Concreto Armado II

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CIMENTACIONES

I. INTRODUCCIN

Las estructuras que se apoyan en el suelo, incluyendo edificios, puentes,

represas; estn formadas bsicamente por dos partes. La parte superior o

superestructura y la parte inferior o cimentacin. De esto se deduce que las

cimentaciones son la parte de las estructuras que se encuentran entre la sper

estructura y el suelo o roca que le servir de base o apoyo. La ingeniera de

cimentaciones se conoce como el arte y la ciencia que trata de resolver los

problemas de cimentaciones, aplicando criterios de Ingeniera y los conocimientos

de mecnica de suelos.

Las cimentaciones transmiten directamente las cargas de la estructura al

suelo por contacto directo a travs de columnas o muros, teniendo la cimentacin la

funcin de distribuir las cargas al suelo, de tal forma que no sea sobrecargado, ni

que sufra asentamientos mayores a los permitidos por el anlisis estructural en

estudio. En conclusin el problema de diseo de cimentaciones requiere tener un

conocimiento cabal del suelo soportante y de la naturaleza y requerimientos de la

sper estructura, o interaccin Suelo-Estructura o Suelo-Estructura-Sismo.

Para asegurar un conocimiento del suelo en forma adecuada es conveniente

hacer pruebas y exploraciones en el laboratorio y el sitio, y de esta manera luego de

un adecuado procesamiento de los datos obtenidos se podr conocer las cargas que

el suelo puede soportar en forma segura. Para fines de Ingeniera el terreno se

clasifica en dos formas generales: Rocas y Suelos

Las rocas estn compuestas por acumulaciones de partculas unidas

fuertemente formadas masas duras y frgiles.

Los suelos son formaciones de partculas separadas, no unidas rgidamente,

los espacios entre partculas son llenados por aire o agua.

No obstante que nuestro tratado se considera suelos de propiedades

uniformes, el comportamiento de suelos homogneos en estratos ms complejos se

determinar por los mismos mtodos de prueba y anlisis.

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Los suelos fallan ya sea por corte o por asentamientos diferenciales. La

capacidad portante permisible de suelos es la intensidad mxima de carga neta el

suelo puede soportar tomando en cuenta la capacidad portante, como la magnitud y

tipo de asentamiento esperado, de acuerdo al acomodamiento que experimente la

estructura.

1.1. CARGAS DE DISEO EN CIMENTACIONES:

Es necesario tener el conocimiento y criterio adecuados, para decidir

que cargas deben tomarse en cuenta para el diseo de cimentaciones.

Para estructuras de almacenamiento, como almacenes silos y tanques

de agua; deber lgicamente tomarse la carga total para la cual ha sido

diseada la sper estructura con carga simultnea.

En otras estructuras deber tomarse criterios de probabilidad para la

ocurrencia de las cargas al mismo tiempo.

En edificios Industriales cuando existen grandes cargas mviles se

disea la zona especfica de la estructura sometida a la peor

conduccin de cargas ubicadas en esa zona.

Cuando existan cargas horizontales temporales tales como viento o

sismo se considerar el 100% de las cargas verticales y el incremento

de estas debido a las fuerzas horizontales cuando excede el 25% por

este efecto no, as cuando no excede de esta cantidad, salvo que las

especificaciones de diseo as lo indiquen.

Se considerar un factor de seguridad mnimo de 1.5 al levantamiento

y tambin 1.5 al volteo a no ser que las especificaciones particulares

de diseo del proyecto indiquen otros valores mayores.

1.1.1. PROFUNDIDAD MNIMA DE CIMENTACIN

Cuando la profundidad mnima de cimentacin no fue determinada

por consideraciones de capacidad portante o asentamiento debern

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tomarse en cuenta otros factores los que determinarn este valor de

profundidad mnima de cimentacin.

En cimentaciones apoyadas en arcilla se recomienda una profundidad

mnima de aproximadamente 1.00 metro; menores profundidades

pueden sufrir movimientos debido a agrietamientos por contracciones

o por esponjamiento del suelo por efectos de cambio de humedad.

En caso de no permitir la cimentacin ningn desplazamiento, se

profundizar de 1.50 m. a 1.80 m. Esto depende del tipo de arcilla.

Los suelos tipo arenas arcilla o limos saturados sufren el fenmeno de

congelamiento superficial, causando un hinchamiento por esta causa.

Estos efectos no son muy profundos y con unos 60 centmetros de

profundidad de cimentacin. Es suficiente debido llegarse a 1.00

metro cuando la napa fretica o saturacin llega a unos 60 cm. de la

superficie.

Cuando se comienza en suelos granosos se recomienda compactar la

superficie en la que se apoyar la cimentacin. No debe comentarse en

materiales orgnicos, turbas o fangos.

1.1.2. CAPACIDAD PORTANTE O RESISTENTE DE SUELOS

Como el diseo de cimentaciones consiste en encontrar un elemento

que transmita la carga de la superestructura al suelo de apoyo sin que

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se produzca falla de corte, ni flujo plstico o desplazamiento lateral de

suelo de la parte inferior de la cimentacin tampoco que se produzca

asentamientos exagerados o mayores que los permitidos; es necesario

encontrar valores que indiquen las presiones o cargas mximas que

los suelos puedan soportar. Entre otros mtodos los ms conocidos

son: El mtodo de Bowssinesq y el de Westgard aparte se tiene

tambin mtodos para encontrar los asentamientos tanto inmediatos

y los de consolidacin que son a travs del tiempo.

1.2. PRESIN DEL SUELO BAJO LA CIMENTACIN:

En cimentaciones se denomina presin del suelo bajo la cimentacin a la

capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre l.

Tcnicamente la capacidad portante es la mxima presin media de contacto

entre la cimentacin y el terreno tal que no se produzcan un fallo por

cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la

capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes

criterios funcionales:

Si la funcin del terreno de cimentacin es soportar una

determinada tensin independientemente de la deformacin, la capacidad

portante se denominar carga de hundimiento.

Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensin aplicada al terreno y

la deformacin sufrida por ste, deber calcularse la capacidad portante a partir

de criterios de asiento admisible.

II. TIPOS DE CIMENTACIONES

El escoger el tipo de cimentacin depende de la naturaleza del sub

estrato. La ubicacin de la superestructura, separacin de columnas,

ubicacin de columnas respecto a los linderos, asentamientos

mnimos permisibles etc.

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Entre las cimentaciones ms comunes usadas se tienen las siguientes,

no queriendo decir que no existan otros tipos de cimentaciones ya que

hay una variedad de cimentaciones especiales e incluso

combinaciones entre diversos tipos de ellas e incluso entre

cimentaciones y muros etc.

2.1. CIMENTACIONES DIRECTAS

Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco

profundas del suelo, por tener ste superficie capacidad portante o

por tratarse de construcciones de importancia secundaria y

relativamente livianas. En este tipo de cimentacin, la carga se reparte

en un plano de apoyo horizontal.

En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones,

incluso las superficiales, se apoyan a superficies de profundidad como

para garantizar que no se produzca deterioros.

2.2. CIMENTACIN PROFUNDA

Son aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura

hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello el

desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga de alta

deformabilidad.

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Se tiene los siguientes tipos de cimentacin:

a) Cimentaciones Ciclpeas.

b) Cimentaciones aisladas.

c) Cimentaciones corridas para muros portantes.

d) Cimentaciones combinadas.

e) Cimentaciones conectadas.

f) Losas de cimentacin.

g) Cimentaciones con Pilotes o Pilares.

2.2.1. CIMENTACIONES CICLPEAS

En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con

paramentos verticales y sin desprendimientos de tierra, el cimiento de

concreto ciclpeo (hormign) es sencillo y econmico. El

procedimiento para su construccin consiste en ir vaciando dentro de

la zanja piedras de diferentes tamaos al mismo tiempo que se vierte

la mezcla de concreto en proporcin 1:3:5 El hormign ciclpeo se

realiza aadiendo piedras ms o menos grandes a medida que se va

hormigonado para economizar material.

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2.2.2. ZAPATAS AISLADAS

Se llama as a las zapatas que soportan una sola columna, pudiendo

ser adems de acuerdo a las necesidades, zapatas con pedestal o

zapatas con pendiente.

La distribucin de presiones debajo de una zapata con una carga

simtrica no es uniforme. La forma de distribucin de presiones

depende del tipo de material de apoyo y del grado de rigidez de la

zapata.

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Como la magnitud y forma de las presiones en las bases de las zapatas

en funcin del grado de rigidez de la zapata, tipo, condicin de suelo,

la resolucin de este problema se hace bastante complejo una

reparticin lineal de presiones la cual en la prctica demuestra poca

variacin con la reparticin real de presiones.

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a) Zapatas Aisladas y Centradas

Carga Vertical (P)

- Sin armadura d 20 cm.

- Armada sobre suelo d 15 cm.

dmin - Armada sobre pilotes d 30 cm.

- Sin armadura sobre pilotes (no se permite)

Diseo:

Dimensionamiento en planta = rea.

Dimensiones en elevacin = d

Clculo de acero necesario por flexin = As.

Verificacin por transferencia de esfuerzos.

Verificacin de adherencia y longitud de desarrollo.

