ÍNDICE Página - cimentajon.files.wordpress.com · o NTE-CSV, Cimentaciones superficiales, Vigas...

DISEÑO Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS DE CIMENTACIÓN Y CONTENCIÓN MÓDULO 1.INTRODUCCIÓN TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CIMENTACIÓN Y CONTENCIÓN

AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 1 de 16

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ÍNDICE

Página

1. CIMENTACIONES 2

1.1. TIPOS DE SUELOS 2

1.1.1. Ensayos para la clasificación de suelos 3

1.1.2. Clasificación de los suelos 4

1.2. INTRODUCCIÓN. INGENIERO DE CIMENTACIONES 5

2. NORMATIVA 6

3. CIMENTACIONES SUPERFICIALES 7

3.1. ZAPATAS 7

3.1.1. Zapata cuadrada 8

3.1.2. Zapata circular 8

3.1.3. Zapata corrida 9

3.1.4. Zapata de medianería 9

3.1.5. Zapata combinada 9

3.2. LOSAS DE CIMENTACIÓN 9

4. CIMENTACIONES PROFUNDAS 10

4.1. PILOTES 10

4.1.1. Función 10

4.1.2. Clasificación 11

4.1.3. Instalación de pilotes 12

4.1.4. Comportamiento de los pilotes con cargas verticales 12

4.1.5. Elección del tipo de pilote 13

4.1.6. Fabricación 13

4.1.7. Hinca 13

4.1.8. Juntas 14

4.2. OBRAS SINGULARES 14

4.3. ENCEPADOS 14

5. MUROS DE CONTENCIÓN 15






1. CIMENTACIONES

El cimiento es aquella parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al

terreno. Debido a que las características de resistencia y rigidez del terreno son

menores a las de la estructura, la cimentación posee una superficie en planta mucho

mayor que los elementos estructurales verticales de la estructura, para conseguir un

correcto reparto de cargas al terreno.

En general las cimentaciones serán de hormigón armado y se emplearán hormigones

de una calidad relativamente baja ya que no resulta interesante económicamente

utilizar calidades mayores.

Para poder realizar una buena cimentación es imprescindible tener un conocimiento

previo del terreno.

Para conseguir este conocimiento se realizaran una serie de pruebas y ensayos que

nos permitan clasificar ese suelo, y así saber cuál será su comportamiento.

Es importante diferenciar entre dos tipos de materiales de cimentación:

Suelos: agregado natural de granos minerales (con o sin componentes

orgánicos) que pueden separarse por medios mecánicos comunes.

Rocas: agregado natural de granos minerales unidos por grandes y

permanentes fuerzas cohesivas.

1.1. TIPOS DE SUELOS

Dependiendo del tamaño de las partículas minerales que forman un suelo, podemos

clasificarlas en:

Existen múltiples clasificaciones de los tipos de suelo en función de determinados

parámetros, una primera clasificación según su composición sería:

- Suelos granulares: arenas y gravas

- Suelos arcillosos: minerales de arcilla

- Suelos limosos: entre arcillosos y granulares

- Suelos orgánicos: con materia orgánica

Para realizar un estudio completo del tipo de suelo, y conocer así su idoneidad

para la cimentación, se llevarán a cabo numerosos ensayos tanto en campo como

en laboratorio.






1.1.1. Ensayos para la clasificación de suelos

Características del suelo:

Límite de Plasticidad (Índice de plasticidad): Se denomina límite plástico a la humedad más baja con la que pueden formarse cilindros de unos 3 mm de diámetro, rodando la muestra de suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa, sin que los cilindros se rompan a pedazos. Se parte de una muestra fina de suelo (partículas inferiores a 0,40 mm) que se amasa con agua destilada hasta que se pueda formar, con facilidad, una bola sin que al aplastarla, se pegue a los dedos. Con la mitad de la muestra, se forma un elipsoide y, acto seguido, se hace rodar entre los dedos de la mano y una superficie lisa, con la presión mínima para formar cilindros. Si al llegar el cilindro a un diámetro de 3 mm no se ha hecho micas, se vuelve a repetir el proceso tantas veces como sea necesario, hasta que se consiga quedar en trozos pequeños dicho diámetro. La porción de suelo, así obtenida, se coloca en una pesa y se continúa el proceso hasta obtener una muestra de al menos 5 gr. A continuación, se determina la humedad de la muestra.

