Cimentaciones de Estructuras Sismorresistentes: Cargas que debe trasmitir la cimentación al terreno. Tipos de terrenos. Efectos de las acciones dinámicas del sismo. Momento de Vuelco. Incremento sísmico. Interacción Suelo-Estructura. Clasificación de las fundaciones. Zapata corrida. Zapata aislada. Zapata medianera. Viga de fundación. Platea de fundación. Pozo de fricción o Pilarote. Pilotes, de fricción y de punta. Prevenciones en suelos potencialmente licuables. Cargas que debe trasmitir la cimentación al terreno: Cuando se habla de cimentaciones se habla también de la parte más importante de una construcción y a la cual no debe ahorrarse ni materiales ni cuidados, pues a su deficiencia se deben siempre las grietas producidas al recibir una cimentación una carga superior a su capacidad resistente. Es un grave error reducir, por economía, las dimensiones, calidad y proporciones de los materiales a emplear en las fundaciones por cuanto será muy costoso pretender subsanar los defectos originados por estas deficiencias, lo cual no se logrará sin recurrir al refuerzo de los cimientos construídos defectuosamente, con el consiguiente incremento del costo original de la estructura. La función de una cimentación ante un sismo es brindar al edificio una base rigida y capaz de trasmitir al suelo las acciones que se generan por la interacción entre los movimientos del suelo y de la estructura, sin que se produzcan fallas o deformaciones excesivas en el terreno. De una fundación correcta depende el éxito de una estructura. La cimentación de un edificio debe cumplir con: Trasmitir al terreno las cargas estáticas. Trasmitir las cargas dinámicas. Dimensiones ajustadas a la capacidad de resistencia del suelo en el tiempo. Que los asentamientos no superen los límites admisibles. Prevenir los asentamientos por sobreconsolidación. Prevenir la licuefacción del suelo en caso de sismos. Trabajar en conjunto, limitando los desplazamientos diferenciales, horizontales y verticales, entre los apoyos. Cuando es factible elegir el sitio donde se ubicará el edificio, es conveniente un lugar de terreno firme, libre de problemas de las amplificaciones locales del movimiento del terreno que suelen presentarse en los terrenos blandos, y de asentamientos excesivos y pérdida de capacidad de apoyo que ocurre en alguna arenas poco compactas con un sismo. Tipos de terrenos. Los terrenos que pueden encontrarse al proyectar una cimentación se pueden clasificar en:
Terreno vegetal: es un tipo de terreno absolutamente prohibido para cimentar una estructura, por pequeña que sea. Se exige siempre su remoción o excavación total hasta alcanzar el terreno natural. Se entiende por terreno vegetal a la capa o porción donde alcanza la vida de los vegetales de superficie, o en la que se encuentren las raices de los mismos. Un sondeo nos indicará a que distancia de la superficie dejan de encontrarse raices vegeatles, vivas o en descomposición, y así, conocer exactamente hasta donde debe excavarse para remover la capa de suelo vegetal. Rellenos: Esta clase de terrenos, realizados siempre por intervención humana, se comporta de forma parecida al terreno vegetal. Por la gran reducción de huecos que sufre en el transcurso del tiempo, al irse ocupando los huecos grandes con los áridos que de las partes superiores van arrastrando las aguas, y por su falta de homogeneidad, sufren asientos grandes y desiguales, siendo necesario, por ello, profundizar las cimentaciones hasta que alcancen el terreno natural. El relleno se reconoce con facilidad porque en el se encuentran restos de mampostería, mortero,otros restos de obras, o bien cenizas u otros residuos de materia orgánica, según su origen sea de demoliciones o de residuos urbanos. Su estratificación “caprichosa” o irregular es, asimismo, inconfundible. Es posible que en algunos casos no se pueda identificar el relleno, en el caso de terrenos terraplenados, en ese caso debe apelarse a los especialistas en mecánica de suelos para conocer el nivel del terreno natural y su resistencia. Terrenos naturales: Prescindiendo de los terrenos formados por rocas óptimas para cimentar podemos dividirlos en dos grandes grupos, arcillosos y arenosos. Suelos Arcillosos:En mecánica de suelos se define como arcilla a las partículas de cualquier sustancia inorgánica menores a 0,02 mm., tamaño