Antecedentes
En una publicación anterior mencioné los casos en los que, respaldado por bibliografía y normativa americana, establezco los casos en los que es necesaria solamente parrilla inferior en la construcción de zapatas de hormigón armado. El caso de parrilla de acero inferior solamente se muestra en la imagen mostrada a continuación.
Sin embargo existen ocasiones puntuales y muy específicas en las cuales se necesita además una parrilla superior para contrarrestar la tracción de las fibras superiores de la zapata. Todas esas situaciones las mencionaré a continuación.
Letreros Publicitarios
Todo letrero vertical como el mostrado en la figura siguiente necesita una fundación tipo zapata.
Los elementos similares al poste mostrado, estructuralmente hablando y que necesitan una fundación tipo zapata son los siguientes:
– Letreros publicitarios
– Señalización vertical de tránsito
– Mástiles de banderas
– Generadores eléctricos y eólicos
– Postes de energía eléctrica o telecomunicaciones
Todos los elementos que en general tengan poco peso propio y una fuerza lateral muy grande de viento o sismo producen en la fundación el mismo efecto de levantamiento de uno de los lados de la fundación. Y dado que la fundación está confinada por tierra de relleno encima, este confinamiento genera un efecto de flexión con tracción en las fibras superiores de la zapata.
Esta tracción de las fibras superiores de la zapata debe ser absorbida por una malla de acero superior en ambas direcciones en la zapata.
Torres de alta tensión
En el caso de torres de alta tensión el efecto es similar al del sistema explicado en el anterior subtítulo, sin embargo el efecto de volteo que se genera producto del viento hace que la zapata completa de uno de los dos extremos se levante y la otra zapata quede completamente comprimida hacia el suelo, como se muestra en la imagen siguiente.
En esta situación, la zapata debe ser lo suficientemente profunda de tal manera que el suelo por encima de la zapata funcione como confinamiento ante el arranque o levantamiento que se genera producto de la tracción hacia arriba que genera el viento.
En tales situaciones, las solicitaciones internas en la zapata generan tracción completa en las fibras superiores. Este efecto se ve en la figura a continuación.
Se debe tomar en cuenta que cualquiera de las dos zapatas mostrada puede estar sometida a un efecto de tracción o de compresión producto del viento. Todo depende de la dirección del viento que puede ser aleatoria. Por tanto ambas zapatas deben tener la cantidad de refuerzo para resistir tanto los esfuerzos de tracción o arranque hacia arriba o los efectos de compresión del viento más la actuación del peso propio.
Tinglados
Las estructuras metálicas son conocidas por si bajo peso propio con respecto a la carga que pueden soportar. En especial los tinglados metálicos con cubierta de calamina, policarbonato o teja plástica son el caso más característico.
El problema con este tipo de estructuras es que debido a su poco peso, sumado al efecto de succión que generan las ráfagas de viento particularmente en zonas de poca vegetación o altiplano, la estructura peligra de colapso o de ser levantada por el viento.
Hice entonces el experimento de concebir hipotéticamente un tinglado de 10m de altura, 20m de ancho y una distancia de 3m de cercha a cercha, por tanto un ancho de influencia de 3m para cechas centrales.
No entraré en detalles sobre los coeficientes de viento utilizados para el cálculo de la succión del viento, sin embargo la velocidad de 100Km/h de una ráfaga de viento es típica de casi cualquier lugar del mundo y más que suficiente para generar succiones significativas.
A partir de todo el análisis realizado, se llega a una fuerza de levantamiento de 301 [N/m2] menor a la mínima impuesta por norma, por tanto se reemplaza por los 380 N/m2 mínimos que estipula la norma.
Multiplicando entonces la superficie de techo por la presión negativa obtenida, se obtienen al rededor de 22 [KN] de fuerza total ejercida por el viento hacia el techo, lo que distribuido entre los dos apoyos genera más o menos 10 a 11 [KN] de fuerza hacia arriba por apoyo. Eso equivale a una tonelada de fuerza, que si es superior al peso de la estructura, puede generar levantamientos en la zapata, que al estar empotrada bajo suelo, producirá el mismo efecto de las fundaciones de la torre de alta tensión del anterior ejemplo.
Fundaciones de foso de Ascensor
Esta podría considerarse más una losa de fundación y no tanto así una zapata, sin embargo debido a las dimensiones típicas que esta fundación adquiere, también algunos lo clasifican como un tipo de zapata.
Las fundaciones de fosos de ascensor tienen la particularidad de contar con un ducto al centro de la fundación y las paredes del foso se apoyan casi en el perímetro de la zapata. Es en este sentido que la presión de abajo hacia arriba del suelo suele intentar levantar la parte central de la losa de fundación traccionando esta zona.
Debido a la tracción superior en esta zona, la malla superior es obligatoria por lo menos dentro del perímetro de la base del foso. Sin embargo es una práctica común extender el acero superior hasta el perímetro de la fundación como se muestra en la siguiente imagen.
Zapatas combinadas
Una situación donde es obligatorio el uso de acero superior se da cuando dos columnas comparten la misma zapata.
El principio de distribución de esfuerzos es muy similar al de la losa de fundación soportando el foso de ascensor. La carga superior desde las columnas cae en los laterales de la zapata produciendo el levantamiento al centro de la zapata combinada, como se muestra en los diagramas de momento flector dibujados para ambas direcciones de analisis X y Y:
A partir de estas solicitaciones ya se puede realizar el refuerzo de acero en todas las caras donde exista momento flector. Se puede ver que en la dirección Y de análisis no existe momento negativo, por lo que el refuerzo superior es necesario solamente en la dirección X. Sin embargo para mantener a estos acero en su lugar es bueno colocar refuerzo en la dirección perpendicular (Y) superior. El acero superior en dirección Y corresponderá al acero mínimo por retracción y fraguado igual a As = 0.0018*420/fy*b*d donde fy está en MegaPascales y b,d son la dimensión horizontal y vertical efectiva de la zapata en la dirección más larga.
Casetas con voladizo
Finalmente, menciono este caso para cubrir todas las casetas, techos o estructuras livianas en voladizo como la mostrada en la imagen. Existen infinidad de casetas, paradas de buses o de tren que llevan esta configuración. Lo interesante de este tipo de techos es que la pendiente más fuerte se da en la parte opuesta al voladizo y esto genera que la nieve o granizo se acumule en la parte más horizontal y se deslice por pendiente al suelo en los sectores de más pendiente.
Esto genera que el peso se acumule solo en el voladizo logrando un efecto de tracción en el apoyo izquierdo, que al igual que en el caso de las torres de alta tensión, se necesite realizar el refuerzo de la zapata trasera con acero superior.
Vídeo
El artículo explicado puedes encontrarlo en vídeo a continuación:
autor: Marcelo Pardo
Ingeniero Marcelo buenas noches, en mi caso sucede de una pequeña casa de 2 pisos de albañilería sin embargo está conectado la escalera por una esquina mediante porticos a la estructura de la albañilería y por análisis de sismo me resulta que existe la reacción negativa en el apoyo, en si como se contra restaría ese problema profundizando?
Así es Jose. Y viendo si con el peso encima de la zapata se llega a contrarestar dicha tracción hacia arriba
también ing. estaba revisando el método de los estados limites y este encontré los criterios claros en el libro de Francisco Fiol Femenia, manual de cimentaciones. pero tal vez su persona podria orientarle en algo mas…le quedaria muy agradecido estimado ingeniero
Para el diseño del suelo necesitas consultar libros de suelos precisamente, como Braja Das.
Para el diseño del hormigón armado en la zapata refierete a libros de hormigón armado como McCormac
Un libro que combina ambos es el libro de cimentaciones de Calavera.
INGENIERO BUENAS TARDES, MUY BUEN APORTE
ing. disculpe quisiera hacerle una pregunta del cual no encuentro respuesta clara en libros, es sobre diseño geotécnico de cimentaciones superficiales por el método del esfuerzo admisible. mi pregunta es…cuales son los cálculos que abarcan en este método de diseño geotécnico. soy un estudiante de ingeniería y estoy con esta duda ingeniero
El esfuerzo admisible rudy puede ser admisible a resistencias o admisible a deformaciones. El menor de ambos es el esfuerzo admisible a tomar encuenta para el diseño de la zapata.
en resumen, debes verificar tanto deformaciones del suelo, como su resistencia.
ingeniero buenas noches, muchas gracias por la aclaración y la bibliografía recomendada.
Un placer Rudy!!
Buenas tardes ingeniero. Gracias por los aportes, ayudan mucho 😅.
Con una pregunta. En el ACI 318-19 aunque también está en versiones anteriores en el capítulo Sismorresistente hace mención a que los ganchos que vienen de las columnas y terminan en zapatas deberían de estar orientados hacia el centro de zapata y no hacia afuera como normalmente vemos en planos y obras. Esto con el fin de simular el empotramiento. ¿Es así o interpreté mal el código 😢? ¿Hay alguna otra razón para este criterio?
Específicamente en 18.13.2.3
Quería enviar unos dibujos a mano para ver si estoy bien pero no encontré cómo enviarlos.
Saludos y gracias ingeniero por su sus comentarios.
Miguel, como estás!?
Es correcto lo que dices. Se busca con esto simular un efecto parecido al de sentarnos sobre nuestras manos. El gancho del acero armado de esta manera, está mejor confinado a cualquier tracción. Sin embargo nunca he visto en la práctica adoptar este aspecto constructivo