VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. CIMENTACIONES COMPENSADAS
1. INTRODUCCIÓN. 1.1. CIMENTACIONES.
La cimentación puede definirse en general como el conjunto de elementos de cualquier edificación cuya misión es transmitir al terreno que la soporta las acciones procedentes de la estructura. Su diseño dependerá por tanto no solo de las características del edificio sino también de la naturaleza del terreno. La importancia del conocimiento de los caracteres propios del suelo se pone de manifiesto desde el momento de la propia ejecución de la obra por su influencia sobre la seguridad de los trabajadores en la realización de excavaciones y movimientos de tierras así como en la de los elementos auxiliares de la construcción: cimbras, encofrados, pozos y zanjas de cimentación líneas enterradas, etc. Una cimentación inadecuada para el tipo de terreno, t erreno, mal diseñada o calculada se traduce en la posibilidad de que tanto el propio edificio como las fincas colindantes sufran asientos diferenciales con el consiguiente deterioro de los mismos pudiendo llegar incluso al colapso. 1.2. CIMENTACIÓN EN LOSAS.
La cimentación por losa se emplea como un caso extremo de los anteriores cuando la superficie ocupada por las zapatas o por el emparrillado represente un porcentaje elevado de la superficie total. La losa puede ser maciza, aligerada o disponer de refuerzos especiales para mejorar la resistencia a punzonamiento bajo los soportes individualmente (denominados pedestales si están sobre la losa y refuerzos si están bajo ella) o por líneas (nervaduras). En particular, también cabe emplear este tipo de cimentaciones cuando se diseñan cimentaciones cimentaciones “compensadas”. En ellas el diseño de la edificación incluye la existencia de sótanos
de forma que el peso de las tierras excavadas equivale aproximadamente al peso total del edificio; la losa distribuye uniformemente las tensiones en toda la superficie y en este caso los asientos que se esperan son reducidos. Si el edificio se distribuye en varias zonas de distinta altura deberá preverse la distribución proporcional de los sótanos así como juntas estructurales.
1.3. CIMENTACIÓN COMPENSADA.
Cuando el edificio vaya a disponer de sótanos y se vaya a cimentar por medio de losa, es posible que el peso de las tierras excavadas sea semejante al peso total del edificio. En ese caso, la presión unitaria neta que transmitirá la losa al terreno será del mismo orden de magnitud que la presión efectiva preexistente, y los asientos serán probablemente de pequeña entidad. Esta situación particular se denomina cimentación compensada.
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2.
CIMENTACIONES COMPENSADAS.
2.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS CIMENTACIONES COMPENSADAS.
Con las cimentaciones compensadas se busca reducir el incremento neto de carga aplicado al subsuelo mediante excavaciones del terreno y uso de un cajón desplantado a cierta profundidad. Según que el incremento neto de carga aplicado al suelo en la base del cajón resulte positivo, nulo o negativo, la cimentación se denomina parcialmente compensada, compensada o sobre – compensada, respectivamente.
Para el cálculo del incremento de carga transmitido por este tipo de cimentación y la revisión de los estados límite de servicio, el peso de la estructura a considerar será: la suma de la carga muerta, incluyendo el peso de la subestructura, más la carga viva con intensidad media, menos el peso total del suelo excavado. Esta combinación será afectada por un factor de carga unitario. El cálculo anterior deberá realizarse con precisión tomando en cuenta que los asentamientos son muy sensibles a pequeños incrementos de la carga neta. Además, en esta evaluación, deberán tomarse en cuenta los cambios posibles de materiales de construcción, de solución arquitectónica o de usos de la construcción susceptibles de modificar significativamente en el futuro dicha carga neta. Cuando la incertidumbre al respecto sea alta, la cimentación compensada deberá considerarse como poco confiable y deberá aplicarse un factor de carga mayor que la unidad, 2
VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. cuidando al mismo tiempo que no pueda presentarse una sobre –compensación excesiva, o adoptarse otro sistema de cimentación.
