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Universidad Nacional de ColombiaSede Manizales Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Cimentaciones. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.

Requerimientos de comportamiento.

Referencias:

• CODUTO, D. Foundation Design – Principles and Practices (2001).• Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10

(2010).

31/08/2015 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 1

Código de Hammurabi.

“Si un constructor edificauna casa para un hombrey no la hace firme, y lacasa así construidacolapsa y causa la muertede su propietario, elconstructor deberá serejecutado”.

Babilonia, 2000 A.C.Fotografía: Estela babilonia con el Código de Hammurabi en el museo de Louvre (http://clio.rediris.es/fichas/hammurabi.htm ).


http://clio.rediris.es/fichas/hammurabi.htm

Preguntas de interés para el Ingeniero de Cimentaciones.

• ¿Qué funciones desempeñará el producto final?

• ¿Cuáles son los criterios apropiados de diseño?

• ¿Qué constituye un comportamiento aceptable?

• ¿Qué constituye un comportamiento inaceptable?


Definición del concepto de falla.

“La falla es una diferencia

inaceptable entre el

comportamiento esperado

y el comportamiento

observado”.

(Gerald A. Leonards, 1982).


http://www.ejge.com/People/Leonards/Leonards.htm

http://www.ejge.com/People/Leonards/Leonards.htm

• Ejemplo:

– Se diseña una cimentación estimando un asentamiento de 1.0 pulgada(25 mm) pero, al ser cargada, esta se asienta 1.1 pulgadas (28 mm).Esta diferencia no constituye una falla y se encuentra dentro del factorde seguridad.

– No obstante, si la cimentación se asienta 10 pulgadas (254 mm), estecomportamiento sí es inaceptable y se clasificaría como falla.

• Los estándares de comportamiento son diferentes para las estructuras endiversos lugares.

– Un asentamiento que produzca grietas de 3 milímetros es inaceptableen una residencia lujosa, pero será imperceptible en una bodegaindustrial.


Cargas de diseño.

• El proceso de diseño de una cimentación requiere la definición delas cargas aplicadas por la superestructura.

• Tipo y origen de las cargas:

– Cargas normales, designadas por la letra P.

– Cargas cortantes, designadas por la letra V.

– Cargas de momento, designadas por la letra M.

– Cargas de torsión, designadas por la letra T.



x

z

y

Eje de la cimentación

T

P

Mx

My

Vx

Vy

Coduto, 2001.

Tipos de cargas.

• Cargas normales (P):

– Actúan paralelas al eje de lacimentación.

– El eje suele ser vertical, de forma quela carga normal corresponde a lacomponente vertical de la cargaaplicada.

– Puede ser carga de compresión(hacia abajo) o de tracción (haciaarriba).

– Es el tipo de carga predominante enlas cimentaciones de edificios ypuentes.

• Cargas de cortante (V):

– Actúan en dirección perpendicular aleje de la cimentación.

– Se pueden expresar en componentesen las direcciones X & Y.

• Cargas de momento (M):

– Se expresan en componentes en lasdirecciones X & Y.

• Cargas de torsión (T):

– Son importantes en la cimentaciónde señales de tránsito u otrassuperestructuras sometidas a laacción del viento.


Origen de las cargas.

• Carga muerta (D: dead load):

– Cargas por peso de la estructura,incluyendo los equipos yelementos instalados de formapermanente.

• Carga viva (L: live load):

– Cargas debidas al uso y ocupaciónprevistos de la estructura.

– Comprenden las personas,muebles, inventarios, trabajos demantenimiento, divisiones móviles,equipos móviles y vehículos, entreotros.

• Cargas de nieve (S: snow) o lluvia(R: rain):

– Tipo especial de carga debida a laacumulación estática de la nieve ola lluvia sobre los techos de lasedificaciones.

• Cargas de presión de tierras (H:height of wall):

– Peso y presiones laterales de lossuelos y las rocas que actúan(empujan) las estructuras decontención.


• Cargas de fluidos (F: fluidload):

– Cargas debidas a fluidos conpresiones y alturas máximasbien definidas como, porejemplo, un tanque dealmacenamiento de agua.

• Cargas sísmicas (E: earthquakeload):

– Cargas debidas a lasaceleraciones inducidas por losterremotos.

• Cargas de viento (W: windload):

– Cargas inducidas por la accióndel viento sobre lasestructuras.

• Cargas por deformacionesimpuestas (T: environmentalload):

– Cargas causadas por cambiosde temperatura, retracción,cambios de humedad, flujoplástico, asentamientodiferencial y procesos similares.


• Cargas de impacto (I: impactload):

– Cargas debidas a efectosvibratorios, dinámicos o deimpacto.

– El impacto de los barcos es muyimportante en puentes ypuertos, por ejemplo.

• Cargas de flujos (SF: soil fluxload) y de nieve (ICE):

– Cargas causadas por la acciónde cuerpos de agua o de nieve.

– Son importantes en puentes,plataformas marítimas ypuertos.

• Cargas centrífugas (CF:centrifuge load) y de frenado(BF: breaking load):

– Son causadas por los vehículosen movimiento sobre laestructura.

– La fuerza centrífuga sepresenta en zonas de giro enpuentes curvos y las zonas defrenado en áreas de detenciónde los vehículos.


• Cada fuente de carga se identificacon un subíndice, por ejemplo, PDes una carga normal muerta, o MEes una carga de momento debida asismo.

• La carga muerta es la suma delpeso de todos los elementosestructurales.

– La carga muerta se puede estimarcon cierta precisión y suelepermanecer cerca del valor de diseñodurante la vida útil de la estructura.

– Una estimación errónea de la cargamuerta suele deberse a una malacomunicación entre el IngenieroEstructural y otros profesionales.

– Ejemplo: Una remodelación de unedificio puede incluir nuevos muros osistemas de aire acondicionado, etc.

– También hay cambio en las cargasmuertas si las dimensionesconstruidas difieren sustancialmentede las de los planos.

• Algunas cargas se calculan a partirde principios de la mecánica, porejemplo, las cargas de los fluidosconfinados dentro de un tanque.

• La mayor parte de las cargas estándefinidas en los códigos deconstrucción con valoresconservadores.


Tabla B.4.2.1-1. Cargas vivas mínimas uniformemente distribuidas (NSR-10).


Ocupación o uso Carga uniforme (kN/m²) m² de área en planta

Carga uniforme (kgf/m²) m² de área en planta

Reunión

BalconesCorredores y escalerasSilletería fija (fijada al piso)GimnasiosVestíbulosSilletería móvilÁreas recreativasPlataformasEscenarios

5.05.03.05.05.05.05.05.07.5

500500300500500500500500750

OficinasCorredores y escalerasOficinasRestaurantes

3.02.05.0

300200500

Educativos

Salones de claseCorredores y escalerasBibliotecas

Salones de lecturaEstanterías

2.05.0

2.07.0

200500

200700

Fábricas Industrias livianasIndustrias pesadas

5.010.0

5001,000

InstitucionalCuartos de cirugía, laboratoriosCuartos privadosCorredores y escaleras

4.02.05.0

400200500

Comercio MinoristaMayorista

5.06.0

500600

ResidencialBalconesCuartos privados y sus corredoresEscaleras

5.01.83.0

500180300

Almacenamiento LivianoPesado

6.012.0

6001,200

Garajes Garajes para automóviles de pasajerosGarajes para vehículos de carga de hasta 2,000 kgf de capacidad

2.55.0

250500

Coliseos y Estadios GraderíasEscaleras

5.05.0

500500

Métodos de expresión de las cargas.

Diseño por esfuerzos admisibles.

• ASD: “Allowable Stress Design”.

• Método de diseño de esfuerzosde trabajo.

• Las cargas de diseño sonestimaciones conservadoras delas cargas reales de servicio.

Diseño por factores de carga yresistencia.

• LRFD: “Load and resistancefactors design”.

• Método de diseño de resistenciaúltima.

• Aplica factores de carga a lascargas nominales y factores deresistencia a la capacidad últimaobtenida de un análisis deresistencia límite.


• Diseño por esfuerzosadmisibles (ASD):

– Evaluación de la carga dediseño:

• Se estima la combinacióncrítica de varias fuentes decarga definidas por los códigosde construcción.

• Se debe verificar cuál códigoes aplicable para el proyecto.

– Las ecuaciones propuestas seaplican para las cargas normal,cortante, de momento otorsión. Se debe prestar muchaatención a la dirección (signo)de la carga.

– Ejemplo: El código “ASCE 7-98.Minimum Design Loads forBuildings and Other Structures”(1998) propone las siguientescombinaciones para el ASD:


𝐷 + 𝐹

𝐷 + 𝐹 + 𝐻 + 𝑊 + 0.7𝐸

𝐷 + 𝐿 + 𝐹 + 𝐻 + 𝑇

𝐷 + 𝐹 + 𝐻 + 𝐿𝑟 ó 𝑆 ó 𝑅

𝐷 + 𝐹 + 𝐻 + 0.75 𝐿 + 𝑇+0.75 𝐿𝑟 ó 𝑆 ó 𝑅

𝐷 + 𝐹 + 𝐻 + 0.75 𝑊 ó 0.7𝐸 + 0.75𝐿+0.75(𝐿𝑟 ó 𝑆 ó 𝑅)

0.6𝐷 +𝑊 +𝐻

0.6𝐷 + 0.7𝐸 + 𝐻

– Algunos códigos permitenmayores capacidadesadmisibles de carga en losmateriales estructurales y enel suelo cuando se considerancombinaciones de carga conviento (W) o sismo (E).

– La capacidad adicional sueleser un 33% de la capacidadestática y se tiene en cuentaaplicado un factor de (1 / 1.33= 0.75) a las combinacionesde carga.

– El proceso de diseño poresfuerzos admisibles comparala carga de diseño establecida(combinación crítica) con lacarga admisible.

– La carga admisible es lacapacidad última divididaentre un factor de seguridad.


[NSR-10 B.2.3.] Combinaciones de carga para ser utilizadas con elmétodo de esfuerzos de trabajo o en las verificaciones del estadolímite de servicio

• D: Carga muerta consistente en:

– Peso propio de los elementos.

– Peso de todos los materiales deconstrucción incorporados en laedificación y que sonpermanentemente soportados porel elemento, incluyendo muros yparticiones divisorias de espacios.

– Peso de los equipos instalados deforma permanente.

