúnmente, lo que relaciona la fricción del eje con la fuerza de la arcilla no trazada. Para pilas en arena, el método beta relaciona la fricción del eje con la presión sobrecarga efectiva y un coeficiente de fricción. Tanto el estrés total como los métodos eficaces de análisis de estrés se utilizan para estimar la resistencia lateral para las arcillas saturadas. Aquí consideramos sólo el estrés total o el método α.

Los efectos del grupo de pile deben ser considerados cuando se utilizan múltiples pilas. La carga máxima que un grupo puede soportar puede no ser la misma que la carga máxima que cada pila puede llevar dentro del grupo. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la eficiencia del grupo de pilas. Los factores de eficiencia del grupo representan la interacción entre pilas cuidadosamente espaciadas, lo que puede reducir la capacidad general en comparación con la suma de las capacidades individuales de pila.

Mat Foundation Design Calculations

El diseño de la base de la matriz requiere el cálculo de las presiones de los rodamientos del suelo bajo diversas combinaciones de carga, asegurando que la presión máxima de los rodamientos no exceda la capacidad de rodamientos del suelo permitida. La estera debe ser analizada como un elemento estructural, con cálculos para momentos de doblado, fuerzas de encaje y punzonamiento en las ubicaciones de columnas.

El análisis de interacción de la estructura del suelo es particularmente importante para las bases de la esterilla. La flexibilidad de la estera relativa al suelo afecta la distribución de las presiones de contacto. Las esterillas rígidas tienden a producir mayores presiones en los bordes, mientras que las esterillas flexibles pueden experimentar mayores presiones bajo las ubicaciones de columna. El diseño moderno típicamente utiliza el análisis de elementos finitos para modelar la estera como una placa sobre la base elástica, capturando estos efectos de interacción.

Reinforcement Design

El diseño estructural de elementos de fundación requiere cálculos detallados de refuerzo. El refuerzo está diseñado para la sección desde el nivel de corte hasta la profundidad de la fijación considerando la tensión con doblado, compresión con doblado y curvado solamente. Para la sección debajo de la profundidad de la fijación, el refuerzo está diseñado considerando la compresión vertical y la tensión. Los lazos laterales con un diámetro de 8 mm se especifican en centros de 200 mm.

Para tapas de pilas y fundaciones de alfombras, el refuerzo debe ser diseñado para resistir momentos de curvatura y fuerzas de corte calculadas a partir del análisis estructural. Los requisitos mínimos de refuerzo especificados por los códigos de diseño deben ser satisfechos, y el detalle debe garantizar el anclaje adecuado, la longitud del desarrollo y la construcción. Debe prestarse especial atención a las zonas de concentración de estrés, como alrededor de las localidades de las columnas y a los cambios en el espesor de las fundaciones.

Análisis de carga lateral

Para la mayoría de las fundaciones las cargas aplicadas a las pilas son principalmente verticales. Las cargas horizontales derivadas de las cargas de viento en las estructuras son generalmente relativamente pequeñas y son ignoradas. Sin embargo, para pilas en embarcaciones, fundaciones para puentes, chimeneas altas y fundaciones apiladas offshore la resistencia lateral es una consideración importante.

Para edificios de altura, es esencial el análisis lateral de las pilas. Métodos como el modelo de enfoque de curva p-y la resistencia al suelo no lineal a lo largo de la longitud de la pila, permitiendo el cálculo de las deflecciones de la pila, los momentos de curvatura y las fuerzas de corte bajo carga lateral. El análisis debe considerar las condiciones de fijación de cabezas de pila, que dependen de los detalles de conexión entre la pila y la tapa de pila o la base de alfombras.

Consideraciones de la construcción y control de calidad

La elección del tipo de pila está influenciada por condiciones de subsuperficie, ubicación y topografía del sitio, y características estructurales y geométricas de la estructura a ser soportada. El diseñador de una fundación profunda debe poseer una variedad de habilidades, mucha experiencia y un conocimiento considerable de las ciencias de ingeniería. La metodología de construcción impacta significativamente el rendimiento de las fundaciones y debe considerarse cuidadosamente durante el diseño.

Construcción

La secuencia de la construcción de la fundación puede afectar el rendimiento de la fundación terminada. Para los cimientos apilados, la secuencia de instalación puede influir en la capacidad de pila a través de los efectos sobre las pilas adyacentes y las condiciones del suelo. Conducir pilas en grupos puede causar heave o densificación de suelo circundante, afectando las pilas previamente instaladas. Para las pilas aburridas, mantener la estabilidad del agujero durante la construcción es crítica, especialmente en suelos sueltos o saturados.

La excavación para los niveles del sótano debe ser cuidadosamente planificada y ejecutada. Las excavaciones profundas pueden causar movimientos terrestres que afectan las estructuras adyacentes y pueden alterar las condiciones de estrés en el suelo apoyando la fundación. Es necesario diseñar y aplicar sistemas adecuados de desguace para mantener la estabilidad durante la construcción.

Garantía de calidad y pruebas

Los programas de control de calidad integral son esenciales para la construcción de bases de gran altura. Para las fundaciones de pilas, esto típicamente incluye pruebas de carga de pila para verificar las suposiciones de diseño y la calidad de construcción. Las pruebas de carga estaticas proporcionan la verificación más fiable de la capacidad de pila, aunque son costosas y consumen mucho tiempo. Pruebas dinámicas utilizando analizadores de conducción de pilas ofrece una alternativa más económica para pilas impulsadas, proporcionando una evaluación en tiempo real de la capacidad de pila e integridad durante la instalación.

La prueba de integridad de los ejes perforados y las pilas aburridas es crítica para garantizar la calidad. Métodos tales como logging sonic cross-hole, profiling de integridad térmica y pruebas de integridad de baja tensión pueden detectar defectos tales como escote, inclusiones del suelo o mala calidad de hormigón. Estas pruebas deben realizarse en una muestra representativa de pilas, con pruebas adicionales si se detectan defectos.

Para las fundaciones de esteras, el control de calidad de hormigón es primordial. Para confirmar la eficacia de los métodos de diseño de mezclas y aislamiento, se construyó un cubo de prueba de 3,5 metros con termopares para medir la ganancia de calor diferencial entre el centro y las superficies extremas de la estera antes de la construcción de estera. Las temperaturas medida para el cubo de prueba, así como las temperaturas medida dentro de la estera de la torre en el lugar eran menos que los límites prescritos fijados en la ganancia térmica global y diferencial. Las grandes esteras requieren una cuidadosa planificación para controlar la temperatura de hormigón, prevenir las articulaciones frías y asegurar la calidad uniforme a lo largo del vertido.

Vigilancia e Instrumentación

Los programas de instrumentación y monitoreo proporcionan datos valiosos sobre el rendimiento de la fundación durante y después de la construcción. Se deben instalar puntos de monitoreo para rastrear los movimientos verticales de la fundación y la superestructura. Los inclinometros pueden monitorear los movimientos laterales, especialmente importantes cerca de las excavaciones o en áreas con problemas potenciales de estabilidad de pendiente.

Los piezometros monitorean las presiones de las aguas subterráneas, que son fundamentales para evaluar la eficacia de los sistemas de deshidratación y evaluar los efectos a largo plazo de las aguas subterráneas sobre la base. Las celdas de carga se pueden instalar en pilas seleccionadas para medir la distribución de carga real, verificar las suposiciones de diseño y proporcionar datos para futuros proyectos.

Consideraciones especiales para condiciones específicas de suelo

Diferentes condiciones de suelo presentan desafíos únicos que requieren enfoques de diseño especializados y técnicas de construcción.

Soft Clay Soils

Los suelos de arcilla blanda presentan retos significativos para fundaciones de gran altura debido a su baja capacidad de rodamiento y alta compresión. Las fundaciones flotantes son un sistema de fundación especializado para edificios construidos en suelos blandos, como la turba o la arcilla blanda. Esta fundación funciona distribuyendo la carga del edificio sobre un área más grande, reduciendo la presión sobre el suelo. Este diseño permite que el edificio "flote" en suelo suave sin experimentar un asentamiento significativo.

En depósitos de arcilla blandos, el asentamiento de consolidación puede continuar durante muchos años después de la construcción. Las bases profundas que se extienden a través de capas de arcilla suaves a capas más firmes son típicamente necesarias para edificios de altura. Si no es económicamente factible el cojinete final en estratos firmes, se pueden utilizar pilas de fricción en arcilla, aunque se debe prestar cuidadosa atención al asentamiento a largo plazo y los efectos de la fricción negativa de la piel a medida que el suelo circundante se consolida.

Suelos expansivos

Los suelos expansivos, que se hinchan cuando se se secan y se encogen cuando se secan, pueden causar importantes movimientos de fundación. Para edificios de altura sobre suelos expansivos, se requieren bases profundas que se extienden por debajo de la zona activa de variación de humedad. El diseño debe considerar las fuerzas de elevación de la expansión del suelo y las posibles fuerzas de reducción del suelo. Se pueden proporcionar detalles especiales como espacios vacíos alrededor de las pilas en la zona superior del suelo para acomodar los movimientos del suelo sin transferir cargas a la fundación.

Suelos licuables

En áreas sensiásticamente activas, suelos arenosos sueltos pueden ser susceptibles a la licuefacción durante terremotos. La liquefacción causa una dramática pérdida de fuerza y rigidez del suelo, lo que podría conducir a grandes asentamientos o incluso a un fracaso de capacidad. El diseño de la Fundación en suelos licuados requiere especial consideración, incluyendo técnicas de mejora del suelo para densificar o fortalecer el suelo, fundaciones profundas que se extienden a través de capas licuadas a estratos de rodamientos no licuados, o sistemas estructurales diseñados para dar cabida a grandes deformaciones terrestres.

Rock Foundations

Cuando la roca competente está presente en profundidades poco profundas a moderadas, puede proporcionar un excelente soporte de base para edificios de gran altura. Los cimientos de edificios de alta altura soportan cargas muy pesadas, pero los sistemas desarrollados para edificios de baja altura se utilizan, aunque ampliados en escala. Estas incluyen columnas de caisson de hormigón que llevan sobre roca o edificio sobre roca expuesta en sí misma. Las fundaciones de roca requieren una investigación cuidadosa para caracterizar la calidad del rock, identificar discontinuidades como articulaciones y fracturas, y evaluar el potencial para el clima o deterioro.

Las profundidades de hoja en roca deben ser suficientes para desarrollar una capacidad de rodamiento adecuada y proporcionar fijación para cargas laterales. Las tomas de roca para los ejes perforados suelen extender al menos un diámetro a rocas competentes, aunque pueden ser necesarias mayores profundidades dependiendo de la calidad de roca y las condiciones de carga.

Consideraciones económicas y optimización

Los gastos de la Fundación representan una parte importante de los costos totales de construcción de edificios de gran altura. Optimizar el diseño de la base para lograr el desempeño requerido a un costo mínimo requiere una evaluación cuidadosa de las alternativas y el examen de los costos iniciales de construcción y el rendimiento a largo plazo.

Selección de tipos de fundición

Las preguntas que deben responderse al decidir entre pilas impulsadas y otros sistemas de base profunda se centrarán en los costos relativos de los sistemas disponibles y posibles. El costo de apoyo de la Fundación puede calcularse convenientemente sobre la base de un costo por unidad de carga transportada. Además, se debe considerar la constructibilidad.

La selección entre diferentes tipos de fundaciones debe considerar no sólo los costos de material e instalación sino también factores como el tiempo de construcción, la disponibilidad de equipo, las limitaciones de acceso a los sitios y los posibles efectos en las estructuras adyacentes. En entornos urbanos, las restricciones de ruido y vibración pueden favorecer las pilas aburridas sobre pilotes a pesar de costos más altos. En lugares remotos con acceso limitado, se pueden preferir pilas impulsadas debido a requisitos de equipo más simples.

