Facultad tecnológica de la construcciónCarrera de ingeniería civil Mecánica de Suelos II Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión Eléctrica Elaborado por: Jhony Ramón Flores Méndez 2010-34330 Alvaro José Álvarez Canales 2010-34432 Richard Josué Lanuza Manzanares 2010-34168 Modalidad Regular, Grupo 4M1 Docente: Ing. Ajax Moncada 20 de abril 2013 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Índice INTRODUCCIÓN…………………………………….……………….……………………………………4 OBJETIVOS………………………………………………….………………..……………………………..5 Objetivo general……………………………………………………………………………………………6 objetivos especifico ……………………………………………………………….………………………6 DESCRIPCIÓN GENERAL…………………………………………………………..…………….8 a 10 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA…………………………………………………….…………………11 Método…………………………………………………………………………………………….…..12 a 24 Uso frecuente……………………………………………………………………………...……………….25 Viabilidad económica……………………………………………………………..……………………26 Ventajas y desventajas……………………………………………………..……………………27 a 28 MARCO TEÓRICO…………………………………………………………….……………………30 a 41 Procedimiento de diseño……………………………………………………………………….42 a 46 Procedimiento constructivo………………………………………………………...………..47 a 48 Método mecánico para la corrección e instalación…………………………..…… 49 a 50 Diseño metodológico……………………………………………………………………………..51 a 53 MEDIDAS DE SEGURIDAD Y CONSERVACIÓN DE LA ESTRUCTURA………….55 a 58 CÁLCULOS………………………………………………………………………………………………..… 60 EJEMPLOS………………………………………………………………………………………..……62 a 64 Conclusiones………………………………………………………………………………………………. 66 Recomendaciones………………………………………………………………………………………..68 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………70 Anexos………………………………………………………………………………………………………...71 Glosario………………………………………………………………………………………………..…….72 a 74 Planos de cimentaciones………………………………………………………………………………..……75 Imágenes de cimentaciones ……………………………………………………………………………….76 Imágenes de torres…………………………………………………………………………………………….77 pág. 2 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” INTRODUCCIÓN pág. 3 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica INTRODUCCIÓN Cimentación es un conjunto de elementos estructurales cuya misión es trasmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados al suelo, distribuyéndola de forma que no supere su presión admisible ni produzcan cargas zonales, ya que es de mucha importancia porque es un grupo de elementos que soportan a las superestructuras. Para el análisis y diseño de cimentación de torres, se pretende poner en práctica los concepto adquiridos durante nuestra preparación como futuros ingenieros, así de esta manera conocer de una forma detallada los factores que determinan el diseños de sus cimentaciones, así como el procedimientos de analizar estructuras de este tipo de torres ya sea como de telefonía celular o de tensiones eléctricas. Para la construcción de estas torres depende de las características del terreno o zona donde se va a llevar a cabo, donde se necesita de estudio y criterios especiales para que la cimentación tenga una muy buena firmeza y no produzca fallas. Las telecomunicaciones y las empresas electrónicas (Unión Fenosa) se han convertido en un factor de modernidad y desarrollo para cualquier actividad económica y social. En Nicaragua el servicio de telefonía celular es el medio de comunicación más utilizado, por lo cual las empresas que brindan este servicio tienen como misión de brindar la cobertura adecuada a todos sus clientes. El servicio eléctrico este tiene a un más desarrollo, no solo en Nicaragua sino en todo el mundo ya que nos brindar un alumbrado eléctrico, y sirve para necesidades caseras. Estas construcciones de torres de telefonía celular y eléctrica, se dan a respuesta a la mucha demanda, de millones de personas, que quieren este servicio con el fin de facilitar el trabajo y la comunicación, que se ha venido expandiendo con el trascurso del tiempo. pág. 4 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” OBJETIVOS • Objetivo • general Objetivos específicos pág. 5 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica OBJETIVOS Objetivo general Plantear diferentes tipos de fundaciones requeridas para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica en distintas zonas del territorio. Objetivo especifico Identificar la capacidad de soporte que puede tener el terreno bajo la ejecución del planteamiento de la cimentación. Analizar los tipos de cimentaciones donde podamos observar los distintos diseños que se nos plantea para cada lugar del país. Determinar diferentes tipos de altura, que puede tener una torre de telefonía o de tensión eléctrica para un fin de hacer más resistente la cimentación y de que su ángulo de oscilación sea meno pág. 6 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” DESCRIPCIÓN GENERAL Antecedentes pág. 7 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica ANTECEDENTES TORRES DE TELEFONÍA CELULAR Históricamente las naciones han reconocido la importancia estratégica de las telecomunicaciones, no solamente como servicio públicos básicos para el desarrollo económico y social sino también como elementos de soberanía y seguridad. En 1981, los países nórticos introdujeron un sistema celular similar a AMPSA dvanced Mobile Phone System). Por otro lado, en los Estados Unidos, gracias a que la entidad reguladora de ese país adopto reglas para la creación para un servicio comercial de telefonía celular, en 1983 se puso en operación en primer sistema comercial en la ciudad de chicago. La tecnología tuvo gran aceptación, por lo que los pocos años de implantarse se empezó a saturar el servicio. En este sentido, hubo la necesidad de desarrollar e implantar otras formas de acceso múltiple al canal y trasformar el sistema analógico a digitales, con el objetivo de darles más cavidad a más usuarios. Martin Cooper fue el pionero en esta tecnología, a él se le considera como “el padre de la telefónica celular” al introducir el primer radio teléfono, en 1973 en los Estados Unidos, mientras trabajaba para Motorola; paro no fue hasta en 1979 cuando aparecieron los primeros sistemas comerciales en Tokio y Japón. En Nicaragua ha experimentado grandes transformaciones y un rápido crecimiento en la última década. En 1993, arranca la telefonía celular en el país, y desde entonces se han construido más de 4 mil sitios de celda celular para torres de transmisión de los cuales la mayoría fueron construidos en los últimos diez años. A finales del año 2001 ante la creciente demanda no atendida de ENITEL el número de suscriptores celulares se incrementaron de manera considerable, llegando a alcanzar a la de la telefonía básica. Actualmente las empresas de telefonía celular compiten para dar un mejor servicio a sus clientes y responder a las exigencias tecnológicas y de cobertura de los ser- pág. 8 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica vicios. La construcción de sitio de celda para torres de trasmisión celular responde a parte de las exigencias que trae consigo el mundo moderno TORRES DE TENSIÓN ELÉCTRICA A finales del siglo XIX, surge la industrialización de la energía eléctrica, que gradualmente va adquiriendo un nivel de desarrollo en cada país, y particularmente en Nicaragua, comenzó a utilizarse para el servicio público en Managua, el 24 de diciembre de 1902, durante la administración del Gral. José S. Zelaya. En ese mismo año se creó la primera planta eléctrica con el nombre de “Nicaragua Ele ctric Plant”; y desde ese mismo periodo se puede observar que surge la influencia yanqui en el país, la cual se incrementaría ya que para 1927 (segunda intervención yanqui en Nicaragua) esta fue adquirida por la compañía norteamericana “Central America Power Corporation Luego, el 19 de Julio de 1979 se produce la Revolución Sandinista encabezada por el Frente Sandinista de Liberación Nacional (FSLN) y es derrocada la dictadura somocista junto a todo su aparato institucional; por ello el 23 de Julio del mismo año a través de un Decreto Legislativo se constituyó el Instituto Nicaragüense de Energía (INE), adscrito al Gobierno Central, el cual asumió las mismas actividades de ENALUF Como resultado de las elecciones de 1990 asumió el Gobierno la señora Violeta Barrios de Chamorro, el llamado “Gobierno de los tecnócratas”, que inició un proceso de privatización de las principales entidades públicas. Después, en 1994 con el Decreto Administrativo No. 46-94 se creó la “Empresa Nicaragüense de Electricidad” (ENEL), como una institución del Estado con personería jurídica y patrimonio propio, pasando a asumir la generación, transmisión y distribución de la electricidad; para ese mismo periodo se convirtió en el ente regulador. pág. 9 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Hoy en día la mayoría de los pueblos de cada de cada ciudad tiene un tendido eléctrico, y que con el trascurso del tiempo se han venido desarrollando muchas empresas que han contribuido al desarrollo del país. Unas de las empresas de energía eléctrica es (ENATREL), que se encarga de trasportar energía desde la planta generadora hasta las redes de distribución, a través de 2189,18 km de línea de alta tensión y 79 subestaciones eléctrica entre privados y estatales, cuenta con un equipo de ingenieros y técnicos multidisciplinarios con amplia experiencia en el campo de las especialidades de mantenimiento y montaje de Líneas de Transmisión en los niveles de voltajes de 