P

L1 490 cm L2

L

B

P

c1 c1

ANÁLISIS Y DISEÑO DE

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

DISEÑO DE ZAPATAS CORRIDAS

SIN CONTRATRABES QUE

SOPORTAN DOS O MAS

COLUMNAS

EJEMPLO Nº 1

Diseñe una zapata combinada de concreto reforzado, misma que no tiene limitaciones delindero; sometida a las cargas indicadas, valores resultantes del análisis estructural del sistemaresistente de la edificación, bajo la combinación de una acción permanente (CM) más unaacción variable (CVmáxima). Las propiedades mecánicas de los materiales que la constituyen sonlas siguientes.

c2

c1

h

Df

L2L1 490 cm

L

I. DATOS

Las dimensiones de la columna son: c1= 30 cm, c2=30cm.

Propiedades mecánicas de los materiales de la zapata.

f’c = 200 kg/cm2

fy = 4200 kg/cm2

P P

Capacidad de carga del suelo de sustentación.

qd = 11 ton/m2

Peso específico del suelo que gravita sobre la cimentación.

s=1300 kg/m3

Profundidad de desplante de la cimentación.

Df =1.3 m.

Cargas axiales a la que estará sometida en condiciones de servicio, derivada de lacombinación de una acción permanente más una acción variable con su valormáximo (CM+CVmáx). P = 70.00 ton

II. Cálculo de constantes.

MATERIALESCONSTANTES EN FUNCIÓN DEL

PORCENTAJE MÁXIMO DE ACERO

f'c(kg/cm

2)

f*c(kg/cm

2)

f''c(kg/cm

2)

fy(kg/cm

2)

pmáx = 0.9 pb

pmín pb 0.9pb

q

Ku

(kg/cm2

)

Ru

(kg/cm2

)

200 160 136 4200 0,0024 0,01520,0137 0.4235

40.8621

2979,5294

III. Elementos mecánicos últimos o de diseño.

Pu= FC P = 1.4 * 70 ton = 98 ton

IV. Predimensionamiento de la zapata.

60 cm 490 cm 60 cm

610 cm

275 cm

Peralte total de la zapata. Se propone un peralte h= 50 cm. Reacción neta del suelo (capacidad de carga neta del suelo).

qn= qd – {s (Df-h) + c h} = 11 - {1.3 (1.3-0.50) +2.4 (0.50)} = 8.76 ton/m2

Cálculo del ancho de la zapata.Proponemos inicialmente L=4.90 m.+0.30 m.=5.20 m.

Dimensiones prácticas de la cimentación.

V. Revisión de la presión actuante sobre el terreno (Presiones de Contacto).

Se debe cumplir que: qn qa

La zapata es simétrica en forma y carga, por lo tanto la resultante de las cargas selocaliza en su centroide. Esto es: x = 3.05 m.Por lo tanto, en este caso particular, la presión actuante es:

Se aceptan las dimensiones propuestas de la zapata.

PP

60 cm 490 cm 60 cm

610 cm

VI. Revisión del Peralte Propuesto por Flexión.

Ss hj

VII.

ZAPATAS CORRIDAS CON CONTRATRABE

El procedimiento sugerido para el análisis y diseño de este tipo de cimentaciones es elsiguiente.

I. DATOS GENERALES.

Materiales.

f´c

fy

Elementos Mecánicos que transmiten las columnas a la cimentación.

Dimensiones de las secciones transversales de columnas.

Distancias entre columnas.

Tomar de los resultados del análisis estructural realizado a la estructuraresistente del edificio o construcción de que se trate, los elementosmecánicos para cada columna (fuerza axial, fuerza cortante y momentoflexionante). Esto para cada una de las combinaciones de acciones que acriterio del Ingeniero Estructural actuarán sobre el sistema estructuralen condiciones de servicio, conforme lo establecen los Reglamentos deConstrucciones, estas son:

Características del suelo de desplante.

Capacidad de carga (qa).Profundidad de desplante (Df).Peso volumétrico del suelo (s).

II. CÁLCULO DE CONSTANTES

f*c= 0.8 f’c f” c = 0.85 f*c

Caso 1: Una acción permanente más una acción variable con su valormáximo: Carga muerta + carga viva máxima

Caso 2: Una acción permanente más una acción variable con su valorinstantáneo más una acción accidental: Carga muerta + carga vivainstantánea + carga accidental (sismo)

III. DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE LA ZAPATA.

1. Establecer las limitaciones que señala el reglamento de construcciones que seaplicará.

2. Proponer o suponer un peralte total (h) de la zapata.

3. Calcular la reacción (o capacidad de carga) neta del suelo.

qan= qa – {s (Df - h) + c h}4. Se determinan los elementos mecánicos últimos o de diseño para cada caso de

carga con que se analizará la zapata, con la finalidad de conocer el caso queregirá el diseño.

