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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGOFACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFECIONAL DE INGENIERIA CIVIL
PROYECTO DE TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL
DE INGENIERO CIVIL
“ANÁLISIS COMPARATIVO, ENTRE EL MÉTODO DE DISEÑO CONVENCIONAL
Y EL DE CAPACIDAD ÚLTIMA EN EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE
CIMENTACIONES SUPERFICIALES”.
Línea de Investigación: Estructuras
AUTORES : Bach. CAVERO VARAS, Juan ReynaldoBach. MORENO LAYZA, Eder Manuel
ASESOR : ING. CANCINO RODAS, Cesar Leónidas
TRUJILLO, SEPTIEMBRE 2015
Nº de Registro: _______________
ÍNDICE GENERALI. ASPECTOS INFORMATIVOS.......................................................................................5
1. Título......................................................................................................................................... 5
2. Equipo investigador...................................................................................................................5
2.1 Autores................................................................................................................................ 5
2.2 Asesor................................................................................................................................. 5
3. Tipo de Investigación................................................................................................................. 5
3.1 De acuerdo a la orientacion o finalidad...............................................................................5
3.2 De acuerdo a la tecnica de contrastación............................................................................5
3.3 Por el nivel de conocimientos que se adquieren:................................................................5
4. Régimen de la Investigación.....................................................................................................6
5. Línea de Investigación...............................................................................................................6
6. Institución a la que pertenece el proyecto.................................................................................6
7. Unidad Académica....................................................................................................................6
8. Lugar de desarrollo del proyecto...............................................................................................6
9. Duración del proyecto: 03 meses............................................................................................6
10. Cronograma de Actividades....................................................................................................6
11. Recursos:................................................................................................................................ 7
11.1 Personal............................................................................................................................ 7
11.2 Bienes............................................................................................................................... 7
11.3. Económicos:.....................................................................................................................7
12. Presupuesto............................................................................................................................ 7
13. Financiamiento........................................................................................................................ 8
II. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.................................................................................8
1. El Problema............................................................................................................................... 8
1.1 Planteamiento del Problema................................................................................................8
1.2 Formulación del problema.................................................................................................11
1.3 Alcance.............................................................................................................................. 11
1.4 Justificación de la Investigación........................................................................................11
1.5 Aportes.............................................................................................................................. 12
2. Marco Teórico......................................................................................................................... 12
2.1 Antecedentes de la investigación......................................................................................12
2.2 Fundamentación Teórica...................................................................................................14
3. Hipótesis:................................................................................................................................. 19
3.1 Hipótesis General..............................................................................................................19
3.2 Variables........................................................................................................................... 19
3.3 Operacionalización de las variables..................................................................................20
4. Objetivos................................................................................................................................. 20
4.1 Objetivos Generales..........................................................................................................20
4.2 Objetivos Específicos........................................................................................................20
5. Materiales y Procedimientos...................................................................................................21
5.1 Población y Muestra..........................................................................................................21
5.2. Metodología...................................................................................................................... 21
5.3 Técnicas e Instrumentos de Recolección de datos...........................................................21
5.4 Técnicas de Procesamiento y Análisis de Datos...............................................................21
6. Bibliografía.............................................................................................................................. 21
INDICE DE FIGURAS
Figura 01. Zapata aislada 23
Figura 02. Zapata combinada34
Figura 03. Zapata concetada45
Figura 04. Sección critica para cortante por Punzonamiento 66
Figura 05. Perímetro crítico para diseño por cortante por punzonamiento 55
Figura 06. Perímetro critico por punzonamiento en zapatas de lindero 23
Figura 07. Sección critica para análisis por falla por acción de viga 42
Figura 08. Momento flector por presión de contacto 32
Figura 09. Secciones críticas para diseño por flexión 11
I. ASPECTOS INFORMATIVOS
1. Título“Análisis comparativo, entre el método de diseño convencional y el de
capacidad última en el diseño estructural de cimentaciones superficiales”.
2. Equipo investigador
2.1 Autores
Nombre : Cavero Varas Juan Reynaldo
Grado Académico: Bachiller en Ingeniería Civil
Correo electrónico: [email protected]
Nombre : Moreno Layza Eder Manuel
Grado Académico: Bachiller en Ingeniería Civil
Correo electrónico: [email protected]
2.2 Asesor
Nombre : Cancino Rodas Cesar L.
Grado Académico: Ingeniero Civil
Correo electrónico: [email protected]
3. Tipo de Investigación
3.1 De acuerdo a la orientación o finalidad:
Investigación aplicada
3.2 De acuerdo a la técnica de contrastación:
Investigación documental
3.3 Por el nivel de conocimientos que se adquieren
Investigación Explicativa
4. Régimen de la Investigación
5
Libre
5. Línea de Investigación
Estructuras
6. Institución a la que pertenece el proyecto
Universidad Privada Antenor Orrego
7. Unidad Académica
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
8. Lugar de desarrollo del proyecto
Localidad: Distrito de Trujillo, Provincia de Trujillo, Departamento de la
Libertad.
9. Duración de la ejecución del proyecto (03 meses)
Tres meses
10. Cronograma de actividades
11. Recursos:
6
11.1 Personal.
02 Investigadores
01 Asesor
01 Digitador.
11.2 Bienes.
Papel A4 color blanco, cuaderno empastado, lapiceros, tinta para la
impresora, fólderes manila y lápiz.
11.3 Servicios.
Internet, fotocopiados, impresiones, empastado y anillado, pasajes,
viáticos, biblioteca especializada de ingeniería y biblioteca central
UPAO.
11.4 Materiales
Computadoras, impresora, libros.
12. Presupuesto:
7
CODIGO DETALLE CANTIDAD5101.01.01 Recursos Humanos 300.00
01 Investigadores 0.0001 Asesor 00.0001 Digitador 300.00
5102.01.01 Bienes 275.0005 Papel Bond A4 150.0005 Cuaderno empastado 35.0006 Lapiceros 20.0004 Tinta para impresora 50.0005 Fólderes 10.0004 Lápices 10.00
5102.01.02 Servicios 2190.0080 Internet 140.0050 Fotocopiado 40.0004 Impresión 200.0008 Empastado y anillado 120.00
Pasajes 250.00Viáticos 800.00
Imprevistos 20%RH y 10% bienes 640.005103.04.01 Materiales 1250.00
02 Computadora 800.0001 Impresora 300.0005 Libros 150.00
CONSOLIDADO GENERAL DE GASTOS
CODIGO DETALLE CANTIDAD5101.01.01 Recursos Humanos 300.005102.01.01 Bienes 275.005102.01.02 Servicios 2190.005103.04.01 Materiales 1250.00TOTAL GENERAL 4015.00
SON CUATRO MIL QUINCE SOLES 00/100
13. FinanciamientoEl costo del proyecto es de S/. 4015.00 y será autofinanciado.
II. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
1. EL PROBLEMA
I.1 Planteamiento del problemaDos son los enfoques del diseño estructural conforme a lo disponible a la
fecha: “Diseño por Esfuerzos Admisibles”, conocido por sus siglas ASD
(Allowable Stress Design) y “Diseño por factores de carga y resistencia”,
conocido por sus siglas LRFD (Load and Resistance Factor Design).
En vista de la tendencia hacia el mayor uso del LRFD, en los últimos
tiempos varios países están aplicando esta filosofía de diseño, como por
ejemplo México. Han incluido en su norma la implementación del LRFD
para el diseño estructural de cimentaciones.
El método de “Diseño por Esfuerzos Admisibles (ASD), procura conseguir
que los esfuerzos unitarios actuantes reales en los miembros estructurales
sean menores que los esfuerzos unitarios admisibles, recomendada
actualmente por el reglamento nacional de edificaciones para la primera
etapa del diseño de cimentaciones superficiales, donde establece que:
El área de la base de la zapata debe determinarse a partir de las fuerzas
y momentos no amplificados (en servicio) transmitidos al suelo a través
de la zapata.
8
El área de la zapata debe determinarse a partir de la resistencia
admisible del suelo establecida en el estudio de mecánica de suelos.
Las zapatas deben diseñarse para resistir las cargas amplificadas
(Diseño por Resistencia).
Los criterios de este método se puede expresar como sigue:
qadm=qu
F .S≥qact
La parte izquierda de la inecuación representa la resistencia admisible del
componente o sistema, y la parte derecha representa la carga actuante
esperada.
Sin embargo, durante las dos últimas décadas, el diseño estructural se está
moviendo hacía un procedimiento más racional basado en conceptos de
probabilidades. En esta metodología (LRFD) se denomina “estado límite”
aquella condición de la estructura en la cual cesa de cumplir su función.
Los estados límites se dividen en dos categorías: Resistencia y Servicio. El
primer estado tiene que ver con el comportamiento para máxima
resistencia dúctil, inestabilidad, fatiga, fractura, volteo, deslizamiento o
daño irreversible. El segundo estado tiene que ver con la funcionalidad de
la estructura, en situaciones tales como deflexiones, vibraciones y
deformación.
Aceptando los criterios de base estadística en los que se basa este nuevo
método, se puede expresar el requerimiento de seguridad estructural como
sigue:
∅ Rn≥∑ γ iQi
La parte izquierda de la inecuación representa la resistencia del
componente o sistema, y la parte derecha representa la carga máxima
esperada. La resistencia nominal Rn es reducida por un factor menor que
la unidad (factor de resistencia) para obtener la “Resistencia de Diseño”.
En el Perú hacen falta estudios para determinar estos factores de
resistencia (FR), los que tomaremos como referencia los factores de
resistencia dados por la norma AASHTO en la sección 10 (fundaciones).
9
Al otro lado de la inecuación, las cargas son amplificadas por sus
respectivos factores de mayoración γi para tener las cargas factorizadas.
La filosofía de diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD), están
basadas en los siguientes criterios:
a) Un modelo basado en probabilidades.
b) Calibración de los resultados con los que se obtiene en el método ASD,
con el objeto que las estructuras no sean muy diferentes entre ambos
métodos.
Algunas de las ventajas de este procedimiento son:
1. LRFD aparece más racional y por lo tanto se acerca más a la realidad de
lo que ocurre en la vida útil de la estructura.
2. El uso de varias combinaciones de cargas conduce a economía de la
solución, porque se acerca con más exactitud a lo que ocurra.
3. Es posible introducir algunos cambios en los factores γi o φ cuando se
conoce con mayor exactitud la naturaleza de las cargas. Esto tiene
importancia cuando existen cargas no usuales, o mejor conocimiento de
la resistencia.
Lo que se pretende, entonces es realizar el análisis comparativo, entre el
método de diseño convencional y el de capacidad última en términos
económicos en el diseño estructural de cimentaciones superficiales de una
edificación.
1.2 Formulación del problema:
¿Cuál es la diferencia, entre el método de diseño convencional y el de
capacidad última en el diseño estructural de cimentaciones superficiales?.
1.3 AlcanceLa investigación a realizar tiene un alcance nacional, por la comparación
entre el método de diseño convencional y el de capacidad última en el
diseño estructural de las cimentaciones superficiales establecidos el
reglamento nacional de edificaciones.
1.4 Justificación de la investigaciónEn nuestro país las normas con las cuales se diseñan los diferentes
elementos estructurales de cimentaciones superficiales, establecen que:
10
a) El área de la base de la zapata debe determinarse a partir de las fuerzas
y momentos no amplificados (en servicio) transmitidos al suelo a través
de la zapata.
b) El área de la zapata debe determinarse a partir de la resistencia
admisible del suelo establecida en el estudio de mecánica de suelos.
c) Las zapatas deben diseñarse para resistir las cargas amplificadas
(Diseño por Resistencia).
Donde el dimensionamiento y la verificación de esfuerzos del terreno se
calcula aplicando la filosofía de diseño por esfuerzos admisibles (ASD)”;
las cuales deben ser diseñadas aplicando la filosofía de diseño por
capacidad última (LRFD)”; de forma que la estructura no sobrepase los
estados límites de resistencia ni de servicio, aquella condición de la
estructura en la cual cesa de cumplir su función.
Por ello es necesario hacer una comparación entre ambos métodos de
diseño en términos económicos.
1.5 Aportes Las cimentaciones superficiales serán diseñadas de forma que la
estructura no sobrepase los estados límites de resistencia ni de servicio,
aquella condición de la estructura en la cual cesa de cumplir su función.
Diseñando las cimentaciones superficiales con el método de diseño por
capacidad última (LRFD). Será también seguro y principalmente más
económico ya que se reduce sus dimensiones y su cuantía de acero.
2. MARCO TEORICO
2.1 Antecedentes de la Investigación
Para sustentar este proyecto de investigación se ha tomado como
antecedentes los diversos estudios:
Vela J. en el 2008 en la ciudad de Trujillo, publico en la Universidad Privada Antenor Orrego un informe titulado “ANALISIS COMPARATIVO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN UN EDIFICIO DE CUATRO PISOS EN LA CIUDAD DE TRUJILLO” las
11
alternativas planteadas en este informe fueron zapatas aisladas, zapatas
combinadas y zapatas conectadas. En la primera alternativa se orientó a la
colocación de zapatas combinadas como opción para controlar los efectos
de excentricidad de las zapatas de la edificación y una mejor distribución
de los esfuerzos sobre el terreno existente. En la segunda alternativa fue
orientada a la colocación de zapatas con viga de cimentación, como opción
para controlar los efectos de excentricidad y a la vez un mejor
comportamiento estructural de las zapatas de la edificación. Concluyendo
el costo total de cada alternativa es: Alternativa (1) S/. 89,107.44 y,
Alternativa (2) S/. 99,952.03 de acuerdo a los resultados la alternativa 1
involucra menor cantidad de obra, por consiguiente es la alternativa de
menor costo.
En 2009, Néstor Francisco Grande y Rene Alberto Grande público su investigación titulado “COMPARACION DEL DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO ESTRUCTURAL POR EL METODO DE ESFUERZOS ADMISIBLES (ASD) Y EL DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA (LRFD)” en la Universidad de el Salvador, en la ciudad de San Salvador. Esta tesis concluyo que: El uso de la nueva especificación AISC
2005 metodología LRFD para el diseño de elementos sometidos
compresión axial con un mismo valor de longitud efectiva “KL produce
diseños menos pesados que los obtenidos por las edición AISC 2003, por
lo que para el diseño y revisión de columnas se puede utilizar las
especificaciones anteriores al AISC 2005 pues producen resultados más
conservadoras.
Con respecto a los resultados de las columnas, se puede observar que
cambia la tendencia de la ventaja del método LRFD con respecto al ASD,
pues encontramos que el método de factores de carga y resistencia LRFD
produce diseño de elementos más pesados bajo las mismas condiciones
de apoyos que los diseñados por el método de esfuerzos admisibles (ASD).
Por otra parte se observa que los diseños establecidos bajo condiciones de
apoyos articulados (independientemente del método de diseño utilizado),
producen diseño de elementos más pesado que los establecidos para la
condición de apoyos empotrado.
12
Debido al principio que se maneja en el diseño de estructuras “Columna
fuertes viga débil”, es decir, que el elemento más importante dentro de una
estructura, que debe ser el más resistente antes las solicitaciones de carga
son las columnas, y en base a lo mostrado en la tabla de resultados finales
del modelo real analizado, se puede concluir, que la metodología de diseño
por factores de carga y resistencia “LRFD” de la especificación AISC 2005
produce diseños más conservadores y seguros por lo que debería ser la
metodología en primera instancia a ser utilizada para el diseño de
estructuras seguras.
En 2009, Arias Mejía, Juan Alberto Meléndez Molina, Susana Arely Molina Paiz, Digna Esther en su investigación titulado “REVISIÓN DE LOS PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL PARA FUNDACIONES DE CONCRETO REFORZADO Y SU APLICACIÓN SEGÚN EL CÓDIGO ACI
318 - 05” en la Universidad de el Salvador, en la ciudad universitaria. Esta
tesis concluyo que: El código ACI 318-05 presenta disposiciones para el
diseño de zapatas que soportan una columna, no presenta disposiciones
específicas para el diseño de zapatas corridas y losas de cimentación; para
las cuales sólo establece que se deben diseñar para resistir las cargas
amplificadas y las reacciones inducidas (que incluyen cargas axiales,
momentos y cortantes que tienen que ser soportados en la base de la
zapata).
La resistencia a cortante en el procedimiento manual se considera
únicamente proporcionada por el concreto, por lo que en la medida que el
peralte aumente o disminuya así aumentará o disminuirá la contribución del
concreto.
Para el cálculo manual se tiene que hacer uso de la combinación que
genere las condiciones más desfavorables, sea de análisis (para el pre
dimensionamiento) o de diseño (para la revisión de los estados límites);
misma consideración que también hace el programa.
2.2 Fundamentación Teórica de la Investigación
2.2.1 Cimentaciones Superficiales
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Una cimentación superficial es una subestructura que permite distribuir
la carga de la superestructura (edificio) al suelo. Se utilizan por lo
general en suelos con buena resistencia siendo las zapatas los tipos de
cimentaciones superficiales más empleados. De acuerdo al RNE la
E.050 cimentaciones superficiales son aquellas en las cuales la relación
Profundidad / ancho (Df / B) es menor o igual a cinco (5), siendo Df la
profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma.
El método para diseñar cimentaciones superficiales se basa en la
determinación de la capacidad de carga admisible del suelo. Esto se
refiere a la capacidad que tiene un suelo para soportar una estructura y
las presiones que ésta genere. Para obtener ese valor, se determina
primero la denominada capacidad de carga última, la cual es la carga
por unidad de área que ocasionara falla por cortante en el suelo.
Después de determinar la capacidad de carga ultima se puede calcular
la capacidad de carga admisible, al dividirla entre un factor de seguridad
que varía entre 2.5 y 3 de acuerdo al Reglamento Nacional de
Edificaciones.
La carga admisible del suelo se conoce como capacidad portante del
suelo y a lo largo del anteproyecto se manejara ambos términos
indistintamente.
Por lo tanto, los ingenieros geotécnicos y estructurales que diseñan
cimentaciones deben evaluar la capacidad de carga o portante de los
suelos.
2.2.2 Zapatas
Este tipo de cimentación somera se usa cuando las descargas de la
estructura son suficientemente pequeñas y existen a poca rigidez
necesarias para aceptar las presiones transmitidas por las zapatas sin
que ocurran fallas o hundimientos excesivos. Cuando, para transmitir las
cargas de la estructura al suelo sin que se produzcan presiones
excesivas, se requieren grandes áreas de contacto, la solución con
zapatas se vuelve ineficiente, ya que se trata de elementos que trabajan
en voladizo en los que se presentan momentos flexionantes muy
grandes.
14
2.2.3 Tipos de Zapatas
a. Zapata Aislada
Las zapatas aisladas, son elementos estructurales de concreto
armado, que sirven para repartir las cargas de una columna al suelo,
de tal manera que la resistencia del suelo las soporte. Se deduce que
suelos de buena resistencia tendrán zapatas de menor dimensión, con
respecto a las construidas en suelo de menor resistencia.
Conviene que las zapatas aisladas bajo columnas sean cuadradas en
planta Fig. (01), ya que ésta es la forma para la cual los momentos
flexionantes son menores; se recurrirá a forma rectangular sólo cuando
las condiciones del predio impidan extenderse en alguna dirección o
cuando la columna transmita, además de carga axial, momentos
flexionantes importantes.
Es común que este tipo de cimentaciones se usen en casas
habitación, edificios, naves industriales, postes de alumbrado y
puentes.
b. Zapata Combinada
Se usan para soportar la carga de dos o más columnas. Una zapata
combinada puede ser económica cuando dos o más columnas
fuertemente cargadas están separadas entre sí a una distancia tal que
sus zapatas individuales quedarían traslapadas Fig. (02). También se
usa cuando las dimensiones de las zapatas de las columnas exteriores
están condicionadas por los límites de propiedad generándose
excentricidades en la zapata.
Las zapatas combinadas pueden ser convenientes en los siguientes
casos:
- Cuando las columnas están relativamente muy cercanas entre sí, de
modo que si se usara las zapatas aisladas, estas podrían traslaparse
o bien podrían resultar de proporciones poco económicas.
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- Cuando una columna externa está en un límite de propiedad o muy
cerca de él, de modo que una zapata aislada resultaría de
proporciones poco económicas con una excentricidad excesiva, en
este caso puede combinarse las cimentaciones de la comuna
exterior con la de la columna interior más cercana.
c. Zapatas ConectadasCuando una columna está ubicada en un límite de propiedad requiere
de una zapata excéntrica; ésta, bajo las hipótesis del análisis clásico,
tiene presiones muy elevadas en la zona cercana a la cara extrema,
producto de la distribución triangular de presiones que se produce al
considerar la excentricidad de la carga actuante.
Con el fin de contrarrestar el efecto de la carga excéntrica se recurre a
unir esta zapata con otra interior mediante una viga rígida, recibiendo el
conjunto el nombre de zapatas conectadas. (fig. 03).
En zonas de riesgo sísmico moderado o grande es conveniente unir las
zapatas de una construcción por medio de trabes de liga, cuya función
es lograr que la estructura se mueva como una sola unidad ante la
acción de un desplazamiento horizontal del terreno.
Figura (01). Zapata aislada
16
Figura (02). Zapata Combinada
Figura (03). Zapata Conectada
2.2.4 Métodos de Diseño Estructural
Consiste de los criterios y procedimientos para establecer requisitos de
seguridad y servicio, definir valores de acciones y resistencias, evaluar
los efectos de las acciones y proponer las características de los
elementos estructurales.
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a. Método ASD
Este método se basa en diseñar los elementos para que de una serie
de cargas combinadas los elementos diseñados trabajen dentro del
rango elástico, de manera matemática se puede representar como:
Ra ≤ Rn/Ω
Ra: Es la resistencia requerida determinado por medio del análisis de
una serie de combinaciones de carga, las combinaciones de cargas
son propuestos por las especificaciones AISC en el método ASD, las
cuales se detallaran más adelante.
Rn: Es el esfuerzo nominal de los materiales, los cuales son
estandarizados y propuestos por los proveedores y/o comprobados en
base a diferentes pruebas de materiales.
Ω: Es el factor de seguridad el cual hace que los materiales trabajen
dentro de sus estados límites, estos factores de seguridad son
estandarizados por el AISC, los cuales tiene diferentes valores
dependiendo la acción interna al que esté sometido el elemento.
El diseño en base a este método implica la selección de una sección
transversal que cumpla los fundamentos básicos del diseño
(economía, seguridad y funcionalidad) y que esta sección
seleccionada vaya a estar expuesta a esfuerzos cuyos valores
máximos no excedan los estados limites (rango elástico).
2.2.5 Combinación de Cargas para Diseños por Esfuerzos Admisibles
Excepto en los casos indicados en las normas propias de los diversos
materiales estructurales, todas las cargas consideradas en la
presente Norma se considerará que actúan en las siguientes
combinaciones, la que produzca los efectos más desfavorables en el
elemento estructural considerando, con las reducciones, cuando sean
aplicables.
(1) D(2) D + L
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(3) D + (W ó 0,70 E)(4) D + T(5) ∝ [D + L + (W ó 0,70 E)] (6) ∝ [D + L +T](7) ∝ [D + (W ó 0,70 E) + T] (8) ∝ [D + L + (W ó 0,70 E) + T]
Donde:
D = Carga muertaL = Carga vivaW = Carga de vientoE = Carga de sismo Según NTE E.030 Diseño Sismo- resistente T = Acciones por cambios de temperatura, contracciones y/o deformaciones diferidas en los materiales componentes, asentamientos de apoyos o combinaciones de ellos. ∝ = Factor que tendrá un valor mínimo de 0,75 para las combinaciones (5), (6) y (7); y de 0,67 para la combi- nación (8). En estos casos no se permitirá un aumento de los esfuerzos admisibles.
b. Método LRFD
Este método se basa en diseñar los elementos de una estructura para
que resistan cargas mayores a las de servicio de manera que se
considera la resistencia o la condición de falla. De manera
matemática la relación que describe el método es la siguiente:
Ru ≤ Φ Rn
Donde:
Ru: Es la carga factorizada, lo cual es la suma de todas las cargas de
servicio que resistirá los miembros, cada una de estas cargas es
multiplicada por su propio factor de carga los cuales son valores
mayores que la unidad (a excepción de la combinación de carga seis
donde relacionan la carga muerta con la sísmica o de viento) y estos
son propuestos por el AISC en su metodología LRFD.
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Rn: Es la resistencia nominal de los materiales, las cuales son
estandarizadas por sus proveedores y verificada por pruebas de
materiales.
Φ: Es el factor de resistencia dado por las especificaciones para cada
estado límite, los cuales son generalmente valores inferiores a la
unidad.
De manera general este método trata de que los miembros resistan
como cargas máximas cargas que no hagan alcanzar sus estados
límites de falla. El objetivo principal de este método es proveer una
confiabilidad uniforme a la estructura bajo varias consideraciones de
carga.
2.2.5 Requisitos de resistencia y de servicioLas estructuras y los elementos estructurales deberán diseñarse para
obtener en todas sus secciones resistencias de diseño (Φ Rn) por lo
menos iguales a las resistencias requeridas (Ru), calculadas para las
cargas y fuerzas amplificadas en las combinaciones que se aplican a la
norma establecida. En todas las secciones de los elementos
estructurales deberá cumplirse: Φ Rn ≥ Ru
Las estructuras y los elementos estructurales deberán cumplir además
con todos los demás requisitos de esta Norma, para garantizar un
comportamiento adecuado bajo cargas de servicio.
2.2.5.1Requisitos generales de resistencia
a. Resistencia requerida
La resistencia requerida para cargas muertas (CM) y cargas vivas
(CV) será como mínimo:
U = 1,4 CM + 1,7 CV
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de viento (CVi), la
resistencia requerida será como mínimo:
U = 1,25 (CM + CV CVi)
20
U = 0,9 CM 1,25 CVi
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de sismo (CS), la
resistencia requerida será como mínimo:
U = 1,25 (CM + CV) CS
U = 0,9 CM CS
No será necesario considerar acciones de sismo y de viento
simultáneamente.
2.2.6 Diseño Básico de cimentaciones
El diseño de una cimentación es similar al realizado para cualquier otro
elemento estructural, es decir hay que verificar los diferentes esfuerzos
que se presentan.
Así mismo el diseño se efectúa empleando el método de resistencia a la
rotura, el cual considera factores de amplificación de carga y factores de
reducción de resistencia.
Para el diseño deber tenerse en consideración dos etapas:
2.2.6.1 Dimensionamiento en planta
En esta etapa deberá obtenerse el área de cimiento, de manera que la
presión que deba transmitirse al terreno sea menor o igual a la presión
admisible determinada por un estudio de mecánica de suelos.
Las cargas y momentos por considerar son aquellas que actúan en la
base de la columna y no deberán amplificarse, es decir se deberá
trabajar con cargas de servicio, pero verificando las diferentes
combinaciones actuantes sobre las estructuras
Deberá adicionarse a las cargas antes mencionadas un porcentaje
equivalente entre el 5% y el 20% para tomar en cuenta el peso de la
zapata.
21
La Norma E.060, en su artículo 15.2.4, permite un incremento del 30%
en la presión admisible del suelo cuando se incluyen los efectos de
sismo.
Areareq .=(1+%PP)(PCM+PCV )
σadm
Las dimensiones de la zapata aquí obtenidas son preliminares y deberá
verificarse que el esfuerzo máximo, producido por la acción conjunta de
la carga axial y los momentos, sea menor a la presión admisible del
suelo. Se asume la siguiente distribución de esfuerzos.
El esfuerzo máximo se presentará en las esquinas de la zapata y se
calcula mediante la siguiente expresión.
σ= PBL
± 6 MB L2
Luego se procederá a verificar las presiones transmitidas al terreno
dimensionando la zapata con el área antes hallada y teniendo cuidado
en obtener volados igual en ambos sentidos de esta, esta verificación
se realizará para ambos sentidos de la zapata.
Luego se procederá a hallar la presión critica de diseño que es
esfuerzo al cual está sometida la zapata al estar en contacto con el
suelo.
σ máx. es el mayor valor de las presiones transmitidas al terreno
2.2.6.2 Diseño de la cimentación:
a) Verificación por cortante Flexión
22
El diseño debe verificarse en una sección a la distancia “d” de la cara de
la columna, debiéndose evaluar en las dos direcciones en forma
independiente.
Es la resistencia al cortante proporcionada por el concreto.
Es la resistencia proporcionada por el refuerzo del acero en el alma.
Algo importante a saber es que por economía, generalmente no se
utiliza refuerzo a cortante en zapatas, por lo que el diseño se realiza
considerando que todo el cortante lo absorbe el concreto, lo que significa
que es el cortante el que regula el peralte de la zapata.
La falla por cortante en las zapatas puede darse de dos formas. En dos
direcciones (por punzonamiento) y en una dirección (por cortante
flexión), demostrando que “el procedimiento para proyectar zapatas,
como el que se emplea para otros elementos de concreto reforzado, se
fundamenta en la manera en la que este pueda fallar”.
Figura (04). Sección critica para análisis por falla a cortante flexión
Por tanto:V u=σu .B . x
Cortante que toma el concreto
V c=0.53√ f ' c . b . d
23
Debe cumplir que:
V u≤∅ V c
V u≤∅ 0.53√ f ' c . b . d Si no cumpliere aumentar f’c o d
b) Cortante en dos direcciones (por punzonamiento) La sección crítica para este refuerzo está localizada a la distancia de
medios de la cara de la columna o pedestal y deberá edificarse en
ambas direcciones, debiéndose cumplir lo siguiente:
Relación del lado largo al lado corto de la columna
Perímetro de la sección crítica, medida a la distancia “d/2” de la cara del
apoyo.
El peralte mínimo a usar debe ser aquel que tenga en cuenta la longitud
de anclaje para los diferentes diámetros de varillas a usar,
recomendándose como mínimo 0,50 mts.
Figura (05). Perímetro crítico para diseño por cortante por punzonamiento
V up≤σ u [ AT−A0 ]
A0=(c1+d )(c2+d )
Cortante que toma el concreto por punzonamiento
24
V cp=[0.53+ 1.1βc ]√ f ' cb0d ≤1.1√ f 'c b0d
b0=2 [(c1+d )(c2+d) ]
V up≤∅V cp
2.2.7 Verificación por aplastamiento Se produce en la zona de aplicación de la carga.
Cuando la zona de la carga es toda el área, el esfuerzo último admisible
por aplastamiento es:
Cuando la zona de la carga es menor a 1/3 del área total
f pu=PuAc
SiA c
AZ≤ 1
3∴ f padm=0.71 f ' c
Si 13<A c
AZ<1∴ f padm=0.475 f ' c
Debe cumplirse f puact≤ f padm
2.2.8 Diseño por flexiónUna vez definido el peralte de la zapata mediante las verificaciones
anteriores, se determina el área del refuerzo necesario para resistir los
momentos de flexión.
El momento flector máximo se considera en la cara de la columna y se
determina para cada dirección independientemente, de manera que si
los volados no son iguales el acero es diferente en cada dirección.
Para el caso de muros de albañilería, la sección crítica se considera en
el punto medio entre el eje central y el borde del muro.
El diseño por flexión se hace con las ecuaciones de equilibrio de la
sección transversal.
25
Figura (06). Momento flector por presión de contacto
Figura (07). Secciones críticas para diseño por flexión
M ux=σuB x2
2
26
M uy=σuL y2
2
Verificar M mínimo
Mmin=∅ A smin f y (d−amin
2)
A smin= ρminbd
amin=A smin f y
0.85 f ' cb
A s=M u
∅ f y (d−a2)
En zapatas armadas en una dirección (cimentaciones corridas) y en
zapatas cuadradas armadas (en dos direcciones), el refuerzo deberá
distribuirse uniformemente a través del ancho total de la zapata.
En zapatas rectangulares armadas en dos direcciones, el refuerzo
deberá considerarse como se indica
En la dirección larga el refuerzo se distribuirá uniformemente a
través del ancho total
En la dirección corta se considerará una porción del acero total
requerido en una franja centrada respecto al eje de la columna, cuyo
ancho sea igual a la longitud del lado corto de la zapata; esta porción
será :
Relación lado largo a lado corto de la zapata
El resto del refuerzo deberá distribuirse uniformemente en las zonas que
quedan fuera de la franja así definidos.
27
2.3 Diseño Básico de zapata con carga Concéntrica y Excéntrica con la filosofía de diseño de factores de carga y resistencia.
La determinación del área de la zapata para el caso donde la carga esta aplicada concéntricamente está dada por la siguiente ecuación
AB=Pu
PR
En donde A y B son los lados de la zapata, Pu es la carga total trasmitida al suelo (incluyendo el peso propio de la cimentación y factores de carga) y PR resulta ser el esfuerzo resistente del suelo.
Para el caso de zapatas en donde la carga se trasmite con una excentricidad e en un solo sentido.
B=Pu
APR+2e
Si la zapata recibe una carga con excentricidad en dos direcciones, se aplica entonces la ecuación (03)
B=Pu
( A−2ex) PR
+2e x
3. Hipótesis3.1 General
La diferencia entre el método de diseño convencional y el de
capacidad última en el diseño estructural de cimentaciones
superficiales, será la reducción de la cuantía de acero y las
dimensiones.
3.2Variables
a) Variable independiente: “Diseño convencional”.
28
Indicadores. Verificación de esfuerzos admisibles.
Verificación por cortante.
Verificación por punzonamiento.
Diseño por flexión.
b) Variable independiente:“Diseño por capacidad última”.
Indicadores. Verificación de esfuerzos últimos.
Verificación por cortante.
Verificación por punzonamiento.
Diseño por flexión.
3.3 Operacionalización de las variables
Variables Dimensión Indicador Nivel de dimensión Métodos y técnicas
“Diseño Convencional”
Análisis
Leer y analizar la bibliografía.
Aplicar los criterios de la bibliografía.
Nominal
Ordinal
1) Tipo de Investigación:
Por el propósito: Investigación Aplicada
Por la clase de medios utilizados para obtener los datos: Investigación Documental
Por el nivel de conocimiento que se adquieren: Investigación Explicativa
2) Procedimiento:
Recolección de datos. Análisis de
cimentaciones
Diseño
Diseñar los elementos estructurales de las cimentaciones superficiales a través del “Diseño por factores de carga y resistencia”.
Ordinal
Análisis comparativo
Cuantificar la cantidad de acero y verificar las dimensiones obtenidas por el “Diseño por factores de carga y resistencia”.
Ordinal
29
VARIABLE IND
superficiales. Diseño por Resistencia
Admisible. Diseño por factores de
carga y resistencia. Análisis comparativo. Validación de
resultados.
3) Técnicas de Recolección de Datos: Fichaje
4) Técnica de Procesamiento y Análisis de Datos:
Análisis he Inductivo
VARI
ABLE
IND
EPEN
DIEN
TE
“Diseño por Capacidad
Ultima”.
Análisis
Leer y analizar la bibliografía.
Aplicar los criterios de la bibliografía.
Nominal
Ordinal
Diseño
Diseñar los elementos estructurales de las cimentaciones superficiales a través del “Diseño por resistencia admisible”.
Ordinal
Análisis comparativo
Cuantificar la cantidad de acero y verificar las dimensiones obtenidas por el “Diseño por resistencia admisible”.
Ordinal
TABLA 5: Operacionalización de las Variables
FUENTE: Elaboración propia
4. OBJETIVOS4.1 OBJETIVO GENERAL
30
El objetivo del presente trabajo es efectuar un análisis comparativo
entre el método de diseño convencional y el de capacidad última, en
el diseño estructural de cimentaciones superficiales.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Elaborar el diseño de los elementos estructurales de la edificación.
Diseñar la cimentación empleando el método de diseño
convencional.
Diseñar la cimentación empleando el método de diseño por
capacidad última.
Elaborar los planos de cimentación.
Elaborar el presupuesto de la cimentación.
Comparar cada uno de los elementos estructurales de la
cimentación superficial diseñados por los dos métodos, y
determinar que método provee diseños más económicos y menos
sobre dimensionados.
Elaborar hojas de cálculo para el diseño de cimentaciones por
ambos métodos.
Validar los resultados de ambos métodos mediante el uso de
programas especializados.
5. MATERIAL Y PROCEDIMIENTOS5.1 Población y muestra
La población coincidirá con la muestra como sujeto único de
análisis y estas serán el diseño de cimentaciones superficiales.
5.2 Metodología5.1.1. Tipo de Investigación
Por el propósito: Investigación Aplicada
Por la clase de medios utilizados para obtener los datos: Investigación Documental
Por el nivel de conocimiento que se adquieren: Investigación Explicativa
31
5.1.2. Procedimiento:
5.3 Técnicas e Instrumentos de recolección de datosTécnicas
La técnica a utilizar para la recolección de datos será el fichaje,
mediante la cual se podrá recolectar información sobre las
diferencias conceptuales que existen entre el “Método de Diseño
por Estados Limites” y el “Método de Diseño por Resistencia
Admisible”.
32
RECOLECCION DE DATOS
ANALISIS DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES
ZAPATA CORRIDA ZAPATA AISLADA ZAPATA COMBINADA ZAPATA CONECTADA LOSAS DE CIMENTACIONES
“DISEÑO POR RESISTENCIA
ADMISIBLE (ASD)”.“DISEÑO POR CAPACIDAD
ÚLTIMA (LRFD)”
ANALISIS COMPARATIVO
VALIDACION DE RESULTADOS
Instrumentos
Para recolectar la información se utilizará los siguientes
instrumentos:
Fichas resúmenes
Fichas textuales
Fichas de análisis de contenido
Fichas bibliográficas
5.4 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS Se utilizarán las siguientes técnicas:
5.4.1. Análisis:
Se realizará una comparación de los resultados
provenientes de ambos métodos.
5.4.2. Inductivo:
Se elevarán conclusiones a partir del análisis comparativo.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
33
- Braja M. Das (2001). Principios de ingeniería de cimentaciones. Cuarta Edición. International Thomson Editores S.A. de C.V.
- Braja M. Das (2012) Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones. Séptima Edición. Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc.
-Roberto Meli Piralla (2001).Diseño Estructural. Segunda Edición. Editorial Limusa, México.
-Peck, Hanson, Thornburn. Ingeniería de Cimentaciones. Editorial Limusa, México.
-Arthur H. Nilson (2001). Diseño de Estructuras de Concreto. Duodécima Edición. Copyright O 1999, por McGraw-Hill Interamericana, S.A.
ANEXOS
34
________________________________FECHA DE PRESENTACIÓN
_______________________________FIRMA DEL INVESTIGADOR
_______________________________FIRMA DEL INVESTIGADOR
_______________________________VISTO BUENO DEL ASESOR
35