El enfoque de diseño sísmico en fundaciones está orientado principalmente a reducir la probabilidad de daño cuando se somete a un evento de ésta naturaleza

Construcción:

Cimientos poco profundos de hormigón armado

Diseño para edificios SDC D, E y F

Este artículo presenta una descripción general de los requisitos de diseño para cimientos de hormigón armado poco profundos (zapatas y cimientos del tipo colchoneta) que soportan edificios asignados a la Categoría de diseño sísmico (SDC) D, E o F. También se incluye un método de diseño propuesto que va más allá de los requisitos en Códigos y normas vigentes. Aunque la siguiente discusión se enfoca exclusivamente en las bases extendidas que apoyan a los miembros del sistema de resistencia a la fuerza sísmica (SFRS), también es aplicable a los cimientos del tipo colchoneta.

De acuerdo con ASCE / SEI 7-16, Cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras, Sección 12.18.9.2, se permite que los edificios se apoyen en cimientos poco profundos siempre que los cimientos estén diseñados y detallados de acuerdo con ASCE / SEI 12.13. 9.2.1 y se cumplen las condiciones de ASCE / SEI 12.13.9.2.

Determinación del área base

La falla del rodado es la consideración principal del diseño cuando las zapatas están sujetas a fuerzas sísmicas. Es una práctica común usar combinaciones de carga de servicio para dimensionar la zapata con una capacidad de carga permisible que es igual a la capacidad de carga estática multiplicada por un factor para tener en cuenta la naturaleza transitoria de las fuerzas del terremoto. El Código Internacional de Construcción (IBC) de 2018, Sección 1806.1, permite que los valores de las presiones supuestas verticales y laterales de la Tabla 1806.2 se incrementen en un tercio cuando se usan las combinaciones alternativas de carga básica de IBC 1605.3.2 que incluyen fuerzas sísmicas. También se permite en tales casos utilizar capacidades de carga permitidas que se han determinado a partir de una investigación geotécnica.

ASCE / SEI 12.13 contiene requisitos para el diseño de cimientos, incluyendo zapatas extendidas. En lugar de realizar un análisis lineal que incluya la flexibilidad de los cimientos y las características de deformación de carga del sistema de suelo de cimientos (ASCE / SEI 12.13.3), las dimensiones de la base de una zapata se pueden determinar utilizando un método de diseño de resistencia (ASCE / SEI 12.13.5) o un método de diseño de tensión admisible (ASCE / SEI 12.13.6).

Método de diseño por resistencia

En el método de diseño por resistencia, las combinaciones de carga 1 a 7 en ASCE / SEI 2.3.1 y 2.3.6 se usan con los efectos de carga sísmica, E, determinados de acuerdo con ASCE / SEI 12.4.2:

• Para uso en la combinación de carga 6: E = E_h + E_v = ρQ_E + 0.2S_DSD
• Para uso en la combinación de carga 7: E = E_h – E_v = ρQ_E – 0.2S_DSD

En estas ecuaciones, ρ es el factor de redundancia determinado de acuerdo con ASCE / SEI 12.3.4, S_DS es la aceleración de la respuesta espectral de diseño en períodos cortos y Q_E son los efectos debidos a las fuerzas sísmicas horizontales.

Las tensiones factorizadas combinadas en la base de la zapata deben ser menores o iguales que la resistencia de diseño del suelo, ϕQ_ns. El factor de resistencia, ϕ, se da en la Tabla 12.13-1 de ASCE / SEI y es igual a 0.45 para la resistencia del rodamiento. ASCE / SEI 12.13.5.2 permite que ϕ se tome como 0.80 donde la resistencia nominal del rodado se ha determinado mediante pruebas in situ de cimientos prototipo cuando el programa de pruebas ha sido aprobado por la autoridad competente.

La resistencia nominal al suelo, Q_ns, se puede determinar mediante los siguientes métodos:

• Valores presuntivos de carga (se supone que los sedimentos orgánicos, las arcillas orgánicas, la turba o el relleno sin ingeniería no tienen una capacidad de carga presunta).
• Investigaciones del sitio geotécnico por un profesional de diseño registrado, que incluye pruebas de campo y laboratorio.
• Pruebas in situ de cimientos prototipo.

De acuerdo con ASCE / SEI 12.13.5, los efectos de volcado en la interfaz suelo-cimiento se pueden reducir en un 25% de acuerdo con ASCE / SEI 12.13.4 para cimientos de edificios donde (1) la estructura está diseñada de acuerdo con el Procedimiento de fuerza lateral equivalente (ELFP) en ASCE / SEI 12.8 y (2) la estructura no es un péndulo invertido o una estructura tipo columna en voladizo. Solo los efectos de la carga sísmica se pueden reducir en un 25% al calcular las presiones de los cojinetes; todos los demás efectos de carga no deben reducirse. Se permite una disminución del 10% de los efectos de vuelco cuando se realiza un análisis modal de acuerdo con ASCE / SEI 12.9.