Fuerza axial última o de diseño: Pu = FC * PMomento flector último o de diseño: Mu = FC * M

5. Cálculo de la Fuerza Resultante (PR) y su posición (x) a lo largo de la longitudL de la zapata.

Aplicando las condiciones de la Estática, PR y su posición se obtienen con lasexpresiones siguientes.

6. Cálculo de la longitud modificada, L, de la zapata.

Esto se hace siempre y cuando el centro de gravedad de las cargas (fuerzas axialesy momentos en las columnas) no se localice en el centroide de la zapata. Cuando sepresenta este caso, se modifica la longitud L de la zapata de tal forma que cumplala condición de que el punto de aplicación de la Fuerza Resultante de la cargas seubique en el centroide de la zapata. Esto con la finalidad de que la distribución deesfuerzos sea constante a lo largo de la zapata.

7. Se calcula el ancho “B” de la zapata.

8. Cálculo de la presión actuante sobre el terreno de sustentación.

IV. REVISIÓN DEL PERALTE PROPUESTO DE LA ZAPATA.

1. REVISIÓN POR FLEXIÓN EN LA DIRECCIÓN LONGITUDINAL

2. REVISIÓN POR FLEXIÓN EN LA DIRECCIÓN TRANSVERSAL (la zapatase analiza como viga ancha).

3. REVISIÓN POR CORTANTE

3.1 POR PUNZONAMIENTO (o penetración).

Esta revisión se efectúa para cada columna que se encuentra dentro de la zapata,cuidando la posición que guarda en la cimentación, debido a que la seccióncritica de una columna de lindero es distinta a la de una central. Estacaracterística distingue tres posibles posiciones de columnas dentro de la zapatay consecuentemente distintas dimensiones de las secciones críticas, como seobserva a continuación.

3.2 POR TENSIÓN DIAGONAL (la zapata se analiza como viga ancha).

V. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA CONTRATRABE.VI. CANTIDAD Y DISTRIBUCIÓN DEL ACERO DE REFUERZO DE LA

LOSA DE LA ZAPATA1. ACERO DE REFUERZO POR FLEXIÓN.2. ACERO DE REFUERZO POR CAMBIOS VOLUMÉTRICOS

VII. CANTIDAD Y DISTRIBUCIÓN DEL ACERO DE REFUERZOLONGITUDINAL Y TRANSVERSAL DE LA CONTRATRABE

VIII.

L=13.4 m

4 m 5 m1 2 3

P1 P2 P3 P4

Df

h

hc

ZAPATAS CORRIDAS CON CONTRATRABES

EJEMPLO Nº 1

Diseñe una zapata combinada de concreto reforzado, misma que no tiene limitaciones delindero; sometida a las cargas indicadas, valores resultantes del análisis estructural del sistemaresistente de la edificación, bajo la combinación de una acción permanente (CM) más unaacción variable (CVmáxima). Las propiedades mecánicas de los materiales que la constituyen sonlas siguientes.

I. Datos.

Las dimensiones de la columna son: c1= 40 cm, c2 = 40 cm.

Propiedades mecánicas de los materiales de la zapata.

f’c = 200 kg/cm2

fy = 4200 kg/cm2

Capacidad de carga del suelo de sustentación.

qa = 10 ton/m2

Peso específico del suelo que gravita sobre la cimentación.

s=1400 kg/m3

Profundidad de desplante de la cimentación.

Df =1.2 m.

Cargas axiales a la que estará sometida en condiciones de servicio, derivada de lacombinación de una acción permanente más una acción variable con su valormáximo (CM + CVmáxima).

P1 = 20.00 tonP2 = 40.00 tonP3 = 30.00 tonP4 = 18.00 ton

II. Cálculo de constantes.

f*c= 0.8 f’c = 160 kg/cm2

f” c = 0.85 f*c = 136 kg/cm2

III. Elementos mecánicos últimos o de diseño.

Pu= FC P = 1.4 * Pi Pu1 = 28.00 ton

Pu2 = 56.00 tonPu3 = 42.00 tonPu4 = 25.20 ton

IV. Predimensionamiento de la zapata.

Peralte total de la zapata. Se propone un peralte h= 50 cm.

Reacción neta del suelo (capacidad de carga neta del suelo).

qan=

Cálculo del largo y ancho de la zapata.

Dimensiones prácticas de la cimentación.

V. Revisión de la presión actuante sobre el terreno (Presiones de Contacto).Se debe cumplir que: qan qu

VI. Revisión del Peralte Propuesto por Flexión.

Ss hj

VII.

ii

VIII. Predimensionamiento de la zapata.

Proponemos L= 3.5 m.

