“Año De La Integración Nacional Y El Reconocimiento De Nuestra Diversidad”
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN:
Curso:
CONCRETO ARMADO II Docente: Ing. Gumercindo Flores Ciclo: VIII Alumnos: Fournier Pais Analí Moreno Saavedra Eliezer Rodriguez Velásquez Kervin Soriano Ipanaqué Angel
Nuevo Chimbote- Ancash- Perú Noviembre del 2012
INTRODUCCIÓN:
LOSAS DE CIMENTACIÓN Las LOSAS DE CIMENTACIÓN, también se conocen con el nombre de PLATEAS O PLACAS DE CIMENTACIÓN, y como cualquier tipo de cimentación su función es transmitir las cargas de la superestructura al suelo de cimentación, pero su uso es especial para determinadas características, ya sea cuando resulte impráctico la construcción de un emparrillado, o cuando el terreno lo demande. 1. DEFINICIÓN: Una losa de cimentación se define como un elemento estructural de concreto armado, cuyas dimensiones en planta son muy elevadas con respecto a su canto, y son perpendiculares a los soportes (columnas, muros portantes, etc.) Este elemento puede soportar varias columnas y/o muros al mismo tiempo, así como otros tipos de estructuras: domos, silos, estanques de agua, depósitos, torres, etc.
LOSA DE ENTREPISO
LOSA DE CIMENTACIÓN
Desde un punto de vista estructural, las losas de cimentación son similares a entrepisos invertidos, donde las cargas distribuidas resultan ser las reacciones del suelo, actuando debajo hacia arriba, y las columnas y muros actúan como apoyos puntuales o lineales.
Por tanto se deduce que encontraremos una similitud directa entre 2. USO Y APLICACIÓN: los tipos de losas de entrepisos y los de las losas de cimentación. Se emplean en los siguientes casos:
Cuando se tiene un tipo de suelo compresible, y se necesita una mejor distribución de esfuerzos y comportamiento estructural.
Cuando la capacidad de carga del suelo es muy baja y las zapatas aisladas resultan demasiado grandes y juntas para ser una opción viable.
Para el sellado de cubetas sometidas a una subpresion, cuando existe la posibilidad de ascenso del nivel freático evitando así que fluya el agua en un sótano, evitando el levantamiento de las bases aisladas poco cargadas.
Es recomendable cuando la superficie de cimentación mediante zapatas supere el 50% de la planta de la construcción.
Las losas de cimentación en ocasiones son soportadas por PILOTES:
Debido a que ayudan a reducir el asentamiento de una estructura construida sobre suelo altamente compresible.
Cuando el nivel freático es alto, las losas se colocan a menudo sobre pilotes pare vitar la flotabilidad.
3. DESVENTAJAS:
La idea de que la cimentación por placa es la solución de cualquier problema, es sumamente errónea. La placa presenta
problemas
estructurales
y
geotécnicos
que
deben
ser
estudiados con especial cuidado y según el tipo de aplicación. 4. REQUISITOS:
Cumplir que en sentido horizontal, debajo de la losa, se presenta una estratigrafía uniforme.
Cumplir que el centro de gravedad de la placa coincida o esté cercano al punto de aplicación de la resultante de las cargas.
Disponer de un estudio de suelos confiable.
Considerar en el diseño estructural la interacción suelo estructura (ISE, softwares).
5. TIPOLOGÍA: 5.1 TIPOLOGÍA GENERAL DE LAS LOSAS: 5.1.1. Losa continua uniforme. Se caracteriza por sólo tener los refuerzos de acero y el espesor determinado por los cálculos sin ningún tipo de alteración.
5.1.2. Losa aligerada. Este tipo de losa se caracteriza por disminuir el volumen de concreto a utilizar, debido a que solo se emplea el espesor
determinado en las secciones críticas determinadas en el diseño; el resto se disminuirá hasta donde permita el esfuerzo cortante involucrado en el diseño.
5.1.3. Losa nervada. A diferencia de la losa aligerada aquí solo se emplean vigas, las cuales corren sobre los ejes X e Y generando así cajones entre columnas. Con esta forma se disminuye mucho más el volumen de concreto a utilizar.
5.1.4. Losa con refuerzos bajo columnas. La función que tienen es común con la losa con pedestales.
5.1.5. Losa con pedestales. Al igual que en las losas normales, estas se diseñan principalmente para evitar fallas por punzonamiento de parte de las columnas.
