La zapata aislada es uno de los tipos de cimentación superficial más comunes que se utilizan para la construcción de múltiples obras, tanto por su facilidad y capacidad de transmitir las cargas puntuales de la estructura hacia el terreno de forma directa.
Las zapatas aisladas se utilizan como cimientos poco profundos para soportar cargas concentradas en estructuras de pequeña y mediana altura. Ubicadas debajo de las columnas estructurales de forma individual y espaciada, desempeñan la función de redistribuir el peso de la estructura desde los cimientos hacia el suelo subyacente.
Su uso es recomendado en terrenos firmes con alta resistencia. La zapata aislada es un tipo de cimentación somera, es decir, su profundidad de desplante es menor de unas tres veces su ancho.
Qué es una zapata aislada para columnas
La base de la zapata es el apoyo inferior de la cimentación que entra en contacto con el suelo, distribuye las cargas verticales de una columna hacia el terreno, aumentando el área de contacto entre la estructura y el suelo, procurando evitar asentamientos diferenciales o fallas en el suelo por la presión.
El pedestal o dado es la parte que sobresale de la zapata y sobre la cual se apoya la columna; puede tener diversas formas, comúnmente cuadrada o rectangular, su composición es de concreto reforzado.
Las columnas prefabricadas de concreto son elementos estructurales fabricados en planta que ofrecen alta resistencia y precisión en sus dimensiones.
Cuándo se utilizan las zapatas aisladas
Las zapatas aisladas se utilizan como cimientos poco profundos para soportar cargas concentradas en estructuras de pequeña y mediana altura.
En el caso de la Ciudad de México, este tipo de cimentación se utiliza en suelo de Tipo I (lomerío), para edificios de baja hasta mediana altura (6 niveles como máximo) y con poca rigidez estructural.
Estos cimientos funcionan óptimamente en terrenos con características uniformes; en terrenos heterogéneos, podrían surgir problemas de asentamiento diferencial.
No son adecuadas para soportar cargas muy elevadas, lo que las hace inadecuadas para edificios muy altos o estructuras con grandes cargas concentradas.
Materiales de una zapata y su moldaje
Una zapata aislada está hecha de concreto estructural, una mezcla de cemento, arena, grava y agua que va reforzada con varillas de acero de refuerzo de grado 42 o 56, lo que permite resistir tanto esfuerzos de compresión como de tracción.
Durante su construcción, se utilizan encofrados temporales de madera, triplay o metálicos para darle forma en el vaciado, también puede incluir una capa de concreto pobre en el fondo para nivelar y aislar del terreno.
En ocasiones se colocan membranas impermeables para evitar la pérdida de agua o la humedad del suelo, además de proteger la estructura de la corrosión y el desgaste a lo largo del tiempo.
Componentes principales
- Base de la zapata: distribuye las cargas verticales de la columna hacia el terreno.
- Pedestal o dado: recibe la columna y puede tener forma cuadrada o rectangular.
- Armado: funciona como el “esqueleto” de la estructura.
- Concreto estructural: da cuerpo, resistencia y estabilidad a la zapata.
- Contratrabes: conectan las zapatas aisladas entre sí, formando un sistema más rígido y estable.
El armado se compone por varillas de acero de refuerzo colocadas principalmente en la parte inferior para resistir esfuerzos de tracción, evitando fallas o fisuras.
Las contratrabes son vigas de concreto armado que conectan las zapatas aisladas entre sí, formando un sistema más rígido y estable. Impiden movimientos diferenciales entre zapatas y resisten esfuerzos laterales.
Dimensiones y altura de la zapata
Antes de realizar el cálculo de acero y de la resistencia del hormigón en la zapata, se tiene que haber establecido claramente la dimensión de la base de la zapata.
Esta altura por lo general está entre 1/4 y 1/3 de la dimensión más grande de la zapata. Especialmente si la zapata va a tener una sección piramidal truncada.
En el caso de zapatas piramidales truncadas, hay ciertas otras medidas a tomar en cuenta.
