TEORÍA DE CIMENTACIONES Curso: Concreto Armado II Alumnos: Armengol Carpio, Jennesy Merino Chevez, Delia Paredes Fernandez, Jarolht Torres Castro, Gisela Docente: Ingº Ovidio Serrano Zelada
GENERALIDADES
Los cimientos son los responsables de transmitir las cargas de las diferentes estructuras al terreno. Generalmente de concreto armado.
Todo proyecto de cimentación debe incluir un Estudio Geotécnico.
A partir del Estudio Geotécnico podremos conocer las
propiedades del suelo, como: Tensión admisible del terreno a las distintas cotas (Kg/cm2) Densidad del terreno. Posible asiento, Posible asiento, etc.
-
Para la elección del tipo de cimentación, debe tenerse en cuenta.
la estructura que soporta
-
las características del terreno
Se debe garantizar que la cimentación tenga una durabilidad adecuada, ya que al tratarse de estructuras enterradas, la detección de deficiencias así como las posibles medidas de actuación para corregirlas, resultan complicadas.
-
Se debe prevenir que la cimentación sea afectada por la posible agresividad del terreno,
así mismo, debe estar protegidas de las acciones físicas y a las modificaciones naturales o artificiales del terreno.
INFORMACION PREVIA PLANOS
DEL TERRENO DEL PROYECTO Y TERRENOS COLINDANTES Y EDIFICACIONES ADYACENTES
GEOTECNICO DE PELIGROS
TOPOGRAFICO
USOS ANTERIORS
INFORMACION
EXPANSIBILIDAD O AGRESIBIDAD DEL SUELO
CONST. ANTIGUAS SITUACION DE REDES DE SANEAMIENTO
RESTOS ARQUEOLOGICOS
Fig. (2). Colocación de armadura de cimentación por tramos, por edificación de adobe vecina. Proyecto: Hostal Camgo en Chiclayo
TECNICAS DE INVESTIGACION CAMPO
LABORATORIO
Pozos a cielo abierto (calicatas)
Contenido de humedad (Mab)
Exploración con barra posteadora
Limite liquido y limite plastico
Ensayo de penetración estándar
Índice plástico
Penetrómetro estático y dinámico
Análisis granulométrico
Exploración en roca (métodos rotativos)
Contenido de sales
Exploración geofísica, placa de carga
Ensayo corte directo (Mit)
ENSAYOS MECANICOS Ensayos edometricos. Ensayos hinchamiento lambe Ensayos compresión simple
PROGRAMA DE INVESTIGACION Condiciones de frontera Numero “n” a investigar Distribución de puntos en la superficie del terreno Profundidad “p” a alcanzar en cada punto Numero y tipo de muestra a extraer Ensayos a realizar in situ y en laboratorio
Condiciones de frontera
• Ruinas arqueológicas • Afloramiento rocoso • Rellenos • Cimentaciones colindantes
Numero de puntos a investigar
• Norma E.050 Suelos y cimentaciones • Espaciamiento de los sondeos (SOWERS Y SOWERS)
Distribución de los puntos
• Características y dimensiones del terreno • Ubicación de las estructuras previstas
NUMERO n DE PUNTOS DE INVESTIGACION
Cimentación superficial Edificación sin sótano
Edificación con sótano
Edificación con plateas
h = Distancia vertical entre el nivel de piso terminado del sótano y la superficie del terreno natural.. z = 1,5 B; siendo B el ancho de la cimentación prevista de mayor área.
Cimentación profunda h = Distancia vertical entre el nivel de piso terminado del sótano y la superficie del terreno natural. z = 6,00 metros, en el 80 % de los sondeos y 1,5 B, en el 20 % de los sondeos, siendo B el ancho de la cimentación, delimitada por los puntos de todos los pilotes o las bases de todos los pilares.
M. inalterada en bloque (Mib) M. inalterada en tubo de pared delgada(Mit)
Numero y tipo de muestra a extraer
M. alterada en bolsa de plástico (Mab)
M. alterada para humedad enlata sellada (Mah)
Ensayos a realizar
Coeficiente de balasto es la presión necesaria para producir un asentamiento unitario en un área determinada
• ASENTAMIENTOS • PRESION ADMISIBLE
• Métodos:
Asentamiento total St= Si + Scp + Scs Si = Asentamiento instantáneo Scp = Asentamiento de consolidación primaria Scs = Asentamiento de consolidación secundaria Ref. Dr. Jorge E. Alva Hurtado
Formula:
Donde: Si = Asentamiento probable(cm) u.= Relación de Poisson Es= Modulo de elasticidad (Ton/m2) If= Factor de forma(cm/m) q.= Presión de trabajo(ton/m2) B= Ancho de la cimentación(m)
Formulas para estimar Es: Arenes: Arenas arcillosas: Arcillas sensibles consolidadas Arcillas poco sensibles Es=500qU
Es = 50 (N+15) Ton/m2 Es = 30(N+5)Ton/m2 Es = (125 a 250 )qu
qu.= Compresión simple (tn/m2)
N: Spt
Ref. Dr. Jorge E. Alva Hurtado
• Según la norma E-050 Suelos y cimentaciones
PRESIONES DEL SUELO Cada tipo de terreno tiene sus propias características y reacciona ante cargas externas de distintos modos. Algunos de los factores que influyen en la distribución de la reacción del terreno son: Flexibilidad del cimiento respecto al suelo Nivel de cimentación
Tipo de terreno.
PRESIONES DEL SUELO
(a) Distribución de Presiones asumiendo base rígida. (b) Distribución de Presiones real para suelos granulares. (c) Distribución de Presiones real para suelos cohesivos.
PRESIONES DEL SUELO
PRESIONES DEL SUELO En construcciones corrientes, la carga sobre un muro o columna se transmite verticalmente a la zapata, la cual a su vez la sostiene la presión hacia arriba del suelo sobre el cual descansa.
Si la carga es simétrica con respecto al área de contacto, la presión de contacto se supone uniformemente distribuida.
Aprox. cierto
PRESIONES DEL SUELO En suelos granulares gruesos, la presión es mayor en el centro de la zapata y disminuye hacia el perímetro, a causa de que los granos individuales de este tipo de suelos están relativamente sueltos de manera que el suelo localizado en las cercanías del perímetro puede correrse ligeramente hacia afuera en la dirección de menores esfuerzos en el suelo.
Suelos granulares
En suelos arcillosos las presiones son mayores cerca del borde que en el centro de la zapata, puesto que en este tipo de suelos la carga produce una resistencia a cortante alrededor del perímetro, la cual se adiciona a la presión hacia arriba. Suelos cohesivos
PRESIONES DEL SUELO
Se acostumbra ignorar estas variaciones con respecto a la distribución uniforme porque:
Su cuantificación numérica es incierta y altamente variable, dependiendo del tipo de suelo.
Su influencia en las magnitudes de los momentos flectores y de las fuerzas cortantes sobre la zapata es relativamente baja.
Las zapatas sobre suelos compresibles deben cargarse de modo concéntrico para evitar la inclinación que se presentará si las presiones de contacto en un lado de la zapata son sustancialmente mayores que en el lado opuesto.
PRESIONES DEL SUELO Lo que quiere decir que:
-
Las zapatas individuales deben colocarse concéntricamente bajo las columnas.
-
Las zapatas para muros deben estar en forma concéntrica bajo los muros.
-
Para las zapatas combinadas, el centroide del área de las zapatas debe coincidir con la resultante de las cargas de las columnas.
PRESIONES DEL SUELO
La determinación precisa de esfuerzos en elementos de cimentación de cualquier tipo es difícil, no sólo por las incertidumbres en la determinación de
la distribución real de presiones hacia arriba, sino también porque los elementos estructurales mismos son bloques relativamente masivos o losas de
espesor
considerable
sometidos
provenientes de la estructura superior.
a
cargas
concentradas
altas
DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES a. Carga aplicada sin momento
La carga aplicada no tiene excentricidad.
La distribución de presiones se considera constante y uniforme.
b. Carga aplicada con momento en una dirección.‐
Caso 1: Excentricidad e
Caso 2: Excentricidad e=L/6 El esfuerzo directo de compresión es igual al esfuerzo de flexión.
Caso 3: Excentricidad e>L/6
Teóricamente se producen tracciones y debe conseguirse el equilibrio de la carga con las compresiones generadas.
c. Carga aplicada con momento en dos direcciones.‐
CARGAS, PRESIONES DE CONTACTO Y DIMESIONES DE LA CIMENTACION - Presiones de contacto admisibles se determinan a partir de los principios de la
mecánica
de
suelos,
con
base
en
ensayos
de
carga
y
otras
determinaciones experimentales. - Las presiones de contacto admisibles σN, para cargas de servicio se escogen de tal forma que se tenga un factor de seguridad entre 2.5 y 3.0
para que no exceda la capacidad portante del suelo particular y que los asentamientos se mantengan dentro de límites tolerables - Para zapatas cargadas concéntricamente, el área requerida se dtna. a partir de:
Además, Se permite un incremento del 30% en la presión admisible cuando se incluyen los efectos de viento (W) o de sismo (E):
Se debe observar que los tamaños de las zapatas se determinan para cargas de servicio y presiones del suelo sin amplificar, en contraste con el diseño a la resistencia de elementos de concreto reforzado, en el cual se utilizan cargas mayoradas y resistencias nominales reducidas.
Donde:
σN = Esfuerzo neto del suelo σt = Capacidad portante del suelo s/c = Sobrecarga sobre el suelo hf = Profundidad de cimentación hasta el nivel de piso terminado γprom = Peso específico promedio del suelo y del concreto, aproximadamente 2.00 Tn/m3.
FUNCIONES
Se encargan de: Trasmitir cargas de la estructura al suelo de fundación. Transmitir al suelo, esfuerzos menores al
esfuerzo admisible del suelo. Minimizar asentamientos tanto globales como diferenciales.