5.1.6. Losa tipo Cajón. Consisten
en
elementos de concreto reforzad, de sección
transversal cilíndrica, rectangular, elipsoidal o similar que se coloca verticalmente en el suelo de apoyo, utilizando técnicas apropiadas de excavación y retiro, con el fin de conseguir un apoyo satisfactorio a una profundidad práctica.
5.2 OTRAS TIPOLOGÍAS: 5.2.1. Tipología básica:
Surge
como
una
evolución
constituyendo una palca nervada.
del
emparrillado,
Es una solución que surge a raíz de la anterior, fruto de la
tendencia a la supresión del encofrado y la simplificación de la ferralla. Esta es la más común a casos normales.
La
solución
c,
constituye
una
versión
extraordinariamente aligerada, pero presenta evidentes complicaciones constructivas y solo puede considerarse para casos muy especiales.
5.2.2. Según el tipo de apoyo: Losas Directas:
Son aquellas losas de cimentación que se apoyan sobre el terreno, toda su área en planta, a cualquier profundidad, sin tomar en cuenta el volumen de tierra excavada para la cimentación. Por lo tanto, pueden ser superficiales o profundas, sin que la cota de apoyo sea considerada como un parámetro que afecta el comportamiento del suelo.
Losas Flotantes:
Son las que se basan en la técnica de la flotación, que consiste en ubicar la placa a una profundidad tal que el peso del suelo excavado iguale el transmitido por el cimiento. En consecuencia, los únicos asentamientos que se tomarán en cuenta son los debidos a la recompresión del suelo luego de expandirse durante la excavación. A las losas flotantes se las conoce también por cimientos de sustitución. La flotación de las losas puede ser total, cuando sustituye globalmente el peso del suelo excavado por el de la placa cargada, o parcial. La flotación parcial es el resultado de una compensación en un cierto porcentaje del total del peso de la tierra sustituida por la carga de la losa o placa. La flotación total se basa en el mismo principio de flotación de un barco, el cual desplaza igual peso de agua que el propio, de modo que las presiones a cualquier profundidad en
el
agua
bajo
el
barco
son
independientemente de la presencia de este.
las
mismas,
En las placas flotantes se debe tener la precaución de que el peso de la superestructura, mas el peso propio de la placa, sea Uniforme en toda el Área de apoyo, para que se produzca el mismo efecto de la tierra removida.
Losas Sobre pilotes:
Su uso se da para reducir el asentamiento de una estructura en un suelo sumamente compresible, y cuando hay niveles freáticos altos para evitar la flotabilidad.
6. PARTES COMUNES DE UNA LOSA DE CIMENTACIÓN:
PARTES LOSA DE CIMENTACIÓN
1. Terreno compactado. 2. Armadura inferior de la losa. 3. Separador P.V.C. o mortero. 4. Armadura antipunzonamiento
6. Armadura del pilar. 7. Hormigón de limpieza 5/10 cm. 8. Armadura de la viga. 9. Anclaje para separación de armadura.
7. PROCESO CONSTRUCTIVO DE UNA LOSA DE CIMENTACIÓN:
CONSIDERACIONES La cimentación en losa debe tener un canto mínimo de 30 cm. sobre base de hormigón pobre o de limpieza. Aunque habitualmente las losas tienen unos cantos que van desde 50 a 120 cm, según el tipo de edificio que soportan. Las Cimentaciones por Losa actúan a través de una superficie de apoyo continua que iguala las presiones y forma un arriostra miento en todos los puntos de apoyo.
Instalación de saneamiento o alcantarillado embebida en la losa de cimentación. Malla electro soldada son Elementos de
industrializados
armadura
presentan
en
rectangulares por
que
alambres
se
paneles constituidos o
barras
soldadas a máquina, esta opción se
puede
utilizar
para cimentaciones que no van a recibir mucha carga como en casas habitación.
COLOCACIÓN DE GRAVA SOBRE LA SUPERFICIE luego
de
estabilización
la
excavación del
terreno,
y se
inicia la construcción de la losa
de cimentación colocando una capa de grava sobre la superficie de cimentación
COLOCACION DE LA CAPA DE SOLADO
se
procede
con
la
colocación de una capa de concreto de limpieza sobre extiende
la
grava, de
se
manera
homogénea.
COLOCACIÓN DE MALLAZO INFERIOR Se
procede
a
la
colocación
del
mallazo inferior respetando algunas instalaciones y doblando las varillas para el arranque de los muros
MONTAJE DE LOS ARRANQUES DE PILARES Se procede con la colocación del acero para el arranque del montaje de los pilares y las patas de apoyo para la armadura de la cara superior de la losa.