Optimización de diseño

Dentro de un tipo de fundación seleccionado, existen numerosas oportunidades para la optimización. Para las fundaciones de pilas, la optimización puede implicar ajustar el diámetro de pila, la longitud, el espaciado y la configuración para minimizar el costo total mientras cumple los requisitos de rendimiento. El número, posición, refuerzo y longitud de las pilas se determinan durante el proceso de diseño para garantizar la estabilidad de la estructura y proporcionar una solución económica.

Para las fundaciones de esteras, la optimización implica determinar el espesor óptimo de la estera, que equilibra los costes de hormigón y refuerzo contra los requisitos estructurales. El grosor de la esterilla en la base, con mayor espesor en áreas muy cargadas, puede proporcionar una solución económica manteniendo una capacidad estructural adecuada.

Estudios de ingeniería de valor realizados durante el desarrollo del diseño pueden identificar oportunidades de ahorro de costos sin comprometer el rendimiento. Estos estudios deben incluir la colaboración entre ingenieros estructurales, ingenieros geotécnicos y contratistas para aprovechar su experiencia y experiencia combinadas.

Estudios de casos y aplicaciones prácticas

Examinar aplicaciones del mundo real de diseño de bases de gran altura proporciona valiosas ideas sobre retos y soluciones prácticas.

Burj Khalifa Foundation System

A 828 metros, Burj Khalifa es el edificio más alto del mundo, eclipsando la altura de su par más cercano en casi 40% (320 metros). Completado en 2010, supera las tres categorías de altura definidas por el Consejo de Edificios y Hábitat Urbano. The Burj Khalifa is primarily a reinforced concrete building. El sistema estructural de la torre consiste en la construcción de hormigón armado desde la fundación hasta el nivel 156; sobre el nivel 156 predomina la aguja, que consiste en un sistema de marco de acero estructural. El sistema estructural de la torre se describe como un " núcleo de empuje", que consiste en la construcción de muros de hormigón de alto rendimiento.

El sistema de base para esta estructura icónica demuestra la aplicación de principios avanzados de ingeniería de base para soportar cargas extremas. El proyecto requería una extensa investigación geotécnica, métodos sofisticados de análisis y un control cuidadoso de la calidad de la construcción para asegurar que la fundación pudiera apoyar con seguridad las cargas masivas de superestructura.

Piled Raft Aplicaciones

El diseño del plan muestra las pilas y la base de la alfombra debajo de la torre. Cada pila tiene una capacidad de carga de trabajo de 670 o 730 toneladas métricas dependiendo de su longitud en el rodamiento final combinado y la fricción del eje. Las pilas más profundas se especificaron debajo del núcleo central basado en las cargas verticales superiores en el centro del edificio en comparación con el exterior. Este ejemplo ilustra cómo los sistemas de balsa apilados pueden ser optimizados mediante longitudes de pila variables y capacidades para igualar la distribución de carga de la superestructura.

Software de diseño y herramientas informáticas

El diseño moderno basado en herramientas de software especializadas que permiten a los ingenieros realizar análisis complejos de manera eficiente y precisa.

Foundation Analysis Software

Con el software de diseño de fundaciones, los ingenieros pueden abordar todos los principales retos del diseño de bases profundas en un solo lugar, haciendo que el flujo de trabajo sea más rápido y eficiente. El software puede calcular con precisión la capacidad geotécnica axial para cualquier tipo de pila. El software de diseño de la Fundación ha implementado varios códigos estructurales utilizados en todo el mundo. El software hace todos los cálculos de acuerdo con el estándar seleccionado y calcula el momento de la pila y las capacidades de almacenamiento. Todos los controles y ecuaciones de diseño estructural se pueden incluir en los informes de software.

Estas herramientas integran el análisis geotécnico, el diseño estructural y la verificación de cumplimiento de códigos en una plataforma unificada. Pueden modelar perfiles de suelo complejos, calcular las capacidades de pila utilizando diversos métodos, realizar análisis de carga lateral y diseñar refuerzos según los códigos aplicables. La capacidad de evaluar rápidamente múltiples alternativas de diseño facilita la optimización y ayuda a los ingenieros a identificar la solución más económica.

Análisis de elementos finitos

El análisis tridimensional de elementos finitos se ha vuelto cada vez más importante para los sistemas de base complejos. Estas herramientas pueden modelar la interacción de la estructura del suelo con alta fidelidad, capturando el comportamiento no lineal del suelo, los efectos de la secuencia de la construcción y la interacción entre elementos de fundación. Si bien es más computacionalmente intensivo que los métodos simplificados, el análisis de elementos finitos proporciona ideas difíciles o imposibles de obtener mediante enfoques de análisis convencionales.

Tendencias e innovaciones futuras

La ingeniería de la Fundación sigue evolucionando con nuevas tecnologías, materiales y métodos que prometen mejorar el rendimiento y la economía.

Materiales avanzados

El hormigón de alto rendimiento con resistencias compresivas superiores a 100 MPa se utiliza cada vez más en elementos de fundación, permitiendo secciones transversales más pequeñas y cantidades materiales reducidas. El hormigón reforzado con fibra puede mejorar la durabilidad y reducir la grieta. Los materiales compuestos, como las pilas de polímero reforzados con fibra, ofrecen ventajas en entornos corrosivos o donde las relaciones de fuerza a peso son beneficiosas.

Técnicas de mejora de la tierra

Los métodos avanzados de mejora de suelo pueden transformar las malas condiciones del suelo en apoyo de fundaciones aceptables. Técnicas como mezcla de suelos profundos, chorros y compactación dinámica pueden fortalecer suelos débiles, reducir el potencial de asentamiento y mitigar el riesgo de licuación. Estos métodos pueden proporcionar alternativas económicas a las bases profundas en algunas situaciones.

Diseño basado en el rendimiento

Los enfoques de diseño basados en el rendimiento están ganando aceptación en la ingeniería de fundaciones. En lugar de los requisitos de código prescriptivo, estos métodos se centran en alcanzar objetivos de rendimiento específicos en diversos escenarios de carga. Este enfoque permite diseños más racionales que pueden optimizarse para las condiciones y requisitos específicos de cada proyecto.

Consideraciones de sostenibilidad

La sostenibilidad es cada vez más importante en el diseño de fundaciones. Esto incluye minimizar el consumo de materiales mediante la optimización, utilizando materiales reciclados o de bajo carbono, cuando sea posible, y teniendo en cuenta el impacto ambiental de ciclo de vida completo de los sistemas de base. La reutilización de las fundaciones existentes cuando los sitios de reelaboración pueden reducir significativamente los efectos ambientales y los costos de construcción.

Procedimiento de diseño paso a paso

Un enfoque sistemático del diseño de bases de gran altura garantiza que todos los aspectos críticos se aborden adecuadamente. El procedimiento siguiente proporciona un marco para el diseño de la base:

  1. Definición de proyecto y requisitos: Establecer geometría de construcción, sistema estructural, condiciones de carga y requisitos de rendimiento. Identificar códigos y normas aplicables.
  2. Investigación del sitio: Realizar una investigación geotécnica integral que incluya aburridos, pruebas in situ y pruebas de laboratorio. Caracterizar la estratigrafía del suelo, propiedades de ingeniería y condiciones de las aguas subterráneas.
  3. Preliminary Foundation Selection: Evaluar alternativas de fundación considerando las condiciones del suelo, cargas estructurales, limitaciones del sitio y factores económicos. Seleccione el tipo de fundación más prometedor para el diseño detallado.
  4. Análisis de carga: Determinar todas las cargas que actúan sobre la base incluyendo cargas muertas, cargas vivas, cargas de viento, cargas sísmicas y cargas especiales. Desarrollar combinaciones de carga por códigos aplicables.
  5. Diseño geotécnico: Calcule la capacidad de rodamiento, el asentamiento y la resistencia lateral. Determinar las dimensiones de la fundación requeridas, longitudes de la pila y capacidades, o el espesor de la alfombra y el refuerzo.
  6. Diseño estructural: Realizar análisis estructurales de elementos de fundación. Refuerzo de diseño para doblar, esquilar y perforar. Compruebe todos los estados límite aplicables.
  7. Verificación de diseño: Verificar que el diseño cumple con todos los requisitos de rendimiento con factores adecuados de seguridad. Comprobar la construcción e identificar posibles retos de construcción.
  8. Optimización: Evaluar las oportunidades para reducir los costos manteniendo el desempeño requerido. Considere configuraciones, materiales o métodos de construcción alternativos.
  9. Documentación de la construcción: Preparar dibujos y especificaciones detallados. Incluye requisitos de control de calidad, programas de prueba y criterios de aceptación.
  10. Apoyo a la construcción: Proporcionar soporte técnico durante la construcción, incluyendo revisión de los plazos, observación de la construcción y evaluación de los resultados de las pruebas. Dirija las condiciones de campo que difieren de las hipótesis de diseño.

Desafíos y soluciones de diseño común

Los ingenieros de la Fundación se enfrentan con frecuencia a desafíos que requieren soluciones creativas y juicio de ingeniería.

Condiciones de suelo variables

Las condiciones del suelo a menudo varían significativamente en un edificio. Esta variabilidad puede conducir a asentamientos diferenciales si no se abordan adecuadamente. Las soluciones incluyen diferentes profundidades de la base o longitudes de la pila para alcanzar capas de rodamientos consistentes, utilizando la mejora del suelo para homogeneizar las propiedades del suelo, o diseñando la superestructura para acomodar movimientos diferenciales previstos.

Impactos de la estructura adyacente

En entornos urbanos, la construcción de bases puede afectar a estructuras adyacentes a través de movimientos terrestres, vibraciones o cambios en las condiciones de las aguas subterráneas. La planificación cuidadosa de los sistemas de apoyo a la excavación, la selección de métodos de construcción de baja vibración y la vigilancia de las estructuras adyacentes pueden mitigar estos riesgos. En algunos casos, la base de estructuras adyacentes puede ser necesaria antes de que comience la construcción de la fundación.

Cuestiones de construcción

Los diseños que se ven bien en papel pueden resultar difíciles o imposibles de construir. Las cuestiones comunes de construcción incluyen la falta de autorización para el equipo de construcción, la congestión de refuerzo que impide la colocación adecuada de hormigón y la secuencia de conflictos entre diferentes actividades de construcción. La participación temprana de los contratistas en los exámenes de diseño puede identificar y resolver problemas de construcción antes de que repercutan en el calendario y presupuesto del proyecto.

Requisitos reglamentarios y de código

El diseño de la Fundación debe cumplir con los códigos y normas de construcción aplicables, que varían según la jurisdicción. Código Internacional de Edificios (IBC), ASCE 7 para cargas, y ACI 318 para diseño concreto se utilizan comúnmente en los Estados Unidos. Otros países tienen sus propios códigos, como Eurocodes in Europe, British Standards in the UK, y varios códigos nacionales en otros lugares.

Las normas de diseño geotécnico proporcionan orientación sobre métodos de investigación, procedimientos de análisis y criterios de diseño. Entre ellas figuran las normas AASHTO para las estructuras de transporte, los manuales de FHWA para fundaciones profundas y diversas normas industriales de organizaciones como ASTM International y el Deep Foundations Institute.

Los requisitos de permiso varían según la jurisdicción, pero normalmente requieren la presentación de cálculos de diseño, dibujos e informes geotécnicos para su examen y aprobación por los funcionarios del edificio. Es posible que se necesiten permisos especiales para actividades como el desguace, el amontonamiento en zonas sensibles al ruido o el trabajo que afecte a los derechos públicos.

