8 - Diseño de Cimentaciones de Hormigon Armado

7/23/2019 8 - Diseo de Cimentaciones de Hormigon Armado

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DISEO DE CIMENTACIONES DE HORMIGONARMADO

8.1 INTRODUCCION

La cimentacin es la parte de la estructura que permite la transmisin de las cargas queactan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente.

Cuando los suelos reciben las cargas de la estructura, se comprimen en mayor o en menorgrado, y producen asentamientos de los diferentes elementos de la cimentacin y porconsiguiente de toda la estructura. Durante el diseo se deben controlar tanto losasentamientos absolutos como los asentamientos diferenciales.

8.2 EL SUELO DE CIMENTACION

El suelo constituye el material de ingeniera ms heterog!neo y ms impredecible en su

comportamiento, es por ello que los coeficientes de seguridad que suelen utili"arse son almenos de # con relacin a la resistencia. La presencia de diferentes tipos de suelos y dedistintos tipos de estructuras da lugar a la e$istencia de distintos tipos de cimentaciones.

8.3 TIPOS DE CIMENTACIONES:

Dependiendo de la ubicacin y de las caractersticas de los estratos resistentes de suelos, lascimentaciones se clasifican en cimentaciones superficiales y cimentaciones profundas.

Entre las cimentaciones superficiales destacan los plintos aislados, las "apatas corridas, las"apatas combinadas, las %igas de cimentacin y las losas de cimentacin.

Entre las cimentaciones profundas se suelen utili"ar los pilotes prefabricados hincados, los

pilotes fundidos en sitio y los caissons.

a. PLINTOS AISLADOS:

&e los utili"a como soporte de una sola columna, o de %arias columnas cercanas en cuyocaso sir%e de elemento integrador. 'ueden utili"ar una "apata de hormign armado, o unmaci"o de hormign simple o de hormign ciclpeo.


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Las "apatas de hormign armado deberan tener al menos () cm de peralte en edificacionesde %arios pisos, para asegurar una mnima rigide" a la fle$in. &e pueden admitir espesoresinferiores en el caso de estructuras li%ianas no superiores a dos pisos como %i%iendasunifamiliares con entramados de luces pequeas, como pasos cubiertos, etc.

b. ZAPATAS CORRIDAS:

&e las utili"an para cimentar muros o elementos longitudinales continuos de distintosmateriales como hormign o mampostera.

c. Zapatas C!b"#a$as:

&e las suele emplear para integrar el funcionamiento de una "apata inestable o ineficientepor s sola, con otra "apata estable o eficiente, mediante una %iga de rigide".


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$. %"&as $' C"!'#tac"(#:

&e las emplea en suelos poco resistentes, para integrar linealmente la cimentacin de %ariascolumnas. Cuando se integran las columnas superficialmente mediante %igas decimentacin en dos direcciones, se forma una malla de cimentacin.

'. Lsas $' C"!'#tac"(#:

&e emplean en suelos poco resistentes, para integrar superficialmente la cimentacin de%arias columnas. Cuando al disear la cimentacin mediante plintos aislados, la superficie

de cimentacin supera el *+ del rea total, es recomendable utili"ar losas de cimentacin.


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). P"*t's:

&e los emplea cuando los estratos resistentes de suelo son muy profundos. El hincado depilotes permite que se alcancen esos estratos resistentes.

'ueden ir acoplados a "apatas o losas de cimentacin. &e utili"an %arios pilotes parasustentar a cada unidad de cimentacin.


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&. Ca"ss#s:

&e los emplea cuando los estratos

resistentes de suelo son medianamenteprofundos y pueden e$ca%arse po"osmediante procedimientos manuales omecnicos, los mismos que son rellenadoscon hormign simple u hormign armado.&e comportan como columnas enterradas.

-.( C/0E/1& '22 EL D/&E31 DE 'L/401&5

Los esfuer"os en el suelo no deben sobrepasar los esfuer"os admisibles ba6o condiciones decarga sin factores de mayoracin.

Cuando las combinaciones de carga incluyan el efecto de solicitaciones e%entuales comosismos y %iento, los esfuer"os admisibles pueden incrementarse en un ##.#.

Los asentamientos de las estructuras debern calcularse incluyendo el efecto en el tiempode suelos compresibles o consolidables como arcillas y suelos orgnicos.

El recubrimiento mnimo para el hierro, cuando el hormign es fundido en obra en contactocon el terreno y queda permanentemente e$puesto a !l, es de 7 cm.


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Los plintos debern disearse para resistir fuer"as cortantes en cada direccinindependientemente, tomando como seccin crtica a una distancia $desde la cara de lascolumnas o elementos %erticales.

La capacidad resistente a cortante tipo %iga del hormign se calcula con la siguientee$presin emprica5

Donde tanto )+ccomo ,cse e$presan en 8g9cm*.

Los plintos debern disearse para resistir fuer"as cortantes de pun"onamiento en dossimultneamente, tomando como seccin crtica a aquella que se ubica a una distancia $-2alrededor del elemento %ertical de carga :columna, muro de corte, etc.;.


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La resistencia al cortante por pun"onamiento que puede desarrollar el hormign se calculacon la siguiente e$presin emprica5

Donde tanto )+ccomo ,cse e$presan en 8g9cm*.

La seccin crtica de fle$in en una direccin se ubicar en las caras de los elementos%erticales de carga.

En cimentaciones de muros de mampostera, la seccin crtica de diseo a la fle$in seconsiderar ubicada en la mitad, entre el e6e medio y el borde del muro.


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En "apatas refor"adas en una direccin y en "apatas cuadradas refor"adas en dosdirecciones, el refuer"o debe distribuirse uniformemente a tra%!s del ancho total de la"apata.

En "apatas inclinadas o escalonadas, el ngulo de inclinacin o la altura y colocacin de losescalones sern tales que se satisfagan los requisitos de diseo en cada seccin.

Las "apatas inclinadas o escalonadas que se dimensionen como una unidad, debenconstruirse para asegurar su comportamiento como tal :debern ser monolticas;.

EEMPLO 8.1:

Disear el plinto C3:cruce de los e6es Cy 3; que est sometido a las siguientessolicitaciones correspondientes a estados de carga gra%itacionales de ser%icio y ltimo5

Carga de &er%icio :S / D 0 L;5

' < -) 0.

=$ < >* 0?m

=y < - 0?m

Donde5

'5 carga a$ial de ser%icio


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=$5 momento de ser%icio alrededor del e6e

=y5 momento de ser%icio alrededor del e6e

Carga @ltima :U / 1.D 0 1.4L;

'u < >*) 0

=u$ < >A 0?m

=uy < ># 0?m

Donde5

'u5 carga a$ial ltima

=u$5 momento ltimo alrededor del e6e

=uy5 momento ltimo alrededor del e6e


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La capacidad resistente admisible del suelo es qa< * 8g9cm*

B la resistencia ltima delhormign es *>) 8g9cm*, el esfuer"o de fluencia del acero es y < (*)) 8g9cm*, y el ni%elde cimentacin es >.+) m por deba6o de la superficie del suelo.

C5"t'5"s pa5a '* $"!'#s"#a!"'#t $' p*"#ts:

En una estructura en que las losas estn sometidas a cargas gra%itacionales, y estnsoportadas por %igas perimetrales de mayor peralte, tanto la seccin trans%ersal de lascolumnas como las dimensiones en planta de los plintos con%iene que guardenproporciones similares a los mdulos de las losas, para que el diseo sea lo ms econmico

posible. Este criterio obedece a que se espera que se presenten momentos flectores mayoresen la direccin de las luces ms largas.

En el presente diseo se espera que la dimensin Ldel plinto sea apro$imadamente un *+mayor que la dimensin b:.)) 9 (.-) < >.*+;.


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Cuando las estructuras estn sometidas a sismos :no es el caso de este e6emplo;, se puedenhacer crecer, a criterio del diseador, las dimensiones de ciertas columnas en una direccin:direccin ;, y hacer crecer otras columnas en la direccin ortogonal :direccin ;. En estecaso, las dimensiones de los plintos con%iene que se apro$imen a la proporcionalidad conlas dimensiones de las columnas y no con las dimensiones de los mdulos de losas, debido

a que los momentos flectores causados por los sismos sern mayores en la direccin de lamayor dimensin de las columnas.

Cuando el rea de cimentacin de los plintos de una edificacin supera apro$imadamente el

*+ del rea del suelo de construccin, generalmente resulta ms econmico reempla"arlos plintos por %igas de cimentacin, o por losas de cimentacin con %igas de cimentacin.

D"!'#s"#a!"'#t $' *a s6p'5)"c"' $' c#tact '#t5' '* p*"#t '* s6'* $' sp5t':

Los estados de carga de ser%icio :S / D 0 L; se utili"an para dimensionar la superficie decontacto entre el plinto y el suelo de soporte, debido a que la resistencia del suelo se lacuantifica mediante esfuer"os admisibles.

&i se desprecia la diferencia de peso especfico entre el suelo sobre el ni%el de cimentaciny el peso especfico del hormign armado del plinto, las solicitaciones que actan sobre elplinto son5

' < -) 0.