RESERVA DE HUECOS PARA SANEAMIENTO
Durante la colocación de las mallas y el acero, se debe prever la reserva de huecos para saneamiento, así como todas las instalaciones sanitarias.
PROCESO DE HORMIGONADO DE LA LOSA
Vertido del concreto desde la tolva, que previamente ha sido impulsado hasta ella mediante una bomba de hormigonado. Movimiento del concreto en el interior de la losa.
PROCESO DE FRATASADO DEL HORMIGÓN
Proceso
de
fratasado
del concreto mediante helicóptero.
Se
inicia
inmediatamente después de terminar la fase de hormigonado.
Evolución del
fratasado
tras
varias
horas
de pasar el
helicóptero continuamente.
ELABORACIÓN DE JUNTAS DE RETRACCIÓN Antes de que se inicie el endurecimiento de la capa de concreto se procede con la elaboración de la juntas de retracción.
PROCESO DE CURADO
Luego con e curado del concreto colocando un plástico protector en la superficie acabada del concreto que ayudara al
curado,
evitando
la
evaporación del
agua
contenida en la masa.
8. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO: 9. EJEMPLO DE CÁLCULO: Ejemplo: Para resolver la cimentación de la torre central se ha optado por una losa de cimentación debido a la presencia de un estrato de arcilla competente pero saturada. Esta losa recibe los cuatro pilares centrales de la torre (los perimetrales los reciben las pantallas) como se observa en la figura 1.
Fig. 1.- Esquema de la losa de cimentación Considerando un canto inicial h = 250 mm (valor normal para una losa y un edificio de estas dimensiones), cada pilar transmite las siguientes acciones:
Antes de entrar en las comprobaciones es necesario determinar cierta información sobre el sistema de cimentación. Como se observa en la figura, estableciendo un sistema coordenado en el centro de la losa, la resultante (R) de estas acciones se ubica en el punto (Xg; Yg), el cual se determina a partir de las expresiones 5.2 y 5.3 (Calavera, 2000): (1) (2)
Donde (Xi, Yi) es la coordenada de cada pilar dentro del sistema coordenado. Remplazando con los valores obtenidos de la figura 1 se tiene:
[
(
)] [
[
[
]
]
(
)] [
[
]
]
Luego, la excentricidad de la resultante respecto del centro geométrico de la losa es:
Mientras que la resultante de las acciones es (Calavera, 2000):
Con esta información es posible determinar la distribución de presiones bajo la losa, en sus cuatro vértices, mediante la expresión (3): (
)
(
)
(3)
Donde a,b : Dimensiones en planta de la losa, en este caso iguales a 39.5 m. X: coordenada sobre el eje X del punto sobre el cual se busca la presión. Y: coordenada sobre el eje X del punto sobre el cual se busca la presión.
Con estos valores se realizarán las comprobaciones geotécnicas. Las presiones necesarias para determinar los esfuerzos en la losa se determinarán más adelante. Ahora es posible entrar en las comprobaciones pertinentes. Verificación de los Estados Límite Últimos Una losa de cimentación se comporta, básicamente, como una zapata de grandes dimensiones y deberán verificarse los Estados Límite Últimos correspondientes a cimentaciones superficiales. Dada la configuración del sistema de cimentación y los esfuerzos que actúan sobre éste, se deberá comprobar la seguridad al hundimiento y capacidad estructural. Si bien existen acciones horizontales, no es preciso estudiar el comportamiento frente al deslizamiento ni vuelco debido a la coacción que otorgan las pantallas ante el movimiento horizontal y el giro. Sí se
tendrán que verificar, además, las condiciones de flotabilidad del edificio debido a la presencia del nivel freático bajo la losa. Hundimiento Como se vio en el apartado 4.2 la condición crítica en arcillas es la de corto plazo, es decir, sin disipación de las presiones intersticiales. En este caso, la fórmula para obtener la presión de hundimiento se reduce a: (4) Donde, q: sobrecarga que ejercía el terreno antes de la excavación:
Cu: Resistencia al corte no drenado: Remplazando en (4) se tiene que la presión de hundimiento es:
Luego, considerando la máxima presión bajo la losa (vértice B) se obtiene el factor de seguridad frente al hundimiento:
Este valor es superior al establecido en la tabla 2.2 (2,6) para situaciones transitorias; por lo tanto, se verifica el Estado Límite Último de hundimiento. Capacidad estructural Normalmente, el diseño estructural de una losa de cimentación se realiza mediante el uso de ordenador debido a la complejidad de los cálculos cuando la distribución en planta de pilares no es rectangular, el cual es el caso más común en la práctica. No obstante, en este caso se está en presencia de una distribución rectangular de pilares y de número bastante reducido. Para situaciones como esta existen simplificaciones y consideraciones que permiten realizar un cálculo manual aunque siempre de manera conservadora y a modo de pre dimensionamiento. Como siempre, para el cálculo estructural se consideran las cargas mayores.