Límite Líquido: Se mezcla con agua una muestra de suelo para que sea moldeable, y se

pone en la cuchara de Casagrande, haciendo un surco de 12mm en el centro. Se dan

golpes en la cuchara hasta que se cierre el surco. La humedad que coincide con que el

surco se cierre a los 25 golpes será el límite líquido.

Suelos seleccionados: Índice de plasticidad menor a 10.

- Suelos adecuados: LL> 30, IP> 4.

- Suelos tolerables: LL> 40, el IP >73 % (LL-20).

- Suelos marginales: LL> 90, el IP >73 % (LL-20).

- Zahorras naturales para subbases: IP<6.

- Zahorras artificiales: No plástico.

Contenido en materia orgánica: Se somete a la muestra a una serie de reacciones

químicas, y por diferencias de peso entre lo que ha reaccionado (materia orgánica) y lo

que ha quedado, se pueda averiguar que % de materia orgánica se tiene.

Ensayo CBR (resistencia a esfuerzo cortante): Este procedimiento mide la carga

necesaria para penetrar un pistón de dimensiones determinadas a una velocidad

previamente fijada en una muestra compactada de suelo después de haberla

sumergido en agua durante cuatro días a la saturación más desfavorable y luego de

haber medido su hinchamiento.

Comprobación de la humedad “In Situ”:

Alcohol: se vierte alcohol sobre la muestra sobre la muestra, previamente pesada, y se

mezcla bien. Se prende fuego a la mezcla y se pesa, se repite la operación hasta

obtener un peso constante. La diferencia sería el contenido de humedad.

Método nuclear: tiene su fundamento en la iteración de neutrones rápidos con

átomos de hidrógeno. Dispone de una fuente de emisión de neutrones rápidos, que

actúan sobre el suelo a ensayar, y un detector de neutrones lentos, que bien calibrado,

permite deducir la humedad.

Ensayos de compactación:






Proctor normal y modificado: se dispone una muestra de suelo con una humedad en el

molde en tongadas que son compactadas según la manera indicada y se halla la

densidad. Se va modificando la humedad de la muestra y conseguimos una gráfica con

la que podemos calcular la humedad óptima para la cual se obtiene una densidad

máxima.

1.1.2. Clasificación de suelos

Según los valores obtenidos en estos y otros ensayos, se procede a la clasificación de

los suelos, por ejemplo el PG-3 los clasifica en:

* Y suelos marginales: Los suelos marginales son unos suelos que no han podido ser

clasificados en alguna de las otras categorías por alguna razón especial, y necesitan

de un estudio más específico, estas razones podrían ser:

- Suelos colapsables - Suelos expansivos - Suelos con yesos - Suelos con otras sales solubles - Con materia orgánica

Nos podemos hacer una idea viendo estas clasificaciones que uno de los puntos más

importantes a estudiar será la cantidad de agua que tenga el suelo, ya que con

determinados tipos de suelos nos dará problemas. Un ejemplo serían las arcillas

expansivas, que en contacto con el agua aumentan su volumen.






Otro punto a tener en cuenta será la respuesta que tendrá el suelo ante los esfuerzos

que produce la estructura, es decir, las características esfuerzo-deformación que

determinarán los asientos.

Resumiendo, tendremos que estudiar:

Existencia de agua en el suelo, nivel freático.

Características del suelo (ángulo de rozamiento interno, cohesión,

densidad,…).

Asientos ante los esfuerzos (capacidad portante)

1.2. INTRODUCCIÓN. INGENIERO DE CIMENTACIONES

Las cimentaciones por lo general se sitúan bajo la superficie del terreno, excavando

por lo tanto en suelo o en roca.

La construcción de las cimentaciones no puede llevarse a cabo hasta la finalización

de la excavación.

Ordinariamente el especialista en cimentaciones no se ocupa de elegir la maquinaria

de excavación, ni de diseñar el apuntalamiento que posiblemente necesite. Pero si es

el encargado de revisar y aprobar estos procedimientos.

