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Zapata de cimentación: definición y aplicaciones

La zapata de cimentación es un elemento estructural discontinuo utilizado para transferir las cargas de la superestructura al suelo subyacente. Descubre cuando usarlo

Cuando se construyen edificios con estructura de pórticos, el uso de cimentaciones discontinuas puede ser una elección particularmente apropiada. Entre ellas, las zapatas de cimentación desempeñan un papel clave, ya que proporcionan una base sólida para resistir las cargas transmitidas por los pilares o columnas superiores.

Si estás interesado en profundizar en este tema, te invitamos a seguir leyendo el artículo para descubrir las características, posibles aplicaciones y criterios de diseño de estos importantes elementos estructurales.

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¿Qué son las zapatas de cimentación?

Las zapatas de cimentación, a menudo simplemente llamadas zapatas, son elementos estructurales utilizados para transferir la carga de una estructura al suelo subyacente de manera segura y estable. Forman parte de las cimentaciones superficiales y se utilizan en la construcción de edificios con estructura de pórticos en hormigón armado o acero, puentes, torres y otras estructuras con elementos resistentes discontinuos.

La forma más simple de la zapata de cimentación consiste en un paralelepípedo, generalmente hecho de hormigón armado, que tiene la función de ampliar la base de apoyo en el suelo del elemento estructural superior (como un pilar). Esto tiene como objetivo obtener una superficie lo suficientemente amplia que garantice una mejor distribución de las cargas y asegure el cumplimiento de los requisitos de seguridad, rigidez y resistencia necesarios.

Según las necesidades específicas del proyecto, las zapatas de cimentación también pueden tener formas más complejas, como la troncopiramidal. Además, pueden estar interconectados mediante el uso de vigas de hormigón armado para mejorar la cohesión y la estabilidad general del sistema estructural.

Formas de zapatas de cimentación

Formas de zapatas de cimentación

¿Cuándo utilizar las zapatas de cimentación?

Dado que se trata de cimientos superficiales y discontinuos, es posible recurrir al uso de zapatas solo en circunstancias específicas:

  • el suelo debe presentar adecuadas características de resistencia y deformabilidad. Las zapatas de cimentación pueden ser utilizados cuando el suelo tiene una capacidad de carga suficiente para soportar la carga sin riesgo de asentamientos o deformaciones significativas. Si el suelo es estable y lo suficientemente resistente, las zapatas son una opción adecuada para la cimentación, ya que son económicos y relativamente fáciles de construir;
  • las cargas aplicadas no deben ser excesivas. Las zapatas están diseñadas para distribuir cargas puntuales. Es fundamental asegurarse de que estas cargas no excedan la capacidad de carga del suelo o la resistencia estructural de la propia zapata, para evitar daños o colapsos en la cimentación.

Para prevenir asentamientos diferenciales o desplazamientos relativos horizontales, especialmente en zonas sísmicas, es necesario conectar las zapatas entre sí mediante una red de vigas o riostras de hormigón armado. Esta configuración mejora la distribución de las cargas y aumenta la resistencia global del sistema, reduciendo el riesgo de daños estructurales.

En caso de suelos con poca resistencia o cargas elevadas, podría ser necesario considerar otros tipos de cimentaciones, como pilotes o micropilotes para alcanzar capas portantes más profundas o cimientos continuos como losas y vigas invertidas. Esto para distribuir las acciones sobre una superficie más amplia, reduciendo así la presión sobre el suelo.

Configuraciones de cimientos sobre zapatas de cimentación

Configuraciones de cimientos sobre zapatas de cimentación

Características de las zapatas de cimentación

Las zapatas de cimentación son elementos estructurales muy simples que se construyen debajo de cada pilar de la superestructura para transferir la carga al suelo de manera puntual. Esto mantiene las tensiones dentro de los límites permisibles para el área de asentamiento.

Las principales características de estos elementos se indican a continuación:

1. Forma y dimensiones

Las zapatas suelen estar constituidas por un bloque de hormigón armado de forma paralelepípeda o troncopiramidal, con una base cuadrada centrada con respecto al pilar. En caso de que la carga transmitida por este sea fuertemente excéntrica o el pilar mismo sea notablemente alargado, se opta por adoptar una base de forma rectangular de dimensiones BxL y espesor H. La sección de la zapata puede ser rectangular o trapezoidal, dependiendo de las solicitaciones y necesidades estructurales. Sus dimensiones están relacionadas con varios factores, como las cargas, las solicitaciones actuantes y la capacidad portante del suelo.

2. Espesor

A diferencia de las dimensiones BxL de la base, que son influenciadas por los factores anteriormente mencionados, el espesor H de la zapata está determinado por las solicitaciones de corte o punzonamiento previstas. La elección de un espesor adecuado es fundamental para garantizar la resistencia estructural del elemento y prevenir asentamientos o daños significativos.

3. Armadura

Las zapatas de cimentación pueden estar provistas o no de armadura metálica. Las no armadas presentan una forma troncopiramidal con una altura elevada y caras laterales inclinadas aproximadamente a 60°. Esta inclinación aumenta su rigidez y las hace capaces de soportar las cargas sin la ayuda de armadura, simplificando así su ejecución. Las zapatas armadas, en cambio, se construyen utilizando ménsulas invertidas de hormigón armado, que se apoyan sobre un lecho de hormigón no armado. Este enfoque permite reducir considerablemente la excavación requerida y el peso total de la zapata. Sin embargo, para compensar la falta de rigidez del elemento estructural, es necesario crear una armadura compleja capaz de absorber los esfuerzos de flexión, tracción y corte. Esta armadura está compuesta por barras de hierro dispuestas en la parte inferior de la zapata a lo largo de las dos direcciones y por estribos perimetrales.

4. Configuraciones especiales

En situaciones particulares, como cuando se deben construir pilares cerca de edificios ya existentes o en el límite de propiedades, se recurre al uso de las llamadas «zapatas excéntricas». Estas son zapatas caracterizados por una forma asimétrica, similar a una zapata tradicional seccionada por la mitad a lo largo de la vertical. Estos elementos se utilizan cuando no es posible adoptar zapatas estándar debido a limitaciones espaciales o condiciones especiales del terreno, que no permiten centrar el elemento debajo del pilar. Un diseño cuidadoso y una evaluación completa de las condiciones del terreno son cruciales para garantizar que las zapatas excéntricas sean capaces de soportar las cargas actuantes sin causar problemas estructurales o daños a los edificios circundantes.

Geometría zapatas de cimentación

Geometría zapatas de cimentación

Tipos de zapatas de cimentación

La respuesta estructural de una zapata de cimentación puede equipararse a la de una ménsula encastrada en correspondencia con el pilar y sujeta a la reacción del suelo que actúa de abajo hacia arriba. En base a este esquema, las zapatas se pueden clasificar en dos categorías principales, en función del comportamiento rígido o flexible de la base:

  • zapatas rígidas: están diseñadas para proporcionar una respuesta estructural rígida ya que la relación entre la altura del canto y el tamaño del vuelo desde el borde del pilar es mayor de dos. Por lo tanto, se caracterizan por una altura elevada en relación con la base y pueden tener una forma escalonada o de tronco de pirámide con una pendiente de las caras laterales entre 45° y 60°. El espesor de la sección de hormigón es suficiente para resistir las solicitaciones de flexión y corte. Este tipo de zapata puede, por lo tanto, carecer de armadura metálica, a menos que se coloque una simple rejilla en la base;
  • Zapatas flexibles: proporcionan una respuesta estructural flexible ya que la relación entre la altura del elemento y el tamaño del vuelo es menor de dos. Están sujetas a la carga vertical transmitida por el pilar y a la reacción del suelo actuando sobre la base de la zapata. Las zapatas flexibles tienen forma de paralelepípedo o de tronco de pirámide con una inclinación de las caras laterales inferior a 45°. La armadura está siempre presente y las barras de acero se colocan principalmente en la parte inferior de la base.

Cómo diseñar cimentaciones sobre zapatas

El diseño de cimentaciones sobre zapatas generalmente comienza con la realización de investigaciones geotécnicas para obtener información sobre las propiedades del suelo. Por ejemplo, como la capacidad de carga, la cohesión, el ángulo de fricción y la presencia de aguas subterráneas. Luego se determinan las cargas verticales y horizontales que la estructura transmite a las cimentaciones.

Se procede con una serie de pasos que incluyen el dimensionamiento del elemento estructural, la verificación de las solicitaciones y la evaluación de la interacción zapata-suelo.

En el caso de las zapatas rígidas, se asume que las secciones flexionadas de la ménsula no se mantienen planas y ortogonales. Por lo tanto, el dimensionamiento estructural se realiza considerando el sistema tirante-puntal. Este enfoque tiene en cuenta las deformaciones y las solicitaciones que ocurren en el elemento estructural. En el caso de las zapatas flexibles, para las cuales se aplica el principio de conservación de las secciones planas, es posible realizar una verificación por punzonamiento para garantizar que la zapata pueda resistir las solicitaciones sin colapsar o sufrir daños.

Soluciones software para el diseño de zapatas de cimentación

Para simplificar y hacer más fiable el proceso de diseño de cimentaciones sobre zapatas, puedes recurrir a la ayuda de un software de cálculo estructural. De hecho, con él es posible:

  • elegir el tipo de zapata que deseas modelar;
  • insertar la zapata de cimentación y realizar su dimensionamiento indicando las propiedades (material, tipo de suelo, geometría, etc.) en relación con las cargas que la estructura deberá soportar;
  • realizar el dimensionamiento de las armaduras. Las armaduras de la zapata se diseñan en función de las solicitaciones y las fuerzas que la misma deberá soportar. Esto asegura que la estructura pueda resistir cargas verticales, horizontales y de flexión. Durante el dimensionamiento de las armaduras de la zapata, se tienen en cuenta varios factores, como la capacidad de carga del suelo, la geometría de la zapata, las cargas aplicadas y las normativas de diseño estructural. Las armaduras se colocan estratégicamente dentro de la zapata para garantizar una distribución uniforme de las fuerzas y prevenir el colapso de la estructura;
Dimensionamiento armaduras zapatas de cimentación |EdiLus

Dimensionamiento armaduras zapatas de cimentación |EdiLus

  • realizar la verificación del punzonamiento. Este proceso asegura que la zapata de cimentación sea capaz de soportar las cargas aplicadas sin sufrir asentamientos excesivos o daños estructurales.
Verificación del punzonamiento zapatas de cimentación | EdiLus

Verificación del punzonamiento zapatas de cimentación | EdiLus

Conclusión

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