Trabajo de Cimentacion Rigida y Flexible

CIMENTACIONES RÍGIDAS Y FLEXIBLES

Mecánica de Suelos II

INTRODUCCION

El terreno, al recibir cargas que son transmitidas por la cimentación, tiende a deformarse en una o varias de sus capas, dependiendo de la compresión y las propiedades del mismo, las cuales pueden variar con el tiempo o con algunos factores como lo son: la variación del volumen de vacíos como consecuencia de la compactación del terreno, el desplazamiento y deformación de las partículas al irse acumulando éstas, lo cual producen asentamientos en la superficie de contacto entre la cimentación y el terreno. Los cimientos forman un papel muy importante dentro de la edificación ya que éstos son los que distribuyen las cargas de la estructura hacia el suelo, de tal manera que el suelo y los materiales que lo constituyen tengan una capacidad suficiente para soportarlas son sufrir deformaciones excesivas. Dependiendo de la interacción del suelo y la cimentación, las características de ésta cambiarían en cuanto a su tipo, forma, tamaño, costo, etc. De aquí se concluye que, si se quiere una construcción segura y económica, se deben tener conocimientos en mecánica de suelos y diseño de cimentaciones. Por lo que expuesto anteriormente, es el fin del presente trabajo donde estudiaremos dos tipos de cimentaciones importantes como son la cimentación rígida y cimentación flexible. En el cual señalaremos los aspectos más importantes de cada tipo de cimentación.

OBJETIVOS  Conocer los tipos de cimentación: rígida y flexible, reconociendo los procedimientos y restricciones que implica cada tipo de cimentación.  Desarrollo de dichos métodos aplicados al tipo de cimentación, y casos en los que se utiliza.

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CIMENTACION

CONCEPTO: Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelo distribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes). La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran medida del tipo de terreno.

CLASIFICACIÓN DE LAS CIMENTACIONES La forma más común de clasificar las cimentaciones es en función de la profundidad de los estratos a los que se transmite la mayor parte de las cargas que provienen de la construcción, dividiéndose en dos grupos, los cuales son: a) Cimentaciones Superficiales: son aquellas que se apoyan en estratos poco profundos que tienen suficiente capacidad para resistir las cargas de la estructura. En esta clasificación encontramos  Zapatas: son ensanchamientos de la sección de las columnas o muros con los que se distribuye la carga de éstos a un área de contacto mayor con el suelo. Las zapatas pueden ser aisladas (bajo una sola columna), combinadas (bajo dos o más columnas) o corridas.  Losa de Cimentación: aquí el apoyo se realiza sobre toda el área de la construcción. Estas losas pueden ser planas (sin vigas) o con retículas de vigas (llamadas contratrabes). En ocasiones, la losa de cimentación, la losa de planta baja y las contratrabes y muros de lindero forman cajones de cimentación que pueden llegar a un nivel de profundidad que permiten, bajo ciertas condiciones, aprovechar el peso retirado del suelo excavado para compensar parcial o totalmente el peso de la construcción y aliviar así la presión neta en la superficie de contacto con el suelo. b) Cimentaciones Profundas: están constituidas esencialmente por pilotes que transmiten su carga por punta o por fricción y que se denomina pilas cuando su sección transversal es de gran tamaño. Los pilotes pueden colocarse bajo zapatas o bajo losas de cimentación y pueden trabajar de tal forma que la carga que se resista en parte por fricción con el suelo y en parte por apoyo de contacto profundo.

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En esta categoría se tienen los siguientes tipos:  Cimentación compensada con pilotes de fricción  Cimentación a base de pilotes de punta  Cimentación a base de pilas

CLASIFICACION FUNCIONAL Se distinguen dos tipos de cimentaciones por la forma de resistir las solicitaciones:  Cimentaciones Rígidas (Vmax≤ 2h): se calculan mediante el método de bielas y tirantes.  Cimentaciones Flexibles (Vmax> 2h): se calculan como elemento sometido a flexión simple.

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RIGIDO V max≤ 2h FLEXIBLE V max> 2h

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MÉTODO DE LAS BIELAS Y LOS TIRANTES (MTB) El MTB es un procedimiento simplificado que permite el diseño de elementos de hormigón armado, incluyendo una parte de análisis estructural y otra de dimensionamiento (hormigón y armadura). Es el método más adecuado para el cálculo de regiones D, pero también se usa parcialmente para el cálculo de regiones B sometidas a tensiones tangenciales (cortante, torsión). El método es válido para el diseño en E.L.U.; el E.L.S. de fisuración se comprueba de forma indirecta, básicamente limitando la tensión de trabajo de la armadura.  Regiones D Se denominan regiones D (de discontinuidad) a aquellas estructuras o partes de una estructura en las que no es válida la hipótesis de Bernouilli-Navier (las secciones planas normales a la directriz se mantienen planas al deformarse). Hay 3 tipos posibles de discontinuidad: Geométrica (cambios bruscos de sección, nudos)

Estática o mecánica (cargas concentradas, reacciones)

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Generalizada (ménsulas cortas, vigas de gran canto, zapatas y encepados rígidos)

 Principios generales del método En la fase de análisis, la estructura se idealiza como un sistema de barras biarticuladas que trabajan a compresión (bielas) o a tracción (tirantes), y que se unen en nudos.

El MTB es tan antiguo como el hormigón estructural. En 1899, Ritter explicó el funcionamiento a cortante de una viga sometida a una carga uniformemente repartida, asimilándola a una celosía. Entre los años 1950 y 1970 se generalizó el uso del MTB para explicar otros fenómenos, como la torsión, el rasante, las vigas de gran canto o las cargas concentradas, gracias a Mörsh, Thürlimann y Leonhardt, entre otros. En la ×Normativa española, el MTB no aparece como tal hasta la EHE de 1998, aunque en la EH-80 aparece de forma implícita en algunas figuras.

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Los dos principios básicos de la teoría de la plasticidad en que se fundamenta el MTB son: o Teorema del mínimo de la plasticidad : si en una estructura sometida a una determinada carga se halla una distribución de tensiones (un sistema resistente) que satisface las condiciones de contorno y las de equilibrio estático, y en ningún punto se sobrepasa el estado de plastificación de los materiales, la estructura resistirá dicha carga sin llegar a la rotura. El teorema no exige que se encuentre una distribución real de tensiones, sino que basta con hallar un mecanismo resistente viable. o Principio de St. Venant: las tensiones producidas por una discontinuidad estática (carga puntual) se uniformizan a partir de una determinada distancia (generalmente igual a un canto), es decir, los hechos diferenciales producidos por una carga puntual, se reducen a un trozo pequeño de la pieza, afectando al resto de ella de forma igual a si la carga hubiera sido distribuida (con la misma resultante). Por tanto, las regiones D son finitas y de pequeño tamaño.

 Planteamiento del método En general, en primer lugar debe realizarse un análisis elástico global de la estructura, para posteriormente identificar las regiones D existentes, estableciendo sus límites y los esfuerzos o acciones que existen en ellos. En la creación del modelo de bielas y tirantes adecuado a cada región D identificada, debe tenerse en cuenta que: o El sistema resistente debe ser capaz de soportar los casos de carga a que va a estar sometido. o No hay un modelo único, pueden encontrarse diversas disposiciones de bielas y tirantes que satisfagan estructuralmente el problema resistente. o FICSA – UNPRG 7



o

Debe tenderse a modelos sencillos que representen con claridad el comportamiento real de la estructura.

o o

El modelo depende de la geometría de la región y de las cargas actuantes. El modelo ha de ser resoluble, isostático internamente, por lo que normalmente habrá que triangular Es válido el principio de superposición (es recomendable que los casos complicados de cargas se estudien separándolos en modelos distintos y sumando posteriormente los resultados); No se deben realizar modelos con bielas y tirantes que formen menos de 30º entre sí. Es de gran utilidad conocer la distribución elástica de tensiones

