UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS
DE HIDALGO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
APUNTES PARA
LA CLASE
DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE
CIMENTACIONES
Dr. HUGO HERNÁNDEZ BARRIOS
DICIEMBRE DE 2008
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Apuntes de cimentaciones ingenieria, Monografías, Ensayos de Ingeniería
Apuntes para diseño de cimentaciones
Tipo: Monografías, Ensayos
2019/2020
1 / 168
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UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS
DE HIDALGO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
APUNTES PARA
LA CLASE
DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE
CIMENTACIONES
Dr. HUGO HERNÁNDEZ BARRIOS
DICIEMBRE DE 2008
Fig. 1.1 Diferentes tipos de cimentaciones.
1.1.1 ZAPATAS AISLADAS
Las zapatas son losas de cimentación, normalmente de concreto reforzado con dimensiones: largo L y ancho B , con relación L / B que no excede a 1 5_._. La cimentación debe soportar la carga de las columnas. En este caso cada zapata puede ser independiente una de otra, por lo que, se requiere que los asentamientos diferenciales entre ellas no excedan los asentamiento totales o diferenciales permitidos. Los asentamientos diferenciales pueden reducirse seleccionando el área apropiada de contacto de la zapata, y en ocasiones usando la rigidez de la superestructura. Generalmente las zapatas aisladas se usan sólo en suelos de baja compresibilidad y en estructuras donde los asentamientos diferenciales entre columnas pueden ser controlados por la flexibilidad de la superestructura, o incluyéndolos en el diseño de los nodos de la base del la estructura o articulando los nodos de manera que puedan tomar los asentamientos diferenciales y/o rotaciones, sin dañar la estructura.
Fig. 2.1 Zapatas aisladas
1.1.2 ZAPATAS CORRIDAS
Las zapatas corridas se recomiendan cuando es necesario controlar con cierto límite la magnitud de los asentamientos diferenciales entre columnas que soportan las zapatas o cuando el suelo tiene baja compresibilidad. Se pueden definir como elementos formados por losas y vigas de cimentación, que resisten los elementos mecánicos de los nodos de las columnas. Normalmente unen dos o más columnas por medio de vigas. Los asentamientos diferenciales verticales se controlan por medio de la rigidez de la viga. Las vigas pueden colocarse en una o en dos direcciones, dependiendo de las cargas en las columnas y de la longitud del claro entre columnas. Cuando las carga en las columnas son muy grandes o cuando es necesario proporcionar rigidez a la estructura en ambas direcciones, se puede formar una retícula de trabes en ambas direcciones. En este caso, podría ocurrir que las losas de las zapatas cubran casi toda el área de la cimentación. Este tipo de cimentación es ventajosa en suelos de mediana compresibilidad, donde es necesario controlar los asentamientos diferenciales entre columnas. Las vigas de cimentación se diseñan con la suficiente rigidez como para cumplir con asentamientos diferenciales permitidos.
Fig. 1.4 Losa de cimentación.
Fig. 1.5 Cimentaciones compensadas.
1.1.5 CIMENTACIONES COMPENSADAS SOBRE PILOTES DE FRICCIÓN
Cuando los cajones de cimentación no son suficientes para soportar la carga cumpliendo con los asentamientos verticales permitidos, la cimentación debe ser lo suficientemente rígida para lo cual se pueden colocar pilotes de fricción. La aplicación de este tipo de cimentación se puede realizar en suelos con alta compresibilidad en sus estratos superiores, y media o baja compresibilidad en los estratos inferiores. Los asentamientos totales en este tipo de cimentación dependen de la forma en que se coloquen los pilotes de fricción, su espaciamiento y longitud, el procedimiento para realizar la excavación y el control de las condiciones hidráulicas del suelo.
Se obtienen un mejor comportamiento en los pilotes cuando se construyen antes de realizar la excavación, haciéndolos que trabajen en tensión durante la excavación, así se conserva el estado original de esfuerzos del subsuelo.
Fig. 1.6 Cimentación compensada sobre pilotes de fricción.
1.1.6 CIMENTACIÓN SOBRE PILOTES DE PUNTA
Cundo las cargas sobre una cimentación compensada apoyada sobre pilotes de fricción son muy grandes para ser resistidas por ella, se podría recurrir a apoyar el cajón de cimentación en un estrato duro con muy baja compresibilidad y con alta resistencia al esfuerzo cortante, por medio de pilotes de punta.
Fig. 1.7 Cimentación apoyada sobre pilotes de punta.
Fig. 1.9 Cimentación apoyada sobre pilas.
1.1.8 CIMENTACIÓN APOYADA SOBRE PILAS DE ARENA O GRAVA
Este tipo de cimentación se usa para incrementar la capacidad de carga de suelos reduciendo se compresibilidad e incrementando su resistencia al esfuerzo cortante.
Fig. 1.10 Pilas formadas por arena
Las NTC-2004 -cimentaciones clasifica las construcciones ligeras o medianas de poca extensión y con excavaciones someras, aquellas que cumplan los siguientes tres requisitos:
- Peso unitario medio de la estructura w ≤ 40 kPa (4 t/m^2 )
- Perímetro de la construcción P ≤ 80 m en las zonas I y II. P ≤ 120 m en la zona III.
- Profundidad de desplante Df ≤ 2.5 m
Las construcciones pesadas, extensas o con excavaciones profundas son aquellas que tienen al menos una de las siguientes características:
- Peso unitario medio de la estructura w > 40 kPa (4 t/m^2 )
- Perímetro de la construcción P > 80 m en las zonas I y II. P > 120 m en la zona III.
- Profundidad de desplante Df > 2.5 m
La elección del tipo más adecuado a cada caso particular debe hacerse teniendo en cuenta varios factores:
- La magnitud y distribución de las cargas de la estructura, así como sus dimensiones y rigidez.
- El perfil estratigráfico del terreno de apoyo y la resistencia, compresibilidad y permeabilidad de los materiales que forman cada uno de los estratos del perfil del subsuelo del sitio.
La elección de la cimentación debe estar basada en los conocimientos técnicos y en el criterio del ingeniero. En algunas referencias sugieren que cuando las zapatas aisladas sobre suelo compresible ocupan más del 30% del área de la planta del edificio, o cuando los asentamientos diferenciales permisibles no son satisfechos, resulta más económico usar zapatas continuas. En el caso de tener zapatas continuas muy anchas debido a la descarga y la baja capacidad de carga del suelo resulta conveniente usar losas con o sin contratrabes. Deberá tomarse esta decisión cuando el área de la zapata continua ocupe arriba del 50% del área de la planta del edificio. En suelos de alta resistencia y baja compresibilidad, o en rocas inalteradas (sanas), la cimentación sobre zapatas aisladas o continuas es adecuada, aun para cargas de gran magnitud; mientras que en suelos muy blandos y muy compresibles se requieren cajones y/o pilotes aun para estructuras ligeras, con el fin de evitar su agrietamiento por asentamientos diferenciales excesivos. Cualquiera que sea el tipo de cimentación seleccionada, el diseñador debe dimensionar los elementos estructurales que componen a la cimentación, de manera que se satisfaga los siguientes requisitos básicos:
- Los esfuerzos que transmita la cimentación al terreno de apoyo deben de ser compatibles con la resistencia al corte, dentro de un factor de seguridad. Esto implica determinar la capacidad de carga admisible del terreno de apoyo, para la cimentación elegida.
- Las deformaciones que sufran el terreno y la estructura por la aplicación de estos esfuerzos deben ser tolerables para la estructura misma y para las estructuras o instalaciones municipales colindantes. Esto requiere determinar los asentamientos que sufrirá el suelo, o la roca, en la que se apoye la cimentación. Con frecuencia el ingeniero debe considerar varias alternativas de cimentación antes de elegir la más adecuada y económica de entre las que satisfagan los requisitos de seguridad y deformaciones tolerables, necesita para ello determinar, en cada alternativa propuesta:
Para el caso de cimentaciones profundas en las zonas II y III se incluirá entre las acciones la fricción negativa que puede desarrollarse en el fuste de los pilotes o pilas por consolidación del terreno circundante.
1.3 DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA CIMENTACIÓN
Los elementos mecánicos (presiones de contacto, empujes laterales, etc) requeridos para el diseño estructural de la cimentación deberán determinarse para cada combinación de acciones señaladas. En la siguiente figura se observan los resultados de bajadas de cargas para el diseño de una cimentación.
El ejemplo corresponde a un edificio de concreto de siete niveles de 6.5m de altura de entrepiso, su altura incluyendo la planta baja es de 45 m. Puede observarse lo siguiente: cuando se aplica la carga estática la mayor concentración se tiene en el centro del área con 399.5 t en esa columna. Con fuerza sísmica actuando al 100% en el eje Y más el 30 en dirección X, se tiene una carga de +729.3 t en K-9 y -220.0 t en K-1. Con la fuerza sísmica 100% en X más 30% en Y, se tiene +734.0 t en K-9 y -192.0 t en K-1.
Y
X
C
B
A (^2 3 )
298.88 354.67 299.
399.50 (^) 399.50 331.
212.30 (^) 245.90 206.
Área total=145.60 m^2 Descarga total=2687.33 t
Descargas a la cimentación por carga vertical
K-1 K-2 K-
K-4 K-5^ K-
K-7 K-8 K-
6.20 m
6.48 m (^) Cg
Y
X
C
B
A (^2 3 )
+628.15 (^) +446.42 +729.
+328.85 (^) +398.33 +341.
-220.03 (^) +166.43 -23.
K-7 K-8^ K-
K-
K-1 K-2 K-
K-5 K-
Carga vertical+sismo Y+30%sismo X
CT=10 538.6 t
- compresión
- tensión
Cg
9.37 m
7.24 m
Y Carga vertical+sismo X+30%sismo Y
X
C
B
A (^2 3 )
+359.97 +427.97 +735.
+303.99 (^) +399.15 +366.
-192.31 (^) +207.56 +130.
K-7 K-8^ K-
K-
K-1 K-2 K-
K-5 K-
CT=10 538.6 t
- compresión
- tensión
8.78m Cg
7.53 m
Fig. 1.11 Cargas para el diseño de la cimentación
WTCM
WORLD TRADE CENTER
CD. DE MÉXICO
CUERPO 1 TORRE
CARGAS EN CIMENTACIÓN
PROYECTO DEFINITIVO (CON ESPECTRO DE SITIO)
SEPTIEMBRE DE 1992
Objetivo: La finalidad de este trabajo es proporcionar al especialista en mecánica de suelos los parámetros necesarios para que proceda a la revisión de la cimentación del edificio de a cuerdo a los requerimientos del nuevo proyecto arquitectónico.
Antecedentes: El edificio cuenta con:
- Apéndice con planta circular con seis niveles y azotea.
- Cuerpo principal con 39 niveles incluyendo azotea.
- Cimentación constituida por cinco niveles.
- Cajón de cimentación.
Su estructura es a base de marcos ortogonales con muros cabeceros y un cubo de elevadores excéntrico. El sistema de piso es de concreto reforzado hasta el nivel N+44.50 (piso 9), los niveles superiores se construyeron con tridilosa (armadura metálica espacial con doble capa de concreto). La cimentación se resolvió con un cajón a base de cascarones invertidos y apoyado sobre pilas a una profundidad aproximada de 20 m. Las consideraciones básicas para el análisis estructural son las siguientes. a) Por su importancia se ha clasificado a la estructura como del grupo A. b) De acuerdo con el plano de zonificación geotécnica y el informe de mecánica de suelos el edificio se localiza en zona II. c) Por las características de la estructura se adopta un factor de comportamiento sísmico Q=2.4 para ambas direcciones de análisis. d) El espectro de diseño empleado en el análisis dinámico se presenta la figura 1.12 (espectro de sitio).
Combinación 5 CM+CV+30% SX+SY Combinación 6 CM+CV-30% SX+SY Combinación 7 CM+CV+30% SX-SY Combinación 8 CM+CV-30% SX-SY Donde: CM es la carga muerta CV es la carga viva accidental SX fuerzas sísmicas dinámicas actuando en la dirección X. SY fuerzas sísmicas dinámicas actuando en la dirección Y.
De modo que al final se tendrán 4x8=32 combinaciones de acciones gravitacionales y accidentales y un caso de efectos gravitacionales que corresponde a la carga muerta más la carga viva. Se presentan únicamente cuatro envolventes para cada posición de carga y una envolvente general. En las siguientes figuras de presentan las combinaciones para el primer análisis, es decir cuando el centro de masa se localiza en la posición 1 (figura 1.13). Cabe aclara que los valores obtenidos son hasta el nivel -8.10 (tapa del cajón de cimentación) y las unidades están en toneladas.
- Fig. 1.15 Cargas sobre la cimentación, combinaciones E-3 y E-
- Bajo las cargas sin afectar por factores de carga, supóngase una distribución de presiones de contacto entre la subestructura y el suelo o, en su caso, el sistema formado por el suelo y los pilotes, que cumpla con las condiciones siguientes:
i. Existe equilibrio local y general entre las presiones de contacto, las fuerzas internas en la subestructura y las fuerzas y momentos trasmitidos a ésta por la superestructura. ii. Los hundimientos diferenciales, inmediatos más diferidos, calculados con la presión de contacto supuesta actuando sobre el terreno y pilotes, son menores o iguales a los definidos en la tabla II. iii. Las deformaciones diferenciales, inmediatas más diferidas, calculadas con la presión de contacto supuesta actuando sobre la combinación de superestructura y subestructura, son menores o iguales que las permisibles definidas en la tabla II.
