Cimentaciones de Concreto Armado

CIMENTACIONES DE CONCRETO CONCRETO ARMADO I.

INTRODUCCIÓN

Cuando Cuando la estructura estructura transmite transmite cargas cargas muy altas, los momentos momentos y fuerzas fuerzas axiales son muy especiales y grandes, hay que diseñar no sólo la geometría de la cimentación, también al área de acero que pueda resistir y absorber los esfuerzos. Entonces el diseño de cimientos de concreto armado se aplica en cimientos en dónde no sólo basta usar el concreto ciclópeo y el terreno no tiene la suficiente capacidad portante. La carga de trabajo del terreno debe determinarse por medio de experiencias y sondajes a cargo de un especialista en Mecánica de Suelos. En la tabla siguiente se presentan algunos valores aproximados de la carga de trabajo para diferentes tipos de terrenos. Estos se utilizan sólo para diseños preliminares. preliminares. La cimentación es la parte de la estructura situada generalmente por debajo de la superficie del terreno y que transmite las cargas al suelo ó a la roca subyacente. Si debajo de la estructura existe un terreno adecuado y suficientemente resistente se podrá usar una cimentación superficial. En caso contrario se usará una cimentación profunda o piloteada.

II .

JUSTIFICACION

El desarrollo de este trabajo plasma objetivos principales tales como: que el alumno tenga algunos conocimientos sobre las diversas características, conceptos, tipos de cimentaciones y de los diferentes tipos de zapatas.

III .

OBJETIVOS

Saber el concepto de cimentación y de los tipos de cimentaciones. Tener conocimiento sobre el diseño de cimentaciones y cimientos corridos de concreto simple y cimientos de concreto armado. Poder diferenciar cimientos de concreto simple y concreto armado. Tener conocimiento sobre el diseño de zapatas aisladas de concreto simple, zapata zapatas s aislad aisladas as con carga carga axial axial centra centrada da y zapata zapatas s aisla aislada das s con carga carga excéntrica.

IV.

MARCO TEÓRICO

DEFINICIONES: La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno , el cual es el único elemento que no podemos elegir , por lo que la cimentación la realizaremos en función del mismo . Al mismo tiempo este no se encuentra todo a la misma profundidad por lo que eso será otro motivo que nos influye en la decisión de la elección de la cimentación adecuada.

TIPOS DE CIMENTACIONES Entre los diferentes tipos de cimentaciones superficiales, o sea aquellas que estén en contacto directo con el suelo, se tiene:

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(a) zapatas aisladas. que soportan individualmente las cargas transmitidas por  columnas (b) cimentación armada para muros corridos, que tiene la finalidad de repartir  las cargas transmitidas por el muro (c) cimentación combinada. Que soporta dos o mas columnas y se les usa en caso que las columnas están en límite de propiedad o cuando no es conveniente usar zapatas aisladas (d) cimentación conectada, mediante el uso de vigas de conexión para unir  zapatas (e) cimentación excéntrica (f) cimentación continua (g) cimentación reticular  (h) platea de cimentación, y otras. El tipo de cimentación apropiado para cada situación depende de varios factores entre los cuales se tiene: 1. La resistencia y compresibilidad de los estratos del suelo. 2. La magnitud de las cargas de las columnas. 3. La ubicación de la napa freática. 4. La profundidad de cimentación de las edificaciones vecinas. En La figura siguiente se muestran los diferentes tipos de cimentación: zapata de muro o cimiento corrido, zapata aislada, zapata combinada, zapata conectada, zapata sobre pilotes y zapatas continuas, solados o plateas. Su conveniencia en determinadas circunstancias será discutida más adelante

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Superficiales: Son aquellas que apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas. En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se apoyan a suficiente profundidad como para garantizar  que no se producirán deterioros. Las cimentaciones superficiales se clasifican en:

A.1. Cimentaciones ciclópeas En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con parámetros verticales y sin desprendimientos de tierra, el cimiento de concreto ciclópeo es sencillo y económico. El procedimiento para su construcción consiste en ir vaciando dentro de la zanja piedras de diferentes tamaños al tiempo que se vierte la mezcla de concreto en proporción 1:3:5, procurando mezclar  perfectamente el concreto con las piedras, de tal forma que se evite la continuidad en sus juntas. Este es un sistema que ha quedado prácticamente en desuso, se usaba en construcciones con cargas poco importantes; exceptuando las construcciones auxiliares como vallas de cerramiento en terrenos suficientemente resistentes. El hormigón ciclópeo se realiza añadiendo piedras más o menos grandes a medida que se va hormigonando para economizar material. Utilizando este sistema, se puede emplear piedra más pequeña que en los cimientos de mampostería hormigonada. La técnica del hormigón ciclópeo consiste en lanzar las piedras desde el punto más alto de la zanja sobre el hormigón en masa, que se depositará en el cimiento. Precauciones: • • • •