o

o o

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CIMENTACIONES RÍGIDAS

Dentro del grupo de cimentaciones rígidas se encuentran: - Los encepados cuyo vuelo V en la dirección principal de mayor vuelo es menor que 2h. - Las zapatas cuyo vuelo V en la dirección principal de mayor vuelo es menor que 2h. - Los pozos de cimentación. - Los elementos masivos de cimentación: contrapesos, muros masivos de gravedad, etc. En las cimentaciones de tipo rígido, la distribución de deformaciones es no lineal a nivel de sección, y, por tanto, el método general de análisis más adecuado es el de bielas y tirantes. 1. ZAPATAS RÍGIDAS: Se consideran zapatas rígidas, aquellas en que el vuelo es menor o igual que el canto, en las dos direcciones. Como se ve en la figura 3.46, las bielas de compresión siguen con bastante exactitud la dirección de las isostáticas de compresión, de ahí que se pueda calcular la tensión máxima de tracción que se produce. El cálculo de la tracción que se produce al nivel de la armadura inferior se estudia de acuerdo con la teoría de las bielas de M. Lebelle, siendo “d”, el canto útil.

Se colocan basándose en suponer bielas comprimidas de hormigón cosidas inferiormente por un tirante CD.

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Según esta hipótesis la armadura principal para resistir la tracción será:

Siendo:

Si las tensiones de cálculo no se han mejorado previamente, será necesario mejorar el valor de Td. En cuanto a los anclajes, en zapatas rígidas con v≤h, deberán construirse de la siguiente manera si se hace por adherencia.

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Siendo lb. neta la longitud neta de anclaje correspondiente a la posición I. Todas las dimensiones se expresarán en mm. El valor 70 mm se debe al recubrimiento mínimo aconsejado por la EHE para estructuras en contacto directo con el terreno. También se puede anclar con armadura en prolongación recta, soldando al final una barra del mismo diámetro transversalmente. La comprobación de las bielas no es necesario salvo que la tensión sobre el terreno no supere los 1.5 N/mm2 (15 kp/cm2). 2. ENCEPADOS RÍGIDOS El encepado es el elemento encargado de transmitir las solicitaciones del soporte a los pilotes y de hacerlos trabajar de forma solidaria, en una cimentación profunda.

A. ENCEPADO RÍGIDO DE 2 PILOTES:  Armadura principal inferior, siendo la tracción de cálculo Td:

 Armadura secundaria: o Cara superior: Al menos 1/10 de la capacidad mecánica de la inferior. o Armadura horizontal y vertical: Cercos de atado formando una retícula, con cuantía superior al 4‰

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B. ENCEPADO RÍGIDO DE 3 y 4 PILOTES:  Encepado Rígido de 3 pilotes

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 Encepado Rígido de 4 pilotes

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3. LOSA DE CIMENTACIÓN RÍGIDA Para que una losa o placa de cimentación sea rígida:  Debe predominar el Diseño por Corte o Punzonado. Esto es lógico porque cuando diseñamos por flexión el elemento adquiere resistencia pero sigue siendo deformable.  El espesor de la placa debe ser lo suficiente grande como para que la placa soporte los esfuerzos tangenciales sin la participación del acero de corte.  Columnas adyacentes no deben variar en más de 20% en sus cargas.  El espaciamiento entre columnas adyacentes no sea mayor de 20% y sea inferior a: S ≤ π.Le/2 + b Donde b es el ancho de la columna y Le = Raíz cuarta (4Ec.I/KB) En las zonas sísmicas es preferible que las placas y cimientos sean rígidos para que integren los elementos portantes y compatibilicen los desplazamientos laterales. Esto último significa que al estar acoplados los elementos estructurales a un cimiento que no puede alabearse, solo desplazarse, dichos elementos se desplazaran en su base todos al tiempo. El cimiento será el autobús y los elementos estructurales, los pasajeros.

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CIMENTACIONES FLEXIBLES 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. Dentro del grupo de cimentaciones flexibles se encuentran:  Los que  Las que

encepados, cuyo vuelo V en la dirección principal de mayor vuelo es mayor 2h. zapatas, cuyo vuelo V en la dirección principal de mayor vuelo es mayor 2h.

 Zapatas flexibles:  Diseño Estructural  Armado a flexión simple  Verificación a cortante  Verificación a punzonamiento

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 Cálculo de zapatas flexibles 

 

Armado a Flexión: Dimensionado a momento flector con el momento máximo en sección situada a “0.15a” de la cara de soporte, hacia su interior, siendo “a” el lado del soporte. Verificación a Cortante: Dimensionado a esfuerzo cortante con el cortante máximo en sección situada a un canto “d” de la cara del soporte. Verificación a punzonamiento: sección de referencia S3, formado por el perímetro crítico u1, calculado sin armadura de punzonamiento.

En este caso el momento flector sobre la sección de referencia es:

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Para el esfuerzo cortante, la sección de referencia indica a una distancia “d” de la cara del pilar.

La comprobación a punzonamiento, es definido en la siguiente:

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


Anclaje de la Armadura inferior

Con los significados anteriormente indicados. En cuanto los anclajes, si se hacen por adherencia se deberá proceder del siguiente modo: (también es aplicable a zapatas rígidas con v>h).

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Expresando todas las dimensiones en mm. El anclaje también puede realizarse, como en el caso de zapatas rígidas, con soldadura de una barra transversal al final de la armadura principal. En el caso de zapatas cuadradas la disposición de armaduras será idéntica en ambas direcciones. En el caso de zapatas rectangulares la armadura principal (paralela al lado L) se distribuye uniformemente. La armadura paralela al lado menor se reparte de forma que la armadura transversal necesaria As.tr se distribuya en una proporción.

En un ancho B a ambos lados del soporte y el resto uniformemente en los dos extremos, aunque en la práctica se mantiene la misma separación de los redondos. Nunca una dirección tendrá una armadura inferior al 20% por unidad de anchura respecto a la ortogonal, por lo que en el caso de que la armadura transversal sea exclusivamente una armadura de reparto, se tomará:

Como es razonable elegir los redondos de la armadura de reparto del mismo diámetro que las barras de la armadura longitudinal, y teniendo en cuenta que la relación pésima de reparaciones entre redondos es 10 cm y 30 cm, se tomará como longitud neta de anclaje para la armadura transversal lb.neta.tr el valor:

Como recomendaciones indicaremos que el espesor mínimo para zapatas de concreto armado debe ser 25 cm. Se recomienda utilizar redondos tal que 12 ≤ φ ≤ 25 (es preferible no superar el diámetro 20). La separación entre dichos redondos será

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tal que 10 ≤ S ≤ 30 cm. Las armaduras obtenidas se prolongarán sin reducción de un borde a otro de la zapata. Asimismo, se debe disponer de una capa de concreto de limpieza en la base del cimiento (que no se considera en el cálculo) de espesor 10 cm. Como se ha indicado anteriormente, si la zapata se hormigona contra el terreno (que es lo habitual), el recubrimiento lateral será de 70 mm. En el caso de zapatas excéntricas se calcula la armadura correspondiente a cada vuelo (rígida o flexible) y se prolonga en ambos sentidos con la armadura más resistente.

 Encepado flexible Elemento encargado de transmitir las solicitaciones del soporte a los pilotes y de hacerlos trabajar de forma solidaria.

 Cálculo de Encepados Flexibles: Se calculan de la misma forma que las zapatas flexibles, considerando las secciones de referencia S1 (flexión), S2 (cortante) y S3 (punzonamiento en pilotes).

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 Disposición de Armaduras en Encepados:  Armadura Principal, uniendo los centros de los pilotes.  Armadura Secundaria, en bandas (horizontal) y cercos (vertical).

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


Perspectivas de Armaduras en Encepados

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CONCLUSIONES

 Para determinar el tipo de cimentación de acuerdo a su dimensión se tiene los siguientes parámetros Cimentaciones Rígidas:   

(Vmax ≤ 2h) Metodo de bielas y Tirantes No es necesario comprobación a punzonamiento ni cortante

Cimentaciones Flexibles:   

(Vmax > 2h) Método general de Flexión Comprobación a Cortante y Punzonamiento

 Para determinar las cimentación rigidas se debe hacer por el método de Bielas y tirantes  Para cimentación Flexión se calcula como elemento sometido a Flexión simple  De aquí se concluye que, si se quiere una construcción segura y económica, se deben tener conocimientos en mecánica de suelos y diseño de cimentaciones.

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