Para el cálculo de la capacidad estructural de la losa se considerará un emparrillado de vigas virtuales como se observa en la figura (2).
Fig. (2) Emplantillado de vigas virtuales Como se observa, la losa se divide en cuatro vigas virtuales (dos en cada dirección) de 13,5 m de ancho y 39,5 m de largo. Considerando que tanto la superestructura como las vigas virtuales son rígidas y conocidas las cargas que transmite cada pilar, el cálculo de las vigas virtuales se aborda mediante la teoría de cálculo vigas de cimentación. Debido a que las cuatro vigas presentan las mismas dimensiones y los cuatro pilares tiene la misma separación en ambos sentidos y transmiten la misma carga, el diseño se reduce al de la viga de la figura (3). Aplicando la expresión (1) y tomando como referencia el sistema coordenado de la figura (3) se obtiene la posición de la resultante de acciones, la cual es igual a la suma de los esfuerzos axiles aplicados sobre la viga: (
)
Fig. (3) Esquema de las vigas de cimentación (
)
Luego, la excentricidad de la resultante respecto del centro geométrico de la viga es:
Debido a que la excentricidad es menor que un sexto de la longitud de la viga ( ) Las presiones máximas expresiones 5.6 y 5.7.
bajo
ésta
se
determinan
(
)
(5)
(
)
(6)
mediante las
Remplazando con los valores pertinentes se obtiene:
Con estos valores se tiene que:
Luego, el esquema estructural de la viga se observa en la figura (4), en donde A representa la sección crítica que se ve sometida al máximo momento flector. A su vez, el incremento de presión por metro lineal es:
Fig. (4) Esquema estructural y diagrama de momentos genéricos de la viga de cimentación. Así, la presión en el punto A es:
Luego, el momento flector máximo es: )
(( ((
)
) )
Este valor es el momento de diseño (Md) con el que se proyectarán las armaduras principales. En tanto, el esfuerzo cortante de diseño (Vd) será igual a Nd = 40250 KN. a) Dimensionamiento de la armadura a flexión Considerando las dimensiones de cada viga de cimentación, recubrimiento de 70 mm, diámetro de barras de 32 mm y aplicando las expresiones expuestas, se tiene que:
Debido a que Md < Mf la armadura se determina como:
(
√
)
(
√
)
Luego, la armadura se determina como:
Esta armadura equivale a 540Ø32 ( las dos caras de la losa, es decir, 270Ø32 ( cada cara.
) y se reparte en ) en
Luego, se debe cumplir una cuantía de 1,8‰ en cada cara, con lo que:
Por lo tanto, la armadura cumple las condiciones de cuantía mínima. b) Comprobación a esfuerzo cortante Como se indicó anteriormente el esfuerzo cortante de diseño es:
La verificación se realizará de acuerdo a las expresiones presentadas en el apartado 4.4.1.1 b). El esfuerzo cortante de diseño (Vd) debe cumplir las siguientes condiciones
Considerando un recubrimiento de 70 mm para elementos estructurales hormigonados contra el terreno, Vu1 se determina como:
Este valor es mayor que Vd por lo que se cumple la primera condición.
Luego,
Donde:
(
√
)(
)
Y,
De donde se despeja el valor de A90 correspondiente a la armadura transversal. El valor de Vsu se obtiene como la diferencia entre Vd y Vcu y es igual a 29532056 N. Luego, la armadura transversal es:
Para satisfacer esta cuantía se disponen estribos Ø32 cada 200 (ver figura 4). Con esta armadura transversal la separación de la armadura principal de las vigas es:
Esta separación es inferior a la recomendada (2,0 cm) y no permitiría un hormigonado apropiado; por lo tanto, se dispone dos filas de barras en ambas caras de la losa, donde cada una de ellas tiene 135Ø32. Así, se consigue una separación de 70 mm. c) Comprobación a punzonamiento El comportamiento frente al punzonamiento se verificará mediante la expresión (7): (7) Donde, Vpd: Esfuerzo punzante de cálculo. Nd: Esfuerzo axil de cálculo, 40250 KN.
