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• Andi Jhosep Chilcon Quispe

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL – FILIAL JAÉN

CONCRETO ARMADO II 1.0 CIMENTACIONES Las cimentaciones son elementos estructurales que se encargan de resistir las cargas provenientes de la superestructura y transmitirlas directamente al suelo, por contacto directo a través de las columnas o muros. 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. 1.1. TIPOS DE CIMENTACIONES Las cimentaciones más comúnmente usadas son: a) b) c) d) e) f)

Zapara aislada Zapata combinadas Zapata conectadas Zapata de muros (Cimientos corridos) Zapata continua, solado, losa o platea de cimentación Zapata sobre pilotes o pilares

Fig. 01. Tipos de cimentaciones El tipo de cimentación apropiado para cada situación depende de varios factores, entre los cuales se tiene:     

La naturaleza del subestrato (resistencia y comprensibilidad) La magnitud de las cargas, la ubicación respecto a linderos y la separación entre columnas. La ubicación de la napa freática. Los asentamientos mínimos permisibles. La profundidad de cimentación de las edificaciones vecinas.

Las cimentaciones pueden ser:

A)

CIMENTACIONES SUPERFICIALES. Son aquellas en las cuales la relación Profundidad/Ancho (Df/B) es menor o igual a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma. 1 Son cimentaciones superficiales las zapatas aisladas, conectadas y combinadas; las cimentaciones continuas (cimientos corridos) y las plateas de cimentación.

B)

CIMENTACIONES PROFUNDAS. Son aquellas en las que la relación profundidad/Ancho (Df/B) es mayor a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma.2 Son cimentaciones profundas: los pilotes y micropilotes, los pilotes para densificación, los pilares y los cajones de cimentación. La cimentación profunda será usada cuando las cimentaciones superficiales generen una capacidad de carga que no permita obtener los factores de seguridad mínimos que deberán tener las cimentaciones frente a fallas por corte: 3,0 para cargas estáticas; 2,5 para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable) o cuando los asentamientos generen asentamientos diferenciales mayores a los indicados en la Tabla Nº 1. 3 α = /L 1/150 1/250 1/300 1/300 1/500 1/500 1/650 1/750

TABLA Nº 1: DISTORSIÓN ANGULAR = α DESCRIPCIÓN Límite en el que se debe esperar daño estructural en edificios convencionales. Límite en que la pérdida de verticalidad de edificios altos y rígidos puede ser visible. Límite en que se debe esperar dificultades con puentes grúas. Límite en que se debe esperar las primeras grietas en paredes. Límite seguro para edificios en los que no se permiten grietas. Límite para cimentaciones rígidas circulares o para anillos de cimentación de estructuras rígidas, altas y esbeltas. Límite para edificios rígidos de concreto cimentados sobre un solado con espesor aproximado a 1,20 m. Límite donde se esperan dificultades en maquinaria sensible a asentamientos.

En todo EMS se deberá indicar el asentamiento tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del estudio. El Asentamiento Diferencial (Figura Nº 02) no debe ocasionar una distorsión angular mayor que la indicada en la Tabla N° 1. 4

Distorsión angular = δ L δTA = Asentamiento tolerable en A. δTB = Asentamiento tolerable en B. δ = Asentamiento diferencial.

En el caso de suelos granulares el asentamiento diferencial se puede estimar como el 75% del asentamiento total. Las cimentaciones profundas se pueden usar también para anclar estructuras contra fuerzas de levantamiento y para colaborar con la resistencia de fuerzas laterales y de volteo. Las cimentaciones profundas pueden además ser requeridas para situaciones especiales tales como suelos expansivos y colapsables o suelos sujetos a erosión. 1

Artículo 18 de la NTE E.050 Suelos y Cimentaciones (2006)

2

Artículo 25 de la NTE E.050 Suelos y Cimentaciones (2006)

3

Artículo 25, Artículo 16 y Artículo 14 de la NTE E.050 Suelos y Cimentaciones (2006)

4

Artículo 14 de la NTE E.050 Suelos y Cimentaciones (2006)