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A. DIMENSIONAMIENTO EN PLANTA

Calculo del rea de la zapata: Az

Az = rea de la zapata

P = carga de servicio

Pp = peso propio de la zapata

Pn = cargas adicionales

t = presin admisible del suelo

Aproximadamente:

Az= P + Pp + Pn

t

Az= P + Pp + Pn = (b+2m) (t+2m)

t

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Pesos propios para un primer tanteo

fc 210 Kg / cm2

t Kg/cm2 Pp en % de P

4

3

2

1

4 % de P

6 % de P

8 % de P

10% de P

B. DIMENSIONAMIENTO EN ELEVACIN

Clculo de la altura de la zapata d mediante la verificacin de

cortantes:

- Cortante por punzonamiento.

- Cortante por flexin.

De los dos se tomar el valor d mayor.

B.1. Cortante por Punzonamiento

Se verifica a la distancia d/2 de la cara de la columna.

Wn = presin real de suelo

d = 0.6 m. a 0.7 m. (1 tanteo)

Vc = esfuerzo cortante actuante.

Vo = corte total actuante.

Vc = Vo . b.d

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bo = permetro de zona de falla

= 2 ( t + b + 2d )

d = altura efectiva de la zapata.

Ap = rea entre los bordes y bo

= A x B (b+d) (t+d)

Vo = Wn x Ap

Vc = Wn (A x B (b + d) (t + d))

2d (b + t + 2d)

Vuc = esfuerzo permisible de

Corte por punzonamiento

Vuc = 0.27 (2 + 4 ) f c

c

Pero no mayor que:

Vuc = 1.1 f c . =0.85

c = b 1 t

Debe cumplirse Vc Vuc

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B.2. Cortante por Flexin

Se verifica a la distancia d de la cara de la columna.

Vc1-1 = Wn x A (m - d) = Wn (m - d)

A x d d

Vc2-2 = Wn x B (m - d) = Wn (m - d)

B x d d

Vuc = esfuerzo permisible de corte por flexin

Vuc = 0.53 f c , = 0.85

Debe cumplirse Vc Vuc

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C. Verificacin por Transferencia de Esfuerzos

Verificacin del aplastamiento

A1 = b x t

A2 = b2 x t2

Fa = esfuerzo de aplastamiento

actuante.

Fa = P = . P .

A1 b x t

Cuando A1 = A2

Fau = esfuerzo de aplastamiento

Permisible

Fau = 0.85 f c2 = 0.7

Debe cumplirse Fa < Fau

Cuando A1 < A2

Fa Fau A2 A1

Pero A2 2

A1

Cuando no se cumple las condiciones

Si Fa > Fau a) Colocar un pedestal

b) Colocar arranques o bastones

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a) Colocar un Pedestal

A1 (b + 2X) (t + 2X) .(1)

A1 = Pu = Pu .(2)

Fa Fau

Pu = Carga Ultima Factorizada

De (1) y (2) X

X < hp X

2

A2 = e . f . g . h

Fau = A2 * 0.85 * * f c2 A1

= 0.7

Fa = Pu

A1

Fa Fau (condicin)

Fa A2 * 0.85 * * f c2 A1

b) Colocar arranques o bastones

Asd = rea de acero de arranques

Fa = Pu

A1

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Si A1 < A2

Fau = A2 * 0.85 * * f c2 A1

A2 2

A1

F = A1 ( Fa - Fau)

Asd = F .

fy

= 0.7 arranques en compresin

= 0.9 arranques en traccin

Pero Asd 0.005 A1

D. Verificacin por Longitud de Desarrollo

0.0755 f y Db (1)

f c

Ld 0.00427 Fy Db ...(2)

20 cms. ....(3)

Db = dimetro de una varilla

Ab = rea de una varilla

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E. Clculo del rea de cero As Necesaria por Flexin

Ubicacin de la seccin para el clculo de flexin en forma prctica

calcular la adherencia en la misma seccin.

Mu1-1 = Wn * A * 12

2

= 0.9

a = As1 Fy .

0.85 f c b

As1 = . Mu 1-1 .

Fy ( d a/2)

As1 = rea total de acero

as1 = As1 . 2 .

+ 1

= A

B

As1 - as1 = para cada zona A1

2

F. Verificacin por Adherencia l d

0.06 Ab Fy . .(1)

f c

ld 0.006 Db Fy .(2)

30 cm. .(3)

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EJEMPLO: Disear una zapata aislada sometida a una carga vertical solamente:

P = 100 Tn

t = 2 Kg/cm2 = 20 Tn/m2 Seccin de columna 40 * 40

4 3/4"

f c = 210 Kg/ cm2

Fy = 4200 Kg/cm2