jueves, 28 de marzo de 2013

Zapatas de Columnas Aisladas sobre Pilotes.

Anteriormente se describieron varios tipos de pilotes. La selección del tipo adecuado para condiciones determinadas del suelo se trató ampliamente en las partes B y C.

Las zapatas de concreto reforzado se los usan con todos tipos de pilotes y sirven de éstos,  al mismo tiempo como cabezales que soportan las columnas.

Los pilotes  penetran comúnmente 7,5 o 10 cm  en la zapata, como se muestra en la fig. 23.3, y deberá haber 7.5 cm de concreto entre ci refuerzo interior y las cabezas de los pilotes.

En general, el procedimiento para proyectar zapatas apoyadas en pilotes duplica al usado en zapatas sobre suelo. Las diferencias que pudieran existir serían las debidas a as reacciones concentradas de los pilotes en vez de la presión casi uniforme del suelo. Aunque la localización de los pilotes en el campo, posiblemente  vaile varios centímetros con respecto a su posición teórica, es una técnica común tomar la sección crítica para cortante en la misma localización que para las zapatas apoyadas en suelos. Como se muestra en la fig. 23.3, una sección de, situada a una distancia de la cara de la columna, igual a la mitad del peralte de la zapata es la que ordinariamente se usa para investigar la tensión diagonal. La sección crítica ab para flexión y longitud de adherencia, puede suponerse en la cara de la columna, como en el caso de las zapatas apoyadas en suelos.

Zapata de concreto sobre pilotes, mostrando la sección crítica para proyecto.
Figura 23.3 Zapata de concreto sobre pilotes, mostrando la sección crítica para proyecto.
Si el centro de un pilote queda medio diámetro o más, fuera de la sección crítica, debe suponerse efectiva toda la reacción del pilote para producir momento o esfuerzo cortante en la sección. La reacción de cualquier pilote situado a una distancia de la mitad de un diámetro o más, dentro de la sección, probablemente contribuye muy poco al momento o al esfuerzo cortante; por lo tanto, puede considerarse como cero. Para las posiciones intermedias, comúnmente se usa una interpolación lineal para estimar la porción de la reacción del pilote que debe tomarse en cuenta para el análisis y para el proyccto.

Observando la fig. 23.3, se ve que el esfuerzo cortante y el momento en ab serán producidos por dos reacciones de pilote completas, mientras que el cortante en de será la reacción de un pilote (dos medias reacciones), siempre que los centros de los pilotes estén a una distancia mayor de la mitad de un diámetro de los puntos d y e. Por ejemplo, si la distancia x es solamente un cuarto del diámetro del pilote, se supone que tres cuartos de la reacción contribuyen al cortante en la sección de.

lunes, 25 de marzo de 2013

PROYECTO ILUSTRATIVO: ZAPATAS PARA COLUMNAS Y MUROS

Las dos zapatas proyectadas en el problema 23-1, ilustran la aplicación de los estudios anteriores sobre secciones críticas, colocación del refuerzo y procedimiento de proyecto. Las dimensiones de ambas zapatas se determinaron en el problema 18-1. Los cálculos indican que los peraltes supuestos para las zapatas estaban sobrados en varios centímetros. Sin embargo, no se  justificaría hacer modificaciones en el problema 18-1, en vista del efecto insignificante que tiene el peralte en las áreas necesarias.

Los cálculos de proyecto y los esfuerzos admisibles usados en estos ejemplos, están de acuerdo, en su mayor parte, con los métodos de resistencia r,écomendados por el Reglamento de Construcción del ACI adoptado en 1971. Sin embargo, existe la diferencia de que el refuerzo minimo para flexión se ha fijado conservadoramente en 0.5 por ciento, aunque la resistencia a la fluencia del acero sea de 4220 kg/cm2




jueves, 21 de marzo de 2013

Peraltes de las Zapatas.

Evidentemente, el proyecto estructural de las zapatas es en su mayor parte cuestión de tanteos. Pueden ser necesarias modificaciones conforme avanza el proyecto. Usualmente, el peralte que se determina por cortante, es adecuado para satisfacer los requisitos de la flexión. Si se supone que el esfuerzo cortante en la sección crftica de (fig. 23.1), controla el peralte de una zapata cuadrada, la siguiente ecuación es útil para elegir dicho peralte d:


La constante C se evalúa de la presión neta en el suelo qn (kg/m2) y el esfuerzo de corte vc (kg/cm 2), para proyectar por resistencia con la expresión C = qn/8.29vc. En esta expresión, vc, se ha ajustado con el coeficiente de capacidad adecuado. La presión- neta del suelo qn, efectiva para producir esfuerzo cortante y momento en la zapata, es la carga de la columna multiplicada por el correspondiente factor de carga y dividida por el área de la zapata. El valor de k es la relación de la menor dimensión de columna o pedestal a, al ancho de la zapata B; así k = a/B.

lunes, 18 de marzo de 2013

Zapata de un Muro: Colocación del Refuerzo.

