INFORME ZAPATAS

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INDICE Introducción…………………………………………………………………………..3 Objetivos............................................................................................................. 4 Generalidades………………………………………………………………………...4 Esfuerzos de compresión…………………………………………………..4 Presión del suelo………………………………………………………….....4 Esfuerzo de corte…………………………………………………………….5 Momento flector………………………………………………………...........5 Tipos de zapatas……………………………………………………………………..6 Zapatas combinadas y corridas…………………………………………...7 Pozos de cimentación o caissons………………………………………...9 Emparrillados………………………………………………………………..10 Losas………………………………………………………………………….11 Pilotes………………………………………………………………………...15 Zapatas aisladas…………………………………………………………….16 Tipos de zapatas aisladas…………………………………………19 Zapata aislada cuadrada …………………………………..19 Zapata aislada rectangular………………………………...20 Zapata aislada descentradas……………………………...20 Procedimiento constructivo de una zapata aislada…………..21 Dimensionamiento de una zapata aislada……………………...24 Canto óptimo en zapatas aisladas con carga centrada……...25 2

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Calculo de zapatas aisladas flexibles…………………………...27 Zapata rígida aislada.- método simplificado…………………...28 Tablas…………………………………………………………………29 Panel fotográfico

ZAPATAS INTRODUCCIÒN Las estructuras se apoyan en el terreno, por lo que este pasa a conforma una parte más de la misma, debido a que el terreno por sus condiciones naturales, presenta menos resistencia y mayor de formabilidad que los demás componentes que conforma la estructura, la edificación, por lo que no puede resistir cargas al igual que a estructura, debido a ello se busca implementar cierto artificio a la estructura que permita transmitir y repartir las cargas al terreno de una manera adecuada para que el mismo no falle o se deforme al exceder su resistencia puntual, este artificios son la cimentaciones o apoyos de la estructura. Estas cimentaciones o apoyos deben ser dimensionados en base a las características de terreno y de las cargas de la estructura, y las cuales son de distinto tipo de acuerdo a la utilidad que se busca y al comportamiento natural del terreno.

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Para fines del trabajo se desarrolla las cimentaciones directa abriendo preámbulo con que es una cimentación y cuál es la función que cumple, para luego si adentrarse en los distintos factores, parámetros, circunstancias, consideraciones especiales, calculo, interés entre otro, referente a las cimentaciones directa o superficiales, entendiendo que las misma son cementaciones poco profunda, que reparten la cargas en un plano horizontal, utilizadas sobre todo cuando la características naturales del suelo permiten su aplicación.

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OBJETIVO: El objetivo del presente trabajo es facilitar el cálculo y el diseño de zapatas aisladas de concreto reforzado, a su vez:  Desarrollar un programa para que sea eficiente el diseño de zapatas, proporcionado al usuario una herramienta de fácil manejo y acceso.  Mostrar una alternativa de proceso de diseño de zapatas aisladas de concreto.

GENERALIDADES: Las zapatas son miembros estructurales que se ncargan de transmitir la carga total de las columnas, pilares o muros, incluyendo su peso propio sobre un area de terreno suficiente para que los esfuerzos transmitidos esten dentro de los limites permitidos para el suelo que lo soporta. Los esfuerzos criticos que se se provocan las zapatas son: a)

Esfuerzos de compresión El código del así permite esfuerzos de compresión de 0.375 f’c y para

áreas intermedias puede interpolarse. b)

Presión del suelo La obtenemos al dividir la carga total incluyendo el peso propio entre el

área de la zapata más o menos el producto del momento por la distancia del eje neutro entre el momento de inercia de la base.

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Esta presión así obtenida debe ser igual o menor que la presión admitida y no debe de existir tensiones entre el suelo y la zapata. R = P/A ± My / I c)

Esfuerzo de corte Los esfuerzos de corte máximos en las zapatas se localizan a una

distancia de la columna o de la base del dado de la mitad del peralte. En el caso de muros el corte máximo estará a una distancia de un peralte completo.

d)

R =F/A Momento flector Es la suma algebraica de todos los momentos, de todas las fuerzas que

actúan a la izquierda o a la derecha de una diferencial dx. Normalmente el momento flexionante que actúa en la zapata es el máximo momento que se puede presentar en la estructura en ese punto, y la zapata debe ser capaz de absorberla. En conclusión una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro, que tiene por objeto transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo. Las zapatas que soportan una sola columna se llaman individuales o zapatas aisladas. La zapata que se construye debajo de un muro se llama zapata corrida o zapata continua. Si una zapata soporta varias columnas se llama zapata combinada. En la figura 1, se pueden observar los tipos de zapata, que posteriormente serán expuestas con detalle.

