tema 20 - elementos de cimentación

(c) 2010-11 Luis Bañón Blázquez. Universidad de Alicante página 1

bibjbkqlp=ab= fjbkq fþk

OPENCOURSEWAREINGENIERIA CIVIL

I.T. Obras Públicas / Ing. Caminos

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Definir la función e importancia que posee la cimentación como nexo entre terreno y estructura

Realizar una clasificación tipológica y funcional de este tipo de elementos

Establecer criterios de predimensionamiento y una estrategia para su cálculo

Desarrollar los métodos de cálculo existentes para cimentaciones directas rígidas y flexibles

Abordar el diseño de cimentaciones profundas y sus procedimientos de cálculo

l_gbqfslp


1. Misión e importancia2. Tipología de cimentaciones3. Clasificación funcional4. Criterios de predimensionamiento5. Cálculo de zapatas6. Cálculo de cimentaciones profundas7. Disposiciones constructivas

`lkqbkfalp


Misión de la cimentaciónTransmitir adecuadamente las cargas de la estructura al terreno que le da soporte

Actúa como elemento de transición entre: Un medio conocido, homogéneo y artificial, con

elevadas tensiones de trabajo (≈30 MPa) H. Armado

Un medio cambiante, heterogéneo y natural, con bajas tensiones de trabajo (≈0,3 MPa) Terreno

Los errores en el diseño de una cimentación son hasta 10 veces más costosos que en estructura y difíciles de reparar (quedan “enterrados”)

NK=jfpfþk=b=fjmloq^k`f^


Superficiales o directasApoyan directamente sobre la superficie, que es competente y relativamente homogéneo. Es el tipo más habitual Zapatas: Cimentación aislada. Elementos puntuales Vigas de cimentación: Elementos longitudinales Losas y emparrillados: Elementos superficiales planos

Semiprofundas (pozos)Apoyan en capas competentes más profundas o realizando sustitución parcial de terreno por hormigón pobre

Profundas (pilotes)En terrenos de resistencia insuficiente, se emplean para alcanzar estratos competentes a mayor profundidad

OK=qfmlildð^=ab=`fjbkq `flkbp


Tipologías habituales de cimentaciones:



Utilización de cada tipología de cimentación:


0 m

2 m

5 m

25‐30 m

Directas Semiprofundas(Pozos)

Profundas(Pilotes)

σadm ≥ 100‐200 kPa

σadm ≈ 150 kPa

σadm ≤ 50 kPa


La EHE distingue entre dos tipos de cimentaciones por la forma de resistir las solicitaciones: [Art. 58.2] Cimentaciones rígidas (Vmáx ≤ 2h)

Se calculan mediante el método de bielas y tirantes

Cimentaciones flexibles (Vmáx > 2h)Se calculan a como elemento sometido a flexión simple

PK=`i^pfcf`^`fþk=crk`flk^i


Materiales a emplearEl hormigón será de baja resistencia. La EHE‐08 impone un mínimo a emplear de HA‐25. Se utiliza habitualmente acero B 500 S/SD en su armado

Tipo de zapataNormalmente, las zapatas más económicas son las flexibles,al contener un menor volumen de hormigón y de acero. Su forma y dimensión dependerá de las solicitaciones a resistir

Canto mínimoEl canto mínimo establecido en los extremos es de 25 cm, [Art. 58.8] aunque por criterios de anclaje de las armaduras de arranque de pilares se recomienda superar los 40 cm

QK=mobafjbkpflk^jfbkql


RecubrimientosSi el elemento se hormigona contra el terreno se adoptará un recubrimiento mínimo de 70 mm [Art. 37.2.4.1]

Hormigón de limpieza (solera de asiento)En la parte inferior se suele aplicar una capa de hormigón pobre de unos 10 cm. de espesor para regularizar la superficie y evitar el contacto directo de la zapata con el terreno

QK=mobafjbkpflk^jfbkql

10 cm

h ≥ 40 cm

Hormigón de limpieza (HL)fck ≈ 10 N/mm²

70 mm + Δr

rnom


Verificación de la estabilidad del cimiento: [CTE DB SE‐C] Comprobación a hundimiento del terreno Comprobación a vuelco Comprobación a deslizamiento

