UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANNEscuela Acadmica Profesional De Ingeniera Civil

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CIMENTACIONESSe llama cimentacin al elemento estructural que transmite las cargas de las columnas y muros al terreno. La resistencia del suelo es menor que la resistencia del concreto, por ello, la cimentacin tiene mayor rea que su respectiva columna o muro para as reducir los esfuerzos que se transmiten al terreno.El terreno debe trabajar bajo una carga tal que no se altere su estado de equilibrio, o sea, que no se produzcan deformaciones o asentamientos perceptibles que repercutan en los diferentes elementos de la estructura, producindoles tensiones parsitas para las cuales no han sido diseados. Si una columna se asienta ms o menos que otra adyacente, la diferencia genera esfuerzos que pueden ocasionar daos en los elementos estructurales y no estructurales.

1. TIPOS DE CIMENTACIONES

El tipo de cimentacin apropiado para cada situacin depende de varios factores entre los cuales se tiene:1. La resistencia y compresibilidad de los estratos del suelo.2. La magnitud de las cargas de las columnas.3. La ubicacin de la napa fretica.4. La profundidad de cimentacin de las edificaciones vecinas.En la figura 12.1 se muestran los diferentes tipos de cimentacin: zapata de muro o cimiento corrido, zapata aislada, zapata combinada, zapata conectada, zapata sobre pilotes y zapatas continuas, solados o plateas. Su conveniencia en determinadas circunstancias ser discutida ms adelante.

2. PRESIN DEL SUELO

Cada tipo de terreno tiene sus caractersticas propias y reacciona ante cargas externas de distintos modos. Algunos de los factores que influyen en la distribucin de la reaccin del terreno son: la flexibilidad del cimiento respecto al suelo, el nivel de cimentacin y el tipo de terreno. Por ejemplo, en la figura se presenta la distribucin de la presin para dos tipos de suelos: granular y cohesivo.

En el terreno granular se aprecia que la presin en los bordes de la cimentacin es menor que en la zona central debido a la presin ejercida por las cargas aplicadas tiende a desplazar el suelo en los extremos lo cual disminuye la reaccin. Este desplazamiento depende de la profundidad de cimentacin. Si sta es elevada, la fuerza ejercida por el peso propio del terreno impedir que el suelo se desplace. En el suelo cohesivo, por el contrario, la presin en los bordes de la cimentacin es mayor que en la seccin central. El suelo que circunda el rea cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella por efecto de la cohesin y por ello la reaccin se incrementa.

En el diseo, no es prctico considerar la distribucin real de la reaccin del suelo, por lo que se asumen dos hiptesis bsicas:1. La cimentacin es rgida.2. El suelo es homogneo, elstico y aislado del suelo circundante.

Estas suposiciones conllevan a que la distribucin de la reaccin del suelo, frente a las cargas transmitidas por la columna sea lineal, consideracin que ha demostrado dar resultados conservadores, excepto en terrenos cohesivos como limos o arcillas plsticas.

3.CIMENTACIN CON CARGA EXCNTRICA

En las zapatas cargadas excntricamente, la reaccin del suelo no es uniforme y tiene una distribucin que puede ser trapezoidal o triangular.

Dependiendo de la excentricidad de la carga, la presin en el suelo es:

1. Si la excentricidad es pequea, menor que L16, la presin en los extremos de la zapata es

Q1,q2,: Presin en los extremos de la zapata.P: Carga axial.e: Excentricidad de la carga axial.S: Dimensin de la cimentacin perpendicular a la direccin de anlisis.L: Dimensin de la cimentacin paralela a la direccin de anlisis.

La excentricidad es mayor que Ll6, parte de la cimentacin no recibe ninguna reaccin ya que no pueden existir esfuerzos de traccin entre terreno y zapata. La distribucin en este caso es triangular como la mostrada en la figura 12.3.c. Para garantizar el equilibrio deben cumplirse dos condiciones:

l. La lnea de accin resultante de la reaccin del suelo debe coincidir con la lnea de accin de la carga excntrica de la columna de modo que no se presente momento resultante por la excentricidad. 2. La resultante de la presin del suelo debe ser igual a la carga proveniente de la columna para satisfacer el equilibrio de fuerzas verticales.