=$ < >* 0?m

=y < - 0?m


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&i no e$istieran momentos flectores, la seccin trans%ersal requerida sera5

Las dimensiones apro$imadas requeridas para carga a$ial pura seran5

b < >.-) m

L < *.*) m

Las e$centricidades de carga son5

&e %erifica si la carga este ubicada en el tercio medio de la cimentacin5

e$ b 9

>) cm :>-) cm 9 ; :1. 8.;

ey L 9


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>+ cm :**) cm 9 ; :1.8.;

&i se supone que el suelo traba6a con un comportamiento elstico, y debido a que la cargase encuentra en el tercio medio de la cimentacin, puede aplicarse la siguiente e$presinpara calcular el esfuer"o m$imo en el suelo, la misma que es una %ariante en presentacin

de las ecuaciones tradicionales de la esistencia de =ateriales para carga a$ial ms fle$inen dos direcciones ortogonales5

El esfuer"o m$imo :#.+* 8g9cm*; es superior al esfuer"o permisible :* 8g9cm*;, por loque se requiere incrementar la seccin trans%ersal de cimentacin en apro$imadamente el7 :#.+* 9 *.)) < >.7;.

2 < >.7 :()))) cm*; < 7)()) cm*

De donde las dimensiones bsicas podran ser5

b < *.() m

L < #.)) m

2 < :*() cm; :#)) cm; < 7*))) cm*

La carga est ubicada en el tercio medio de la cimentacin, por lo que el esfuer"o m$imo

de reaccin del suelo es5


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El esfuer"o m$imo de reaccin del suelo :>.7* 8g9cm*; es inferior al esfuer"o permisible:* 8g9cm*;, por lo que %ale la pena disminuir la seccin trans%ersal de cimentacin enapro$imadamente el >( :>.7* 9 *.)) < ).-;.

2 < ).- :7*))) cm*; < >A*) cm*

De donde las dimensiones bsicas podran ser5

b < *.*) m

L < *.A) m

2 < :**) cm; :*A) cm; < #-)) cm*

La carga est ubicada en el tercio medio de la cimentacin, por lo que el esfuer"o m$imo

de reaccin del suelo es5

Las dimensiones en planta propuestas para el plinto son apropiadas.


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D"a&5a!a $' 5'acc"#'s $'* s6'* $' c"!'#tac"(# ba7 ca5&as *t"!as:

Las solicitaciones ltimas son5

'u < >*) 0

=u$ < >A 0?m

=uy < ># 0?m

Las e$centricidades de carga son5


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La carga est ubicada en el tercio medio de la cimentacin, por lo que los cuatro esfuer"osltimos que definen el %olumen de reacciones del suelo se pueden calcular mediante lassiguientes e$presiones5


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Los estados de carga ltimos :U / 1.D 0 1.4L; se emplean para calcular el espesor delplinto y el refuer"o requerido, debido a que la capacidad resistente del hormign y del acerose cuantifica mediante esfuer"os de rotura y esfuer"os de fluencia.

D"s'9 a C5ta#t' T"p %"&a:

El peralte de los plintos est definido por su capacidad resistente a c5ta#t' t"p ,"&ay ac5ta#t' p5 p6##a!"'#t. 'ara ambos casos se utili"an los estados de carga ltimos.

&e asume una altura tentati%a de () cm. para el plinto, y una distancia desde la cara inferiorde hormign hasta la capa de refuer"o de >) cm en la direccin y - cm en la direccin :se ha supuesto un recubrimiento mnimo de 7.+ cm para el acero, y un dimetroapro$imado de las %arillas de refuer"o en las dos direcciones del orden de >+ mm.;.


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La seccin crtica al cortante tipo %iga se encuentra a #) cm :$; de la cara de la columna enla direccin , y a #* cm :$; de la cara de la columna en la direccin , en las dosorientaciones bsicas, hacia el lado en que estn presentes los esfuer"os m$imos.

D"s'9 '# *a D"5'cc"(# :


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La %ariacin lineal de los esfuer"os de reaccin del suelo, y el hecho de que la carga estubicada en el tercio medio de la cimentacin, determina que el promedio de todos losesfuer"os del suelo en la direccin sean los esfuer"os sobre el e6e centroidal, en dichadireccin.

La fuer"a cortante que acta sobre la seccin crtica es5

El esfuer"o cortante que acta sobre la seccin es5


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El esfuer"o de corte que es capa" de resistir el hormign es5

El esfuer"o de corte solicitante es inferior a la capacidad resistente del hormign, por lo queel peralte del plinto es aceptable para la solicitacin anali"ada.

%u %c:1.8.;

D"s'9 '# *a D"5'cc"(# :

Los esfuer"os de reaccin del suelo sobre el e6e centroidal en la direccin son5


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El esfuer"o cortante que acta sobre la seccin es5

El esfuer"o de corte solicitante es inferior a la capacidad resistente del hormign, por lo queel peralte del plinto es aceptable para la solicitacin anali"ada.

%u %c:1.8.;

D"s'9 a C5ta#t' p5 P6##a!"'#t:

La seccin crtica a pun"onamiento se sita alrededor de la columna con una separacin de$-2de sus caras :>+ cm en la direccin , y > cm en la direccin ;.


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La %ariacin lineal de los esfuer"os de reaccin del suelo, y el hecho de que la carga estubicada en el tercio medio de la cimentacin, determina que el promedio de todos los

esfuer"os del suelo de cualquier seccin cuyo centroide coincida con el centroide del plinto,sea el esfuer"o centroidal.


Fu< >)>)7 8g

El esfuer"o cortante por pun"onamiento que acta sobre la seccin es5


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El esfuer"o resistente a corte por pun"onamiento es5

El esfuer"o de corte por pun"onamiento solicitante es inferior a la capacidad resistente delhormign, por lo que el peralte del plinto es aceptable para la solicitacin anali"ada.

%u %c:1.8.;

D"s'9 a ;*'"(#:

Las secciones crticas de diseo a fle$in en las dos direcciones principales se ubican en las

caras de la columna.

D"s'9 a ;*'"(# '# *a D"5'cc"(# :

El refuer"o requerido por fle$in ser mayor en la fran6a en que se encuentra el m$imoesfuer"o espacial de reaccin del suelo :


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Pa5a 6# a#c> $' $"s'9 $' 1?? c!, se tiene la siguiente e$presin para calcular elmomento flector en la "ona crtica, que subdi%ide la carga trape"oidal en una cargarectangular de ordenada *.) 8g9cm*, ms una carga triangular de ordenada m$ima ).(+8g9cm*:#.)+ ? *.) < ).(+;5

=u < >)(7*+ 8g?cm

La seccin de acero requerida, en la direccin , para resistir el momento ltimo en >)) cmde ancho es5

As / @.? c!2

La cuanta mnima de armado a fle$in es5


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La seccin mnima de armado para >)) cm de ancho es5

2smn< r mn. b . d < :).))####; :>)) cm; :#) cm;

As!B#/ 1?.?? c!2

Dado que la seccin mnima es superior a la obtenida para resistir el momento flector, elarmado requerido es el armado mnimo5

As / 1?.?? c!2

S' p6'$' c*ca5 1 ,a5"**a $' 1 !! 5"'#ta$a '# *a $"5'cc"(# ca$a 1 c!,proporcionndose un armado de >).*7 cm*por cada >)) cm de ancho, lo que es equi%alente

a colocar *) %arillas de >( mm de dimetro orientadas en la direccin , en un ancho de*A) cm.

El grfico anterior es incompleto pues queda pendiente la representacin del armado en ladireccin .


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D"s'9 a ;*'"(# '# *a D"5'cc"(# :

El refuer"o requerido por fle$in ser mayor en la fran6a en que se encuentra el m$imoesfuer"o espacial de reaccin del suelo :


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As / 1.82 c!2

La seccin mnima de armado para >)) cm de ancho es5

2smn< r mn. b . d < :).))####; :>)) cm; :#* cm;

As!B#/ 1?.4 c!2

Dado que la seccin de diseo a fle$in es superior a la seccin mnima, el armadorequerido por fle$in en la regin crtica es el armado que debe utili"arse5

As / 1.82 c!2

2 pesar de que el momento flector %ara desde un e$tremo trans%ersal del plinto hasta el

otro e$tremo, resulta con%eniente mantener este armado a todo lo ancho del plinto.

S' p6'$' c*ca5 1 ,a5"**a $' 18 !! 5"'#ta$a '# *a $"5'cc"(# ca$a 1 c!,proporcionndose un armado de >.A# cm*por cada >)) cm de ancho, lo que es equi%alentea colocar >+ %arillas de >- mm de dimetro orientadas en la direccin , en un ancho de**) cm.


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Los diagramas completos de la parrilla de armado por fle$in son los siguientes5


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8. RE;ERENCIAS:

-.> GHuilding Code equirements for einforced ConcreteG, 2merican Concrete /nstitute.

-.* GCdigo Ecuatoriano de la ConstruccinG, /nstituto Ecuatoriano de 4ormali"acin.

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