Unidad 4 cimentacion - Apuntes 4.1 PDF

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4.1 Clasificación de las cimentaciones Cimentaciones: la cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno, el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que la cimentación la realizamos en función del mismo. Las cimentaciones se clasifican en: 

Cimentaciones superficiales: engloban las zapatas en general y las losas de cimentación

Los distintos tipos de cimentación superficial, depende de las cargas que sobre ella recaen. 1. Puntuales → zapatas aisladas

2. Lineales → zapatas corridas

3. Superficiales → losas de cimentación



Cimentaciones profundas 1. Por sustitución: excavación en el terreno y en el proporcional de la construcción se debe de conocer el tipo de estado coincidencial, el peso volumétrico de cada una de las capas que se construyen en el terreno a excavar, para que el peso sea perfecto, se debe nivelar con el de la construcción perfectamente conocida.

2. Por flotación: esta clase de cimentación se basa con el principio de Arquímedes que dice ”que todo cuerpo sumergido en el liquido experimenta un empuje vertical, ascendente igual al peso del volumen del liquido desalojado”. Cuando el terreno donde se construye posee el estrato a gran profundidad, en este caso los pilotes están sumergidos en una capa blanda y no apoyada en ningún estrato de terreno firme, por lo que la carga que transmite al terreno lo hace únicamente por efecto de rozamiento del fuste del pilote.

3. Por pilotes: tienen dos formas de pilotes a) pilotes trabajando con apoyos directos b) pilotes que trabajan mediante fricción  Cimentaciones especiales 1. Como cimentación base de estructuras en suelos poco consistentes o incoherentes: con esta solución se busca un buen terreno a cierta profundidad que permita el apoyo de los pilotes los cuales ira apoyada a la estructura 2. Como pantalla de pilotes trabajando por vuelco: este sistema es utilizado para la

construcción de parking dada la falta de aparcamiento en suelo urbano y su gran demanda. Con esta pantalla se puede hacer diferentes plantas de sótano sirviendo además como cimentaciones para la estructura. 3. Como pantalla de pilotes anclada isostaticamente o hiperestaticamente: este sistema tiene la misma finalidad uqe le anterior su diferencia consiste en una disminucion del empotramiento del pilote anclado de estos al terreno por medio de tirantes o micropilotes, el anclado puede ser de varios niveles.

4.2 Factores que determinan el tipo de cimentación: El tipo de cimentación adecuado para una estructura dada, depende de varios factores: su función, las cargas que debe soportar, las condiciones estratigráficas del subsuelo y el costo de la cimentación comparado con el costo de la superestructura [Peck, et al. 2008]. Cada tipo de cimentación deberá diseñarse para cumplir con lo siguiente: 1. Ser segura contra fallas por resistencia al corte del subsuelo. 2. No deberá asentarse o emerger más allá de los valores tolerables por la estructura y obras colindantes. 3. Deberá localizarse y protegerse adecuadamente contra probables agentes externos que puedan comprometer su comportamiento. 4. Además, deberá ser segura contra falla catastrófica y proporcionar un comportamiento que permita la utilización de la obra. Los Reglamentos de construcción no hablan de factores de seguridad, sino de factores de carga y factores de reducción para los estados límites de falla y de servicio. Es decir, acotan el diseño para evitar una falla catastrófica, y aseguran que el comportamiento de la obra cumpla con las condiciones de servicio para las que se diseña. En general, en cualquier estudio de cimentación va a interesar el conocimiento de la geología local, la estratigrafía del subsuelo y las propiedades índice y mecánicas (resistencia al corte, compresibilidad y permeabilidad) de los suelos que lo componen; además del conocimiento de otros factores como sismicidad, vientos, comportamiento del subsuelo y de cimentaciones existentes, etcétera (en el capítulo 3 se hace una descripción detallada del informe geotécnico). Establecidos los requisitos que debe llenar una cimentación apropiada, los pasos involucrados en su elección y análisis son los siguientes: 3.1 Función:

Es frecuente que para una estructura existan varias alternativas de cimentación igualmente seguras, entre las que debe elegirse la más apropiada al caso. La cimentación tiene que cumplir con los requisitos básicos de funcionalidad, a saber: a) Por una parte, toda la cimentación, o cualquiera de sus elementos puede fallar porque el suelo o la roca sean incapaces de soportar la carga. b) Por otra parte, el suelo o roca de apoyo pueden no fallar, pero el asentamiento de la estructura puede ser tan grande o tan disparejo, que la estructura puede agrietarse y dañarse. Este puede ser el caso de un edificio alto y pesado que proyecte construirse en suelos altamente compresibles – como arcillas blandas o depósitos de suelos orgánicos y turba – para el que a primera vista resultaría inadecuada una cimentación superficial a base de zapatas o losa de cimentación. 3.2 Cargas Para el diseño de la cimentación de cualquier construcción, es necesario evaluar las acciones permanentes (carga muerta), las acciones variables (carga viva), y las acciones accidentales (sismo, viento, maquinaria, etc.), a las que se encontrará sometida. Una vez determinadas estas acciones, es necesario conocer su distribución y determinar la magnitud de los esfuerzos a los que se verá sometido el suelo de cimentación 3.3 Estratigrafía El estudio del suelo en el que se apoyará una estructura es prioritario, ya que su resistencia y comportamiento ante cargas externas definirán el tipo de cimentación adecuado, que garantizará la estabilidad del sistema. El estudio de mecánica de suelos deberá incluir exploraciones de campo que determinen la configuración y composición de los diferentes estratos, la propiedad índice y las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo. Esta información servirá de base para la correcta selección de los estratos de apoyo y de los elementos que transmitirán las cargas al suelo. 3.4 Técnica y economía Al ser elegido un tipo de cimentación, es necesario definir el procedimiento constructivo que se aplicará considerando los recursos existentes, con el propósito de que su construcción sea viable, respetando las especificaciones geotécnicas y estructurales, considerando también que la solución sea económicamente aceptable y conduzca a tiempos de ejecución reales y convenientes, preservando constantemente la calidad de los elementos de cimentación.

4.3

Cimentaciones en taludes

Las estructuras y los cimientos en taludes o adyacentes a éstos que sobrepasen el 100% deben cumplir con los siguientes requerimientos: ● La cara de la zapata se sitúa atrás de un talud en descenso una distancia suficientemente grande como para suministrar apoyo vertical y lateral para la zapata y evitar un asentamiento. ● Máximo H/3 ó 12 m (40'). 1. ● La cara de la estructura se sitúa alejada del pie de un talud en ascenso para suministrar protección del drenaje y de la erosión del sitio. ● Maxima H/2 ó 5 m (15') 2.

● Ancho mínimo de la zapata 2x 3. ● Pendiente máxima 1:2 4. ● 60° para roca 5. ● 30° para suelo 6. ● La superficie del suelo no debe invadir el prisma de contacto del suelo o de la roca.

Las zapatas con poco espaciamiento o las zapatas adyacentes localizadas a diferentes niveles pueden causar esfuerzos traslapados en el suelo. ● Rasante. 7. ● Conservar el espesor de la zapata (T) en el escalón vertical. 8. ● Limitar el escalón vertical (H) a 1/2 L o 610 mm (2'-0") como máximo. 9. ● La longitud del escalón (L) debe ser por lo menos 610 mm (2'-0"). 10. ● Utilize dimensiones modulares para muros de mampostería de concreto.

Las zapatas escalonadas cambian de nivel por etapas para acomodar una rasante empinada y conservar la profundidad requerida en todos los puntos alrededor de un edificio.

4.4

Cimentaciones compensadas

Principio base: se trata de desplantar a una profundidad tal que el peso de la tierra excavada iguale al peso de la estructura, de manera que al nivel del desplante del suelo, no sienta la sustitucon efectuada. Este tipo de cimentación exige, que las excavaciones efectuadas no se rellenen posteriormente. Se puede lograr esto con:  

Losa corrida en el area de cimentación (usual en edificios). Construyendo cajones huecos en el lugar de cada zapata (usual en puentes).

Sin embargo como el proceso de carga no es simultaneo con el de descarga este genera expansiones en el fondo de la excavación, esta regresa a su forma original por efecto de la carga de la estructura que se traducen como asentamientos. Compensada parcial: es donde el peso de la tierra excavada compensa únicamente una parte de la estructura, en tanto como el restante se toma como pilotes o descanso sobre el terreno. Ci9mnetaciones compensadas anexo – C: en suelos altamente comprensibles y normalmente consolidados no pueden darse ninguna presión en añadidura de la ya existente, pues cualquier incremento actuaria sobre el tramo virgen de la curva de compresibilidad de la arcilla, causando fuertes asentamientos. Si la arcilla es pre consolidada podrá darse algo de presión a la existente con tal que dicho exceso no afecte la rama virgen de la curva, con lo que los asentamientos serán bajos. Siempre es necesario verificar que a mayor profundidad no existan mantos de arcilla comprensible a los que puedan llegar esfuerzos que sobrepasan su carga de pre consolidación. Los esfuerzos transmitidos se pueden calcular aplicando la teoría de Boussinesq. En relación a la presión en exceso de la existente que puede dejarse actuar en una cimentación compensada en el suelo pre consolidado L. Zeevaert su valor limite a: ∆Δp≤1/2( Pc - Po ) Δ p = incremento de presión en la cimentación sobre la presión previamente existente. Pc = carga de pre consolidación. Po = presión efectiva en el suelos, por peso propio.

4.5

Tipos de cimentaciones profundas

Muro pantalla Los Muros Pantalla constituyen un tipo de Cimentación Profunda muy usada en edificios de altura, que actúa como un muro de contención y brinda muchas ventajas por ahorro de costes y mayor desarrollo en superficies. Es la tipología de Cimentaciones más difundida en áreas urbanas para edificios con sótano en un predio entre medianeras, en parkings y a modo de barreras de contención de agua subterránea en túneles y carreteras.. El muro pantalla es un muro de contención que se construye antes de efectuar el vaciado de tierras, y transmite los esfuerzos al terreno. Estos elementos estructurales subterráneos se emplean también en forma temporal para la contención y retención de paredes. En las grandes ciudades, para obtener mas espacios de uso en edificios, se proyectan sótanos o subsuelos que muchas veces llegan hasta 20 metros de profundidad. Son éstas las soluciones ante los elevados costes de terrenos y la necesidad de obtener mayor superficie. A estos efectos, se trata de conseguir muros de contención del menor espesor posible conservando una buena calidad y que ofrezcan seguridad y buen diseño. Sustitución Esta cimentación se realiza mediante la excavación del terreno, donde el peso del material excavado y extraído será igual o proporcional al peso de la construcción a realizar; conociendo cada una de las capas que componen dicho suelo (características del terreno) y según las características de la estructura que sustentará y las cargas que actúen sobre la misma. Procedimiento Se realiza la excavación hasta llegar a terreno competente y se sustituye el existente por un terreno mejorado y compactado. Esta constituye una solución válida en casos de espesores y cargas uniformes y pequeñas. Técnicamente, solo se definirán bien las características del material usado en el relleno y terraplenado, la densidad y humedad máximas (Ensayo Proctor) y espesores de material aportado. Debe realizarse un control con medidas de humedad (in situ) y densidad, y los ensayos correspondientes de placa de carga para evaluar posibles asientos y deformaciones. Pilotes

Los pilotes son elementos constructivos de tipo puntual usados para cimentación profunda en obras de construcción, los cuales permiten transmitir las cargas de la estructura hasta capas de suelo más profundas que tengan la capacidad de carga suficiente para soportarlas.

Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura por medio de una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Pueden estar construidos con concreto armado ordinario, con concreto pretensados similares a postes de luz, con secciones metálicas o con madera. Los pilotes se hincan verticalmente sobre la superficie del terreno por medio de golpes, utilizándose para eso un martinete, o una pala metálica equipada, maquinas a golpe de masas o con un martillo neumático. Esto permite que el pilote descienda, penetrando el terreno, hasta que se alcanza la profundidad de capas de suelos resistentes y se produzca el "rechazo" del suelo en caso de ser un pilote que trabaje por "punta", o de llegar a la profundidad de diseño, en caso de ser un pilote que trabaje por "fricción". Una vez hincado en el terreno, este ejerce sobre el pilote y en toda su superficie lateral, una fuerza de adherencia que aumenta al continuar clavando mas pilotes en las proximidades, pudiendo conseguir mediante este procedimiento, una consolidación del terreno.

Tipos de pilotes de cimentación: Pilotes de desplazamiento: En este sistema de pilotaje, el suelo es desplazado del espacio que va a ocupar el pilote al compactar el mismo, debido a la acción de los esfuerzos de penetración.

Pueden generarse una densificación, posiblemente benéfica, en los suelos granulares sueltos.

En algunas ocasiones el hincado de estos pilotes pueden provocar levantamientos del terreno, empujes sobre elementos vecinos y otras acciones casi siempre nocivas en las estructuras y servicios cercanos al sitio de instalación. Dentro de este tipos de pilotes los más importante son: - Pilotes prefabricados, hincados por el impacto de martillos - Pilotes hincados por impacto y fundidos en el sitio - Pilotes atornillados - Pilotes penetrados mediante presión continua, como la producida por gatos. Pilotes perforados o In Situ: En este sistema se remueve el suelo del espacio que va ocupar el pilote, mediante técnicas de excavación o perforación, formando así una cavidad en cuyo interior se colocará una armadura de acero y posteriormente se rellenará con hormigón. Los pilotes perforados resultan más favorables en suelos que poseen cohesión suficiente para permanecer abierto durante la perforación, inspección y el colado del concreto. Con este método se evitan inconvenientes como el ruido y las vibraciones que generan los equipos utilizados en los pilotes de despalzamiento. Usos de pilotes en cimentacion

Los pilotes se usan de muchas maneras. El uso de los mismos es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural de una edificación u obra de ingeniería. - Cuando las cargas transmitidas por la edificación no se pueden distribuir de manera adecuada en unacimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo. - Cuando el suelo inmediato a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el estrato resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. - En casos de que el terreno este sometido a considerables variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. - Si la edificación a construir estará situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo. - En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. - En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. - Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los muelles. - Cuando se deben recalzar cimientos existentes. - Los estribos y pilas de puentes son usualmente construidos sobre cimentaciones de pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial sufrirá por erosión del suelo en la superficie del terreno. - Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Algunas veces se usan pilotes para esas cimentaciones y así resistir la fuerza de levantamiento. Flotación

Las Cimentaciones por Flotación se basan en el Principio de Arquímedes que postula lo siguiente: Todo cuerpo sumergido en un líquido estático experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del volumen del líquido desalojado. Por ello, deberá preverse en este tipo de construcciones que se ejecuten perfectamente impermeables calculando la reacción al empuje ascendente vertical para evitar el hundimiento o el volteo de la estructura.

4.6

Desarrollo y uso de pilotes

Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12000 anos los habitantes neolíticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos y a alturas suficiente para protegerlos de los animales que merodeaban y de los guerreros vecinos. Estructuras similares están actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de la América del Sur. Venecia fue construida sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del río Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia. Los descubridores españoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa pequeña Venecia, porque los indios vivían en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas que rodean las costas del lago Maracaibo. En la actualidad las cimentaciones de pilotes tienen el mismo propósito: hacer posible las construcciones de casas y mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son favorables.

Uso de los pilotes: Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las cimentaciones son los más comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a

través de estratos blandos a suelos más fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo o distribuyen la carga a través de los estratos blandos que no son capaces de resistir la concentración de la carga de un cimiento poco profundo. Los pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo puedan ser socavados por la acción de las corrientes o las olas o en los muelles y puentes que se construyen en el agua. Los pilotes de tracción se usan para resistir fuerzas hacia arriba, como en las estructuras sometidas a subpresion, tales son los edificios cuyos basamentos están situados por debajo del nivel freático, las obras de protección de presas o los tanques sorterrados. También se emplean para resistir el vuelco en muros y presas y como anclaje de los cables que sirven de contravientos en las torres o retenidas en los muros anclados y en las torres. Los pilotes cargados lateralmente soportan las cargas aplicadas perpendicularmente al eje del pilote y se usan en cimentaciones sometidas a fuerzas horizontales, como son los muros de sostenimiento de tierras, los puentes, las presas y los muelles y como defensas y duques de alba en las obras de los puertos. Si las cargas laterales son grandes, los pilotes inclinados pueden resistirlas más eficazmente. Estos son pilotes que se hincan con un cierto ángulo. Frecuentemente se usa una combinación de pilotes verticales e inclinados, como en la figura. Los pilotes se usan algunas veces para compactar el suelo o como drenes verticales en estratos de baja permeabilidad. Los pilotes colocados muy próximos unos de otros y las tablescas anchas y delgadas unidas entre si, se usan como m...