Software de diseño de cimentaciones para sistemas de cimentación superficial | Foundaxis

En el presente documento, luego de introducir los conceptos básicos relativos al diseño de cimentaciones superficiales y elementos estructurales que componen un sistema de cimentaciones, se describe un flujo de diseño ultra eficaz para realizar mediante software el diseño completo de sistemas de cimentaciones superficiales, aplicable a la mayoría de las estructuras industriales, comerciales o habitacionales. El flujo de trabajo descrito abarca desde la extracción de datos desde el modelo de la superestructura, hasta la generación de reportes de cálculo y planos de construcción. Con este flujo , es posible realizar diseños completos de sistemas de cimentaciones en entre 15 a 30 minutos.

1.Tipos de Cimentaciones Superficiales y Elementos Estructurales de Cimentación

 

1.1 Cimentaciones Aisladas

Elemento de fundación superficial diseñado para transmitir al suelo la carga de un único elemento estructural, normalmente una columna. Consiste generalmente en una zapata de hormigón armado de planta cuadrada, rectangular o circular, dimensionada para distribuir las cargas verticales y momentos al terreno sin exceder la capacidad portante admisible ni generar asentamientos excesivos.

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1.2 Cimentaciones Corridas

Tipo de fundación superficial continua que se extiende longitudinalmente bajo muros portantes o una alineación de columnas. Su función es distribuir las cargas lineales del muro o de varios apoyos cercanos hacia el terreno, manteniendo una presión uniforme y controlando asentamientos diferenciales a lo largo de la estructura.

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1.3 Losas de Cimentación

Tipo de fundación superficial continua que se extiende longitudinalmente bajo muros portantes o una alineación de columnas. Su función es distribuir las cargas lineales del muro o de varios apoyos cercanos hacia el terreno, manteniendo una presión uniforme y controlando asentamientos diferenciales a lo largo de la estructura.

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1.4 Vigas de Amarre Sísmico.

Elemento estructural horizontal cuya función es vincular fundaciones entre sí para restringir desplazamientos horizontales del sistema de cimentación. Estas vigas trabajan principalmente a tracción, actuando como un amarre entre zapatas u otros elementos de fundación para evitar separaciones o movimientos relativos horizontales, particularmente frente a acciones sísmicas, empujes laterales o efectos de tracción en la base de la estructura. No están destinadas a transmitir cargas verticales significativas al suelo ni a resistir momentos importantes, sino a mantener la integridad geométrica del sistema de fundaciones mediante la restricción de movimientos horizontales.

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1.5 Vigas de Cimentación.

Elemento estructural horizontal de fundación diseñado para trabajar como una viga que conecta dos o más fundaciones, permitiendo que estas actúen de manera conjunta frente a las cargas estructurales. A diferencia de las vigas de amarre, las vigas de cimentación están diseñadas para resistir esfuerzos de flexión, tracción y corte, transmitiendo y redistribuyendo cargas entre las fundaciones conectadas. Se utilizan cuando es necesario compatibilizar deformaciones, equilibrar cargas o mejorar el comportamiento global del sistema de cimentación, haciendo que varias fundaciones participen conjuntamente en la resistencia estructural.

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1.4 Sistemas de Fundaciones.

Conjunto organizado de elementos de fundación que trabajan de manera integrada para transmitir las cargas de la superestructura al suelo. Un sistema de cimentaciones puede estar compuesto por diferentes tipos de fundaciones, tales como zapatas aisladas, zapatas corridas, losas de cimentación, pilotes y vigas de conexión, configuradas según las características del suelo, la magnitud y distribución de las cargas estructurales y los requisitos de desempeño de la estructura.

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2. Parámetros de Diseño y Verificaciones

2.1 Cargas Solicitantes.

Las cargas requeridas para el diseño de cimentaciones son las que ocurren en la base de pilares y/o muros de la estructura bajo las distintas combinaciones de cargas para las que esta fue diseñada (Combinaciones de Cargas propias, Cargas Vivas, Viento, Sismo, etc...).

Para un diseño completo, se requerirán dos tipos de combinaciones de cargas:

• - Combinaciones de Carga de Servicio: Corresponden a combinaciones de Cargas sin Mayorar (ASD o para diseño por Tensiones Admisibles), y son las que determinaran el dimensionamiento de cada fundación.
• - Combinaciones de Carga Ultimas: Corresponden a combinaciones de Cargas Mayoradas (LRFD o para diseño por resistencia), son las que se utilizaran para el diseño de refuerzos de acero.

2.2 Parámetros de Diseño.

Los parámetros de diseño, es decir los parámetros limites que debe cumplir cada fundación para un correcto desempeño, usualmente provienen del estudio de mecánica de suelos previamente realizado o estimaciones realizadas por el ingeniero geotécnico y son los siguientes:

• - Tensión Admisible Estática: Es la tensión admisible para que el terreno no colapse bajo cargas estáticas (Pesos propios, Cargas de Servicio, etc.), normalmente incorpora un factor de seguridad y es un valor proporcionado del estudio geotécnico del terreno donde se construirá la estructura.
• - Tensión Admisible Dinámica: Es la tensión admisible para que el terreno no colapse bajo cargas dinámicas(Sismo, Vibraciones, etc.), normalmente incorpora un factor de seguridad y es un valor proporcionado del estudio geotécnico del terreno donde se construirá la estructura.
• - Porcentaje de Apoyo Mínimo: Es el mínimo porcentaje de área apoyada que se permitirá a la fundación bajo cargas que provoquen vuelco, es un valor que usualmente es proporcionado en la normativa estructural local, típicamente es alrededor del 80% (esto significa que no se permitirá que la fundación se levante mas de un 20% de su área apoyada en el suelo).
• - Asentamiento Máximo: Cuando los suelos son de baja calidad, la mecánica de suelos solicitara que en el diseño de fundaciones se verifiquen los asentamientos (cuanto se hunde el terreno al instalarse la estructura y luego de un tiempo), proporcionando para ello un valor limite.

2.3 Verificaciones Requeridas.

2.3.1 Estados Limites de Servicio (A verificar con cargas de Servicio)

• - Verificación por Capacidad de Carga: Se verifica que las tensiones admisibles estáticas y dinámicas no sean superadas en ninguna de las combinaciones de carga correspondientes.

• - Verificación por Volcamiento: Se verifica que no ocurra un levantamiento mayor al permitido según el parámetro de diseño "Porcentaje de Apoyo Mínimo" para cada combinación de cargas de servicio.

• - Verificación por Deslizamiento: Se verifica el desplazamiento lateral de la fundación, esta verificación ya esta algo obsoleta, pues los códigos locales de diseño normalmente exigen que las fundaciones posean vigas de amarre entre si y por que generalmente las fundaciones están restringidas lateralmente por el terreno. Debe realizarse en el caso de que una fundación no cumpla al menos una de las condiciones anteriormente mencionadas.

2.3.2 Estados Limites Últimos (A verificar con cargas Ultimas)

• - Verificación por Punzonamiento: Verifica que no existan fallos producto de la carga concentrada de pedestales en la cimentación.
• - Verificación de Fallas estructurales del Concreto: Se debe asegurar que la fundación resista las flexiones por fuerzas de corte  y tracción para todas las combinaciones de carga Ultimas, para ello se realiza un diseño de refuerzos de acero  que asegure esta condición.

2.3.3 Verificaciones Geotécnicas

• - Verificación de Presiones Bajo el Terreno (Bulbos de Presión): En algunos casos es necesario verificar que se cumplan tensiones bajo el terreno, por ejemplo cuando bajo las fundaciones existen túneles o ductos. Para ello se pueden calcular los bulbos combinados de presión que ocurren bajo el sistema de cimentación.

• - Verificación de Asentamientos: Si el ingeniero geotécnico lo solicita, se deberá revisar que los asentamientos totales (asentamientos instantáneos mas asentamientos en el tiempo)no sobrepasan los asentamientos permisibles. En el caso de detectarse asentamientos importantes se deben además verificar las diferencias de asentamiento entre distintas zonas del sistema de cimentaciones, a fin de evitar daños en la superestructura.

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3. Cambios en el Diseño Tradicional de Cimentaciones

3.1.- Flujo de Diseño Tradicional.

Diseñar las dimensiones de una cimentación bajo un solo set de cargas con ecuaciones aproximadas puede resultar simple con una sencilla hoja Excel o una serie de cálculos manuales. Aun así, se requiere realizar iteraciones para llegar a una dimensión optima y luego a partir de ahí diseñar los refuerzos de acero. 

Sin embargo, las edificaciones usualmente tienen muchas fundaciones, sometidas a muchas combinaciones de cargas y las cargas solicitantes resultantes suelen tener componentes de fuerzas horizontales en ambas direcciones a la vez.

