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Zapatas y losas de cimentación

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zapatas y losas de cimentaciones

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Zapatas y losas de cimentación

  1. 1. ZAPATAS Y LOSAS DE CIMENTACIÓN 1. DEFINICIÓN DE ZAPATAS: Una zapata es un tipo de cimentación superficial (normalmente aislada), que puede ser empleada en terrenos razonablemente homogéneos y de resistencias a compresión medias o altas. Consisten en un ancho prisma de hormigón (concreto) situado bajo los pilares de la estructura. Su función es transmitir al terreno las tensiones a que está sometida el resto de la estructura y anclarla. Cuando no es posible emplear zapatas debe recurrirse a cimentación por pilotaje o losas de cimentación. 2. TIPOS DE ZAPATAS: Las zapatas de cimentación de dividirán en: 2.1. POR SU FORMADE TRABAJAR: 2.1.1.ZAPATAS AISLADAS: Las zapatas aisladas, son elementos estructurales de concreto armado, que sirven para repartir las cargas de la columna al suelo, de tal manera que la resistencia del suelo las soporte. Se deduce que suelos de buena resistencia tendrán zapatas de menor dimensión, con respecto a las construidas en suelos de menor resistencia. Su diseño sirve de base para otro tipo de cimentaciones. Los otros tipos de cimientos fallan por mecanismos similares a los de éstas zapatas: por flexión, adherencia y anclaje, cortante punzonante y cortante por flexió
  2. 2. El diseño consiste en calcular, la forma y dimensiones del concreto, así como la cantidad y tipos de acero de la zapata. Se necesita como datos, conocer: la carga axial de la superestructura, la sección y aceros de la columna que soporta, y la resistencia admisible del suelo (q adm), sobre el que se diseña la zapata. ELEMENTOS BASICOS A, B = Dimensiones en planta de la zapatas t = Dimensiones en planta de la columna
  3. 3. m = Longitud del volado de la zapata H = peralte de la zapata P = carga axial actuante qadm = capacidad de carga admisible del suelo Ld = longitud de anclaje por compresión (o tracción) delacero de columna g= Peso específico promedio del relleno Df = profundidad de cimentacións/c piso = sobrecarga de piso = 500 kg/m A. SEGÚN NORMA:  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. La armadura longitudinal del pilar llega hasta el mallazo, por lo cual se colocan armaduras de espera iguales que las de los pilares.  Solape mínimo: Considerar 30 veces el diámetro de la barra más gruesa del pilar . Normativa referida a zapata aislada de hormigón en masa o armado como cimiento de soportes verticales: Norma Tecnológica NTE-CSZ
  4. 4. B. DISEÑO DE ZAPATAS AISLADAS Para construir una zapata aislada deben independizarse los cimientos y las estructuras de los edificios ubicados en terrenos de naturaleza heterogénea, o con discontinuidades, para que las diferentes partes del edificio tengan cimentaciones estables. Conviene que las instalaciones del edificioestén sobre el plano de los cimientos, sin cortar zapatas ni riostras. Para todo tipo de zapata, el plano de apoyo de la misma debe quedar empotrado 10 cm. en el estrato del terreno. La profundidad del plano de apoyo se fija basándose en el informe geotécnico, sin alterar el comportamiento del terreno bajo el cimiento, a causa de las variaciones del nivel freático o por posibles riesgos debidos a las heladas. Es conveniente llegar a una profundidad mínima por debajo de la cota superficial de 50 u 80 cm. en aquellas zonas afectadas por estas variables. En el caso que el edificio tenga una junta estructural con soporte duplicado (dos pilares), se efectúa una sola zapata para los dos soportes. Conviene utilizar hormigón de consistencia plástica, con áridos de tamaño alrededor de 40 mm. En la ejecución, y antes de echar el hormigón, disponer en el fondo una capa de hormigón pobre de aproximadamente 5 cm de espesor, antes de colocar las armaduras.
  5. 5. 2.1.2.ZAPATAS COMBINADAS Son aquellas fundaciones que soportan mas de una columna. Se opta por esta solución cuando se tienen dos columnas muy juntas y al calcular el área necesaria de zapata para suplir los esfuerzos admisibles sobre el suelo nos da que sus áreas se montan. También se puede construir una fundación combinada en el caso de que una de las columnas sea medianera y se quiera amarrar con una de las fundaciones interiores, note que aquí la misma zapata cumpliría la función de viga de fundación. Otro caso de fundaciones combinadas es cuando soportan mas de dos columnas. Se puede dar cuando el esfuerzo admisible es pequeño y se requiere una gran área de fundación. La combinación puede cubrir columnas de un solo eje y se convierte en fundación alargada. Si se reunen todas las columnas de una edificación se convierte en losa de fundación. a. Fundaciones combinadas para dos columnas: Filosofía de diseño: Se quiere que la presión de contacto sobre el suelo sea uniforme para evitar cualquier rotación de la fundación. Esto se traduce en que entre la resultante de las cargas actuantes de las columnas y la resultante de las presiones del suelo no exista ninguna excentricidad. La posición de la resultante debe coincidir con el centro geométrico de la fundación.
