sesion 01-cimentaciones

8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES

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Curso: Concreto Armado II 1 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento

Ingeniería Civil

CIMENTACIONES

I. GENERALIDADES:

Sabemos que las estructuras se apoyan en el suelo, ya sean edificios,

puentes y represas, están constituidas básicamente por dos partes. La

parte superior (o superestructura) y la parte inferior (o cimentación). Por lo

que deducimos que las cimentaciones son la parte de las estructuras que

se encuentran entre la superestructura y el suelo que le servirá de base o

apoyo.

Las cimentaciones trasmiten directamente las cargas de la estructura al

suelo, por contacto directo, por medio de columnas o muros, teniendo la

cimentación la propiedad de distribuir las cargas de tal forma que el suelo

no sea sobrecargado, ni que sufra asentamientos mayores a los permitidos

en el análisis estructural en estudio.

En conclusión, el problema de diseño de cimentaciones requiere tener un

conocimiento cabal del suelo soportante y de la naturaleza y requerimientos

de la superestructura, o interacción suelo-estructura o suelo-estructura-

sismo.

Se llama cimentación al elemento estructural que transmite las cargas de

las columnas y muros al terreno. La resistencia del suelo es menor que la

resistencia del concreto, por ello, la cimentación tiene mayor área que su

respectiva columna o muro para así reducir los esfuerzos que se transmiten

al terreno.

Todos los suelos se comprimen al someterlos a cargas y causan

asentamientos en la estructura soportada. Los dos requisitos esenciales en

el diseño de cimentaciones son: que el asentamiento total de la estructura

esté lirnitado a una cantidad tolerablemente pequeña y que, en lo posible,




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el asentamiento diferencial de las distintas partes de la estructura se

elimine.

II. CARGAS DE DISEÑO EN CIMENTACIONES:Es necesario tener el conocimiento y criterio adecuados para decidir qué

cargas deben tomarse en cuenta para el diseño de cimentaciones. Cuando

existan cargas horizontales y temporales, tales como viento o sismo, se

considerará el 100% de las cargas verticales y el incremento de estas,

debido a las fuerzas horizontales cuando excede el 25% por este efecto,

no así cuando no excede de esta cantidad, salvo que las especificaciones

de diseño así lo indiquen.

1. Profundidad Mínima de Cimentación:

Cuando la profundidad mínima de cimentación no fue determinada por

consideraciones de capacidad portante o asentamiento, deberán

tomarse en cuenta otros factores, los cuales determinarán este valor

de profundidad mínima de cimentación.

En cimentaciones apoyadas en arcilla se recomienda una profundidad

mínima de aproximadamente un metro; menores profundidades poder

sufrir movimientos, debido a agrietamientos por contracciones o por

esponjamiento del suelo por efectos de cambios de humedad.

En caso de no permitir la cimentación ningún desplazamiento, se

profundizará de 1.50 m a 1.80 m. Esto depende del tipo de arcilla. Los

suelos tipo arenas arcilla o limos saturados sufren el fenómeno de

congelamiento superficial, causando un hinchamiento por esta causa.

Estos efectos no son muy profundos y con unos 60 cm de profundidad

de cimentación es suficiente, debiendo llegarse al metro cuando la capa

freática o saturación llega a unos 60 cm de la superficie.




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2. Capacidad portante o resistente de suelos:

Como el diseño de cimentaciones consiste en encontrar un elemento

que transmita carga de la superestructura al suelo de apoyo, sin que

se produzcan fallas o asentamientos, es necesario encontrar valores

que indiquen las presiones o cargas máximas que los suelos pueden

soportar.

Este dato será proporcionado por el estudio de suelos.

III. PRESION DEL SUELO:

Cada tipo de terreno tiene sus características propias y reacciona antecargas externas de distintos modos. Algunos de los factores que influyen

en la distribución de la reacción del terreno son: la flexibilidad del cimiento

respecto al suelo, el nivel de cimentación y el tipo de terreno. Por ejemplo,

en la Fig. 1 se presenta la distribución de la presión para dos tipos de

suelos: granular y cohesivo.

En el terreno granular se aprecia que la presión en los bordes de la

cimentación es menor que en la zona central debido a la presión ejercida

por las cargas aplicadas tiende a desplazar el suelo en los extremos lo cual

disminuye la reacción.

Este desplazamiento depende de la profundidad de cimentación. Si ésta es

elevada, la fuerza ejercida por el peso propio del terreno impedirá que el

suelo se desplace.

Fig. 1. Tipos de presión en el suelo. a) Uniforme,b) Suelo granular c) Suelo cohesivo




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En el suelo cohesivo, por el contrario, la presión en los bordes de la

cimentación es mayor que en la sección central. El suelo que circunda el

área cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella por efecto de la

cohesión y por ello la reacción se incrementa.

En el diseño, no es práctico considerar la distribución real de la reacción

del suelo, por lo que se asumen dos hipótesis básicas:

1. La cimentación es rígida.

2. El suelo es homogéneo, elástico y aislado del suelo circundante.

Estas suposiciones conllevan a que la distribución de la reacción del suelo,

frente a las cargas transmitidas por la columna sea lineal, consideración

que ha demostrado dar resultados conservadores, excepto en terrenos

cohesivos como limos o arcillas plásticas.

IV. CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO:

El diseño de cimentaciones involucra una serie de etapas las cuales seenumeran a continuación:

a) Determinación de la presión neta del suelo y dimensionamiento de la

zapata.

b) Determinación de la reacción amplificada del suelo.

c) Verificación del corte por flexión y por punzonamiento.

d) Cálculo del refuerzo por flexión o refuerzo longitudinal.

e) Verificación de la conexión columna-zapata o muro-zapata.

V. TIPOS DE CIMENTACIONES

El escoger el tipo de cimentación depende de la naturaleza del suelo, la

ubicación de la superestructura, separación de columnas, ubicación de

columnas respecto a los linderos, asentamientos mínimos permisibles, etc.




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Entre las cimentaciones más comúnmente usadas se tienen las siguientes,

lo cual no quiere decir que no existan otro tipo de cimentaciones especiales.

A. Cimentaciones superficiales:

Pueden clasificarse como zapatas para muros y zapatas paracolumnas (Ver Fig 2). Una zapata para muro consiste en una franja

de concreto reforzado más ancha que el muro y que distribuye su

presión.

Las zapatas para columnas individuales son por lo general cuadradas,

algunas veces rectangulares, y representan el tipo de cimentación

más sencillo y económico. Su utilización para columnas exteriorestiene algunas dificultades si los derechos de propiedad impiden la

utilización de zapatas que se extiendan más allá de los muros

exteriores. Dentro de ellas tenemos:

a) Cimentaciones aisladas o zapatas aisladas.

b) Cimentaciones corridas para muros portantes.

c) Cimentaciones combinadas.

d) Cimentaciones conectadas.

e) Losas de cimentación.

Fig. 2. Tipos de Zapatas superficiales.




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B. Cimentaciones Profundas:

a) Cimentación con pilotes o con pilares (Se

denomina pilote a un elemento constructivo utilizado para

cimentación de obras, que permite trasladar las cargas

hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se

encuentra a una profundidad tal que hace inviable,

técnica o económicamente, una cimentación más

convencional mediante zapatas o losas.)

b) Cimentaciones con Caissons. (pozos de cimentación, se

usan cuando los suelos son blandos para soportar

cimentaciones semiprofundas y de gran peso)

El tipo de cimentación apropiado para cada situación depende de varios

factores entre los cuales se tiene:

La resistencia y compresibilidad de los estratos del suelo.

La magnitud de las cargas de las columnas. La ubicación de la napa freática.

La profundidad de cimentación de las edificaciones vecinas.

Fig. 3. Diferentes Tipos de Cimentación

https://es.wikipedia.org/wiki/Suelo

https://es.wikipedia.org/wiki/Cimentaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Zapata_(cimentaci%C3%B3n)

https://es.wikipedia.org/wiki/Losa_de_cimentaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Losa_de_cimentaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Zapata_(cimentaci%C3%B3n)

https://es.wikipedia.org/wiki/Cimentaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Suelo




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CRITERIOS PARA ELEGIR EL TIPO DE CIMENTACION

Siempre que sea posible debe emplearse zapatas aisladas por su

menor costo y porque es posible resistir con ellas no solo cargas

axiales sino también momentos.

Para el caso de columnas perimetrales, cuando la carga axial no es

muy elevada, es posible emplear zapatas aisladas excéntricas,

siempre que la columna este unida a una viga o losa en la parte

superior, de tal forma que pueda equilibrar el momento producido por

la excentricidad de la zapata, con una fuerza de tracción desarrollada

en el elemento de techos.

También otra alternativa es el uso de vigas de cimentación (zapatas

continuas) a lo largo del perímetro de la edificación, que puede ser una

solución económicamente competitiva ya que además reemplazará alcimiento del muro, perimetral que seguramente existe.

Si la carga axial en las columnas perimetrales es muy alta, la solución

anterior no es aplicable. En este caso se recomienda el uso de zapatas

conectadas, que resulta generalmente la solución más económica.

Cuando las columnas están muy cerca y las columnas se superponen,

se utilizan zapatas combinadas,

Cuando se tienen la posibilidad de asentamientos importantes, se

pueden emplear zapatas aisladas unidas con vigas rígidas de

cimentación.




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1. Zapatas Aisladas:

Las zapatas aisladas son losas rectangulares o cuadradas que sirven de

apoyo a columnas. Tiene peralte constante o variable, disminuyendo hacia

los bordes. También pueden ser escalonadas como la presentada en la

Fig. 4. En este caso, el elemento debe vaciarse integralmente y no por

escalones.

Las zapatas aisladas son el tipo más usual de cimentación pues son las

más económicas. La columna puede ser centrada o excéntrica, aunque el

primer caso es el más común. Si la cimentación se ubica en el límite de

propiedad, la excentricidad de las cargas aplicadas puede ser tan elevada

que la capacidad portante del suelo es superada. En estos casos se hace

uso de las zapatas conectadas o combinadas las cuales se presentan en

las secciones siguientes.

Las zapatas aisladas pueden ser de concreto simple o de concreto

armado. Sin embargo, las primeras no se pueden usar ni sobre pilotes ni

en zonas sísmicas.

La distribución de presiones debajo de una zapata con una carga simétrica

no es uniforme. La forma de distribución de presiones depende del tipo de

material de apoyo y del grado de rigidez de la zapata. Ver Fig. 4.

Fig. 4. Zapatas aisladas de peralte variable.




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Por la ubicación de la columna con cargas verticales en la zapata en

planta, pueden ser zapatas centradas o excéntricas, Asimismo, podrán

presentar, además de la carga vertical “P”, momentos en uno o dos ejes.

a. Zapatas centradas:

b. Zapatas excéntricas:

Fig. 5. Zapatas aisladas centradas.

Fig. 5. Zapatas excéntricas.




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1.1 Zapatas aisladas y centradas:

Carga Vertical (P):

En el diseño de la zapata tendremos en cuenta los siguientes

pasos:

a. Dimensionamiento en planta = área.

b. Dimensionamiento en elevación = “d”.

c. Verificación por transferencia de esfuerzos.

d. Verificación de adherencia y longitud de desarrollo.

e. Cálculo de acero necesario por flexión = As

f. Verificación por adherencia.

Desarrollaremos cada uno de estos pasos:

a. Dimensionamiento en planta:

Cálculo del área de la zapata “Az”:

d mínimo :

Sin armadura d ≥ 20 cm Armada sobre suelo d ≥ 15 cm Armada sobre pilotes d ≥ 30 cm Sin armadura sobre (no se permite)

pilotes

Az = Área de la zapata

P = Carga de servicio

Pv = Suma de cargas verticales de

servicioPp = Peso propio de la zapata

Pn = Cargas adicionales

σt = Presión admisible del suelo (qa)

qo = Presión por relleno




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Si consideramos el relleno sobre la zapata, usaremos el mayor valor del

área como área mínima entre las dos siguientes fórmulas:

b. Dimensionamiento en elevación:

La condición para determinar el peralte efectivo de las zapatas, se

basa en que la sección debe resistir el cortante por penetración

(cortante por punzonamiento).

Calculamos la altura de la zapata “d”, mediante la verificación de

cortantes:

Cortante por punzonamiento.

Cortante por flexión.

De los dos se tomará el valor “d” mayor.

Cortante por punzonamiento:

En el caso que la carga P, actúesin excentricidad es necesariobuscar que el valor de “m” sea el

mismo.




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Donde:

Se verifica a la distancia “d/2” de la cara de

la columna.

Wn = Presión real del suelo.

d = Podemos tomar entre 0.60 o 0.7 m en

un primer tanteo.

=Vo

.

Donde:

Vc = Esfuerzo cortante actuante

Vo = Corte total actuante

bo = Perímetro de zona de falla

bo = 2 ( t + b + 2d )

d = altura efectiva de la zapata (sinrecubrimiento)

Ap = área entre los bordes

Vo = Wn x Ap

=Wn [ ( AxB) −(bd)(td)]

2d ( t b 2d )

Vu = Esfuerzo permisible de corte porpunzonamiento:

La resistencia del concreto de corte por

punzonamiento es igual a la menordeterminada a través de las siguientesexpresiones:




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Otra forma de comprobar el peralte de la zapata es con las

siguientes expresiones:

Esta última nos dará una expresión en función de “d”, que debemos

resolver.

Peralte mínimo: El peralte de la zapata (por encima del refuerzo de

flexión), será de cm.




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Cortante por flexión:

c. Verificación por transferencia de esfuerzos:




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d. Verificación de adherencia y longitud de desarrollo.

e. Cálculo del área de acero “As” necesaria por flexión:

Según ACI 318-05:

En zapatas en una dirección y zapatas cuadradas en dos

direcciones, el refuerzo será distribuido uniformemente a través de

todo el ancho de la zapata.

En zapatas rectangulares en dos direcciones, el refuerzo será

distribuido de acuerdo a las siguientes recomendaciones:

El refuerzo en la dirección larga será distribuido

uniformemente a través de todo el ancho de la zapata.

El refuerzo en la dirección corta, se deberá repartir en dos

partes, una porción (la mayor) será distribuida

uniformemente sobre una franja central igual al ancho de la

zapata en la dirección corta, siendo este refuerzo el dado

por:

=

+1

Donde:

=

El refuerzo restante será distribuido uniformemente sobre

las franjas laterales.

ld = 0.0755 fy db / √ `

ld = 0.00427 fy db

ld = 20 cm

db = diámetro de la varilla



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f. Transferencia en la fuerza de la base de la columna:

Las fuerzas y los momentos en la base de la columna son transferidos

a la zapata por apoyo sobre el concreto, con refuerzo de acero y/o

dowells.

El esfuerzo de contacto entre la columna y la zapata no deberá exceder

la resistencia de aplastamiento del concreto. La resistencia de

aplastamiento del concreto será:

En caso que se exceda la resistencia de aplastamiento del concreto, se

usarán refuerzos o dowels. Pero sea este o no el caso, deberá tenerse

un mínimo de refuerzos o dowells igual a 0.005 Ag y no menor a 4

varillas.

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