Las vigas de fundación suelen ser parte de los sistemas de cimentaciones más utilizados actualmente. En los programas de INESA TECH se profundiza en el diseño de estos elementos considerados parte del sistema resistente ante fuerzas sísmicas. Si quieres aprender sobre este tema, te invitamos a leer el artículo que hemos preparado.
Cimentaciones Aisladas
Las vigas de fundación normalmente se utilizan en zapatas aisladas o combinadas donde es importante el control de las presiones y la distribución de fuerzas y momentos a través de ellas. Sin embargo, es importante mencionar que la distribución de la reacción del suelo no solo depende de la rigidez de la cimentación si no también del tipo de material de apoyo tal y como se muestra a continuación:
Como se observa, en suelos granulares la presión es mayor en la zona central, esto se debe a que existe una mayor tendencia a desplazar el suelo en los bordes de la cimentación haciendo que se reduzca su reacción, esto dependerá en gran medida de la profundidad de la cimentación. Por el contrario, en los suelos cohesivos al tener partículas más finas, las fuerzas de cohesión entre ellas son mayores haciendo que el suelo alrededor del área cargada ejerza una fuerza sobre esta que aumenta la reacción del suelo en estos bordes.
En la figura se puede observar que la suposición 3 asume que la distribución de la reacción del suelo es uniforme, lo cual se traduce en resultados más conservadores.
En los modelos matemáticos de análisis se calculan las presiones que transmite la cimentación al suelo y en función de estos valores se debe analizar si es necesario colocar vigas de fundación con el objetivo de uniformizar estas presiones y a la vez funcionar como un diafragma.
Tipos de vigas de fundación
• Vigas de conexión o de atado
Las vigas de conexión tienen la función de reducir las presiones en las zapatas, el objetivo de estos elementos es lograr el movimiento uniforme de las zapatas al momento de recibir cargas laterales. En zonas de sismicidad alta se deben colocar en ambas direcciones ortogonales para lograr el desplazamiento uniforme en las 2 direcciones de análisis. Estas vigas de conexión soportan esfuerzos de tracción y compresión mayoritariamente. En el ACI 318-19 en la sección 18.13.4.2 se indica lo siguiente:
“Para estructuras asignadas a CDS D, E o F, las zapatas aisladas individuales cimentadas en perfiles de suelo definidos en ASCE/SEI 7 como perfiles Clase E o F deben interconectarse con amarres sísmicos de cimentación”. (ACI 318-19).
• Vigas de cimentación
Las vigas de cimentación son elementos que permiten tomar esfuerzos de flexión que se transmiten a la cimentación a través de las columnas, dado que su mayor objetivo es tomar estos esfuerzos, su detalle requiere mayor canto que las vigas de conexión y una distribución predominante del acero en su parte superior con el objetivo de tomar estos esfuerzos. En el ACI 318-19 en la sección 18.13.4.2 se indica lo siguiente:
“Para las estructuras asignadas a los SDC D, E o F, las vigas de grado y las vigas que forman parte de una cimentación de estera sometidas a flexión desde columnas que forman parte del sistema de resistencia a la fuerza sísmica deberán estar de acuerdo con 18.6”. (ACI 318-19).
ACI 318-19 sección 18.13.3.1
“Las vigas que resisten los esfuerzos de flexión debidos a los momentos de los pilares deben tener detalles de refuerzo similares a los de las vigas de la estructura situada por encima de los cimientos.”. (ACI 318-19).
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Requisitos y consideraciones de diseño
En la sección 18.13.3 del ACI se indican las siguientes consideraciones para vigas sobre el terreno:
18.13.3.1 Las vigas sobre el terreno y las vigas que sean parte de una losa de cimentación y estén sometidas a flexión de columnas que son parte del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas deben cumplir con lo indicado en 18.6.
18.13.3.2 Las losas sobre el terreno que resisten fuerzas sísmicas provenientes de los muros o columnas que son parte del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas deben diseñarse como diafragmas estructurales de acuerdo con lo indicado en 18.12. Los documentos de construcción deben especificar claramente que la losa sobre el terreno es un diafragma estructural y es parte del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas.”
“18.13.4.4 Las vigas sobre el terreno diseñadas para actuar como amarres horizontales entre cabezales de pilotes o zapatas deben tener refuerzo longitudinal continuo que debe desarrollarse dentro o más allá de la columna soportada, o anclarse dentro del cabezal de pilotes o zapata en todas las discontinuidades.
18.13.4.4 Las vigas sobre el terreno diseñadas para actuar como acoples horizontales entre cabezales de pilotes o zapatas deben diseñarse de tal manera que la menor dimensión transversal sea igual o mayor que el espacio libre entre columnas conectadas dividido por 20, pero no necesita ser mayor a 450mm. Se deben colocar estribos cerrados con un espaciamiento que no exceda el menor entre la mitad de la menor dimensión transversal y 300 mm.
Tal como se describe en los artículos anteriores, las vigas de fundación son elementos estructurales que reciben fuerzas tanto de tracción y compresión como esfuerzos de flexión, es en este sentido que resulta necesario detallar adecuadamente estos elementos para dotar a la estructura de suficiente rigidez y resistencia en la cimentación. Cabe mencionar que el ACI recomienda diseñar las cimentaciones para que se mantengan en el rango elástico con el objetivo de reducir el daño causado por sismo.
Referencias
- Moehle, J. (2015). Seismic design of reinforced concrete buildings. McGraw Hill
- Ortega, J, (2015). Diseño de Estructuras de Concreto Armado, Tomo II. Editorial Macro
- Palma, E. (2024). Hormigón armado, cimentaciones. EP. https://eduardopalma.notion.site/Bienvenido-235620b351734675b77a3160382fa58c
- American Concrete Institute. (2019). ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. American Concrete Institute.