El análisis de las tensiones de los rodados utilizando el método de diseño de resistencia depende de si la respuesta inelástica del suelo es aceptable o no. Si se requiere una respuesta elástica, el esfuerzo de rodado factorizado máximo se calcula utilizando las ecuaciones elásticas apropiadas en la Figura 1, donde las fuerzas axiales factorizadas, P_u y los momentos de flexión, M_u, se determinan mediante combinaciones de carga 1 a 7 en ASCE / SEI 2.3.1 y 2.3.6.

Cuando la respuesta inelástica del suelo es aceptable, el esfuerzo máximo del rodado, que se supone que es constante en toda el área de contacto, se puede calcular asumiendo la total plasticidad del suelo (Figura 2).

q_u,max = P_u/BL´

Independientemente de la respuesta del suelo elástica o inelástica, la tensión máxima del rodado, q_u,max, debe ser menor o igual que la resistencia del diseño del rodado del suelo, ϕQ_ns. El área de la zapata se determina en función de la combinación de carga que gobierna y la ecuación apropiada para el esfuerzo de rodado factorizado máximo.

Método de esfuerzo permitido

En el método de diseño de esfuerzo permisible, las combinaciones de carga 1 a 10 en ASCE / SEI 2.4.1 y 2.4.5 se usan con los efectos de carga sísmica, E, calculados de acuerdo con ASCE / SEI 12.4.2 para determinar los esfuerzos máximos del rodado en la base de una zapata, que debe ser menor o igual a la capacidad de carga permitida. Como en el caso del método de diseño de resistencia, se permite la reducción de los efectos de vuelco de la base de acuerdo con ASCE / SEI 12.13.4.

Método de diseño propuesto

Los efectos del terremoto, E, determinados de acuerdo con ASCE / SEI Capítulo 12 son menores que los que se esperarían durante un terremoto de nivel de diseño. Por lo tanto, en el caso de zapatas, las reacciones causadas por E que se transfieren del miembro soportado a la zapata serán típicamente más pequeñas que las que se transferirán durante un evento sísmico real. Por lo tanto, determinar las tensiones del rodado (y las resistencias a la flexión y al corte requeridas) en base a las fuerzas sísmicas prescritas por el código implica inherentemente que se permite cierto comportamiento inelástico en la zapata, independientemente de si se usan combinaciones de carga de nivel de resistencia o de servicio. Permitir tal comportamiento inelástico puede ser tolerable para edificios típicos asignados a categorías de riesgo no esenciales (ASCE / SEI Tabla 1.5-1). Sin embargo, los cimientos que están diseñados de esta manera pueden dañarse durante un evento sísmico y pueden no funcionar según lo previsto durante eventos sísmicos posteriores. Además, inspeccionar los cimientos después de un terremoto puede ser muy costoso o incluso imposible, por lo que generalmente no existe una forma directa de determinar si se ha producido un daño a menos que el daño sea obvio. Reparar cimientos también es costoso y, en algunos casos, puede no ser factible.

Para los edificios asignados a SDC D, E y F, se recomienda diseñar zapatas utilizando combinaciones de carga 1 a 7 en ASCE / SEI 2.3.1 y 2.3.6, donde las combinaciones de carga 6 y 7 incluyen el efecto de carga sísmica con sobrecarga:

• Combinación de carga 6: 1.2D + E_v + E_mh + L + 0.2S = (1.2 + 0.2S_DS)D + Ω_oQ_E + L + 0.2S
• Combinación de carga 7: 0.9D – E_v + E_mh = (0.9 – 0.2S_DS ) + Ω_oQ_E

En estas ecuaciones, Ω_o es el factor de sobretensión indicado en la Tabla 12.2-1 de ASCE / SEI para el SFRS.

Al igual que el diseño de los colectores de acuerdo con las disposiciones actuales, se espera que las zapatas respondan principalmente en el rango elástico cuando se diseñan utilizando este enfoque, reduciendo así la probabilidad de daño cuando se somete a un evento sísmico de nivel de diseño. La respuesta no lineal se limita a los miembros soportados, que se detallan correctamente de acuerdo con los requisitos apropiados en ACI 318-14, Requisitos del Código de Construcción para Hormigón Estructural, Capítulo 18. Como límite superior, las fuerzas entregadas a una zapata no necesitan exceder la capacidad de la estructura soportada.