Elegimos una sección practica de: L= 3.50 m. y B= 1.70 m.

Revisión de la presión de contacto para verificar que no se presenten tensiones enel suelo de sustentación.

no hay tensiones

no hay tensiones

Con base a estos resultados, las dimensiones propuestas quedan como lasdefinitivas.

IX. Calculo de la longitud reducida de la zapata (L’).

Debido a la presencia de momento flexionante, será necesario modificar la longitud Lde la zapata.

qu

X. Cálculo de la presión de diseño.

Presión de diseño debido al caso 1 de carga:

Presión de diseño debido al caso 2 de carga:

XI. Calculo del peralte de la zapata.

El peralte efectivo de la zapata, d, lo calcularemos con los elementos mecánicosresultantes de las dos combinaciones de carga, caso 1 y caso 2. Tomaremos como elperalte efectivo definitivo el que presente el valor mayor.

A. Calculo del peralte efectivo con los elementos mecánicos derivados de lacombinación de carga del caso 1.

Obtención del peralte efectivo analizando la zapata como losa.

Sustituyendo valores en la ecuación cuadrática y resolviéndola obtenemos:

d = 0.47m = 47 cm

Obtención del peralte efectivo analizando la zapata como viga ancha.

En este primer calculo rige el peralte efectivo d = 47 cm., siempre y cuando elporcentaje de acero de refuerzo de la zapata sea, p ≥ 0.01, en caso contrario serecalculara un nuevo peralte efectivo. Este procedimiento se realiza a continuación.

Diseño de la zapata por flexión.

Calculo del área de acero requerida por flexión.

Sustituyendo valores en la ecuación cuadrática y resolviéndola obtenemos elacero de refuerzo requerido por flexión:

As = 13.09 cm2/m Revisión del peralte efectivo en función del porcentaje de acero requerido

por flexión.

Observamos que p < 0.01, por lo que calcularemos un nuevo peralte efectivo con elp= 0.0028

El peralte efectivo modificado es de 62 cm., para el caso 2 de carga.

B. Calculo del peralte con los elementos mecánicos derivados de la combinaciónde carga del caso 2.

Obtención del peralte efectivo analizando la zapata como losa.

Sustituyendo valores en la ecuación cuadrática y resolviéndola obtenemos:

d = 0.31 m = 31 cm

Obtención del peralte efectivo analizando la zapata como viga ancha.

Conclusión: Puede observarse en los cálculos realizados que domina el caso 1de carga, por lo cual el peralte efectivo definitivo de la zapata es d=62 cm.

XII. Revisión de la zapata con respecto al esfuerzo cortante de diseño, debido a queesta sometida a esfuerzos combinados (fuerza axial y momento flector).

Esta revisión se efectuará considerando únicamente los elementos mecánicos del caso2 de carga, omitiéndose el caso 1 de carga porque no presenta momentos flectores.

Cuando en la zapata actúa momento flexionante, los reglamentos proponen que serevise el esfuerzo cortante de diseño, suponiendo que una fracción del momento setransmite por excentricidad de la fuerza cortante total, con respecto al centroide de lasección critica.

El esfuerzo cortante resistente de la zapata vale.

El esfuerzo cortante máximo de diseño es el siguiente

Debiéndose cumplir que: vc ≥ vAB

Para nuestro caso tenemos los valores siguientes de los esfuerzos indicados.

Este resultado indica que se acepta el peralte efectivo de 62 cm.

XIII. Cálculo del acero de refuerzo de la zapata.

1. Refuerzo paralelo al lado largo de la zapata.

Sustituyendo valores en la ecuación cuadrática y resolviéndola obtenemos elacero de refuerzo requerido por flexión:

As = 9.73 cm2/m < Asmin

Asmin = p mín Ac = p mín bd= 0.0023 (100cm X 62cm) = 14.26 cm2/m

Asmin > As rige entonces el Asmín

Astotal = Asmín x B = 14.26 cm2/m x 1.7m = 24.24 cm2

Seleccionamos varilla del Nº 6, esto es as = 2.85 cm2

Ld = 50.78 cm.

2. Refuerzo perpendicular al lado largo de la zapata.

Astotal = Asmín x L = 14.26 cm2/m x 3.5m = 49.91 cm2

Para la franja central la cantidad de acero requerida es:

Para las franjas extremas la cantidad de acero requerida es:

Separación del acero de refuerzo:

Seleccionamos varilla del Nº 6, esto es as = 2.85 cm2

Para la franja central es:

Para las franjas extremas es:

XIV. Revisión por Aplastamiento.