CIMENTACIONES PARA TORRES

INTEGRANTES:

Miguel Angel Chica Pérez. #2002-14268Cesar Leninn López Vado. #2002-14629Luis Felipe Matute Lira. #2002-14695

GRUPO:

IC-41D.

PROFESOR:

FECHA:

Ing. Franklin Moore.

Lunes 4 de Julio de 2005.

INTRODUCCION

El análisis de las cimentaciones para torres al igual que para toda estructura es fundamental para el correcto

funcionamiento de la misma en el devenir del tiempo. Difiere del resto de estructuras en que el principal efecto a que esta sometida es el momento de vuelco

ocasionado por el empuje de viento, ya que son edificios ligeros y de gran altura, dando lugar a giros de las fundaciones que pueden llegar a ser irreversibles.

Las cimentaciones por lo anterior deben ser diseñadas cuidadosamente tomando en cuenta los

distintos parámetros como el tipo de suelos, la capacidad de carga, la altura de la torre, la

profundidad de desplante, las dimensiones propias, el asentamiento etc.

OBJETIVOS

-Aprender los conceptos fundamentales acerca de la ingeniaría de cimentaciones.

-Conocer los principales factores que afectan el diseño de las cimentaciones para torres.

-Analizar el principal efecto al que están sometidas los cimientos de una torre, el cual es el

momento de volcamiento.

-Exponer los conocimientos estudiados, mediante la aplicación practica en un proyecto.

ASPECTOS GENERALES

¿QUE SON TORRES?

Son las Estructuras utilizadas en Telecomunicaciones, sirven para

la transmisión de energía eléctrica, así como la transmisión de señales, como en el caso de los

teléfonos celulares.

Existen diversos elementos que estas estructuras deben soportar, como antenas de transmisión y

equipos para telecomunicaciones, entre otros.

La mayoría de estas estructuras son ligeras, por lo que en su diseño

influyen mucho los esfuerzos que genera el viento, y debido a su

poco peso el sismo es un elemento que no afecta mucho a estas

estructuras.

ANALISIS DE CARGAS

Carga Muerta.-

Antenas celulares, parábolas, feeders, cama guía de onda, escalera, plataforma Triangular y/o

descanso (si procede). La carga muerta correspondiente al peso de las antenas se tomará directamente de la información proporcionada

por el fabricante.

Carga Viva.-

El personal para su instalación. Se considera generalmente

300kgs (3 personas de 100kg cada una).

Análisis de fuerzas de viento.-

Las cargas de viento se calculan generalmente por medio de un análisis dinámico.

En el caso de las cargas de viento sobre la estructura, estas se obtienen por medio de fórmulas estipuladas en los reglamentos correspondientes para cada país, por ejemplo, en Estados Unidos se calcula por medio del

reglamento AESC, en México por medio del reglamento de la CFE, en Argentina por medio del reglamento CIRSOC, en Nicaragua por medio del Reglamento

Nacional de la Construcción RNC-83.

TIPOS DE TORRES

Estas estructuras pueden variar según las necesidades y las condiciones del sitio en donde se vaya a colocar. Así, existen desde Torres Arriostradas (torres con tirantes), Torres Auto

soportadas, Monopolos, mástiles, entre otras.

Estas estructuras podrán ser de diversas alturas, dependiendo de la altura requerida para poder suministrar un correcto

funcionamiento. También la geometría de una estructura, como una torre auto soportada por ejemplo, puede variar según el

fabricante de la torre.

Torres Arriostradas o Atirantadas (Sobre Edificaciones)

Estas torres cuentan generalmente de tirantes o arriostres a diferentes distancias. El peso que genera la torre sobre la estructura existente no

es muy grande, por lo que no le adiciona mucho peso a la edificación, sin embargo, se deben de

colocar el apoyo de las torre y sus arriostres sobre columnas y elementos resistentes, porque

la descarga de la torre no podría colocarse sobre una losa o algún otro elemento

inadecuado, porque este podría fallar. La base de la torre transmitirá un esfuerzo de

compresión en donde está apoyada, y los arriostres generalmente transmitirán esfuerzos

de tensión.