para el cual empiezan a tener influencia las acciones fisicoquímicas. Los terrenos arcillosos son en principio, los más peligrosos para cimentar. En ellos se pueden producir grandes asientos en un largo o aun larguisimo plazo de tiempo, y es en los que el conocimento de su comportamiento bajo cargas ha progresado más en los últimos años. Experimentalmente se determinó que el tiempo de asentamiento de los estratos arcillosos es proporcional al cuadrado de su espesor es decir, que si por ejemplo la fundación de un edificio descansa sobre un estrato de 2 metros de espesor y el asiento se produce en cuatro años, esta duración seria de 16 años si el espesor fuera de cuatro metros y de 100 años si el espesor fuera de diez metros. Si el espesor del estrato arcilloso es de muchos metros, hecho que se ha comprobado en algunos edificios famosos como el Duomo de Koenigsberg que 500 años despues de haber sufrido un cedimiento de 180 cm no ha llegado aún a su posición de equilibrio. Otro edificio conocide que ha sufrido el mismo fenómeno es la célebre Torre de Pisa, que recientemente ha sido consoliadada y reforzada en su cimentación. En este tipo de terrenos las pruebas de carga son inútiles para conocer su comportamiento. Lo que más influye en la duración del asentamiento es el contenido de agua del estrato y su permeabilidad, así como la del terreno adyacente, pues si una arcilla con un elevado contenido de agua es sometida a una carga, su asentamiento instantáneo es casi nulo, ya que el agua ( que es incomprensible ) es quien soporta la carga. La presión hace que el agua trate de fluir desocupando los huecos que ocupa la arcilla,
pero este fluir es lento y dificultado cuanto más impermeable es el estrato, por lo que se comprende que en terrenos de arcilla muy pura y gran espesor el equilibrio demore muchos años en ser alcanzado. De lo dicho deducimos que puede cimentarse en terrenos arcillosos, pero cuidando que las cargas estén uniformemente repartidas en la planta del edificio, dando a las bases las dimensiones necesarias para que la carga por unidad de superficie sea la misma Suelos arenosos: se incluyen en esta categoría no solo los terrenos formados por partículas de tamaño superior a las partículas de arcilla, sino los que contengan cantidad o porcentajes de arcilla inferior al volumen de huecos que dejan las partículas de mayor tamaño, pues su comportamiento será como un suelo arenoso. La aplicación de las cargas en estos terrenos produce rápidamente un asiento, que termina cuando se llega a la posición de equilibrio. Según las cargas a que están sometidos, son los asientos que se producen. Estos son inversamente proporcionales al tamaño del árido, aumentando con el árido de menor tamaño. No pueden darse datos ni resultados prácticos debido a la gran variabilidad de clases de terrenos que pueden presentarse, pero todos ellos son buenos para cimentar. En este tipo de terreno puede realizarse una prueba de carga, sobre la mayor superficie posible para conocer el asiento. De lo anterior vemos que el comportamiento del suelo es complejo y no se puede manejar con una simple planilla como ocurre con los otros materiales. Toda estructura se divide en dos partes fundamentales, la que está sobre el suelo y la que está debajo del suelo, diferentes y que deben diseñarse razonamientos diferentes. Cargas admisibles: Para el diseño de una cimentación debemos conocer la capacidad de carga del terreno, esta capacidad se determina generalmente mediante ensayo del suelo. La carga admisible depende de los siguientes elementos: Del tipo de terreno. De la construcción en si y su conjunto. De los asientos que se pueda producir. De las dimensiones de la cimentación. Del tiempo de carga en la construcción. De las vibraciones que puedan afectar a la construcción. La carga admisible depende de los asientos, que deben ser compatibles con la capacidad de deformación de la estructura, o depender unicamente de condiciones de resistencia. En este caso, es el cociente entre la carga de rotura del terreno y el coeficiente de seguridad. Como coeficiente de seguridad es habitual considerar 3 para la combinación más desfavorable de las acciones de peso propio, sobrecarga normal de uso y viento; y 2 para la combinación más desfavorable de las acciones de peso propio, sobrecargas máximas, viento y sismo.