• E: Fuerzas sísmicas reducidas dediseño (E = Fs / R) que se empleanpara diseñar los miembrosestructurales.

• Ed: Fuerza sísmica del umbral dedaño.

• F: Cargas debidas al peso y lapresión de fluidos con densidadesbien definidas y alturas máximascontrolables.

• Fa: Carga debida a la inundación.

• Fs: Fuerzas sísmicas calculadas deacuerdo con los requisitos delTítulo A del Reglamento.

• G: Carga viva debida al granizo sintener en cuenta la contribución delempozamiento.


• L: Cargas vivas debidas al uso yocupación de la edificación,incluyendo cargas debidas aobjetos móviles, particiones que sepueden cambiar de sitio, etc.

L incluye cualquier reducción quese permita. Si se toma en cuenta laresistencia a cargas de impacto,este efecto debe tenerse en cuentaen la carga viva L.

• Le: Carga de empozamiento deagua.

• Lr: Carga viva sobre cubierta.

• L0: Carga viva sin reducir (kN/m²).

• H: Cargas debidas al empuje lateraldel suelo, del agua subterránea ode materiales almacenados conrestricción horizontal.

• R0: Coeficiente de capacidad dedisipación de energía básicodefinido para cada sistemaestructural y para cada grado decapacidad de disipación de energíadel material estructural.


• R: Coeficiente de capacidad dedisipación de energía para serempleado en el diseño.

Corresponde al coeficiente dedisipación de energía básicomultiplicado por los coeficientes dereducción de capacidad dedisipación de energía porirregularidades en altura y en planta,y por ausencia de redundancia en elsistema estructural de resistenciasísmica.

• T: Fuerzas y efectos causados porefectos acumulados de variación detemperatura, retracción de fraguado,flujo plástico, cambios de humedad,asentamiento diferencial ocombinación de varios de estosefectos.

• W: Carga de viento.


𝑅 = 𝜑𝑎 ∙ 𝜑𝑝 ∙ 𝜑𝑟 ∙ 𝑅0


𝐷 + 𝐹

𝐷 + 𝐻 + 𝐹 + 𝐿 + 𝑇

𝐷 + 𝐻 + 𝐹 + 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

𝐷 +𝐻 + 𝐹 + 0.75 𝐿 + 𝑇 + 0.75 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

𝐷 + 𝐻 + 𝐹 +𝑊

𝐷 +𝐻 + 𝐹 + 0.7𝐸

𝐷 + 𝐻 + 𝐹 + 0.75𝑊 + 0.75𝐿 + 0.75 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

𝐷 + 𝐻 + 𝐹 + 0.75 0.7𝐸 + 0.75𝐿 + 0.75 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

0.6𝐷 +𝑊 +𝐻

0.6𝐷 + 0.7𝐸 + 𝐻

• Diseño por factores de carga yresistencia (LRFD):

– Emplea factores amplificadoresde las cargas nominales (γ ≥ 1.0).Por ejemplo, para carga normal:

– Emplea factores reductores deresistencia sobre la capacidadúltima (φ ≤ 1.0). El diseño debesatisfacer:

– Se aplican ecuaciones similarespara cortante (V) y momento (M).

• [NSR-10 B.2.4.] Combinacionesde cargas mayoradas usandoel método de resistencia.

– Se usan para todos losmateriales estructurales delReglamento, salvo que seindique que el análisis se debehacer por esfuerzos de trabajo.

– Las fuerzas sísmicas se hanreducido por el coeficiente R.

– En las ecuaciones 3 a 5 sepuede reducir el factor de cargaviva L a 0.5, salvo para L0 > 4.8kN/m².


𝑃𝑈 = 𝛾1 ∙ 𝑃𝐷 + 𝛾2 ∙ 𝑃𝐿 +⋯

𝑃𝑈 ≤ 𝜑𝑃𝑛


1.4 𝐷 + 𝐹

1.2𝐷 + 1.6 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒 + 1.0𝐿 ó 0.8𝑊

1.2𝐷 + 1.6𝑊 + 1.0𝐿 + 0.5 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

1.2𝐷 + 1.0𝐸 + 1.0𝐿

0.9𝐷 + 1.6𝑊 + 1.6𝐻

0.9𝐷 + 1.0𝐸 + 1.6𝐻

𝐸 =𝐹𝑠𝑅

B.2.4-1

B.2.4-2

B.2.4-3

B.2.4-4

B.2.4-5

B.2.4-6

B.2.4-7

1.2 𝐷 + 𝐹 + 𝑇 + 1.6 𝐿 + 𝐻 + 0.5 𝐿𝑟 ó 𝐺 ó 𝐿𝑒

Procedimiento de diseño yconstrucción según la NSR-10.