13.8 kV hasta 230 kB que cuenta con equipos de pruebas de última generación, para garantizar los diagnósticos y mantenimientos solicitados en Subestaciones Eléctricas. El Gobierno de Reconciliación y Unidad Nacional continúa demostrando capacidad técnica, que ha venido implementado diferentes proyectos, y uno de ellos es la instalación de panel solar a deferentes comunidades ya que permite contribuir al desarrollo económico social del país. pág. 10 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Método Uso frecuente Viabilidad económica Ventaja y desventajas pág. 11 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica MÉTODO METODO DE SULZBERGER El método se basa sobre un principio verificado experimentalmente, que para las inclinaciones limitadas tales que el terreno se comporta de manera elástica. En consecuencia se obtiene reacción de las paredes verticales de la excavación y normales a la fuerza actuante sobre el poste, hecho que no figuración de las paredes está limitada solamente a la fricción que aparecería durante un saqueo vertical del bloque de la fundación. En el método de Sulzberger se acepta que la profundidad de entrada. Del bloque dentro del terreno depende de la resistencia específica del terreno contra la presión externa en el lugar considerado. La mencionada resistencia específica se llama presión admisible del suelo y se mide en Kg/cm 2. Esta presión es igual a la profundidad de entrada multiplicada por el "índice de compresibilidad C". En el caso de cimentaciones poco profundas y dimensiones trasversales relativamente grandes, existe la relación (Ms/Mb) <1 en resumen este método se emplea para el cálculo de diferentes tipos de fundaciones Fundación tipo A: suelo de tierra negra aparecen capas de aguas en profundidad mayor que 2.5m. Fundación tipo B: suelo de tierra negra, se encuentra agua entre 2y3 m de profundidad pág. 12 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Fundación tipo C: tierra arenosa, a una profundidad de 1.5 m aproximadamente, se encuentra agua, la capa superior es muy buena para fundaciones son del tipo superficiales. Fundación tipo D: zona baja con bañados. A una profundidad de 1,00 m aproximadamente, se encuentra agua. La capa superior es de tierra negra y es la que ofrece las mejores características para fundar. Fundación tipo E: zona similar a la que se emplean en fundaciones tipo D, pero de peores condiciones en cuanto al agua. Se emplean fundaciones superficiales pág. 13 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica METODO DE MAYERHOF Denominado también como método de “área efectiva”, dice que la excentricidades de cargas están dadas por: Donde = Excentricidad de carga, en dirección del eje largo y corto de la fun= Componente de momento en el lado largo y corto dación respectivamente de la fundación. ver figura 2.10 El método de mayerhof considera solamente el caso de excentricidad en una dirección se muestra en la figura (2.11) Por lo tanto, la capacidad portante en este método puede ser calculada por la ecuación (2.23) Para su cálculo se debe seguir los siguientes pasos: 1- ) Determinar las dimensiones efectiva de la fundación : pág. 14 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Sin embargo si =0, El área efectiva es: Dónde: A` = área efectiva, B´= ancho efectivo, L`= largo efectivo El área efectiva se define como el área mínima de contacto de la fundación de tal manera que la carga resultante aplicada en el centroide o centro de gravedad del área efectiva A´ Para determinar los valores de forma se debe utilizar las ecuaciones de la tabla (2.10). En esta ecuación las dimensiones de B y L deben ser reemplazadas por el ancho efectivo B´ o el largo efectivo respectivamente. De igual manera para determinación de los factores de profundidad se debe utilizar las ecuaciones de la tabla (2.10), en este caso el valor de B no deben ser reemplazados por el acho efectivo B`. METODO DE PRAKASH Y SARAN Prakash y saran basándose en el resultado de sus modelos ensayados, sugieren para la determinación de la capacidad última de carga utilizar la Ec (2.42). Esta ecuación es utilizada solamente para el caso de excentricidad en una dirección, figura (2.11) y tiene la siguiente forma. pág. 15 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Debe notarse que la Ec (2.42) no contiene factores de profundidad. Las relaciones a utilizarse para los factores de forma, son los siguientes METODO DE HIGHTER Y ANDERS Este método se aplica en caso donde exista excentricidad en las dos direcciones, es decir highter y anders desarrollaron cuatro posibles casos para la determinación de la capacidad última de carga, los casos se representan a continuación Caso I: El área efectiva para esta condición se muestra en la figura 2.12 para este se debe calcular. El largo efectivo L´ es el mayor de las dos dimensiones, es decir B1yL1 entonces el ancho efectivo es pág. 16 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Caso II: El área efectiva para este caso se muestra en la siguiente figura una vez que se conoce los valores de partir de una figura. y los valores de L1 Y L2 pueden ser obtenidos a pág. 17 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Caso III: El área efectiva para este caso se muestra en la figura (2.16 a), de la misma manera que en el caso anterior conocidas las magnitudes y los valores de B1 Y B2 pueden ser obtenidos a partir de la figura (2.16b) o de las figuras (2.17) y (2.18) pág. 18 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Caso VI: El área efectiva para este caso, conocido los valores de y los valores de B2 Y L2 pueden ser obtenidos a partir de la figura (2.19 b) o de las figuras (2.20) y (2.21) respectivamente. pág. 19 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Finalmente el valor de B´ que se obtiene a partir de la solución de cualquiera de los cuatros casos anteriores, es remplazado por la Ec (2.23). Los factores de forma y profundidad son determinados a partir de la ecuación de la tabla (2.10). Tomando en cuenta que B y L deben ser remplazado por B´ Y L´ respectivamente. Mientras que el valor de los factores de capacidad de carga es hallado a partir de la tabla (2.11). METODO TERZAGHI Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría completa para evaluar la capacidad de carga última en fundaciones superficiales rugosas. La ecuación de terzaghi fue desarrollada para una fundación corrida (es decir cuando la relación ancho entre longitud de la fundación tiende a cero (B/L=0) Las principales suposiciones realizadas por terzaghi. La profundidad de Df es menor a igual que el ancho de la fundación B es decir, menor que la dimensión menor de la fundación Df < B Ocurre una falla al corte general, es decir que cuando el valor de “qu” es a lcanzado la falla por capacidad ultima ocurre y el suelo de uno o de ambos lados de la fundación se extenderá hasta la superficie del terreno El ángulo de la cuna ACD es igual al ángulo de fricción del suelo θ El peso del suelo que se encuentra sobre la fundación puede suponerse reemplazado por una sobrecarga equivalente = peso específico del suelo). ver figura (2.6). terzaghi considero que la zona de fallas bajo la función puede separarse en tres parte ver figura ( 2.6). Inmediatamente debajo de la función una zona de cuña que permanece intacta y que se mueve descendentemente con la fundación, zona ACD. Una zona de corte radiales ADF y CDE, se extiende a ambos lados de la cuña, donde los planos de corte toman la forma de espirales logarítmicas, arco DF. Finalmente la otra zona es de corte lineal en la cual el cortante del suelo se produce a lo largo de superficie plana pág. 20 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Terzaghi termino las zonas de corte en un nivel uniforme de la fundación, es decir, en plano HA Y GC de la figura. Esto significa que el considero que el suelo comprendido entre la superficie y la profundidad de la fundación solo como una sobrecarga equivalente. q, que no ofrece resistencia al corte ( es decir que la resistencia al cortante del suelo a lo largo de superficie de falla HJ y GI fue despreciada). Esta es la suposición más conservadora de este método y es la principal razón para que el mismo este relativamente limitado a fundaciones superficiales. pág. 21 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Terzaghi usando el análisis de equilibrio. Expreso la capacidad ultima de carga de la fundación mediante las ecuaciones de la tabla (2.1). Terzaghi explico de una manera clara como obtuvo los valores razon que kumbhojkar presento una serie de valores de y es por tal que resultan ser la pág. 22 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica mejor aproximacion a valores obtenidos por terzaghi. A continuación en la tabla (2.2) se presenta los valores de los factores de capacidad de carga de Terzaghi: para una serie de ángulo de fricción . pág. 23 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Donde son factores de capacidad de carga modificados. Estos se pueden calcular a partir de las ecuaciones para el factor de capacidad de carga ( riación de respectivamente). Remplazado por con el angulo por = ( ) la va- de fricción del suelo se da en la tabla (2.3) pág. 24 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica USO FRECUENTE viviendas ( cimientos de piedras ) para grandes construcciones ( cimientos de mampostería) edificios (cimentaciones ) torres de tensión eléctrica (cimentaciones superficiales) torres de telefonía celular (cimentaciones superficiales) bodegas de almacenamiento (cimentaciones superficiales) Las cimentaciones se utilizan para trasmitir las cargas de los muros y columnas al terreno y las rocas subyacentes dentro de los límites aceptables en cuanto a presión, estas cargas llegan al suelo de inmediato a través de zapatas (aislada o corrida) o bien hacia capas más profundas del suelo por medio de pilotes, construidos de concreto. El área de zapatas corridas, el número de pilotes, se escogen de modo que sostengan las cargas reales no factorizadas de una edificación sin rebasar los límites de asentamiento, una presión admisible en el suelo. Estos elementos se construyen de concreto armado, pues la cimentación podría ser axial, es decir si las fuerzas son paralelas al eje axial y se desvían de este se conoce como excéntricas. El peralte mínimo que debería tener una cimentación de concreto no sería inferior a 20 centímetros cuando se trata de concreto simple apoyado directamente en el suelo, de 15 centímetros por encima del refuerzo interior en zapatas de concreto armado apoyadas en el suelo y de 30 cm por encima del refuerzo inferior en zapatas de concreto armado apoyadas en pilotes, el recubrimiento mínimo de concreto para refuerzo en contacto con el suelo y expuesto permanentemente este será de 7.5 centímetros pág. 25 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica VIABILIDAD ECONÓMICA La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características mecánicas del terreno, como su cohesión, su ángulo de rozamiento interno, posición del nivel freático y también de la magnitud de las cargas existentes. A partir de todos esos datos se calcula la capacidad portante, que junto con la homogeneidad del terreno aconsejan usar un tipo u otro diferente de cimentación. Siempre que es posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentación menos costoso y más simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la homogeneidad del mismo no es posible usar cimentación superficial se valoran otros tipos de cimentaciones. El método de sulzberger es muy factible y económico prácticamente se usa para fundaciones profundas en forma de bloques de hormigón para terrenos normales. Debe considerarse el costo de la fundación en relación de la importancia, el riesgo y el valor de la superestructura. Por medio de las investigaciones del suelo se reducen las incertidumbres en los diseños. Pueden ajustarse los factores de seguridad y en consecuencia es posible optimizar las dimensiones de la fundación sacando el mejor provecho del suelo. Comúnmente una losa de cimentación resulta más económica que las zapatas pág. 26 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica VENTAJAS Y DESVENTAJAS Cimentaciones corridas: Son conjunto de elementos estructurales cuya misión es trasmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelo distribuyéndolas de forma que no supere su presión admisible ni produzca cargas zonales. Ventajas: los esfuerzos de la compresión y el corte son reducidos para este tipo de estructura. tiene bastante resistencia al agua. posee una larga vida útil. no necesita de mantenimiento. Desventaja: el costo de su construcción es elevado. para lograr una resistencia de manera homogénea se necesita un equipo especial (como por ejemplo: una mescladora o vibradores de cemento). se necesita un control de calidad durante el proceso de construcción, especial en las etapas de mezclado vaciado y curado. Cimentaciones profundas (pilas): Son elementos de cimentaciones profundas con secciones mayores que la de los pilotes, las cuales también trasmiten al subsuelo las cargar provenientes de una estructura de la misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del conjunto. Ventajas: la fabricación de las pilas siempre es monolítica y no requiere de juntas especiales. pág. 27 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica las pilas pueden ser instaladas en subsuelos con presencia de grava y boleos aplicando el procedimiento adecuado que permita la estabilización de la pared de las perforaciones. la capacidad de carga de las pilas es mayor que la de los pilotes. la longitud de las pilas puede ser variable dependiendo de la profundidad de los estratos resistentes, pudiéndose hacer los ajustes correspondientes prácticamente de forma inmediata. no están expuestas a sufrir daños estructurales ya que no se requiere de que sean maniobradas y golpeadas para su instalación como sucede con los pilotes prefabricados Desventajas: la pila requiere siempre de perforación previa cuando existen estrato de subsuelo sin consistencia no es posible realizar la construcción de pila con calidad, ya que su sección puede llegar a deformarse; puede resolver este problema con tubería metálica perdida lo cual origina un incremento en el costo es necesario siempre garantizar en el desplante de las excavaciones no exista material suelto. los cambios de presión del agua subterránea pueden cercenar el fuste de las pilas durante su fabricación. el procedimiento constructivo de pilas sobre agua se complica al tener que el vaivén de la plataforma flotante donde se apoya el equipo de construcción asi como tener que aislar el cuerpo de la pila en la zona donde no existe suelo que lo confirme. pág. 28 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” MARCO TEÓRICO Tipos de cimientos Procedimiento de diseño Procedimiento constructivo Método mecánico para la corrección o instalación metodología pág. 29 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica MARCO TEÓRICO El objeto de una cimentación, es proporcionar el medio para que las cargas de la estructura, se transmitan al terreno produciendo en éste un sistema de esfuerzos que puedan se resistidos con seguridad sin producir asentamientos, ó con asentamientos tolerables, ya sean estos uniformes o diferenciales. Los cimientos se clasifican de acuerdo a la profundidad a la que este se encuentre desplantado, ya sea en cimientos superficiales y cimientos profundos. Tipos de Cimientos Superficiales Zapatas aisladas Zapatas corridas Losas de cimentación Profundos Pilotes Pilas Cilindros Cimientos superficiales: En las cimentaciones superficiales las cargas de la estructura pasan directamente al terreno donde son desplantadas las obras, estas se caracterizan por tener una profundidad menor de dos veces el ancho de la misma ND ≤ 2B, donde B es el ancho de la cimentación. Entre los tipos de cimentaciones superficiales se pueden encontrar, zapatas aisladas redondas para torres tipo monopolo, zapatas aisladas cuadradas ó rectangulares para torres autosoportadas, zapatas corridas cuyo uso es más común en edificaciones y losas de fundación para torres autosoportadas Zapatas aisladas: Es el agrandamiento de una columna en su base para reducir las presiones que se ejercen sobre el terreno, al aumentar el área en la que se distribuyen. El cimiento puede tener cualquier forma, pero la zapata pág. 30 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica aislada, es la más económica desde el punto de vista de la construcción. Se opta por cimentación con zapata aislada de concreto cuando se tenga una o más de las siguientes condiciones: Existencia de suelos ácidos (ph < 5.0 ó Resistividad < 50 Ω -mt). Sitios en donde el nivel freático es alto y variable Capacidad portante del suelo de fundación mayor que 1kg/cm² y menor que 1.5 kg/cm². Se usa en suelos de baja compresibilidad (Cc menor a 0.2) y donde los asentamientos diferenciales entre columnas puedan ser controlados. Para el diseño de una zapata aislada suponemos que la fundación es totalmente rígida y que por lo tanto ella no se deforma al transmitir las cargas al suelo Zapatas corridas: Es un cimiento continuo que soporta un muro, o tres o más columnas en línea recta. Se emplean en suelos de bajas resistencias o cuando se transmiten grandes cargas al suelo. También se usan en suelos de compresibilidad media (Cc entre 0.2 y 0.4), para mantener los asentamientos dentro de ciertos límites, conviene emplear zapatas continuas rigidizadas con vigas de cimentación. Losas de cimentación: Son tipos de cimientos combinados que soportan más de tres columnas que no están en línea recta y que proporcionan la máxima área de cimentación para un espacio determinado con la mínima presión en la cimentación y por tanto mayor seguridad contra la falla del suelo. Son apropiadas para controlar asentamientos diferenciales en muy variadas situaciones de carga, disposición estructural y condiciones del suelo portante. Cimientos Profundos: Estos se utilizan, si la capa de suelo que pueda soportar el peso de la estructura se encuentra muy profunda. Estas se caracterizan por tener una profundidad mayor de dos veces el ancho de la misma ND >2B, se diferencian de las superficiales en que se transfiere parte de la solicita- ción vertical al suelo mediante rozamiento a lo largo del elemento. pág. 31 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Se opta por la fundación profunda cuando se tenga la siguiente condición: Cuando no sea posible desde el punto de vista técnico-económico la construcción de la fundación del tipo losa. La capacidad portante del suelo de fundación sea menor a 0.5 Suelos expansivos: Los suelos que presentan un potencial de cambio de volumen, pueden transferir esfuerzos inadmisibles para los cimientos, si la cimentación no está diseñada para controlar las presiones que se generan. La expansión de los suelos depende entre otros factores, de la composición mineralógica, variación del nivel freático y clima. El potencial de expansión se puede calificar dependiendo de los límites de consistencia del suelo, como se indica en la siguiente Tabla. Relación entre el potencial de cambio volumétrico límites de consistencia: Potencial cambio volumétrico Bajo Medio Alto Muy alto Índice de plasticidad < 18 15 - 28 25 - 41 > 35 Límite líquido 20 - 35 35 - 50 50 - 70 > 70 Susceptibilidad de licuefacción: La licuefacción se produce cuando determinados tipos de suelos afectados por terremotos desarrollan elevadas presiones intersticiales de forma rápida (sin drenaje), dando lugar a una pérdida de la resistencia al cortante y a la rotura del suelo que se comporta como si fuera un líquido. Este fenómeno provoca el fallo de cimentaciones, roturas de taludes y deslizamiento. pág. 32 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Suelos colapsables: Estos suelos tienen un comportamiento que varía según su contenido de humedad. Al aumentar esta puede producirse una considerable disminución de volumen y por consiguiente se produce asentamiento en la aplicación de cargas sobre estos suelos. Los suelos colapsables pueden ser identificados con pruebas de consolidación y prueba de placa de cargas, también otro indicador es el peso específico seco de estos suelos como se muestra en la siguiente tabla. Grado de colapso Bajo Bajo a medio Medio a alto Alto a muy alto Peso específico seco (kg/m3) > 1427 1223 - 1427 1019 - 1223 < 1019 Acidez de los Suelos: Es de pleno conocimiento la acción destructiva de los suelos ácidos sobre elementos metálicos embebidos en ellos; por este motivo es de particular importancia el análisis de las fundaciones en este tipo de suelos. A continuación se muestra como determinar la acidez de los suelos apoyados en la resistividad del suelo. Grado de corrosión Resistividad Ω*mt <7 Muy corrosivo Corrosivo Moderadamente corrosivo No corrosivo 7 - 20 20 - 50 > 50 Factor de seguridad: Este factor se usa para determinar la carga admisible del suelo de cimentación, para que esta sea siempre menor que la carga de falla y esté lo suficientemente lejos de ésta, como para dar los márgenes de seguridad necesarios para cubrir todas las incertidumbres referentes a las propiedades del pág. 33 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica suelo, a la teoría específica de carga que se use y otros aspectos que intervengan de acuerdo al criterio del ingeniero estructural. Capacidad de carga: La capacidad de carga es la predisposición del suelo de soportar una carga sin que se produzcan fallas en su masa. La capacidad de carga de un suelo se puede obtener por medio de los resultados que proporciona el SPT (Standard Penetration Test) relacionándolo con la compacidad relativa en suelos granulares y con la compresión simple en suelos finos. Se ha visto que la falla por capacidad de carga ocurre como producto de una rotura por corte del suelo de desplante de la cimentación. Los tres tipos de falla bajo la cimentación son: 1. falla por corte general 2. falla por punzonamiento 3. falla por corte local Falla por corte general Se caracteriza por la presencia de una superficie de deslizamiento continua dentro del terreno que se inicia en el borde de la cimentación y que avanza hasta la superficie del terreno. Es usualmente súbita y catastrófica y a menos que la estructura misma no permita la rotación de la zapata ocurre con cierta visibilidad de inclinación un hinchamiento del suelo a los lados. pág. 34 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica La falla por corte general es la más común. Esta ocurre en suelos relativamente incompresibles y razonablemente densos o compactos o en arcillas saturadas normalmente consolidadas que son rápidamente cargadas prevaleciendo la resistencia no drenada. Falla por punzonamiento Se caracteriza por el asentamiento vertical de la cimentación mediante la compresión del suelo inmediatamente debajo de ella. La rotura del suelo se presenta por corte alrededor de la cimentación y casi no se observa movimiento de este junto a la cimentación manteniéndose el equilibrio tanto vertical como horizontal. La falla por punzonamiento es el extremo opuesto de la falla por corte general, esta ocurre en arenas muy sueltas, en delgadas capas de suelo compacto que sobreyace a suelos muy blandos o en arcillas blandas cargadas lentamente y en condiciones drenadas. La alta compresibilidad de tales perfiles de suelo causa grandes asentamientos y superficies de corte verticales pobremente definidas. No ocurren abultamientos significativos en la superficie del terreno y la falla se Desarrolla gradualmente. Falla por corte local Representa una transición entre las dos anteriores pues tiene características pág. 35 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica tanto del tipo de falla por corte general como de punzonamiento. En este tipo de falla existe una marcada tendencia al abultamiento del suelo a los lados de la cimentación y además la compresión vertical debajo de ella es fuerte y la superficie de deslizamiento termina en algún punto dentro de la masa misma del suelo. Factores determinantes para el tipo de cimentación I. Cargas y características de la estructura Se refiere a las condiciones de la superestructura y en general al carácter, la función y destino de la obra. Para fines de proyecciones es usual que el factor más importante lo constituyen la magnitud, las combinaciones críticas y la variabilidad de las diferentes cargas implicadas. II. Respuesta del sistema fundación - suelo Se trata de como la fundación responda a la carga, la cual determina el método de análisis. Lo primero que se debe de considerar es la superficie potencial de falla que va a exhibir el sistema fundación suelo y como esta puede variar con la profundidad. La distribución real de la carga también determina la respuesta como deformación que será una función de las propiedades del suelo y del material pág. 36 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica estructural de la fundación. III. Características del suelo de fundación Son las relativas al suelo de fundación, referente en especial a la naturaleza, propiedades físicas y químicas, estructura, composición, disposición dad de los estratos del suelo. y profundi- La resistencia al corte, la compresibilidad, las condiciones hidráulicas, deben determinarse en la investigación del suelo y constituyen factores primarios en la proyección y selección de fundaciones. IV. Presencia de aguas subterráneas La presencia de agua en un suelo o las variaciones de humedad pueden tener consecuencias tanto en la capacidad de carga de los suelos, los costos, la metodología empleada en la construcción como en el diseño del proyecto de fundación. Los terrenos de arena gruesa tienen prácticamente las mismas características secos que saturados, de modo que el agua subterránea no afecta sus propiedades. En arenas finas o arenas arcillosas la humedad capilar actúa como un agente cementador, y tiene el efecto de aumentar la adherencia y volumen del suelo. Si un terreno de esta especie está sometido a ciclos alternados de humedad y sequedad, es aconsejable construir un sistema de zanjas de drenaje para evitar los cambios de volumen, iguales medidas deben tomarse en terrenos principalmente arcillosos, en los cuales los cambios de volumen son aún más acentuados. VI. Profundidad y ubicación de las fundaciones En forma general la profundidad de fundación depende en primer lugar de la profundidad del estrato o los estratos competentes para soportar cargas pág. 37 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica transmitidas por la fundación desde este punto de vista pueden definirse los siguientes criterios: La fundación debe establecerse sobre o entre un estrato portante de resistencia y de compresibilidad adecuada para soportar las cargas aplicadas sin falla en la masa del suelo y sin asentamientos excesivos. Los estratos subyacentes al estrato portante deben igualmente tener la suficiente resistencia y compresibilidad para resistir los esfuerzos transmitidos en niveles donde sea significativo el efecto de este. En segundo lugar la profundidad depende de los potenciales efectos de factores externos del tipo ambiental, relacionados con la ubicación del sitio, la función de la obra las condiciones del suelo, pero esencialmente independiente de las cargas. Tipos de suelos y comportamientos sísmicos característicos Los principales tipos de suelos que presentan diferentes características de comportamiento desde el punto de vista de carga estática y de respuesta sísmica son las gravas, las arenas, los limos y las arcillas. Las gravas son suelos de partículas gruesas, que si se encuentran en estado denso, alcanzan altas resistencias y bajas compresibilidades, por lo tanto no involucran riesgos sísmicos especiales. Las arenas son suelos de partículas gruesas o finas, cuyo comportamiento sísmico depende fundamentalmente de su densidad. En estado suelto son débiles y deformables, y provocan daños severos por asentamientos y por fallas de cimentaciones, si se encuentran sumergidos pueden sufrir licuación. Los limos son suelos de partículas finas no cohesivas, cuyo comportamiento pág. 38 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica sísmico es similar al de las arenas finas, con los agravantes de menor resistencia de rozamiento interno y menor permeabilidad. Las arcillas son suelos de partículas muy finas, cohesivas, su comportamiento sísmico se caracteriza por su alta deformabilidad y consecuente efecto amplificador en las ondas sísmicas, causando movimientos de desplazamientos amplios y de baja frecuencia es decir las consecuencias pueden ser fuertes amplificaciones de fuerzas sísmicas en edificios flexibles. Factores que influyen en las propiedades dinámicas del suelo Los factores clave que influyen en las propiedades dinámicas del suelo son la tensión efectiva de confinamiento, el nivel de tensiones en el suelo, el índice de poros y la plasticidad del suelo. La tensión total efectiva vertical está definida como σ’V = ρz, donde ρ es el peso específico del suelo y z la profundidad desde la superficie. Por lo tanto la tensión efectiva vertical aumenta con la profundidad y el material está más confinado. Un incremento de tensión efectiva media provoca un aumento del límite de deformación elástica. En consecuencia, los suelos bajo tensiones de confinamiento altas se comportan como materiales más rígidos que suelos idénticos bajo tensiones de confinamiento bajas. Se ha observado que para arcillas el aumento del índice de poros causa una disminución del módulo de corte y de la razón de amortiguamiento. La disminución del módulo de corte con el aumento de la deformación es menor cuando el índice de plasticidad del material aumenta. Se ha mostrado que dicho módulo en arcillas de alta plasticidad es elástico a altas deformaciones. En resumen, los factores que controlan el comportamiento de los suelos frente a carga cíclica son los factores de carga: deformación de corte, tipo de carga (uniforme o irregular) y frecuencia velocidad de carga y los factores inherentes al suelo: índice de plasticidad, índice de poros, edad geológica, grado de cementación, razón de sobre consolidación y estado tensional inicial del suelo. pág. 39 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Efectos de suelos en solicitaciones sísmicas En primer lugar, el suelo afecta a los espectros de respuesta sísmica. Esto se debe a que la influencia de los suelos en las características de los movimientos sísmicos se aprecia en los diferentes registros que se obtienen en un mismo temblor en acelerógrafos instalados en diferentes sitios. Al construir espectros a partir de los registros, se observa que en las zonas donde el suelo es mas blando las amplificaciones del movimiento se desplazan hacia las frecuencias más bajas. El segundo aspecto en el cual el suelo afecta la solicitación sísmica proviene de las condiciones geomorfológicas del sitio. Esto es que la forma de los depósitos de suelos puede modificar las características de los movimientos sísmicos y, en consecuencia, puede aumentar los riesgos de fallas sísmicas para estructuras cimentadas en ellos. Así para edificios cimentados sobre y al borde de mesetas se puede esperar que sufran aceleraciones amplificadas respecto a los edificios emplazados en los valles circundantes, debido al menor confinamiento de los suelos de fundación. Adicionalmente, los edificios emplazados al pié de taludes, o sobre ellos, pueden ser afectados por deslizamientos de masas de suelos o por desplazamiento de rocas. Para el diseño sismo resistente de cimentaciones, se puede llevar a cabo por dos vías, una en el cual las cargas inducidas en las fundaciones por los movimientos sísmicos se determinan en base a las reacciones y momentos necesarios para el equilibrio estructural, y la otra en la que se aplican los enfoques de diseño tradicionales basados en la capacidad de carga del suelo (con factores de reducción de la capacidad adecuados si se desea contar con un margen de seguridad), siempre se deben tener en cuenta ciertos factores asociados con la naturaleza dinámica de las cargas sísmicas. En geología El estudio geológico de una zona, es la determinación de las características pág. 40 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica litológicas y estructurales de los materiales existentes en el sitio de estudio, mediante un conjunto de técnicas y procedimientos que se utilizan para reconstruir su historia geológica. El estudio geológico de un sitio tiene como propósito: Determinar los tipos de suelos que existen en la zona y ubicarlos en la posición estructural que le corresponda (columna estratigráfica). Identificar estructuras mayores (fallas, plegamientos, discordancias y Estratificaciones) y estructuras menores (fracturas, foliación y exfoliación). Evaluación y control de riesgos geológicos. Proponer trabajos complementarios de mayor detalle, como la explora- ción del sitio mediante perforaciones. Factor de resistencia: Factor que toma en cuenta las inevitables diferencias que existen entre la resistencia real y su valor nominal y los modos de falla y sus consecuencias. Generalmente es menor que uno. Factor de seguridad: Los edificios son diseñados con la base de introducir al análisis un factor de seguridad que puede ser definido como la proporción de la resistencia R de la estructura a las cargas aplicadas L ( FS = R / L ). En el diseño de fundaciones hay más incertidumbres y aproximaciones que en el diseño de otras estructuras, por la complejidad del comportamiento del suelo y el conocimiento incompleto de las condiciones del subsuelo Módulo de elasticidad: Factor de elasticidad de un material que representa la relación entre el esfuerzo cortante y la correspondiente deformación producida por este. pág. 41 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Diseño de fundaciones Para el diseño de fundaciones de torres se tomaran en cuenta todos aquellos elementos que correspondan a las cargas de servicios de una manera efectiva. Los valores de carga y análisis se realizaran de acuerdo a lo establecido en el reglamento Nacional de la Construcción 2007. Se presenta a continuación el procedimiento de cálculo estructural de los elementos involucrados en el diseño de fundaciones para torres de telefonía celular. I. generalidades de diseño y peso Para realizar el diseño se definieron los valores de resistencia al rotura ୡ peso específico del concreto específico II. el esfuerzo de fluencia del acero y presión admisible del terreno , estos últimos obtenidos a tra- vés de los estudios de mecánica de suelos realizados previamente. dimensiones de la fundación. Seguidamente se procedió a definir las dimensiones de la fundación, las cuales fueron asumidas a criterio del diseñador. III. carga de la torre En este punto se definen las cargas provenientes de la superestructura, tomando en cuenta las combinaciones más críticas de diseño según lo indica el Reglamento Nacional de la construcción en su artículo 15. pág. 42 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Tabla 10. Combinaciones de carga (RNC 07) Diseño por método de esfuerzos permisibles CM + Ps + (Pz ó 0.7(Fs)) 0.6(CM) + Pz + Ps 0.6(CM) + 0.7(Fs) + Ps CM + CV + Ps ó Pz Diseño por método de resistencia última 1.4(CM ) 1.2(CM) + 1.6(CV + Ps) 1.2(CM) + 1.6(Pz) + CV 1.2(CM) + Fs + CV 0.9(CM) + 1.6(Pz ) + 1.6(Ps) 0.9(CM) + Fs + 1.6(PS) Dónde: CM: carga muerta CV: carga viva Fs: fuerza sísmica horizontal Pz: carga o presión de viento Ps: carga debida a la presión lateral de la tierra, a la presión del agua subterránea, o a la presión de materiales a granel. IV. peso de la cimentación Su cálculo contempla el peso de la zapata, el pedestal y el suelo. Para ello es necesario únicamente realizar una operación aritmética. V. peso total de diseño Este corresponde a la acción del peso de la cimentación más la sobrecarga aplicada por la superestructura VI. momento por fuerzas laterales. Resulta de multiplicar la fuerza lateral aplicada en una dirección conocida, por su brazo de giro. Para ello se utilizan principios básicos de Estática. VII. presión actuante Para llevar a cabo este cálculo es necesario determinar en primera instancia la existencia de cargas excéntricas. pág. 43 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica La revisión de la capacidad de carga del terreno y de diseño se realizaran por el método de plastificación total o áreas reducidas. Se considera que este método reproduce mejor la situación que se presenta cerca de la falla y es la que conviene adoptar para el diseño de cimentaciones. Donde el área de la losa de la zapata calculada es reducida a cada lado dos veces el valor de la excentricidad, definida como el cociente del momento de volteo y el peso total. La presión actuante sobre el suelo admisible. Las cargas de la estructura que se debe tener en cuenta para esta ecuación corresponden a carga de servicio deberá ser siempre menor que la presión VIII. presión máxima de diseño Se sigue el procedimiento indicando en el punto VII con la diferencia que para el presente caso se trabaja con cargas últimas. IX. Resistencia al levantamiento (Up) Se debe asumir que las fundaciones excavados y acompañados resisten la fuerza de levantamiento mediante su peso propio más el peso de todo el suelo encerrado dentro de un cono o pirámide invertida cuyos lados forman un ángulo de 30º respecto de la vertical. Si hay un aumento de sección en la parte inferior de la fundación la base del cono será la base de la fundación o, caso contrario, en ausencia del aumento de sección, la base del cono será la parte superior de la base de la fundación, donde se deben diseñar de acuerdo a la siguiente ecuación Dónde: Wr = peso de la cuña de extracción pág. 44 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Wc = peso de la estructura de concreto ( Zapata y Pedestal) Up = Maxima fuerza de levantamiento ò tracción aplicada. X. diseño por deflexión en el diseño de los elementos estructurales, se debe buscar el mayor efecto producto de las fuerzas internas, por ellos determinar el momento flector máximo es impredecible. para lograrlo se sigue lo siguiente. La sección crítica de diseño a flexión se ubica en la cara de la columna. Porcentaje de acero: Se deben determinar los límites de los índices de refuerzo para conocer el tipo de falla que presenta el elemento puesto que se conoce dos clases de la misma: falla a compresión y falla a tensión. El punto de inflexión entre estos extremos de falla de los elementos, es la falla balanceada, la cual ocurre cuando simultáneamente, el acero alcanza su esfuerzo de fluencia y en el concreto se presenta la deformación máxima útil en compresión que vale 0.003. el porcentaje de acero para la falla balanceada se cal- cula mediante la siguiente expresión. Dónde: = porcentaje de acero balanceado = esfuerzo uniforme de la sección pág. 45 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica = esfuerzo de fluencia de acero = factor de reducción por flexión Una disminución en la temperatura con respecto a la existente cuando la lasa se funde, particularmente en estructuras sometida a la interperie, puede tener un efecto similar al de la tracción de fraguado. Es decir, la losa tiene a contraerse y, se está restringida para hacerlo, se generan esfuerzos internos de tensión. Diseño sismo resistente Para el diseño sismo resistente de cimentaciones, se puede llevar a cabo por dos vías, una en el cual las cargas inducidas en las fundaciones por los movimientos sísmicos se determinan en base a las reacciones y momentos necesarios para el equilibrio estructural, y la otra en la que se aplican los enfoques de diseño tradicionales basados en la capacidad de carga del suelo (con factores de reducción de la capacidad adecuados si se desea contar con un margen de seguridad), siempre se deben tener en cuenta ciertos factores asociados con la naturaleza dinámica de las cargas sísmicas. Bajo cargas sísmicas muchos suelos pueden movilizar una resistencia mayor que la resistencia estática. Para los suelos no cohesivos insaturados este aumento puede ser de alrededor de 10 por ciento, mientras que para los suelos cohesivos puede llegar a ser de hasta 50 por ciento. Sin embargo, para las arcillas saturadas más blandas y las arenas saturadas también se debe tener en cuenta el potencial de degradación de la resistencia y la rigidez bajo ciclos de carga repetidos. pág. 46 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO El desplante de la cimentación se hará a la profundidad señalada en el estudio de mecánica de suelos. Sin embargo, deberá tenerse en cuenta cualquier discrepancia entre las características del suelo encontradas a esta profundidad y las consideradas en el proyecto, para que, de ser necesario, se hagan los ajustes correspondientes. Se tomarán todas las medidas necesarias para evitar que en la superficie de apoyo de la cimentación se presente alteración del suelo durante la construcción por saturación o remoldeo. Las superficies de desplante estarán libres de cuerpos extraños o sueltos. En el caso de elementos de cimentación de concreto reforzado se aplicarán procedimientos de construcción que garanticen el recubrimiento requerido para proteger el acero de refuerzo. Se tomarán las medidas necesarias para evitar que el propio suelo o cualquier líquido o gas contenido en él puedan atacar el concreto o el acero. Asimismo, durante el colado se evitará que el concreto se mezcle o contamine con partículas de suelo o con agua freática, que puedan afectar sus características de resistencia o durabilidad. Se prestará especial atención a la protección de los pilotes en la parte oriente de la zona III del Distrito Federal donde el subsuelo presenta una alta salinidad. El procedimiento constructivo de un sitio de inicia con la limpieza, trazo y nivelación del terreno. Posteriormente se hace la excavación para desplantar la cimentación de la torre, siguiendo al pie de la letra las recomendaciones del estudio de mecánica de suelo, en este caso, se recomienda que el material excavado ser retirara por lo menos una distancia de tres metros y que se excavara con taludes, la cimentación de torre están formado por tres zapatas cuadradas, la excavación para el desplante se realiza en forma de T con una rampa para acceso de equipos y del personal. La zapata se estructura con acero formando una parrilla a la cual se une al armado los dados de cimentación para soportar las zapatas de la torre. Luego se colo- pág. 47 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica ca una losa de concreto con f`c de 250kg/cm 2 y con un revertimiento de 10 ± 2 cm, se tiene que tener un máximo cuidado en vibrarlo y curarlo adecuadamente, el siguiente paso consiste en colocar las anclas de acero que sirve para el ensamble de la torre con la cimentación; se cimbra y cuelan los dados de cimentación. La colocación de las anclas es muy importante ya que de no hacerse adecuadamente en el sitio especifico, la torre no puede anclarse y hay que demoler el dado, las propiedades del concreto utilizado así como su colocación y curado fue el mismo al de la zapata Después de que se decimbran los dados, se rellena la excavación con un material del banco , el material de humedeció hasta alcance un grado de compactación del 90% con respecto a la masa volumétrica seca máxima para así darle estabilidad contra volteo a la estructura debido a la acción del viento. Los dados de la cimentación quedaran por encima del nivel del piso con un fin de evitar la corrección de las anclas pág. 48 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica METODOS MECANICOS PARA LA CORRECCIÓN O INSTALACIÓN Cuando la base de la cimentación se sitúa a cierta profundidad D bajo la superficie del terreno (véase la figura A,1), la superficie de roptura teórica, asociada al estado limite ultimo de hundimiento, ha de movilizar la resistencia al corte del terreno situado por encima y alrededor de la cimentación. Para tener en cuenta este efecto, que obviamente aumenta la presión de hundimiento disponible, se empleara los coeficiente de corrección dc, dq, d a) coeficiente corrector del factor Nc: En la figura A.2 se recoge el coeficiente de corrección (dc) a aplicar el término de cohesión en función de la relación profundidad/ancho de la cimentación. pág. 49 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica El proyectista considerara prudentemente la inclusión de estos coeficientes de corrección. No se debe tener en cuenta en el caso de construir zapatas poco profundas en terreno arcilloso, de plasticidad elevada, que en época seca puedan desarrollar grietas por retracción. En estas circunstancias no podría contarse con la resistencia al corte del terreno situado sobre la base de la cimentación, ya que sería nula en la dirección a favor de los planos de la grieta . No deben emplear los factores de corrección anteriores para profundidades de cimentación D (ver figura A.1) bajo la superficie del terreno menores de 2m. Tampoco se debe considerar en cimentaciones cercanas a taludes o cuando no se pueda garantizar la permanencia, en el tiempo, del terreno situado por encima de la base de cimentación. pág. 50 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica DISEÑO METODOLÓGICO Propiedades físicas de los suelos Las propiedades de los suelos se determinan mediante ensayos y se expresan numéricamente por determinados coeficientes. Las investigaciones se realizan con muestras alteradas e inalteradas. Las muestras alteradas son suficientes cuando se quieren determinar características generales, como, granulometría, tamaño, peso de las partículas, humedad, límite líquido, plástico, capacidad de absorción de agua, materias presentes o valores límite de densidad. Se requieren muestras inalteradas cuando se desean obtener magnitudes dependientes de la estructura o de la densidad in situ, como el índice de poros la densidad aparente, la permeabilidad, la succión capilar. Tamaño de los granos. La variedad en el tamaño de las partículas del suelo o granos casi es ilimitada, por definición los granos mayores son los que se pueden mover con la mano, mientras que los más finos son tan pequeños que no se pueden apreciar con un microscopio corriente. Este puede ser determinado por medio de análisis granulométricos. Forma de las partículas La forma de las partículas tienen tanta importancia como su tamaño en lo que respecta al comportamiento del suelo; sin embargo a menudo no se considera, pues es difícil medirla y describirla cuantitativamente, la forma de los granos puede ser de tres clases: granos redondeados, granos laminares y granos aciculares. Color El color es la propiedad del suelo que más fácilmente emplea el que no tiene pág. 51 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica experiencia en mecánica de suelos, para identificar los suelos, sin embargo es un método práctico para enseñarles a los trabajadores como distinguir ciertos suelos. Humedad Es la cantidad de agua que posee un suelo, se expresa por la relación entre el peso del agua Ww existente en el suelo y el peso seco Ws de este. La humedad es una característica muy importante en los suelos cohesivos, influye sobre la capacidad de compactación y la consistencia, así como la capacidad portante del terreno. Límites de consistencia de los suelos a. Limite líquido (LL) Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico. Los suelos plásticos tienen en el límite líquido una resistencia muy pequeña al esfuerzo de corte, según Atterberg es de 25 g/cm2. b. Limite plástico (LP) Es el contenido de humedad expresado en porcentaje al peso seco de la muestra, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico. c. Índice de plasticidad Se define como la diferencia numérica entre los límites líquidos y plásticos, e indica el margen de humedades dentro del cual se encuentra el suelo en estado plástico y este depende generalmente de la cantidad de arcilla presente. Peso especifico Se define como la relación entre el peso de la muestra y el volumen de la muestra. Este al relacionarse con el peso específico del agua es llamado densidad relativa la cual es importante en mecánica de suelos debido a la correlación pág. 52 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica directa que ella tiene con otros parámetros. Además es posible obtener el peso específico de una muestra granular mediante la siguiente correlación. Resistencia En el estudio de las propiedades mecánicas de un suelo hay que considerar en general tres clases de esfuerzos: de compresión (que tienden a disminuir el Volumen del material); de tensión (que tienden a crear fractura en el material) y cortantes (que tienden a desplazar una parte de suelo con respecto a las otras). De acuerdo con esta clasificación el suelo puede presentar resistencia a la compresión y resistencia al esfuerzo cortante, la resistencia a la tensión en cambio puede despreciarse como consecuencia, aquellas estructuras o parte de estructuras que han de experimentar tensiones no se construyen con material de suelo sino con otro material para ello apropiado, tales como concreto armado o el acero. pág. 53 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica MEDIDAS DE SEGURIDAD “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” pág. 54 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica MEDIDAS DE SEGURIDAD Y CONSERVACIÓN DE LA ESTRUCTURA En el diseño de toda cimentación, se considerarán los siguientes estados límite, además de los correspondientes a los miembros de la estructura: a) De falla: 1) 2) 3) Flotación; Flujo plástico local o general del suelo bajo la cimentación; y Falla estructural de pilotes, pilas u otros elementos de la cimentación. La revisión de la seguridad de una cimentación ante estados límite de falla consistirá en comparar para cada elemento de la cimentación, y para ésta en su conjunto, la capacidad de carga del suelo con las acciones de diseño, afectando la capacidad de carga neta con un factor de resistencia y las acciones de diseño con sus respectivos factores de carga. La capacidad de carga de los suelos de cimentación se calculará por métodos analíticos o empíricos suficientemente apoyados en evidencias experimentales locales o se determinará con pruebas de carga. La capacidad de carga de la base de cualquier cimentación se calculará a partir de la resistencia media del suelo a lo largo de la superficie potencial de falla correspondiente al mecanismo más crítico. En el cálculo se tomará en cuenta la interacción entre las diferentes partes de la cimentación y entre ésta y las cimentaciones vecinas. Cuando en el subsuelo del sitio o en su vecindad existan rellenos sueltos, galerías, grietas u otras oquedades, éstos deberán tratarse apropiadamente o bien considerarse en el análisis de estabilidad de la cimentación. b) De servicio: pág. 55 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica 1) Movimiento vertical medio, asentamiento o emersión de la cimentación, con respecto al nivel del terreno circundante; 2) 3) Inclinación media de la construcción. Deformación diferencial de la propia estructura y sus vecinas. En cada uno de los movimientos, se considerarán el componente inmediato bajo carga estática, el accidental, principalmente por sismo, y el diferido, por consolidación, y la combinación de los tres. El valor esperado de cada uno de tales movimientos deberá garantizar que no se causarán daños intolerables a la propia cimentación, a la superestructura y sus instalaciones, a los elementos no estructurales y acabados, a las construcciones vecinas ni a los servicios públicos. Se prestará gran atención a la compatibilidad a corto y largo plazo del tipo de cimentación seleccionado con el de las estructuras vecinas. Congruentemente con lo especificado en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo respecto a efectos bidireccionales, para la revisión de los estados límite de falla de una cimentación bajo este tipo de solicitación, se deberán considerar las acciones sísmicas de la siguiente forma: 100 por ciento del sismo en una dirección y 30 por ciento en la dirección perpendicular a ella, con los signos que para cada concepto resulten desfavorables. Para una evaluación más precisa de las acciones accidentales por sismo al nivel de la cimentación, será válido apoyarse en un análisis de interacción dinámica suelo–estructura recurriendo a métodos analíticos o numéricos aceptados para este fin. Se podrá usar en particular el método de la sección A.6 del Apéndice A de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo. Cuando se considere que la fricción negativa pueda ser de importancia, deberá realizarse una modelación explícita, analítica o numérica, del fenómeno que permita tomar en cuenta los factores anteriores y cuantificar sus efectos. En esta modelación se adoptarán hipótesis conservadoras en cuanto a la evolución previsible de la consolidación del subsuelo. pág. 56 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Se calcularán y tomarán explícitamente en cuenta en el diseño el cortante en la base de la estructura y los momentos de volteo debidos tanto a excentricidad de cargas verticales respecto al centroide del área de cimentación como a solicitaciones horizontales. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA LA CONSTRUCCIONES DE TORRES DE TELEFONÍA CELULAR Y DE TENSIÓN ELÉCTRICA Equipo de protección Protección de la cabeza: para cuidar tu cabeza de objetos que caen, cargas izadas por grúas y ángulos sobresalientes, que son comunes en una obra en construcción, se te recomienda usar casco de seguridad de forma constante en la obra. La regla es válida para administradores, supervisores y visitantes; considera que deben usarse cascos aprobados según normas nacionales e internacionales de seguridad. Protección a los pies: Al utilizar el calzado protector adecuado podrás prevenir lesiones de los pies causadas por: Clavos que no han sido sacados o doblados en las maderas y que a su vez, podrían penetrar la planta del zapato y lastimar el pie. El aplastamiento de materiales pesados que caen. La clase de botas o zapatos de seguridad dependerá de la clase de trabajo que realices (por ejemplo, la presencia de agua subterránea en la obra), pero todo el calzado protector debe tener suela impenetrable y capellada con puntera de acero. Protección de las manos y la piel pág. 57 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Nuestras manos son sumamente vulnerables a las lesiones accidentales y en la construcción; manos y muñecas sufren más lastimaduras que ninguna otra parte del cuerpo. Sufren raspaduras, fracturas, luxaciones, esguinces, amputaciones y quemaduras, que en su mayoría las podemos evitar con mejores técnicas y equipo de trabajo manual y con el uso de equipo protector adecuado como guantes o manoplas. Entre las tareas riesgosas más comunes que requieren protección de las manos están las siguientes: Operaciones que te obligan a contactar con superficies ásperas, cortantes o cerradas, o con salpicaduras de sustancias calientes, corrosivas o tóxicas, como resinas. Trabajo con máquinas vibratorias como perforadoras neumáticas, en las cuales es recomendable amortiguar las vibraciones. trabajo eléctrico en tiempo frío y húmedo. Protección de ojos Los fragmentos y esquilas, el polvo o la radiación, son causa de muchas lesiones de la vista en las siguientes tareas: El picado, corte, perforación, labrado o afilado de piedra, concreto y ladrillo con herramientas de mano o automáticas. El rasgueado y preparación de superficies pintadas o corroídas. El pulido de superficies con rectificadoras a motor. El corte y soldadura de metales. pág. 58 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” CÁLCULOS pág. 59 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica CALCULO Ejercicio 1 (cimentaciones continuas) Se calcula la carga que va a ser igual al peso específico del suelo por el desplante se calcula los factores de capacidad de carga que están en función del ángulo de fricción del suelo, sabiendo el tipo de ángulo se procede a buscar cada uno de los valores de . sabiendo el valor de la carga y de los factores de capacidad de carga se procede a calcular la carga ultima, que va a ser igual a la cohesión por el factor de capacidad mas la carga por el factor de capacidad más ½ por el peso específico por el ancho de la zapata por el factor de capacidad obteniendo el valor de la carga ultima se procede a calcular la carga admisible que va a ser igual a la carga ultima entre el factor de seguridad. Ejercicio 2 (cimentaciones cuadrada con excentricidad) se procede a calcular la ⁄ y la ⁄ con el fin de saber que caso utilizar de highter y anders, en nuestro caso cumple con el caso 2 que es ⁄ y ⁄ . se calcula la longitud 1 y 2 ⁄ y ⁄ se calcula el área efectiva con la fórmula del caso 2, que va a ser igual a ½ por la longitud 1 menos la longitud 2 por la base, ⁄ se calcula la base prima que va a ser igual a la área efectiva entre longitud 1 se calcula la carga que va a ser igual al peso específico por el desplante se calcula los factores de capacidad de carga se calcula los factores de forma, los factores de inclinación de carga, los factores de profundidad ( y ). se calcula la carga ultima prima que va a ser igual a la carga por el factor de capacidad de carga por el factor de forma por el facor de profundidad por el factor de inclinación mas ½ del peso específico por la base prima por el factor de capacidad por el factor de forma por el factor de profundidad por el factor de inclinación , en este caso no se toma en cuenta por qué no presenta cohesión. luego de haber obtenido la carga ultima prima y el área efectivo se calcula la carga ultima que va a ser igual al área efectiva por la carga ultima prima pág. 60 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” EJEMPLOS pág. 61 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica EJEMPLO 1- ) Una cimentación continua tiene 1.52m de ancho su desplante 1.1m con un peso específico del suelo de 16.3 kN/m3 con un Angulo de fricción interna 22º y la cohesión del suelo 28kN/m2 ¿Determine la carga total admisible del elemento si el factor de seguridad es igual a 3 ( ) ( ) ( ) Una cimentación cuadrada BxL 1.5mx1.5m tiene una excentricidad longitudinal eL= 0.3m y una excentricidad eB 0.15m suponga que la excentricidad es en dos direcciones y determine la carga ultima el peso específico del suelo es de 16 KN/m3 Angulo de fricción interna es de 30º no posee cohesión C=0 y su desplante es de 0.5 m. pág. 62 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica ⁄ ⁄ ⁄ Qultm L ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ A` área efectiva ⁄ ⁄ pág. 63 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica ⁄ ( ) ⁄ ( ) ( ) ( ( ) ) ⁄ ( ) ( ) pág. 64 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” CONCLUSIONES pág. 65 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica CONCLUSIONES El presente trabajo es una contribución al aprendizaje de los estudiantes, ya que se presentó de forma didáctica los conceptos necesarios para entender los parámetros que rigen a un buen diseño y construcción de las cimentaciones, así como también nos permite un mayor entendimiento de los suelos, ya que es de mucha importancia la identificación del tipo de terreno para así determinar si necesita o no un mejoramiento, con un fin que pueda soportar la carga de la estructura. pág. 66 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” RECOMENDACIONES pág. 67 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica RECOMENDACIONES Cabe repetir la importancia de realizar el estudio de suelo para cualquier tipo de construcción, ya que al iniciar cualquier sin su respectivo estudio es uno de los mayores riesgos que puede ocurrir en el campo de la ingeniería, en el caso de análisis de cimentaciones, es imposible proyectar una cimentación adecuada para una estructura sin conocer el carácter del suelo. Es necesario tener en cuenta los diferentes tipo de métodos que hay para el cálculo de la cimentación ya que permite tenga una mejor estabilidad y resistencia en la estructura. pág. 68 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” BIBLIOGRAFÍA pág. 69 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica BIBLIOGRAFÍA Fundaciones I (MSc. Martin Duchen Ayala) Juárez Badillo-Mecánica de suelo tomo I Juárez Badillo-Mecánica de suelo tomo II Peter Berry- Mecánica de suelo Crespo Villalaz-Mecánica de suelo y cimentaciones http://es.scribd.com/doc/98112846/Fundaciones-para-torres-de-transmision http://www.arqhys.com/tipos-cimentaciones.html http://es.scribd.com/doc/17965497/albanileria-construccion-cimientos-libro141-paginas http://www.codensa.com.co/construccionyenergia/documentos/1006_Guia_ seguridad.pdf http://www.slideshare.net/adonay553/crespo-villalaz-carlos-mecanica-desuelos-y-cimentaciones-5ed pág. 70 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica “ Ciment aciones para Torres de Telefonía y de tensión eléctrica” ANEXOS glosario planos de cimentación imágenes de cimentación pág. 71 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica GLOSARIO Presión admisible: proporciona la seguridad necesaria para evitar la ruptura de la masa de terreno o el movimiento de los cimientos; esta presión se obtiene aplicando un coeficiente de seguridad, impuesto por las normas de edificación, a la carga de rotura del terreno. Presión activa: es el componente de presión en dirección horizontal que una masa de tierra ejerce sobre una pared. Superestructuras: Es la parte estructural que se sostiene en columnas u otros elementos de apoyo Oscilación: movimiento que realiza un estructura con respecto a un sismo o a una carga de viento. Ángulo de fricción: Ángulo formado por la tangente a la curva de resistencia intrínseca de un terreno, trazada por el punto de presión normal nula. Sección Trasversal: Proyección de una sección de un objeto que se ha realizado mediante un corte perpendicular al eje largo del mismo. Área efectiva del acero: Producto de la superficie de sección transversal de una armadura de acero por el coseno del ángulo que viene determinada por su eje y la dirección para la que se considera efectiva. Excentricidad: Distancia existente entre dos ejes paralelos. Área efectiva de hormigón: Superficie de una sección de hormigón situada entre el centroide de la armadura de tracción y la capa de compresión. Centroide: Punto que se considera como el centro de una figura bidimensional. Carga axial: Fuerza que actúa a lo largo del eje longitudinal de un miembro estructural aplicada al centroide de la sección transversal del mismo produciendo un esfuerzo uniforme pág. 72 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Fuerza axial: Fuerza que actúa a lo largo del eje longitudinal de un miembro estructural aplicada al centroide de la sección transversal del mismo produciendo un esfuerzo uniforme. Suelo coherente: Suelo dotado de gran resistencia y cohesión al estar sumergido, que se encuentra al aire libre sin estar confinado. Suelo sin cohesión: Suelo de escasa resistencia, muy poca o nula al estar sumergido, o al estar expuesto al aire libre sin nada que lo constriña Asentamiento: Colocación de una cosa en un lugar de manera que permanezca firme y segura. Consolidación: Adquisición de firmeza, solidez y estabilidad. Incertidumbres: Falta de conocimiento seguro o fiable sobre una cosa, especialmente cuando crea inquietud en alguien. punzonamiento: Es un esfuerzo producido por tracciones en una pieza debidas a los esfuerzos tangenciales originados por una carga localizada en una superficie pequeña de un elemento bidireccional de hormigón, alrededor de su soporte. Capilar: Un tubo capilar es una conducción de fluido muy estrecha y de pequeña sección circular. Su nombre se origina por la similitud con el espesor del cabello. Es en estos tubos en los que se manifiestan los fenómenos de capilaridad. Cohesivas: Que mantiene unidas cosas. Inherentes: Que por su naturaleza está inseparablemente unido a algo. Litológicas: es la parte de la geología que estudia a las rocas, especialmente de su tamaño de grano, del tamaño de las partículas y de sus características físicas y químicas. Incluye también su composición, su textura, tipo de transporte así como su composición mineralógica, distribución espacial y material cementante. pág. 73 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Discordancia: es una relación geométrica entre capas de sedimentos que representa un cambio en las condiciones en que se produjo su proceso de deposición. En ausencia de cambios ambientales o de movimientos tectónicos, los sedimentos se depositan en estratos (capas) paralelas. Troqueles: Se le llama troquel a la herramienta que, montada en una prensa permite realizar operaciones diversas. Discrepancia: conflicto entre los registros geológicos de temperaturas pasadas y el monto de radiación entrante solar, o insolación. pág. 74 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Diseño de zapata y pedestal de la cementación pág. 75 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Formaleta para el sostenimiento del concreto Cimentación con zapatas aislada Cimentación cuadrada para antenas de gran altura Armado de hierro de la cimentación para torres autosoportada pág. 76 Cimentaciones para torres de telefonía celular y de tensión eléctrica Torre de telefonía celular de cuatro columnas y requieren cimentación cuadrada y triangular cuando la estructura pequeña altura Torre de tensión eléctrica de cuatro columnas y utiliza una cimentación cuadrada pág. 77