En suelos permeables en las que se necesite una excavación por debajo el nivel

freático será necesario desaguar el terreno antes o durante la excavación, también

deberá ser revisado por el especialista.






2. NORMATIVA

Para el dibujo de la construcción se recomienda el uso de la norma NTE en su parte

específica para cimentaciones, y para detalles más específicos consultar libros más

especializados.

En España, la normativa vigente en materia de cimentaciones es:

Estructuras de hormigón: EHE-08 Artículo 58. Elementos de cimentación

CTE: DB SE-C Cimientos (Documento Básico, seguridad estructural, cimientos)

NTE (Norma Tecnológica de la Cimentación)

o NTE-CCM, Cimentaciones, Contenciones. Muros

o NTE-CCP, Cimentaciones, Contenciones, Pantallas

o NTE-CCT/1977, Cimentaciones: Contenciones: Taludes

o NTE-CEG, Cimentaciones: Estudios Geotécnicos

o NTE-CPE, Cimentaciones. Pilotes: Encepados

o NTE-CPI/1977, Cimentaciones. Pilotes: In situ

o NTE-CPP/1978, Cimentaciones. Pilotes: Prefabricados

o NTE-CSC, Cimentaciones Superficiales. Corridas

o NTE-CSL, Cimentaciones superficiales. Losas

o NTE-CSV, Cimentaciones superficiales, Vigas flotantes

o NTE-CSZ, Cimentaciones superficiales. Zapatas

NCSE 02 – Norma de la construcción sismoterrestre

Eurocódigo 7 – Eurocode 7, Geotechnical design

Eurocódigo 2 – Eurocode 2, Concrete structures

Eurocódigo 8 – Eurocode 8, Earthquake resistant structures

Especificaciones:

Carreteras:

o Guía de cimentaciones en obras de carretera

Puentes:

o IAP 11- Instrucción de acciones en puentes de carreteras

o IAPF 10 – Instrucción de acciones en puentes de ferrocarril

o NCSP 07 – Norma sismoresistente de puentes

Obras marítimas:

o ROM 5.5. – Recomendaciones geotécnicas para Obras Marítimas.






3. CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Cimentación superficial o directa, es aquella que se ejecuta cuando a nivel de la zona

inferior de la estructura el terreno presenta unas características adecuadas técnica y

económicamente para cimentar sobre él.

Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales:

Zapatas

Vigas de cimentación

Placas o Losas de cimentación

Nuevas tecnologías: poliedre

Algunas de las características de las que depende la elección del tipo de cimentación

serás:

Existencia de sótanos

Edificios ligeros de poca altura cimentaciones superficiales

Edificios de poca altura Pilotes o losas

Edificios de gran altura Cimentaciones profundas o losas

En la parte final del estudio geotécnico deben estar recomendados los tipos de

cimentaciones más adecuados.

3.1. ZAPATAS

Es el tipo de cimentación más utilizado, el más económico generalmente y el más fácil

de ejecutar.

Existen varios tipos de zapatas:

Según su forma de trabajo:

o Zapata individual o aislada: soportan un solo pilar o columna.

o Zapata corrida o continua: soporta un muro.

o Zapata combinada: soporta varios pilares (ej. Zapata en voladizo)

o Arriostrada o atada: tienen un elemento de unión entre zapatas.

Según su forma en planta:

o Rectangulares

o Cuadradas

o Circulares

o Anulares

o Poligonales






Construcción:

En las zonas frías la profundidad será como mínimo la de la penetración de la

congelación

En zonas cálidas y áridas, la profundidad será como mínimo la profundidad a la que

los cambios estacionales produzcan una expansión y contracción apreciables en el

suelo.

La excavación de una zapata para hormigón debe mantenerse seca para poder

colocar el armado y mantenerlo en su posición mientras se seca el hormigón. Por ello

es necesario bombear previamente y colocar un sistema de drenaje.

3.1.1. Zapata cuadrada

El elemento que transmite las cargas será un pilar de hormigón o metálico, que

arrancará siempre desde el centro geométrico de la base de la zapata.

En el caso de zapatas hormigón armado se deberá dejar una armadura vertical

saliente para la correcta transmisión de esfuerzos. No se deberá disponer esta

armadura de espera en los que sostienen un pilar metálico.

Se recomienda que la zapata quede aproximadamente 5cm por encima del nivel del

terreno, pero nunca quedará por debajo por la posibilidad de que se produzcan

charcos.

El hormigón de limpieza suele ser de 10cm de espesor.

Eventualmente se dispone una lámina impermeable bajo la zapata.

La armadura inferior o emparrillado se dispone uniformemente en todo el ancho.

La zapata rectangular es similar, pero en este caso el emparrillado no es simétrico.

3.1.2. Zapata circular

No es de uso frecuente salvo diseños muy singulares o soluciones prefabricadas, el

coste de la armadura es bastante mayor por la dificultad de disposición.

El canto en estas zapatas es variable, siendo mayor en el centro y disminuyendo al

crecer el diámetro, esto implica unos encofrados especiales que también elevan el

precio. El ángulo que forma esta inclinación será como máximo 25º para mantener el

hormigón con su talud natural al vibrar.

La armadura puede estar dispuesta:

De forma circular: zapata circular con armado circular

Con emparrillado: zapata circular con armado con emparrillado.






3.1.3. Zapata corrida

Es una zapata corrida que generalmente servirá como cimentación de un muro de

hormigón armado. El muro transmite una carga lineal a la zapata.

Esta solución es muy apta cuando existen sótanos que requieran muros de

contención.

El vuelo de la zapata podrá ser hacia el interior, exterior o ambos, según las

posibilidades de construcción.

3.1.4. Zapata de medianería

Es necesario este tipo de zapatas en aquellos terrenos con medianería en los que es

imposible cimentar en el terreno colindante. Esta zapata esta descentrada (el pilar no

está en el centro), y debido a esta excentricidad se suele en muchas ocasiones

centrarla mediante una viga centradora con otra zapata aislada próxima, y

consiguiendo así unas tensiones más uniformes.

En los casos en lo que se necesite una viga centradora, esta viga deberá ser definida

como cualquier otra viga.

3.1.5. Zapata combinada

A este tipo de zapatas llegan dos o más pilares.

Dentro de la zapata y para conseguir un reparto uniforme de las cargas traídas por los

dos pilares, se pasarán unos redondos en ambas direcciones llamados despuntes en

la parte superior de la zapata. La principal función de esta armadura superior es evitar

el punzonamiento.

3.2. LOSAS DE CIMENTACIÓN

Son zapatas de gran tamaño que tienen como característica un espesor muy pequeño

en relación con sus otras dimensiones.

Son útiles cuando la superficie total de la cimentación es mayor al 50% del total.

En una solución cara, luego su utilización será en terrenos con baja resistencia.

Tendrá un armado superior, donde recibe las cargas de los pilares, y un armado

inferior en forma de emparrillado en toda la superficie.

El hormigón de limpieza también será de 10cm de espesor.






4. CIMENTACIONES PROFUNDAS

Las cimentaciones profundas se usan cuando el terreno firme no se encuentra en la

superficie sino a mayor profundidad.

La cimentación profunda más utilizada es la cimentación por pilotes.

4.1. PILOTES

Un pilote es un elemento de cimentación de gran longitud comparada con su sección

transversal, que enterrado consigue una cierta capacidad de carga, suma de su

resistencia por rozamiento y su apoyo en punta.

4.1.1. Función

Transmitir las cargas al material adecuado que se encuentra a cierta profundidad. A

menudo se hincan en grupos o en filas, conteniendo varios pilotes para poder soportar

la carga de una columna o de un muro (las columnas con poca carga pueden ser

sostenidas únicamente por un pilote).

Como la puesta en obra no es exacta, para evitar excentricidades, se suelen arriostrar

las cabezas de los pilotes aislados en las dos direcciones por medio de contratrabes.

Puede darse el caso de que los pilotes se usen para contrarrestar un desplazamiento

lateral, aunque su resistencia lateral es inferior, por lo que a veces puede disponerse

pilotes de forma inclinada. La inclinación normalmente no será mayor de 1H:3V, por

dificultad de ejecución con medios normales. Normalmente sale más rentable

económicamente utilizar inclinaciones menores y disponer un mayor número de

pilotes.