Torres Auto soportadas

Estas torres se construyen sobre terrenos, en áreas urbanas o cerros, y deberán de contar con una

cimentación adecuada para poder resistir las fuerzas a las que están sometidas. La geometría de estas torres

depende de la altura, la ubicación y del fabricante de la torre.

Cimentación para Torre Auto soportada

Torres tipo Monopolo (por estética del lugar)

Estas estructuras son instaladas en lugares en

donde se requiere conservar la estética, pues son las que ocupan menos espacio, y se pintan de algún color o se

adornan para que se permita que la estructura se

camuflajee y se simule la vegetación.

Como estas estructuras están sobre terrenos, se deberá de construir una cimentación

adecuada para resistir los efectos de la misma.

Cimentación para Torre tipo Monopolo

CIMENTACIONES

El objeto de una cimentación es proporcionar el medio para que las cargas de la estructura, concentradas en

columnas o en muros, se transmitan al terreno produciendo en éste un sistema de esfuerzos que puedan ser resistidos con seguridad sin producir asentamientos, o con asentamientos tolerables, ya sean éstos uniformes

o diferenciales.

En toda estructura es necesario distinguir dos partes principales: la superestructura y la subestructura. La

superestructura, en el caso de edificios, es aquella parte de la estructura que está formada por losas, trabes, muros,

columnas, etc. La subestructura es la parte de la estructura que sirve para transmitir las cargas de ésta al suelo de

cimentación.

TIPOS DE CIMENTACIONES

ZAPATAS

Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro, que tiene por objeto transmitir la carga al subsuelo a

una presión adecuada a las propiedades del suelo.

Zapata individual o aislada

Zapata corrida o continua

Zapatas combinadas

Zapata en voladizo o cantiliver

LOSA DE CIMENTACION

Una losa de cimentación es una zapata combinada que cubre toda el área que queda debajo de una estructura y

que soporta todos los muros y columnas. Cuando las cargas del edificio son tan pesadas o la presión

admisible en el suelo es tan pequeña que las zapatas individuales van a cubrir más de la mitad del área del

edificio, es probable que la losa corrida sea más económica que las zapatas.

SELECCIÓN DEL TIPO DE

CIMENTACION

¿Cómo escoger la cimentación más adecuada?

Para la selección del tipo de cimentación más conveniente de acuerdo con las características mecánicas del suelo de desplante, y para que los asentamientos tanto

totales como diferenciales queden dentro de los límites permitidos según el tipo de estructura.

El tipo de cimentación más adecuado para una estructura dada, depende de varios factores, como su

función, las cargas que debe soportar, las condiciones del subsuelo y el costo de la cimentación comparado

con el costo de la superestructura.

Al elegir el tipo de cimentación, el ingeniero debe dar los siguientes 5 pasos sucesivos:

1. Obtener cuando menos, información aproximada con respecto a la naturaleza de la superestructura y de las cargas que se van a transmitir a las cimentaciones.

2. Determinar las condiciones del subsuelo en forma general.

3. Considerar brevemente cada uno de los tipos acostumbrados de cimentación.

4. Hacer estudios más detallados y aún anteproyectos de las alternativas más prometedoras.

5. Preparar una estimación del costo de cada alternativa viable de cimentación, y elegir el tipo que represente la transacción más aceptable entre el funcionamiento y el costo.

FACTORES DE DISEÑO

ZAPATAS SUJETAS A MOMENTO

Muchas cimentaciones deben resistir no solamente cargas verticales sino también momento con relación a uno o

ambos ejes. El momento M puede darse en la base de una columna centrada donde se transmite a la zapata, o puede

producirse por una carga vertical P situada excéntricamente a una distancia e del centroide de la base de la zapata.

El estudio de las zapatas con carga concéntricano presenta dificultad, porque la presión en el suelo se considera

uniforme.

En contraste, el problema principal en el proyecto de zapatas con carga excéntrica, es la determinación de la presión en el suelo ya

que esta no es uniforme, debido a la distribución lineal del esfuerzo.

CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE CIMIENTOS SIN REFUERZO.

Para el cálculo de estos cimientos es necesario tomar en cuenta las condiciones de equilibrio en la base del cimiento.

En el equilibrio de las fuerzas verticales la magnitud y el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas que

actúan sobre la base han de ser tales que el esfuerzo de compresión en la misma no exceda del esfuerzo admisible

del terreno.