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Las zapatas son cimentaciones superficiales o directas, como toda cimentación ha de garantizar, de forma permanente, la estabilidad de la obra que soporta.

Tipos de zapatas Por su forma de trabajar:     

Aisladas. Combinadas. Continúas bajo pilares. Continúas bajo muros. Arriostradas.

Por su morfología:  Macizas, Que a su vez pueden ser. 7

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   

Rectas. Escalonadas. Piramidales. Aligeradas.

Por la relación entre sus dimensiones (lo que condiciona su forma de trabajo).  Rígidas. En las que el vuelo es menor o igual a dos veces el canto.  Flexibles. En las que el vuelo es mayor a dos veces el canto. Por la forma:

 Rectangulares, cuadradas, circulares y poligonales.

TIPOS DE ZAPATA: Zapatas combinadas y corridas 1. Cuando la capacidad portante del terreno sea pequeña o moderada, existan varios pilares muy próximos entre sí, o bien las cargas por pilar sean muy elevadas; el dimensionado de los cimientos puede dar lugar a zapatas aisladas muy cercanas, incluso solapadas. En ese caso se podrá recurrir a la unión de varias zapatas en una sola, llamada zapata combinada cuando recoja dos o más pilares, o zapata corrida cuando recoja tres o más alineados. 2. El diseño de zapatas combinadas o corridas podrá ser recomendable para evitar movimientos o asientos diferenciales excesivos entre varios pilares, ya sea por una variación importante de sus cargas o por posibles heterogeneidades del terreno de cimentación. 3. Asimismo, si en la base de pilar se producen momentos flectores importantes, lo que puede dar lugar a excentricidades grandes, las zapatas combinadas y corridas podrán constituir una solución apropiada,

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ya que podrán facilitar que, en su conjunto, la carga total se sitúe relativamente centrada con el centro de gravedad de la zapata. 4. La forma habitual en planta de las zapatas combinadas será la rectangular, aunque ocasionalmente podrá resultar conveniente emplear zapatas combinadas de formas irregulares, particularmente de planta trapecial. 5. Un caso particular de zapata corrida será la empleada para cimentar muros. En el caso de muros de sótano en los que los pilares forman parte del muro sobresaliendo del mismo, el cimiento del muro más el pilar puede considerarse una zapata corrida que generalmente tendrá un ensanchamiento en la zona del pilar en sentido transversal. Consideraciones generales En las zonas frías, las zapatas se desplantan comúnmente a una profundidad no menor que la penetración normal de la congelación. En los climas más calientes, y especialmente en las regiones semiáridas, la profundidad mínima de las zapatas puede depender de la mayor profundidad a que los cambios estacionales de humedad produzcan una contracción y expansión apreciable del suelo.

La elevación a la que se desplanta una zapata, depende del carácter del subsuelo, de la carga que debe soportar, y del costo del cimiento. Ordinariamente, la zapata se desplanta a la altura máxima en que pueda encontrarse en material que tenga la capacidad de carga adecuada. La excavación para una zapata de concreto reforzado debe mantenerse seca, para poder colocar el refuerzo y sostenerlo en su posición correcta mientras se cuela el concreto. Para hacer esto en los suelos que contienen agua puede ser 9

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necesario bombear, ya sea de cárcamos o de un sistema de drenes instalado previamente.

Pozos de cimentación o caissons 1. Se podrán realizar pozos de cimentación cuando el terreno lo permita y la ejecución sea ventajosa con respecto a otras soluciones. 2. Los pozos más habituales en edificación son de dos tipos (véase Figura 4.5). El primero consiste en un relleno de la excavación desde la cota de apoyo con hormigón pobre, situando la zapata encima de éste de forma que se transmitan las cargas a la profundidad deseada. El segundo tipo, menos habitual, consiste en bajar la cota de zapata hasta alcanzar el nivel de terreno competente de apoyo, elevando a continuación un plinto de gran rigidez con el fin de evitar problemas de pandeo. 3. La comprobación de los estados límite último y de servicio se hará sobre el plano de apoyo elegido de forma análoga al de zapatas aisladas, añadiendo a las cargas transmitidas por la estructura el peso de la columna de hormigón pobre. 4. En la comprobación del estado límite último frente al hundimiento debe tenerse en cuenta la profundidad del plano de apoyo y el empleo del concepto de presión neta (apartado 4.3). 5. En el caso de que no se justifique la colaboración lateral del terreno siguiendo los criterios de la mecánica del suelo y existan momentos o esfuerzos

horizontales

apreciables

se

deben

introducir

vigas

centradoras.

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Emparrillados 1. Cuando el terreno presente baja capacidad de carga y elevada deformabilidad, o bien muestre heterogeneidades que hagan prever asientos totales elevados y, consiguientemente, importantes asientos diferenciales, se podrá cimentar por el sistema de emparrillados. 2. En este caso todos los pilares de la estructura quedarán recogidos en una única cimentación, consistente en zapatas corridas entrecruzadas en malla habitualmente ortogonal. Al quedar así reunidos todos los apoyos de la estructura en una sola cimentación se podrá conseguir una considerable rigidización con el fin de disminuir el problema de la heterogeneidad del terreno impidiendo grandes asientos diferenciales.

Losas 1. Se podrán emplear en los casos indicados en el apartado anterior o cuando el área cubierta por posibles cimentaciones aisladas o por emparrillados cubra un porcentaje elevado de la superficie de ocupación en planta del edificio. 2. Las losas de cimentación pueden ser de los siguientes tipos: continúa y uniforme, con refuerzos bajo pilares, con pedestales, con sección en cajón, nervada, aligerada. Figura 4.6 3. La losa recogerá los elementos estructurales del edificio y cubrirá el área disponible, dando así lugar a la mínima presión unitaria, pero a la 11

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máxima anchura de cimentación. Especialmente en el caso de suelos compresibles de gran espesor, estas consideraciones pueden dar lugar a asientos considerables a no ser que se planteen compensaciones de cargas. 4. Las losas de cimentación se utilizarán preferentemente para reducir los asientos diferenciales en terrenos heterogéneos, o cuando exista una variabilidad importante de cargas entre apoyos cercanos. El sistema de cimentación por losa tiende a integrar estas heterogeneidades, aunque a cambio de una distribución irregular de las presiones sobre el terreno. 5. También podrá ser conveniente una solución mediante losa cuando, aunque el terreno de apoyo sea homogéneo y resistente, el edificio contenga sótanos y su cota inferior se sitúe por debajo del nivel freático. En estos casos se debe tener en cuenta los posibles empujes ascensionales del agua subálvea (supresión) y los requisitos de estanquidad necesarios. 6. Cuando el edificio vaya a disponer de sótanos y se vaya a cimentar por medio de losa, es posible que el peso de las tierras excavadas sea semejante al peso total del edificio. En ese caso, la presión unitaria neta que transmitirá la losa al terreno será del mismo orden de magnitud que la presión efectiva preexistente, y los asientos serán probablemente de pequeña entidad. Esta situación particular se denomina cimentación compensada. 7. La cimentación compensada de edificios con zonas de diferente altura (y por tanto de peso) podrá requerir la disposición de un número variable de sótanos distribuidos de forma proporcional al número de plantas a construir por encima de la superficie del terreno. En estas circunstancias será preciso disponer juntas estructurales debidamente tratadas entre 12

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las diferentes zonas del edificio, e intentar que el centro de gravedad de las acciones de la estructura en cada zona coincida con el centro de gravedad de las losas, de forma que se reduzca cualquier tendencia al giro. Asimismo será necesario analizar con detalle los asientos inducidos sobre las construcciones colindantes.

