CAP. 2 - Diseño de Cimentaciones Superficiales - 1.pptx

Diseño de Cimentaciones Superficiales

1. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Introducción Se define como cimentaciones superficiales a aquellas cimentaciones usadas en la mayoría de las edificaciones, como son las zapatas aisladas, zapatas conectadas, zapatas combinadas, cimientos corridos, y las losas o plateas de cimentación, las cuales transmiten la carga de las estructuras hacia un terreno ubicado a poca profundidad desde la superficie. El diseño en concreto armado, o en algunos casos en concreto simple, de estas cimentaciones considera una serie de simplificaciones en el comportamiento del suelo, adicionales a las propias del diseño en concreto.

2. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Introducción La carga de trabajo del terreno debe determinarse por medio de experiencias y sondajes a cargo de un especialista en Mecánica de Suelos. En la siguiente Tabla se presentan algunos valores aproximados de la carga de trabajo para diferentes tipos de terrenos. Estos se utilizan sólo para diseños preliminares.

3. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Introducción

4. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Introducción Tipos de suelos en Lima- Callao

5. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Requerimientos del ingeniero estructural como información de un estudio de suelos El Ingeniero Estructural requiere de un mínimo de información de todo Estudio de Suelos. Así, se puede considerar que en todo Estudio de Suelos debe indicarse: Presión admisible del suelo. Profundidad mínima de cimentación correspondiente a la presión admisible indicada. Necesidad de considerar o no asentamientos diferenciales importantes. Clasificación del suelo según lo indicado en la Norma de Diseño Sismorresistente; tipo de suelo y su período predominante. al concreto de Presencia de napa freática, agentes químicos dañinos cimentación. Problemas relacionados con saturación del suelo. Coeficientes de empuje para el caso de muros de contención

6. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Requerimientos del ingeniero estructural como información de un estudio de suelos

7. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Requerimientos del ingeniero estructural como información de un estudio de suelos

8. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Requerimientos del ingeniero estructural como información de un estudio de suelos

9. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Tipos de cimentaciones El tipo de cimentación apropiado para cada situación depende de varios factores entre los cuales se tiene: La resistencia y compresibilidad de los estratos del suelo. La magnitud de las cargas de las columnas. La ubicación de la napa freática. La profundidad de cimentación de las edificaciones vecinas.

10. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Tipos de cimentaciones En la siguiente figura se muestran los diferentes tipos de cimentación: zapata de muro o cimiento corrido, zapata aislada, zapata combinada, zapata conectada, zapata sobre pilotes y zapatas continuas, solados o plateas.

11. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Cada tipo de terreno tiene sus características propias y reacciona ante cargas externas de distintos modos. Algunos de los factores que influyen en la distribución de la reacción del terreno son: la flexibilidad del cimiento respecto al suelo, el nivel de cimentación y el tipo de terreno.

12. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación En el terreno granular se aprecia que la presión en los bordes de la cimentación es menor que en la zona central debido a la presión ejercida por las cargas aplicadas tiende a desplazar el suelo en los extremos lo cual disminuye la reacción. Este desplazamiento depende de la profundidad de cimentación. Si ésta es elevada, la fuerza ejercida por el peso propio del terreno impedirá que el suelo se desplace. En el suelo cohesivo, por el contrario, la presión en los bordes de la cimentación es mayor que en la sección central. El suelo que circunda el área cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella por efecto de la cohesión y por ello la reacción se incrementa.

13. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación En el diseño, no es práctico considerar la distribución real de la reacción del suelo, por lo que se asumen dos hipótesis básicas: La cimentación es rígida. El suelo es homogéneo, elástico y aislado del suelo circundante. Estas suposiciones conllevan a que la distribución de la reacción del suelo, frente a las cargas transmitidas por la columna sea lineal, consideración que ha demostrado dar resultados conservadores, excepto en terrenos cohesivos como limos o arcillas plásticas.

14. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada sin momento: Si la carga aplicada no tiene una excentricidad en relación al centro de gravedad de la zapata, se puede considerar para fines de diseño práctico, que la distribución de presiones es constante y uniforme, de tal modo que: σ = P A A = Área = B x L donde: P = Carga Se sabe que esta suposición es una simplificación, puesto que en suelos no cohesivos la distribución de presiones es cóncava (mayor presión en los bordes) y en suelos cohesivos o granulares es convexa (mayor presión hacia el centro).

15. P P σ = A CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada sin momento: L B A = BL

16. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en una dirección Si la carga aplicada viene acompañada de un momento, es decir que existe una excentricidad respecto al centro de gravedad de la zapata, generalmente se admite como válida una distribución lineal de presiones basada en la suposición que la zapata es rígida y que el suelo tiene un comportamiento elástico. Para estos casos se puede evaluar la presión actuante con la expresión: P Mv σ = A ± I

17. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en una dirección Si la zapata es rectangular de lados B y L 1 σ = P + 6M BL BL 2 2 σ = P − 6M BL BL 2 Ya que: A = Área = B x L I = Inercia = B x L 3 / 12 v = L / 2 La expresión anterior será válida si Mv/I no es mayor a P/A, puesto que si no fuera así, se producirían tracciones entre el suelo y la zapata, lo cual no es posible.

18. P σ = P BL L B M A = BL I = BL 3 /12  6M e = M/P < L/6 BL 2

19. P σ max = 2P BL L B M e = M/P = L/6 A = BL I = BL 3 /12

20. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en una dirección Para los casos en que la excentricidad de la carga excede los límites del núcleo central, es decir que teóricamente se producirían tracciones, se puede considerar una distribución de presiones triangular que cumpla el equilibrio con sólo presiones en compresión. Así se tiene: σ = 2P X(B) Para determinar X, debe considerarse que el centro de gravedad del triángulo de presiones debe coincidir con la ubicación de la carga P.

21. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en una dirección Por tanto, si se sabe que el centro de gravedad de un triángulo está ubicado a un tercio de su altura se tiene: L 2 X = 3( − e) y reemplazando en la ecuación anterior se tiene: σ = 2P L 3B ( 2 − e)

22. P σ max = 2P L B M e = M/P > L/6 A = BL I = BL 3 /12 3(0.5L – e) 3(0.5L – e)B

23. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en dos direcciones Si la carga aplicada viene acompañada con momentos que simultáneamente actúan en dos direcciones, asumiendo que la zapata es rígida y que la distribución de presiones sigue siendo lineal se puede obtener las presiones en las cuatro esquinas de una zapata rectangular con la siguiente expresión: P M x v x M y v y σ = A ± ± I I yy xx Esta expresión será válida mientras no se tenga ninguna esquina con presión negativa, lo cual implicaría admitir tracciones entre el suelo y la zapata.

24. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso de carga aplicada con momento en dos direcciones

25. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Distribución de las presiones inmediatamente por debajo de la cimentación Caso que considera redistribución de presiones en el terreno en forma constante (Meyerhof) Cuando se tiene cargas con excentricidades grandes (que producirían tracciones dentro del análisis clásico indicado anteriormente ) pareciera que el comportamiento real de las zapatas y la distribución de presiones es diferente, produciéndose en la zona de aplicación de la carga una plastificación del suelo y una redistribución de presiones hacia las zonas en que uno consideraría tracciones. Dentro de este análisis y considerando siempre simplificaciones con fines de diseño práctico se plantea un área de zapata efectiva donde se asume que la presión actuante es uniforme.

26. σ = P 2(0.5L – e)B L x B x/2 x/2 e σ (B) (x) = P Como P debe coincidir con el centro de gravedad del área cargada se tiene: x = 2(0.5L – e)

27. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño de cimentaciones de Concreto Armado Generalidades El diseño en concreto armado de una cimentación se hace en igual forma que cualquier otro elemento estructural, es decir, verificándose los requerimientos de los distintos tipos de esfuerzos actuantes; en el caso de las cimentaciones interesan la fuerza cortante, la flexión, el aplastamiento y los anclajes. Antes de efectuar el diseño de las cimentaciones se hará el dimensionamiento de su área en planta, de manera de obtener una presión actuante menor o igual a la presión admisible indicada en el Estudio de Suelos.

28. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño de cimentaciones de Concreto Armado Generalidades Es conveniente entonces distinguir dos etapas: Dimensionamiento en planta de la cimentación: Usar cargas en servicio, considerar un incremento de la carga para tomar en cuenta el peso propio de la zapata (5 a 10% dependiendo si el terreno es duro o blando) Diseño de la cimentación propiamente dicha: Incluye dimensionamiento de su peralte (o altura) y el refuerzo de acero necesario. Usar cargas amplificadas.

29. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño de cimentaciones de Concreto Armado Generalidades Si se analiza una zapata aislada o una zapata combinada se observa que en ella se producen esfuerzos de cortante y de flexión como si se tratara de una losa o una viga. El diseño por cortante debe verificarse considerando el cortante actuando como viga y el cortante actuando como losa en dos direcciones. A este segundo efecto se le denomina punzonamiento.

30. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño de cimentaciones de Concreto Armado Generalidades El diseño por flexión debe hacerse en las dos direcciones de la zapata ya que se tiene voladizos en las dos direcciones; normalmente se realizan estos diseños en forma separada como si se tratara de dos voladizos independientes, aún cuando se sabe que esta suposición es conservadora ya que en realidad se tendrá una losa armada en dos direcciones. Adicionalmente al diseño por fuerza cortante y por flexión debe tenerse en cuenta el problema de la longitud de anclaje de los fierros longitudinales de la columna, la cual condiciona el peralte mínimo de la cimentación.

31. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño por Fuerza Cortante V u  ØV n donde V n = V c + V s Ø = 0.85 Es un criterio generalizado el diseñar las cimentaciones de tal manera que la resistencia del concreto sea suficiente y que no se recurra a colocar refuerzo de acero por cortante. Por tanto: V s = ØVc = 0.85 ( 0.53*  f  c b d ) El diseño debe verificarse en una sección ubicada a “d” de la cara evaluándose las dos direcciones en forma independiente. Haciendo V u =øV c se obtiene el peralte “d” necesario para cumplir con los requerimientos de cortante, sin recurrir a acero de refuerzo

32. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño por Fuerza Cortante B d Sección critica Área tributaria c L

33. Concreto Armado II Escuela de Ingeniería Civil CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño por Punzonamiento Para esta verificación, la sección crítica se localiza a “d/2” de la cara V u  ØV c ØVc = 0.85 ( 1.06*  f  c b o d ) L B Seccion critica (b o ) Area tributaria d/2 c 1 c 2

34. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño por Flexión Una vez definido el peralte de la zapata se calcula el acero de refuerzo para resistir los momentos de flexión. El momento flector máximo para el diseño se considerará en la cara de la columna y se evaluará en cada dirección en forma independiente. u M = u σ c 2 2   M n =  A s f y d – a 2 A s,min = 0.0018bh

35. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Diseño por Flexión P u u σ = c d h P u A Seccion critica M u = σ u c 2 2