Diseño estructural de la cimentación: Cimentaciones rígidas: [Art. 58.4.1]

Comprobación de bielas y tirantes

Cimentaciones flexibles: [Art. 58.4.2] Armado a flexión simple Verificación a cortante Verificación a punzonamiento

RK=`ži`ril=ab=w^m q p


Verificación de la estabilidad del cimiento: Se considera el peso propio del cimiento Acciones en valor característico (sin mayorar, γF=1) Coeficientes parciales de seguridad de materiales (γR):

Específicos según CTE DB SE‐C Cimientos

Minoran únicamente la resistencia del terreno

Diseño estructural de la cimentación: No se considera el peso propio del cimiento Acciones con valores de cálculo (mayorados) Coeficientes parciales de seguridad según EHE‐08



Parámetros geotécnicos básicos del terreno: Tensión de hundimiento (σh)

Valor de la tensión aplicada sobre el terreno que provoca su colapso mecánico. Define la máxima capacidad portante del terreno

Tensión admisible (σadm = σh/γR)Valor de la tensión considerada en los cálculos, obtenida mediante la minoración de la tensión de hundimiento por el coeficiente γR = 3,0

Cohesión (c)Fuerza intermolecular de unión existente entre las partículas del terreno. Su valor se expresa en unidades de tensión (kPa)

Ángulo de rozamiento interno (φ)Parámetro que define la fricción o fuerza de rozamiento existente entre las partículas del terreno, expresado normalmente en grados.De él se obtiene el ángulo de rozamiento zapata‐terreno (δ ≤ 3/4 φ)



Verificación de la estabilidad del cimiento: Solicitaciones actuantes en el plano de apoyo de

la cimentación (sin mayorar): Solicitaciones procedentes de la estructura (N, M, V)

Peso propio del cimiento (≈ 5 a 10% del axil)

Momento adicional generado por el cortante (V∙h)


Plano de cimentación

h

NM

V

MT

NT

VT

NT = N + P ≈ 1,10∙NMT = M + V∙hVT = V


Comprobación a hundimiento: Determinación de tensiones bajo zapata:

Criterios de comprobación de tensiones:

σmáx≤ σadm σmín≥ 0 ** Si no se cumple esta condición, se comprobará suponiendo unadistribución triangular de tensionesen el terreno


, , 6 61 yT Y T ZT T z

Y Z

eM MN N eσA W W a b a b

a b

h

σmax

σmín


Casos de cálculo a hundimiento:

Caso 1: Carga centrada (e=0)Distribución uniforme de tensiones (σ = NT / A ≤ σadm)

Caso 2: Carga excéntrica (e≠0) Caso 2.A (e ≤ a/6)

Distribución de tensiones trapecial. Solicitación dentro del núcleo central de la zapata

Caso 2.B (a/6 < e ≤ a/4)Distribución de tensiones triangular. Solicitación fuera del núcleo central de la zapata. Despegue de la zapata

Caso 2.C (e > a/4)Zapata inestable al vuelco, considerando un coeficiente parcial de seguridad al vuelco de γE = 1,8 / 0,9 = 2,0 [Tabla 2.1 CTE DB SE‐C]



Casos de cálculo a hundimiento en 2D:


161T

admN eσ σa b a

14

3( 2 )

32

Tadm

Nσ σa e bal e a

Caso 2.A Caso 2.B

σadm σadm


Casos de cálculo a hundimiento en 2D:


1 2

Tadm

Nσ σea ba

T

T

MM V heN P N

Alternativa a Casos 2.A y 2.B

h

Ntotal

Vk

e

2

2

σ

Hundimiento y vuelco:

Armado:

,T dd d

d d

MM V heN N


Comprobación a vuelco: En zapatas aisladas se verifica directamente aplicando la

condición de hundimiento vista anteriormente (e ≤ a/4)

Es de carácter secundario (comprobación indirecta)