  6. 6. Las geometrías mas comunes para estas zapatas son:
  7. 7. La forma y dimensiones de las fundaciones salen de igualar las ecuaciones de posición de la resultante con el centroide de la fundación. Por ejemplo en el caso de fundación rectangular al igualar esta ecuaciones podemos despejar L. Una vez determinado esta dimensión podemos conocer B por medio de la ecuación de esfuerzos admisibles del suelo: Si el lado L tiene alguna restricción particular, caso de medianería, y la dimensión hallada es mayor que la disponible, entonces tenemos que recurrir a cambiar la forma de la fundación, ya sea por formas trapezoidales o compuestas. En estas formas toca resolver las ecuaciones colocando el valor máximo de L permitido y asumiendo un valor ya sea de B1 o B2 y encontrando el otro. Para el diseño de estas zapatas se sigue la misma metodología de las zapatas con viga de fundación, o sea se construye un diagrama de momentos y cortante en el sentido largo de la fundación y se calcula refuerzo y verifica corte con esos diagramas; para el sentido corto se resuelve el problema como si fuera una fundación simple. Se debe tener en cuenta que en realidad los esfuerzos se reparten en las zonas cercanas a las columnas, entonces se coloca refuerzo de voladizo en el sentido corto en una zona con líneas a 45 grados a partir del eje de columna, en la zona que no abarcan estas líneas, o sea la central, se coloca refuerzo mínimo.
  8. 8. - Continuas bajo pilares. - Continuas bajo muros. - Arriostradas. Por su morfología: - Macizas, Que a su vez pueden ser. - 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. El uso de las zapatas aisladas como elemento de sustentación está limitado y se emplean cuando el terreno tiene, ya en su superficie, una resistencia media o alta en relación con las cargas, y es suficientemente homogéneo como para que no sean de temer asientos diferenciales. En el proyecto de obras de edificación de cualquier tipo deberá figurar, expresamente, una exposición detallada de las características del terreno, a cuyos efectos el Técnico que lo redacta podrá exigir al propietario un estudio del suelo y subsuelo, formulado por Técnico competente. Para su dimensionamiento y cálculo se adopta en todos los casos la hipótesis de reparto de presiones lineal, que corresponde al caso de cimiento rígido sobre terreno elástico. En casos excepcionales, en los que la importancia de la obra lo requiera, se adoptarán repartos diferentes para un dimensionamiento más apropiado de estos elementos. Para el análisis y dimensionamiento riguroso de estos elementos aconsejamos al alumno la lectura y estudio de las obras: - Cimentaciones de Hormigón Armado, autores; Montoya-Meseguer-Morán. - Cálculo de Estructuras de Cimentación, autor; J. Calavera. Abordaremos solo el análisis de zapatas rectangulares por ser las más utilizadas. Se realizará así mediante la condición de no existencia de tracciones en el terreno y con análisis
  9. 9. separados en las dos direcciones principales, cuando existan momentos aplicados en ambas. ZAPATAS CONTINUADAS Se emplea normalmente este tipo de cimentación para sustentar muros de carga, o pilares alineados relativamente próximos, en terrenos de resistencia baja,media o alta. Las zapatas de lindero conforman la cimentación perimetral, soportando los pilares o muros excéntricamente; la sección del conjunto muro-zapata tiene forma de "L" para no invadir la propiedad del vecino. Las zapatas interiores sustentan muros y pilares según su eje y la sección muro-zapata tiene forma de T invertida; poseen la ventaja de distribuir mejor el peso del conjunto. se aplican normalmente a muros. Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en relación con la carga que han de soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión admisible sobre el terreno. Por practicidad se adopta una altura mínima para los cimientos de hormigón de 30 cm.aproximadamente. Si las alturas son mayores se les da una forma escalonada teniendo en cuenta el ángulo de reparto de las presiones. En el caso de que la tierra tendiese a desmoronarse o el cimiento deba escalonarse, se utilizarán encofrados. Si los cimientos se realizan en hormigón apisonado, pueden hormigonarse sin necesidad de los mismos. Si los trabajos de cimentación debieran interrumpirse, se recomienda cortar en escalones la junta vertical para lograr una correcta unión con el tramo siguiente. Asimismo colocar unos hierros de armadura reforzará esta unión. Las Zapatas Corridas son, según el Código Técnico de la Edificación CTE, aquellas zapatas que recogen mas de tres pilares. Las considera así distintas a las zapatas combinadas, que son aquellas que recogen dos pilares. Esta distinción es objeto de debate puesto que una zapata combinada puede soportar perfectament Bajo una línea de pilares puede proyectarse una zapata continua o corrida común para todos los pilares. Asimismo, cuando el elemento estructural es lineal, muro de fábrica de ladrillo o mampostería, la zapata bajo el mismo es continua. No obstante, el planteamiento del cálculo difiere sustancialmente, debido a que el comportamiento del terreno frente a cada una de las solicitaciones es totalmente distinto. En el caso de zapata continua bajo una línea de pilares, no es válido admitir como norma general la reacción uniforme del terreno. Para el cálculo de este tipo de zapatas es necesario plantear el problema elástico de forma más rigurosa, buscándose modelos matemáticos del
