La confiabilidad general de un sistema de fundaciones depende de algunos factores que definen la capacidad del sistema para funcionar en circunstancias adversas

Construcción:

Fundaciones para sistemas de construcción metálica

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Los sistemas de construcción de metal (MBS), también conocidos como edificios metálicos prediseñados, son estructuras patentadas diseñadas y fabricadas por sus proveedores. Los edificios de metal son extremadamente populares y representan un porcentaje sustancial de edificios no residenciales de poca altura en los Estados Unidos. El diseño de los cimientos para estas estructuras a menudo implica desafíos especiales. Los procedimientos de diseño a menudo no se comprenden bien, porque no están especificados en los códigos de construcción y las guías técnicas de diseño. Como resultado, los diseños de cimientos producidos por diferentes ingenieros para la misma estructura de construcción metálica podrían variar desde aquellos que cuestan una cantidad trivial hasta aquellos que son bastante caros de construir. Este artículo analiza las razones de tal disparidad y malentendido y examina las opciones de diseño disponibles.

Los principales desafíos

Varios desafíos hacen que los cimientos de los sistemas de construcción metálicos sean diferentes de los utilizados en los edificios convencionales:

• Los MBS de un solo piso son extremadamente livianos. El peso total de la estructura podría estar entre 2 y 5 libras por pie cuadrado (psf), lo que significa que un fuerte viento genera una carga de elevación neta en los cimientos.

• Los tipos más populares de los marcos primarios utilizados en MBS (marcos rígidos a dos aguas) ejercen importantes reacciones de columna horizontal en los cimientos. Tales reacciones también podrían estar presentes en algunos cimientos de construcción convencionales, pero rara vez en cada columna, y en combinación con la elevación.

• Debido a que los MBS son estructuras patentadas, los fabricantes a menudo informan reacciones de columna ligeramente diferentes para los edificios con idéntica carga y configuración. En los proyectos de construcción que utilizan fondos públicos y requieren licitación competitiva, los fabricantes de MBS no pueden seleccionarse antes de que se diseñen las bases. En consecuencia, las reacciones de la columna deben ser estimadas por los diseñadores de la fundación, corriendo el riesgo de que las reacciones finales excedan las utilizadas en el diseño.

• Desafortunadamente, en muchas situaciones, el propietario del edificio decide adquirir primero la superestructura metálica del edificio y luego diseñar los cimientos, como una ocurrencia tardía. Sin un ingeniero estructural involucrado en el establecimiento de los parámetros de diseño para el MBS, algunos fabricantes podrían optar por proporcionar el diseño más barato posible. Un ejemplo de ello es un edificio con columnas de marco de base fija, lo que puede generar un ahorro menor en los costos para el fabricante, pero en grandes aumentos de costos para la base frente a las columnas con base de pasador.

• La falta de procedimientos de diseño claros naturalmente da como resultado soluciones de diseño desiguales. Algunos diseños de cimientos para edificios metálicos han sido demasiado complicados, y algunos apenas han sido adecuados para las cargas impuestas (o no lo han sido en absoluto).

Elevación y reacciones de columna horizontal

En MBS de un solo piso, la carga muerta es generalmente insuficiente para contrarrestar los efectos de la elevación generada por el viento. Además, los códigos de construcción requieren que no se use más del 60% de “la carga muerta que probablemente esté en su lugar” en combinación con el levantamiento del viento (la combinación de carga “básica” del Código Internacional de Construcción (IBC) para el método de diseño de tensión admisible) . Por lo tanto, el peso del “lastre” debe ser sustancial. Para una base poco profunda típica, como una base de columna aislada, el “lastre” consiste en la base, el pedestal de la columna (si lo hay) y el suelo en las repisas de la base. Algunos ingenieros también incluyen una contribución de la resistencia a la fricción del suelo.

Muy a menudo, el tamaño mínimo de los cimientos de las columnas está dictado por la cantidad mínima de “lastre”, no por la capacidad de soporte del suelo para cargas descendentes. Esto suele sorprender a los diseñadores de cimientos que no están familiarizados con los detalles de MBS. El ejemplo de diseño en la barra lateral ilustra el proceso de dimensionar un pie de columna aislado para la elevación.

Los marcos rígidos a dos aguas ejercen reacciones de columna horizontal en los cimientos. Esto ocurre bajo carga de gravedad, cuando las reacciones son numéricamente iguales pero actúan en direcciones opuestas (Figura 1a), así como bajo viento o carga sísmica, cuando las reacciones generalmente actúan en la misma dirección (Figura 1b).

Algunos sistemas de cimientos disponibles

Las reacciones en columna vertical y horizontal pueden ser resistidas por una variedad de sistemas de cimientos, como los que se enumeran a continuación y se ilustran en la Figura 2. Diseñados adecuadamente, cada sistema puede resistir el nivel requerido de reacciones de marco horizontal y vertical. Sin embargo, la experiencia muestra que algunos sistemas podrían ser más o menos aplicables en diversas circunstancias. Cada sistema tiene ventajas y desventajas, como se resume en la Tabla 1.

La tabla compara el costo, la confiabilidad y el grado de versatilidad de los sistemas de cimientos seleccionados utilizados en edificios prediseñados. Aquí, la fiabilidad se refiere a la probabilidad de que el sistema de cimentación funcione según lo previsto para el período de tiempo deseado en diversas condiciones de campo. Los sistemas más confiables pueden tolerar irregularidades inevitables en la construcción, carga y mantenimiento. La confiabilidad general de un sistema base depende de tres factores que definen la capacidad del sistema para funcionar en circunstancias adversas:

• Simplicidad de instalación. Los cimientos que son difíciles de instalar o requieren una instalación perfecta tienden a ser menos confiables, porque algunos errores de colocación son comunes y la perfección en la construcción de cimientos es rara.

• Redundancia. Los sistemas redundantes tienen más de una ruta de carga para transferir las reacciones de la columna al suelo. Si una ruta de carga está bloqueada, otra ruta se hace cargo.

• Sobrevivencia. ¿Puede el sistema mantener su capacidad de carga después de que algunos de los elementos adyacentes del edificio se hayan dañado? Por ejemplo, ¿qué sucede si la losa en la pendiente se corta o se quita parcialmente?

• La versatilidad, como se señala en la Tabla 1, la poseen los sistemas que pueden usarse con diversas condiciones de suelo y suelo (por ejemplo, zanjas y fosas de suelo).

El tamaño final de la zapata es de 8.0 pies x 8.0 pies x 3 pies 8 pulgadas de profundidad, controlado por levantamiento.

Algunos sistemas básicos comúnmente utilizados en MBS son:

• Tirantes (Figura 2a). En esta solución intuitivamente atractiva, los cimientos en las columnas del edificio opuesto están unidos, “extinguiendo” ambas reacciones de la columna horizontal. La construcción de la barra de acoplamiento varía desde la más barata y menos confiable, como un par de barras de refuerzo colocadas en una losa engrosada, hasta la relativamente costosa y mucho más confiable, como vigas de concreto. La capacidad de supervivencia del primero es baja, porque existe una clara posibilidad de que la losa en el nivel se corte o se elimine parcialmente en algún momento, mientras que las vigas de grado colocadas debajo de la losa probablemente sobrevivirán a tal escenario. También están los problemas de elongación elástica de la barra de acoplamiento bajo carga y si la barra de acoplamiento se considera un “miembro de tensión” bajo las disposiciones de la norma ACI 318 del American Concrete Institute. La versatilidad de este sistema está en el extremo inferior del espectro, ya que los tirantes no se pueden usar en edificios con trincheras profundas, depresiones y pozos.