Será necesario el uso de pilotes cuando:

No se pueda utilizar una cimentación superficial.

Asientos imprevisibles, pero un terreno profundo resistente.

Cuando el terreno de cimentación puede sufrir gran retracción

Estructuras sobre agua

Cargas inclinadas

Recalce de cimentaciones existentes.

Generalmente será de dos maneras: por hinca y por hormigonado in situ.

Actualmente los pilotes llegan a profundidades de 50m y cuentan con diámetros de

hasta 2-4m, resistiendo cargas por encima de las 200Tn.






Aunque si el estrato resistente está a más de 25m de profundidad, conviene tener en

cuanta otras alternativas como la mejora del terreno, cimentaciones compensadas,…

Para una introducción a los pilotes diremos que pueden ser hincados o in situ, de

hormigón (cilíndricos, cuadrados, hexagonales), metálicos (de tubo o con perfil) o de

madera.

4.1.2. Clasificación

Los pilotes pueden ser de una gran variedad de formas, tamaños y materiales en

función de los requisitos técnicos y económicos de la obra.

4.1.2.1. Pilotes de madera

Son los más utilizados en todo el mundo.

Uno de los mayores problemas es las fuerzas a las que se somete la

punta durante el hincado (aunque se usan protecciones).

Otro problema es cuando los pilotes se encuentran en un terreno

saturado, que con el agua pudieran pudrirse. O la acción de las termitas.

La vida útil de un pilote de madera excede los 40 años.

No se recomienda su uso en zonas muy expuestas, como podrían ser

zonas de agua salada o con aguas estancas.

4.1.2.2. Pilotes de hormigón

Hoy en día existen numerosos tipos y posibilidades.

Los podríamos clasificar en:

Colados en el lugar:

o Con ademe: el hormigón se cuela dentro de un molde, que

normalmente es un tubo de metal que se deja en el terreno

(la resistencia estructural del tubo se desprecia porque

pueden ser muy delgados).

Al hincar los tubos, estos deben estar sujetos interiormente

por un mandril, que puede ser una fuente de gastos.

o Sin ademe: el tubo exterior es retirado una vez se coloca el

hormigón.

Precolados o prefabricados: normalmente acabados en punta

para facilitar su hinca.

Pueden además ser pretensados.






Generalmente pueden resistir cargas mayores que los de madera, y la

resistencia a agentes externos es mayor, aunque hay prestar atención a

la aparición de grietas y posible ataque de sulfuros a la armadura.

La armadura de los pilotes puede estar dispuesta de forma transversal o

helicoidal.

4.1.2.3. Pilotes de acero

Normalmente se utilizan perfiles H, porque desalojan menos terreno. La

puesta en obra es violenta, y se utilizan para alcanzar terrenos a gran

profundidad. Esta puesta en obra tan violenta puede desencadenar en

pilotes torcidos o doblados.

Estos pilotes están muy expuestos a la corrosión, sobre todo debido al

oxigeno atrapado. Además si el pilote está parcialmente enterrado y

parcialmente descubierto, las partes inmediatamente de arriba y debajo

de la superficie serán muy vulnerables. Para combatirlo se suele recubrir

estas zonas con hormigón.

4.1.3. Instalación de pilotes

4.1.3.1. Equipo para el hincado

Normalmente se utilizan para hincar los pilotes un martinete y

ocasinalmente un generador de fuerzas vibratorias.

Martillos de impacto.

De gravedad (ya no se usan)

De vapor

De diésel

Piloteadoras vibratorias.

Metódos para estratos más compactos

Chiflones

Barrenas

Pulsetas

4.1.4. Comportamiento de los pilotes con cargas verticales

4.1.4.1. Pilotes individuales

Los pilotes pueden trabajar de dos formas: pilotes de punta (obtienen

toda su capacidad de carga de la roca o el suelo cerca de la punta, y

muy poca del terreno que rodea su fuste), y los pilotes de fricción (la

capacidad de carga viene dada por la resistencia al corte entre el suelo y






el pilote, por rozamiento y por adherencia).