En la zapata de un muro, el refuerzo principal se coloca en ángulo recto al muro y su separación debe ser uniforme. Además, es conveniente colocar algún refuerzo longitudinal para ayudar a salvar los lugares blandos que se asocian a la mayor parte de las variaciones en las condiciones del suelo a lo largo de la zapata. Para este objeto es adecuado un porcentaje de acero de 0.2 a 0.3, excepto en casos excepcionales.
En las zapatas cuadradas, el refuerzo se coloca en direcciones paralelas a los bordes. En cada dirección, las varillas se colocan con separación uniforme. De la misma manera, el refuerzo en el lado largo de las zapatas rectangulares se distribuye uniformemente, en todo su ancho. Por otra parte, las pruebas en zapatas rectangulares han demostrado que las varillas en la dirección corta, deben colocarse con menor separación en el centro que a los lados. A menudo, se usa la ecuación siguiente para la distribución del acero:


en la que nb = número de varillas colocadas en un ancho central igual a la menor dimensión de la zapata
nt = número total de varillas que se necesitan para el momento en la sección crítica
S = relación del lado largo al corto de la zapata.

Se debe tener un cuidado especial para asegurarse de que el concreto es bueno en el fondo de las zapatas, especialmente si el fondo de la excavación está abajo del nivel del agua freatica. La excavacion debe estar seca cuando se cuele el concreto. Además, el refuerzo debe protegerse cuando menos con 7.5 cm de concreto.

jueves, 14 de marzo de 2013

Secciones Críticas Zapatas Individuales y Zapatas para Muros.

El procedimiento para proyectar zapatas, como el que se emplea para otros elementos de concreto reforzado, se fundamenta en la manera en la que éste puede fallar. Los experimentos han demostrado que se pueden presentar diferentes tipos de comportamiento estructural, antes de alcanzar la resistencia máxima en una zapata. En alguna resistencia, menor que la máxima, las deformaciones y grietas de la zapata probablemente sean tan grandes que la zapata quede inservible. A esta etapa se le llama de falla primaria. La naturaleza de la falla primaria es a veces difícil de determinar, debido a la interdependencia entre varios factores.

Si es insuficiente el acero de refuerzo en el lecho inferior de la zapata, la falla primaria toma la forma de una cedencia excesiva de las varillas. Por otra parte, si la longitud de anclaje del refuerzo es inadecuada, la falla primaria puede tomar la forma de deslizamiento de las mismas. En ambos casos, la falla última es usualmente por cortante alrededor del área cargada.

Si la falla primaria de una zapata cuadrada para una columna ocurre como resultado del esfuerzo cortante, una sección cónica del concreto que se extiende hacia afuera y hacia abajo de la columna, se separa del resto de la zapata. Las grietas se forman inicialmente en el lecho inferior de la zapata cuando los esfuerzos en el acero todavía son bajos. Al aumentar el esfuerzo cortante, las grietas se propagan hacia arriba en dirección a los bordes de la columna, y la zapata falla por tensión diagonal, antes de que el promedio del esfuerzo en el acero a tensión llegue al punto de fluencia. Si la forma de la zapata es rectangular, y la relación de la longitud al ancho es grande, la grieta puede extenderse a través de todo el espesor de la zapata.

En el desarrollo anterior sobre las formas en que puede fallar una zapata se indica que el proyecto o el análisis de esfuerzos pueden basarse correctamente en el momento y fuerza de corte en ciertas secciones críticas, donde la falla debida a las deformaciones excesivas en flexión o en tensión diagonal pueden iniciarse. La sección crítica para el cortante se localiza comúnmente a una distancia d/2 de la cara de la columna, pedestal o muro, como se muestra en la fig. 23.1. Por lo tanto, la longitud de la sección de es igual al peralte de la zapata más el ancho de la columna. La fuerza cortante total que se usa para calcular el esfuerzo en una zapata cuadrada es la suma de las fuerzas en el área cdef de la fig. 23.la. Si la zapata es rectangular, la fuerza cortante total en cdefgh se aplica en la sección crítica de (fig. 23.1 b); el esfuerzo cortante en d’e’ debe comprobarse también para la fuerza cortante total generada en d’e’gh.