Todos los suelos se comprimen al someterlos a cargas y causan asentamientos en la estructura soportada
Los dos requisitos esenciales en el diseño de cimentaciones son:
El asentamiento total de
El
la estructura debe estar
diferencial
limitado a una cantidad
distintas partes de la
tolerable pequeña.
estructura se elimine.
asentamiento
de
las
Para limitar los asentamientos de la manera indicada, es necesario: o
Transmitir la carga de la estructura hasta un estrato
de
suficiente. o
suelo
que
tenga la
resistencia o
Distribuir la carga sobre un área suficientemente grande de este estrato para minimizar las presiones de contacto. (Elección de tipo de cimentación)
REQUERIMIENTOS Y CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO REQUERIMIENTOS: •
Debe de situarse de un modo adecuado para impedir los daños producidos por heladas, cambios de volumen, socavaciones, movimientos del nivel freático, futuras construcciones, etc.
•
Debe de ser estable: vuelco, deslizamiento, hundimiento, etc. Estabilidad general del conjunto. Diseño Estructural adecuado.
•
Los movimientos y vibraciones deben de limitarse para que no desfigure o dañe la estructura o instalaciones.
•
Debe de ofrecer una seguridad aceptable y suficiente al menor coste posible.
CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO :
1. Que sea estable, es decir que el coeficiente de seguridad disponible sea adecuado.
2. Sus deformaciones sean admisibles o que los movimientos causados por la deformación del terreno sometidos a las tensiones trasmitidas por la cimentación, sean tolerables por la estructura.
3. Que no afecte a construcciones cercanas en el sentido de que los efectos originados en el terreno por una cimentación no se han de notar más allá de los límites estrictos de la estructura a construir. Por tanto, hay que asegurar que no afecte negativamente a construcciones vecinas
4. Que sea perdurable, o que las premisas anteriores se mantengan durante toda su vida útil de la estructura, lo que hace necesario considerar la posible evolución de las condiciones iníciales debidas a:
Cambios de volumen espontáneo como en el caso de rellenos o suelos
naturalmente colapsables (algunos limos), o también por modificación del
estado
de
humedad
de
terrenos
arcillosos
potencialmente
expansivos.
Socavación en los cauces y orillas de los ríos
Erosión interna del terreno por rotura de colectores u otros conductores de agua.
Deterior del concreto por contacto con agua agresivas.
Oscilaciones del nivel del agua que puedan dar lugar al aumento de tensiones efectivas o alteraciones de resistencia y la deformabilidad del suelo.
Deslizamiento si la estructura se sitúa en un ladera inestable.
TIPOS DE CIMENTACIONES 1. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Cuando a nivel de la zona inferior de la estructura o próximo a él, el terreno presenta características adecuadas desde los puntos de vista técnico y económico para cimentar sobre él, la cimentación se denomina superficial o directa.
A) Cimientos Corridos:
-
Cimentación superficial vaciada en forma continua para recibir un muro.
-
Se usan en las edificaciones de albañilería para servir como cimentación a los muros de albañilería, y también en edificaciones de concreto armado para recibir a tabiques de albañilería y/o muros de concreto.
-
Necesidades por cortante y/o flexión mínimas debido a su ancho reducido.
-
El dimensionamiento de un cimiento será similar al de una zapata aislada, trabajándose usualmente con una carga repartida por ml. y con momentos nulos en la dirección transversal.
-
Es usual considerar cimientos de 60 cm de altura, y sobrecimientos de 50 o 40 cm.
-
Los muros de ladrillo o de concreto tienen momentos de sismo que son importantes en su base, en la dirección longitudinal de los muros.
-
Debe verificarse que los cimientos puedan transmitir al suelo presiones menores a las resistentes del suelo, considerando la carga total actuante sobre un muro y el momento de sismo de ese muro.
Para el diseño:
Se
determina
terreno (
el
esfuerzo
neto
del
).
Metrado de Cargas
Dimensionamiento en planta
Verificaciones de esfuerzos
Dimensionamiento de altura.
Se factora la carga de presión: 1.55σs
Se
toma
una
cuantía
mínima
de
ρ=0.0018 (ACI)
Se determina Mu.
Se aplican las fórmulas de flexión para hallar As.
Se considera un recubrimiento de 7cm.
Concreto mínimo, f’c=175kg/cm2.
B) Zapatas aisladas:
Cargan un solo soporte. Como excepción, se considera también como zapata aislada aquella sobre la que cargan dos soportes contiguos separados por una junta de dilatación.
Para su diseño: -
Se determina el esfuerzo neto
del suelo. -
Se realiza el dimensionamiento en planta.
-
Verificación de presiones
-
Presiones
amplificadas
y
presiones de diseño. -
Verificación
por
aplastamiento punzonamiento. -
Diseño por flexión
cortante, y
C) Zapatas combinadas -
:
Cimenta dos soportes. Es una buena práctica dimensionar el cimiento de forma que el centro de gravedad de su superficie en planta
coincida con el de las acciones. -
Esto
puede
formas.
construir
Una
conseguirse de
la
ellas
zapata
de
varias
consiste
de
en
ancho
constante, de forma que el centro de gravedad del rectángulo de la planta de la zapata coincida con el punto de
paso de la resultante de las cargas de los dos soportes.
Las zapatas para dos columnas se hacen necesarias en dos situaciones: -
Cuando las columnas están tan cerca del límite de propiedad que no se pueden construir zapatas individuales sin sobrepasar este límite.