4.1.4.2. Pruebas de carga en los pilotes

Es necesario realizar pruebas de carga en los pilotes para estudiar el

comportamiento del pilote en nuestro terreno, y obtener datos de

utilidad. Nos puede proporcionar datos de las características de carga,

asentamiento y capacidad de un pilote.

4.1.4.3. Grupos de pilotes

Los pilotes se suelen utilizar en grupos, no aislados.

Los pilotes en grupo no trabajan exactamente de la misma manera que

los aislados, puesto que el terreno entre los fustes de varios pilotes se

puede comprimir y como consecuencia la carga se apoya más en la

punta.

4.1.5. Elección del tipo de pilote

Debemos fijarnos en varios factores:

- Condiciones del subsuelo

- Características de hincado y puesta en obra

- Comportamiento de la cimentación

- Precio

Cuando hablamos de precio, no es el precio de la unidad de un pilote, sino de todo el

proceso (puesta en obra, hinca,…), que puede significar que un pilote caro sea más

barato en total.

4.1.6. Fabricación

Los pilotes, como hemos visto, pueden ser de diferentes materiales, prefabricados o

“in situ” y en la fabricación se puede exigir unas ciertas calidades o características

peculiares como resistentes a sulfatos, de gran compacidad,…

4.1.7. Hinca

Se realizan mediante maquinaria (de caída libre, o de accionamiento hidraúlico).

Se debe realizar un plan de obra, donde aparezcan los pilotes de prueba, zona de

apilado,…






4.1.8. Juntas

Es el elemento que permite la unión de diferentes tramos de pilotes para alcanzar la

profundidad necesaria.

Fabricadas con materiales de alta calidad, están calculadas para resistir esfuerzos

incluso mayores que la propia sección del pilote.

Deberán quedar totalmente recubiertas por hormigón.

4.2. OBRAS SINGULARES

Las múltiples posibilidades de formas, materiales, y diferentes características nos

permiten utilizar pilotes para obras muy especiales tales como:

- Obras marítimas

- Estructuras que requieren pilotes inclinados

- Grandes superficies (depuradoras, centros comerciales,…)

4.3. ENCEPADOS

Son bloques prismáticos que unen las cabezas de varios pilotes para que trabajen

conjuntamente y sirven de base al pilar o elemento estructural. Cuando se procede a

la hinca del pilote y este ha llegado al rechazo, el pilote sobresaldrá del terreno

procediéndose al descabezado del pilote para realizar posteriormente el encepado.

El encepado podrá tener un solo pilote o un grupo de pilotes.






5. MUROS DE CONTENCIÓN

El terreno tiene su propio talud vertical siendo la pendiente función de la cohesión

interna, característica de cada terreno. Conseguir taludes mayores a éstos solo puede

conseguirse mediante elementos artificiales de contención.

Un muro de contención es aquella obra encargada de contener las tierras que tienden

a alcanzar su talud natural. En ciertas ocasiones se tratará de un terreno natural y en

otras de un relleno artificial. Las estructuras de contención pueden clasificarse en:

Muros rígidos: No permiten deformaciones sin romperse.

Muros flexibles: se pueden adaptar a un cierto grado de movimientos. Su

efectividad depende de su peso y de la capacidad de soportar deformaciones

sin colapsar.

Dentro de los más usados, los de hormigón, los tipos más utilizados son:

Muros de gravedad: en su mayoría de hormigón en masa.

Muros en ménsula: de hormigón armado, aligeran el muro.

Muros con contrafuertes.

Muros de sótano

Muros pantalla

Muros de pilotes

A continuación se muestran esquemas de los diferentes tipos de muros:

Estructuras rígidas:






Estructuras flexibles:

En estas estructuras flexibles por lo general se introduce algún tipo de anclaje

o puntal cuando no es estable dejarlo en voladizo, ya que por motivos

económicos es más rentable realizar un anclaje que aumentar las dimensiones

del muro.

ÍNDICE Página - cimentajon.files.wordpress.com · o NTE-CSV, Cimentaciones superficiales, Vigas...

Documents

Transcript of ÍNDICE Página - cimentajon.files.wordpress.com · o NTE-CSV, Cimentaciones superficiales, Vigas...