  10. 10. suelo, de los cuales el más conocido y difundido por su sencillez es el modelo de WINKLER, que conduce al llamado método del «coeficiente del balasto», que parte de la hipótesis básica de suponer que, en cualquier punto, el asiento es proporcional a la presión que en él se desarrolla. Con este planteamiento se estudia la cimentación por zapatas corri das en el supuesto de que su forma de trabajo sea la correspondiente a una viga; es el cálculo como «viga flotante», que se trata en el Capítulo siguiente. Cuando la zapata corrida recibe un muro, el problema puede abordarse, de forma más sencilla, estudiándola a flexión en el sentido transversal al muro o zapata, y con distribución uniforme de tensiones en el sentido longitudinal. En general bajo muros de fábrica se suelen hacer. zapatas de hormigón en masa de gran canto, figura 3.38 a) o bien soluciones del tipo de la figura 3.38 b). Figura 3.38
  11. 11. Losas de Cimentación. Una placa continua de cimentación es una subestructura que transmite las cargas al suelo y que generalmente abarca toda el área de la base de la subestructura, como si fuera una losa de piso. Una losa de cimentación fácilmente se construye si tiene un espesor uniforme. Se presenta un método aproximado para el análisis y diseño de placas de cimentación, suponiendo que la placa debe ser rígida, gruesa y resistente, las columnas deberán estar apoyadas en dados o pedestales, éstos tienen el mismo objetivo que los capiteles en una losa plana de piso, es decir, ampliar la zona critica para absorber esfuerzos cortantes y momentos flexionantes, evitando concentraciones de esfuerzos locales peligrosos. Se parte de considerar que la placa es rígida y la carga constante, que el suelo plástico se comprimirá de tal manera que la carga de cada columna se distribuirá casi uniformemente bajo la placa en las inmediaciones de dicha columna particular.
  12. 12. Placa de cimentación para un edificio Se colocarán dados o pedestales en cada columna con el objeto de ampliar las secciones críticas hasta un perímetro suficiente con el fin de evitar concentraciones locales de esfuerzos cortantes y flexionantes críticos que puedan provocar fallas en la losa; se puede usar otras alternativas como, un armado embebido en el espesor de la losa pero rehundido, como si fueran zapatas aisladas. Las dimensiones de la base del dado, hp = ancho del pedestal, se recomienda que este comprendido entre un quinto y un cuarto del claro entre columnas. La obtención de las cargas o presiones de contacto sobre la losa de cimentación se pueden obtener considerando que debido a que la placa es rígida y las cargas constantes, el suelo plástico se comprimirá y se reajustará, de tal manera que la carga de cada columna se repetirá casi uniformemente bajo la losa. En la zona próxima a la columna la presión del suelo se obtiene con la expresión Se puede despreciar el peso propio de la losa de acuerdo a criterio del calculista. En los casos donde las cargas de columnas contiguas, difieran mucho, no es recomendable usar este tipo de cimentación debido a la posibilidad de un
  13. 13. hundimiento local por que la placa no puede repartir cargas desiguales a distancias alejadas en suelos compresibles. Se recomienda que la relación entre los claros de columnas largo a corto en direcciones ortogonales no sea mayor de 1.2. Los claros entre ejes de columnas no deben ser mayores de 6 o hasta 7 metros, ya que de mayores dimensiones se requerirá una losa muy gruesa. Para el análisis se considera a la losa dividida en franjas de columnas que tenga un ancho de hp + 3d, o un valor mayor, sin rebasar la mitad de la longitud de claros de lados contiguos, el valor d es el peralte efectivo de la losa. se obtiene una retícula de vigas o franjas de columnas, si esta retícula de vigas es el adecuado se puede imaginar que las losas de las franjas centrales están apoyadas en las vigas, en la figura 4.1 se ilustran las franjas de ejes y con sombra las pequeñas losas centrales. Para canalizar las cargas o presiones del suelo, se trazan líneas a 45° a partir del centro de columnas, resultando áreas de forma triangular o trapezoidal, vea figura Las presiones bajo la superficie abdc se pueden considerar que se distribuyen de la siguiente forma, la franja de columnas soportará la carga correspondiente al área que le corresponde a dicha franja y los pequeños triángulos sobrantes se canalizan a la losa central ghij. En forma similar se procede a distribuir cargas correspondientes al área aeck, y de la misma manera se realiza la distribución para toda la superficie. Ahora se procede al análisis estructural. El cálculo para las franjas de columnas o vigas planas se puede realizar como vigas continuas, usando el método de distribución de momentos o mas conservadoramente como vigas doblemente empotradas.
  14. 14. Losa de cimentación y momentos flexionantes La losa central se puede analizar como una tablero empotrado en sus cuatro bordes, por ejemplo el tablero ghij, dichos empotres se consideran en los bordes de las vigas planas. Otra alternativa es considerar el empotramiento a una distancia, del borde, de un 20% del ancho de las franjas, pero sin exceder el peralte efectivo de la losa. Para analizar la losa se puede usar cualquiera de los métodos de diseño de losas propuestos por los reglamentos.
  15. 15. Una recomendación conservadora para el diseño es la siguiente, para determinar el armado inferior se considera a la losa como si estuviera empotrada en los bordes de las franjas y para el armado superior se considera como simplemente apoyada a lo largo de dichos bordes. Conocidos los elementos mecánicas se procede a diseñar, o sea a determinar las cantidades de refuerzo en las vigas anchas y en las losas centrales.
  16. 16. ANALISIS DE CONDICIONES DE CIMENTACIÓN 1. CARGAS A UTILIZAR Para la elaboración de las conclusiones del EMS, y en caso de contar con la información de las cargas de la edificación, se deberán considerar: a) Para el cálculo del factor de seguridad de cimentaciones: se utilizarán como cargas aplicadas a la cimentación, las Cargas de Servicio que se utilizan para el diseño estructural de las columnas del nivel más bajo de la edificación. b) Para el cálculo del asentamiento de cimentaciones apoyadas sobre suelos granulares y cohesivos: se considerará la Carga obtenida de acuerdo a la Norma Técnica de Edificación E .020 Cargas. c) Para el cálculo de asentamientos, en el caso de edificaciones con sótano en las cuales se emplee plateas o losas de cimentación, se podrá descontar de la carga total de la estructura (carga muerta más sobrecarga más el peso de losa de cimentación) el peso del suelo excavado para la construcción de los sótanos. 2. ASENTAMIENTO TOLERABLE: En todo EMS se deberá indicar el asentamiento tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del estudio. El Asentamiento Diferencial no debe ocasionar una distorsión angular mayor En el caso de suelos granulares el asentamiento diferencial se puede estimar como el 75% del asentamiento total.
  17. 17. Asentamiento Diferencial
  18. 18. 3. CAPACIDAD DE CARGA La capacidad de carga es la presión última o de falla por corte del suelo y se determina utilizando las fórmulas aceptadas por la mecánica de suelos. En suelos cohesivos (arcilla, arcilla limosa y limo-arcillosa), se debe emplear un ángulo de fricción interna ( ) igual a cero. En suelos friccionantes (gravas, arenas y gravas-arenosas), se debe emplear una cohesión (c) igual a cero. 4. FACTOR DE SEGURIDAD FRENTE A UNA FALLA POR CORTE Los factores de seguridad mínimos que deberán tener las cimentaciones son los siguientes: a) Para cargas estáticas: 3,0 b) Para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable): 2,5
  19. 19. 5. PRESIÓN ADMISIBLE La determinación de la Presión Admisible, se efectuará tomando en cuenta los siguientes factores: a) Profundidad de cimentación. b) Dimensión de los elementos de la cimentación. c) Características físico – mecánicas de los suelos ubicados dentro de la zona activa de la cimentación. d) Ubicación del Nivel Freático, considerando su probable variación durante la vida útil de la estructura. e) Probable modificación de las características físico – mecánicas de los suelos, como consecuencia de los cambios en el contenido de humedad. f) Asentamiento tolerable de la estructura.  La presión admisible será la menor de la que se obtenga mediante: a) La aplicación de las ecuaciones de capacidad de carga por corte afectada por el factor de seguridad correspondiente b) La presión que cause el asentamiento admisible.

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