-
Cuando algunas columnas adyacentes están tan cerca entre sí que sus zapatas se traslapan.
Pueden dividirse en dos categorías, aquellas que soportan dos columnas y las que sostienen más de dos columnas.
En el caso que haya una columna de borde y una centrad, es necesario
darle un volado “a”, para que la Resultante R, caiga en el centro del área de la zapata.
ZAPATAS COMBINADAS
D) Zapatas Conectadas : -
Consiste
en
dos
zapatas
unidas por vigas de conexión. Esta viga trata de impedir principalmente
el
desplazamiento
lateral
y
vertical de las zapatas.
-
En
zonas
colocarse
sísmicas en
direcciones una cuadrícula.
debe ambas
formando
-
Cuando una columna está ubicada en un límite de propiedad requiere de una zapata
excéntrica; ésta tiene presiones muy elevadas en la
cercana a la cara externa, producto de la presiones que se
-
Con el fin de contrarrestar el efecto de la carga excéntrica se recurre a unir esta zapata con otra
interior mediante una viga
rígida, recibiendo el nombre CONECTADAS.
de
distribución triangular de
produce al considerar la excentricidad de la
actuante.
conjunto el ZAPATAS
zona carga
D) Zapatas Conectadas
-
La función de la viga que conecta la zapata exterior
excéntrica interior,
y es
la
zapata
tomar
el
momento resistente en la zapata exterior impidiendo
el giro de ésta, de tal modo de poder considerar una distribución uniforme en las presiones del terreno.
-
La viga que conecta la zapata exterior con una interior toma el momento generado por la excentricidad de la carga existente en la zapata exterior.
-
De esta forma la zapata exterior transmite al suelo una presión uniforme, producida solamente por la resultante de carga actuante, sin excentricidad.
-
El sistema formado por ambas zapatas y la viga, es equivalente al de un “subibaja”, donde es importante que la columna interior tenga una carga mayor a la que la viga produce en sentido contrario (Al tener que tomar el momento de la zapata exterior), de tal modo que el sistema se mantenga en equilibrio.
VIGAS DE CIMENTACION
• Aquella sobre la que se apoyan tres o más soportes. • La sección transversal puede ser rectangular figura 1 (b) o bien adoptar la forma de T invertida figura buscando economía de concreto y acero, pero mayor costo de encofrados y mano de obra.
Presentan menor sensibilidad con respecto a las zapatas aisladas, frente a un posible defecto local del terreno. El cálculo de este tipo de cimentación es extraordinariamente complejo, y sólo puede ser abordado por métodos aproximados.
• El conocimiento del conjunto cimiento terreno. • La deformabilidad relativa del suelo, el cimiento y la estructura.
• Actualmente existen tres niveles de precisión
La deformabilidad relativa del suelo, el cimiento y la estructura. a. Cimiento muy rígido y a una estructura muy flexible, distribución de presiones según el tipo de suelo, con aproximación al reparto de acuerdo con el módulo de balasto. b. Tanto el cimiento como la estructura son rígidos y la distribución de presiones puede suponerse linealmente variable. c. Estructura flexible y cimiento flexible. d. El cimiento es flexible y la estructura rígida. No existe un procedimiento satisfactorio de cálculo.
EVALUACION DE LA RIGIDEZ DE LA ESTRUCTURA • Conocer si la estructura es rígida o flexible en comparación con el terreno. • Para considera que las conexión estructura cimentación puedan o no sufrir asentamientos diferenciales entre sí.
=
La rigidez aproximada de la estructura Ec = Módulo de deformación Ic = Momento de inercia ΣElr. = Suma inercia de la sección de cada viga o losa, respectivamente. E del muro paralelo al cimiento y cargado sobre él por el momento de inercia de la sección del muro Et = Módulo de deformación del terreno. Si K, > 0,5, la estructura se considera rígida. Si K, d 0,5, la estructura se considera flexible.
Et = 0,70Kd, donde K, es el módulo obtenido para placa de diámetro d.
I = Longitud del edilicio en la dirección del cimiento. b = Ancho del cimiento.
VIGAS RIGIDAS DE CIMENTACION CON ESTRUCTURA RIGIDA • Las luces de todos los vanos del cimiento cumplen la relación:
• Y las luces de los posibles voladizos:
Distribución de presiones • Se acepta el reparto lineal de presiones
Si e>L/6
Y los valores extremos
Si e>L/6
Distribución de presiones (Carga aplicada con momento en 2 direcciones)
• Las presiones se evalúan como:
CASO DE ESTRUCTURA FLEXIBLE. VIGAS FLOTANTES
• Las luces de todos los vanos del cimiento son tales que la semisuma de cada dos vanos consecutivos Lm, cumple la condición
• Y las luces de los posibles voladizos
El diseño de este tipo de cimentación involucra los siguientes conceptos: • Ecuación diferencial de la elástica • Concepto de unidad elástica • Uso de ábacos. • La estructura se supone en régimen lineal y puede, por tanto, aplicarse el método de superposición.
• Dimensionamiento. Vale íntegramente lo dicho para zapatas combinadas.