Aun si se realiza un análisis aproximado, en una dirección primero y luego en la otra, utilizando una planilla Excel extensa, surgen múltiples situaciones que multiplican el tiempo invertido en realizar iteraciones buscando las dimensiones optimas: Se debe escoger que tipo de fundaciones utilizar, dicha elección suele variar durante la búsqueda de dimensiones, 

 

• - Estimaciones Aproximadas
• - Iteraciones Prueba y Error
• - Herramientas Fragmentadas

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4. Flujo de Diseño Eficiente y Preciso de un Sistema de Cimentaciones Superficiales

En este capítulo exploraremos un flujo de diseño ultra eficiente para el diseño estructural óptimo de un sistema completo de fundaciones superficiales para cualquier estructura previamente diseñada en cualquier software de elementos finitos, como SAP2000, ETABS, STAAD u otro

Con un poco de practica de este esquema, es posible diseñar sistemas completos de cimentaciones optimizados y seguros en tiempos de entre 15 y 30 minutos, abarcando el proceso completo: desde el prediseño hasta la generación completa de la documentación asociada.

A continuación se aprecia un esquema del flujo de diseño optimo, y en los subcapítulos siguientes se detalla cada etapa.

4.1 Extracción Eficiente de Datos desde Modelo Estructural (2-5 minutos).

La extracción de los datos requeridos para el diseño del sistema de cimentaciones, resulta rápida y efectiva si previamente se cumplen las siguientes condiciones en el modelo de la estructura:

• El diseño de la superestructura debe estar terminado, es decir los miembros y componentes de la estructura que será soportada por el sistema de cimentación son los definitivos.
• Deben haberse incluido en el calculo de modelo, las combinaciones de carga que se utilizaran para el diseño de cimentaciones (usualmente Combinaciones de Servicio para el dimensionamiento y Combinaciones Ultimas para diseño de refuerzos de acero).

La secuencia a seguir al cumplirse estas condiciones es la siguiente:

1. Seleccionar todos los nodos restringidos del modelo (nodos que se conectaran a las fundaciones) y los elementos estructurales que llegan a ellos.
2. Exportar la definición del modelo y las reacciones en los nodos restringidos a un archivo legible por el software de diseño de cimentaciones (Por ejemplo en SAP2000 .s2k)
3. Abrir el archivo en el software para diseño de cimentaciones.
4. Seleccionar las combinaciones de cargas de Servicio y Ultimas, es relevante seleccionar solamente las combinaciones criticas y no considerar combinaciones que evidentemente se sabe que no determinaran el diseño, usualmente es suficiente para todos los códigos estructurales considerar hasta 10 combinaciones de servicio y 10 combinaciones ultimas.
5. Definir parámetros básicos de diseño para las cimentaciones desde la mecánica de suelos (tensiones admisibles estáticas y dinámicas y área de apoyo mínima).
6. Definir una profundidad de cimentación y peralte de las mismas¹.

Una vez ingresados estos datos, se obtiene un sistema inicial básico donde se asignan automáticamente: una fundación aislada por nodo restringido o fundaciones corridas en el caso de detectarse muros en el modelo estructural.

 

 

¹ En general el mecánico de suelos recomienda una profundidad ideal para el sello de fundaciones, los códigos de diseño locales y el criterio estructural en base a la dimensión general de la super estructura son claves para establecer el espesor a utilizar, en general se utilizan espesores mayores a 30cm y en función de las cargas involucradas se puede llegar a 1, 1.5 o 2m de espesor)

• Video Tutorial: Cargar Datos desde SAP2000 a FOUNDAXIS
• Video Tutorial: Cargar Datos desde ETABS a FOUNDAXIS
• Video Tutorial: Cargar Datos desde STAAD a FOUNDAXIS
• Video Tutorial: Cargar Datos desde EXCEL a FOUNDAXIS

4.2 Selección de Tipos de Fundación Mediante IA (1-3 minutos)

Presione la herramienta de prediseño mediante IA, en función de las cargas involucradas y las ubicaciones de pilares y muros, la IA le entregara un set de estructuraciones posibles que consideran todas las combinaciones de carga. Las distintas opciones, juegan con:

1. Tipos de fundaciones en el layout.
2. Agrupación de fundaciones aisladas para homogenización.

Escoja el layout que mas sentido le haga según su criterio ingenieril.

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• Video Tutorial: Prediseño de Sistemas de Cimentación Mediante IA y Personalización en FOUNDAXIS

4.3 Personalización del Layout del Sistema de Fundaciones (1 a 3 minutos)

Utilizando la herramienta de personalización rápida del layout de cimentaciones, realice las adecuaciones que usted considere necesarias: Variar espesores, unir/separar fundaciones como strip o losa, transformar tipos de fundaciones.

 

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• Video Tutorial: Prediseño de Sistemas de Cimentación Mediante IA y Personalización en FOUNDAXIS

4.4 Optimización Automática de Dimensiones (2-5 minutos)

Una vez conforme con el layout del sistema de cimentaciones, simplemente presiones optimizar y todos los tipos de cimentaciones se ajustaran a las dimensiones horizontales optimas para cumplir con las tensiones de trabajo y porcentaje de área mínima de apoyo especificados.

Una vez optimizadas las cimentaciones, es prudente verificar el cumplimiento de los parámetros de diseño en la vista general, donde se marcaran con un ticket verde las cimentaciones que cumplen con los parámetros de diseño.

Si lo requiere, puede verificar el desempeño detallado de una cimentación en particular en la vista detallada de resultados.

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• Video Tutorial: Prediseño de Sistemas de Cimentación Mediante IA y Personalización en FOUNDAXIS

4.5 Generación Automática de Vigas de Amarre Sísmico (1-3 minutos)

Active la generación automática de vigas de amarre sísmico, si es necesario agregue vigas adicionales a las propuestas, quite vigas sobrantes o modifique su ubicación.

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• Video Tutorial: Generación Automática de Vigas de Amarre en FOUNDAXIS

4.6 Diseño de Refuerzos de Acero (2 a 5 minutos)

Seleccione el modulo de diseño de refuerzos de acero, verifique:

1. Esten seleccionados los diámetros de barra de acero disponibles en su localidad.
2. Los recubrimientos coincidan con su código local.
3. El área mínima requerida de refuerzo coincida con su código local.

Los valores por defecto en el software corresponden a los especificados en ACI-318. Una vez verificados estos parámetros presione DESINGN y se realizara el diseño automático de los refuerzos requeridos en cimentaciones y pedestales.

Si desea inspeccionar momentos solicitantes, diagramas de interacción u otros parámetros de diseño, haga click sobre una fundación en particular.

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4.7 Análisis Geotécnico (4 a 8 minutos)

Si requiere realizar un análisis para determinar bulbos de presión combinados, asentamientos instantáneos, por consolidación y diferenciales, el primer paso es configurar las capas de terreno.

Las capas de terreno pueden ser de geometría irregular y son definidas mediante sondajes, especificando el espesor de cada capa en cada punto de sondaje.

Pueden ser utilizados tipos de suelos predefinidos en el software o tipos de suelo definidos por el usuario, es posible crear una biblioteca de tipos de suelo propia.

No olvide ingresar correctamente la profundidad de la napa de agua.

Una vez definidos los estratos de suelo, ingrese al modulo de  ANALISIS GEOTÉCNICO,  y presiones RUN, luego de un par de minutos de cálculo estarán disponibles:

• - Presiones Naturales: presiones debidas al peso propio del terreno.
• - Presiones Directas: presiones producto del sistema de cimentaciones (Bulbos de Presión)
• - Presiones Totales Efectivas: Presiones que combinan el peso del terreno considerando la napa de agua y las ejercidas por el sistema de cimentaciones.
• - Asentamientos Instantáneos: Asentamiento elástico al momento de instalar las cimentaciones y la estructura.
• - Asentamientos por consolidación Primaria: Asentamientos a ocurrir en el mediano plazo.
• - Asentamientos totales: Asentamientos instantáneos mas asentamientos por consolidación.
• - Asentamientos diferenciales: Análisis de asentamientos diferenciales en función de los parámetros de evaluación ingresados luego de presionar RUN.

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4.9 Generación de Documentación (2 a 3 minutos)

Es posible generar 3 tipos de documentos del proyecto:

1. Reporte completo de cálculos, puede descargarlo en formato word editable o pdf.
2. Planos de construcción: disponibles en pdf y dxf CAD.
3. Estimación de Costos: en función de los precios por material ingresados, obtendrá una estimación de los costos del sistema de cimentaciones.

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4.10 Modelo BIM (1 minuto)

Adicionalmente, si desea exportar el diseño completo (Fundaciones + Refuerzos) para integrarlo dentro de un modelo BIM, solo exporte en formato ifc.

 

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5. Ejemplo Práctico de Flujo Optimizado

En los link a continuación, encontrara ejemplos prácticos paso a paso aplicando el flujo de diseño recien descrito.

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