Bajo las condiciones presentadas, la presin en el extremo de la cimentacin ser:

Esta expresin es aplicable hasta que la excentricidad es igual a Ll2 situacin bajo la cual se produce el volteo de la cimentacin. En la prctica, sto slo se presenta en roca o suelos muy duros. En la mayora de los casos, la "fluencia del suelo" bajo el extremo de la zapata puede hacer que sta se inutilice, produciendo una situacin equivalente al volteo. Esta condicin se presenta cuando la presin en el extremo comprimido causa la falla del suelo.La excentricidad que causa esta condicin se denomina e , como se muestra en la figura

Asumiendo que el suelo falla a una presin qf=2.5q, se tiene:

Donde: m,: Distancia de la carga P al borde de la cimentacin.

Considerando un factor de seguridad de 1.5, la excentricidad mxima a que puede estar sometida la zapata es:

3 Si se presenta excentricidad en dos direcciones, las presiones en las esquinas de la zapata sern:

Si empleando la expresin anterior una de las esquinas de la zapata resulta sometida a traccin, es evidente que parte de la zapata se ha desprendido del suelo y por lo tanto, la expresin anterior pierde validez. En estos casos, se sigue un procedimiento de iteraciones sucesivas para la determinacin de la distribucin de presiones en el suelo. Esta situacin escapa a los alcances del presente texto.

Cuando la excentricidad es grande y es posible, conviene hacer la zapata excntrica con la columna, centrndola con la tuerca P para tener una reaccin uniforme.

Cuando la excentricidad es grande y es posible, conviene hacer la zapata excntrica con la columna, centrndola con la tuerca P para tener una reaccin uniforme.

4. CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEO

El diseo de cimentaciones involucra una serie de etapas las cuales se enumeran a continuacin:1. Determinacin de la presin neta del suelo y dimensionamiento de la zapata.2. Determinacin de la reaccin amplificada del suelo.3. Verificacin del corte por flexin y por punzonamiento.4. Clculo del refuerzo por flexin o refuerzo longitudinal.5. Verificacin de la conexin columna-zapata o muro-zapata.

5 ZAPATAS AISLADAS

Las zapatas aisladas son losas rectangulares o cuadradas que sirven de apoyo a columnas.Tiene peralte constante o variable, disminuyendo hacia los bordes. Tambin pueden ser escalonadas como la presentada en la figura. En este caso, el elemento debe vaciarse integralmente y no por escalones. El peralte efectivo mnimo en el borde de una zapata de seccin variable es30 cm RNE-E060 22.7.4

Las zapatas aisladas son el tipo ms usual de cimentacin pues son las ms econmicas. La columna puede ser centrada o excntrica, aunque el primer caso es el ms comn. Si la cimentacin se ubica en el lmite de propiedad, la excentricidad de las cargas aplicadas puede ser tan elevada que la capacidad portante del suelo es superada. En estos casos se hace uso de las zapatas conectadas o combinadas las cuales se presentan en las secciones siguientes. Las zapatas aisladas pueden ser de concreto simple como de concreto armado sin embargo las primeras no se pueden usar sobre pilotes RNE-E060 22.7.3

5.1 determinacin de la presin neta del suelo y dimensionamiento de a zapata

El dimensionamiento preliminar de la zapata se efectua en base solo a las cargas de gravedad permanentes y sobrecarga, buscando que la presin admisible del suelono sea sobrepasada.

Para la determinacin de las dimensiones del cimiento se considera las cargas transmitidas por la columna, el peso de la zapata, el peso del suelo sobre ella y la sobrecarga del terreno. En lugar de considerar las tres ltimas se define el concepto de capacidad portante neta que es la capacidad del terreno reducida por el efecto de la sobre carga, el peso del suelo y el peso de la zapata. La capacidad portante netas igual a

En la figura se muestra con mayor detalle cada termino haciendo uso de este parmetro, el dimensionamiento de la cimentacin se efecta solo tomando en cuenta solo las cargas transmitidas por la columna pues los otros efectos ya han sido considerados. De este modo, el rea de la zapata es ;

Conocida el rea. Se definen las dimensiones de la cimentacin cuadrada, rectangular, circular, etc. y se verifica la presin en el terreno, haciendo uso de los criterios presentados en la seccin 12.3. En esta etapa, se considera los momentos flectores transmitidos a travs de la columna o muro. Se verifica slo las cargas de gravedad. Si los esfuerzos son superiores a la capacidad del suelo, entonces es necesario incrementar las dimensiones del elemento. Alternativamente, se puede emplear zapatas excntricas de modo que la resultante de la reaccin coincida con el alineamiento de la columna y la reaccin del suelo sea uniforme. Si las cargas externas incluyen efectos de sismo, se realiza una segunda comprobacin.Bajo este tipo de cargas, que actan po1- periodos breves de tiempo, la capacidad portante del suelo se incrementa. Por ello se considera, para esta verificacin, que la capacidad neta del suelo es:

5.2 Reaccin amplificada del sueloLa reaccin amplificada del suelo se utiliza para el clculo de los esfuerzos en la cimentacin y para la determinacin del refuerzo. La reaccin del suelo, sin amplificar, est constituida por el peso de 1 zapata, el peso del suelo. Las cargas aplicadas directamente sobre el suelo (sobrecarga, peso del piso. etc.) y las cargas provenientes de la columna o muro. Las tres primeras son ocasionadas por cargas uniformemente distribuidas sobre la cimentacin mientras que la ltima, por una carga concentrada. Por ello, las primeras no generan esfuerzos de flexin y corte sobre la estructura, pues la accin se opone a la reaccin, mientras que la ltima s Las cargas que provienen de la columna o muro son amplificadas y con ellas se determina la reaccin amplificada del suelo. Estrictamente, el clculo de los esfuerzos en la cimentacin se debe efectuar con la distribucin de la reaccin que presente el suelo. Sin embargo, por simplicidad, se asume que la presin del suelo es uniforme e igual al mximo esfuerzo que presenta el terreno, como se aprecia en la figura 12.8. Esta suposicin es conservadora y simplifica el clculo en terrenos granulares.

5.3 Verificacin del cortePara el diseo par corte, las cimentaciones se pueden estudiar como vigas chatas y anchas, o como losas con comportamiento en dos direcciones. El primer caso, se denomina corte por flexin y el segundo, corte por punzonamiento. El corte por flexin est relacionado al comportamiento unidireccional de la cimentacin mientras que el corte por punzonamiento se relaciona con el comportamiento de la losa en dos direcciones. Por lo general, no se coloca refuerzo por corte en cimentaciones sino se verifica que el concreto solo soporte los esfuerzos. En caso de ser necesario, se incrementa el peralte de la zapata.

CORTE POR FLEXIN RNE-E060 11.12.1.1

La resistencia del concreto al corte por flexin es:

RNE-E.060-EC (11.3)La ubicacin de la seccin crtica depende de la naturaleza de la cimentacin. Si se trata de una columna, muro o pedestal solidario a la zapata, se ubicar a d. de su cara. Para columnas con plancha de base de acero, se ubicar6 a d de la seccin media entre la cara de la columna o pedestal y el borde de la plancha. Si es un muro. Columna de albailera o un elemento no solidario con la cimentacin. La seccin crtica se ubicara a d de la seccin entre el eje del muro y su cara. La fuerza cortante aplicada (Vd.) ser igual a la resultante de la reaccin amplificada del suelo que acta fuera de la seccin crtica (ver figura 12.9). Si la columna tiene forma circular o poligonal. Es posible definir una seccin cuadrada de igual rea. Para ubicar las secciones crticas.

CORTE POR PUNZONAMIENTO: RNE-E060 11.12.1.2

La resistencia del concreto al corte por punzonamiento es igual a la menor determinada a travs de las siguientes expresiones:

RNE-E060 EC (11.33)

RNE-E060 EC (11.34)

RNE-E060 EC (11.34)Vc: Resistencia del concreto al cortec: Cociente de la dimension mayor de la columna entre la dimensin menor.bo: Permetro de la seccin crtica:Parmetro igual a 40 para columnas interiores. 30 para las laterales y 20 para lasEsquineras. Se considera interiores aquellas en que la seccin crtica de punzonamientoTiene 4 lados. Laterales las que tienen 3 y esquineras las que tienen 2

La seccin crtica en este caso. Est definida por cuatro rectas paralelas a los lados de laColumna. Ubicadas a d/2 de la cara. Si existe plancha de base, se ubicar a d/2 de la seccinCentral entre la cara de la columna y el borde de la plancha. Si la columna es de albailera ono solidaria a la cimentacin, la seccin crtica se ubicar a d/2 de la lnea media entre el ejeY el borde de la columna. El corte aplicado (V d) ser la resultante de la presin amplificada delSuelo aplicada en la zona achurada mostrada en la figura 12.10.

Al margen de las solicitaciones de corte. el cdigo recomienda que la altura de la cimentacin por encima del refuerzo inferior sea mayor que 15 cm. para zapatas sobre terreno y 30 cm. Para zapata sobre pilotes. Lo que es importante en zapatas de seccin transversal trapezoidal o escalonada.

5.4 Refuerzo longitudinal por flexin RNE-E060 22.7.6.1

La cimentacin funciona como una losa sometida a flexin en dos direcciones. El diseo del refuerzo se efecta considerando la flexin en cada direccin independientemente, analizando la zapata como un volado.La seccin crtica para el diseo por flexin se tlbica en la cara de la columna, pedestal o muro si stos sor, de concreto. En el caso de muros de albailera o elementos no solidarios a la cimentacin se encuentra al centro de la cara del muro y su eje central. Si se trata de columnas con plancha de base, la seccin crtica se ubica a la mitad entre la cara de la columna y el borde de la plancha (ver figura).

El refuerzo longitudinal debe distribuirse uniformemente a todo lo largo de la cimentacin. En el caso de zapatas rectangulares, el refuerzo paralelo a la direccin mayor debe ser uniforme.Sin embargo. el perpendicular a ste debe concentrarse debajo de la columna, en una franja de ancho igual a la menor dimensin de la zapata. La fraccin del refuerzo que debe ubicarse en esta regin est determinada por la siguiente expresin: donde: : Cociente del lado mayor de la zapata entre el lado menor.El acero restante se distribuye en el resto de la cimentacin, pero cuidando que no sea menor que el refuerzo mnimo. El cdigo indica que se debe tomar el correspondiente a losas es decir.As min=0.0018 bw d (ACI-10.5.4), RNE-E060 9.7

El refuerzo longitudinal debe anclarse siguiendo los criterios presentados para el desarrollo del acero negativo. Si el volado de la zapata es mayor que 1,, las barras podrn colocarse rectas.

Si lo anterior no se cumple y la longitud del volado es mayor que la longitud de anclaje del gancho estndar, entonces el refuerzo podr terminarse en gancho. En caso que el volado sea menor que ldh se deber desarrollar hacia arriba la longitud de anclaje. En la figura 12.12 se muestran los diversos tipos de anclaje para el refuerzo longitudinal de la cimentacin.

5.5 Verificacin de la conexin columna-zapata y desarrollo del refuerzoLas cargas que se trasmiten a travs de las columnas y muros deben ser adecuadamente transferidas a la cimentacin. Esta transferencia se efecta a travs del concreto y en caso de ser necesario haciendo uso de refuerzo.Para la transferencia de fuerzas, el concreto trabaja a compresin pura. El aplastamiento en la superficie de contacto entre columna y cimiento no deber exceder la resistencia dada por la expresin que se reproduce a continuacin:

Donde es igual a 0.65 pues se est analizando aplastamiento en el concreto y . Si la carga ltima aplicada excede la resistencia determinada a travs de (12-12) entonces es necesario hacer uso de refuerzo vertical para resistir la fuerza adicional. Este acero debe ser capaz de transmitir la compresin que excede la resistencia del concreto y trabaja al esfuerzode fluencia. El rea de acero requerida ser:

En caso que la columna est sometida a momentos flectores pequeos que no generan traccin en el elemento, el rea de acero requerida para la transferencia de esfuerzos U la cimentacin se determina con el procedimiento anterior, pero se utiliza el mayor esfuerzo de compresin en la seccin. Si el momento es alto, como el proveniente de una condicin de carga que incluye sismo. Es conveniente anclar a traccin y compresin todo el refuerzo de la columna en la cimentacin. Para el primer caso se hace uso de ganchos y para el segundo se verifica que la porcin recta de la varilla sea mayor que su longitud de anclaje a compresin, puesto que el gancho no es efectivo cuando el acero esta en compresin, por lo general, la ltima condicin es ms crtica. En la figura 12.13 se presenta ms claramente esta situacin.

El refuerzo perpendicular a la superficie de contacto puede estar constituido por el acero longitudinal de la columna que penetra en la cimentacin o por dowels o bastones de acero como los mostrados en la figura 12.14. Este acero no deber ser de denominacin mayor a la #11. Si la columna o muro cuenta con varillas longitudinales #14 #18, se emplear obligatoriamente bastones de menor dimetro para reforzar la superficie de contacto columna-cimentacin. Estos deberan estar embebidos en el cimiento una longitud igual a su longitud de anclaje y en la columna una distancia igual a la mayor entre la longitud de empalme del bastn y la longitud de anclaje de la varilla #14 #18.

En columnas y pedestales, el area de refuerzo en la interface no ser menor que 0.005 veces elrea bruta de la columna o pedestal. Para muros, el rea mnima de refuerzo no ser menor que la cuanta mnima vertical de muros.

COSTOS Y PRESUPUESTOSDISEO SISMORESISTENTE DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DISEO SISMICO