CAPÍTULO H.4 CIMENTACIONES
NOMENCLATURA
FSICP = factores
de seguridad indirectos mínimos
ΤL = resistencia al cortante en la interfaz
suelo / elemento de cimentación ≤ τF
σC = resistencia a compresión simple del
material rocoso o del material del pilote, la que sea menor.
PA = presión atmosférica
ψ = factor
empírico que puede tomarse como 0.5 para rocas arcillosas, 1.0 para rocas
calcáreas o concreto y 2.0 para rocas arenosas.
GENERALIDADES
La
cimentación se debe colocar sobre materiales que presenten propiedades
mecánicas adecuadas en términos de resistencia y rigidez, en ningún caso pueden
apoyarse sobe la capa vegetal, rellenos sueltos, materiales degradables o
inestables, susceptibles de erosión, socavación, licuación o arrastre por aguas
subterráneas. En el diseño de toda cimentación se deben considerar los estados
límite de falla, del suelo de soporte y de los elementos estructurales de la
cimentación, y los estados límites de servicio.
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| Cimentaciones. Tomada de abinco.com.mx |
CIMENTACIONES SUPERFICIALES - ZAPATAS
Y LOSAS
ESTADOS LÍMITES DE FALLA — El esfuerzo limite básico de falla para cimentaciones
superficiales se calculará con métodos analíticos o empíricos, debidamente
apoyados en experiencias documentadas, recurriendo a los métodos de la teoría
de plasticidad y/o análisis de equilibrio límite. Se deben considerar fallas
por cortante general, fallas por cortante local, (cuando se afecta solamente
una parte del suelo que soporta el cimiento), así como la falla por
punzonamiento en suelos blandos.
ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO — La seguridad para los estados límite de servicio
se consigue con el cálculo de los asentamientos inmediatos, por consolidación,
secundarios y por sismo. Dicho cálculo deberá hacerse con parámetros de
deformación resultado de ensayos de laboratorio o correcciones de campo
apoyados en la experiencia.
Los asentamientos
inmediatos bajo cargas estáticas se calcularán utilizando la teoría de la
elasticidad. En suelos granulares se tomará en cuenta el incremento de la
rigidez del suelo con la presión de confinamiento.
Los
asentamientos por consolidación se presentan en suelos saturados y se deben al
movimiento del agua hacia afuera como resultado de una sobre carga externa.
Para su cálculo se emplean parámetros determinados de las pruebas de
consolidación unidimensional o triaxial usando muestras inalteradas representativas
del material existente bajo los cimientos. Los incrementos de presión a las
diferentes profundidades, inducidos por la presión que los cimientos transmiten
al suelo, se calcularán con la teoría de la elasticidad. La presión de contacto
en los cimientos se estimará considerando hipótesis extremas de repartición de
carga, o a partir de un análisis de interacción estática suelo-estructura.
Para
determinar los asentamientos por sismo hay que considerar las cargas verticales
de los apoyos y las cargas resultantes de los momentos, especialmente en muros
pantalla.
CAPACIDAD ADMISIBLE —La capacidad admisible de diseño para la cimentación
deberá ser el menor valor entre el esfuerzo límite de falla,
reducido por el factor de seguridad, y el que produzca asentamientos iguales a
los máximos permitidos. Esta capacidad debe ser claramente
establecida en los informes geotécnicos.
CIMENTACIONES COMPENSADAS
ESTADOS LÍMITES DE FALLA —Para
verificar la estabilidad de las cimentaciones compensadas se debe revisar el
numeral H.6. Además a fin de evitar flotación de la cimentación durante o
después de la construcción se tomará una posición conservadora del nivel
freático, sin embargo si ocurre que las losas queden por debajo de este nivel,
es decir, que se llenen de agua, se debe sumar el peso del agua al de la
subestructura.
ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO —Para estas cimentaciones se deberá calcular:
(a) Los asentamientos inmediatos debidos a la
carga total transmitida al suelo por la cimentación, incluyendo los debidos a
la recarga del suelo descargado al realizar la excavación,
(b) Los asentamientos transitorios y
permanentes del suelo de cimentación bajo la hipótesis de cargas estáticas
permanentes combinadas con carga sísmica cíclica,
(c) Los asentamientos debidos al incremento o
reducción neta de carga en el contacto cimentación-suelo.
(d) Los asentamientos inmediatos, de
consolidación y los debidos a sismo se calcularán como se indica en el ítem "Estado límite de servicio". La
técnica empleada en la realización de la excavación (Véase H.8) será, en gran
medida, la responsable de que se obtengan resultados de asentamientos acordes a
los valores calculados.
CIMENTACIONES CON PILOTES
La capacidad
de un pilote individual debe evaluarse considerando separadamente la fricción
lateral y la resistencia por la punta con las teorías convencionales de la
mecánica de suelos.
ESTADOS LÍMITES DE FALLA — Se deberá verificar que la cimentación diseñada
resulte suficiente para asegurar la estabilidad de la edificación en alguna de
las siguientes condiciones:
(a) Falla del sistema suelo-zapatas, o
suelo-losa de cimentación, despreciando la capacidad de los pilotes.
(b) Falla del sistema suelo-pilotes,
despreciando la capacidad del sistema suelo-zapatas o suelo-losa, para lo cual
debe considerarse que la carga de falla del sistema es la menor de los
siguientes valores: 1) suma de las capacidades de carga de los pilotes
individuales; 2) capacidad de carga de un bloque de terreno cuya geometría sea
igual a la envolvente del conjunto de pilotes; 3) suma de las capacidades de
carga de los diversos grupos de pilotes en que pueda subdividirse la
cimentación, teniendo en cuenta la posible reducción por la eficiencia de
grupos de pilotes.
Además de la
capacidad de soportar cargas de gravedad se deberá comprobar el comportamiento
del suelo frente a los esfuerzos inducidos por pilas o pilotes sometidos a
fuerzas horizontales y la capacidad de estos últimos de transmitirla.
ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO —Los asentamientos de cimentaciones con pilotes de
fricción bajo cargas de gravedad se estimarán considerando la penetración de
los mismos y las deformaciones del suelo que los soporta, así como la fricción
negativa. Deberá comprobarse que no resulten excesivos el desplazamiento
lateral ni el giro transitorio de la cimentación bajo la fuerza cortante y el
momento de volcamiento sísmico. Las deformaciones permanentes bajo la condición
de carga que incluya el efecto del sismo se podrán estimar con métodos de
equilibrio límite para condiciones dinámicas.
USO DE PILOTES DE FRICCIÓN PARA
CONTROL DE ASENTAMIENTOS — Ocurre cuando se desea complementar un sistema de
cimentación parcialmente compensado reduciendo así los asentamientos en suelos
cohesivos blandos. La función de estos pilotes es transmitir parte de la carga
a los estratos más profundos pero no para soportar por si solos el peso de la
edificación o tomar sus cargas sísmicas, ya que se diseñan para trabajar al
límite de la falla en condiciones estáticas. Se debe evitar además que las
zapatas o losas de cimentación pierdan el sustento del suelo de apoyo, para
ello se deberá dejar espacio suficiente entre la punta de los pilotes de
fricción y toda capa dura subyacente, de manera que los pilotes nunca se apoyen
en la misma.
CIMENTACIONES EN ROCA
Para cimentaciones en macizos rocosos se
seguirán los mismos lineamientos anteriores, teniendo en cuenta que la
resistencia y rigidez de los macizos rocosos son siempre menores que los de las
muestras de roca (material rocoso) y adoptando los siguientes:
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Construcción en macizo rocoso.
Tomada de ptolomeo.unam.mx:8080 |
ESTADOS LÍMITES DE FALLA — el macizo rocoso debe evaluarse por medio de dos
modelos complementarios:
(a) Considerarlo un medio continuo
equivalente, con envolvente de resistencia (esfuerzo cortante vs esfuerzo
normal efectivo) curva o con parámetros lineales equivalentes para el intervalo
de esfuerzos que se esté considerando.
(b) Considerarlo un medio discontinuo, para
lo cual se deberán analizar los mecanismos de falla cinemáticamente posibles
por las discontinuidades.
(c) El estado límite será el menor que
resulte de los dos análisis anteriores.
(d) En los casos extremos de macizos rocosos
muy fracturados o casi sin discontinuidades no sería necesario evaluar el
mecanismo de b)
ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO
(a) El Macizo rocoso continuo debe evaluarse
como un medio elástico, con módulos de deformación apropiados al estado de
esfuerzos previsto, estimados bien sea de relaciones empíricas con los sistemas
de clasificación, ensayos geofísicos o con ensayos de placa
(b) El macizo rocoso discontinuo, requiere un
análisis del mecanismo de falla con las características esfuerzo-deformación de
las discontinuidades y mecanismos cinemáticamente posibles apropiados.
PROFUNDIDAD DE CIMENTACIÓN
La
profundidad mínima de cimentación para los cálculos de capacidad debe
contemplar los siguientes aspectos, además de los incluidos en H.4.1.
(a) La profundidad tal que se elimine toda
posibilidad de erosión o meteorización acelerada del suelo, arrastre por flujo
de las aguas superficiales o subterráneas de cualquier origen.
(b) En los suelos arcillosos, la profundidad
de las cimentaciones debe llevarse hasta un nivel tal que no haya influencia de
los cambios de humedad inducidos por agentes externos (Véase el capitulo H-9).
(c) Es preciso diseñar las cimentaciones
superficiales en forma tal que se eviten los efectos de las raíces principales
de los árboles próximos a la edificación o alternativamente se deben dar
recomendaciones en cuanto a arborización (Véase el capitulo H-9).
FACTORES DE SEGURIDAD INDIRECTOS
Para
cimentaciones se aconsejan los siguientes factores de seguridad indirectos
mínimos:
CAPACIDAD PORTANTE DE CIMIENTOS
SUPERFICIALES Y CAPACIDAD PORTANTE DE PUNTA DE CIMENTACIONES PROFUNDAS. Para
estos casos se aconsejan los siguientes valores:
Tabla H.4.1. Factores de Seguridad
Indirectos FSICP Mínimos
|
Condición
|
FSICP Mínimo
|
|
Diseño
|
|
Carga
Muerta + Carga Viva Normal
|
3.0
|
|
Carga
Muerta + Carga Viva Máxima
|
2.5
|
|
Carga
Muerta + Carga Viva Normal + Sismo de Diseño Seudo estático 1.5
|
1.5
|
De cualquier
modo se deberá demostrar que los valores de FSB directos equivalentes no son inferiores a
los de la Tabla H.2.1
CAPACIDAD PORTANTE POR FRICCIÓN DE CIMENTACIONES PROFUNDAS
(a) En este caso el Factor de Seguridad está
definido por: FSL=τL/τA (H.4.1)
(b) A menos que se demuestre con ensayos para
la obra en estudio, se tomará, para la ecuación (H.4.1) τL = 2 / 3τf (H.4.2)
(c) En el caso de la ecuación H.2-6 (τF = Su), se deberá usar τL=ατF=αSu (H.4.3)
En la cual α =0.2 + 0.8 exp
[0.35 - (2Su / PA)] ≤ 1.0 (o
una expresión con tendencia similar).
Y se podrán usar los valores de FSL iguales a los de FSB de la tabla
H.2.1
(d) En
el caso de pilotes o caissons en roca, se debe tomar τL con una formulación apropiada, tal como τL = ψ [σc / 2PA]
0.5
Y se podrán
usar valores de FSL iguales a
los de FSB de la tabla
H.2.1
H.4.7.3 —
CAPACIDAD PORTANTE POR PRUEBAS DE CARGA Y FACTORES DE SEGURIDAD — La capacidad
portante última de cimentaciones profundas se podrá calcular alternativamente,
a partir de pruebas de carga debidamente ejecutadas y en número suficiente de
pilas o pilotes de acuerdo con lo señalado en la tabla H.4.7-2. En este caso
los factores de seguridad mínimos podrán reducirse sin que lleguen a ser
inferiores al 80% de los indicados en la tabla 4.1.
Tabla H.4.2. Número Mínimo de Ensayos de
Carga en Pilotes o Pilas para Reducir FSICP
|
Categoría
|
No de Pruebas
|
|
Baja
|
≥ 1
|
|
Media
|
≥ 2
|
|
Alta
|
≥ 3
|
|
Especial
|
≥ 5
|
ASENTAMIENTOS.