CASO DE ESTRUCTURA RIGIDA CON CIMENTACION FLEXIBLE • La gran rigidez de la superestructura hace que los puntos de enlace de los soportes y de la cimentación no puedan asentar más, manteniéndose todos alineados.
CASO DE ESTRUCTURA RIGIDA CON CIMENTACION FLEXIBLE • Cimiento considerado como rígido, presión linealmente variable
• Cimiento considerado como viga flotante
• Los valores de β se indican a continuación en función del módulo de balasto medido en placa circular de 75 cm de diámetro.
Estructura flexible y cimiento flexible. El cimiento es flexible y la estructura rígida. No existe un procedimiento satisfactorio de cálculo.
GENERALIDADES • Apropiada en edificios ubicados principalmente en terrenos de baja capacidad portante • Cuando la suma de las áreas de las zapatas, sobrepasa el 75% del área total a cimentar. • ΣAZ<75% Emparrillado
• ΣAZ<50% Zapatas • En condiciones críticas es necesario utilizar pilotes.
Losas comunes para cimentaciones • a. Placa plana. • b. Placa plana de mayor espesor bajo columnas
Losas comunes para cimentaciones c. Vigas y losas. d. Losas con muros de sótano como parte de la cimentación.
• Método rígido convencional • Método flexible aproximado.
• Se considerarse rígida cuando el espaciamiento de las columnas sea menor de 1.75/λ. • Si es mayor a 1.75/λ, el análisis se hará utilizando la teoría de vigas sobre cimentación elástica. Donde: λ= Característica del sistema (m-1)
Ks=Coeficiente de Balasto (Tn/m3) b= Ancho de la franja de cimentación (m) E = Módulo de elasticidad del concreto (Tn/m2) I = Momento de Inercia de la cimentación (m4) t = Altura de la cimentación (m)
1. Las máximas cargas en columnas y muros se calculan usando una carga viva reducida de acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones. 2. El peso de la platea no se incluye en el diseño estructural de la misma, debido a que la platea es soportada directamente por el suelo. 3. Se halla el espesor inicial de la platea, mediante de la verificación de la fuerza cortante por punzonamiento.
4. El punto de aplicación de la resultante de las cargas actuantes (centro de rigidez) es determinado, hallando así las excentricidades respecto a los ejes X e Y con relación al centro de gravedad de la platea
• Comparar los valores de las presiones del suelo con la presión neta del terreno para determinar si q<=qadm(neta) • Conocida la distribución de presiones, la platea se divide en franjas, siendo los límites de las franjas las líneas intermedias entre ejes de columnas adyacentes. • Dibujar los diagramas de fuerza cortante (V) y momento flexionante (M) para cada franja individual (en las direcciones x e y).
•
CIMENTACIONES PROFUNDAS
CIMENTACIONES PROFUNDAS Aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura
hacia capas o estratos profundos del subsuelo
evitando con ello el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga o con alta deformación.
CIMENTACIONES PROFUNDAS Casos en los que se utilizan las cimentaciones profundas Cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no pueden ser distribuidos a través de una cimentación superficial.
Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y retracciones.
Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o baja calidad.
En edificios sobre el agua.
Para resistir cargas inclinadas, como aquellos pilotes que se colocan en los muelles para resistir el impacto de los cascos de barcos durante el atraque.
Cuando los cimientos están solicitados a tracción, tal como ocurre en edificios altos sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada al suelo.
Tipos de CP PILOTES Son elementos de cimentación esbeltos que se hincan o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno.
Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera y son usados para construir cimentaciones profundas. A pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural.
Transmisión de cargas de un edificio al terreno:
Para cargas moderadas o relativamente pequeñas y un estrato resistente relativamente superficial optaremos por una cimentación superficial.
Para un terreno con estrato resistente profundo o terreno con problemas de resistencia, o si se produce un aumento de carga recurrimos a una cimentación profunda tipo pilotes, donde se busca llegar al estrato resistente o si no se tiene dicho estrato se deberá transmitir las cargas por rozamiento a través de estos pilotes.
Condiciones de uso de los pilotes:
Profundidad de estrato resistente a más de 4-5 m de profundidad. Terrenos con baja resistencia. Cargas elevadas y concretadas (edificios en altura). Edificios próximos con cimentación cerca a la superficie.
Partes de un pilote: Partes diferenciadas: punta y fuste, partes principales mediante las cuales se transmitirán las cargas al terreno.
Elementos complementarios: encepado y vigas de atado, que sirven de unión entre grupos de pilotes.
Características: Forma: elementos lineales verticales de sección cuadrada o circular. Dimensiones: diámetro de 60 a 80 cm, o incluso más.
Materiales: madera (antiguamente), acero u hormigón armado. Forma de trabajo estructural: según el tipo de pilote.
Clasificación: 1.- Según la transmisión de carga: Por punta (estratos resistentes profundos). Punta y fuste (los más habituales). Solo fuste (denominados “flotantes”).
2.- Según proceso de ejecución: Prefabricados Se realizan directamente por hincado en el terreno.
“IN SITU”
Se realizan en la propia obra en una serie de fases: -Perforación, realización del pozo donde irá el pilote. -Colocación de la armadura y el llenado de concreto dependiendo del tipo de pilote. -Ejecución del encepado y de las vigas de atado.
Selección del tipo de pilotes: Naturaleza de las distintas capas del suelo y resistencia. Espesor del terreno y longitud previsible. Cargas a transmitir. Número de pilares a cimentar (volumen obra). Condicionantes especiales como trabajo en zona urbana, agresividad del terreno, fuerzas horizontales, etc. Evitar pilotes flotantes en arcilla. cuando el estrato firme es > 30 m.
En arenas flojas es mejor emplear pilotes hincados. Si existen gravas gruesas, pilotes perforados de diámetro grande. Pilotes in situ, en terrenos cohesivos compactos con poco agua. Pilotes prefabricados para cargas pequeñas < 2000 kn. Pilotes in situ para cargas medias 2000--7000 kn. Gran diámetro para cargas grandes > 7000 kn.
Comparación entre los tipos de pilotes Varios factores afectan la selección de pilotes para una estructura particular en un sitio específico.
Pilotes en el Perú:
Pilotes Franki Peruana S.A.C: Es una empresa con amplia experiencia en la construcción de cimentaciones profundas. Actualmente ejecutan principalmente obras de cimentación con pilotes Franki estándar. El sistema Franki para la construcción de pilotes vaciados in-situ, fue concebido en 1911 en Bélgica por Edgar Frankignoul; a partir de dicha fecha su uso se ha difundido en todo el mundo. En el Perú se construyen pilotes Franki hace más de 45 años.
Los equipos y procedimientos para la construccion de pilotes Franki, se han perfeccionado y optimizado desde su concepción inicial, sin embargo, los principios básicos del sistema se han mantenido inalterables.
Entre sus obras ejecutadas tenemos:
El sistema “Franki” de ejecución de un pilote de desplazamiento se base en una entubación metálica que presenta un tapón de hormigón en la punta. Dicho conjunto se hinca “a golpes” mediante una maza.
Una vez se llega a la profundidad adecuada, se sujeta la entubación y se golpea el tapón en la punta para expulsarlo hacia abajo, creando así un bulbo o “punta ensanchada” a base de compactar el terreno, lo que hace que este pilote sea también muy eficiente trabajando a tracción. No se recomienda su uso en suelos cohesivos, donde la compactación de la base no es posible.
Pilotes en el Perú:
Pilotes Terratest S.A.C
Es una empresa constructora especializada en diseño y construcción de obras de cimentaciones. Desde su nacimiento se ha destacado por una constante innovación en el campo de las cimentaciones especiales, introduciendo nuevas tecnologías en el mercado de la construcción en el Perú.
Pilotes Terratest ofrece pilotes de profundidades hasta aproximadamente 60 metros, dependiendo del tipo de suelo y condiciones de la obra. Los diámetros normales de los pilotes oscilan entre los 620 y 1500 mm y pueden emplearse para todo tipo de terreno, incluso en roca si se utilizan las herramientas de perforación o excavación adecuadas.
Entre sus obras ejecutadas tenemos: Los Pilotes Costanera (Consorcio Costa Verde)
C.C. Makro de Villa el Salvador (Makro)
CAJONES El término cajón se refiere a un elemento de la subestructura usado en sitios húmedos de construcción, tales como ríos, lagos y muelles. Para la construcción de cajones, una pila hueca o cajón se hinca en posición hasta que descansa en suelo firme.
A la parte inferior del cajón se le adapta un borde cortante para ayudarlo a penetrar los estratos de suelo blando debajo del nivel freático y llegue a descansar sobre un estrato resistente a cargas. El material dentro del cajón se extrae por las aberturas de la parte superior y luego se vierte el concreto en su interior. Los estribos de puentes, los muros de muelles y las estructuras de protección de costas deben construirse sobre cajones.
Tipos de Cajones: Cajones abiertos Los cajones abiertos son pilas de concreto que permanecen abiertas en sus partes superior e inferior durante la construcción.
En el fondo del cajón tiene un borde cortante. El cajón se entierra en su lugar y el suelo interior se retira por medio de cucharones de almeja hasta alcanzar el estrato de apoyo. Los cajones pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares u ovalados. Una vez alcanzado el estrato de apoyo, se vierte concreto en el cajón (bajo agua) para formar un sello en su fondo. Cuando fragua el concreto del sello, el agua dentro del cajón se bombea hacia afuera. Se vierte entonces concreto en el cajón para llenarlo. Los cajones abiertos pueden extenderse a grandes profundidades y el costo de construcción es relativamente bajo, sin embargo, una de sus principales desventajas es la falta de control de calidad sobre el concreto vertido para formar el sello. Además, el fondo del cajón no llega a ser limpiado completamente.
Cajones cerrados Son estructuras con fondo cerrado y se construyen en tierra y luego se transportan al sitio de la construcción. Se entierran gradualmente en el sitio llenando su interior con arena, balasto, agua o concreto. El costo de este tipo de construcción es bajo. La superficie de apoyo debe estar a nivel, y si no lo está debe nivelarse por excavación.
Cajones neumáticos Se usan generalmente para profundidades de entre 50 y 130 pies (15-40 m). Este tipo se requiere cuando una excavación no logra mantenerse abierta porque el suelo fluye al área excavada más rápidamente de lo que puede ser removido. Un cajón neumático tiene una cámara de trabajo en el fondo que tiene por lo menos 10 pies (≈3 m) de altura. En esta cámara, los trabajadores excavan el suelo y cuelan el concreto.
La presión del aire en la cámara se mantiene suficientemente alta para impedir que el agua y el suelo penetren en ella.
Los cajones neumáticos se entierran gradualmente conforme avanza la excavación. Cuando alcanza el estrato de apoyo, la cámara de trabajo se llena con concreto.
SUELOS COLAPSABLES
ATAQUE QUIMICO POR SUELOS Y AGUAS SUBTERRANEAS
ASENTAMIENTOS
PROBLEMAS ESPECIALES EN CIMENTACION
SUELOS EXPANSIVOS
SOSTENIMIENTO DE ESCAVACIONES
LICUACION DE SUELOS
Incrementos de carga Cambian violentamente de volumen por la acción combinada o individual de Obligatoriedad del estudio
Al humedecerse o saturarse
Lugares de evidencia de hundimientos por suelos colapsables
Potencial de colapso (CP)
No esta permitido cimentar directamente sobre s. colapsables, se reemplazar el suelo colapsables si con rellenos controlados si son poco profundos
Estudios basados en ensayos químicos del agua o del suelos para descartar o contrarrestar tal evento
Pueden ser : Ataque de ácidos
Ataque por sulfatos Ataque por cloruros
PH<4
Suelos cohesivos con bajo grado de saturación que aumentan de volumen al humedecerse o saturarse
Las cimentaciones construidas sobre arcillas expansivas están sometidas a grandes fuerzas causadas por la expansión Dilatación > contenido de agua Asentamiento < contenido de agua
Determinación del hinchamiento unidimensional suelos cohesivos las cuales provocan agrietamiento y ruptura de la cimentación
No esta permitido cimentar directamente sobre s. expansivos
Perdida momentánea de la resistencia al corte del suelo por el aumento en la presión de agua en los poros originada por la vibración que produce el sismo.
Potencial de licuefacción M. propuesto por Seed e Idriss
Calcular el esfuerzo cortante inducido por el sismo en el lugar y a partir de la resistencia a la penetración estándar normalizada (N1)60 el esfuerzo cortante limite para la ocurrencia del fenómeno de licuefacción Porcentaje de partículas mas finas que 0.005m < 15% Limite liquido (LL) < 35 Contenido de humedad > 0.9LL Estos suelos pueden ser potencialmente licuables
Licuefacción de suelos finos cohesivos
Si el asentamiento es de recorrido :
corto
los esfuerzo normales predomina
largo
Existen 2 tipos de asentamiento : totales y diferenciales Asentamientos diferenciales Deformaciones verticales que generan grietas y fisuras Inclinadas en estructuras endebles (muros de ladrillo) Aberturas de las juntas en estructuras rígidas
los esfuerzo cortante
Factores que van influenciar el asentamiento Tierras de relleno Expansibilidad de los suelos Magnitud de las cargas
Fuente : Patologías en la construcción - Broto
Las excavaciones de mas de 2m no deben permanecer sin sostenimiento Pueden ser temporales y definitivos
Estructuras
Entibaciones
Calzaduras
Nailings
Estructuras
Pantallas ancladas
Tablestacas
Pilotes continuos
1. CIMENTACIONES RIGIDAS Y FLEXIBLES La EHE (Instrucción Española de Hormigón Estructural), distingue entre dos tipos de cimentaciones por la forma de resistir las solicitaciones: • Cimentaciones rígidas (Vmáx ≤ 2h) • Cimentaciones flexibles (Vmáx > 2h)
CIMENTACIONES RIGIDAS Se entiende por cimentación rígida de concreto armado, de acuerdo con EHE (Instrucción Española de Hormigón Estructural), aquella en que el vuelo v no supera a dos veces el canto total h. En este tipo de elementos no es aplicable la teoría general de flexión y es necesario definir un modelo de bielas y tirantes y dimensionar la armadura y comprobar las condiciones en el hormigón.
Zapatas rígidas El método de bielas y tirantes es un procedimiento de análisis estructural para el dimensionado en E.L.U (Estado Límite Último1) que consiste en discretizar2 un medio continuo en un sistema de elementos discretos que trabajan únicamente a esfuerzo axil. El modelo se compone de tres elementos: bielas (elementos comprimidos), tirantes (elementos traccionados, encarnados en H.A. por las armaduras) y nudos (uniones entre las barras).
Para garantizar un buen funcionamiento en E.L.S.
3
(Estado
límite de servicio), el modelo debe cumplir:
La orientación de las barras debe acercarse a la distribución elástica de
tensiones. No obstante, en muchos casos, las armaduras no podrán orientarse según las direcciones principales de tracción.
Deberá minimizarse la longitud de los tirantes.
El modelo resultante deberá ser un sistema isostático en equilibrio con las acciones.
Limitación de la tensión de cálculo del acero: fyd ≤ 400 N/mm2 (mínima energía de deformación; control de la fisuración).