A.1.3.5. Diseño de la Cimentación: Los efectosde las diferentes solicitaciones, incluyendo losefectos de los movimientos sísmicos de diseñosobre los elementos de la cimentación y elsuelo de soporte so obtienen así:

a. Para efectos del diseño estructural de loselementos que componen lacimentación, se emplean los resultadosde las combinaciones realizadas en elpaso 11 de A.1.3.4, empleando las cargasapropiadas y las fuerzas sísmicasreducidas de diseño, E, a partir de lasreacciones de la estructura sobre estoselementos, tomando en cuenta lacapacidad de la estructura. En el diseñode los elementos de cimentación debenseguirse los requisitos propios delmaterial estructural y del título H de esteReglamento.

b. Para efectos de obtener los esfuerzossobre el suelo de cimentación, a partirde las reacciones de la estructura y sucimentación sobre el suelo, se empleanlas combinaciones de carga para elmétodo de esfuerzos de trabajo de lasección B.2.3, empleando las cargasapropiadas y las fuerzas sísmicasreducidas de diseño, E. Los efectos de laestructura y del sismo sobre el suelo asíobtenidos están definidos al nivel deesfuerzos de trabajo y deben evaluarsede acuerdo con los requisitos del Título Hde este Reglamento.


Requerimientos de resistencia.

• Los requerimientos de resistenciason:

– De tipo geotécnico.

– De tipo estructural.

• Su propósito es evitar las fallascatastróficas.

• Requerimientos geotécnicos deresistencia:

– Capacidad del suelo o de la rocapara soportar las cargas de lacimentación sin fallar.

– La resistencia del suelo estácontrolada por su capacidad parasoportar esfuerzos cortantes.

– En cimentaciones tipo zapatacorrida, la resistencia geotécnica seexpresa como capacidad portantedel suelo o capacidad de soportedel suelo.

– Este tipo de análisis suele hacersecon el método de diseño poresfuerzos admisibles (ASD), aunquepodría emplearse el método dediseño basado en factores de cargay resistencia (LRFD).



Falla por capacidad portante bajo una cimentación del tipo zapata corrida. El suelo falló por esfuerzo cortante excesivo, causando el colapso de la cimentación.

Coduto, 2001.

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http://elearning.vtu.ac.in/11/enotes/geotechengg/Unit 7-NH.pdf

• Requerimientos estructuralesde resistencia:

– Corresponden a la integridadestructural de la cimentación ysu capacidad para soportar lascargas aplicadas con seguridad.

• Por ejemplo, en pilotes deacero A36 se debe mantenerun esfuerzo límite de trabajo(12,600 psi); por ende, lasección del pilote debe ser talque el esfuerzo en el acero nosupere este valor.

– Los análisis estructurales serealizan con los métodos dediseño por esfuerzosadmisibles o por factores decarga y resistencia de acuerdocon el tipo de cimentación, elmaterial estructural y el códigode construcción que seaaplicable.


Requerimientos de serviciabilidad.

• Las cimentaciones quesatisfacen los requerimientosde resistencia no suelencolapsar.

• No obstante, es factible quepresente comportamientosinapropiados que afecten sufunción.

• Los requerimientos deserviciabilidad buscan producircimentaciones que secomporten bien bajo lascargas de servicio.

• Entre dichos requerimientosse incluyen:

– Asentamiento.

– Elevación.

– Inclinación.

– Movimiento lateral.

– Vibración.

– Durabilidad.


Asentamiento.

• Movimiento descendente de la estructuradebido a las cargas aplicadas sobre el terreno.

• No existen cimentaciones sinasentamientos. El reto es mantener elasentamiento dentro de límites tolerables.

• Respuesta estructural frente al asentamiento:

– Asentamiento uniforme. Problemasfuncionales con el entorno.

– Asentamiento linealmente variable.Inclinación.

– Asentamiento irregular. Distorsión estructural.

• El análisis de la respuesta estructural escomplejo, de forma que se consideran dosclases de asentamiento para el diseño:asentamiento total y asentamiento diferencial.


Coduto, 2001.

Asentamiento uniforme.

Inclinación sin distorsión.

Distorsión.


Palacio de las Bellas Artes en Ciudad de México. Asentamientodiferencial de 2 metros (Lambe & Whitman, 1969).

La misma edificación (Vásquez-Varela, 2013).

Asentamiento total.

• Cambio en la cota de la cimentación dela posición original (sin carga) a laposición final (cargada).

• Problemas asociados con un excesivoasentamiento total:

– Daños en las conexiones conestructuras existentes.

– Daños en las líneas de serviciospúblicos. Muy nocivo en alcantarillados.

– Drenaje superficial ineficiente.Vulnerabilidad a las inundaciones.

– Dificultad en el acceso peatonal yvehicular.

– Afectación estética.

• Medidas de mitigación paraasentamientos totales excesivos.

– Ajuste el diseño de la cimentación,por ejemplo, las dimensiones de laszapatas.

– Emplee una cimentación de mayorcomplejidad, por ejemplo, pilotes enlugar de zapatas.

– Mejore las propiedades del suelo.

– Rediseñe la estructura para que seamás tolerante frente a losasentamientos estimados.


• [NSR-10 H.4.8. Asentamientos].

– La seguridad en el estado límite de servicio requiere la evaluación de:

• Asentamientos inmediatos.

• Asentamientos por consolidación.

• Asentamientos secundarios.

• Asentamientos por sismo.

– Los macizos rocosos se consideran medios elásticos, isótropos oanisótropos, y continuos o discontinuos. En ellos no se consideranasentamientos instantáneos ni de consolidación.


• En la siguiente tabla se presentanvalores típicos de asentamientototal máximo admisibleconsiderando razones estéticas(Coduto, 2011).

• El valor máximo de asentamientode la NSR10 (150 a 300 mm) estácontrolado por el efecto deldrenaje (consolidación) de lafundación.

• [NSR-10. H.4.9. Efectos de losasentamientos]:

• H.4.9.2. Límites de asentamientostotales: Los asentamientos totalescalculados a 20 años se debenlimitar a los siguientes valores:

– Para construcciones aisladas 30 cm,siempre y cuando no se afecten lafuncionalidad de conducciones deservicios y accesos a la construcción.

– Para construcciones entremedianeros 15 cm, siempre y cuandono se afecten las construcciones einstalaciones vecinas.


Tipo de estructura

Asentamiento total admisible típico, δa (incluye FS)

(pulgadas) (mm)

Edificios de oficinas

0.5 – 2.0 (1.0 valor más común)

12 – 50 (25)

Edificios de industria pesada

1.0 – 3.0 25 – 75

Puentes 2.0 50

Asentamiento diferencial.

• El diseño considera un asentamiento totalpara toda la estructura.; sin embargo, enla realidad, el asentamiento de lasdiferentes partes de la cimentación puedeser diferente por:

– La heterogeneidad del perfil de suelo en elsitio (causa muy frecuente).

– La relación entre la carga real y la carga dediseño puede variar en las columnas. Lacolumna con la menor relación se asentarámenos.

– La relación entre la carga muerta y la cargaviva puede variar en las columnas. La cargaviva estimada se presenta en muy pocasocasiones, de forma que las cimentacionesdiseñadas para una gran carga viva seasentarán menos.

– Las dimensiones de la cimentaciónconstruida difieren de aquellas definidasen los planos.

• El asentamiento diferencial es ladiferencia entre los asentamientostotales de dos cimentaciones o de dospuntos de una misma cimentación.

• El asentamiento diferencial causaráproblemas como:

– La distorsión de la estructura.

– El agrietamiento de los muros.

– Los atascos de puertas y ventanas.

– Una estética desagradable.

• El asentamiento diferencial puedeamenazar la integridad de la estructura.


• La modelación de los problemasasociados con el asentamientodiferencial es compleja, por lo cual serecurre a métodos empíricos basadosen mediciones sobre estructuras enservicio.

• El asentamiento diferencial se evalúacon una ecuación de la forma:

• Donde δa: asentamiento diferencial; θa:distorsión admisible con un F.S. de 1.5;S: distancia horizontal (espaciamiento)entre columnas.

• Los edificios típicos presentan dañoarquitectónico con θ≈ 1/300 y dañoestructural con θ ≈ 1/150.

• El daño depende del tipo derevestimiento exterior y del ingreso deagua por las grietas.

• En bodegas, tanques y otras estructurascon cargas vivas importantes, esnecesario restringir los asentamientostotales y diferenciales.


Investigadores Base de datos

Skempton y McDonald (1956)Polshin y Tokar (1957)

Grant et al. (1974).

98 edificios, 40 con evidencia de daño25 edificios observados en la URSS

95 edificios, 56 con evidencia de daño

𝛿𝑎 = 𝜃𝑎 × 𝑆


Tipo de estructura θa

Tanques de acero 1/25

Puentes con luces simplemente apoyadas 1/125

Puentes con luces continuas 1/250

Puentes muy tolerantes al asentamiento diferencial, tal como los puentes industriales con superficie de acerocorrugado y sin acabados delicados.

1/250

Edificios comerciales y residenciales típicos 1/500

Rieles de puente–grúa 1/500

Edificios que son intolerantes al asentamiento diferencial, tales como aquellos con acabados y pisos delicados 1/1,000

(1) Maquinaria 1/1,500

Edificios con muros portantes de mampostería no reforzadaLongitud / altura ≤ 3Longitud / altura ≥ 5

1/2,5001/1,250

(1) Las máquinas de gran tamaño, tales como turbinas o prensas de perforación, suelen tener su propia cimentación separada de la edificación dondese encuentran. Se debe consultar el asentamiento diferencial admisible con el fabricante del equipo.

Fuente: Wahls (1994), AASHTO (1996) y otras fuentes (Coduto,2001). RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc.

• [NSR-10. H.4.9. Efectos de losasentamientos]:

• H.4.9.3. Límites de asentamientosdiferenciales: Los asentamientosdiferenciales calculados se debenlimitar a los valores fijados en la TablaH.4.9-1, expresados en función de l,distancia entre apoyos o columnas deacuerdo con el tipo de construcción.

• H.4.9.4. Límites de giro: Los giroscalculados (rotación de la edificaciónsobre el plano horizontal) debenlimitarse a valores que no produzcanefectos estéticos o funcionales queimpidan o perjudiquen elfuncionamiento normal de laedificación, amenacen su seguridad, odisminuyan el valor comercial de lamisma. En ningún caso localmentepueden sobrepasar de l / 250.

Tipo de construcción Δmáximo

Edificaciones con muros y acabados susceptibles de dañarse con asentamientos menores.

l / 1000

Edificaciones con muros de carga en concreto o en mampostería.

l / 500

Edificaciones con pórticos en concreto, sin acabadossusceptibles de dañarse con asentamientos menores

l / 300

Edificaciones en estructura metálica, sin acabadossusceptibles de dañarse con asentamientos menores.

l / 160


Tabla H.4.9-1. Valores máximos de asentamientos diferenciales calculados, expresados en función de la distancia entre apoyos o columnas, l.

