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Diseño y calculo de cimentaciones
Tipo: Resúmenes
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3.1.1 La Reducción de asentamientos diferenciales. 17 3.1.2 Atención de momentos generados por excentricidades no consideradas en el diseño. 18 3.1.3 El mejoramiento del comportamiento sísmico de la estructura. 19 3.1.4 El arriostramiento en laderas. 22 3.1.5 La disminución de la esbeltez en columnas. 23 3.1.7 Dimensiones mínimas. 23 3.1.8 Refuerzo longitudinal. 24 3.1.9 Refuerzo transversal. 24
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FIGURA 1. Cimentación con viga de fundación 16 FIGURA 2. Momento inducido en un extremo de la viga de fundación por el asentamiento diferencial 18 FIGURA 3. La viga de fundación toma los momentos resultantes del análisis estructural y la zapata la carga axial. 18 FIGURA 4. Vigas para arriostramiento en edificios construidos en laderas. 23 FIGURA 5. Zapata concéntrica 25 FIGURA 6. Cortante bidireccional en zapata que soporta columna, pedestal o muro de concreto. 28 FIGURA 7. Cortante bidireccional en zapata que soporta columna metálica. 29 FIGURA 8. Cortante unidireccional en zapata que soporta columna, pedestal o muro de concreto. 31 FIGURA 9. Cortante unidireccional en zapata que soporta columna metálica. 31 FIGURA 10. Sección crítica para el cálculo del momento en zapata que soporta columna, pedestal o muro de concreto. 32 FIGURA 11. Sección crítica para el cálculo del momento en zapata que soporta columna metálica (a) y muro de mampostería estructural (b). 33
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FIGURA 12. Modelo Geométrico y estructural par la verificación del aplastamiento. 34 FIGURA 13. Modelo estructural en zapata con Mu ≠ 0, Pu ≠ 0. Cuando e < L/6. 48 FIGURA 14. Zapata con Mu ≠ 0, Pu ≠ 0. Cuando e > L/6 48 FIGURA 15. Zapata con Pu ≠ 0, Mx ≠ 0, My ≠ 0 64 FIGURA 16. Zapata Medianera. 77 FIGURA 17. Modelo estructural de la zapata medianera sin momento aplicado en la columna presentado por Enrique Kerpel. 78 FIGURA 18. Modelo estructural de la zapata medianera con distribución uniforme de presiones con viga aérea, presentada por José Calavera. 80 FIGURA 19. Modelo estructural de la zapata medianera con distribución variable de presiones con viga aérea, presentada por José Calavera. 81 FIGURA 20. Modelo del giro y del asentamiento en zapata medianera con viga aérea presentado por José Calavera. 82 FIGURA 21. Geometría del modelo estructural de la zapata esquinera con dos vigas aéreas presentado por José Calavera. 107 FIGURA 22. Modelo estructural de la zapata esquinera con distribución variable de presiones y dos vigas aéreas. 108 FIGURA 23. Momentos que actúan sobre la zapata esquinera. 110 FIGURA 24. Distribución del acero de refuerzo en la zapata esquinera. 111 FIGURA 25. Geometría y modelo estructural de la zapata enlazada. 126 FIGURA 26. Apoyo de la viga de enlace en la zapata central. 127 FIGURA 27. Alternativa de apoyo de la viga de enlace en la zapata medianera. 128 FIGURA 28. Sección crítica para el cálculo del momento en zapata continua. 130 FIGURA 29. Alternativa de cimentación consistente en un sistema o entramado de zapatas continuas en dos direcciones. 131 FIGURA 30. Detalle donde se indica la interrupción del apoyo en una zapata continua cuando se presentan vanos en la mampostería. 133 FIGURA 31. Diversas formas de diseñar y construir una losa de cimentación. 136
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El hecho de que el alto grado de especialización con que se realiza el diseño hoy en día haga que los ingenieros estructurales y los ingenieros de suelos tengan diferentes enfoques, afecta en cierto modo el producto final en que se encuentran estas dos disciplinas: el diseño de la cimentación.
En efecto, para el trabajo normal el análisis estructural se realiza normalmente con las hipótesis de que la estructura de los edificios está empotrada en el suelo, es decir, apoyada en un material indeformable. Esta,desgraciadamente, no es una condición común en fundaciones.
De otro lado, el ingeniero de suelos, para el cálculo de las condiciones de servicio por asentamiento del suelo, desprecia la estructura, cuyo modelo son solo fuerzas como resultante de las reacciones.
La realidad es que ni el suelo es indeformable ni la estructura tan flexible como para que sus efectos no estén interrelacionados. Al final de cuentas, el sistema suelo-estructura es un continuo cuyas deformaciones del uno dependen del otro.
Sin embargo, por facilidad en los cálculos, se suele hacer caso omiso de esta dependencia. El caso más reciente es el que se utiliza para el diseño de zapatas comunes. El procedimiento normal casi universalmente aceptado es que se diseñen todas para transmitir la misma presión admisible que recomienda el Ingeniero de Suelos. Basado en este valor, que es con mucho la única liga de los Ingenieros de suelos y estructuras, se dimensionan las zapatas para todos los tamaños, sobre la premisa común de la resistencia de materiales de que a iguales presiones corresponden iguales deformaciones.
Se entiende por cimentación a la parte de la estructura que transmite las cargas al suelo. Cada edificación demanda la necesidad de resolver un problema de cimentación. En la práctica se usan cimentaciones superficiales o cimentaciones profundas, las cuales presentan importantes diferencias en cuanto a su geometría, al comportamiento del suelo, a su funcionalidad estructural y a sus sistemas constructivos.