Los ángulos entre las barras no deben ser inferiores a 30º. A continuación se presentan los 4 posibles casos de zapatas rígidas, en función de la excentricidad de la carga sobre el soporte, y la distribución de tensiones sobre el terreno bajo la zapata.
Encepados Cuyo vuelo v en la dirección principal de mayor vuelo es menor que 2h.
La misión de los encepados consiste en conectar los pilares del edificio, con los pilotes de la cimentación y obtener una mayor estabilidad.
c.
Los pozos de cimentación.
El pozo de cimentación, también conocido por su nombre en francés caisson, es un tipo de cimentación semiprofunda, utilizada cuando los suelos no son adecuados para cimentaciones superficiales por ser blandos.
Hundimiento de un pozo de cimentación excavando a mano en el interior.
Los pozos de cimentación se plantean como solución entre las cimentaciones superficiales, (zapatas, losas, etc.) y las cimentaciones profundas, por lo que en ocasiones se catalogan como semiprofundas. La particularidad del pozo de cimentación es la de que se va construyendo a medida que se va hundiendo en el terreno. La sección transversal del caisson generalmente es circular, pero existen también secciones cuadradas, rectangulares o elípticas.
Las formas geométricas adoptadas, según la capacidad portante del terreno y su situación respecto a la edificación pueden ser: - Los pozos circulares suelen variar desde los 0.60 m (dimensión mínima para permitir el acceso de un operario) hasta los 2 m de diámetro. - Generalmente, al producirse la acción lateral de las tierras sobre el pozo, impide el pandeo de este, por lo que se calcula como un soporte corto. - Según las solicitaciones, los pozos se pueden ejecutar de hormigón armado, o de hormigón en masa. - De forma análoga a las zapatas, se deben disponer vigas de atado entre los pozos, para arriostramiento de los mismos, siendo criterio del proyectista cómo y cuándo deben disponerse.
CIMENTACIONES FLEXIBLES Se conoce como cimentación flexible de concreto armado, de acuerdo con EHE (Instrucción Española de Hormigón Estructural), aquella en que el vuelo v supera a dos veces el canto total h.
Las zapatas cuyo vuelo v en la dirección principal de mayor vuelo es mayor que 2h. (figura 2b). Se calculan como elementos sometidos a flexión simple y solo es necesario hacer verificaciones por cortante y punzonamiento. En el caso de zapatas flexibles, la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) considera la aplicación de la teoría de flexión, indicando que salvo que se realice un estudio preciso de interacción suelo-cimiento, se pueden utilizar los criterios simplificados descritos en la misma. La armadura se determina mediante un cálculo hecho a flexión simple, considerando en general una distribución de tensiones transmitidas al terreno también con variación lineal, similar a la considerada en el caso de las zapatas rígidas.
Armado a flexión: La sección de referencia S1, situada a una distancia genérica de 0.15a hacia el interior de la cara del soporte (sobrevuelo)
Verificación por cortante: Sección de referencia S2, situada a un canto útil d desde la cara del soporte. No se empleará armadura adicional de cortante (se aumentará el canto)
Verificación por punzonamiento: Sección de referencia S3, formada por el perímetro crítico u1, calculado sin armadura por punzonamiento.
Los encepados cuyo vuelo v en la dirección principal de mayor vuelo es mayor que 2h. Las losas de cimentación. En las cimentaciones de tipo flexible la distribución de deformaciones a nivel de sección puede considerarse lineal, y es de aplicación la teoría general de flexión.
Básicamente, la diferencia entre ambos tipos de cimentación se encuentra en el método de comprobar los elementos estructurales y en el dimensionamiento de la armadura necesaria. Es así que en el caso de las cimentaciones rígidas se utiliza el método de bielas el cual fue desarrollado en Francia, de manera teórica y experimental, al investigar la causa por la que se producía, a veces, la rotura de zapatas proyectadas por la teoría general de flexión. Que es la que se utilizar en el caso de cimentaciones flexibles. La principal diferencia entre los resultados que se obtienen por ambos métodos de cálculo no consiste en la sección de armadura máxima necesaria, sino en su variación y distribución dentro del elemento estructural, tal como se puede ver en la figura 9, que la que , para una carga centrada y distribución uniforme de presiones sobre el terreno, se representa la proporción de armadura que se requiere a lo largo del ancho L de la zapata, respecto a la armadura máxima necesaria en el centro de la misma. La distribución que se obtiene en cada caso obedece a dos leyes parabólicas de concavidad inversa.
Comparación entre el método de las bielas y la teoría general de flexión. Según la aplicación de ambos métodos, los resultados indican que la armadura máxima necesaria en el centro de la zapata, resulta aproximadamente la misma y las roturas observadas históricamente se producen en zapatas de gran tamaño en las que se habían cortado algunas armadura, para adecuar su distribución a los resultados de la teoría general de flexión. Como consecuencia de los resultados teóricos es por lo que en el método de las bielas se prescribe prolongar las armadura hasta los extremos de la zapata y disponer patillas de anclaje, con objeto de que las teóricas bielas queden debidamente arriostradas, cosa que aconseja la pendiente de la ley parabólica en los extremos.