Secciones críticas para cortante, flexion y adherencia del refuerzo en a) zapatas cuadradas b) rectangulares.
Figura 23.1 Secciones críticas para cortante, flexion y adherencia del refuerzo en a) zapatas cuadradas b) rectangulares.

Si la parte de la estructura que descansa en la zapata es de concreto reforzado, la sección crítica por flexión y por longitud de adherencia, se supone ordinanamente que se extiende a través de toda la zapata en la cara de la columna, pedestal, o muro, como se muestra por ab yjk en la fig. 23.1. Los esfuerzos en el concreto y en el acero se calculan con las fuerzas y momentos que obran en esta sección. Para las zapatas bajo los muros de mampostería, es una técnica común investigar los esfuerzos de flexión en una sección bajo el muro; usualmente, se elige el punto de la cuarta parte. Si la carga en la columna se transmite a la zapata por medio de una placa de apoyo, es razonable, debido a la flexibilidad de la placa, usar una sección a la mitad de la distancia entre el borde de la placa y la cara de la columna.

Los comentarios anteriores con respecto a las secciones críticas han puesto en evidencia, que los esfuerzos calculados en el análisis de una zapata son solamente valores promedios encontrados con los momentos totales y las fuerzas cortantes que obran en secciones de varios metros de longitud. Es imposible predecir, en las condiciones del campo, la variación real de estos esfuerzos a lo largo de cualquier sección de la zapata. Por lo tanto, es una feliz circunstancia que las zapatas, como otras estructuras indeterminadas, tengan una gran capacidad para redistribuir los momentos y las fuerzas cortantes, antes de que ocurra la falla en secciones que puedan haber quedado sobreesforzadas.

lunes, 11 de marzo de 2013

Proyecto de Zapatas Individuales y Zapatas para Muros.

El proyecto de zapatas ordinarias con cargas concéntricas se basa en la suposición de que la presion del suelo contra el fondeo de la zapata está uniformemente distribuida. Hay muchas pruebas indirectas de que ésta es una suposición satisfactoria y generalmente conservadora, aunque exIsten pocas observaciones en el campo, si es que existen algunas, de la distribución real de las presiones de contacto.

Las reglas para el diseño de zapatas, como las de todos los tipos de miembros de concreto, son principalmente empfricas. Los métodos ordinarios tuvieron su origen en una extensa serie de pruebas hecha por  A. N. Talbot, reportadas en 1913. Muchos de los hallazgos de Talbot todavk se aprecian en el reglamento actual del American Concrete Institute. Los cambios principales realizados desde 1913, toman en cuenta el aumento logrado en la resistencia del concreto y del acero de refuerzo. Por ejemplo, investigaciones completas del comportamiento de la zapatas efectuadas por F. E. Richart en la Universidad de Illinois en 1944, demostraron que los esfuerzos de adherencia admisibles, pueden incrementarse en las barras de refuerzo con  tipos de corrugaciones más efectivos. Esta determinación y Otras observaciones de las pruebas de Richart, condujeron a varias modificaciones del Reglamento de Construcción del ACI en 1951; también se hicieron modificaciones mayores en 1963 y 1971. Desde esa época se lleva a cabo un procedimiento sistemataco de actualizacion.

Los procedimientos para el análisis y proyecto de las estructuras de concreto y de acero evolucionaron durante la década de 1960, desde los basados en el comportamiento elástico (método de los esfuerzos de trabajo) a los basados en el comportamiento plástico (méttdo de la resistencia). En el método de los esfuerzos de trabajo, los esfuerzos se calcularon para las cargas que razonablemente se pueden esperar en la estructura, y estos esfuerzos se comparan con los admisibles determinados aplicando un factor de seguridad a la resistencia máxima. Por otro lado, en el diseño con base en la resistencia, se introduce el margen de seguridad, multiplicando las cargas por factores de carga, y las fuerzas, momentos, y fuerzas cortantes inducidas en los miembros por las cargas ya corregidas, se comparan con la resistencia máxima de los miembros. Las resistencias máximas pueden modificarse después por factores de capacidad, que dependen de varias consideraciones, como la mano de obra.

La selección de cargas y factores de seguridad aplicables a las cimentaciones se estudiaron mas adelante. Se dan referencias posteriores sobre este tema en otros posts. El ingeniero en cimentaciones debe tratar con las caracter sticas de esfuerzo-deformación y resistencias maximas del suelo y de la roca, cualquiera que sea el método de proyecto. En algunos casos, tendrá que ver con las presiones de seguridad o con las cargas admisibles en los pilotes, bajo las cargas especificadas de trabajo de un reglamento de construcción; otras veces, o quizá aun en la misma obra, puede requerir la determinación de factores de seguridad con relación a las resistencias máximas para las sobrecargas excepcionales.

En la mayor parte de los casos, cuando se emplea el método de la resistencia para el proyecto estructural de zapatas y cabezales de pilotes, primero se determinan las dimensiones de la cimentación, o bien el número y disposición de los pilotes, de acuerdo con los procedimientos descritos en otros posts, para las cargas de trabajo, sin la aplicación de factores de carga. De allí en adelante, se deben aplicar los factores de carga y calcular y usar en el análisis las presiones en el suelo y las reacciones producidas en los pilotes, obtenidas con las cargas multiplicadas por los factores.

jueves, 7 de marzo de 2013

PROYECTO ILUSTRATIVO: PILA SOBRE ROCA.

En este problema se ejemplifica el uso del DCR para determinar las dimensiones de las pilas o de las zapatas en roca. Se ha encontrado, extrayendo corazones de roca NX, que la formación es una secucncia de origen sedimentario de calizas y lutitas laminares. El suelo que la cubre es un depósito glacial. Como en la roca hay pocas evidencias de meteorización aun en su superficie, se presume que la parte me— teorizada fue removida por la glaciación.

El tamaño que es necesario dar a la pila, disminuye con la profundidad debido a que la calidad de la roca mejora. Elljase una zapata cuadrada de 1.80 m de lado en la El. 149.35, o cuadrada de 1.20 de lado en la El. 147.83, lo que se definirá con criterio económico.

El costo de la excavación adicional en la roca, probablemente excederá al ahorro en costo de una pequeña cantidad de concreto en la pila. Por lo tanto, se elige la pila mayor a una elevación mayor como el mejor proyecto6 Además, la carga se transmitirá de la columna a la pila por medio de una base formada por una placa de acero. Si la placa tiene aproximadamente las mismas dimensiones en planta que la pila, y si la presión de apoyo en el concreto se limita a O. 375f’c, los valores que se requieren para y para las pilas en las elevaciones 149.35 y 147.83, son 56.3/0.375 = 150 kg/cm2 y 133.6/0.375 = 356 kg/cm2, respectivarnente. Por lo tanto será necesario usar concreto de alta resistencia para la pila menor; generalmente se evita el uso de este concreto por las condiciones desfavorables que probablemente prevalezcan en el colado dentro de las excavaciones para cimentación.

Se observará que las presiones admisibles en muchos reglamentos de construcción, como las que se dan en la lista de la Tabla 22. 1. son menores que las determinadas en  el problema 22-1. Los valores del reglamemo. aún después de considerar las concesiones hechas por la longitud de empotramiento, son generalmente superconservadores. Algunos reglamentos permiten valores más elevados que los tabulados si se hace una investigación adecuada, pero cuando no existe esta salvedad, los valores consignados en el reglamento pueden regir el nroyecto.



lunes, 4 de marzo de 2013

Cimentaciones Sobre Roca - Bases para el Proyecto.

Como la mayor parte de las rocas intactas, sin meteorizar, son más fuertes y menos compresibles que el concreto, la determinación de las áreas de apoyo adecuadas o de las presiones admisibles sobre estos materiales, es cuestión de rutina y hasta puede ser innecesaria. Sin embargo, las masas de roca intacta, sin zonas meteorizadas, juntas u otros defectos, se encuentran sólo en raras ocasiones. La existencia o la localización de defectos específicos permanece a menudo desconocida hasta que la roca queda al descubrimiento por la excavación, o hasta que ocurre un comportamiento imprevisto de un pilote o en una pila, durante su instalación o en una prueba de carga. Debido a que las incertidumbres de este tipo son inherentes a las cimentaciones en roca, la función principal del proyectista es elegir un tipo de cimentación que pueda adaptarse o modificarse para satisfacer las diferentes condiciones más susceptibles de presentarse y elegir las modificaciones adecuadas cuando se conozcari las condiciones reales.