Tratar que las piedras no estén en contacto con la pared de la zanja. Que las piedras no queden amontonadas. Alternar en capas el hormigón y las piedras. Cada piedra debe quedar totalmente envuelta por el hormigón.

A.2. Vigas de Cimentación: Se las emplea en suelos poco resistentes, para integrar linealmente la cimentación de varias columnas. Cuando se integran las columnas superficialmente mediante vigas de cimentación en dos direcciones, se forma una malla de cimentación.

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A.3. Losas de Cimentación: Se emplean en suelos poco resistentes, para integrar superficialmente la cimentación de varias columnas. Cuando al diseñar la cimentación mediante zapatas aislados, la superficie de cimentación supera el 25% del área total, es recomendable utilizar losas de cimentación.

Pilar de borde con refuerzo a punzonamiento. Barras a 45º. Con protección especial.

Cuando la losa incida sobre una medianera construida, deberá disponerse

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una plancha continua de poliestireno de 2 a 5 cm de espesor para evitar  uniones que conduzcan a interferencias adicionales entre cimentaciones. Aunque no sea siempre necesario reforzar los bordes de las losas, aconsejamos disponer una viga embebida y estribada. Los estribos juegan un papel importante frente al posible punzonamiento que podrían originar los pilares y también ayuda a soportar la parrilla superior de armaduras. Para losas de canto < 40 cm la anchura A de la viga de borde será A = H. Para valores superiores, A >= 40 cm.

Pilar central.

Cambio de espesor superior.

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Desnivel mayor que el canto de la losa

Si el espesor B del elemento de conexión es igual que el de las losas, dicho cambio puede establecerse prácticamente en cualquier línea, trabajando el conjunto de una manera continua sin riesgos dignos de mención. Para valores de B inferiores al espesor de la losa se debe comprobar la unión; se recomienda no emplear valores de B menores de 0.40 m.

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Pilar de borde con refuerzo a punzonamiento. Crucetas estribadas. Con protección especial.

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Pilar central con refuerzo a punzonamiento. Crucetas estribadas.

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Viga perimetral de borde

Pilar de borde sobre viga perimetral. Hormigonado contra el terreno.

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Pilar de borde con refuerzo a punzonamiento. Barras a 45º. Hormigonado contra el terreno.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE CIMIENTOS DE CONCRETO ARMADO Presión del Suelo Cada tipo de terreno tiene sus características propias y reacciona ante cargas 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 figura 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

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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. 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.

Cimentación con carga excéntrica En las zapatas cargadas excéntricamente, la reacción del suelo no es uniforme y tiene una distribución que puede ser trapezoidal o triangular. Dependiendo de la excentricidad de la carga, la presión en el suelo es: Si la excentricidad es pequeña. menor que L/6. la presión en los extremos de la zapata es: q1, 2

=

 1 ± 6e      SL    L    P 

donde: q Presión en los extremos de la zapata. P: Caiga axial. e: Excentricidad de la carga axial. S: Dimensión de la cimentación perpendicular a la dirección de análisis. L: Dimensión de la cimentación paralela a la dirección de análisis.

Si la excentricidad es mayor que L/6 parte de la cimentación no recibe ninguna reacción va que no puede existir esfuerzos de tracción entre terreno y zapata. La distribución en este caso es triangular como la mostrada en la figura 2.3.c.

