CAPÍTULO H.4 CIMENTACIONES

NOMENCLATURA

F_SICP = factores de seguridad indirectos mínimos

Τ_L = resistencia al cortante en la interfaz suelo / elemento de cimentación ≤ τ_F

σ_C = resistencia a compresión simple del material rocoso o del material del pilote, la que sea menor.

P_A = 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.

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:

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 F_SICP 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 F_SB 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: F_SL=τ_L/τ_A       (H.4.1)

(b) A menos que se demuestre con ensayos para la obra en estudio, se tomará, para la ecuación (H.4.1)                           τ_L = 2 / 3τf               (H.4.2)

(c) En el caso de la ecuación H.2-6 (τ_F = S_u), se deberá usar τ_L=ατ_F=αS_u  (H.4.3)

En la cual α =0.2 + 0.8 exp [0.35 - (2Su / P_A)] ≤ 1.0 (o una expresión con tendencia similar). 

Y se podrán usar los valores de F_SL iguales a los de F_SB de la tabla H.2.1

 (d) En el caso de pilotes o caissons en roca, se debe tomar τ_L con una formulación apropiada, tal como   τ_L = ψ [σ_c / 2P_A] ^0.5

Y se podrán usar valores de F_SL iguales a los de F_SB 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 F_SICP

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).