A

B

δTA δ

δTB

L Fig. 02. Asentamiento diferencial

1.2. CARGAS Y REACCIONES PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES El diseño de cimentaciones requiere tener un conocimiento cabal del suelo soportante, de la naturaleza y requerimientos de la superestructura, o interacción suelo-estructura o suelo-estructura-sismo. Por tanto, es necesario tener el conocimiento y criterio adecuados para decidir que cargas deben tomarse para el diseño de cimentaciones. La Norma E.060 Concreto Armado (2009), establece que: 5 - Las zapatas deben diseñarse para resistir las cargas amplificadas (Diseño por Resistencia) y las reacciones inducidas, de acuerdo con los requisitos de diseño establecidos en la Norma E.060 y conforme a lo dispuesto en el Capítulo 15. - El área de la base de la zapata o el número y distribución de pilotes debe determinarse a partir de las fuerzas y momentos no amplificados (en servicio) transmitidos al suelo o a los pilotes a través de la zapata. El área de la zapata debe determinarse a partir de la resistencia admisible del suelo o de la capacidad admisible de los pilotes, establecida en el estudio de mecánica de suelos. - En el cálculo de las presiones de contacto entre las zapatas y el suelo no se deberán considerar las tracciones. - Se podrá considerar un incremento del 30% en el valor de la presión admisible del suelo para los estados de cargas en los que intervengan cargas temporales, tales como sismo o viento. - Para determinar los esfuerzos en el suelo o las fuerzas en pilotes, las acciones sísmicas podrán reducirse al 80% de los valores provenientes del análisis, ya que las solicitaciones sísmicas especificadas en la NTE E.030 Diseño Sismorresistente están especificadas al nivel de resistencia de la estructura. La Norma E.030 Diseño Sismorresistente (2016), establece que: 6 - Las suposiciones que se hagan para los apoyos de la estructura deberán ser concordantes con las características propias del suelo de cimentación. - La determinación de las presiones actuantes en el suelo para la verificación por esfuerzos admisibles, se hará con las fuerzas obtenidas del análisis sísmico multiplicadas por 0,8. - Toda estructura y su cimentación deberán ser diseñadas para resistir el momento de volteo que produce un sismo. El factor de seguridad calculado con las fuerzas que se obtienen deberá ser mayor o igual que 1,2. La Norma E.050 Suelos y Cimentaciones (2006), establece que: 7 - Para el cálculo del factor de seguridad de cimentaciones: se utilizarán como cargas aplicadas a la cimentación, las Cargas de Servicio que se utilizan para el diseño estructural de las columnas del nivel más bajo de la edificación. - Para el cálculo del asentamiento de cimentaciones apoyadas sobre suelos granulares: se deberá considerar la máxima carga vertical que actúe (Carga Muerta más Carga Viva más Sismo) utilizada para el diseño de las columnas de nivel más bajo de la edificación. - Para el cálculo de asentamientos en suelos cohesivos: se considerará la Carga Muerta más el 50% de la Carga Viva, sin considerar la reducción que permite la NTE E.020 Cargas. - Para el cálculo de asentamientos, en el caso de edificaciones con sótanos en las cuales se emplee plateas o losas de cimentación, se podrá descontar de la carga total de la estructura (carga muerta más sobrecarga más el peso de losa de cimentación) el peso del suelo excavado para 5

Capítulo 15. Zapatas.

6

Capítulo 7. Cimentaciones.

7

Artículo 13. Cargas a utilizar.

la construcción de los sótanos. - CARGAS EXCÉNTRICAS (Art.22) En el caso de cimentaciones superficiales que transmiten al terreno una carga vertical 𝑸 y dos momentos 𝑴𝒙 y 𝑴𝒚 que actúan simultáneamente según los ejes 𝒙 e 𝒚 respectivamente, el sistema formado por estas tres solicitaciones será estáticamente equivalente a una carga vertical excéntrica de valor 𝑸, ubicada en el punto (𝒆𝒙 ; 𝒆𝒚 ) siendo: 𝑒𝑥 =

𝑀𝑥 𝑄

; 𝑒𝑦 =

𝑀𝑦 𝑄

El lado de la cimentación, ancho (𝑩) o largo (𝑳), se corrige por excentricidad reduciéndolo en dos veces la excentricidad para ubicar la carga en el centro de gravedad del «área efectiva = 𝑩’𝑳’» 𝐵′ = 𝐵 − 2𝑒𝑥 ; 𝐿′ = 𝐿 − 2𝑒𝑦 El centro de gravedad del «área efectiva» debe coincidir con la posición de la carga excéntrica y debe seguir el contorno más próximo de la base real con la mayor precisión posible. Su forma debe ser rectangular, aún en el caso de cimentaciones circulares. (Ver Figura N° 03).

Fig. 03. Cimientos cargados excéntricamente

- CARGAS INCLINADAS (Art.23) La carga inclinada modifica la configuración de la superficie de falla, por lo que la ecuación de capacidad de carga debe ser calculada tomando en cuenta su efecto. - CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES (Art.24) En el caso de cimientos ubicados en terrenos próximos a taludes o sobre taludes o en terreno inclinado, la ecuación de capacidad de carga debe ser calculada teniendo en cuenta la inclinación de la superficie y la inclinación de la base de la cimentación, si la hubiera. Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud, considerando la presencia de la estructura. El factor de seguridad mínimo del talud, en consideraciones estáticas debe ser 1,5 y en condiciones sísmicas 1,25. 1.3. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN ZAPATAS La magnitud y forma de las presiones en la base de las zapatas depende de ciertos factores tales como la rigidez del cimiento respecto al suelo, condición del suelo, tipo de cimentación; haciéndose bastante complejo una repartición lineal de presiones. En suelos granulares la presión en los extremos de la zapata es menor, debido a que la presión tiene a desplazar el suelo a los extremos, dependiendo de la profundidad de cimentación, a mayor profundidad menor desplazamiento toda vez que el peso propio del terreno no permitirá un desplazamiento en su interior. En suelos cohesivos la presión en los extremos de la zapata es mayor, debido a que el suelo que circunda el área cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella por efecto de la cohesión.

Fig. 04. Reacción en zapatas (J.Calavera, 2000) En el diseño no es práctico considerar la distribución real de la reacción del suelo, por lo que se asumen dos hipótesis: 1. La cimentación es rígida. 2. El suelo es homogéneo, elástico y asilado 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 resultaos conservadores, excepto en suelos cohesivos como limos o arcillas de alta plasticidad.