ZAPATAS Y LOSAS DE CIMENTACIÓN

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 un material que tenga la capacidad de carga

adecuada. En algunos casos, si se encuentra un estrato especialmente firme a mayor

profundidad, puede ser más económico desplantar la zapata a una elevación menor,

debido a que el área necesaria para la zapata es menor.

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 necesario bombear, ya sea de

cárcarnos o de un sistema de drenes instalado previamente. Generalmente, s requieren

moldes en los lados de la zapata. La necesidad de bombear y de soportar los frentes de las

excavaciones en las que se construyen las zapatas, puede aumentar mucho el costo de

una cimentación de este estilo.

TIPOS DE ZAPATAS:

Zapatas según su forma:

Zapata maciza

La zapata maciza tiene un vuelo y una altura. La transmisión de esfuerzos se realiza de forma piramidal. Tiene forma triangular y es más rápida y económica de construir. Los pilares en las zapatas pueden ser centrados o excéntricos. Los pilares centrados hacen que la distribución de las tensiones sean más homogéneas. Las zapatas macizas sólo trabajan a compresión. Pueden ser de hormigón sin armadura interior, aunque se puede colocar una armadura de reparto para que no se fisure el hormigón, aunque lo normal es que esa armadura no sea calculada. El ángulo que se forma en el triángulo de distribución de los esfuerzos suele ser mayor o igual a 60º y elvuelo (v) suele ser menor o igual a la mitad de la altura (h).

Zapata rígida

Es igual que la zapata maciza pero esta si tiene una armadura estudiada porque tiene que trabajar a esfuerzos de flexión. El diámetro mínimo de la armadura debe de ser de 12 mm para evitar la corrosión. La cantidad de hierro suele ser de 25 a 40 Kg/m3 y el recubrimiento de hormigón debe ser como mínimo de 8 cm.

Zapata flexible

Las zapatas flexibles soportan esfuerzos de compresión y de tracción. A diferencia de las anteriores el ángulo que se forma en el triángulo de distribución de los esfuerzos suele ser menor o igual a 45º y el vuelo (v) es mayor o igual a la altura (h). La cantidad de hierro en su armazón es de 50 a 100 Kg/m3 y el recubrimiento de hormigón debe ser como mínimo de 5 cm.

Zapatas según su tipología:

Zapata aislada

Sólo les llega un pilar.Según su planta pueden ser:

cuadradas: con lados iguales. rectangulares: lados desiguales. circulares

Según su forma pueden ser:

de sección constante: son las más utilizadas y de mejores resultados.

ataluzadas escalonadas

a) Zapata de sección constante b) zapata ataluzadac) zapata escalonada

Normalmente las zapatas aisladas se arriostran para que estén unidas mediante vigas estabilizadoras y no haya asientos diferenciales y todas funcionen en conjunto. El arriostramiento es una estructura de sujeción y equilibrio en la construcción de edificaciones mediantecontrafuertes, arbotantes o tirantes metálicos o de madera.

Zapatas arriostradas,

ZAPATAS COMBINADAS

Son aquellas fundaciones que soportan más 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.

Las geometrías más comunes para estas zapatas son:

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.

LOSA DE CIMENTACIÓN

Una losa de cimentación es una placa de hormigón apoyada sobre el terreno la cual reparte el peso y las cargas del edificio sobre toda la superficie de apoyo.

Las losas son un tipo de cimentación superficial que tiene muy buen comportamiento en terrenos poco homogéneos que con otro tipo de cimentación podrían sufrir asentamientos diferenciales. También en terrenos con muy poca capacidad portante. Las losas más sencillas son las losas de espesor constante, aunque también existen la losas nervadas que son más gruesas según la dirección de muros o filas de pilares. Su cálculo es similar al de una losa plana de azotea invirtiendo las direcciones de los esfuerzos y aplicando las cargas tanto axiales como uniformes provenientes de todo el edificio. Las trabes de estas losas se invierten para quedar enterradas en el terreno y evitar obstáculos al aprovechamiento de la superficie, que queda lista para ocuparse como un firme aunque su superficie aún es rugosa.

Para el diseño de estas cimentaciones es necesario hacer suposiciones razonablemente realistas con respecto a la distribución de las presiones de contacto que actúan como cargas hacia arriba sobre la cimentación. Para suelos compresibles, es posible suponer como una primera aproximación que la deformación o asentamiento del suelo en determinado sitio y la presión de contacto en el mismo son proporcionales entre sí. Si las columnas se encuentran espaciadas a distancias moderadas y si la cimentación continua o reticular o la losa de cimentación son muy rígidas, los asentamientos en todos los puntos de la cimentación serán esencialmente los mismos. Esto significa que la presión de contacto, también conocida como reacción de la subrasante, será la misma siempre y cuando el centroide de la cimentación coincida con la resultante de las cargas. Si esto no sucede, entonces en estas cimentaciones rígidas la reacción de la subrasante puede suponerse que varía linealmente y se determina mediante estática, de la misma manera que para zapatas individuales. En este caso se conocen todas las cargas, tanto las de columna hacia abajo como las presiones de contacto hacia arriba. En consecuencia, los

momentos y las fuerzas cortantes en la cimentación pueden determinarse mediante estática. Una vez que se determinan estos valores, el diseño de la cimentación continua o reticular es similar al de las vigas continuas invertidas y el de la losa de cimentación equivale al de losas o placas planas invertidas.

TIPOS DE LOSAS

ECUACIÓN DE GOBIERNO

En esencia una losa de cimentación se comporta como una placa que en su cara inferior sufre fuerzas verticales proporcionales al módulo de balasto y el asentamiento o la flecha vertical de la losa. Para una losa de espesor uniforme la expresión es:

Donde:

representa el descenso vertical o asentamiento en cada punto de la placa.

representa la carga superficial, usualmente concentrada sobre los pilares que apoyan sobre la placa.

es el módulo de balasto, que mide la rigidez del terreno.

es la rigidez flexional de la losa.

Una vez determinada la función que da los asentamientos verticales se estiman los momentos flectores en cada dirección:

A partir de los momentos flectores se determina el espesor correcto de la losa y las armaduras necesarias para la losa.

ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓN

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 sótanos 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.

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 (Figura 4) no debe ocasionar una distorsión angular mayor que la indicada en la Tabla 8.

En el caso de suelos granulares el asentamiento diferencial se puede estimar como el 75% del asentamiento total.

FIGURA 4

Asentamiento Diferencial

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.

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

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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