Consideraciones generales  Desventajas Cabe mencionar que entre más grande sea la losa más costosos resultan los procedimientos constructivos, en estos casos pudiera ser preferente una cimentación a base de pilas o pilotes. El costo de construcción no es la única desventaja de este tipo de cimientos, al estar en contacto con el suelo una gran área de la losa, es necesario protegerla contra la acción de la humedad, la acción de los álcalis y la lixiviación entre otros fenómenos indeseables para el buen funcionamiento de la cimentación.  Drenaje, impermeabilización y protección contra la humedad Es casi inevitable que ocurran filtraciones de agua en los sótanos de los edificios, ya que es precisamente esta parte de la construcción la que está en 13

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contacto directo con el suelo, más aún si consideramos los posibles defectos de la construcción. También es importante el considerar las condiciones de aguas freáticas del suelo al proyectar la profundidad de la excavación necesaria para desplantar la losa o cajón de cimentación. Si debe desplantarse por debajo del nivel freático, deben tomarse precauciones especiales para evitar filtraciones importantes dentro de la estructura. En general se utilizan dos métodos: la utilización de drenajes y la impermeabilización.

1. Drenajes: Los drenajes son bastante útiles cuando las filtraciones son pequeñas ya que es fácil evacuar el agua acumulada a bajo costo, frecuentemente por gravedad, por medio de albañales o zanjas. Entre los drenes más comunes están los en zapatas y los de piso, los drenes en zapata se fabrican con tramos cortos de PVC con pequeñas perforaciones que se tienden en zanjas cavadas a un lado de la base de la zapata para ser rellenadas posteriormente con material de filtro; los últimos 30 cm de relleno se hacen con material menos permeable para evitar que se filtre el agua de la superficie. Los drenes de piso no son muy comunes sin embargo, es posible que hayan flujos de agua por debajo de la losa por lo que se aconseja el uso de drenaje. Estos drenes no deberán conectarse a tubos de bajadas pluviales ni a drenes superficiales. 2. Impermeabilización: Si la cantidad de agua que se colecta en los drenes es muy grande, es recomendable el uso de impermeabilizantes en el sótano y permitir que la losa quede sujeta a la presión del agua freática. Uno de los métodos más eficientes es el de membrana, que consiste en colocar una membrana de material asfáltico cerca del 14

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exterior del edificio. El material asfáltico se aplica en caliente y es bastante flexible y lo suficientemente dúctil como para mantener su integridad en caso de que se presenten pequeños agrietamientos en la estructura. Para que la membrana sea totalmente efectiva debe cubrir en su totalidad la superficie de la estructura que esté en contacto con el agua, para ello se requiere la construcción de un sub-piso sobre el cual se coloca la membrana antes de construir la losa como tal. Los muros y pisos que quedan dentro de la membrana están sometidos a la acción de la presión del agua, por lo que deben diseñarse para soportar dichas acciones.

Actualmente

pueden

utilizarse

otros

tipos

de

impermeabilizantes especiales o bien pueden usarse aditivos para disminuir la permeabilidad del concreto como el humo de sílice y/o escorias de silicio.

Pilotes Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña en comparación con su longitud. Se hincan en el suelo a base de golpes generados por maquinaria especializada, en grupos o en filas, conteniendo cada uno el suficiente número de pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro. Son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón. La figura 3 representa pilotes prefabricados y la figura 4, dichas estructuras en vista espacial. 15

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Zapatas

aisladas

Es en

la

aquella zapata que

descansa

recae un solo

pilar.

Encargada de

transmitir

o

a

través de su superficie de cimentación los elementos mecánicos al terreno. La zapata no necesita junta pues al estar empotrada en el terreno no se ve afectada por los cambios térmicos, aunque en las estructuras si que es normal además de aconsejable poner una junta cada 30 mts aproximadamente, en estos casos la zapata se calcula como si sobre ella solo recayese un único pilar. Importante es saber que además del peso del edificio y las sobrecargas, hay que tener también en cuenta el peso de las tierras que descansan sobre sus vuelos. 1. Cuando el terreno sea firme y competente, se pueda cimentar con una presión media alta y se esperen asientos pequeños o moderados, la