El recubrimiento libre entre la cara inferior de la zapata y el refuerzo de acero deberá ser de por lo menos 6cm.
| Parámetro | Valor o condición |
|---|---|
| Altura habitual | Entre 1/4 y 1/3 de la dimensión más grande de la zapata |
| Recubrimiento libre inferior | Por lo menos 6cm |
| Capa de concreto pobre | De 5 a 10 cm |
| Curado del concreto | Al menos 7 días |
Diseño estructural de la zapata para columnas
Cuando se diseñan zapatas, se debe calcular la solicitación de flexión producida entre la columna y el suelo hacia la zapata.
Para obtener este momento flector, se debe equilibrar cualquiera de los dos lados del corte imaginario.
El esfuerzo que se genera desde el suelo hacia arriba a la zapata vale σ = Pu/(b·L).
Nota que a diferencia que para calcular la base de la zapata, en este caso para conocer Mu necesitamos trabajar con las cargas mayoradas que llegan a la zapata Pu.
El procedimiento mencionado de diseño de acero debe realizarse en las dos direcciones de la zapata.
Flexión en zapatas piramidales truncadas
Cuando se trate el diseño de una zapata piramidal truncada, la sección a flexión es algo complicada de analizar pues la zona comprimida de hormigón no es rectangular.
Por lo general la verificación de la fluencia del acero y la no necesidad de acero en la cara de compresión de la zapata está garantizada gracias a la gran cantidad de hormigón que resiste la compresión, sin embargo es necesaria hacerla.
Cortante y punzonamiento
Este corte debe estar alejado a una distancia «d» de la cara de la columna.
En esta verificación cabe hacer una aclaración y distinción entre solicitación a fuerza cortante y solicitación a esfuerzo cortante.
El menor de estos resultados de vc corresponde al esfuerzo resistente a punzonamiento de la zapata.
Las unidades de vc están en [MPa] y deben compararse con el esfuerzo solicitante «vu» también en [MPa].
Proceso constructivo de una zapata con moldaje
1. Estudio del suelo
Antes de construir cualquier cimentación, es importante realizar un estudio de mecánica del suelo para determinar su capacidad de carga y las características de drenaje.
Esto permitirá determinar la profundidad y dimensiones adecuadas de la zapata aislada.
2. Trazo
En este paso se marca la ubicación precisa de cada zapata en el terreno, usando hilo y cal.
Las dimensiones deben ser correspondientes al peso y tamaño de la estructura que soportará la zapata.
3. Excavación
Se procede a excavar agujeros en el terreno marcado, hasta topar con el estrato resistente.
La profundidad y el ancho o diámetro del agujero debe ser mayor al diseño para permitir el espacio de encofrado y trabajo.
4. Capa de limpieza
Es necesario colocar una capa de concreto pobre (de baja resistencia) de 5 a 10 cm en el fondo de cada excavación, con el objetivo de nivelar el suelo, evitar contaminar el concreto estructural y facilitar el armado.
5. Armado del acero
Primero se coloca una plantilla o malla inferior sobre la que se alzará la armadura de refuerzo.
Se ponen calzos y se realiza el armado de cada componente usando varillas de acero, en esta etapa se integran las zapatas con las contratrabes mediante anclajes y estribos, siempre cuidando que la armadura quede dentro del margen que necesitará la cimbra posteriormente.
El recubrimiento libre entre la cara inferior de la zapata y el refuerzo de acero deberá ser de por lo menos 6cm.
6. Colocación de la cimbra o moldaje
Se alza la cimbra alrededor del agujero que contendrá la zapata aislada.
El encofrado debe ser lo suficientemente resistente para soportar la presión del concreto fresco y mantener la forma deseada.
Durante la construcción, se utilizan encofrados temporales de madera, triplay o metálicos para darle forma en el vaciado.
7. Vaciado y compactación del concreto
Se vierte el concreto estructural en la cimbra hasta que se llene el espacio entre la capa de limpieza y la armadura de refuerzo, cuidando que se compacte adecuadamente.
8. Curado
El concreto debe mantenerse húmedo al menos 7 días, ya sea mediante riego o cubriendo con sacos mojados para garantizar que el concreto gane resistencia correctamente.
9. Descimbrado
Procedemos a retirar los encofrados que sostuvieron el concreto fresco durante el proceso de curado.
10. Terminación e impermeabilización
Se alisa la superficie superior del concreto, dejándolo secar y curar durante el tiempo recomendado.
Después del curado se puede impermeabilizar el elemento para evitar la transferencia de calor y humedad desde el suelo.
11. Relleno y compactación
Una vez fraguado, se rellena el hueco del área de trabajo con material seleccionado (tierra, tepetate, arena) en capas delgadas y compactadas mecánicamente.
Se realiza alrededor de las zapatas y sobre las contratrabes si se construirá sobre ellas más adelante.
12. Colocación de pedestales y columnas
Por último, con nuestras zapatas ya listas, podemos proceder con la colocación de pedestales y columnas alineadas verticalmente con el acero saliente de la zapata.
ZAPATAS AISLADAS DE CONCRETO, PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO PASO A PASO EN OBRA.
Previsiones para instalaciones y estructuras adicionales
Las instalaciones sanitarias y eléctricas no suelen colocarse dentro de las zapatas aisladas, ya que estos elementos están diseñados para soportar cargas estructurales.
Sin embargo, con una planificación adecuada, algunas tuberías pueden pasar por las cercanías o por debajo y ciertos sistemas pueden integrarse sin comprometer la estabilidad.
Es fundamental considerar el espacio disponible, las cargas adicionales y la accesibilidad para mantenimiento.
Si se instalan tuberías, cables o sistemas de calefacción y detección de incendios, deben cumplir con las normativas de construcción.
Además, es importante evitar sobrecargas y realizar inspecciones regulares para garantizar la seguridad y funcionalidad de la estructura.
Condiciones que pueden modificar el diseño
- Refuerzos estructurales: se añaden vigas de cimentación o vigas de liga para mejorar la estabilidad.
- Efectos de cargas excéntricas: si la columna no está centrada en la zapata, puede generar momentos que deben compensarse con mayor refuerzo o ampliación de la base.
- Presencia de agua en el subsuelo: puede requerir sistemas de drenaje o uso de concreto impermeabilizado para evitar erosión o hundimientos.
- Interacción con otras cimentaciones: si hay zapatas cercanas, puede haber influencia mutua en el comportamiento del suelo, lo que puede requerir análisis geotécnico adicional.
- Impacto de sismos o vibraciones: en zonas sísmicas, se puede requerir una mayor profundidad de cimentación o una conexión más rígida entre zapatas.
Ventajas de las zapatas aisladas
- Eficiencia económica: su construcción tiende a ser más económica en comparación con otros tipos de cimentaciones, especialmente para edificaciones pequeñas y medianas.
- Flexibilidad en el diseño: se pueden adaptar de manera fácil a diferentes configuraciones de edificaciones y a distintos tipos de suelos, permitiendo una mayor flexibilidad en el diseño arquitectónico.
- Uso eficiente de materiales: por lo general, requieren menos cantidad de concreto y acero que otros sistemas de cimentación más complejos.
- Anulación de vibraciones: pueden ayudar a reducir la transmisión de vibraciones entre diferentes partes del edificio, por ejemplo, en terrenos heterogéneos.
Desventajas y limitaciones
- Limitaciones de carga: no son adecuadas para soportar cargas muy elevadas, lo que las hace inadecuadas para edificios muy altos o estructuras con grandes cargas concentradas.
- Homogeneidad del terreno: estos cimientos funcionan óptimamente en terrenos con características uniformes; en terrenos heterogéneos, podrían surgir problemas de asentamiento diferencial.
- Mayor riesgo en terrenos propensos a heladas: en áreas donde el suelo es susceptible a las heladas, las zapatas deben ser colocadas a mayor profundidad para evitar problemas de estabilidad.
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