• Cargas de diseño para estimarlos asentamientos.

– Los requerimientos decomportamiento se evalúanbajo las cargas de servicio.

– Por el contrario, losrequerimientos de resistenciase evalúan para eventosextremos de carga.

– Los análisis de asentamiento sebasan en cargas estáticas detrabajo no factorizadas.

– En ocasiones, las cargasdebidas a sismo o viento no seconsideran pues su tiempo deaplicación es muy corto y larespuesta del suelo difiere deaquella frente a cargas de largaduración.

– En cualquier caso, se debenacatar los lineamientos de lanorma aplicable al proyecto.


• Tasa de asentamiento.

– Debe tenerse en cuenta larelación entre las tasas deasentamiento y el ritmo deconstrucción.

• En arenas se presentanasentamientos rápidosmientras que en arcillassaturadas la respuesta esmucho más lenta.

– En algunas estructuras, partede la carga se aplica a lacimentación antes de instalarlos elementos más sensibles alos asentamientos.

• Acabados y pisos en edificios.

• Tablero de los puentes.

– Por el contrario, en tanques dealmacenamiento de fluidos lamayor parte de la cargacorresponde al contenido delmismo.


Elevación.

• En ocasiones, las cimentaciones sedesplazan hacia arriba debido a fuerzasaplicadas en dicha dirección o a fuerzasexternas como las generadas por suelosexpansivos.

• El criterio de diseño para controlar laelevación es el mismo que para elasentamiento.

• Si una cimentación se asienta y otra seeleva, el asentamiento diferencial es lasuma de ambos procesos.

Inclinación.

• La inclinación excesiva es preocupanteen estructuras altas y rígidas comochimeneas, silos y torres dealmacenamiento de agua.

• Como criterio estético, la inclinacióndesde la vertical (ω) no debe superar1/500.

• Una inclinación mayor es visible,especialmente en estructuras altas ycercanas a otras construcciones.

• En ocasiones, se requieren límites másexigentes para la inclinación.

• La torre de Pisa, por ejemplo, tiene unainclinación de 1/10.


Movimiento lateral.

• Las cimentaciones sometidas acargas laterales presentan loscorrespondientes movimientosen dicha dirección.

• Bozozuk (1978) recomiendalimitar estos movimientos a unmáximo de 25 mm (1 pulgada) encimentaciones de puentes.

Vibración.

• La cimentaciones que soportanmaquinaria de gran tamaño estánsometidas a cargas vibratoriasimportantes.

• Estas cimentaciones debendiseñarse para soportar estascargas sin sufrir problemas comola resonancia.


Durabilidad.

• El suelo es un ambiente hostil para losmateriales de uso común en Ingeniería.

• El concreto, el acero y la madera sonsusceptibles de ataques químicos obiológicos que afectan su integridad.

• Corrosión del acero.

– No es posible inspeccionar y hacermantenimiento al acero bajo tierra.

– Se consideran dos categorías paracimentaciones de acero: ambientemarino y ambiente terrestre.

• Corrosión del acero en ambiente marino.

– La pérdida de acero en estructurascosteras varía entre 0.075 y 0.175mm/año.

– La pérdida es mayor en la zonas de mareay salpicadura, y sobre el lecho marino.

– La pérdida es despreciable aprofundidades de 0.50 metros por debajodel lecho marino.

– También es importante la abrasión de laarena, los barcos, los desechos flotantes,etc.

– Estas cimentaciones suelen protegerse conrevestimientos.



Los ambientes marinos incluyen muelles, embarcaderos, plataformas deperforación y otras estructuras similares donde una porción de lacimentación está expuesta al agua.

Los ambientes terrestres incluyen edificios y otrasestructuras construidas directamente sobre el terreno yla totalidad de la cimentación está enterrada.


Foto: Gene Clark (2007). http://www.seagrant.wisc.edu/home/Default.aspx?tabid=566

http://www.seagrant.wisc.edu/home/Default.aspx?tabid=566

• Corrosión del acero en ambienteterrestre.

– La corrosión no ha sido causa significativade colapsos.

– Se cree que un pilote de acero puedeprestar su servicio, aún con una fuertecorrosión.

– En suelos naturales se genera pocacorrosión, aún si el suelo puedefavorecerla, debido al poco oxígeno libredisponible.

– Por el contrario, los rellenos contienenabundante oxígeno libre y pueden ser muycorrosivos.

– Se han medido tasas de corrosión enrellenos de 0.08 mm/año.

– Un pilote de acero de sección H perdería lamitad de su sección en 50 años.


http://ceephotos.karcor.com/wordpress/wp-content/uploads/20110823-amead-

Pile-Cap-for-Driving-Grand-Rapids-MI.jpg

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– Condiciones del suelo quefavorecen la corrosión delacero:

• Humedad elevada y bajaaireación.

• Gradación fina.

• Color negro o gris.

• Baja resistividad eléctrica ybajo o nulo potencial de óxido-reducción.

• Presencia de materia orgánica.

• Alto contenido de compuestosquímicos y/o acidez elevada.

• Presencia de sulfuros y/o deorganismos anaerobios.

– En zonas de oscilación del nivelfreático se presenta la entradade agua y oxígeno al suelo.