La
evaluación de los asentamientos debe realizarse mediante modelos de aceptación
generalizada empleando parámetros de deformación obtenidos a partir de ensayos
de laboratorio o correlaciones de campo suficientemente apoyadas en la
experiencia.
ASENTAMIENTOS INMEDIATOS —dependen de las propiedades de los suelos a bajas
deformaciones, en cuyo caso puede aceptarse su comportamiento elástico, y de la
rigidez y extensión del cimiento mismo.
ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN —Se define también como consolidación primaria.
ASENTAMIENTOS SECUNDARIOS — Se define como la deformación en el tiempo producto
de un esfuerzo efectivo constante. En materiales de alto contenido orgánico
pueden presentarse consolidaciones primarias y secundarias en el mismo tiempo,
este fenómeno debe ser previsto desde las pruebas de laboratorio.
ASENTAMIENTOS TOTALES — Son la suma
de asentamientos inmediatos, por consolidación y secundarios, cuando estos
últimos son importantes.
ASENTAMIENTOS EN MACIZOS ROCOSOS — En este caso para calcular sus asentamientos
se deberá tomar el macizo rocoso como un medio elástico, isotrópico o
anisotrópico según sea el caso, si se considera como un medio continuo o con
las deformaciones por las discontinuidades, en el caso de considerar el macizo
rocoso como un medio discontinuo.
EFECTOS DE LOS ASENTAMIENTOS
CLASIFICACIÓN — Se deben calcular los distintos tipos de asentamientos que se
especifican a continuación:
(a) Asentamiento máximo — Definido como el
asentamiento total de mayor valor entre todos los producidos en la cimentación.
(b) Asentamiento diferencial — Definido como
la diferencia entre los valores de asentamiento correspondientes a dos partes
diferentes de la estructura.
(c) Giro — Definida como la rotación de la
edificación, sobre el plano horizontal, producida por asentamientos
diferenciales de la misma.
LÍMITES DE ASENTAMIENTOS TOTALES — Los asentamientos totales calculados a 20
años se deben limitar a los siguientes valores:
(a) Para construcciones aisladas 30 cm,
siempre y cuando no se afecten la funcionalidad de conducciones de servicios y
accesos a la construcción.
(b) Para construcciones entre medianeros 15
cm, siempre y cuando no se afecten las construcciones e instalaciones vecinas.
LÍMITES DE ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES — Los asentamientos diferenciales
calculados se deben limitar a los valores fijados en la siguiente tabla.
Tabla H.4.3 Valores máximos de asentamientos
diferenciales calculados, expresados en función de la distancia entre apoyos o
columnas, l
|
Tipo de
construcción
|
Δmax
|
|
Edificaciones
con muros y acabados susceptibles de dañarse con asentamientos menores
|
l/1000
|
|
Edificaciones
con muros de carga en concreto o en mampostería
|
l/500
|
|
Edificaciones
con pórticos en concreto, sin acabados susceptibles de dañarse con asentamientos
menores
|
l/300
|
|
Edificaciones
en estructura metálica, sin acabados susceptibles de dañarse con
asentamientos menores
|
l/160
|
LÍMITES DE GIRO — El cálculo de giros debe limitarse a valores que no impidan o
perjudiquen estética o funcionalmente la edificación, amenacen su seguridad o
disminuyan su valor comercial. En ningún caso localmente pueden sobrepasar de l/250.
DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA CIMENTACIÓN
Para este
diseño y para el cálculo de la capacidad ante falla, capacidad admisible y
asentamientos totales, diferenciales y giros, deben deducirse las
excentricidades que haya entre el punto de aplicación de las cargas y
resultantes y el centroide geométrico de la cimentación. La distribución de
presiones de contacto podrá determinarse para las diferentes combinaciones de
carga a corto y largo plazos, con base en simplificaciones e hipótesis
conservadoras, o mediante análisis de interacción suelo-estructura.
Los pilotes
y sus conexiones deberán soportar los esfuerzos resultantes de las cargas
verticales y horizontales contempladas en el diseño de la cimentación y en el
transporte, izado e hinca; y soportar la carga que corresponde a su estado
límite de falla. Según el material que se emplee para los pilotes estos deberán
cumplir los requisitos estipulados en el Título C, F y G y ser protegidos
cuando sea necesario (habitualmente los pilotes metálicos se protegen contra la
corrosión).