Asientos admisibles: Los asientos admisibles son los asientos ( totales y diferenciales ) máximos que tolera la estructura, incluyendo entrepisos y tabiques, sin que se produzcan daños, como fisuras, descensos o giros que inutilicen la obra. Definimos como distorsión angular al cociente entre el asentamiento diferencial entre dos columnas vecinas y la distancia entre ejes. Se acepta que si la distorsión es menor a 1/500 no aparecen fisuras en los muros de cierre; que hasta 1/360, se produce sólo una ligera fisuración en los cerramientos; hasta 1/250 no es visible a simple vista; para 1/180 puden aparecer lesiones en la estructuras de hormigón armado; y para 1/150 pueden dañarse las estructuras metálicas. Las estructuras metálicas admiten,en general, mayores deformaciones que las de hormigón, aunque las de hormigón armado tienen un mejor comportamiento frente a las deformaciones lentas debido a la fluencia del hormigón. Para evitar los asientos diferenciales debe procurarse que la tensión del terreno bajo las zapatas sea la misma. Sin embargo, como el terreno no es de calidad uniforme, hay inevitablemente asientos diferenciales que pueden alcanzar a 2/3 del asiento total. Puede admitirse un asentamiento total entre 2 y 4 cm para estructuras con mampostería, y entre 4 y 7 cm para estructuras con pórticos de hormigón armado o metálicos.
El asentamiento total depende, entre otros factores, de: La distribución de los distintos estratos de suelo y sus espesores, que detrermina por medio de sondeos.
Las características geotécnicas de cada suelo, en especial el índice de poros y el coeficiente de compresibilidad, que se conocen por medio de ensayos ( para arcillas ). La distribución de tensiones y el valor de la tensión máxima. Distribución de tensiones del terreno: La distribución de tensiones del terreno sobre la base de una zapata ( que interesa para comprobrar que no se supera la tensión admisible se éste y para calcular los esfuerzos en la zapata ), depende fundamentalmente del tipo de suelo y de la rigidez de la zapata. Ver figura. En el caso de la zapata rígida, figuras (a) y (b), con carga centrada, la distribución de tensiones no puede ser uniforme, ya que en los bordes de la misma habría un salto y la ley de distribución sería discontínua. Para suelos cohesivos ( arcillas ), la ley es la representada en la figura (a) ; para suelos sin cohesión ( arenas ), como en la figura (b), mayor en el centro que cerca de los bordes, debido a que el suelo situado debajo de los mismos resiste menos puesto que puede fluir lateralmente. En el caso de zapata flexible, las tensiones en las proximidades de los bordes disminuyen en ambos tipos de suelos, debido a la deformación de la zapata, y aumentan las tensiones en el centro.
Para el cálculo de las zapatas, estas distribuciones de las presiones se asimilan a distribuiciones de tensiones uniformes o lineales, figura (e). Efectos de las acciones dinámicas del sismo: La respuesta de una estructura que está sometida a un sismo, depende de las características dinámicas de la estructura y de las características del sismo. Estas
últimas dependen de las propiedades dinámicas del terreno de fundación y la distancia al epicentro. Del tipo de terreno dependen las frecuencias predominantes en las ondas del sismo y la distancia es importante por que las frecuencias más altas se van atenuando a medida que la distancia al foco es mayor.
Es evidente que la naturaleza del terreno tiene una gran importancia en los colapsos de estructuras durante los terremotos. Se ha observado en general, que en suelos firmes. Las construcciones han sufrido menos daños que las estructuras cimentadas en suelos blandos. Pero por otro lado, se han reportado casos en que construcciones situadas en terrenos blandos han sufrido menos daños que otras ubicadas en terrenos firmes. Por ello se recomienda emplear estructuras flexibles en suelos firmes y estructuras rigidas en suelo blando, a pesar de que esto ocasiona problemas de cimentación para las estructuras rigidas apoyadas en suelo blando. Un factor a considerar es que la correlación entre el daño y la duración del sismo es mayor en los suelos blandos. Momento de Vuelco. Incremento Sísmico: El momento de vuelco se crea en cada nivel del edificio por una fuerza horizontal. Este efecto produce esfuerzos axiales en columnas y tabiques, así como fuerzas adicionales ( traccionando o comprimiendo ) en la cimentación. El momento de vuelco en el nivel i, es el momento de todas las fuerzas Fsi actuantes por sobre el nivel i. Se calcula con las siguientes fórmulas:
Msi = ( Fsjx( hj - hi ))
(a) en la fórmula (a) se utilizan las fuerzas sísmicas que actúan en cada piso y las alturas de cada entrepiso al nivel de referencia. Se puede usar una expresión con los cortes sísmicos calculados para cada entrepiso, usando la fórmula: Msi = ( Tsjx( hj - hj-1 ))
(b)
El incremento símico es la fuerza, de tracción o de compresión que se genera en un muro, tabique o principalmente en las columnas externas de un pórtico por la acción de las fuerzas horizontales que son absorbidas por el elemento sismo resistente.
