PARAMETROS GEOTECNICOS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES

RESUMEN

En este trabajo, se muestra como afectan los parámetros geotécnicos, tales como capacidad portante y coeficiente de balasto, el diseño de cimentaciones superficiales rígidas de concreto armado: zapatas aisladas, conectadas con vigas de cimentación, corridas o continuas y plateas de cimentación. Se encuentran las proporciones y relaciones que deben tener las dimensiones de las cimentaciones, según los variados tipos y parámetros del suelo. Estas relaciones se pueden usar para el dimensionado de cimentaciones superficiales rígidas.

1. INTRODUCCION

Cuando se diseñan cimentaciones hay que tener en cuenta lo siguiente: tipo de suelo (cohesivo, granular, granular con finos, de alta o baja plasticidad), variación de estratos, consistencia (blanda, media, dura), las propiedades físicas y mecánicas (cohesión, ángulo de fricción interna, índice de compresión, módulo de elasticidad, coeficiente de balasto), ubicación del nivel freático, subpresión de agua, empuje de agua sobre la subestructura y superestructura, socavación, erosión eólica e hidráulica, empuje, expansión y licuación del suelo, profundidad de cimentación, capacidad portante por resistencia, capacidad portante por asentamiento máximo permisible, esfuerzo neto, asentamientos diferenciales, totales y rotaciones, agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos), fuerza expansiva del suelo, estabilidad del talud de la excavación, procedimiento de construcción, especificaciones delReglamento Nacional de Edificaciones, ACI, Eurocódigo, efecto de fenómenos naturales como inundaciones, sismos, etc.

Peligro de derrumbes y daños, que va a representar la excavación de la cimentación propuesta. Sólo si conocemos esto procedemos a diseñar la cimentación, en caso contrario el diseñador se convierte en un peligro público. “No hay gloria en las cimentaciones”, dijo el DrTerzaghi, pero si repudio para el ingeniero si falla una edificación. Queda claro que las condiciones del suelo sobre el que se apoya la estructura, y los parámetros geotécnicos del mismo, afectan el diseño de las cimentaciones.

El “BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE”, del AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI), Normas 318M-02 y 318S-05, en lo referente a estructuras sismorresistentes, da las siguientes especificaciones de cimentaciones:

21.10.3.1- Las vigas apoyadas en el suelo diseñadas para actuar como acoples horizontales entre las zapatas o coronamientos de pilotes, deben tener refuerzo longitudinal continuo que debe desarrollarse dentro o más allá de la columna soportada o estar anclada dentro de la zapata o del cabezal del pilote en todas las discontinuidades.

21.10.3.2 – Las vigas sobre el suelo diseñadas para actuar como acoples horizontales entre zapatas o cabezales de pilotes deben ser dimensionadas de tal manera que la menor dimensión transversal sea igual o mayor que el espacio libre entre columnas conectadas dividido por 20, pero no necesita ser mayor a 450 mm. Se deben proporcionar amarras cerradas con un espaciamiento que no exceda al menor entre la mitad de la menor dimensión transversal o 300 mm.”Esta última especificación da una proporción que relaciona el ancho de la viga de conexión en función de la separación entre columnas, que puede ser usada para el pre-dimensionado.

La norma ACI 318R-08 dice lo siguiente:21.12.2.1Elrefuerzo longitudinal de columnas y muros estructurales que resistan fuerzas inducidas por efectos del sismo, deberá extenderse dentro de lazapata, cabezal de pilote, y deberá desarrollarse por tracción en la interfase.

2. ZAPATAS CONECTADAS

Las zapatas conectadas están formadas, por zapatas acopladas con vigas de conexión (o vigas de atado). Se colocan vigas de conexión, para evitar los desplazamientos horizontales de las zapatas, soportar los momentos de las columnas (especialmente por sismo), disminuir el efecto de los asentamientos diferenciales y, para soportar los momentos, debido a la excentricidad de la carga de la columna y la reacción del suelo, que se produce en las zapatas excéntricas. La colocación de vigas de atado es obligatorio en estructuras construidas en zonas sísmicas, según el código europeo llamado Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras sismorresistentes. Además deben colocarse en ambas direcciones formando una retícula.

2.1) EL MODELO ESTRUCTURAL

Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se muestra en la Figura (4), donde P1 y P2 son las cargas actuantes, R1 y R2, son las reacciones del suelo, s1 es el ancho de columna, L es la separación entre cargas, y x es la distancia al punto de momento máximo.

Usando el procedimiento de diseño de zapatas conectadas, se han calculado las áreas de las zapatas excéntrica (B1xT1, en m2), interior (B2 = T2, en metros), y las secciones y aceros de las vigas de conexión; para las variables:

Número de pisos (N), separación de columnas (L) en metros, y el esfuerzo neto (qneto).

La separación de columnas se consideró igual en ambas direcciones.

No se incluyó el efecto del sismo.

Además:f’c = 210 kg/cm2, fy = 4200 kg/cm2.

Se presenta la sección (bxh, cm2), y los aceros del lecho superior (As superior.) e inferior (As inferior) de la viga de conexión.

Se ha colocado el Momento flector máximo de la viga de conexión (Mu máx), para añadirle el que resulta del análisis sísmico (y otros efectos de la naturaleza), y sea verificado, mejorado y adecuado a sus fines, por el diseñador.

Se ha partido desde una dimensión pequeña (L = 3 m) hasta L = 6 m, para poder abarcar un campo variado, de medidas comunes de edificaciones.

Los resultados se muestran en el Anexo, tabla ZC-01, y sirven para pre-dimensionar zapatas conectadas. Cuando el esfuerzo neto (qneto) o las luces (L) de su proyecto particular, no sean exactamente los valores dados en las tablas, se pueden interpolar, o tomar el valor inmediato superior.

2.2) MAYORACION DE CARGAS

Las combinaciones de carga se mayoran según el reglamento a usar:

Reglamento Nacional de Edificaciones (2005)

Pu= 1.5 *CM + 1.8 CSPu= 1.25*(CM+CV+/-CS)

Reglamentos del ACI, Normas 318-71, 77, 83, 89, 95, 99

Pu = 1.4 * D + 1.7 * LPu = 0.75*(1.4 * D + 1.7 * L + 1.87 * EQ)

Reglamentos del ACI, Normas: 318-02, 318-05, 318-08:

Pu = 1.2* D + 1. 6* LPu = 1.2 * D + 1.0* L + 1.4 * E

Se mayoran las cargas (P1u y Pu2), y se calculan la reacción (Ru1) y esfuerzoúltimo del suelo (qu1). Se obtendrá un diagrama similar al del modelo mostrado,pero con las cargas mayoradas:

Tomando otra vez momentos respecto al punto 2:

R1u = P1u* L / m   …(ZC.5)

La reacción última del suelo, como carga uniformemente repartida vale:qu1 = R1u / B1 ...(ZC.6)

2.3) EL MOMENTO MÁXIMO DE DISEÑO.-

Hallamos “x “, el punto de cortante cero y de momento máximo:qu1*x – P1u =0x = P1u / qu1  ...(ZC.7)Mumáx= - Pu1*(x – s1/2) + qu* x2/ 2  ...(ZC.8)

El diagrama de momentos nos sirve para calcular el acero de la viga de conexiónque, como se observa, es mayor en el lecho superior de la viga. El diseño devariados tipos de zapatas conectadas se muestra en el anexo en la figura ZC-01

Zapata conectada, modelo estructural y diagrama de momentos

Colocación de acero en zapatas y viga de conexión de zapatas conectadas

3. CONCLUSIONES

3.1 El peso de una cimentación aislada depende de la capacidad de carga admisible del suelo, y la carga de servicio actuante en la superestructura.

3.2 Cuando la capacidad portante de un suelo es mayor, las zapatas conectadas son de menor volumen de concreto y cantidad de acero.

3.3 Los parámetros capacidad portante y coeficiente de balasto del suelo, influyen en el diseño de cimentaciones superficiales rígidas de concreto armado.

3.4 El comportamiento de zapatas corridas y plateas de cimentación como estructuras rígida, está gobernada por el valor del coeficiente de balasto, que tenga el tipo de suelo sobre el que se diseña, y la rigidez de las cimentaciones de concreto armado.

3.5 El módulo de balasto o rigidez del suelo, y la rigidez de la platea que se apoya sobre el mismo, afectan los valores de deformación, fuerzas y momentos que ocurren en la misma.

3.6. Existen relaciones geométricas de volado/peralte y separación de columnas/peralte, que deben cumplir las zapatas corridas y plateas de cimentación para que su comportamiento sea rígido.

ANEXO

A. ZAPATA AISLADA.-Tabla ZA-01.

Fig.ZA-01. Peso de zapata aislada como porcentaje de la carga de servicio.

B. ZAPATAS CONECTADAS.-

TABLA ZC-01

C. ZAPATAS CORRIDAS O CONTINUAS.-

Fig. ZCC-01.

Fig. ZCC-02.

Fig. ZCC-03.

Fig ZCC-04.

D. PLATEAS DE CIMENTACION.-

Fig. PL-01. Diagrama de deformaciones, momentos y presiones en el suelo, de una platea de 50 cm de espesor. Las presiones en el suelo, deformaciones y momentos, se concentran debajo de las columnas.