Comprobación a deslizamiento: Debe verificarse que las acciones desestabilizadoras (Ed)

que propician el deslizamiento de la zapata sean inferiores a las máximas reacciones estabilizadoras (Rd) que puedan desarrollarse


tan1,50

Td d T

R

N δ c ARE R Vγ


Cálculo de zapatas rígidas: [Art. 58.4.1.1] Modelo de bielas y tirantes:

No es necesario comprobar nudos sise emplea el mismo fck para zapatasy pilares

Cuantías de armado obtenidas porcálculo para respuesta trapecial:


11

1 1

2

( 0,25 )0,85

3 41 ;2 3 4400N/mm

dd s yd

dd

yd

RT x a A fd

N e l e lR xl l e

f


Cálculo de zapatas flexibles:[Art. 58.4.2.1]

Armado a flexión:Sección de referencia S1, situada a una distancia genérica de 0,15∙a hacia el interior de la cara del soporte (sobrevuelo)

Verificación a cortante:Sección de referencia S2, situada a un canto útild desde la cara del soporte. No se empleará armadura adicional de cortante (aumentar canto)

Verificación a punzonamiento:Sección de referencia S3, formada por el perímetro crítico u1, calculado sin armadurade punzonamiento


S1S2

d

S3 = u1


Cuantías mínimas de armado: Cuantía mecánica a tracción Us = 0,04 Uc

Cuantía geométrica por metro lineal de zapata y para cada dirección de armado: [Art. 42.3.5] Acero B 400 S/SD As ≥ 0,0010 ∙ h (1‰)

Acero B 500 S/SD As ≥ 0,0009 ∙ h (0,9‰)

Disposición de armaduras: [Art. 58.8.2] Separación entre barras no superior a 30 cm

Recomendable emplear diámetros no inferiores a 12 mm

Recomendable la utilización de mallas electrosoldadaspara facilitar la puesta en obra de la armadura



Elementos de una cimentación profunda: Pilotes

Elementos esbeltos encargados de transmitir las solicitaciones provenientes de la estructura al terreno

EncepadoElemento encargado de transmitir las solicitaciones del soporte a los pilotes y de hacerlos trabajar de forma solidaria

SK=`fjbkq `flkbp=molcrka^p


Encepados rígidos de 2 pilotes: Armadura principal inferior, siendo

la tracción de cálculo Td:

Armadura secundaria: Cara superior: Al menos 1/10 de la

capacidad mecánica de la inferior

Armadura horizontal y vertical: Cercos de atado formando una retícula, con cuantía superior al 4‰


2

( 0,25 )0,85

400N/mm

dd s yd

yd

N v aT A fd

f


Encepados rígidos de 3 y 4 pilotes:


0,68 (0,58 0,25 )dd s yd

NT l a A fd

1 11

2 22

(0,50 0,25 )0,85

(0,50 0,25 )0,85

dd s yd

dd s yd

N l aT A fd

N l aT A fd


Cálculo de encepados flexibles: Se calculan de la misma forma que las zapatas flexibles,

considerando las secciones de referencia S1 (flexión) y S2 (cortante) y S3 (punzonamiento en pilotes)


S2

d


Cálculo de pilotes: [Art. 58.6] Se considerará que el pilote

trabaja biempotrado (α=0,5)

A efectos de cálculo, se asimilan a un soporte aislado

Nd = fcd∙ Ac + As∙ fyd El diámetro de cálculo del

pilote será:

dcal = 0,95∙ dnomcon dnom‐ 50 ≤ dcal ≤ dnom‐ 20 mm


Hincado In situ


Anclaje de la armadura inferior en zapatas:[Art. 58.4]

ZAPATAS RÍGIDAS ZAPATAS FLEXIBLES

TK=afpmlpf flkbp= lkpqor`qfs p


Vigas de atado entre zapatas: [Art. 58.5] En zona sísmica (ac ≥ 0,16 g) deben disponerse uniendo

zapatas en dos direcciones ortogonales (NCSR‐02)

Se calculan a tracción con un axil de cálculo igual a ac∙Nd, siendo Nd el axil máximo de las zapatas a atar



Disposición de armaduras en encepados: Armadura principal uniendo los centros de los pilotes Armadura secundaria en bandas (horizontal)

y cercos (vertical)



Perspectivas de armaduras en encepados:


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