- Si no se cumple alguna de las condiciones anteriores, debe suponerse otra distribución de presiones de contacto y repetirse el proceso. La distribución supuesta que satisfaga los tres requisitos mencionados puede usarse para el diseño estructural de la cimentación.
Este procedimiento es aplicable a cimentaciones a base de zapatas, losas, cajones, pilas o pilotes.
Como opción, el diseño puede basarse en esfuerzos admisibles en el terreno bajo cargas de trabajo. Una vez que se ha determinado el esfuerzo admisible en el terreno, sea por falla en el terreno o sea por control de hundimientos, puede valuarse el área de cimentación y las rigideces de la subestructura de modo que no se exceda ese valor admisible. Para lo anterior, será aceptable suponer que el suelo es elástico y continuo, o que está formado por resortes elásticos independientes.
1.5 INTERRELACIÓN PROFESIONAL ENTRE LA GEOTÉCNIA Y
LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL
Esta comunicación técnica es un problema complejo que fácilmente se dificulta cuando surge la incomprensión, desinterés o desconfianza; encontrar los caminos de la
comunicación franca y cooperativa es la meta de un comportamiento maduro. Las siguientes etapas facilitan esta comunicación (TGC, Perfil del Director Responsable de Obra, 1992):
- Identificación de los problemas geotécnicos.
- Realización del estudio geotécnico.
- Supervisión de los trabajos de campo.
- Proyecto estructural, anteproyecto de la cimentación y análisis de los procedimientos constructivos.
- Diseño de la cimentación (interacción suelo-estructura)
- Construcción de la cimentación, construcción de la superestructura, comportamiento de la cimentación y de la superestructura.
1. 6 PROYECTO ESTRUCTURAL Y ANTEPROYECTO DE LA
CIMENTACIÓN
Esta es la etapa más crítica de la interacción entre estructurista y geotécnico. El estructurista definirá el sistema estructural de acuerdo con los problemas del suelo y conocerá su comportamiento probable ante las acciones estáticas y dinámicas producidas por el viento y el sismo. El geotécnico, conociendo el suelo y sus características, orienta al primero a seleccionar el tipo de estructura. Entonces, ambos discuten las diferentes posibilidades de la cimentación a emplear y sus respectivos procedimientos constructivos, seleccionando el más adecuado.
El geotécnico estima la magnitud de los hundimientos y el estructurista estudia el efecto de los mismos en la estructura. Se plantean los ajustes correspondientes y la necesidad de realizar interacción suelo-estructura de común acuerdo. Se concluye esta etapa con un anteproyecto de la cimentación realizada por el geotécnico y una definición de los métodos constructivos discutidos por ambos.
1.7 VERIFICACIÓN DE SEGURIDAD DE LAS CIMENTACIONES
La revisión de la cimentación ante estados límite de servicio se hará tomando en cuenta los límites indicados en la Tabla II. Los asentamientos instantáneos de las cimentaciones bajo solicitaciones estáticas se calcularán en primera aproximación usando los resultados de la teoría de la elasticidad, previa estimación de los parámetros elásticos del terreno, a partir de la experiencia local o de pruebas directas o indirectas. Cuando el subsuelo esté constituido por estratos horizontales de características elásticas diferentes, se podrá despreciar la influencia de las distintas rigideces de los estratos en la distribución de los esfuerzos. Los asentamientos son el resultado de varias o una de las causas siguientes: deformaciones elásticas (asentamientos inmediatos), consolidación del terreno, desplome minero y otras. Los asentamientos diferenciales son más importantes que los asentamientos totales, por ejemplo, se producirá un efecto de mayor trascendencia en la estructura si cede 5 cm más que las próximas a ellas, que si toda la estructura se hundiera 15 cm uniformemente. Cuando una estructura se ve sujeta a hundimientos diferenciales, se generan acciones en ella acciones internas o elementos mecánicos que pueden tener gran importancia. Generalmente los hundimientos diferenciales se efectúan con relativa lentitud, de manera que para evaluar su efecto deben considerase módulos de elasticidad bajos, que tomen en cuenta los efectos de flujo plástico del concreto.
La revisión de seguridad de una cimentación ante estados límite de falla consistirá en comparar la capacidad de carga del suelo con las acciones de diseño, afectando la