Interacción Suelo-Estructura
Uno de los objetivos en la determinación de las propiedades de esfuerzodeformación de los suelos es el uso de estas propiedades mecánicas, para estimar desplazamientos verticales y horizontales en la masa del suelo cuando éste se somete a un incremento de esfuerzo. En la interfase de la estructura de cimentación y el suelo se originan desplazamientos debido a las cargas que transmite la cimentación dando lugar a desplazamientos totales y diferenciales. Los desplazamientos diferenciales de la estructura deberán ser iguales a los originados en la superficie de apoyo de la cimentación. Así pues, la estructura de la cimentación junto con las cargas que obran sobre ella y las reacciones que se provocan en el suelo se sujetará a una determinada configuración, igual a la que el suelo adoptará debido a las reacciones que éste aporta a la estructura de cimentación para su equilibrio. La configuración de esfuerzos y deformaciones en la superficie de contacto dependerá de la rigidez de la estructura de la cimentación, de la deformabilidad del subsuelo y de la distribución de cargas que se apliquen sobre a estructura de la cimentación.
La interacción entre la estructura de cimentación y el suelo consistirá en encontrar un sistema de reacciones que aplicadas simultáneamente a la estructura de cimentación y a la masa del suelo produzcan la misma configuración de desplazamientos diferenciales entre los dos elementos. El procedimiento de establecer las expresiones de compatibilidad para el cálculo de los esfuerzos de contacto se designará en adelante por ISE, esto es, Interacción Suelo-Estructura. Para lograr lo anterior, será necesario basarse por un lado en las leyes físicas que rigen el comportamiento de la masa del suelo y por el otro en los procedimientos nominales de cálculo estructural en la determinación de fuerzas y deformaciones, tomando en cuenta las propiedades mecánicas del material del cual será construida la estructura de cimentación.
Es obvio que la masa del subsuelo donde se apoya la estructura de cimentación no se puede simplificar suponiéndola constituida de elementos aislados, si se quiere obtener buena precisión en los cálculo. Será necesario tratar a la masa del suelo como un medio continuo en donde la acción en un punto i de la masa ejerce su influencia en otro punto j de ella. Así pues, para el cálculo de esfuerzos en la masa del suelo hacemos uso de la Teoría de Elastídad, o alguna de sus modificaciones; aun cuando sabemos que el suelo no es elástico sino más bien es elástico-plástico y viscoso. El cambio de esfuerzos dentro de cierto rango, en general, no es tan grande que no se pueda operar con las propiedades secantes de esfuerzo-deformación. Lo anterior trae como consecuencia el tener que estimar de antemano el nivel de esfuerzos y el cambio de éstos para asignar las propiedades mecánicas del material que deberán ser utilizadas en el cálculo. Lo cual implica, si se requiere aumentar la precisión, el tener que efectuar varios ciclos de cálculo hasta lograr la compatibilidad de las fuerzas y las deformaciones utilizando las propiedades mecánicas de esfuerzo-deformación del suelo. Desde el punto de vista de ingeniería práctica de cimentaciones, en la mayoría de los casos es suficiente estimar el nivel de esfuerzos y los cambios probables de éstos para elegir las propiedades mecánicas a usar en ISE. La rigidez de la estructura de cimentación y la contribución que a ésta le pueda aportar la superestructura es importante. Lo cual implica tener que conocer de antemano la geometría y propiedades de los elementos que la forman. La incertidumbre que existe cuando las estructuras de cimentación se construyen de concreto armado es conocer su módulo de deformación unitaria, el cual es bien sabido aumenta con el tiempo, (Zeevaert, 1975). Así pues, podría aseverarse que la
ISE de una estructura recién construida es diferente a medida que pasa el tiempo y no es sino hasta que ha transcurrido un tiempo suficiente para el cual ya no aumentan las deformaciones plasto-viscosas del concreto cuando la configuración alcanzará una posición estable. En lo que respecta al suelo y principalmente a suelos arcillosos y saturados donde se presentan propiedades dependientes del tiempo podrá decirse que los esfuerzos de contacto también varían en función del tiempo haciendo cambiar los elementos de estabilidad de la estructura de cimentación. Aun más, se puede decir que para la elección correcta y cálculo racional de una cimentación es también necesario considerar las condiciones y fuerzas ambientales. Así pues, es necesario conocer la estratigrafía del lugar y en particular de la zona en cuestión, las condiciones hidráulicas