En el equilibrio de las fuerzas horizontales la resultante de todas las fuerzas ha de formar con la normal al plano de la

base un ángulo inferior al ángulo de rozamiento.

En el equilibrio de momentos el punto de aplicación de la resultante de todas fuerzas ha de caer dentro de la base

para que haya seguridad al vuelco.

En el caso de las torres deben tenerse en cuenta los fenómenos de inestabilidad derivados de la ligera

excentricidad de cargas inducidas por defectos constructivos, distribución interna o acciones exteriores, como el viento dando lugar a giros de la cimentación que

puedan ocasionar la ruptura o el vuelco.

Las cargas de volteo que hacen que se ejerzan fuerzas excéntricas sobre los cimientos, son muy

comunes en las estructuras sujetas a cargas de vientos o sísmicas (torres) o para los muros de

contención.

El método que más se usa para analizar las presiones de cimentación consiste en convertir la excentricidad en una presión de suelos de forma

triangular.

Cuando la carga vertical P actúa fuera del centro de gravedad a una distancia e del eje de la base, es decir, la carga es excéntrica.

be*

L*bp 6

11

be*

L*bp 6

12

Si e =0 ;

L*bp1 L*b

p2

Si e = b/6 ;

L*bp2

1 02

Si e > b/6 ;

01 02

Esto significa que en el punto B hay esfuerzos de tensión y por lo tanto el cimiento se despega en dicho punto,

dejando de trabajar ahí. La repartición de esfuerzos, en este

caso, tiene lugar como se muestra:

Para que haya equilibrio se necesita que:

211 Ld

PR

Resolviendo se tiene que:

La

P

3

21

Para el caso de una estructura de gran altura (como una torre) hay que encontrar la resultante R de las fuerzas horizontales y verticales, y determinar el punto C de

incidencia en la base, para descomponer en él la fuerza R en sus componentes horizontal y vertical. La componente horizontal Ph ha de ser contrarrestada por el rozamiento entre terreno y cimiento y por el empuje pasivo de las

tierras (que comúnmente no se toma en cuenta).

Pero en este caso no es suficiente la comprobación de la presión máxima, sino que hay que averiguar si cuando el punto de aplicación de la resultante cae fuera del tercio medio y, por consiguiente, sólo una parte de la base está

en contacto con el terreno queda asegurada la estabilidad.

Calculándose el momento al vuelco, o sea el momento del empuje respecto al

punto de posible giro, que vale Ph * Df, y por otra parte el momento que a

ello se opone, es decir P * m.

El cociente se llama seguridad al vuelco, y debe ser mayor de 1.5

DfPh

mPSF

..

Seguridad al vuelco

Altura del cimiento

Para conocer la altura h que se debe dar a un cimiento, generalmente se

analiza una sección de falla que trabaja como ménsula, como sea

precia en la figura.

Se tiene como condición que el momento flector es igual al momento resistente (ya afectado de un factor de

seguridad); entonces:

2

XLXM nF

6

2hLC

IM RR

R

R

n

R

N X.X

h

731

3 2

Finalmente:

PROYECTO:

TORRE DE TELEFONIA QUINTA NINA

MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURAL.

El proyecto consiste en el diseño y construcción de una torre de 42 mts de altura, destinada para el uso de transmisión de señal celular. Esta torre estará estructurada por componentes tubulares y

perfiles laminados de acero, debidamente conectados e interactuando entre sí para las solicitaciones de cargas definidas en esta

memoria. La torre estará ubicada de la Texaco Momotombo una cuadra al este, una cuadra al lago y 51 metros al este, en el barrio Quinta

Nina, de la ciudad de Managua

DESCRIPCIÓN GENERAL.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

CONCRETO.

Se usará concreto cuya resistencia a los 28 días de fabricado sea 280 Kg/cm² (4,000 psi), El peso volumétrico

del concreto reforzado es de 2,400 Kg/m³ (150 lbs/ft³).

ACERO DE REFUERZO.

El acero de refuerzo longitudinal debe ser corrugado del tipo ASTM A-60, con un esfuerzo de fluencia fy = 4,200 Kg/cm2

(60000 psi) y un módulo de elasticidad Es = 2,100,000 Kg/cm2 (30,000 Ksi). En tanto, el acero transversal, tendrá las mismas

características mecánicas que el longitudinal, pero con la excepción que se utilizarán varillas lisas en el caso de la n°2. El

peso volumétrico del acero es de 7,850 Kg/m3 (490 lb/ft3 ).

ACERO ESTRUCTURAL.

Se usará acero del tipo A-36 para platinas y otros perfiles laminados. Para el caso de elementos tubulares se utilizará

acero del tipo A-50.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

SOLDADURA.

Se usará soldadura para aceros con Fy =36,000 psi o menores, de la clasificación de electrodos según ASTM A-233, E-60xx, que tiene un esfuerzo admisible al cortante de 13.6 Ksi. En los perfiles de espesores delgados, se aplicará soldadura del

tamaño del espesor del material base, la que alcanza una capacidad de 100 Kg/cm para 1/16".

SUELOS.

Conforme los estudios de suelo la capacidad mínima de soporte del suelo es de 2.2 Kg/cm². El peso volumétrico del

suelo se considera igual a 1,500 Kg/m³.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

CLASIFICACION DE LA ESTRUCTURA.

Grupo: 1 (Torres para antenas)

Tipo: 3 (Elementos sustentados por una sola Hilera de columna. Estruc. Sin reserva funcional)

Grado: B (Regular)

Zona: 6 (Managua, Nicaragua)

Para diseño por método elástico3064041

4290

4290

..

.Ce

.Cu

Para diseño por método de carga última.

CARGAS Y PESOS.

Cargas permanentes:

Se consideró como cargas permanentes a las cargas gravitatorias originadas por el peso propio de la estructura,

incluyendo el peso de las antenas que soporta.

Cargas de viento:

Las cargas de viento aplicadas corresponden a las presiones de viento que actúan tanto en los angulares así como en los elementos tubulares que conforman la torre. Al mismo tiempo se asigna una

carga de viento a los accesorios puntuales, en este caso representados por las antenas.

Cargas sísmicas:

Las cargas sísmicas aplicadas corresponden al peso propio de la estructura orientado en 2 direcciones

ortogonales de incidencia posible en un movimiento del terreno.

Combinaciones de Carga:

1. CM2. CM + 0.71 Sismo X3. 0.8 CM + 0.71 Sismo X4. CM + Viento5. 0.8 CM + Viento6. CM + 0.71 Sismo Y7. 0.8 CM + 0.71 Sismo Y

El análisis estructural se realizó para tres casos en los que la

dirección de incidencia del viento varía y por tanto el comportamiento

de los elementos estructurales experimentan cambios notables,

diseñando los mismos para la condición más desfavorable.

Modelo General

1er caso 2do caso 3er caso

Presión de viento actuante en la torre:

38.575 lb/ft2 ó 188.34 kg/m2

MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURAL.

(LOSA DE FUNDACION)

El proyecto consiste en la revisión de la fundación como estructura de soporte de una antena de 42 mts ubicada en el

sector Quinta Nina. El sistema de fundaciones consistirá en una de losa de fundación diseñada para soportar las cargas verticales

(axiales), horizontales (cortantes) y momentos flexionantes.

DESCRIPCION GENERAL

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

CONCRETO

Se usará concreto cuya resistencia a los 28 días de fabricado sea 210 Kg/cm2 (3,000 psi), con un módulo de elasticidad Ec = 2

10,000 Kg/cm2 (3,000,000 psi). El peso volumétrico del concreto reforzado es de 2,400 Kg/m3 (150 lbs/ft3).

ACERO DE REFUERZO.

El acero de refuerzo longitudinal debe ser corrugado del tipo ASTM A-60, con un esfuerzo de fluencia fy = 4,200 Kg/cm2

(60000 psi) y un módulo de elasticidad Es = 2,100,000 Kg/cm2 (30,000 Ksi). En tanto, el acero transversal, tendrá las mismas

características mecánicas que el longitudinal, pero con la excepción que se utilizarán varillas lisas en el caso de la n°2. El

peso volumétrico del acero es de 7,850 Kg/m3 (490 lb/ft3 ).

SUELOS

Se toma la recomendación del estudio de suelo a un desplante de 3.00 mts con valor de presión admisible de 2.2 Kg/cm2. El peso

volumétrico del suelo se toma igual a 1,500 Kg/m3.

