El arriostramiento en laderas.

Esta función de las vigas de fundación tiene bastante aplicación por las características topográficas de nuestro entorno geográfico.

Por el desnivel del terreno, un edificio puede presentar irregularidad en altura, configuración geométrica que favorece la generación de esfuerzos de flexión en las columnas que pueden ser atendidos mediante vigas de fundación en dirección diagonal (Figura 4), las cuales al arriostrar el edificio, aportan rigidez a la zona más flexible y vulnerable.  Debe cerciorarse que la edificación quede rígida en todas las direcciones.

Figura 4.  Vigas para arriostramiento en edificios construidos en laderas.

El mejoramiento del comportamiento sísmico de la estructura.

Este criterio, de acuerdo con el artículo A.3.6.4.2 de la NSR-98 (1), establece que las vigas de fundación deben resistir una fuerza ya sea de tracción o de compresión (C ó T), dada por la expresión:

C ó T = 0.25 Aa Pu                     (2)

Donde:

Aa : Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva para diseño.  El valor de este coeficiente debe determinarse de acuerdo con lo estipulado en las secciones A.2.2.2 y A2.2.3 de las NSR–98 (1).

Pu: Valor de la fuerza axial mayorada o carga última correspondiente a la columna más cargada (comparando las dos fuerzas axiales a las cuales están sometidas las dos columnas unidas por la viga de amarre).

Por ejemplo, para la ciudad de Medellín el valor de Aa es de 0.20; por lo tanto, para este caso particular, C ó T = 0.05 Pu.  Esto significa que una viga de fundación en Medellín debe resistir, a tracción o a compresión, una fuerza axial equivalente al 5% de la fuerza axial (Pu) que actúa sobre la columna más cargada que une la viga.

Para el valor de la fuerza Pu que se presenta en la mayoría de los casos prácticos, la fuerza de tracción o de compresión (C ó T) que actúa sobre la viga de fundación es muy inferior al valor de la fuerza a tracción o a compresión que puede resistir una viga de sección pequeña que usualmente se utiliza, por ejemplo, una viga de 300 mm X 300 mm reforzada de acuerdo con el criterio de refuerzo longitudinal mínimo para columnas (artículo C.10.14.8 (f) de la NSR-98 (1)), el cual especifica:

Esta afirmación se puede corroborar así:

Supóngase que la viga de fundación esté sometida a una fuerza axial de compresión C.  De acuerdo con el artículo C.10.3.5.2 de las NSR-98 (1), la resistencia de diseño a fuerza axial de un elemento no preesforzado, reforzado con estribos cerrados, sometido a compresión, está dada por la expresión:

Remplazando para los valores particulares del ejercicio, se tiene:

C =0.80 x 0.70 x [0.85 x 21 x (3002 – 1136) + 420 x 1136] =1’155.472 N = 116 ton.

De acuerdo con lo expresado en la ecuación (2) para el caso particular de la ciudad de Medellín, una fuerza sísmica axial de compresión de 116 ton en la viga de amarre, implica una fuerza axial (Pu) en la columna más cargada de 116/0.05 = 2320 toneladas.  Para cargas superiores a este valor tendría que aumentarse la sección de la viga.

Análogamente, supóngase que la viga de fundación esté sometida a una fuerza axial de tracción T.  En este caso, la resistencia de diseño a fuerza axial de la viga (despreciando la resistencia a tracción del concreto), está dada por la expresión:

Este resultado indica que una viga de fundación de 300 mm x 300 mm, reforzada con 4f 3/4”, funciona adecuadamente siempre y cuando, la fuerza axial (Pu) que actúa sobre la columna más cargada no sea superior a 860 toneladas, equivalente a la carga gravitacional que sobre esta columna transmitiría un edificio de aproximadamente 25 pisos.  A partir de este valor, sería necesario modificar la sección transversal de la viga de fundación, por este concepto.

En conclusión, para la mayoría de los casos prácticos la viga de fundación de 300 mm x 300 mm, reforzada con 4f 3/4”, resiste la carga sísmica en forma eficiente.  Sin embargo, es importante advertir que concebida de esta manera, la viga de fundación no toma momentos del empotramiento columna – zapata; y que por lo tanto la zapata requiere diseñarse a flexión biaxial.

La viga de fundación de 300 mm x 300 mm, reforzada con 4f 3/4”, tiene sentido en suelos buenos, donde es poco probable la rotación de la fundación, y por lo tanto tiene mayor garantía de cumplimiento la condición de empotramiento columna – fundación. 

En suelos blandos es preferible concebir las vigas de amarre como elementos estructurales que toman momento, y esto obligaría a aumentar la sección.

Atención de momentos generados por excentricidades no consideradas en el diseño.

Esta función la ejerce la viga de fundación dependiendo del criterio que se adopte para su diseño.

· Criterio 1: Diseñar la viga de fundación para que tome los momentos y la zapata sólo atienda carga axial.  En este caso, se debe considerar la viga en el análisis estructural, tal como se ilustra en la Figura 3

Figura 3.  La viga de fundación toma los momentos resultantes del análisis estructural y la zapata la carga axial.

Algunos diseñadores no incluyen la viga en el análisis estructural, pero arbitrariamente la diseñan con los momentos obtenidos en los nudos columna - zapata.

· Criterio 2: Diseñar la zapata para que atienda el momento biaxial (o al menos en una dirección), criterio que se ajusta con mayor precisión a la suposición inicial de empotramiento entre la columna y la zapata.  En este caso la viga de fundación se diseña únicamente para carga axial.

La reducción de asentamientos diferenciales.

El efecto de las vigas de fundación como elementos que sirven para el control de asentamientos diferenciales depende de su rigidez.  En nuestro medio, el tamaño de las secciones de las vigas de fundación que normalmente se emplean (máx L/20), permite descartar cualquier posibilidad de transmisión de cargas entre una zapata y la otra.  No se puede garantizar que una viga de fundación transmita momentos debidos a los asentamientos diferenciales de las zapatas, a menos que para ello tenga la suficiente rigidez.

Cuando una viga de fundación se proyecta con rigidez suficiente para controlar asentamientos diferenciales de la estructura, es necesario considerar la interacción suelo – estructura (ISE).

Un método que en ocasiones se ha empleado con el propósito de que la viga de fundación controle asentamientos diferenciales, es el de suministrar, como dato del ingeniero de suelos, el valor del asentamiento diferencial d que sufre la cimentación correspondiente a uno de los extremos de la viga; el cual induce sobre el otro extremo un momento M dado por:

En este caso, ilustrado en la Figura 2, para un valor determinado de d, se tiene que a mayor sección transversal de la viga, mayor será el momento inducido M.

Aquí la rigidez de la viga no estaría controlando el asentamiento diferencial d (que para el caso, es un dato y no una variable) sino el valor del momento, generando un diseño dicotómico, es decir que a mayor rigidez, se requiere más acero, lo cual no tiene sentido práctico, y por lo tanto no se recomienda.  En este sentido, una viga de fundación no expresamente diseñada para reducir los asentamientos diferenciales y sin la suficiente rigidez no se recomienda considerarla en el diseño para atender este efecto.

Figura 2.  Momento inducido en un extremo de la viga de fundación por el asentamiento diferencial.

Vigas de Fundación.

Las vigas de fundación (Figura 1) son los elementos estructurales que se emplean para amarrar estructuras de cimentación tales como zapatas, dados de pilotes, pilas o caissons, etc.

Figura 1.  Cimentación con viga de fundación

A las vigas de fundación tradicionalmente se les han asignado las s funciones principales:

· La reducción de los asentamientos diferenciales

· La atención de momentos generados por excentricidades no con en el diseño.

·  El mejoramiento del comportamiento sísmico de la estructura

Y las siguientes funciones secundarias:

· El arriostramiento en laderas

· La disminución de la esbeltez en columnas

· El aporte a la estabilización de zapatas medianeras

Cimentaciones Profundas.

Una cimentación profunda es una estructura cuya sección transversal es pequeña con respecto a la altura y cuya función es trasladar las cargas de una edificación a profundidades comprendidas aproximadamente entre 4 m y 40 m.

A diferencia de las cimentaciones superficiales, en una cimentación profunda, no solamente se presentan reacciones de compresión en el extremo inferior del elemento sino también laterales.  En efecto, la cimentación profunda puede estar sometida a momentos y fuerzas horizontales, en cuyo caso, no solo se desarrollará una distribución de esfuerzos en el extremo inferior del elemento, sino también lateralmente, de modo que se equilibren las fuerzas aplicadas.  En consecuencia, el comportamiento estructural de una cimentación profunda se asimila al de una columna.

Las cimentaciones profundas pueden ser de dos tipos: Pilotes o pilas

Los pilotes, que tienen máximo un diámetro del orden de 0.80 m, son comparativamente más flexibles que las pilas cuyo diámetro es superior a los 0.80 m.  La respuesta frente a solicitaciones tipo sismo o carga vertical es diferente en cada una de estas dos estructuras.

Por las limitaciones de carga de un pilote individual, frecuentemente es necesario utilizar varios elementos para un mismo apoyo de la estructura, este es caso de una zapata aislada apoyada en varios pilotes.  En otros casos, la situación puede ser aún más compleja: zapatas combinadas o losas de cimentación apoyadas en varios pilotes.

Cuando se utilizan pilas como sistema de cimentación, generalmente se emplea un elemento por apoyo.  Las pilas están asociadas a cargas muy altas, a condiciones del suelo superficialmente desfavorables y a condiciones aceptables en los estratos profundos del suelo, a donde se transmitirán las cargas de la estructura.

En cuanto a los sistemas constructivos, los pilotes pueden ser preexcavados y vaciados en el sitio o hincados o prefabricados e instalados a golpes o mediante vibración o presión mecánica.

Cuando un pilote se hinca, a medida que se clava se está compactando el suelo, y por ende mejorando sus condiciones, en cambio, cuando el pilote se vacía, las características del suelo pueden relajarse.

Generalmente los elementos hincados son reforzados

Las pilas siempre son preexcavadas y vaciadas en el sitio.  El sistema constructivo empleado, tendrá incidencia en el diseño.

Las pilas pueden o no ser reforzadas.  En las zonas con riesgo sísmico importante conviene reforzarlas, al menos nominalmente.

Cimentaciones Superficiales.

Una cimentación superficial es un elemento estructural cuya sección transversal es de dimensiones grandes con respecto a la altura y cuya función es trasladar las cargas de una edificación a profundidades relativamente cortas, menores de 4 m aproximadamente con respecto al nivel de la superficie natural de un terreno o de un sótano.

En una cimentación superficial la reacción del suelo equilibra la fuerza transmitida por la estructura.  Esta reacción de fuerzas, que no tiene un patrón determinado de distribución, se realiza en la interfase entre el suelo y la sección transversal de la cimentación que está en contacto con él.  En este caso, el estado de esfuerzos laterales no reviste mayor importancia.  En consecuencia, el comportamiento estructural, de una cimentación superficial tiene las características de una viga o de una placa.

Las cimentaciones superficiales, cuyos sistemas constructivos generalmente no presentan mayores dificultades pueden ser de varios tipos, según su función: zapata aislada, zapata combinada, zapata corrida o losa de cimentación.

En una estructura, una zapata aislada, que puede ser concéntrica, medianera o esquinera se caracteriza por soportar y trasladar al suelo la carga de un apoyo individual; una zapata combinada por soportar y trasladar al suelo la carga de varios apoyos y una losa de cimentación o placa por sostener y transferir al suelo la carga de todos los apoyos.

Las zapatas individuales se plantean como solución en casos sencillos, en suelos de poca compresibilidad, suelos duros, con cargas de la estructura moderadas: edificios hasta de 7 pisos.

Con el fin de darle rigidez lateral al sistema de cimentación, las zapatas aisladas siempre deben interconectarse en ambos sentidos por medio de vigas de amarre.

Las zapatas combinadas se plantean en casos intermedios, esto es, suelos de mediana compresibilidad y cargas no muy altas.  Con esta solución se busca una reducción de esfuerzos, dándole cierta rigidez a la estructura, de modo que se restrinjan algunos movimientos relativos.

La losa de cimentación por lo general ocupa toda el área de la edificación.

Mediante esta solución se disminuyen los esfuerzos en el suelo y se minimizan los asentamientos diferenciales.

Las cimentaciones superficiales, cuyos sistemas constructivos generalmente no presentan mayores dificultades pueden ser de varios tipos, según su función: zapata aislada, zapata combinada, zapata corrida o losa de cimentación.

En una estructura, una zapata aislada, que puede ser concéntrica, medianera o esquinera se caracteriza por soportar y trasladar al suelo la carga de un apoyo individual; una zapata combinada por soportar y trasladar al suelo la carga de varios apoyos y una losa de cimentación o placa por sostener y transferir al suelo la carga de todos los apoyos.

Las zapatas individuales se plantean como solución en casos sencillos, en suelos de poca compresibilidad, suelos duros, con cargas de la estructura moderadas: edificios hasta de 7 pisos.

Con el fin de darle rigidez lateral al sistema de cimentación, las zapatas aisladas siempre deben interconectarse en ambos sentidos por medio de vigas de amarre.

Las zapatas combinadas se plantean en casos intermedios, esto es, suelos de mediana compresibilidad y cargas no muy altas.  Con esta solución se busca una reducción de esfuerzos, dándole cierta rigidez a la estructura, de modo que se restrinjan algunos movimientos relativos.

La losa de cimentación por lo general ocupa toda el área de la edificación.

Mediante esta solución se disminuyen los esfuerzos en el suelo y se minimizan los asentamientos diferenciales.