• Horquillas con tirantes de losas (Figura 2b). La idea general detrás de este diseño es la misma que en el sistema de tirantes, pero la fuerza de tensión es resistida por un refuerzo de acero distribuido en la losa del piso (ataduras de losa) en lugar de por tirantes discretos. Este es el método menos costoso para resistir las reacciones de la columna horizontal y, por esta razón, las horquillas se han usado ampliamente en el pasado. Pero el sistema tiene múltiples desventajas. Entre ellos se encuentra una dependencia total en la losa del piso, lo que hace que el sistema sea vulnerable a la losa que se corta o se elimina parcialmente. Otros problemas incluyen juntas de construcción en losas en pendiente, donde el refuerzo de la losa generalmente se detiene, e incluso el problema fundamental de tratar las losas en pendiente como elementos estructurales. Las losas en el suelo están excluidas del alcance de ACI 318, excepto cuando transmiten fuerzas laterales de otras partes de la estructura al suelo. Si el diseñador tiene la intención de que la losa en el nivel cumpla con ACI 318, la losa debe diseñarse y construirse con mayor cuidado que las prácticas prevalentes. Como mínimo, debe reforzarse de manera más sustancial que con una capa de tela ligera de alambre soldado, para proporcionar un porcentaje mínimo de refuerzo de “contracción”.

• Fundaciones resistentes al momento (Figura 2c). Estos cimientos funcionan de manera similar a los muros de contención en voladizo: el peso de los cimientos, y cualquier suelo sobre ellos, resiste el vuelco y el deslizamiento causado por fuerzas horizontales externas. Debido a que no depende de una contribución de la losa en el nivel, la base resistente al momento representa uno de los sistemas más confiables disponibles. También es uno de los más versátiles, ya que las trincheras profundas, las depresiones y los hoyos en el piso, o ningún piso, no afectan su función. El sistema incluso se puede utilizar en instalaciones en laderas, donde un extremo del edificio es más bajo que el otro. Sin embargo, los procedimientos de diseño para cimientos resistentes al momento son relativamente largos y los costos de construcción podrían ser altos.

• Losa con ancas profundas (Figura 2d). Este sistema se ha utilizado ampliamente en la construcción residencial, y algunos también han intentado utilizarlo para soportar grandes edificios prediseñados. La losa con ancas profundas, también conocida como losa doblada hacia abajo, funciona de manera similar a la base resistente al momento, y un diseño riguroso daría como resultado el “anca” del tamaño similar a la base de la base resistente al momento. No es necesario decir que este no es el tamaño que esperan los defensores de este sistema. La confiabilidad y versatilidad de la losa con ancas depende de si el diseño depende de la contribución de la losa en la pendiente. Si lo hace, tanto la confiabilidad como la versatilidad estarían en el extremo inferior del espectro, similar al sistema de horquilla.

• Zanja (Figura 2e). En este diseño, se excava una zanja profunda y se llena con concreto. La base resultante podría hacerse lo suficientemente pesada como para resistir el levantamiento y lo suficientemente profunda como para desarrollar la presión pasiva del suelo. Dado que el diseño no depende de la contribución de la losa en el nivel, tanto la confiabilidad como la versatilidad de este sistema son altas. Obviamente, las zapatas de zanjas (también conocidas como cimientos en masa o zapatas sin forma) solo se pueden usar en los suelos que permiten que la zanja excavada sea estable durante la construcción. Esto generalmente requiere suelos arcillosos.

• Colchonetas (Figura 2f). El uso de esteras puede ser ventajoso en cimientos de edificios metálicos que tienen suelos pobres. Según una regla general, cuando las zapatas de columna aisladas cubren más del 50% de la huella del edificio, las alfombras se vuelven económicas. Las colchonetas suelen reforzarse en dos direcciones, tanto en la parte superior como en la inferior. Las colchonetas pesadas funcionan bien para resistir la elevación del viento, y su refuerzo continuo resuelve el problema de “extinguir” las reacciones de la columna horizontal en los extremos opuestos de los marcos. Uno de los desafíos del uso de esteras en edificios metálicos con marcos rígidos de múltiples tramos es la colocación de pernos de anclaje para columnas interiores. Esto a menudo requiere colocar una “losa de lodo” separada, que se puede usar para soportar temporalmente los pernos de anclaje. Las colchonetas poseen una alta confiabilidad (es poco probable que se corten casualmente) pero una baja versatilidad, ya que no funcionan con zanjas profundas, depresiones y fosas. Su costo es relativamente alto.

• Cimientos profundos (Figura 2g). Hay dos tipos principales de cimientos profundos: pilares profundos (también llamados cajones o pozos perforados) y pilotes. Los pilares profundos generalmente poseen suficiente carga muerta para contrarrestar la elevación moderada del viento. Si se necesita “lastre” adicional, se podría considerar una contribución de las vigas de grado perimetral. Las vigas graduadas también comprometen la resistencia pasiva a la presión del suelo y ayudan a resistir las reacciones de la columna horizontal. Las pilas pueden resistir tanto la elevación como las fuerzas horizontales de varias maneras, incluida la fricción en suelos cohesivos y la flexión. Debido a que los cimientos profundos generalmente no dependen de una contribución de las losas de piso, estos cimientos son confiables y versátiles. Pero también son costosos y generalmente se usan solo en suelos pobres, particularmente aquellos donde los estratos débiles están cubiertos por materiales competentes.

Al comprender las ventajas y desventajas de varios sistemas de cimientos utilizados en edificios prediseñados, los diseñadores deberían poder seleccionar el diseño de cimientos que más se ajuste al uso, la configuración y el rendimiento esperados del edificio en su conjunto.

Un ejemplo de diseño simplificado para dimensionar un pie de columna aislado para fuerzas hacia abajo y elevación.

Dado: Seleccione el tamaño de una base de columna aislada para soportar una columna interior de un marco rígido de tramo múltiple de un solo piso. El espacio de las columnas interiores dentro del marco es de 60 pies; Los marcos son de 25 pies en los centros. Las siguientes cargas actúan sobre el techo: carga muerta de 3 psf, carga de nieve de techo de diseño de 30 psf y elevación del viento de 14 psf. La profundidad de la zapata debe ser de al menos 3 pies debajo del piso. La columna está soportada por un pedestal de concreto de 20 pulgadas por 20 pulgadas que se extiende hasta la parte superior del piso. Use una capacidad de soporte de suelo permisible de 4000 psf. Suponga que el peso promedio del suelo, la losa en el nivel y la base es de 130 lbs / ft3. El edificio no está ubicado en la zona de inundación. Use combinaciones de carga básica de IBC.

Solución: El área tributaria de la columna es 60 x 25 = 1500 (ft2). Las cargas de diseño en la columna son:

Diseño de carga muerta D = 4.5 kips Diseño de carga de nieve S = 45 kips
Diseño de carga de elevación del viento W = –21 kips
Carga total hacia abajo D + S = 4.5 + 45 = 49.5 kips
Carga de elevación total en la base (0.6D + W) = 0.6 x 4.5 – 21 = –18.3 kips
El peso del suelo, la losa en el nivel y la base es 0.130 kips / ft3 x 3 ft. = 0.39 kips / ft2 (ksf)
La presión neta disponible del suelo es 4.0 – 0.39 = 3.61 (ksf)
El área requerida de la zapata para la carga descendente es 49.5 / 3.61 = 13.71 (ft2)

Solo para carga descendente, el signo de la zapata es de 3,7 pies por 3,7 pies como mínimo.
Verifique la estabilidad contra la elevación del viento. El peso mínimo requerido de la base, el suelo en sus repisas y la losa tributaria en el nivel (D min, encontrado) se puede encontrar en:

0.6 D min, encontrado + W = 0
D min, encontrado = 18.3 / 0.6 = 30.5 (kips)

Esto corresponde a 30.5 / 0.130 = 234.62 (ft3) del peso promedio de “lastre”
Con una profundidad de zapata de 3 pies debajo del piso, esto requiere un tamaño mínimo de zapata cuadrada de (234.62 / 3) 1/2 = 8.84 (pies).
Para reducir el tamaño de la base, intente bajar la base de la base en 1 pie. Entonces, la base cuadrada mínima requerida es (234.62 / 4) 1/2 = 7.66 (pies).

Para llegar a un tamaño nominal, use una base de 8.0 por 8.0 pies, con una profundidad de:

234.62 / (8) 2 = 3.67 (pies)

Agradecimientos a la Revista “Estructura” Metal Surface, 2013