: Presión de cálculo sobre el terreno igual a Sp: Área encerrada por el perímetro de punzonamiento determinada de acuerdo a la expresión 5.9. (
(8)
)
Donde, a su vez, a1,b1: dimensiones del pilar que provoca el punzonamiento, en este caso: a1 = b1 = 1.5 m . d : canto útil de la losa = 2.414 m. Remplazando en la expresión (8) se tiene: (
)
Volviendo a la expresión (7) se tiene que el valor de cálculo del esfuerzo punzante es:
En tanto, la resistencia de la pieza frente al punzonamiento viene dada por la expresión (9): √
(
)(
(9)
)
Donde, : Cuantía geométrica ponderada de la armadura a flexión en las dos direcciones. En este caso
Remplazando en la expresión 5.10 se tiene que la resistencia de la pieza es:
(
(
√
)(
)
)
Como se ve, el valor del esfuerzo punzante de cálculo es menor que la resistencia de la pieza frente a dicha solicitación, por lo tanto, se verifica el Estado Límite Último de punzonamiento. d) Comprobación de las condiciones de anclaje Anclaje armadura losa de cimentación Debido al gran canto de la losa se opta por un anclaje mediante longitud adicional . Considerando un vuelo de 6000 mm (b=13500). Aplicándolas con los valores correspondientes se obtiene un valor negativo, lo cual indica que la longitud de doblado de las barras (5Ø) es suficiente para anclar las armaduras. Esto se debe al gran diámetro de éstas y al elevado canto de hormigón sobre las mismas.
Anclaje losa - pilar La unión de los pilares a la losa (dado el armado de cada pilar) se realizará mediante un anclaje compuesto por 10Ø25. El pilar tiene una sección cuadrada de lado a = 1500 mm. Al igual que en el caso de zapata aislada, el pilar introduce un esfuerzo de corte a la losa, por lo que es preciso realizar la comprobación de corte en la unión pilar – losa. La capacidad resistente frente al esfuerzo cortante de la sección de contacto (la sección del pilar) se determina mediante la expresión (10) (
√
(
)(
)
)
(10)
Donde, d es el canto útil de la sección del pilar. Considerando un recubrimiento de 70 mm se tiene que d = 1417.5 mm. Remplazando en la expresión (10) se tiene:
(
(
√
)(
)
)
Por lo tanto, la unión pilar-losa cumple la comprobación a esfuerzo cortante. Luego, considerando lo indicado en el apartado (A), las armaduras de anclaje entre estos elementos deben cumplir las siguientes dimensiones: (A) Las armaduras presentes dentro de la losa permiten que la distancia disponible sea de 2180 mm; por lo tanto, . Además, se debe disponer una longitud horizontal
tal que:
Por lo tanto, Por último, la unión del pilar a la zapata llevará estribos Ø10 cada 30 cm para rigidizar el sistema durante el hormigonado y, además, se proyecta una armadura de piel a media altura de la losa. Comprobación de la flotación del edificio Como se indicó anteriormente, la presencia del nivel freático bajo la losa de cimentación genera una supresión que puede superar las cargas gravitatorias, poniendo en flotación al edificio. La seguridad frente a la flotación se determina a partir de la expresión (11) (11) Donde, W: peso propio del edificio, (
(
)
(
))
F: rozamiento lateral del terreno en contacto con las pantallas. Al igual que en el caso de hundimiento de pantallas, no se considerará debido al uso de lodos tixotrópicos en la excavación de estos elementos. h: profundidad de la excavación, h = 10.3 m A: área en planta del edificio, A = 39.5*39.5 = 1560 m2 Remplazando en la expresión (11) se tiene que:
Este valor es mayor que el recomendado de 1.05, por lo tanto, se verifica el Estado Límite Último de flotación. Finalmente, el armado de la losa de cimentación se realizará de acuerdo con esquema que se observa en la figura (a) y (b). El esquema de armado en planta corresponde a las vigas virtuales, las cuales definen la losa de cimentación. Asimismo, el detalle que se presenta corresponde a la mitad de una viga virtual, ya que el armado es completamente simétrico.
Fig. (a): Esquema en planta del armado de la losa de cimentación.
Fig. (b): Corte A-A’, detalle del armado de la losa de cimentación. 10.
