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1 mar 2016

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

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Estudio de las cimentaciones superficiales

Toda estructura en la vida real necesita de una serie de elementos sobre los que asentarse para poder transmitir las cargas externas que recibe. Dichas cargas serán transmitidas al terreno subyacente, el cual, en función de la zona en la que nos encontremos tendrá una serie de características que determinarán la estructura a utilizar en cada caso.

Cimentaciones

Cimentaciones superficiales

Así pues, tendremos que conocer el tipo de asiento que se pueda producir para prever posibles roturas y nuevas correcciones. Podemos distinguir entre suelos granulares de asientos instantáneos e inmediatos en un periodo de tiempo corto y suelos cohesivos de asientos prolongados en el tiempo y no instantáneos. Para el caso de suelos granulares, para salvar dichos asientos podemos utilizar soluciones como las columnas de grava (tienen por objetivo reducir la deformabilidad global del suelo incorporando inclusiones), columnas de mortero (igual función que las columnas de grava pero en las que se utiliza mortero como combinación de cemento, agua y árido), zapatas, etc.

Cimentaciones: Procedimiento Keller

Cimentaciones superficiales: Procedimiento Keller

En el caso de suelos cohesivos, además de poder utilizar como solución zapatas, podemos utilizar otros medios como inyecciones, micropilotes, etc

Cimentaciones superficiales: Macropilotes. Fuente: Pilotes y Obras SA

Cimentaciones superficiales: Macropilotes. Fuente: Pilotes y Obras SA

En este artículo nos centraremos en profundizar en el método de cálculo de cimentaciones superficiales, más concretamente, en el dimensionamiento de zapatas.

En función del tipo de apoyo podemos distinguir entre zapatas aisladas en el caso de servir de apoyo a pilares aislados, zapatas corridas o continuas en el caso de servir de apoyo en pilares continuos y zapatas combinadas en el caso de que la distancia entre zapatas sea tan próxima que se combinen.

Para la metodología a emplear utilizaremos el criterio de resistencia de Terzaghi, utilizado para cimentaciones de poca profundidad bajo la superficie. Terzaghi propuso una fórmula para la carga sencilla que podría soportar una cimentación con carga vertical centrada y apoyada sobre la superficie del suelo. La fórmula propuesta por Terzaghi fue una generalización del cálculo propuesto por Prandtl para la capacidad cortante a corto plazo.

Cimentaciones superficiales: Mecanismo de rotura de suelo bajo zapata propuesto por Terzaghi

Cimentaciones superficiales: Mecanismo de rotura de suelo bajo zapata propuesto por Terzaghi

Los pasos a seguir para el dimensionamiento de una zapata en condiciones normales son los siguientes:

a) En primer lugar tenemos que conocer cuál será el factor de seguridad a salvar. Para ello, comenzaremos definiendo el concepto de factor de seguridad. En el caso de tener que evitar un fallo estructural, las cargas que dicha estructura tiene que soportar deben de ser mayores que las cargas a las que se va a someter cuando esté en servicio. Como la resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas, se puede decir que la resistencia real de una estructura debe de ser mayor que la resistencia requerida. La relación de la resistencia real entre la resistencia requerida se conoce como factor de seguridad. En el caso de cimentaciones podemos distinguir entre dos factores: Vuelco y Deslizamiento. En el caso de deslizamiento se adopta como factor de seguridad la relación para la cual la estructura no se desplaza en el sentido del movimiento. En el caso de vuelco se adopta como factor de seguridad la relación para la cual la estructura no se vuelve o se trastorna por completo. Ambos se englobarán como FSh (Factor de Seguridad Horizontal), cuya expresión viene dada por

FSh=\frac{Pvh}{Pv}

Siendo Pvh la presión vertical de hundimiento y Pv la presión vertical.

b) Cálculo de la Presión vertical, como la respuesta del terreno sobre la base de la zapata más el peso de la superestructura que se encuentra sobre la misma. En el caso de que solo se construya la zapata el segundo término de la expresión se obviará.

Pv=\frac{N}{B\cdot L}+\frac{Wcimentacion}{B\cdot L}

Siendo N la normal al terreno, B la base de la zapata, L la longitud de la misma y W el peso de la cimentación adicional.

c) Cálculo de la Presión Vertical de Hundimiento.

Pvh=C\cdot Nc\cdot dc\cdot Sc + q\cdot Nq\cdot Sq\cdot dq + \frac{1}{2}B\cdot \gamma\cdot N\gamma\cdot d\gamma\cdot S\gamma

Siendo:

C: Cohesión.

Nc, Nq, N\gamma: Coeficientes de corrección.

dc, dq, d\gamma: Coeficientes de corrección por profundidad.

Sc, S\gamma: Coeficiente de corrección por forma.

q: Carga del terreno, q=\gamma\cdot D, siendo D el espesor de la capa del terreno. Este valor depende del terreno por encima del nivel de la cimentación.

\gamma: Peso específico del terreno por debajo de la cimentación.

d) Especificaciones de la fórmula anterior:

1.- En el caso de que se trate de una zapata corrida no será necesario aplicar corrección por forma, puesto que así lo contempla la norma, quedando:

Pvh=C\cdot Nc\cdot dc+q\cdot Nq\cdot Sq\cdot dq +\frac{1}{2}B\cdot \gamma\cdot N\gamma\cdot d\gamma

2.- El desarrollo de los coeficientes de corrección se puede obtener de la ‘Guía de Cimentaciones en obras de carretera’.

3.- En el caso de que \phi=0 (coeficiente de rozamiento entre la zapata y el terreno), Nc adquiere el valor de 5.14.

4.- En el caso de presencia de Nivel Freático \gamma pasa a ser \gamma' =(\gamma sat-\gamma w), donde \gamma sat representa el peso específico del terreno saturado y \gamma w el peso específico del agua.

5.- En el caso de que el Nivel Freático esté por debajo del nivel de la cimentación, \gamma=\gamma' +0,6\frac{hw}{B}\cdot (\gamma d-\gamma' ) siendo hw la diferencia entre la profundidad del NF y \gamma d el peso seco de la capa de terreno.

6.- En el caso de que no conozcamos alguno de los coeficientes de corrección anteriores se solventará el dimensionamiento mediante interacciones suponiendo un valor del mismo.

e) Sustituimos los valores obtenidos de los coeficientes y expresiones anteriores y resolvemos la expresión:

FSh=\frac{Pvh}{Pv}\geq 2

Como valor representativo del factor de seguridad se utilizará el valor 2, aunque dependiendo de la bibliografía que utilicemos éste podrá variar entre 1,5 y 2.

f) El único valor que no conocemos de la expresión anterior es B, el cual determina las dimensiones de la base. Queda como reseña que todos los cálculos los estamos realizando por metro lineal.

g) Una vez obtenido el valor de B ya tenemos dimensionada la zapata.

 

A continuación adjunto el enlace que nos lleva directamente a la ‘Guía de Cimentaciones en obras de carretera’:

http://www.fomento.es/NR/rdonlyres/63A5CC1B-E7B9-4638-AE45-8BA22A580223/69188/0710401.pdf

Bibliografía:

http://www.fomento.es/NR/rdonlyres/63A5CC1B-E7B9-4638-AE45-8BA22A580223/69188/0710401.pdf

http://es.scribd.com/doc/51130593/FACTOR-DE-SEGURIDAD-Y-CARGAS-ADMISIBLES#scribd

Autor: JUAN CARLOS CRUZ PEREZ

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