2.1 CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Una cimentación superficial es un elemento estructural cuya sección transversal es de dimensiones grandes con respecto a la altura y cuya función es trasladar las cargas de una edificación a profundidades relativamente cortas, menores de 4 m aproximadamente con respecto al nivel de la superficie natural de un terreno o de un sótano.
En una cimentación superficial la reacción del suelo equilibra la fuerza transmitida por la estructura. Esta reacción de fuerzas, que no tiene un patrón determinado de distribución, se realiza en la interfase entre el suelo y la sección transversal de la cimentación que está en contacto con él. En este caso, el estado de esfuerzos laterales no reviste mayor importancia. En consecuencia, el comportamiento estructural, de una cimentación superficial tiene las características de una viga o de una placa.
Las cimentaciones superficiales, cuyos sistemas constructivos generalmente no presentan mayores dificultades pueden ser de varios tipos, según su función: zapata aislada, zapata combinada, zapata corrida o losa de cimentación.
En una estructura, una zapata aislada, que puede ser concéntrica, medianera o esquinera se caracteriza por soportar y trasladar al suelo la carga de un apoyo individual; una zapata combinada por soportar y trasladar al suelo la carga de varios apoyos y una losa de cimentación o placa por sostener y transferir al suelo la carga de todos los apoyos.
Las zapatas individuales se plantean como solución en casos sencillos, en suelos de poca compresibilidad, suelos duros, con cargas de la estructura moderadas: edificios hasta de 7 pisos.
Con el fin de darle rigidez lateral al sistema de cimentación, las zapatas aisladas siempre deben interconectarse en ambos sentidos por medio de vigas de amarre.
Las zapatas combinadas se plantean en casos intermedios, esto es, suelos de mediana compresibilidad y cargas no muy altas. Con esta solución se busca una reducción de esfuerzos, dándole cierta rigidez a la estructura, de modo que se restrinjan algunos movimientos relativos.
La losa de cimentación por lo general ocupa toda el área de la edificación. Mediante esta solución se disminuyen los esfuerzos en el suelo y se minimizan los asentamientos diferenciales.
Por las limitaciones de carga de un pilote individual, frecuentemente es necesario utilizar varios elementos para un mismo apoyo de la estructura, este es caso de una zapata aislada apoyada en varios pilotes. En otros casos, la situación puede ser aún más compleja: zapatas combinadas o losas de cimentación apoyadas en varios pilotes.
Cuando se utilizan pilas como sistema de cimentación, generalmente se emplea un elemento por apoyo. Las pilas están asociadas a cargas muy altas, a condiciones del suelo superficialmente desfavorables y a condiciones aceptables en los estratos profundos del suelo, a donde se transmitirán las cargas de la estructura.
En cuanto a los sistemas constructivos, los pilotes pueden ser preexcavados y vaciados en el sitio o hincados o prefabricados e instalados a golpes o mediante vibración o presión mecánica.
Cuando un pilote se hinca, a medida que se clava se está compactando el suelo, y por ende mejorando sus condiciones, en cambio, cuando el pilote se vacía, las características del suelo pueden relajarse.
Generalmente los elementos hincados son reforzados
Las pilas siempre son preexcavadas y vaciadas en el sitio. El sistema constructivo empleado, tendrá incidencia en el diseño.
Las pilas pueden o no ser reforzadas. En las zonas con riesgo sísmico importante conviene reforzarlas, al menos nominalmente.
Las vigas de fundación (Figura 1) son los elementos estructurales que se emplean para amarrar estructuras de cimentación tales como zapatas, dados de pilotes, pilas o caissons, etc.
Figura 1. Cimentación con viga de fundación
A las vigas de fundación tradicionalmente se les han asignado las siguientes funciones principales:
Y las siguientes funciones secundarias:
diferenciales y sin la suficiente rigidez no se recomienda considerarla en el diseño para atender este efecto.
Figura 2. Momento inducido en un extremo de la viga de fundación por el asentamiento diferencial
3.1.2 Atención de momentos generados por excentricidades no consideradas en el diseño. Esta función la ejerce la viga de fundación dependiendo del criterio que se adopte para su diseño.
Figura 3. La viga de fundación toma los momentos resultantes del análisis estructural y la zapata la carga axial.
Es importante considerar que la viga de fundación está apoyada sobre el suelo, no en el aire como se supone en el análisis.
Algunos diseñadores no incluyen la viga en el análisis estructural, pero arbitrariamente la diseñan con los momentos obtenidos en los nudos columna − zapata.
3.1.3 El mejoramiento del comportamiento sísmico de la estructura. Este criterio, de acuerdo con el artículo A.3.6.4.2 de la NSR-98 (1), establece que las vigas de fundación deben resistir una fuerza ya sea de tracción o de compresión (C ó T), dada por la expresión: C ó T = 0.25 Aa Pu (2)
Donde: Aa : Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva para diseño. El valor de este coeficiente debe determinarse de acuerdo con lo estipulado en las secciones A.2.2.2 y A2.2.3 de las NSR–98 (1). Pu: Valor de la fuerza axial mayorada o carga última correspondiente a la columna más cargada (comparando las dos fuerzas axiales a las cuales están sometidas las dos columnas unidas por la viga de amarre).
Por ejemplo, para la ciudad de Medellín el valor de Aa es de 0.20; por lo tanto, para este caso particular, C ó T = 0.05 Pu. Esto significa que una viga de fundación en Medellín debe resistir, a tracción o a compresión, una fuerza axial equivalente al 5% de la fuerza axial (Pu) que actúa sobre la columna más cargada que une la viga.