que rigen en el momento y los cambios probables que podrían suscitarse en el futuro. Conociendo la estratigrafía y las características de los sedimentos que la constituyen en varios lugares, se podrá conocer la variación probable de las propiedades mecánicas de los sedimentos en el área de la cimentación. El ingeniero de cimentaciones se ve en la necesidad de hacer hipótesis de trabajo simples y conservadoras que le permitan el cálculo de ISE con las herramientas de que dispone. En toda forma deberá conocer como mínimo las propiedades esfuerzo-deformación-tiempo para cada uno de los estratos que forman el subsuelo y hasta una profundidad a la cual ya no le afecten en sus cálculos de ISE. En regiones sísmicas o de vientos de alta velocidad, deberán establecerse modalidades en el diseño de las cimentaciones que permitan hacerlas menos vulnerables a estas fuerzas, especialmente cuando se trata de cimentaciones con pilas o pilotes. En el caso de sismos en donde el movimiento se transmite del suelo a la cimentación, será necesario conocer las propiedades dinámicas de los sedimentos para estimar el comportamiento del subsuelo y la forma en que el movimiento se transmite a la cimentación y los efectos de interacción que se generan. Para el caso de viento u otras fuerzas transitorias, será necesario conocer las propiedades esfuerzo-deformación para cargas aplicadas en períodos cortos y muy cortos, y para las cuales no se permite la deformación visco-plástica del material.
Clasificación de las fundaciones
Las fundaciones pueden clasificarse de la siguiente forma:
Fundaciones superficiales
Zapata corrida Zapatas centrada Zapata medianera Vigas de fundación Plateas de fundación
Pilotes de Hormigón
Strauss Simplex Franki Premoldeados
Fundaciones Profundas Metálicos Madera Pilarotes
Zapata corrida. Es la fundación usada bajo los muros de mampostería o los tabiques de hormigón armado. Suponemos que a lo largo del muro el conjunto muro-zapata es infinitamente rígido y que la carga uniforme ( es un muro de altura constante ). Transversalmente, para el caso de carga centrada, suponemos una distribución uniforme de las presiones bajo el terreno para zapata rígida.
Base centrada
Dimensionamiento y verificación de la base: conociendo la carga que trasmite la superestructura a la zapata – carga normal, momentos originados por carga estática y dinámica, incrementos de la carga normal por acción sísmica – y la tensión admisible del suelo se dimensiona la planta de la base, como sigue: Carga vertical P: carga trasmitida por la columna mas el peso propio de la base.
Tensión admisible del suelo t : obtenida de ensayos. El área en planta de la zapata se calcula con:
Para el caso de una zapata de planta cuadrada el lado a i vale:
La dimensión del lado a i determinada con la fórmula precedente es válida en los casos que la única acción que trasmite la columna es una carga normal. Para la mayoría de los casos existen momentos flectores en el pié de la columna, estos momentos son originados tanto por el estado de cargas estáticas y por un estado de cargas dinámicas ( sismo, viento ).
Para verificar las tensiones en el terreno en los casos que se considera la carga vertical y los momentos flectores en el pié de la columna, se procede como sigue: Los datos necesarios son: Carga vertical P Momento Flector M Tensión admisible del terreno t Dimensiones previas de la zapata a 1 y a2 Calculamos le excentricidad de la carga N, respecto al baricentro de la base. M Excentricidad e=-------P
Las tensiones en el terreno, cuando no se producen tensiones de tracción, se calculan con las fórmulas:
Cuando se presentan tensiones de tracción, la fórmula que permite conocer la distribución de las tensiones en el terreno es:
Este último caso ocurre cuando la resultante de las cargas cae fuera del tercio medio de la base. Para momentos muy elevados puede ocurrir este caso, con tensiones de tracción en parte del área de la base. Si este efecto se presenta al verificar las
acciones sismicas, es conveniente controlar el valor de st, para evitar efectos de consolidación del terreno en el sector más comprimido. Conocidas las dimensiones en planta de la base , a 1 y a2, se calculan los momentos flectores de la misma. Los momentos flectores originados por la reacción del terreno t cargando sobre la base como una losa en voladizo invertida con la carga st actuando de abajo hacia arriba.
Zapata medianera
Pozo de fricción o Pilarote. Pilotes, de fricción y de punta.
Prevenciones para fundar un edificio: Cuando los desniveles del terreno sean importantes, exista riesgo de deslizamiento del terreno de fundación o de terreno vecino al edificio, deben tomarse precauciones como se indica en la figura:
