Guía de cálculo de cimentaciones: zapatas, losas y cargas estructurales
Aprende a calcular los requisitos de cimentación incluyendo tamaños de zapatas, volúmenes de concreto, capacidad portante del suelo y distribución de cargas estructurales para edificios residenciales.
Tipos de cimentaciones residenciales
Las cimentaciones residenciales se dividen en tres categorías principales: losa sobre terreno, espacio de arrastre y sótano completo. Una losa sobre terreno es un vaciado único de concreto que sirve como cimentación y como superficie del piso de planta baja. Una cimentación de espacio de arrastre usa muros perimetrales (ya sea concreto colado o bloque de concreto) con un sistema de estructura de piso elevado sobre un espacio ventilado o acondicionado. Un sótano completo extiende los muros perimetrales para crear un espacio habitable o de almacenamiento bajo nivel. La elección depende del clima, las condiciones del suelo, la topografía, las prácticas de construcción locales y el presupuesto. Cada tipo tiene diferentes requisitos de cálculo para zapatas, muros, impermeabilización y drenaje.
Entendiendo la capacidad portante del suelo
Toda cimentación descansa sobre el suelo, y el suelo debe ser lo suficientemente fuerte para soportar el peso del edificio sin asentamiento excesivo. La capacidad portante del suelo se mide en libras por pie cuadrado (PSF). La roca sólida puede soportar más de 12,000 PSF. La grava compactada soporta aproximadamente de 3,000 a 4,000 PSF. El suelo arenoso soporta de 2,000 a 3,000 PSF. La arcilla firme soporta de 2,000 a 4,000 PSF. La arcilla blanda o relleno sin compactar puede soportar solo de 500 a 1,000 PSF. Un informe geotécnico prueba el suelo real en tu sitio y proporciona una capacidad portante recomendada. En ausencia de un informe de suelos, la mayoría de los códigos asumen una capacidad portante predeterminada de 1,500 a 2,000 PSF para construcción residencial típica.
Cálculo de cargas del edificio
La carga total sobre una cimentación incluye la carga muerta (el peso de la estructura en sí) y la carga viva (ocupantes, muebles y cargas variables como nieve). Un muro típico residencial con estructura de madera pesa aproximadamente de 10 a 15 PSF. Un sistema de piso residencial (viguetas, subpiso y piso terminado) pesa aproximadamente de 10 a 15 PSF. El sistema de techo pesa aproximadamente de 10 a 20 PSF dependiendo de los materiales. Las cargas vivas se especifican por código: 40 PSF para pisos habitables, 30 PSF para dormitorios y de 20 a 70 PSF para cargas vivas de techo dependiendo del clima y la pendiente del techo. Suma todas las cargas muertas y vivas, multiplica por el área tributaria que soporta cada zapata, y obtendrás la carga total en libras que debe transferirse al suelo.
Dimensionamiento de zapatas continuas
Las zapatas continuas (corridas) corren bajo los muros portantes y distribuyen la carga del muro sobre un área mayor de suelo. El ancho de la zapata se determina dividiendo la carga lineal total (libras por pie lineal de muro) entre la capacidad portante del suelo. Si un muro lleva 2,000 libras por pie lineal y el suelo soporta 2,000 PSF, la zapata necesita ser de al menos 12 pulgadas de ancho (2,000 / 2,000 = 1 pie cuadrado por pie lineal = 12 pulgadas). Los mínimos del código para zapatas residenciales son típicamente 12 pulgadas de ancho y 6 pulgadas de espesor para edificios de un piso, 15 pulgadas de ancho y 6 pulgadas de espesor para dos pisos, y 18 pulgadas de ancho y 8 pulgadas de espesor para tres pisos. El espesor de la zapata debe ser al menos igual a la proyección más allá de la cara del muro en cada lado.
Dimensionamiento de zapatas para pilotes y columnas
Las cargas puntuales de columnas o postes requieren zapatas individuales de reparto. Calcula la carga total que lleva la columna sumando todas las cargas muertas y vivas del área tributaria que soporta. Divide la carga total entre la capacidad portante del suelo para obtener el área de zapata requerida. Una columna que lleva 8,000 libras sobre suelo clasificado a 2,000 PSF necesita un área de zapata de al menos 4 pies cuadrados, lo que se traduce en una almohadilla cuadrada de 2 pies por 2 pies. El espesor de la zapata es típicamente la mitad del ancho de la zapata menos la mitad del ancho de la columna, pero no menos de 8 pulgadas. El acero de refuerzo se coloca en ambas direcciones cerca de la parte inferior de la zapata para resistir la flexión. Las zapatas de pilotes para terrazas y porches siguen la misma lógica a menor escala.
Cálculos de muros de cimentación
Los muros de cimentación para espacios de arrastre y sótanos deben resistir tanto cargas verticales desde arriba como presión lateral del suelo empujando hacia adentro. El espesor del muro se determina por la altura del muro, el tipo de suelo de relleno y si el muro está soportado en la parte superior por la estructura del piso. Un muro de bloque de concreto de 8 pulgadas es suficiente para la mayoría de los espacios de arrastre hasta 5 pies de altura de relleno no balanceada. Los muros de concreto colado pueden ser de 8 pulgadas de espesor para la mayoría de las aplicaciones residenciales. Los muros más altos o los suelos de arcilla pesada pueden requerir muros de 10 o 12 pulgadas o refuerzo horizontal. El volumen de concreto para un muro colado se calcula como la longitud del perímetro por la altura del muro por el espesor del muro, convertido a yardas cúbicas.
Consideraciones de drenaje e impermeabilización
El agua es el enemigo principal de las cimentaciones. Un sistema de drenaje de cimentación adecuado incluye un drenaje perimetral (a menudo llamado drenaje francés o drenaje de zapata) instalado en la base de la zapata. Este es típicamente un tubo perforado de 4 pulgadas rodeado por grava lavada, cubierto con tela de filtro para prevenir la migración del suelo. El drenaje debe tener una pendiente de al menos 1/8 de pulgada por pie hacia un pozo de sumidero, salida a la luz del día o conexión de drenaje pluvial. Los muros de cimentación bajo nivel deben recibir un recubrimiento de impermeabilización o protección contra humedad. La impermeabilización completa (una membrana de caucho) se recomienda para sótanos, mientras que la protección contra humedad (un recubrimiento a base de alquitrán) es el mínimo para espacios de arrastre. La nivelación adecuada del terreno alejándose de la cimentación con una pendiente de al menos 6 pulgadas en los primeros 10 pies es la primera línea de defensa.
Requisitos de refuerzo y varilla
El concreto es fuerte en compresión pero débil en tensión, por lo que se agrega refuerzo de acero para resistir fuerzas de tensión y controlar el agrietamiento. Las zapatas continuas típicamente requieren al menos dos barras horizontales (generalmente varilla No. 4 o No. 5) a lo largo de toda la zapata, colocadas cerca de la parte inferior con 3 pulgadas de recubrimiento de concreto. Los muros de cimentación requieren refuerzo tanto horizontal como vertical. Un patrón residencial común es varillas No. 4 a 48 pulgadas de centro a centro verticalmente y varillas No. 4 a 48 pulgadas de centro a centro horizontalmente para un muro de 8 pulgadas. Las cimentaciones de losa sobre terreno típicamente tienen malla de alambre soldado (6x6 W2.9/W2.9) o varillas No. 3 a 18 pulgadas de centro a centro en ambas direcciones, soportadas sobre sillas para mantenerlas posicionadas en el tercio medio o inferior del espesor de la losa.