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cimentación normal de los pilares de un edificio estará basada en zapatas individuales o aisladas. 2. En general, las zapatas interiores serán de planta cuadrada, tanto por su facilidad constructiva como por la sencillez del modo estructural de trabajo. Sin embargo, podrá convenir diseñar zapatas de planta rectangular o con otra forma, entre otros, en los siguientes casos:  las separaciones entre crujías sean diferentes en dos sentidos perpendiculares;  existan momentos flectores en una dirección;  los pilares sean de sección rectangular;  se haya de cimentar dos pilares contiguos separados por una junta de dilatación;  casos especiales de difícil geometría. 3. Si los condicionantes geométricos lo permiten, las zapatas de medianería serán de planta rectangular, preferentemente con una mayor dimensión paralela a la medianería, y las de esquina de planta cuadrada. 4. Desde el punto de vista estructural se tendrán en cuenta las prescripciones de la instrucción EHE (Figura 4.3), y se considerarán estructuralmente rígidas las zapatas cuyo vuelo v, en la dirección principal de mayor vuelo, sea menor o igual que dos veces el canto h (v ≤ 2h). Las zapatas se considerarán flexibles en caso contrario (v>2h). Esta

definición

de

rigidez

estructural

no

presupone

ningún

comportamiento específico sobre la distribución de presiones en el terreno y se incluye en este DB al sólo efecto de diferenciarla del concepto de rigidez relativa descrito en los temas siguientes.

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5. Las zapatas aisladas se podrán unir entre sí mediante vigas de atado o soleras, que tendrán como objeto principal evitar desplazamientos laterales. En especial se tendrá en cuenta la necesidad de atado de zapatas en aquellos casos prescritos en la Norma de Construcción Sismo resistente NCSE vigente. 6. Podrá ser conveniente unir zapatas aisladas, en especial las fuertemente excéntricas como son las de medianería y esquina, a otras zapatas contiguas mediante vigas centradoras para resistir momentos aplicados por muros o pilares, o para redistribuir cargas y presiones sobre el terreno (Figura 4.4). Para cumplir este cometido se podrá disponer

asimismo

de

otras

múltiples

posibilidades

de

diseño

(contribución de forjados, introducción de tirantes, etc.), debiendo justificarse en cada caso. 7. En el caso de vigas de atado o vigas centradoras hormigonadas directamente sobre el terreno, deben considerarse los posibles esfuerzos derivados del asiento previsto en las zapatas unidas por ellas. Del mismo modo se considerarán los efectos derivados de cualquier otro movimiento relativo que pueda inducir esfuerzos sobre dichas vigas y sobre los demás elementos de cimentación unidos por ellas. En especial

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no se considera aconsejable recurrir al apoyo directo de las vigas de unión entre zapatas en el caso de cimentar sobre terrenos meta estables (expansivos o colapsables).

Tipos de zapatas aisladas Zapata aislada cuadrada La zapata aislada comúnmente se utiliza para transportar la carga concentrada de una columna cuya función principal consiste en aumentar el área de apoyo en ambas direcciones. En general, su construcción se aconseja cuando la carga de la columna es de 75% más baja que la carga de la capacidad admisible del suelo. Se recomienda que la zapata aislada se deberá emplearse cuando el suelo tenga la capacidad de una carga admisible no menor de 10000 kg/m2 con el fin que sus lados no resulten exageradamente grandes. El cálculo de estas zapatas se basa en los esfuerzos críticos a que se encuentran sometidas, pero su diseño lo determina el esfuerzo cortante de la penetración Zapata aislada rectangular

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La zapata aislada rectangular es prácticamente igual a la cuadrada; ambas trabajan y se calculan en forma similar y se recomiendan en aquellos casos donde los ejes de la columna se encuentran limitados o demasiados juntos. Por su forma rectangular presenta dos secciones críticas distintas para calcular por flexión. En zapatas que soporten elementos de concreto, será el plomo vertical tangente a la cara de la columna o pedestal en ambos lados de la zapata.