Gestión del Riesgo y Planificación de Contingencias

La construcción de la Fundación implica incertidumbres y riesgos inherentes que deben identificarse y gestionarse. Un enfoque amplio de gestión de los riesgos incluye la determinación de posibles riesgos, la evaluación de sus probabilidades y consecuencias, la elaboración de estrategias de mitigación y la creación de planes de contingencia.

Los riesgos comunes incluyen encontrar condiciones inesperadas del suelo, problemas de aguas subterráneas, obstrucción como rocas o estructuras enterradas, y defectos de construcción. Los planes de contingencia deben elaborarse para posibles escenarios, incluidos otros diseños de bases que puedan aplicarse si las condiciones difieren significativamente de las asumidas en el diseño original.

La investigación geotécnica adecuada reduce la incertidumbre pero no puede eliminarla por completo. El diseño debe incluir disposiciones para adaptarse a las condiciones de campo, como especificar una gama de longitudes de pila aceptables en lugar de una sola longitud fija, o incluir detalles para las modificaciones de la base que puedan ser necesarias.

Conclusión

El diseño de fundaciones para edificios de gran altura requiere la integración de ingeniería geotécnica, ingeniería estructural, tecnología de construcción y gestión de proyectos. Elegir el tipo adecuado de fundación es un paso crítico en la construcción de un edificio fuerte y duradero de altura. Al considerar factores como el tipo de suelo, la carga del edificio y la actividad sísmica, puede seleccionar el tipo de fundación más adecuado. Además, es muy recomendable consultar con expertos geotécnicos y estructurales para obtener las mejores recomendaciones de base para edificios de alto nivel.

El éxito requiere investigación exhaustiva del sitio, análisis cuidadoso utilizando métodos e instrumentos adecuados, atención a la constructibilidad y control de calidad completo durante la construcción. La fundación debe apoyar con seguridad todas las cargas anticipadas al limitar los asentamientos a niveles aceptables, resistir las fuerzas laterales y revertir los momentos, y proporcionar una durabilidad adecuada para la vida útil prevista del edificio.

A medida que los edificios sigan creciendo y la construcción se traslada a sitios cada vez más difíciles, la ingeniería de fundaciones seguirá evolucionando. Nuevos materiales, métodos de construcción y técnicas de análisis ampliarán las posibilidades de diseño de fundaciones. Sin embargo, los principios fundamentales de entender el comportamiento del suelo, calcular las cargas y capacidades, y asegurar factores adecuados de seguridad seguirán siendo centrales para la ingeniería de fundaciones exitosas.

Los ingenieros que diseñan fundaciones de alto nivel deben combinar conocimientos teóricos con experiencia práctica, ejerciendo juicios sólidos ante la incertidumbre. La colaboración entre ingenieros geotécnicos, ingenieros estructurales, contratistas y otros actores del proyecto es esencial para desarrollar soluciones de base seguras, económicas y edificables. Con la adecuada planificación, análisis y ejecución, se pueden diseñar y construir sistemas de base para apoyar incluso los proyectos de construcción de altura más ambiciosos.

Recursos adicionales

Para los ingenieros que buscan profundizar su conocimiento del diseño de bases de gran altura, hay numerosos recursos disponibles. Organizaciones profesionales como el Instituto de Fundaciones Profundas (Instituto de Fundacións Profundas)https://www.dfi.org), la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (https://www.asce.org), y la Asociación Internacional para el Puente y la Ingeniería Estructural proporcionan publicaciones técnicas, conferencias y programas educativos. Las instituciones académicas ofrecen cursos especializados y programas de investigación en ingeniería geotécnica y fundamental.

Las publicaciones industriales y las revistas técnicas presentan regularmente estudios de casos e investigaciones sobre temas de ingeniería de fundaciones. Mantenerse al día con los acontecimientos sobre el terreno mediante la educación continua y el desarrollo profesional es esencial para los ingenieros que trabajan en proyectos de base de alto nivel. La complejidad e importancia de estos proyectos exigen los más altos niveles de competencia técnica y juicio profesional de los ingenieros responsables de su diseño y construcción.