Post on 05-Jul-2018
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 1/17
Curso: Concreto Armado II 1 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
CIMENTACIONES
I. GENERALIDADES:
Sabemos que las estructuras se apoyan en el suelo, ya sean edificios,
puentes y represas, están constituidas básicamente por dos partes. La
parte superior (o superestructura) y la parte inferior (o cimentación). Por lo
que deducimos que las cimentaciones son la parte de las estructuras que
se encuentran entre la superestructura y el suelo que le servirá de base o
apoyo.
Las cimentaciones trasmiten directamente las cargas de la estructura al
suelo, por contacto directo, por medio de columnas o muros, teniendo la
cimentación la propiedad de distribuir las cargas de tal forma que el suelo
no sea sobrecargado, ni que sufra asentamientos mayores a los permitidos
en el análisis estructural en estudio.
En conclusión, el problema de diseño de cimentaciones requiere tener un
conocimiento cabal del suelo soportante y de la naturaleza y requerimientos
de la superestructura, o interacción suelo-estructura o suelo-estructura-
sismo.
Se llama cimentación al elemento estructural que transmite las cargas de
las columnas y muros al terreno. La resistencia del suelo es menor que la
resistencia del concreto, por ello, la cimentación tiene mayor área que su
respectiva columna o muro para así reducir los esfuerzos que se transmiten
al terreno.
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: que el asentamiento total de la estructura
esté lirnitado a una cantidad tolerablemente pequeña y que, en lo posible,
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 2/17
Curso: Concreto Armado II 2 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
el asentamiento diferencial de las distintas partes de la estructura se
elimine.
II. CARGAS DE DISEÑO EN CIMENTACIONES:Es necesario tener el conocimiento y criterio adecuados para decidir qué
cargas deben tomarse en cuenta para el diseño de cimentaciones. Cuando
existan cargas horizontales y temporales, tales como viento o sismo, se
considerará el 100% de las cargas verticales y el incremento de estas,
debido a las fuerzas horizontales cuando excede el 25% por este efecto,
no así cuando no excede de esta cantidad, salvo que las especificaciones
de diseño así lo indiquen.
1. Profundidad Mínima de Cimentación:
Cuando la profundidad mínima de cimentación no fue determinada por
consideraciones de capacidad portante o asentamiento, deberán
tomarse en cuenta otros factores, los cuales determinarán este valor
de profundidad mínima de cimentación.
En cimentaciones apoyadas en arcilla se recomienda una profundidad
mínima de aproximadamente un metro; menores profundidades poder
sufrir movimientos, debido a agrietamientos por contracciones o por
esponjamiento del suelo por efectos de cambios de humedad.
En caso de no permitir la cimentación ningún desplazamiento, se
profundizará de 1.50 m a 1.80 m. Esto depende del tipo de arcilla. Los
suelos tipo arenas arcilla o limos saturados sufren el fenómeno de
congelamiento superficial, causando un hinchamiento por esta causa.
Estos efectos no son muy profundos y con unos 60 cm de profundidad
de cimentación es suficiente, debiendo llegarse al metro cuando la capa
freática o saturación llega a unos 60 cm de la superficie.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 3/17
Curso: Concreto Armado II 3 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
2. Capacidad portante o resistente de suelos:
Como el diseño de cimentaciones consiste en encontrar un elemento
que transmita carga de la superestructura al suelo de apoyo, sin que
se produzcan fallas o asentamientos, es necesario encontrar valores
que indiquen las presiones o cargas máximas que los suelos pueden
soportar.
Este dato será proporcionado por el estudio de suelos.
III. PRESION DEL SUELO:
Cada tipo de terreno tiene sus características propias y reacciona antecargas externas de distintos modos. Algunos de los factores que influyen
en la distribución de la reacción del terreno son: la flexibilidad del cimiento
respecto al suelo, el nivel de cimentación y el tipo de terreno. Por ejemplo,
en la Fig. 1 se presenta la distribución de la presión para dos tipos de
suelos: granular y cohesivo.
En el terreno granular se aprecia que la presión en los bordes de la
cimentación es menor que en la zona central debido a la presión ejercida
por las cargas aplicadas tiende a desplazar el suelo en los extremos lo cual
disminuye la reacción.
Este desplazamiento depende de la profundidad de cimentación. Si ésta es
elevada, la fuerza ejercida por el peso propio del terreno impedirá que el
suelo se desplace.
Fig. 1. Tipos de presión en el suelo. a) Uniforme,b) Suelo granular c) Suelo cohesivo
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 4/17
Curso: Concreto Armado II 4 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
En el suelo cohesivo, por el contrario, la presión en los bordes de la
cimentación es mayor que en la sección central. El suelo que circunda el
área cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella por efecto de la
cohesión y por ello la reacción se incrementa.
En el diseño, no es práctico considerar la distribución real de la reacción
del suelo, por lo que se asumen dos hipótesis básicas:
1. La cimentación es rígida.
2. El suelo es homogéneo, elástico y aislado del suelo circundante.
Estas suposiciones conllevan a que la distribución de la reacción del suelo,
frente a las cargas transmitidas por la columna sea lineal, consideración
que ha demostrado dar resultados conservadores, excepto en terrenos
cohesivos como limos o arcillas plásticas.
IV. CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO:
El diseño de cimentaciones involucra una serie de etapas las cuales seenumeran a continuación:
a) Determinación de la presión neta del suelo y dimensionamiento de la
zapata.
b) Determinación de la reacción amplificada del suelo.
c) Verificación del corte por flexión y por punzonamiento.
d) Cálculo del refuerzo por flexión o refuerzo longitudinal.
e) Verificación de la conexión columna-zapata o muro-zapata.
V. TIPOS DE CIMENTACIONES
El escoger el tipo de cimentación depende de la naturaleza del suelo, la
ubicación de la superestructura, separación de columnas, ubicación de
columnas respecto a los linderos, asentamientos mínimos permisibles, etc.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 5/17
Curso: Concreto Armado II 5 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Entre las cimentaciones más comúnmente usadas se tienen las siguientes,
lo cual no quiere decir que no existan otro tipo de cimentaciones especiales.
A. Cimentaciones superficiales:
Pueden clasificarse como zapatas para muros y zapatas paracolumnas (Ver Fig 2). Una zapata para muro consiste en una franja
de concreto reforzado más ancha que el muro y que distribuye su
presión.
Las zapatas para columnas individuales son por lo general cuadradas,
algunas veces rectangulares, y representan el tipo de cimentación
más sencillo y económico. Su utilización para columnas exteriorestiene algunas dificultades si los derechos de propiedad impiden la
utilización de zapatas que se extiendan más allá de los muros
exteriores. Dentro de ellas tenemos:
a) Cimentaciones aisladas o zapatas aisladas.
b) Cimentaciones corridas para muros portantes.
c) Cimentaciones combinadas.
d) Cimentaciones conectadas.
e) Losas de cimentación.
Fig. 2. Tipos de Zapatas superficiales.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 6/17
Curso: Concreto Armado II 6 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
B. Cimentaciones Profundas:
a) Cimentación con pilotes o con pilares (Se
denomina pilote a un elemento constructivo utilizado para
cimentación de obras, que permite trasladar las cargas
hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se
encuentra a una profundidad tal que hace inviable,
técnica o económicamente, una cimentación más
convencional mediante zapatas o losas.)
b) Cimentaciones con Caissons. (pozos de cimentación, se
usan cuando los suelos son blandos para soportar
cimentaciones semiprofundas y de gran peso)
El tipo de cimentación apropiado para cada situación depende de varios
factores entre los cuales se tiene:
La resistencia y compresibilidad de los estratos del suelo.
La magnitud de las cargas de las columnas. La ubicación de la napa freática.
La profundidad de cimentación de las edificaciones vecinas.
Fig. 3. Diferentes Tipos de Cimentación
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 7/17
Curso: Concreto Armado II 7 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
CRITERIOS PARA ELEGIR EL TIPO DE CIMENTACION
Siempre que sea posible debe emplearse zapatas aisladas por su
menor costo y porque es posible resistir con ellas no solo cargas
axiales sino también momentos.
Para el caso de columnas perimetrales, cuando la carga axial no es
muy elevada, es posible emplear zapatas aisladas excéntricas,
siempre que la columna este unida a una viga o losa en la parte
superior, de tal forma que pueda equilibrar el momento producido por
la excentricidad de la zapata, con una fuerza de tracción desarrollada
en el elemento de techos.
También otra alternativa es el uso de vigas de cimentación (zapatas
continuas) a lo largo del perímetro de la edificación, que puede ser una
solución económicamente competitiva ya que además reemplazará alcimiento del muro, perimetral que seguramente existe.
Si la carga axial en las columnas perimetrales es muy alta, la solución
anterior no es aplicable. En este caso se recomienda el uso de zapatas
conectadas, que resulta generalmente la solución más económica.
Cuando las columnas están muy cerca y las columnas se superponen,
se utilizan zapatas combinadas,
Cuando se tienen la posibilidad de asentamientos importantes, se
pueden emplear zapatas aisladas unidas con vigas rígidas de
cimentación.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 8/17
Curso: Concreto Armado II 8 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
1. Zapatas Aisladas:
Las zapatas aisladas son losas rectangulares o cuadradas que sirven de
apoyo a columnas. Tiene peralte constante o variable, disminuyendo hacia
los bordes. También pueden ser escalonadas como la presentada en la
Fig. 4. En este caso, el elemento debe vaciarse integralmente y no por
escalones.
Las zapatas aisladas son el tipo más usual de cimentación pues son las
más económicas. La columna puede ser centrada o excéntrica, aunque el
primer caso es el más común. Si la cimentación se ubica en el límite de
propiedad, la excentricidad de las cargas aplicadas puede ser tan elevada
que la capacidad portante del suelo es superada. En estos casos se hace
uso de las zapatas conectadas o combinadas las cuales se presentan en
las secciones siguientes.
Las zapatas aisladas pueden ser de concreto simple o de concreto
armado. Sin embargo, las primeras no se pueden usar ni sobre pilotes ni
en zonas sísmicas.
La distribución de presiones debajo de una zapata con una carga simétrica
no es uniforme. La forma de distribución de presiones depende del tipo de
material de apoyo y del grado de rigidez de la zapata. Ver Fig. 4.
Fig. 4. Zapatas aisladas de peralte variable.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 9/17
Curso: Concreto Armado II 9 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Por la ubicación de la columna con cargas verticales en la zapata en
planta, pueden ser zapatas centradas o excéntricas, Asimismo, podrán
presentar, además de la carga vertical “P”, momentos en uno o dos ejes.
a. Zapatas centradas:
b. Zapatas excéntricas:
Fig. 5. Zapatas aisladas centradas.
Fig. 5. Zapatas excéntricas.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 10/17
Curso: Concreto Armado II 10 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
1.1 Zapatas aisladas y centradas:
Carga Vertical (P):
En el diseño de la zapata tendremos en cuenta los siguientes
pasos:
a. Dimensionamiento en planta = área.
b. Dimensionamiento en elevación = “d”.
c. Verificación por transferencia de esfuerzos.
d. Verificación de adherencia y longitud de desarrollo.
e. Cálculo de acero necesario por flexión = As
f. Verificación por adherencia.
Desarrollaremos cada uno de estos pasos:
a. Dimensionamiento en planta:
Cálculo del área de la zapata “Az”:
d mínimo :
Sin armadura d ≥ 20 cm Armada sobre suelo d ≥ 15 cm Armada sobre pilotes d ≥ 30 cm Sin armadura sobre (no se permite)
pilotes
Az = Área de la zapata
P = Carga de servicio
Pv = Suma de cargas verticales de
servicioPp = Peso propio de la zapata
Pn = Cargas adicionales
σt = Presión admisible del suelo (qa)
qo = Presión por relleno
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 11/17
Curso: Concreto Armado II 11 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Si consideramos el relleno sobre la zapata, usaremos el mayor valor del
área como área mínima entre las dos siguientes fórmulas:
b. Dimensionamiento en elevación:
La condición para determinar el peralte efectivo de las zapatas, se
basa en que la sección debe resistir el cortante por penetración
(cortante por punzonamiento).