Zapata aislada descentradas Tienen la particularidad de que las cargas que sobre ellas caen, lo hacen en forma descentrada, por lo que se producen unos momentos de vuelco que habrá de contrarrestar. Las formas de trabajo se solucionan y realizan como la zapata aislada con la salvedad de la problemática que supone el que produzca momentos de vuelo, debido a la excentricidad de las cargas. Algunas de las soluciones para evitar el momento de vuelco seria utilizando una contra trabe. Utilizando contra trabe, esta atreves de su trabajo a flexión, tiene la misión de absorber el momento de vuelco de la zapata descentrada. Deberá tener gran inercia y estar fuertemente armada.

Procedimiento constructivo de una zapata aislada a) Trazo y excavación de la zapata El trazo de la zapata se hace utilizando la regla 3-4-5 para que los lados queden perfectamente perpendiculares. Esta regla consiste en medir de un 20

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costado 30 cm., del otro costado 40 cm. y la diagonal según el teorema de Pitágoras nos debe de dar 50 cm.

Una vez hecho el trazo de la zapata se procede a excavar hasta llegar al terreno resistente. En caso de que exista estudio de mecánica de suelos se deberá llegar a la profundidad que dicte el estudio. Al llegar al estrato resistente se procederá a compactar con una compactadora de motor excéntrico para que vibre y comprima con el objeto de que el terreno obtenga deformaciones de cero y de esta manera evitar que el terreno se deforme con las cargas de la zapata. b) Colocación de una plantilla de concreto Una vez compactado el terreno se precede a colar una plantilla de concreto con una resistencia a la compresión de f 'c = 100 Kg. /cm2 y un espesor de 5 cm. sin armado, esto con el objeto de evitar que se deteriore el suelo que ya está preparado y compactado y en caso de lluvia que la estructura del terreno no se modifique Plantilla de concreto sin armado F'c=100kg/cm2

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c) Colocación de acero inferior de la zapata Se procede a colocar el acero inferior de la zapata utilizando varilla de marcas reconocidas que nos garanticen una resistencia de f y = 4200 Kg. /cm2 y en caso de utilizar varillas de laminadoras no conocidas se deberá de pedir una prueba de laboratorio con el objeto de cerciorarnos que la fatiga de fluencia de la varilla de esa laminadora no sea menor de f y = *200 Kg. /cm2. La varilla deberá de tener un doblez en los extremos para garantizar la adherencia y el anclaje.

d) Colocación de acero vertical del dado de la columna

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Se arma el acero del dado de la columna con sus respectivas estribos de varilla dejando la longitud de anclaje del dado hacia los vértices de la zapata , se coloca el dado y se amarra alambre recocido a la varilla de la parrilla de la zapata.

e) Colocación del acero vertical de la columna Se armara la columna, si la columna es de concreto se construirá con su altura final más el anclaje de apoyo en el acero inferior de la zapata, si la columna es de acero el armado de la columna se cortara a la altura del dado y deberá de tener incluida una placa metálica de apoyo de la columna con sus anclas.

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Dimensionamiento de una zapata aislada Zapatas cuadradas.- Determinación de dimensiones por tanteo.

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Canto óptimo en zapatas aisladas con carga centrada

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Método de flexión Sección de referencia    

0,15. a (pilares de hormigón) Punto medio cara pilar y borde Placa (pilares metálicos) Armado

Calculo de zapatas aisladas flexibles Para el flector producido por la reacción del terreno en la sección de referencia.

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Comprobación a tensiones tangenciales T Cortante Zapatas estrechas (comentarios) T Punzonamiento Zapatas bidimensionales

Zapata rígida aislada.- método simplificado

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Tablas comparativas de armado para zapatas con carga centrada

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PANEL FOTOGRÁFICO 1. Corte de los alambres de amarre para los aceros (parrilla y columna)

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2. Corte de los fierros para los aceros (parrillas y columnas)

3. El doblado de los fierros para los aceros (parrillas y columnas)

4. Amarre del acero (parrilla)

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5. Formación de los aceros (parrilla)

6. Formación de los aceros (columnas)

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7. Unión de los aceros (parrilla con columna)

8. Colocación de una plantilla de concreto

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9. Colocacion del acero inferior de la zapata

10. Colocación de acero vertical del dado de la columna

11. Sedimentación de la zapata

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12. Secado de la zapata

13. Relleno de la zapata con tipos de suelo

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