Procedimiento de diseño

El siguiente procedimiento de diseño se puede usar para dimensionar el área base de un miembro de apoyo de pie que forma parte del SFRS en edificios asignados a SDC D, E o F:

1. Determine los efectos de carga factorizados utilizando las combinaciones de carga 1 a 7 en ASCE / SEI 2.3.1 y 2.3.6, donde las combinaciones de carga 6 y 7 incluyen el efecto de carga sísmica con sobrecarga.
2. Cuando se requiera una respuesta elástica del suelo, determine el área base de la zapata, A_f, usando las ecuaciones elásticas apropiadas en la Figura 1 y la resistencia de diseño del suelo, ϕQ_ns.
3. Cuando se permita una respuesta inelástica del suelo, determine el área base de la zapata, A_f, utilizando la distribución uniforme de la presión del rodado ilustrada en la Figura 2 y la resistencia de diseño del rodado del suelo, ϕQns.

Resistencia a las cargas laterales

En general, las fuerzas laterales de los terremotos se transfieren de una zapata al suelo contiguo a través de la fricción en la base de la zapata y la presión pasiva del rodado a lo largo del borde de la zapata perpendicular a la dirección del análisis (Figura 3). Como en el caso de la presión del rodado en la base de una zapata, tanto el diseño de resistencia como los métodos de diseño de tensión permisible pueden usarse para verificar si la resistencia al deslizamiento es adecuada o no.

Método de diseño de resistencia

En el método de diseño de resistencia, las fuerzas laterales factorizadas deben ser menores o iguales que la resistencia lateral de diseño, ϕQ_ns. El factor de reducción, ϕ, se proporciona en la Tabla 12.13-1 de ASCE / SEI, y es igual a 0.50 para la resistencia lateral provista por la presión de apoyo pasiva y 0.85 para la resistencia lateral provista por deslizamiento (ya sea fricción o cohesión). ACI 12.13.5.1.1 contiene los tipos de suelos que proporcionan resistencia al deslizamiento lateral por fricción y cohesión. Los valores de Q_ns, basados ​​en el perfil del suelo en el sitio, generalmente se proporcionan en el informe geotécnico.

La presión pasiva del rodado varía linealmente con respecto a la profundidad por debajo del grado. A una profundidad d_s por debajo del nivel, la presión pasiva es igual a d_s veces el coeficiente de presión pasiva, K_p, que generalmente se proporciona en un informe geotécnico, multiplicado por la densidad del suelo. La Tabla 1806.2 del IBC proporciona valores de presión pasiva presunta en libras por pie cuadrado por pie por debajo del grado para varios tipos de suelo.

La resistencia lateral proporcionada por la fricción es igual a la fuerza normal total en la base de la zapata multiplicada por un coeficiente de fricción final. Al determinar la fuerza normal total, se debe usar la combinación de carga 7 porque esto da como resultado la fuerza normal más pequeña en la base. Los coeficientes finales de fricción dependen del tipo de suelo y generalmente se informan en un informe geotécnico.

ASCE / SEI 12.13.5.1.1 permite que la resistencia lateral de diseño total, ϕQ_ns, sea la suma de los valores determinados para la presión pasiva y el deslizamiento horizontal (por fricción, cohesión o alguna combinación de los mismos). El informe geotécnico debe designar específicamente qué tipo o tipos de resistencia al deslizamiento horizontal son aplicables en un sitio.

Método de diseño de esfuerzo permitido

En el método de diseño de esfuerzo permisible, las presiones de los cojinetes pasivos permitidos y los coeficientes de fricción se usan junto con los efectos de carga sísmica máxima calculados mediante combinaciones de carga de esfuerzo permisible para determinar si la resistencia al deslizamiento lateral es adecuada o no. Como en el caso de la presión de apoyo en la base de una zapata, las presiones pasivas permitidas pueden incrementarse cuando se considera que las combinaciones de carga sísmica tienen en cuenta los efectos de carga transitoria.

Requisitos de diseño y detalle

Los requisitos de diseño y detalle aplicables establecidos en ACI Capítulo 13 y ACI 18.13.2 deben cumplirse para las zapatas que apoyan a los miembros del SFRS en edificios asignados a SDC D a F. Similar a los casos de determinar el área base de una zapata y verificar Resistencia al deslizamiento, se recomienda que el refuerzo para la transferencia de flexión y fuerza en la interfaz se determine utilizando combinaciones de carga 1 a 7 en ASCE / SEI 2.3.1 y 2.3.6, donde las combinaciones de carga 6 y 7 incluyen efecto de carga sísmica con sobrecarga. Los requisitos de resistencia al cizallamiento también deben cumplirse en función de esas combinaciones de carga.

Agradecimientos a la revista “Estructura” Metal Surface, 2018.