– En zonas contaminadas(rellenos sanitarios o descargasde alcantarillas) se puedenpresentar problemas decorrosión.

– Existe una zona susceptible a lacorrosión bajo la cepa deconcreto de los pilotes debidoa las corrientes eléctricaslocales entre el concreto(cátodo) y el suelo (ánodo).

– El estudio de la corrosión es unárea especializada en la cualdebe apoyarse el Ingeniero deCimentaciones.


• Medidas preventivas para lacorrosión durante la vida de diseño:

– Cambie de material de construcción(concreto, madera, etc.).

– Incremente las secciones de acero enuna cantidad igual a la corrosiónestimada.

– Cubra el acero con un revestimientode protección (epóxico de alquitránde hulla).

• Este método es usual en tanques ytuberías enterradas.

• Se puede deteriorar durante elhincado del pilote en suelosgranulares.

• Se puede aplicar en la parte delpilote embebida en la cepa deconcreto como aislamiento.

– Instale un sistema de proteccióncatódico.

• Aplica un potencial de corrientedirecta entre la cimentación (cátodo)y algunas piezas metálicas enterradaspara ser corroídas (ánodo).

• Este sistema consume poca energía.


Cable

Flujo de iones

Pilote de acero

(cátodo).

Ánodos de sacrificio

(la corrosión ocurre

aquí y no en el pilote)

• Ataque de sulfatos en el concreto.

– El concreto enterrado resiste la corrosiónpor muchos años.

– Sin embargo, cuando el suelo o el aguasubterránea tienen una alta concentraciónde sulfatos (SO4) se puede presentar unadesintegración severa del concreto.

– Los sulfatos reaccionan con el cemento yforman cristales de sulfoaluminato decalcio. El crecimiento y expansión de estoscristales causa la rotura del concreto.

– Se debe evaluar el potencial de ataque porsulfatos del suelo midiendo laconcentración de sulfatos (suelo y agua) ycomparándola con casos con problemasreconocidos.

– Es probable encontrar altos contenidos desulfatos en suelos con las siguientescaracterísticas:

• Húmedos.

• De gradación fina.

• De color negro o gris.

• Con alto contenido de materia orgánica.

• Altamente ácidos o alcalinos.

– Algunos fertilizantes y desechosindustriales contribuyen al ataque desulfatos en el concreto.

– El agua de mar tiene concentraciones desulfatos de hasta 2,300 ppm.


– Es posible diseñar un concretoresistente al ataque de sulfatos:

• Reducir la relación agua : cemento.Reduce la permeabilidad delconcreto y retarda las reaccionesquímicas.

• Incrementar el contenido decemento: Reduce la permeabilidad.Se sugiere al menos 335 kg /m³.

• Emplear cementos resistentes a lossulfatos: Tipo II (pocos álcalis) paracondiciones moderadas y Tipo V paracondiciones severas.

• Cubrir el concreto con emulsiónasfáltica. Esta alternativa es válidapara estructuras de contención otuberías enterradas, pero no paracimentaciones.


Sulfatos solubles en agua

en el suelo(% en peso)

Sulfatos en el agua (ppm)

Amenaza de ataque por

sulfatos

Tipo de cemento

Máxima relación agua :

cemento

0.00 – 0.10 0 – 150 Despreciable - -

0.10 – 0.20 150 – 1,500 Moderado II 0.50

0.20 – 2.00 1,500 – 10,000 Severo V 0.45

> 2.00 > 10,000 Muy severoV más

puzolanas0.45

• Descomposición de la madera.

– Los pilotes constituyen la aplicaciónmás común de la madera encimentaciones.

– La vida de los pilotes de maderadepende del ambiente. Inclusoaquellos sin tratamiento puedentener una larga vida si permanecenpor debajo del nivel freático.

– Casos históricos:

• Un templo en Éfeso (Turquíaoccidental) construido alrededor de6,000 A.C. fue reconstruido 300 añosmás tarde sobre su cimentaciónoriginal de pilotes de madera notratada.

• Cerca de Rochester (Inglaterra) sehan encontrado pilotes de madera de1,900 años de edad en excelentecondición. Hacían parte de calzadasromanas.

• El primer puente de mampostería deLondres, construido en 1176, sesostuvo durante 600 años sobrepilotes de olmo no tratado.

• El campanario de San Marcos(Venecia) fue reconstruido en 1902sobre los pilotes de maderaoriginales de la primera estructuraconstruida en 900.

• En el museo del Anfiteatro de Arles(Francia) se exhiben los pilotesempleados en su construcción sobrehumedales en el 148. Están enexcelente condición.


• Cuando los pilotes de madera están porencima del nivel freático sufrendiferentes formas de deterioro:

– Descomposición por el crecimiento dehongos:

• Requiere humedad, oxígeno ytemperatura favorables.

• Estas condiciones suelen presentarse enlos dos (2) metros superiores del suelo.

• Si el pilote está muy seco sufre dedescomposición por falta de humedad.

– Ataque de insectos como termitas,escarabajos y polillas de mar.

– Fuego, especialmente en estructurasmarinas.

• El peor escenario para el pilote demadera es el ciclo de humedecimiento– secado.

– Se presenta cerca al nivel freático por lasvariaciones estacionales del mismo.

