CAPITULO 15
ZAPATAS
15-1 INTRODUCCIÓN
Las zapatas y otras unidades de cimentación transfieren cargas de la estructura al suelo o roca que sostiene la estructura. Dado que el suelo generalmente es mucho más débil que las columnas y paredes de concreto que deben ser soportadas, el área de contacto entre el suelo y la zapata es mucho más grande que la que existe entre el miembro soportado y la zapata.
Los tipos más comunes de zapatas se ilustran en la Figura 15-1. Las zapatas corridas o zapatas de muro muestran esencialmente una acción unidimensional, voladizas hacia cada lado de la pared. Las zapatas extendidas son almohadillas que distribuyen la carga de la columna en dos direcciones a una área de suelo alrededor de la columna. A veces, las zapatas extendidas tienen pedestales, están escalonadas o son cónicas para ahorrar materiales. Una losa de pilotes transmite la carga de la columna a una serie de pilotes, los cuales, a su vez, transmiten la carga a una capa de suelo resistente a alguna profundidad bajo la superficie. Las zapatas combinadas transmiten las cargas de dos o más columnas al suelo. Este tipo de zapata se utiliza a menudo cuando una columna está cerca de un límite de propiedad. Una losa o cimentación tipo balsa transfiere las cargas de todas las columnas en un edificio al suelo subyacente. Las cimentaciones tipo balsa se utilizan cuando se encuentran suelos débiles. A veces, se utilizan cajones de 2 a 5 pies de diámetro en lugar de pilotes para transmitir cargas de columnas pesadas a capas profundas de cimentación. Con frecuencia, estos se ensanchan en la parte inferior (con forma de campana) para aplicar la carga a un área más grande.
La elección del tipo de cimentación se selecciona en consulta con el ingeniero geotécnico. Los factores a tener en cuenta son la resistencia del suelo, el tipo de suelo, la variabilidad del tipo de suelo sobre el área y con la profundidad creciente, y la susceptibilidad del suelo y del edificio a las deflexiones.
Las zapatas corridas, extendidas y combinadas se consideran en este capítulo porque son los tipos más básicos y comunes.
15-2 PRESIÓN DEL SUELO BAJO LAS ZAPATAS
La distribución de la presión del suelo bajo una zapata es función del tipo de suelo y de la rigidez relativa del suelo y la base de la zapata. Una zapata de concreto sobre arena tendrá una distribución de presión similar a la Figura 15-2a. La arena cerca de los bordes de la zapata tiende a desplazarse lateralmente cuando la zapata está cargada, provocando una disminución de la presión del suelo cerca de los bordes. Por otro lado, la distribución de presión bajo una zapata sobre arcilla es similar a la Figura 15-2b. A medida que la zapata se carga, el suelo bajo la zapata se desvía en una depresión en forma de cuenco, aliviando la presión debajo del centro de la zapata. Para propósitos de diseño estructural, es habitual asumir que las presiones del suelo se distribuyen linealmente de manera que la fuerza vertical resultante del suelo es colineal con la fuerza descendente resultante.
METODOS DE DISEÑO
Diseño por Tensión Permisible
Donde
Ps es la carga especificada (no factorizada) actuando sobre la zapata. La Sección 2.4.1 de ASCE/SEI 7 proporciona un conjunto actualizado de combinaciones de carga para el diseño por tensión permisible [15-3]. Hasta el momento, el Comité 318 del ACI no ha considerado estas combinaciones para el diseño de zapatas.
qa es la tensión permisible para el suelo dada por la ecuación (15-3), presentada en la siguiente subsección.
A es el área de la zapata en contacto con el suelo.
Diseño por Estados Límite
La segunda filosofía de diseño es un diseño por estados límite basado en cargas y resistencias factorizadas, dadas por
Donde
∅ es un factor de resistencia para tener en cuenta la variabilidad del mecanismo de resistencia a la carga del suelo bajo la zapata.
Rn es la mejor estimación del ingeniero de la resistencia del suelo bajo la zapata.
∝ es un factor de carga.
Ps es la carga especificada actuando sobre el suelo en la base de la zapata.
Resistencia vertical, ∅ = 0.5.
Resistencia al deslizamiento dependiente de la fricción, con cohesión igual a cero, ∅ = 0.8.
Resistencia al deslizamiento dependiente de la cohesión, con fricción igual a cero, ∅ = 0.6.
También se deben verificar los estados límite de servicio [15-1], [15-2] y [15-3].
En el momento de escribir esto, prácticamente todas las zapatas de edificios en América del Norte se diseñan utilizando el diseño por tensión permisible aplicado a fallas del suelo. El resto de este capítulo aplicará el diseño por tensión permisible al suelo y luego utilizará el diseño por resistencia para la estructura de cimentación de concreto armado.
ESTADOS LIMITE PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES
Estados Límite Gobernados por el Suelo
Tres estados límite primarios del suelo que soporta una cimentación aislada son [15-1], [15-2] y [15-3]:
- un fallo por carga del suelo bajo la zapata (Fig. 15-3),
- un fallo de servicio en el cual el asentamiento diferencial excesivo entre zapatas adyacentes provoca daños arquitectónicos o estructurales en la estructura, o
- un asentamiento total excesivo.
El asentamiento ocurre en dos etapas: el asentamiento inmediato a medida que se aplican las cargas y un asentamiento a largo plazo conocido como consolidación.
Los fallos por carga están controlados al limitar el esfuerzo de carga de servicio bajo la zapata a un valor inferior a una tensión permisible, qa, como en la ecuación (15-1).
Estados Límite Regidos por la Estructura
De manera similar, existen cuatro estados límite estructurales primarios para las propias cimentaciones [15-1] y [15-2]:
- Fallo por flexión de las porciones del cimiento que sobresalen de la columna o pared,
- Fallo por corte del cimiento,
- Fallo por aplastamiento en las interfaces de los elementos estructurales, y
- Anclaje insuficiente de la armadura de flexión en el cimiento.
donde qult es el esfuerzo correspondiente al fallo del suelo bajo el cimiento y FS es un factor de seguridad en el rango de 2.5 a 3. Los valores de qa se obtienen a partir de los principios de la ingeniería geotécnica y dependen de la forma del cimiento, la profundidad del cimiento, la sobrecarga o carga adicional sobre la parte superior del cimiento, la posición del nivel freático y el tipo de suelo. Al utilizar un valor de qa proporcionado por un ingeniero geotécnico, es necesario conocer qué resistencias se midieron y en qué tipo de pruebas, y qué suposiciones se han hecho para llegar a esta presión permisible del suelo, especialmente en relación con la sobrecarga y la profundidad hasta la base del cimiento.
Cabe destacar que qa en la ecuación (15-3) es un esfuerzo bajo carga de servicio, mientras que el resto de la estructura generalmente se diseña utilizando cargas factorizadas correspondientes a los estados límite de resistencia. El método para tener en cuenta esta diferencia de filosofía se explica más adelante.
DISTRIBUCION ELASTICA DE LA PRESION DEL SUELO BAJO UN CIMIENTO
La presión del suelo bajo un cimiento se calcula asumiendo una acción linealmente elástica en compresión, pero sin resistencia a la tracción a lo largo del contacto entre el cimiento y el suelo. Si la carga de la columna se aplica en, o cerca, del centro del cimiento, como se muestra en la Fig. 15-4, el esfuerzo, q, bajo el cimiento es:
