Pilas y Pilotes Excavados.

Las pilas son fundaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de — los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circular u oblonga como muestra la figura 12.25 y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Su diámetro varía entre 0,8 y 2,2 m. Las características de las pilas y sus ventajas se enumeran a continuación:

* Pueden resistir cargas axiales superiores a las 500 t e incluso alcanzan las 1.000 t* Su altura promedio es de 35 m, pudiendo construirse bajo el nivel freático* Soportan cargas horizontales e inclinadas, con buena resistencia a flexión* Su construcción no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones por lo cual se pueden ubicar próximas a linderos

* El lapso de servicio es prácticamente ilimitado, aun en medios agresivos, tal como ocurre con las construcciones costeras, o en pilas de puentes sobre ríos. * Transfieren las cargas a estratos profundos, lo cual es especialmente ventajoso cuando existe el peligro de socavación por las corrientes fluviales y marítimas, o las mareas. * Pueden construirse sin cabezales, o con cabezales de reducidas dimensiones

Las pilas, en forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o fricción lateral. Si las pilas descansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, como una columna o pilar de grandes dimensiones, despreciándose su resistencia por fricci6n lateral. Pero cuando el suelo es homogéneo de gran profundidad, la resistencia a fricci6n alcanza magnitudes importantes.
Debido a sus grandes dimensiones, las pilas suelen sufrir asentamientos, los cuales suelen controlar el diseño. Para construir las pilas excavadas existen tres métodos diferentes.

  -Método en seco
  -Método con camisa
  -Método del lodo natural o bentonitico

Pilotes de Acero.

Se utilizan mucho como pilotes los tubos de acero, que usualmente se llena de concreto después de hincados y los perfiles de acero en H cuando las condiciones requieren un hincado violento, longitudes desusadamente grandes, o elevadas cargas de trabajo por pilote.

Los pilotes de acero en H penetran el terreno mas fácilmente que otros tipos en parte porque desalojan relativamente poco material. En consecuencia se usa frecuentemente para alcanzar un estrato de gran capacidad de carga a gran profundidad. Si el hincado es difícil, y especialmente si el material superior contiene obstrucciones o grava gruesa, es probable que los patines se dañen y los pilotes se tuerzan o doblen. Pueden producirse pocos defectos serios si se puede notar los síntomas durante el hincado cuando las condiciones sugieran las posibilidad de estos daños.

Fuente:http://apuntesingenierocivil.blogspot.com

Pilotes Perforados y Vaciados en Obra.

A diferencia de los pilotes prefabricados y luego hincados o roscados en el terreno, los pilotes perforados son los que se construyen horadando el suelo con sondas o barrenos, extrayendo luego la tierra que ha sido alterada en la perforación y vaciando el concreto fresco en el hueco, el cual generalmente es apisonado mecánicamente por percusión hasta que fragua y endurece.

Existen diferentes técnicas para llevar a cabo este proceso, así como variados sistemas de compactación del concreto vaciado. Entre los distintos tipos de pilotes perforados se pueden mencionar:

-Pilotes Strauss
-Pilotes Wolfsholz
-Pilotes Rodio
-Pilotes Augercast
-Pilotes SACO

Pilotes de Concreto Vaciado en Camisas No Recuperables.

Estos pilotes consisten bs1camente en colocar en el terreno, en forma permanente, un tubo de pared delgada ondulada y reforzada, de forma cilíndrica o troncocónica, y luego llenarlo de - concreto armado o sin armar. Son especiales para compactar terrenos granulares sueltos, resistiendo por fricción lateral. Generalmente el tubo que sirve de molde no cumple funciones estructurales o resistentes, sino que evita que el suelo esté en contacto 1irecto con el concreto del pilote. Usualmente, con el paso del tiempo, esta delgada camisa metálica se oxida y desintegra, por lo cual su colaboración en la resistencia del pilote no se toma en cuenta. Entre 13s pilotes de este tipo se pueden mencionar los siguientes:

* Pilotes Raymond    Escalonados

                                Normales
* Pilotes Punta de Botón
* Pilotes Cobi
* Pilotes Urilon Monotube

Todos ellos tienen característica comunes y no se refuerzan,  con excepción de aquellos que trabajan por tracción. Los tubos son fc1les de acortar o alargar mediante sobadura en obra. Además, pueden Inspeccionarse cómodamente con ayuda de un espejo. Deben ser llenados inmediatamente luego de colocados, cuando se retira el mandril o núcleo central que se inserta dentro del tubo para mantener - su forma durante la puesta en obra, pues si no, la presión lateral del suelo puede deformar o abollar el tubo delgado, obstruyéndolo, especialmente en suelos arenosos densos.

Se utilizan estos pilotes con preferencia en el caso de suelos con agua subterránea, o suelos agresivos, para evitar que las substancias corrosivas entren en contacto con el concreto fresco. Su costo generalmente es más elevado que el de los pilotes con camisa recuperable.

Pilotes de Concreto Vaciado Puesto en Obra con Tubo Recuperable.

Esta clasificación contempla todos los tipos de pilotes de concreto vaciados dentro de un tubo forma o camisa metálica, que se hace penetrar en el terreno por percusión, y luego se va extrayendo a medida que se vacía el concreto dentro. De esta forma, la camisa puede rehusarse en nuevos pilotes. Entre los diferentes tipos de pilotes fabricados mediante esta técnica se pueden mencionar los siguientes:

• Pilotes Simplex
• Pilotes Express
• Pilotes Vibro
• Pilotes Franki

Pilotes Prefabricados de Concreto Armado.

Los pilotes fabricados fuera de la obra y luego transportados al sitio y colocados en el lugar, son los de uso mas difundido. Entre las ventajas que poseen están:

a) Su duración es prácticamente ilimitada y no les afecta la presencia del nivel freático.
b) Pueden construirse de las dimensiones deseadas y adaptar la armadura resistente para soportar la flexión y el corte, mientras son manipulados y transportados hasta el lugar de la obra
c) Pueden trabajar por punta o por fricción, y también se utilizan como anclajes de obras terrestres o marítimas, con la requerida inclinación.
d) Pueden hincarse en suelos firmes y compactos sin peligro de rotura

Los pilotes prefabricados de concreto presentan por lo general una sección transversal cuadrada o poligonal, si bien en ciertas ocasiones pueden ser circulares o en forma de anillo. Estos últimos se construyen con la técnica del centrifugado y presentan la ventaja de una fci1 inspección y menor peso propio, con gran momento de inercia. Su diámetro puede alcanzar a 1,5 m y soportan hasta  300 t. con una longitud de 60 m. Algunas de estas secciones se muestran en la figura 12.4.

Los pilotes de concreto se arman en forma similar a las columnas. Estos pilotes se fabrican vaciando el concreto en - moldes individuales colocados horizontalmente, donde previamente se coloca la armadura de acero. Se les debe aplicar un esmerado curado, y cuando el concreto ha fraguado y endurecido convenientemente se los acopla hasta el momento que son llevados en monorrieles a los camiones y transportados al pie de obra. En ningún caso es conveniente hincar los pilotes antes de los 20 días luego de vaciados.

Para el acarreo se los engancha en dos o más puntos, en posición horizontal, en alambres doblados en forma de gancho que se dejan para tal fin antes de vaciar. A mayor número de puntos se - produce una menor flexión del pilote por peso propio, evitando con ello la formación de fisuras en - el recubrimiento. En relación a este efecto, los pilotes pretensazos presentan ventajas frente a los de concreto armado, ya que la compresión impuesta los hace mas resistentes a las solicitaciones producidas durante el acarreo. Ver figura 12.11.

 

Al igual que los pilotes de madera, los de concreto tienen cabeza, fuste y punta, la - cual puede ser tronco cónica, tronco piramidal o recta, como se ve en la figura 12.12. Cuando la punta tiene forma de cuña para penetrar mejor en el suelo, debe protegerse con un azuche de acero, con formas variadas, algunas de las cuales se grafican en la figura.

 

Hinca de pilotes 

Para hincar los pilotes en el suelo, se utiliza un equipo de grúas y martinetes que consiste básicamente en un mazo que se deja caer repetidamente, sobre la cabeza del pilote hasta que éste penetre a la profundidad deseada. El pilote se coloca entre las gulas, debajo del martillo y su cabeza se protege con un sombrerete o cabezote de madera dura o concreto resistente, para evitar que el extremo superior del pilote quiebre por los golpes. Ver figura 12.13.

El sombrerete es de acero fundido y en su interior se coloca un bloque renovable de madera resistente, como el roble o el azobé. Para amortiguar el impacto, se suele intercalar otro de madera más blanda, como el pino o los eucaliptos, o bien capas de laminados, fibras, metales, plásticos o goma. Los mazos son pesados cilindros macizos de acero fundido, de 1 a 5 t de peso, que se - dejan caer en calda libre o forzada, desde una altura conveniente, generalmente unos 3 m, a razón de unos 10 golpes por minuto. Ver Sección 12.19.

La hinca se suspende cuando el rechazo del martillo alcanza una determinada altura. Existen asimismo martillos de doble efecto, accionados con presión de aire o de vapor de agua, para acelerar la calda del mazo, aumentar la velocidad del impacto e incrementar el número de golpes hasta alcanzar los 60 por minuto. En casos especiales, se pueden usar equipos vibratorios para hincar los pilotes, que consisten en un par de pesas rotatorias excéntricas, que producen impulsos verticales de frecuencia variable. Generalmente los pilotes se hincan verticales, pero pueden tener una inclinación de hasta 25° con respecto a esta dirección.

Pilotes de Concreto.

En la actualidad son los pilotes de mayor difusión y se los puede clasificar en dos - grandes grupos:

 
* Pilotes prefabricados
* Pilotes vaciados en obra

Los pilotes prefabricados son construidos .en el taller y luego transportados a la obra donde se colocan mediante hincado, roscado, o a presión con gatos, según la técnica usada Los pilotes vaciados se construyen in situ aplicando diferentes métodos, tales como el hincado del tubos o camisas metálicas, dentro de las cuales se extrae el suelo y luego se rellenan con concreto. Estos pilotes pueden - ser de camisa perdida o recuperable, y pueden armarse con barras longitudinales y ligaduras o zunchos.

Otro tipo de pilotes vaciados en obra son los excavados, que se construyen con la - técnica de cavar o dragar pozos profundos para luego vaciar dentro el concreto fresco, apisonando el material a medida que se va dando forma al pilote. En todos los casos, y para cualquier método usado, el concreto debe ser de muy buena calidad, para lo cual se aconseja usar de 8 1/2 a 10 sacos de cemento por m3 de concreto y una relación agua/cemento < 0,5 en peso.

Los factores que influyen en la elección de un determinado tipo de pilotes son, entre otros:

-Las características de los estratos del subsuelo

-La longitud necesaria del pilote

-La topografía del lugar de trabajo

-La facilidad de instalación de la maquinaria

-E1 daño que se puede ocasionar a las construcciones vecinas

-La presencia del nivel freático

-Las características de la superestructura

-El costo de fabricación, transporte y colocación de los pilotes

-El ángulo de inclinación necesario

-La presencia de substancias químicas agresivas en el suelo

-La experiencia en construcciones anteriores similares

Partes de un Pilote de Madera.

Las partes constitutivas de los pilotes de madera son:

La cabeza

El Fuste

La Punta

La figura 12.8 muestra estas diferentes partes.

En la cabeza o parte superior del pilote, se debe colocar un zuncho metálico que impide que los golpes sucesivos del mazo que hace penetrar el pilote por percusión, deterioren las fibras y astillen la madera.

Cuando el fuste es rugoso, se mejora la adherencia con el suelo que rodea el pilote. Por el contrario, cuando se desea aislar el fuste del suelo, por ejemplo en el caso de arcillas expansivas, de modo que el pilote sólo trabaje por punta, se debe cepillar la madera y aceitarla convenientemente, para impedir toda fricción lateral.

En el extremo inferior, la sección de la punta se reduce para una mejor penetraci6n en el suelo, y se refuerza con un azuche metálico que puede consistir en un cono de fundición o en planchas laterales clavadas alrededor. El azuche evita que la punta se desgarre por la percusión contra el suelo, en especial si encuentra piedras o ramas enterradas en su camino. Ver figura 12.8b).

Entre los métodos usuales de colocar los pilotes de madera esta el hincado y el atornillado o roscado. El primer método consiste en golpear repetidamente la cabeza del pilote con un martillo o mazo hasta que penetre a la profundidad deseada. E1 martillo puede ser manual, para el caso de suelos blandos,  o mecánico, para suelos mas resistentes. Los martillos mecánicos consisten en un pesado mazo que se deja caer por gravedad desde una considerable altura, hincando el pilote por percusión. Ver figura 12.9. Si durante la hinca, el pilote se hunde súbitamente, es que se ha - quebrado al encontrar en su camino un estrato muy duro o una piedra de grande dimensiones. El quiebre se conoce por pata de perro, y en este caso el pilote debe extraerse y sustituirse por otro.

Los pilotes de madera cilíndricos también pueden colocarse en el sitio mediante atornillado o roscado. Esta técnica consiste en hacer penetrar el pilote comprimiéndolo axialmente y en forma simultánea hacerlo girar alrededor de su eje vertical. Para ello la punta debe estar provista de una hélice como la que muestra la figura 12.8 c).

Cuando la altura necesaria del pilote excede la del rollizo, se deben acoplar, con un sistema como el mostrado en la figura 12.10. En el caso a), se utilizan planchas de hierro clavadas o atornilladas, o con pasadores internos que aseguran la uni6n. Sin embargo, el resultado de este tipo de ensamble no es muy satisfactorio, pues a veces parte al ser golpeado por el martinete. Se comporta mejor la uni6n del esquema b) que consiste en un sencillo tubo de acerco donde los extremos a acoplar entran a presi6ri y donde la espiga de acero interna con doble punta, dilata la madera y con- fina el núcleo. También se puede usar un anillo de concreto armado, que resiste mejor la acción destructiva i en suelos acuosos. (Esquema c). 

PILOTES DE MADERA: Causas de Deterioro y la Formas de Protección.

La madera que se usa para los pilotes, debe ser fuerte y resinosa, asi como inmune a los ataques de los micro-organismos que la deterioran y socavan o a los agentes destructores que propician su pudrición.

Una de las peores causas de deterioro en la madera son los sucesivos ciclos de humectación y secado que deben soportar los pilotes, debido a la fluctuaci6n del nivel freático en el subsuelo. Este efecto acorta considerablemente la vida útil del pilote y propicia la pronta desintegración de la madera. Por otra parte, en el caso de pilotes siempre enterrados en suelos no inundables continuamente bajo el nivel de las aguas, pueden sufrir deterioro por la presencia de:

-Crustáceos 

- Moluscos 

-Parásitos
-Saprofitos

-Insectos 

-Hongos 

-Agentes químicos 

Protección.

Básicamente, la protección de los pilotes de madera se logra de dos formas diferentes :

* Mediante recubrimientos metálicos * Impregnando la madera con substancias antisépticas

El uso de las planchas de acero, zinc o cobre para recubrir el fuste del pilote, y aseguradas con clavos de cobre, permite otorgar una cierta protección a la madera, si bien su efecto es de corta duración. Más efectiva es la protección química que se obtiene mediante tratamientos con substancias antisépticas, tales como el aceite pesado de brea o alquitrán, la creosota, el cloruro de zinc y el sulfato de cobre.

El proceso se lleva a cabo por simple inmersión en caliente o frío, o por la impregnación mecánica en grandes cilindros a presión, con altas temperaturas. El uso de la creosota, por ejemplo, prolonga de 15 a 20 años la duración de los pilotes, evitando su putrefacción. Generalmente se emplean de 200 a 400 gramos de creosota por m3 de madera.

Otra forma de protección de los pilotes de madera en suelos con nivel freático, es la de construirlos mixtos, con una prolongación superior de concreto armado, como muestra la figura 12.7. El pilote de madera se hinca de modo que  quede continuamente sumergido, mientras que la extensión de concreto se prolonga en la altura donde el nivel freático oscila. Se conjuga de esta forma la ventaja económica del bajo costo de los pilotes de madera, con la durabilidad de los de concreto. 

Pilotes de Madera.

Los pilotes de madera se obtienen de los rollizos, troncos cortados y desbrozados, recubiertos de corteza, la cual luego debe desvastarse, pues no ofrece resistencia. S61o la parte de la albura y el duramen son aptos para los fines estructurales, como muestra la figura 12.6.de la sección aserrada de un rollizo, con los diferentes anillos. En los países de cuatro estaciones, cada anulo representa un año de vida del árbol.

Los pilotes se obtienen de robles de 15 a 20 m de altura. En algunos casos alcanzan - los 30 m y excepcionalmente, los 50 m. El fuste debe ser recto, pues la flecha no debe sobrepasar el 1/100 de la longitud. El diámetro mínimo es de 30 cm, pudiendo alcanzar los 55 cm. Una regla empírica para determinar el diámetro D adecuado para un pilote de madera es el siguiente:  

D = 0,15 m + 0,02 L

siendo L,  la atura del pilote en m. Se debe cumplir además:

D  >=  L/30  en los suelos resistentes
D >= L/4O en suelos blandos

Entre las maderas mas usadas para pilotes están el olmo, la encina, el abeto, el pino, el olivo, la haya y el aliso. Las maderas de clasifican en:

Muy duras
Duras
Serniduras

Blandas

Categorías

Los pilotes de madera se clasifican en tres categorías:

CATEGORIA A: Pilotes de madera tratada, de gran longitud y diámetro D: 40 a 55 cm Se usan en cimentaciones importantes.

CATEGORIA B: Pilotes de madera tratada, de longitud intermedia y diámetro D: 30 a 35 cm, para obras usuales.

CATEGORIA C: Pilotes de madera sin tratar, de limitada longitud y diámetro D: 20 a 25 cm, para obras de poca envergadura y provisorias.

Tipos de Pilotes y su capacidad de Resistencia.

La capacidad resistente de un pilote, referida a las cargas que soporta como miembro estructural, depende de la calidad de los materiales usados, el tipo de solicitación Impuesta y las dimensiones de su secci6n transversal. Como criterio general, la siguiente tabla da los valores promedio de las cargas de servicio para algunos pilotes y su longitud usual.

En todos los casos, H corresponde a la altura enterrada del pilote, en contacto con el suelo. La f igura siguiente da algunos valores promedio de la capacidad portante de los diferentes tipos de pilotes.

Según la forma de trabajo, los pilotes se clasifican en:

-Trabajando por punta
-Resistiendo por fricción lateral
-Por punta y fricción simu1tneas

Los pilotes trabajan por punta cuando están ubicados en un estrato poco apto para resistir cargas, pero su altura alcanza un estrato resistente, de modo que su comportamiento es similar al de una columna, transmitiendo las cargas de la superestructura, directamente por compresión, al suelo firme. Ver la figura siguiente. 

Los pilotes trabajan por fricción cuando el suelo resistente se halla muy profundo y el pilote debe “flotar” en un estrato de gran espesor con escasa capacidad portante, de modo que lascar as transmitidas por la estructura son soportadas principalmente por fricción lateral o adherencia entre el suelo y las caras del pilote en toda la altura del fuste. (Esquema b).

En suelos intermedios, con una cierta capacidad portante, la resistencia total del pilote resulta la suma de la resistencia por punta y por fricci6n.
Según la seccj6n transversal, los pilotes pueden ser:

                                Cuadrados
*Huecos o macizos:  Circulares
                                 Poligonales
*En  I o H

Algunas secciones típicas se muestran la siguiente figura.

Según el perfil longitudinal, los pilotes pueden ser:

-De sección uniforme

-Troncos cónicos

-Escalonados

-De bulbo

Los de sección uniforme son los más comunes. Los troncocónicos permiten un fácil hincado pero tienen la tendencia a hundirse con el paso del tiempo, debido a su forma de cuña. Son pilotes que trabajan por fricción. Los pilotes escalonados, llamados también telescópicos, pueden construirse por tramos, para una más fci1 ejecución. Por ultimo, los pilotes de bulbo son los que presentan un ensanchamiento en la base, que mejora notablemente su resistencia por punta. Ver la figura siguiente.

Si bien los pilotes son piezas muy esbeltas, que alcanzan grandes alturas, en general no pandean salvo en casos excepcionales, como cuando el suelo que los circunda es excesivamente blando, por ejemplo las arcillas saturadas. En otros tipos de suelos, la experiencia ha demostrado que el soporte lateral que brinda el terreno es tan efectivo, que los pilotes en todo momento mantienen su estabilidad y alineamiento del fuste bajo las cargas de servicio, por lo cual se diseñan como columnas cortas, sin tomar en cuenta el efecto que la esbeltez ejerce sobre su capacidad resistente.

PILOTINES O MICROPILOTES empleados en la Construcción.

Los pilotines son pilotes cortos y de pequeño diámetro, conocidos también por estacas o palos raíz, que se usan generalmente para estabilizar taludes, o en recalce y refuerzo de edificios que han comenzado a sufrir asentamientos, por estar sustentados en suelos blandos y compresibles.

Los micropilotes trabajan por punta y por adherencia, distribuyendo a lo largo de su altura las presiones laterales que ejercen los bulbos de presiones de las bases directas existentes, y a las cuales apuntalan. Se los puede colocar verticales o inclinados, y de su distribuci6n como las raíces de un árbol, deriva su nombre. Ver figura 12.1. 

Figura 12.1

Usualmente los pilotines se materializan en madera, con secciones de 10 a 15 cm de diámetro y alturas de hasta 10 m, o metálicos, empleando tubos-forma con diámetro no superior a los 20 cm, los cuales se hacen penetrar por rotaci6n o barrenado en el suelo, hasta alcanzar la profundidad necesaria, por debajo de los cimientos de los edificios que deben ser reforzados. La carga admisible usual por micropilotes de 2O t.

Cuando se ha finalizado el barrenado en el terreno, se introduce dentro del tubo forma un perfil de acero, como alma del pilotin, y luego se procede a inyectar un mortero a presión, extrayendo simultáneamente el tubo forma recuperable. El mortero a usar debe tener una elevada dosificaci6n de cemento y adecuados aditivos para otorgarle suficiente resistencia y fluidez.

A medida que se va inyectando mortero en el tubo forma, éste penetra también en el suelo circundante y rellena los huecos, dando forma a una masa de mayor volumen, con perfil rugoso que incrementa la adherencia con el terreno y la resistencia a fricción del fuste. Cuando el espacio necesario para colocar los pilotines es limitado, por ejemplo cuando se debe trabajar dentro de un edificio construido, se deben aplicar técnicas especiales que permiten hincarlos o barrenarlos por tramos cortos acoplables, ayudándose para el avance de los mismos, con aire comprimido o gas a presión, según la naturaleza del suelo.

FUNDACIONES PROFUNDAS: Pilotines, Pilotes y Pilas en la Construccion

Cuando los estratos superficiales del suelo de fundación no son lo suficientemente resistentes para soportar las cargas impuestas por las bases directas de la superestructura, se pueden - producir:

* Asentamientos locales excesivos e inadmisibles
* Falla del suelo, al superar su capacidad portante

Para solucionar este problema, se deben buscar estratos profundos más firmes, de modo de transmitir a ellos las cargas actuantes, mediante fundaciones indirectas o profundas, las cuales se pueden clasificar en:

a) Pilotines (10 cm <= D <= 20 cm)
b) Pilotes (20 cm < D <=80 cm) D es el diámetro de su sección
transversal
c) Pilas (80 cm < D <=  220 cm)

Entra las funciones básicas que cumplen las fundaciones indirectas se pueden mencionar:

1) Transmitir, trabajando por punta, como una columna, las cargas de la superestructura, hasta un estrato firme del subsuelo.
2) Distribuir cargas concentradas de gran magnitud, por adherencia o fricción, en suelos homogéneos de espesor considerable.
3) Densificar y compactar suelos sueltos sin cohesión, incrementando su resistencia
4) Resistir cargas horizontales o inclinadas, debidas al viento, sismo, o empujes actuando sobre la superestructura.
5) Anclar estructuras, evitando que se inclinen o vuelquen

6) Controlar los asentamientos, cuando los suelos son compresibles o expansivos
7) Transmitir las cargas de las estructuras marítimas o fluviales hasta el suelo firme, por debajo del nivel de las aguas.
8) Proteger la cimentación de los daños producidos por la socavaci6n en el lecho de lagos, nos o mares
9) Formar pantallas impermeables, colocarlos en fila, en contacto entre si, o tablestacas - para resistir el empuje lateral de tierras o del agua, actuando como muros de contención o presas temporales
10) Estabilizar taludes, evitando el deslizamiento de laderas y controlar los movimientos del terreno
11) Drenar los suelos arcillosos, para consolidarlo, e incrementar su capacidad portante.

El análisis y diseño de las fundaciones profundas debe cumplir con los siguientes requisitos:

-Asegurar la estabilidad y funcionalidad de las fundaciones durante toda la vida útil de -la superestructura.
-Obtener una soluci6n razonablemente económica.
-Lograr una forma sencilla de ejecución, en un plazo lo mas breve posible.

Cuando las condiciones del suelo son tales que es necesario el uso de pilotes, la elección mas adecuada de los mismos involucra tomar en consideración diversos factores, tales como las características del subsuelo, las profundidad necesaria, la magnitud de las cargas impuestas, el espaciamiento, métodos de ejecución, dimensiones, etc.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el análisis de las fundaciones, conjuntamente con los principios de la mecánica e suelos, no se ajusta a reglas fijas ni ecuaciones matemáticas exactas, sino aproximadas, y que el terreno es un medio elástico heterogéneo, del cual se obtienen sólo datos cercanos a la realidad y variables con el tiempo.

El análisis y diseño de los pilotes que se detalla en el presente capitulo se aplica a unidades aisladas, pero en la practica los pilotes se agrupan en cabezales conectados entre si median te vigas de riostra, lo cual forma un conjunto cuya efectividad varia en relación a la del pilote único.

Zapatas para dos Columnas.

Es aconsejable diseñar  las  zapatas  combinadas  de modo que  el  centroide  del área de  la zapata  coincida con  la resultante de  las cargas de  las dos columnas. Esto produce una presión  de contacto uniforme sobre la totalidad del área y evita la tendencia a la inclinación de la zapata. Vistas en planta, estas zapatas son rectangulares, trapezoidales  o en  forma de T,  y  los  detalles  de  su forma  se acomodan  para
que coincidan  su centroide  y el de  la resultante. Las  relaciones  sencillas  de  la figura  16.14  facilitan la determinación  de  la  forma  del área  de  contacto. En  general,  las distancias m y n están  dadas, siendo la primera la distancia desde el centro de  la columna exterior hasta el límite  de  la propiedad y  la  segunda  la distancia desde  esta  columna  hasta  la resultante de  las cargas de las dos  columnas.

Otro  recurso que  se utiliza cuando  una zapata  sencilla  no puede centrarse bajo una  columna exterior, consiste  en  colocar  la  zapata  para  la columna  exterior  en  forma excéntrica  y  conectarla  con  la  zapata de  la columna  interior más  cercana mediante  una ,viga o una banda  de  amarre. Esta viga  de amarre,  al  estar balanceada por  la carga de  la columna  interior,  resiste la tendencia  a  la inclinación  de  la zapata exterior excéntrica  e  iguala las  presiones  bajo ésta. Este  tipo de  cimentaciones se conoce como  zapatas  con vigas  de amarre,  en  voladizo  o conectadas.

 FIGURA 16.14  Zapatas para dos columnas.

Cimentaciones Continuas, Reticulares y Losas de Cimentación.

En el caso de columnas  sometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos relativamente blandos o poco uniformes,  se recurre a la utilización de cimentaciones continuas.  Éstas pueden ser zapatas  continuas, que soportan  todas  las columnas  en determinada  fila, o dos  conjuntos  de  estas zapatas  en franjas que se  intersectan formando ángulos rectos, de modo que  conformen una  cimentación reticular  continua  . Para cargas  aun mayores  o  suelos más blandos, las  franjas  se  traslapan obteniéndose una  losa de cimentación.

Para el diseño de estas cimentaciones  es necesario hacer suposiciones razonablemente realistas con respecto a  la distribución  de  las presiones  de  contacto que actúan  como cargas  hacia arriba sobre la cimentación.  Para  suelos compresibles,  es posible  suponer  como una primera  aproximación que  la deformación  o asentamiento  del suelo en determinado  sitio  y la presión de contacto en el mismo  son proporcionales  entre  sí. Si  las columnas  se encuentran  espaciadas  a distancias moderadas  y  si  la  cimentación continua o reticular o la losa de cimentación es muy rígida, los asentamientos en todos los puntos de  la cimentación  serán  esencialmente  los mismos. Esto  significa que  la presión  de  contacto, también  conocida como  reacción de  la subrasante,  será  la misma siempre y cuando  el  centroide de  la cimentación coincida con la resultante  de  las  cargas. Si esto no  sucede,  entonces  en  estas  cimentaciones rígidas  la reacción de  la subrasante puede suponerse  que  varía  linealmente y  se determina mediante estática,  de  la misma manera que para zapatas  individuales  En este  caso  se conocen todas  las cargas,  tanto las de columna hacia abajo como las presiones de contacto hacia arriba. En consecuencia,  los momentos  y  las fuerzas  cortantes en  la cimentación  pueden determinarse mediante estática. Una vez que  se determinan  estos valores, el diseño de  la cimentación  continua o reticular es similar al de las vigas continuas  invertidas y  el de  la  losa de cimentación equivale  al de  losas  o placas planas  invertidas.

De otra parte,  si la cimentación  es  relativamente  flexible y  el espaciamiento  entre  columnas  es considerable, los  asentamientos no podrán considerarse  uniformes  o  lineales. De un  lado, las columnas sometidas  a mayores  cargas producirán asentamientos mayores  y, por  consiguiente, mayores reacciones  de  la  subrasante que  las columna con poca carga. Asimismo,  puesto  que  la  franja o  losa continua  se deflecta  hacia arriba  a medio  camino entre  columnas  con respecto a  las columnas más  cercanas,  esto significa  que el asentamiento  del suelo  y, por tanto,  la reacción  de la subrasante, serán menores en  la zona central  entre  columnas  que  directamente bajo éstas. Esto  se presenta en  forma  esquemática en  la figura  16.20. En  este  caso,  la reacción  de  la subrasante  ya no es uniforme. De manera  similar, las losas de  cimentación  requieren métodos  alternos  de análisis, dependiendo  de  si pueden o no  considerarse como rígidas para  el  cálculo  de  la reacción del suelo.

Se han establecido criterios para  cuantificar  la rigidez  relativa de  la estructura  en  comparación con  la rigidez  del suelo. Si  la rigidez  relativa  es baja,  la cimentación debe diseñarse  como un elemento flexible con una reacción no  lineal hacia arriba del suelo. Para zapatas corridas,  puede  realizarse  un análisis  razonablemente  preciso pero  algo complejo, mediante  la teoría de  vigas  sobre fundaciones  elásticas.  Kramrisch

ha  sugerido procedimientos  simplificados, con base  en  la  suposición de que  las presiones  de  contacto

varían  linealmente  entre  puntos  de  carga,  tal  como  se indica  en  la figura  16.20.

Para  losas  de  cimentación  no  ngidas, se han  realizado avances  importantes  en  el análisis utilizando  el método de  los  elementos  finitos, el cual puede considerar  de manera específica  la rigidez de  la estructura y  del  suelo. Existe una  gran cantidad de programas  de  computador  disponibles  (por  ejemplo, PCA-MATS, Portland Cement Association, Skokie,  Illinois) basados  en el método  de  los  elementos finitos,  los cuales permiten la realización rápida de modelos  y el análisis para zapatas combinadas, franjas  de  zapatas  y  losas  de  cimentación.

Zapatas para Columnas: Diseño y Construcción.

En planta,  las  zapatas para  columnas individuales  son  en  general cuadradas. Se utilizan  zapatas rectangulares cuando las restricciones  de  espacio  obligan a esta selección o si  la  columna apoyada tiene una sección transversal rectangular bastante  alargada. En  su forma más  simple, constan  de  una  losa sencilla (ver  la  figura 16.5a).

Otro  tipo es  el que  aparece  en  la  figura 16.5 b  donde se  interpone un pedestal o dado entre  la columna y  la  losa de  la zapata; el pedestal proporciona una transferencia de  carga más favorable  y  en muchos casos  se requiere con el fin  de  suministrar  la  longitud de  desarrollo necesaria para los  bastones. Esta  forma  se  conoce también como  una  zapata  escalonada. Todas  las partes de  una zapata escalonada deben vaciarse  en  la misma colada, con el  fin de proveer una acción monolítica.

Algunas veces se utilizan zapatas acarteladas como las de la figura 16.5 c.  Éstas consumen menos concreto que las zapatas escalonadas, pero  la mano de obra adicional necesaria para producir las superficies  acarteladas  (formaletas,  etc.) hace que  las  zapatas  escalonadas  sean  casi  siempre más económicas. En  general, las zapatas  de  losa sencilla (ver  la  figura 16.5a)  son las más  económicas  para alturas de  hasta 3  pies.

Las zapatas para columnas individuales  representan voladizos  que  se proyectan hacia afuera desde la columna  en  las dos  direcciones y  cargados  hacia arriba con  la presión del  suelo. En  la  superficie inferior  se producen los correspondientes esfuerzos  de  tensión  en  estas dos direcciones. En  consecuencia, estas zapatas  se  refuerzan mediante dos capas  de  acero perpendiculares  entre  sí y  paralelas  a los bordes.

El  área requerida de  contacto  se  obtiene dividiendo  la carga total, que  incluye el peso propio de la zapata, por la presión de  contacto  seleccionada. En  esta etapa debe  estimarse  el peso  de  las zapatas que generalmente está entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de  la carga de  la columna, intervalo  en el que el primer valor  es aplicable  a  los tipos de  suelo más fuertes.

Al calcular los momentos flectores y  los cortantes, únicamente se considera la presión hacia arriba qu, generada por  las cargas mayores  de  la  columna. El  peso mismo de  la zapata no produce momentos ni cortantes, al igual  que no existen, obviamente, momentos ni cortantes en un  libro que descansa sobre  la  superficie  de  una mesa.

 FIGURA 16.5  Tipos de zapatas para columnas individuales.

Zapata para Muros.

Los principios  elementales  del  comportamiento  de  vigas se aplican a zapatas para muros con algunas modificaciones  menores.  La  figura 16.4 ilustra  las  fuerzas  que  actúan sobre una zapata para muro; si  los momentos flectores se calcularan  a partir de estas fuerzas, el máximo momento se presentará en la mitad del  ancho. En  realidad, la muy alta  rigidez  del muro modifica esta  situación demuestran que, para  zapatas bajo muros  de  concreto,  es  satisfactorio  calcular el momento  en  la  cara  del muro .  En  estos  ensayos  se  formaron grietas  de  tensión  en  los sitios indicados  en  la figura 16.4, es decir, bajo la  cara del muro, en vez  de presentarse en  la mitad del  ancho.

 FIGURA 16.4  Zapata para muro.

Factores de Diseño de Estructuras de Concreto.

En  construcciones  corrientes,  la  carga  sobre un muro o  columna se  transmite verticalmente  a la  zapata, la cual a su vez la sostiene la presión hacia arriba del suelo sobre el cual descansa. Si la carga es simétrica con  respecto al  área  de  contacto,  la presión de  contacto  se  supone uniformemente  distribuida (ver  la  figura 16.2~~);  se sabe que esto es apenas  aproximadamente cierto. Para zapatas que descansan sobre  suelos granulares gruesos, la presión es mayor en el centro de  la zapata y disminuye hacia el perímetro  (ver la figura 16.2b),  a causa de que los granos  individuales de este tipo de suelos están relativamente sueltos  de manera que  el suelo  localizado  en  las cercanías del perímetro puede  corferse ligeramente hacia afuera  en la dirección de menores esfuerzos  en el  suelo. En contraste, en suelos arcillosos las presiones son mayores  cerca del borde que en el centro  de  la zapata, puesto que en este tipo de  suelos  la  carga produce una

FIGURA  Distribución  16.2  de presiones de contacto:

(a)  supuesta; (b) real para suelos granula

(c) real para suelos cohesivos.

resistencia  a cortante alrededor  del perímetro,  la cual  se adiciona  a la presión hacia arriba  (ver la  figura 162).  Se acostumbra  ignorar estas  variaciones con respecto a  la distribución uniforme: (1) porque  su cuantificación  numérica es incierta y altamente  variable, dependiendo del  tipo  de  suelo,  y  (2) porque  su  influencia  en  las magnitudes  de  los momentos  flectores  y  de  las fuerzas  cortantes sobre  la zapata  es  relativamente  baja. 

Las zapatas sobre  suelos compresibles  deben  cargarse de modo concéntrico para evitar  la  inclinación que  se presentará  si las presiones  de  contacto  en un  lado de  la zapata  son sustancialmente  mayores que en el lado  opuesto. Eso  significa  que  las  zapatas  individuales  deben  colocarse concéntricamente

bajo las columnas,  que  las  zapatas para muros  deben  estar en forma  concéntrica bajo  los muros  y  que, para  las  zapatas  combinadas,  el  centroide  del área de  las  zapatas debe  coincidir  con  la resultante de  las cargas de las columnas. Las zapatas cargadas excéntricamente se pueden utilizar en suelos muy compactados o en roca. Se concluye que puede contarse  con restricción  de  rotación de  la columna, suministrada  por una zapata  individual, sólo cuando  existen  tales  condiciones favorables del suelo y cuando la zapata se diseña tanto para la carga de columna como para el momento de restricción.

Inclusive en este  caso, debe suponerse una  condición más flexible que  la de un empotramiento total, excepto para zapatas en  roca. 

La determinación precisa de  esfuerzos  en elementos  de  cimentación  de  cualquier  tipo es  difícil, no sólo por  las  incertidumbres en  la determinación  de  la distribución  real de presiones  hacia arriba, sino también  porque  los  elementos estructurales mismos  son bloques relativamente masivos o  losas de espesor considerable  sometidos  a  cargas  concentradas altas provenientes  de  la estructura superior. Los procedimientos para el diseño de zapatas  aisladas para  columnas individuales  se basan  casi por completo en los resultados de dos amplias investigaciones  experimentales  que se  llevaron a cabo en la

Universidad de  Illinois  . Estos  ensayos  y  las recomendaciones resultantes se han  reevaluado  a  la luz de  investigaciones  recientes particularmente  en  lo que tiene que  ver con el  cortante y la  tensión diagonal . Las  zapatas  combinadas  y  las  losas  de fundación también pueden  diseñarse mediante métodos  simplificados,  aunque  cada vez se utilizan herramientas  más  refinadas, tales  como análisis por elementos  finitos.

Zapatas Superficiales.

Las  zapatas  superficiales pueden  clasificarse  como zapatas  para muros  y zapatas  para  columnas. Los esquemas  en planta de  los  tipos más comunes  se presentan  en la figura  16.1. Una zapata para muro consiste  en una  franja de  concreto reforzado más ancha que el muro y  que  distribuye  su presión. Las zapatas para  columnas individuales son por  lo general cuadradas,  algunas  veces  rectangulares,  y representan  el  tipo de  cimentación más  sencillo y  económico.  Su utilización para  columnas  exteriores  tiene algunas  dificultades  si  los derechos  de propiedad  impiden  la utilización  de zapatas que  se  extiendan más  allá  de  los muros exteriores. En  este  caso,  se  utilizan  zapatas combinadas  o  zapatas amarradas  para permitir  el  diseño de  una  zapata que no  se  extienda más  allá  del muro o  columna. Las zapatas combinadas para  dos o más  columnas  se utilizan también para  columnas  interiores  con cargas considerables  y poco espaciadas  entre sí, donde  las zapatas  individuales,  si se hicieran,  quedarían  casi o totalmente traslapadas.

Las zapatas  individuales  y  las  zapatas  combinadas  para  columnas son  los tipos de  cimentaciones superficiales más utilizados en suelos  con capacidad razonable de carga.

Si el suelo es blando o las cargas  de  las columnas  son grandes, las  áreas requeridas para  las  zapatas  son tan  grandes que  se  convierten en antieconómicas; en este caso, a menos que  las condiciones del suelo exijan una cimentación profunda,  se adopta una solución consistente en una  losa de  cimentación  o en una cimentación  flotante.

Este tipo  de  cimentación  consta  de una losa maciza de  concreto reforzado  que se  extiende  bajo  todo  el edificio y que, en consecuencia, distribuye  la carga de  la estructura  sobre la máxima área disponible.

Esta  cimentación, gracias  a  su propia  rigidez,  también minimiza  los  asentamientos  diferenciales. En  su forma más  sencilla,  consta de una losa de concreto reforzada  en  las dos direcciones. Una  forma que proporciona mayor rigidez  consiste  en una  losa de entrepiso  invertida y  conformada por  vigas  secundarias y principales. Las vigas principales se localizan en los ejes de columnas en cada una de  las dos

direcciones,  y  se proyecta una  losa reforzada  en  las dos direcciones  y  apoyada  en  las vigas. También  se utilizan losas planas  invertidas  con capiteles  en  la parte  inferior de  las columnas, como losas de  cimentación.

 FIGURA 16.1 Tipos de zapatas superficiales.

Diseño y Metodología de ZAPATAS AMARRADAS.

1.  Verificar datos de entrada

2.  Encontrar factor de carga

3.  Dimensionar pedestales de ambas fundaciones

4.  Encontrar el momento o la excentricidad de la carga

5.  Encontrar cargas de reacción en zapata 1 y 2, note que lo que se suma en una también se resta en la otra.  Usar ecuaciones vistas de acuerdo con el sentido de la excentricidad.

6.  Encontrar  área  de  contacto  en  las  dos  fundaciones  y  dimensionar  la fundación siempre en múltiplos de 5 cm.

7.  Verificar esfuerzos máximos transmitidos al suelo con el área real.

8.  Verificar esfuerzos cortantes como viga ancha para un espesor asumido, o de la ecuación de cortante máximo despejar el d necesario.  Comparar este d con el mínimo exigido por la norma

9.  Verificar esfuerzos por punzonamiento. Si no da, aumentar d o aumentar pedestal  y  volver  a  verificar  esfuerzos  por  punzonamiento.  No  hay necesidad de devolverse al paso 6 (por que?)

10. Encontrar momentos de diseño en las dos fundaciones

11. Colocar refuerzo a las fundaciones

12. Encontrar momentos y cortantes de diseño para la viga de fundación por medio de las ecuaciones vistas o por diagramas de cuerpo libre.

13. Diseñar estribos y refuerzo longitudinal en la viga