– Se presenta en la zona de ascenso ydescenso de las mareas y en la zona desalpicadura en instalaciones costeras.

• Los pilotes de madera pueden sertratados con creosota (un derivado delalquitrán) u otro químico para supreservación.

– Este tratamiento se aplica en tanquespresurizados.


Requerimientos de constructibilidad.

• La cimentación debe diseñarse de forma tal que unconstructor pueda materializarla sin emplear métodos oequipos extraordinarios.

– Por ejemplo, la hinca de pilotes requiere de suficienteespacio por encima de los equipos. Por lo tanto, no esviable sugerir este tipo de proceso constructivo dentro deun sótano para reforzar la fundación de una edificaciónexistente.


Como parte de una adaptación sísmica de un edificioexistente, un diseñador propone pilotes pre-esforzados de450 mm de diámetro y 9 metros de longitud bajo lacimentación existente.

El diseño no se puede construir pues ni el equipo de hinca nilos pilotes caben en el sótano de 2.5 metros de alto.


Las cimentaciones con pilotes hincados requieren un equipo másalto que el pilote a ser instalado.

2.5 m.

Edificio deoficinasexistente

Pilotespropuestos paraadaptaciónsísmica. 58

“No diseñe en el papel

algo que sólo podrá

anhelar en el terreno”.

(Karl Terzaghi).


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Requerimientos económicos.

• El diseño de la cimentación suele ser más conservador que el de lasuperestructura por las siguientes razones:

– El diseño de la cimentación se basa en la evaluación de lascondiciones del suelo y la roca, las cuales incluyen unaconsiderable incertidumbre.

– Las cimentaciones no se construyen con el mismo grado deprecisión que la superestructura.

• Por ejemplo, una zapata se excava con una retroexcavadora y lasparedes de la excavación son la “formaleta” para el concreto, mientrasque los elementos de concreto de la superestructura deben servaciados con cuidado en formaletas de alta calidad.


– Los materiales estructurales de las cimentaciones pueden deteriorarsedurante la instalación.

• Por ejemplo, durante la hinca de un pilote de madera aparecen grietas y astillas.

– Existe cierta incertidumbre sobre la distribución de la transferencia decarga entre la cimentación y el terreno, de forma que los esfuerzos encualquier punto de la cimentación no se conocen con la misma certeza conque se conocen aquellos de la superestructura.

– Las consecuencias de la falla catastrófica de la cimentación son muchomayores.

– El peso adicional, debido a un diseño conservador de la cimentación, notiene consecuencias ya que esta es el elemento estructural más bajo y noafecta la carga muerta de otros miembros estructurales.


• No obstante, un conservatismo excesivo es indeseable en el diseñode la cimentación:

– Un diseño muy costoso es una forma de falla en sí mismo paralos intereses del cliente.

– El diseño de la cimentación debe ser seguro y rentable.

– La buena ingeniería balancea la confiabilidad (seguridad) y elcosto.

– Los diseños que requieren la menor cantidad de materiales noson necesariamente los más económicos, por ejemplo, por lacalidad del concreto.


“El trabajo de un

ingeniero es hacer bien,

con un dólar, lo que

cualquier idiota puede

hacer con dos dólares”.

(Arthur M. Wellington, s. XIX).


https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/8/8d/Arthur_M._Wellington.JPG

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/8/8d/Arthur_M._Wellington.JPG

Puntos principales de este capítulo.

• El Ingeniero de Cimentaciones debe establecer losrequerimientos de comportamiento necesarios antes dediseñar la cimentación.

• Las cimentaciones deben soportar varios tipos de cargasestructurales. Estas incluyen cargas normales, cortantes,momentos y torsión. La magnitud y dirección de estas cargaspuede variar durante la vida de la estructura.

• Las cargas se clasifican de acuerdo con su fuente. Estasincluyen cargas muertas, vivas, de viento, de sismo y muchasotras.


• Las cargas de diseño pueden expresarse mediante el “método dediseño por esfuerzos admisibles” o por el “método de diseño confactores de carga y resistencia”. Es muy importante conocer elmétodo empleado pues los cálculos de diseño deben realizarse deforma concordante.

• Los requerimientos de resistencia buscan evitar la falla catastrófica yson de tipo geotécnico y de tipo estructural.

• Los requerimientos de serviciabilidad propenden por cimentacionesque se comporten bien bajo las cargas de servicio. Estosrequerimientos incluyen asentamiento, elevación, inclinación,movimiento lateral, vibración y durabilidad.


– El asentamiento suele ser el requerimiento de serviciabilidad másimportante.

– La respuesta de las estructuras frente al asentamiento es compleja. Elproblema se ha simplificado considerando dos tipos de asentamiento:total y diferencial. Primero se asignan los máximos valores para éstos yluego se diseña la cimentación para satisfacer dichos requerimientos.

• La durabilidad es otro importante requerimiento de serviciabilidad. Lascimentaciones deben resistir varios agentes corrosivos y dañinos presentes enel suelo y el agua.

• Las cimentaciones deben ser construibles, por ello los Ingenieros deben teneruna comprensión adecuada de los métodos y equipos de construcción.

• Los diseños de cimentaciones deben ser económicos. El conservatismo esapropiado, pero diseños demasiado conservadores serán muy costosos deconstruir.


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