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Cimentaciones Superficiales: Tipos y Distribución de Presiones, Monografías, Ensayos de Mecánica de suelos

Universidad José Carlos Mariátegui (UJCM) - Moquegua Mecánica de suelos

Las cimentaciones superficiales, sus tipos y la distribución de presiones en suelo cohesivo y granular bajo una zapata rígida o flexible. Además, se discuten las hipótesis simplificadas utilizadas en el diseño de cimentaciones.

Tipo: Monografías, Ensayos

2020/2021

Subido el 05/12/2021

Dartold
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1. CIMENTACIONES SUPERFICIALES:
Las cimentaciones superficiales son las más comunes generalmente en
edificaciones, donde todos los esfuerzos son transmitidos directa y en su
totalidad al suelo a través de su base de contacto y originan en el terreno unas
distribuciones normalmente planas, teniendo en cuenta que estos esfuerzos no
deben superar la capacidad portante del suelo y la estructura debe admitir las
deformaciones producidas.
Se les conoce como cimentaciones superficiales a aquellas cuya profundidad de
desplante Df es menor o igual que el ancho de la misma, pero también se sugiere
que se tomen como cimentaciones superficiales aquellas cuya profundidad de
desplante sea menor o igual a tres o cuatro veces el ancho de la cimentación.
1.1. TIPOS DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL:
Los diversos tipos de cimentaciones estructurales pueden agruparse en dos
grandes categorías: cimentaciones poco profundas y cimentaciones profundas.
La clasificación indica la profundidad de las cimentaciones en relación con su
tamaño y la profundidad del suelo que proporciona la mayor parte del soporte.
Según Terzaghi, una base es poco profunda si su profundidad es igual o menor
que su ancho y profundidad cuando excede el ancho.
a) Zapatas corridas o extendidas:
La base de unza zapata corrida o extendida es básicamente un relleno que se usa
para «extender» las cargas de las paredes o columnas sobre un área
suficientemente grande de tierra de base.
Estos se construyen lo más cerca posible de la superficie del suelo de acuerdo
con los requisitos de diseño y con factores como la profundidad de penetración
de las heladas y la posibilidad de erosión del suelo.
Las bases para estructuras permanentes rara vez se ubican directamente en la
superficie del suelo.
Una zapata corrida o extendida no necesariamente tiene que estar a pequeñas
profundidades; puede ubicarse en lo profundo del suelo si las condiciones del
suelo o los criterios de diseño lo requieren.
La zapata extendida requerida para soportar una pared se conoce como zapata
continua, de pared o de banda, mientras que la requerida para soportar una
columna se conoce como zapata individual o aislada.
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1. CIMENTACIONES SUPERFICIALES:

Las cimentaciones superficiales son las más comunes generalmente en edificaciones, donde todos los esfuerzos son transmitidos directa y en su totalidad al suelo a través de su base de contacto y originan en el terreno unas distribuciones normalmente planas, teniendo en cuenta que estos esfuerzos no deben superar la capacidad portante del suelo y la estructura debe admitir las deformaciones producidas. Se les conoce como cimentaciones superficiales a aquellas cuya profundidad de desplante Df es menor o igual que el ancho de la misma, pero también se sugiere que se tomen como cimentaciones superficiales aquellas cuya profundidad de desplante sea menor o igual a tres o cuatro veces el ancho de la cimentación. 1.1. TIPOS DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL: Los diversos tipos de cimentaciones estructurales pueden agruparse en dos grandes categorías: cimentaciones poco profundas y cimentaciones profundas. La clasificación indica la profundidad de las cimentaciones en relación con su tamaño y la profundidad del suelo que proporciona la mayor parte del soporte. Según Terzaghi, una base es poco profunda si su profundidad es igual o menor que su ancho y profundidad cuando excede el ancho. a) Zapatas corridas o extendidas: La base de unza zapata corrida o extendida es básicamente un relleno que se usa para «extender» las cargas de las paredes o columnas sobre un área suficientemente grande de tierra de base. Estos se construyen lo más cerca posible de la superficie del suelo de acuerdo con los requisitos de diseño y con factores como la profundidad de penetración de las heladas y la posibilidad de erosión del suelo. Las bases para estructuras permanentes rara vez se ubican directamente en la superficie del suelo. Una zapata corrida o extendida no necesariamente tiene que estar a pequeñas profundidades; puede ubicarse en lo profundo del suelo si las condiciones del suelo o los criterios de diseño lo requieren. La zapata extendida requerida para soportar una pared se conoce como zapata continua, de pared o de banda, mientras que la requerida para soportar una columna se conoce como zapata individual o aislada.

b) Zapatas Aisladas: Es el tipo de cimentación superficial más habitual junto con las losas de cimentación. Se usa cuando la tensión admisible del terreno es media alta y los asientos bajos, o lo que es lo mismo que el terreno de fundación sea competente y firme. Para evitar desplazamientos laterales, las zapatas aisladas se unen comúnmente con vigas de atado o losas arriostrantes, siendo de especial importancia en zonas sísmicas. En las vigas de atado deben considerarse cualquier tipo de movimiento que puede presentar esfuerzos sobre las vigas y sobre todo cobra especial importancia en arcillas expansivas o terrenos colapsables donde no es recomendable el apoyo de dichas vigas sobre el terreno. Las zapatas se emplean sobre todo en la cimentación de casas o pequeños edificios o en las pilas de puentes.

Si la zapata combinada debe soportar una columna exterior en la línea de propiedad donde la proyección tiene que ser limitada, siempre que la columna interior lleve la mayor carga, la longitud de la base combinada se establece ajustando la proyección de la base más allá de la columna interior. El ancho se obtiene dividiendo la suma de las cargas verticales por el producto de la longitud y la presión permisible del suelo. Zapatas Combinadas Trapezoidales: Cuando las dos cargas de la columna son desiguales, la columna exterior lleva una carga más alta y cuando la línea de propiedad está bastante cerca de la columna exterior, se utiliza una zapata combinada trapezoidal. Pueden usarse incluso cuando la columna interior lleva una carga más alta; pero el ancho del trapecio será mayor en el lado interno. La ubicación de las cargas resultantes de la columna establece la posición del centroide del trapecio. La longitud generalmente está limitada por la línea de propiedad en un extremo y la construcción adyacente, si la hay, en el otro. El ancho en cada extremo del trapecio se puede determinar a partir de la solución de dos ecuaciones simultáneas: una que expresa la ubicación del centroide del trapecio y la otra que iguala la suma de las cargas de la columna al producto de la presión del suelo permitida y el área de la zapata combinada.

d) Zapatas en Voladizo: Las zapatas en voladizo consisten en dos zapatas aisladas conectadas a sus bases por un voladizo (viga rígida) con el objetivo de que se comporten como una sola unidad, una zapata en voladizo es más económico que una zapata combinada cuando la presión que admite el suelo es alta y la distancia entre las columnas es amplia.

Principio de funcionamiento: Para tener una mejor idea sobre cuándo usar una losa de cimentación, es importante comprender cómo funciona la base de la losa. Vamos a obtener una revisión rápida de su principio de funcionamiento. Los cimientos de la losa transmiten la carga total del edificio a toda el área de la planta baja. El mecanismo de distribución del estrés de la base de la losa de cimentación es muy simple. El peso total de la estructura y el peso propio de la losa se calculan y se dividen por el área total de la base que cubre para calcular el estrés o esfuerzos en el suelo. Como en el caso de los cimientos de la losa, el área de contacto del cimiento con el suelo es mucho mayor que cualquier otro tipo de cimiento, por lo que la carga se distribuye en un área más grande y, por lo tanto, la tensión en el suelo es menor y la posibilidad de falla por corte del suelo es menor.

¿Cuándo elegir la cimentación por losa? Para el diseño de cimientos, uno de los aspectos más importantes es elegir el tipo correcto de cimiento. Se escoge una losa de cimentación cuando:

  1. El suelo tiene una baja capacidad de carga.
  2. La carga de la estructura debe distribuirse en un área grande.
  3. El área de cimentación individual o de cualquier otro tipo cubriría aproximadamente el 50% del área total del terreno debajo de la estructura.
  4. Las columnas o paredes se colocan tan cerca que las zapatas individuales se superpondrían.
  5. Es necesario reducir el estrés en el suelo.
  6. Existe la posibilidad de un acuerdo diferencial en caso de que se utilice una base individual.
  7. Cuando los estratos del suelo son impredecibles y contienen capas de suelo compresibles.
  8. Se debe construir el basamento o base.
  9. Cualquier otro tipo de zapata no puede usarse ventajosamente. Construcción de una loza de cimentación: Las losas de cimentación se construyen invariablemente de hormigón armado. Se vierten en áreas pequeñas como 10 m × 10 m para evitar grietas por contracción excesiva. Las juntas de construcción se ubican cuidadosamente en lugares de bajo esfuerzo cortante, como las líneas centrales entre las columnas. Los refuerzos deben ser continuos a través de los puntos. Si se empalma una barra, se proporciona una vuelta adecuada. Se pueden proporcionar llaves de corte a lo largo de las juntas para que la tensión de corte a través de la junta se transmita de manera segura. Si es necesario, la losa de cimentación se puede engrosar para proporcionar suficiente resistencia en las articulaciones. Proceso de construcción: Los pasos clave de la construcción de la base de la balsa se indican a continuación.

2. ESFUERZOS DE CONTACTO:

Distribución de presiones en un suelo cohesivo bajo una zapata rígida con carga axial: La distribución de presiones que hay en la superficie de contacto entre la cimentación y el suelo se da de forma muy variada y es sensible a las rigideces relativas del suelo, así como de la cimentación y las características propias de la estructura del suelo. Para solucionar satisfactoriamente el cálculo de la distribución de presiones, se debe considerar un modelo en el cual se contemple un espacio semi infinito homogéneo, isótropo y de comportamiento lineal, bajo una zapata infinitamente rígida. En esta imagen se observa una muy alta concentración de presiones ubicadas en los extremos de la zapata (distribución que no se produce en la realidad). Las presiones ahí involucradas se ven disminuidas en sus extremos debido al comportamiento no lineal del suelo y porque el terreno cercano al borde es ligeramente desplazado hacia fuera. A medida que aumente la carga sobre la zapata, la zona de plastificación del suelo se propaga de los extremos hacia el centro, produciendo así presiones cada vez más uniformes. (Zapata rígida en suelo cohesivo tipo arcilloso) Distribución de presiones en un suelo granular bajo una zapata rígida con carga axial:

En un suelo granular (arenas o gravas), las distorsiones que se presentan son muy diferentes ya que la rigidez aumenta con el confinamiento al que están sometidas las partículas del suelo, y, por esto, la rigidez es prácticamente nula en los extremos de la zapata donde ocurren desplazamientos del suelo hacia afuera y las presiones se reducen. Por el contrario, las presiones serán máximas en el centro, puesto que en este punto el confinamiento de las partículas es máximo. Si se presentan altos niveles de presiones ocurrirá una plastificación en las zonas sometidas a los mayores esfuerzos (centro de la zapata) y las presiones tienden a uniformarse. (Zapata rígida en suelo granular) Distribución de presiones bajo una cimentación flexible en suelo cohesivo o granular: Si se tiene una cimentación de tipo flexible, la deformación que se genere en ésta provoca que las presiones en sus extremos se vean disminuidas, ya sea para suelo cohesivo o granular. Con esto se hace constar que el uso de teorías refinadas que suponen un comportamiento lineal del suelo no justifica en general el cálculo de la distribución de esfuerzos en condiciones extremas como las que se puedan necesitar al momento de dimensionar una cimentación. La no linealidad del comportamiento del suelo y de la cimentación altera en gran medida los resultados obtenidos con estas teorías.

o, expresando de otra manera, con base en la carga máxima que se puede aplicar en una zapata, b) Segunda hipótesis : Sí la carga es axial, se manejará el mismo criterio que en la hipótesis de resortes lineales, pero, para carga excéntrica, será necesaria una distribución uniforme de presiones en un rectángulo equivalente de longitud tal que la magnitud y resultante de los esfuerzos igualan a las de las fuerzas actuantes. La expresión para la determinación del esfuerzo en el suelo bajo una carga excéntrica resulta: Y la carga axial máxima que se puede aplicar con una excentricidad “e”, a un suelo con un refuerzo fm, vale:

3. MÉTODO DE WINKLER: