En la construcción de edificios, uno de los pasos más importantes es la cimentación. Hay varios tipos de cimentaciones, entre ellas están las zapatas aisladas. ¿Qué son? ¿Cómo se diseñan? ¿Qué tipos hay? En este artículo resolvemos todas tus dudas.
¿Qué son las zapatas aisladas?
Las Zapatas Aisladas son un tipo de cimentación superficial que sirve de base para elementos estructurales puntuales como son los pilares. Esta zapata amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite.
Antes de profundizar en qué es una zapata aislada, cómo se diseña y otros datos de interés, es importante que sepas primero qué es una zapata.
¿Qué es una zapata?
Como ya se ha mencionado, una zapata es un tipo de cimentación superficial. Consiste en un prisma ancho de hormigón que se ubica bajo los pilares de la estructura de un edificio.
Las cimentaciones superficiales se encargan de repartir la fuerza de una estructura sobre una superficie a través de sus elementos de apoyo.
Una cimentación se considera superficial cuando tiene una profundidad entre 0,5 y 4 metros, y la tensión que admiten las capas del terreno permite apoyar la edificación directamente sin tener que realizar excesivos asientos de la estructura. Si no cumple estos requisitos, se considera cimentación profunda.
¿Qué otras características tienen las zapatas aisladas?
Existen varios tipos de zapatas dependiendo de a cuantos pilares brinden apoyo.
En el caso de las zapatas aisladas, brindan soporte a pilares aislados cuando el terreno es de buena calidad y la carga de estos pilares sea pequeña o moderada. Las dimensiones de una zapata aislada dependen de la capacidad de hundimiento, el equilibrio, la resistencia y el asentamiento diferencial respecto a zapatas contiguas.
Las zapatas aisladas pueden ser de material reforzado o no reforzado. Si tiene una base no reforzada, la altura de esta deberá ser mayor para proporcionar una separación de carga necesaria.
Generalmente, este tipo de zapatas tienen una base cuadrada lo que hace que sea de fácil construcción y aporta sencillez a la estructura, aunque también se pueden encontrar en otras formas geométricas. El pilar al que da soporte arranca siempre desde el centro de la base.
Las zapatas aisladas van arriostradas con riostras de hormigón armado de sección inferior a la zapata. El arriostramiento puede ejecutarse de hormigón en masa, es decir, sin armar, si las zapatas tienen una altura considerable. En este caso se denominan zapatas macizas.
La Norma Tecnológica NTE-CSZ es la normativa referida a las zapatas aisladas de hormigón en masa o armado como cimiento de soportes verticales. En este vídeo se explica un poco más acerca de las zapatas aisladas, sus tipos y cómo se ejecutan.
¿Qué tipos de zapatas aisladas hay?
Dentro de las zapatas aisladas, hay varias clasificaciones.
Según la relación entre el canto y el vuelo
Las zapatas aisladas según su relación entre el canto (alto) y el vuelo (largo) pueden clasificarse en:
- Zapatas flexibles o no deformables
La altura de estas zapatas es menor que el largo en las dos direcciones de la zapata. Este tipo de zapatas sigue la teoría general de la flexión, cumpliendo así las hipótesis de Navier-Bernouilli y realizando el cálculo como una viga, es decir, como un elemento lineal. Están sometidas tanto a esfuerzos de tracción como de compresión. La armadura reparte los esfuerzos de tracción en la zona inferior de la zapata.
- Zapatas rígidas o deformables
La altura de estas zapatas es menor o igual que el largo máximo medido en ambas direcciones. Al ser rígidas, no cumple la teoría de la flexión mencionada anteriormente, por lo que para su cálculo se plantea un modelo de bielas y tirantes. Se suele armar con una carga de hierro de alrededor de 25 a 40 kg/m3.
Según donde se posicione el esfuerzo vertical
Según el esfuerzo vertical esté en el centro geométrico de la zapata se distingue entre:
- Zapatas excéntricas o de medianería
En estas zapatas la carga no se centra en el cimiento, es el caso en el cual el pilar o la pared de carga (medianera) que apoya sobre una zapata, aislada o continua, está tocando el límite del predio, y la carga no puede quedar centrada en el cimiento. Esta quedaría fuera del solar, por lo que es necesario que el pilar o la pared carguen en un extremo de la zapata.
Los ejes verticales de la pared y del cimiento no coinciden y la posición de la carga produce diferentes tensiones en el terreno. Se corrige uniendo la zapata medianera o excéntrica a otra zapata central a través de una riostra entre las dos zapatas, llamada viga centradora, que evita el giro de la zapata.
Este tipo de zapata se une mediante riostras de concreto u hormigón armado de sección inferior a la zapata. Son cimentaciones para pilares interiores normalmente de planta cuadrada. La unión mediante riostras tiene el objetivo de evitar desplazamientos laterales. En estas zapatas el pilar o el muro se apoya en el centro de la base de la zapata.
Según la forma de la base
- Zapatas rectangulares
Zapatas que presentan lados desiguales.
- Zapatas circulares
Zapatas cuya característica principal es su forma circular.
- Zapatas cuadradas
Son aquellas zapatas que presentan todos sus lados iguales.
Según la forma de la cara superior
Según la forma que presente la cara superior de la zapata se pueden dividir en:
- Zapata recta
Es aquella cuyo canto es continuo. Tiene una base prismática, normalmente en forma cuadrada, e inmediatamente encima se une el pilar o muro que se vaya a soportar.
- Zapata escalonada
En este tipo de zapata la parte superior a la base presenta otro bloque de hormigón también en forma cuadrada pero de menor tamaño a modo de escalón.
- Zapata piramidal
Es similar a una zapata recta a la que se añade en la parte superior una forma piramidal que hace que la zapata se una de forma más gradual al pilar que soporta.
- Zapata nervada o aligerada
La zapata nervada es una variante de la zapata escalonada que presenta encima de la base otro bloque de hormigón, pero esta vez no tiene forma cuadrada, sino que se presenta en forma de cruz.
En este vídeo puedes conocer mejor todos los tipos de zapatas aquí mencionados.
¿Qué estructura tienen las zapatas aisladas?
Las zapatas aisladas tienen tres partes fundamentales:
- Armado de la parte inferior: En esta primera parte se realiza un mallazo compuesto por barras cruzadas. La separación entre dichas barras no debe superar los 30 cm.
- Recubrimiento para evitar corrosiones: Consiste en una separación de las armaduras, entre 5 a 10 cm. del borde y del fondo de la zapata, en función del tipo de hormigón utilizado y de las características del terreno.
- Barras: Es recomendable usar diámetros de barras grandes, mínimo del 12, frente a posibles corrosiones.
La armadura longitudinal del pilar llega hasta el mallazo, debido a esto se deben colocar armaduras de espera similares a las de los pilares.
¿Cómo se diseñan las zapatas aisladas?
Para construir una zapata aislada deben independizarse los cimientos y las estructuras de los edificios ubicados en terrenos de naturaleza heterogénea para que las diferentes partes del edificio tengan cimentaciones estables.
Es bastante importante que las instalaciones del edificio se encuentren sobre el plano de los cimientos, evitando así cortar zapatas ni riostras. Para cualquier tipo de zapata, el plano de apoyo de esta debe quedar empotrado 10 cm. en el estrato del terreno.
La profundidad del plano de apoyo se define teniendo en cuenta los aspectos establecidos en el informe geotécnico, sin realizar ninguna alteración del comportamiento del terreno bajo el cimiento, debido a las variaciones del nivel freático o debido a algunos riesgos derivados de las heladas. También es conveniente alcanzar una profundidad mínima por debajo de la cota superficial de 50 u 80 cm. en las zonas afectadas por estas variables. Conviene usar hormigón de consistencia plástica, con áridos de un tamaño aproximado de 40 mm.
Previamente al cálculo de acero y la resistencia del hormigón, se debe establecer la dimensión de la base de la zapata en función de las cargas que llegan de la estructura al terreno. Después de haberla establecido, se procede al diseño:
Altura de la zapata
Normalmente la altura suele estar entre ¼ y ⅓ de la dimensión más grande de la zapata si esta va a tener una sección piramidal truncada. Si va a tener una sección rectangular constante, se puede disminuir hasta ⅕ .
Es recomendable construir en el cuello de la columna una meseta de 10 cm a cada lado para así apoyar el encofrado de la columna en una superficie plana. Del desplante, se debe construir un lateral de 30 cm para que el gancho de las zapatas quede embebido dentro del hormigón.
El recubrimiento entre la parte inferior de la zapata y el refuerzo de acero debe ser de 6 cm por lo menos.
Refuerzo de acero
Ya dentro del diseño de la zapata es importante calcular la solicitación de flexión entre la columna y el suelo hacia la zapata. Para conocer ese momento flector se debe realizar un corte imaginario en la cara de la columna. En ese corte imaginario hay que equilibrar los dos lados. Suele ser más sencillo equilibrar el corte derecho:
El esfuerzo generado desde el suelo a la zapata vale σ=Pub*L
El acero a colocar debe ir en la cara inferior de la zapata debido a que las solicitaciones traccionan esa cara. Cuando se trate de una zapata piramidal truncada, la sección de flexión es más complicada de analizar ya que la zona comprimida no es rectangular.
Se puede calcular la cantidad de acero que necesita una zapata con la siguiente fórmula:
Donde:
d = Altura efectiva de la zapata
b = Ancho del bloque de compresión
c = altura al eje neutro
a = altura comprimida de hormigón
f’c = resistencia característica del hormigón
fy = resistencia a la fluencia del acero
Además de la cantidad de acero obtenido en la fórmula anterior, se debe contrastar ese resultado con el acero mínimo por losas:
Todo este proceso debe realizarse para las dos direcciones de la zapata.
Si se da el caso de que la zapata tiene base cuadrada, la sección de aceros en la dirección perpendicular sería la misma. Si tiene base rectangular, se debe realizar el cálculo de acero recalculando también el momento flector.
Verificaciones a cortante
Para la verificación a cortante debe realizarse otro corte imaginario. Este corte debe estar a una distancia “d” de la cara de la columna. En este corte hay una fuerza cortante Vu:
Vu=σu*B*(L-12-d)
Esta fuerza Vu debe ser menor o igual a ØVc, el cual se calcula de la siguiente forma:
Si quieres una explicación más visual sobre el diseño de zapatas aisladas, puedes ver el siguiente vídeo.
¿Qué son los Estados Límite Últimos?
El cálculo de zapatas requiere de una comprobación para que no se sobrepasan diversos estados límite últimos:
| E.L.U | Estabilidad | Hundimiento | Agotamiento (flexión mecánica) | Punzonamiento |
| Motivo | Momento flector del pilar excesivo / Fuerza rasante excesiva | Poca capacidad portante del terreno | Excesiva compresión del pilar | Fisuración o desconexión de la parte comprimida por el pilar y la zapata |
| Corrección | Cambiar la forma o tamaño de la zapata | Aumentar la superficie de apoyo | Aumentar la altura de la zapata o establecer una armadura de acero en la base | Aumentar la altura de la zapata o establecer una armadura extra |
¿Qué son las zapatas arriostradas?
El arriostramiento consiste en rigidizar y estabilizar una estructura a través de elementos que impidan que esta se desplace o se deforme. Se denominan zapatas arriostradas a aquellas zapatas aisladas que están unidas mediante vigas.
Esas vigas que unen varias zapatas se suelen denominar vigas riostras, de atado o de arriostramiento, y normalmente están hechas de hormigón armado u otro elemento que resista tracciones. Estas vigas se deben posicionar cruzándose totalmente en el arranque de pilar, sin que toque en ningún momento la tierra.
El objetivo del arriostramiento es absorber acciones horizontales que puedan recibir los cimientos, ya sea por la estructura o por el terreno. De esta forma se evita el desplazamiento horizontal de los cimientos.
¿Qué otros tipos de zapatas hay?
Aparte de las zapatas aisladas, hay otros dos tipos que también es importante recordar:
Zapatas combinadas
Cuando no es posible apoyar un pilar en el centro de la zapata o para pilares perimetrales que tienen grandes momentos flectores, la presión del terreno es insuficiente para prevenir el vuelco de la cimentación.
Una manera de resolverlo es combinando la zapata de ese pilar con otra zapata próxima mediante vigas centradoras, lo que evita el giro de la cimentación. Dicha unión entre las dos zapatas constituye una zapata combinada.
Las zapatas combinadas son aquellas que según el Código Técnico de la Edificación CTE dan soporte a dos pilares.
Zapatas continuas o corridas
Este tipo de zapatas suelen usarse para muros de carga o pilares muy próximos. El conjunto del muro y la zapata forma una “L” en zonas perimetrales y una “T” invertida en zonas interiores.
Las zapatas corridas o continuas son aquellas que dan soporte a más de tres pilares, lo que hace la distinción respecto a los dos pilares que pueden soportar las zapatas combinadas.