CARGAS Y PESOS

De las combinaciones más criticas se obtienen los siguientes resultados. (Análisis realizado en el Programa SAP-2000 V-9).

Carga Muerta sobrecarga de tierra:

1500 kg/m3 x 3 mts = 4500 Kg/m2.

Cuadro de reacciones para Torre de Telefonía. Análisis por combinaciones. (Resultado obtenido SAP-2000)

Combo2 = CM + 0.71 SISMO X

NodoAxial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 9677.77 960.85 842.07

2 12646.16 1200.27 533.51

3 1303.6 161.2 549.94

Combo3 = 0.8CM + 0.71 SISMO X

NodoAxial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 9981.75 984.88 811.05

2 12356.54 1176.39 564.36

3 1042.53 161.05 550.71

Combo4 = CM + 0.71 VIENTO 0 deg. Nodo

Axial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 8136.36 730.85 1695.44

2 8208.68 706.7 1648.87

3 20616.69 2406.73 2493.3

Combo5 = 0.8CM + 0.71 VIENTO 0 deg. Nodo

Axial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 8440.44 744.44 1698.74

2 8498.29 720.03 1651.23

3 20356.06 2379.82 2476.7

Combinación más Crítica

Combo6 = CM + 0.71 SISMO Y Nodo

Axial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 4944.62 402.72 129.1

2 5016.96 404.05 124.31

3 14233.33 1515.55 1250.5

Combo7 = 0.8CM + 0.71 SISMO Y

NodoAxial (kg)

Cortante (kg)

Momento (kg-m)

1 5248.7 416.31 125.8

2 5306.57 417.37 121.95

3 13972.59 1488.64 1233.91

La combinación más critica puede observarse que es la número 4.

También podemos mencionar que el nodo más crítico es el nodo 3.

DISEÑO DE ZAPATA CUADRADA

21 FyFy

kgP 617,20´

21 MM

ePmkgmkg `3407,2493,2

ekgmkg 617,20714,9

me 47.0

21 FxFx

kgV 407,2´

b

e

Lb

P

bL

eP

Lb

P

bL

beP

Lb

P

I

cM

Lb

P 61

6

12

12

23

bm

bkg 47.06

1617,20

21

n1

mm

kg,m

kg,n 3500100022 32

250017

mkg,n

bm

bkg

mkg 47.06

1617,20

500,17 22

mb 7541.1 mb 76.1

mmb

293.06

76.16

mm 293.047.0

6be

;76.1

47.061

76.1

617,2021

mm

m

kg 21 347,17m

kg

;76.1

47.061

76.1

617,2022

mm

m

kg 22 035,4m

kg

Seguridad al vuelco

A

R

M

M.S.F

mkgmkg

mkgSF

493,23407,288.0617,20

..

8677.1.. SF 50.18677.1

501..S.F

260.076.1 mm

x mx 58.0

RF MM

2x

LxM nF 6

2

122

3

hLh

hL

c

IM R

RR

R

62

22 hLLx Rn

3

22 h

x Rn

R

n xh

2

2 3

R

n xh

23

2

22

000,30

58.0500,173

mkg

mm

kg

h

mh 7673.0

CONCLUSIONES

El tipo de cimentación más utilizada para torres es por medio de zapatas aisladas, debido a la economía que esto representa; pero en el caso de que el suelo de cimentación sea altamente

compresible (arcilla) se puede utilizar cimentaciones combinadas, tal es el caso de losa de cimentación.

En los cimientos, en general, el esfuerzo de compresión generado por las cargas gravitacionales de la estructura es

contrarrestada por el esfuerzo admisible del terreno (capacidad de carga).

El principal efecto a considerar en el diseño de cimientos para torres es el momento de volcamiento; esto es debido a que la mayoría de estas estructuras son ligeras, por

lo que en su diseño influyen mucho los esfuerzos que genera el viento; por otra parte debido a su poco peso el

sismo es un elemento que no afecta mucho a estas estructuras.

Para contrarrestar este efecto es recomendable que los cimientos, en general, tengan un peso considerable, ya que esto se actuaría en oposición a la fuerza que tiende a volcar

la estructura (fuerza de viento).

GRACIAS POR SU AMABLE ATENCION