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Para garantizar el equilibrio deben cumplirse dos condiciones: 1. La línea de acción resultante de la reacción del suelo debe coincidir con la línea de acción de la carga excéntrica de la columna de modo que no se presente momento resultante por la excentricidad. 2. La resultante de la presión del suelo debe ser igual a la carga proveniente de la columna para satisfacer el equilibrio de fuerzas verticales. Bajo las condiciones presentadas, la presión en el extremo de la cimentación será

q

2 P  =

(

3S  L

2

−

e

)

Esta expresión es aplicable hasta que la excentricidad es igual a L/2 situación bajo la cual se produce el volteo de la cimentación. En la práctica, sólo se presenta en roca o suelos muy duros. En la mayoría de los casos. la “fluencia del suelo” bajo el extremo de la zapata puede hacer que ésta se inutilice, produciendo una situación equivalente al volteo. Esta condición se presenta cuando la presión en el extremo comprimido causa la falla del suelo. La excentricidad que causa esta condición se denomina e corno se muestra en la figura. Asumiendo que el suelo falla a una presión qf  = 2.5qs se tiene:

Considerando un factor de seguridad de 1.5. la excentricidad máxima a que puede estar sometida la zapata es:

Si se presenta excentricidad en dos direcciones, las presiones en las esquinas de la zapata serán:

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q1,2,3,4 =

 1 ± 6e ± 6e      SL    L    P 

1

2

donde: e1: Excentricidad en la dirección paralela a L. e2: Excentricidad en la dirección paralela a S. Si empleando la expresión anterior, una de las esquinas de la zapata resulta sometida a tracción, es evidente que parte de la zapata se ha desprendido del suelo y por lo tanto, 1a expresión anterior (12-4) pierde validez. En estos casos, se sigue un procedimiento de iteraciones sucesivas para la determinación de la distribución de presiones en el suelo. Cuando la excentricidad es grande y es posible, conviene hacer la zapata excéntrica con la columna, centrándola con la tuerca P para tener una reacción uniforme. Si el cimiento es para el muro (cimiento corrido), recibe el nombre de zapata corrida; trabajando a flexión en un solo sentido y el armado de tensión se colocara perpendicular al muro. Ortogonalmente con el armado de tensión, se colocara una armadura de fraguado y de temperatura capaz de absorber las contracciones y dilataciones de la pie, permitiendo además, fijar en su posición ambos armados mientras se realiza el colocado de la zapata, figura:

Al aumentar mas y mas las cargas, se tendrán que aumentar los también anchos de las zapatas hasta llegar al punto en que se juntarían todas ellas. Cuando eso llega a suceder, conviene mas apoyar la estructura sobre una losa. Este tipo e

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cimentaciones se denomina plataforma corrida de cimentaciones o losa corrida de cimentaciones. Estas losas trabajan apoyadas en las contratrabas, figura:

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO El diseño de cimentaciones involucra una serie de etapas las cuales se enumeran a continuación: 1. Determinación de la presión neta del suelo y dimensionamiento de la zapata. 2. Determinación de la reacción amplificada del suelo. 3. Verificación del corte por flexión y por punzonamiento. 4. Cálculo del refuerzo por flexión o refuerzo longitudinal. 5. Verificación de la conexión columna-zapata o muro-zapata. Cuando se proyecta una cimentación deben considerarse asimismo otros factores. Por ejemplo: (a) en lo posible debe evitarse construir una estructura sobre suelos de calidades diferentes, (b) es recomendable usar el mismo tipo de cimentación, (c) las vigas de cimentación deben ser suficientemente rígidas, (d) debe acortarse el largo de la edificación para evitar asentamientos diferenciales, (e) considerar los efectos de construcciones vecinas y variaciones del suelo. En cuanto al diseño en sí de las cimentaciones, estas se tratan como vigas apoyadas o en voladizo sometidas a las presiones del terreno (como cargas repartidas). Por consiguiente, se les puede diseñar aplicando las teorías conocidas para vigas o losas de concreto armado. Los métodos de diseño son dos: método por  cargas de servicio y método a la rotura. Ambos consideran factores de seguridad adecuados. En este estudio se ha usado el método a la rotura.

ANÁLISIS Y DISEÑO Para la obtención de ábacos, primeramente se han desarrollado programas de cómputo para el análisis y diseño de cada uno de los tipos de cimentación considerada. Estos programas han sido procesados para intervalos de carga, resistencia del terreno y calidades de materiales que comúnmente se utilizan en ala práctica. En este proceso, se aplicaron los siguientes principios generales:

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En los ábacos se optó por considerar como eje de entrada la carga axial de las columnas, obteniéndose así un diseño di recto de las cimentaciones cuando no se consideran los momentos flectores, Sin embargo, es posible tomar en cuenta estos valores a través de un proceso gráfico analítico que consiste en obtener una carga axial equivalente. El dimensionamiento de los elementos se realiza usando las cargas totales (muerta + viva) de servicio y las presiones admisibles del terreno. La capacidad portante del suelo, Qt. se establece basándose en los principios de la mecánica de suelos. Se consideró resistencia del terreno desde 1 Kg/cm 2 hasta 4 Kg/cm2. Se consideró una resistencia del acero de fy = 4200 Kg/cm 2 y calidades de concreto de f’c = 175, 210 y 280 Kg/cm2, dependiendo del modelo de cimentación. La cuantía mínima de acero empleada en zapatas aisladas, cimientos corridos y cimentaciones excéntricas fue igual a 0.0017. En cimentaciones conectadas y combinadas se utilizó una cuantía igual a 0.0020 . Como en el diseño se usa el método de le rotura, las cargas últimas se obtienen usando un coeficiente ponderado de carga K = 1.675 que debe multiplicarse al valor de la carga total de servicio, en lugar de los coeficientes 1.5 para carga muerta y 1.8 para carga viva. Se considera que las columnas por cimentar son de sección transversal cuadrada. En cimentaciones combinadas y cimentaciones conectadas se asumió que la carga soportada por la columna exterior es aproximadamente el 65 % de la carga que soporta la columna interior. Debe mencionarse también que en las cimentaciones conectadas se utilizó una relación largo - ancho de la zapata exterior  igual a 2.5. Los elementos se analizan como vigas en voladizo, vigas apoyadas o vigas continuas que soportan las presiones del terreno que son cargas distribuidas. En el diseño se realiza una verificación de las secciones críticas debido a efectos de flexión, corte y punzonamiento que es bastante importante sobre todo en el caso de zapatas aisladas. Las consideraciones antes mencionadas no significan que se restringe el diseño para determinadas situaciones, ya que por intermedio de simples interpolaciones o por el uso de coeficientes de modificación se podrán resolver otros casos.

ZAPATAS: Las zapatas son cimentaciones superficiales o directas, como toda cimentación ha de garantizar, de forma permanente, la estabilidad de la obra que soporta. Los tipos de zapatas pueden ser:

Clasificación de Zapatas

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•

Por la relación entre sus dimensiones (lo que condiciona su forma de trabajo). De acuerdo a la sección o canto de la zapata, este elemento constructivo responde de distinta manera a las cargas que inciden sobre él. Por lo cual requiere de determinadas dimensiones y la necesidad a veces de ir  armado.

Zapata Maciza (hormigón en masa) La zapata

maciza solo trabaja a la compresión.

Es una zapata que no necesita ir armada, aunque puede colocarse una pequeña armadura si la carga lo requiere, y deesa manera se evita que el cimiento se abra (armadura de reparto). Esta sección suele usarse más en aisladas.

zapatas o cimentaciones continuas que en zapatas

Zapata Flexible : La Zapata Flexible, por sus dimensiones, se encuentra sometida tanto a esfuerzos de compresión como de tracción. La armadura reparte los esfuerzos de tracción producidos en la zona inferior de la zapata. Aunque la cantidad de armadura depende del terreno y de la carga que soporta el cimiento, suele oscilar entre 50 y 100 kg/m3.

Zapata Rígida: La Zapata kg/m3.

Rígida se suele armar con una carga de hierro de alrededor de 25 a 40

En la armadura se utilizan barras de un diámetro mínimo del orden de 12 mm para evitar corrosiones. El recubrimiento mínimo es de 8 cm.

Por la forma: Rectangulares, cuadradas, circulares y poligonales.

Por su forma de trabajar: -

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-

-

Combinadas. Aisladas. Continuas. Arriostradas.

Las Zapatas Combinadas :

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Puede que al predimensionar los cimientos, la distancia entre zapatas resulte pequeña, o en algunos casos, hasta pueden llegar a superponerse.

Zapatas Aisladas:

Zapata en proceso de Hormigonado

Las Zapatas Aisladas son un tipo de Cimentación que sirve de base de elementos estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite.

Armado de la parte inferior : Se realiza un mallazo conformado por 

barras

cruzadas; la separación entre barras no ha de superar los 30 cm.

Recubrimiento para evitar corrosiones: Separación de las armaduras, entre 5 a 10 cm. del borde y del fondo de la zapata, dependiendo del tipo de hormigón utilizado y de las características del terreno.

Barras: Se recomienda utilizar diámetros de barras grandes, mínimo del 12, ante posibles corrosiones.

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