La porción de las celdas del cajón de cimentación que esté por debajo del nivel freático y que no constituya un espacio funcionalmente útil, deberá considerarse como llena de agua y el peso de esta deberá sumarse al de la subestructura, a menos que dicho espacio se rellene con material ligero no saturable que garantice la permanencia del efecto de flotación. En resúmen, para realizar una cimentación compensada, se debe:
Disponer de un número variable de sótanos proporcional al número de plantas a construir por encima de la superficie del terreno. Usar juntas estructurales entre las diferentes zonas del edificio, haciendo que el centro de gravedad de la estructura en cada zona coincida con el centro de gravedad de las losas, de forma que se reduzca cualquier tendencia al giro Analizar los asientos inducidos sobre las construcciones colindantes
2.1.1.
Estados límite de falla
La estabilidad de las cimentaciones compensadas se verificará como lo señala la sección 3.3.1. Se comprobará además que no pueda ocurrir flotación de la cimentación durante ni después de la construcción. De ser necesario, se lastrará la construcción o se instalarán válvulas de alivio o dispositivos semejantes que garanticen que no se pueda producir la flotación. En la revisión por flotación, se considerará una posición conservadora del nivel freático. Se prestará especial atención a la revisión de la posibilidad de falla local o generalizada del suelo bajo la combinación de carga que incluya el sismo. 2.1.2.
Estados límite de servicio
Para este tipo de cimentación se calcularán: a) Los movimientos instantáneos debidos a la carga total transmitida al suelo por la cimentación, incluyendo los debidos a la recarga del suelo descargado por la excavación.
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VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. b) Las deformaciones transitorias y permanentes del suelo de cimentación bajo la segunda combinación de acciones. Se tomará en cuenta las deformaciones permanentes tienden a ser críticas para cimentaciones con escaso margen de seguridad contra falla local o general y que los suelos arcillosos tienden a presentar deformaciones permanentes significativas cuando bajo la combinación carga estática –carga sísmica cíclica se alcanza un esfuerzo cortante que represente un porcentaje superior al 90 por ciento de su resistencia estática no –drenada. c) Los movimientos diferidos debidos al incremento o decremento neto de carga en el contacto cimentación – suelo. Los movimientos instantáneos y los debidos a sismo se calcularán en la forma indicada en la sección 3.3.2. El cálculo de los movimientos diferidos se llevará a cabo en la forma indicada en dicho inciso tomando en cuenta, además, la interacción con el hundimiento regional. Se tomará en cuenta que las cimentaciones sobre – compensadas en la zona lacustre tienden a presentar una emersión aparente mucho mayor y más prolongada en el tiempo que la atribuible a las deformaciones elásticas y a los cambios volumétricos inducidos por la descarga. Lo anterior es consecuencia de la interacción entre la descarga y el hundimiento regional cuya velocidad disminuye localmente al encontrarse el suelo preconsolidado por efecto de la descarga. En la zona III y en presencia de consolidación regional la sobre –compensación no será superior a 10 kPa (1 t/m²) a menos que se demuestre que un valor mayor no dará lugar a una emersión inaceptable ni a daños a construcciones vecinas o servicios públicos. En el diseño y construcción de estas cimentaciones deberá tenerse presente que los resultados obtenidos dependerán en gran medida de la técnica empleada en la realización de la excavación (Capítulo 5). 2.1.3.
Presiones sobre muros exteriores de la subestructura
En los muros de retención perimetrales se considerarán empujes horizontales a largo plazo no inferiores a los del agua y del suelo en estado de reposo, adicionando los debidos a sobrecargas en la superficie del terreno y a cimientos vecinos. La presión horizontal efectiva transmitida por el terreno en estado de reposo se considerará por lo menos igual a 50 por ciento de la presión vertical efectiva actuante a la misma profundidad, salvo para rellenos compactados contra muros, caso en el que se considerará por lo menos 70 por ciento de la presión vertical. Las presiones horizontales atribuibles a sobrecargas podrán estimarse por medio de la teoría de la elasticidad. En caso de que el diseño considere absorber fuerzas horizontales por contacto lateral entre subestructura y suelo, la resistencia del suelo considerada no deberá ser superior al empuje pasivo afectado de un factor de resistencia de 0.35, siempre que el suelo circundante esté constituido por materiales naturales o por rellenos bien compactados. Los muros perimetrales y elementos estructurales que transmiten dicho empuje deberán diseñarse expresamente para esa solicitación. Se tomarán medidas para que, entre las cimentaciones de estructuras contiguas no se desarrolle fricción que pueda dañar a alguna de las dos como consecuencia de posibles movimientos relativos.
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VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. 2.2. •
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TIPOS DE COMPENSACIÓN
Cimentación compensada al 100 % o Donde Wsuelo= Westructura Cimentación compensada parcialmente. o Wsuelo excavado < Westructura Cimentación sobrecompensada. o Wsuelo excavado > Westructura
2.3.
TIPO DE SUELO
De mediana y alta compresibilidad, y baja capacidad de carga. En el diseño, el suelo debe considerarse como una fase líquida y sólida. Por lo que, la compensación se hace teniendo en cuenta dos efectos: •
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Sustitución de peso sumergido del sólido. Efecto de flotación debido al líquido desalojado.
Ambos efectos son utilizados para igualar el peso total del edificio. Se diseña como una losa de cimentación por lo que los asentamientos son controlados.
3. DISEÑO DE CIMENTACIONES COMPENSADAS.
3.1.
CARGA NETA EN CIMENTACIONES COMPENSADAS
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VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. 3.2.
ASENTAMIENTO DE UNA LOSA COMPENSADA
El asentamiento de una losa de cimentación se reduce decreciendo el incremento de presión neta sobre el suelo, lo que se hace aumentando la profundidad de empotramiento, Df . Este aumento es particularmente importante para losas sobre arcillas blandas, donde grandes asentamientos por consolidación son de esperarse. De la ecuación (5.16), la presión aplicada neta promedio sobre el suelo es
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Para no tener incremento de la presión neta del suelo sobre un suelo bajo una cimentación compensada, q debe ser cero. Entonces
Esta relación para Df se denomina usualmente la profundidad de una cimentación totalmente compensada. El factor de seguridad contra falla por capacidad de carga para cimentaciones parcialmente compensadas (es decir, Df < Q/Aγ) se expresa como
Para arcillas saturadas, el factor de seguridad contra falla por capacidad de carga se obtiene sustituyendo la ecuación (5.10) en la ecuación (5.22):
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VALDIVIESO MÉNDEZ DAVID IRVIN. INGENIERIA CIVIL. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. 4. EJERCICIOS DE EJEMPLO.
Peso del edifico = 32,000 ton Carga viva (personas, muebles, etc.) = 5,000 ton 37,000 ton Peso del terreno excavado = 29,000 ton Carga neta sobre la arcilla = 8,000 ton
Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37,000 ton sobre la superficie del terreno, se habría producido un asentamiento de aprox 0.30 m debido a la consolidación del terreno blando superior y habría dañado la estructura. La solución es cimentar el edificio en una excavación abierta en el terreno. El peso del terreno excavado fue de 29,000 ton, de forma que la carga neta aplicada por el edificio al terreno fue de sólo 8,000 ton. Por este sistema el asentamiento estimado del edificio fue de 5-8 cm, valor que puede tolerarse. Este método de reducir la carga neta eliminando parte del terreno se denomina compensación de cargas o flotación. Cuando la carga del edificio se compensa en parte por el terreno excavado, la técnica se denomina de flotación parcial; cuando se compensa totalmente el peso se habla de flotación total.
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