Calculamos la altura de la zapata “d”, mediante la verificación de
cortantes:
Cortante por punzonamiento.
Cortante por flexión.
De los dos se tomará el valor “d” mayor.
Cortante por punzonamiento:
En el caso que la carga P, actúesin excentricidad es necesariobuscar que el valor de “m” sea el
mismo.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 12/17
Curso: Concreto Armado II 12 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Donde:
Se verifica a la distancia “d/2” de la cara de
la columna.
Wn = Presión real del suelo.
d = Podemos tomar entre 0.60 o 0.7 m en
un primer tanteo.
=Vo
.
Donde:
Vc = Esfuerzo cortante actuante
Vo = Corte total actuante
bo = Perímetro de zona de falla
bo = 2 ( t + b + 2d )
d = altura efectiva de la zapata (sinrecubrimiento)
Ap = área entre los bordes
Vo = Wn x Ap
=Wn [ ( AxB) −(bd)(td)]
2d ( t b 2d )
Vu = Esfuerzo permisible de corte porpunzonamiento:
La resistencia del concreto de corte por
punzonamiento es igual a la menordeterminada a través de las siguientesexpresiones:
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 13/17
Curso: Concreto Armado II 13 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Otra forma de comprobar el peralte de la zapata es con las
siguientes expresiones:
Esta última nos dará una expresión en función de “d”, que debemos
resolver.
Peralte mínimo: El peralte de la zapata (por encima del refuerzo de
flexión), será de cm.
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 14/17
Curso: Concreto Armado II 14 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
Cortante por flexión:
c. Verificación por transferencia de esfuerzos:
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 15/17
Curso: Concreto Armado II 15 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 16/17
Curso: Concreto Armado II 16 Docente: Ing. Anita Alva Sarmiento
Ingeniería Civil
d. Verificación de adherencia y longitud de desarrollo.
e. Cálculo del área de acero “As” necesaria por flexión:
Según ACI 318-05:
En zapatas en una dirección y zapatas cuadradas en dos
direcciones, el refuerzo será distribuido uniformemente a través de
todo el ancho de la zapata.
En zapatas rectangulares en dos direcciones, el refuerzo será
distribuido de acuerdo a las siguientes recomendaciones:
El refuerzo en la dirección larga será distribuido
uniformemente a través de todo el ancho de la zapata.
El refuerzo en la dirección corta, se deberá repartir en dos
partes, una porción (la mayor) será distribuida
uniformemente sobre una franja central igual al ancho de la
zapata en la dirección corta, siendo este refuerzo el dado
por:
=
+1
Donde:
=
El refuerzo restante será distribuido uniformemente sobre
las franjas laterales.
ld = 0.0755 fy db / √ `
ld = 0.00427 fy db
ld = 20 cm
db = diámetro de la varilla
8/16/2019 SESION 01-CIMENTACIONES
http://slidepdf.com/reader/full/sesion-01-cimentaciones 17/17
Ingeniería Civil
f. Transferencia en la fuerza de la base de la columna:
Las fuerzas y los momentos en la base de la columna son transferidos
a la zapata por apoyo sobre el concreto, con refuerzo de acero y/o
dowells.
El esfuerzo de contacto entre la columna y la zapata no deberá exceder
la resistencia de aplastamiento del concreto. La resistencia de
aplastamiento del concreto será:
En caso que se exceda la resistencia de aplastamiento del concreto, se
usarán refuerzos o dowels. Pero sea este o no el caso, deberá tenerse
un mínimo de refuerzos o dowells igual a 0.005 Ag y no menor a 4
varillas.