Zapata.

Es una opción exclusiva del módulo ZEwin (Zapatas en estructuras).

Esta opción es accesible desde el menú Insertar->Zapata, o bien desde el icono   de la Barra de Herramientas correspondiente.

Opción de menú que permite dibujar en el área de dibujo 3D (solapa «Modelo de Barras» ó «Modelo de EC») una Zapata.

La zapata es un símbolo con un único punto de conexión, al que normalmente se conectará la base de un pilar. Para su correcta integración en el modelo 3D de cálculo, ESwin sólo necesita algún tipo de conexión con el resto de la estructura. Esto no quiere decir que necesariamente haya que definir un pilar (puede bastar con una viga de atado), pero sí que no se puede introducir una carga directamente sobre la zapata, sino que será necesario que exista un nudo de conexión con algún elemento de la estructura.

Por ejemplo, en la figura siguiente aparece un esquema de cimentación en la que no se ha definido un pilar en ninguno de los casos, y además, una de ellas no tiene una carga definida directamente. El ejemplo se puede calcular  sin problemas.

1. Acceda a Insertar->Zapata ().
2. Haga clic sobre la base del pilar que arrancará en la zapata.
3. Haga clic de nuevo en un punto que permita definir la rotación de la zapata. También puede utilizar la opción del menú contextual Fijar rotación.

Si desea crear muchas zapatas iguales a la vez, utilice la herramienta Insertar->Grupo de zapatas ().

Si quiere crear nuevas zapatas idénticas a alguna existente, puede hacerlo con la herramienta Duplicar (). También puede crear nuevas zapatas partiendo de otras, si utiliza cualquier otra operación que implique un desplazamiento (Girar , Girar 3D , Simetría , Escalar ) activando previamente la opción menú contextual -> Crear copia.

Geometría.

En este apartado se ajustan las opciones referentes a la geometría de la zapata. Las dimensiones de la zapata se definen por tres dimensiones A2 (largo), B2 (ancho) y Hz (canto). La dimensión A2 es la que forma con el eje X global de la estructura un ángulo α fijado en el cuadro de diálogo Ángulo (GRA).

El apartado "Geometría" permite controlar cualquiera de estas tres dimensiones, dando las siguientes posibilidades:

• Fijar una dimensión mínima: siempre habrá que fijar unos mínimos para evitar resultados extraños. El programa empezará a comprobar la zapata a partir de este valor mínimo (salvo que esté activada la opción forzar), cuando no se cumpla alguna comprobación, se incrementará alguna de las dimensiones una cantidad igual al Incremento, fijado por el usuario en el cuadro correspondiente.
• Fijar una dimensión máxima: opcionalmente, se podrá limitar las dimensiones de la zapata.
• Fijar el valor de la dimensión: si se desea, se puede fijar el valor de cualquiera de las dimensiones de la zapata.
• Fijar un coeficiente de forma B2/A2. Al fijar este valor, se desactivan las opciones de geometría de uno de los lados, quedando activo únicamente el lado definido como patrón.

Hay que prestar atención a la hora de definir los límites para las dimensiones de la zapata. Por ejemplo, si se fuerzan las dimensiones A2 y B2 de la zapata y se aplica sobre la misma una carga axial tan alta como para que las presiones en el terreno sean mayores a las admisibles, el programa no encontrará una solución, y finalizará el proceso de cálculo sin realizar el dimensionado de la zapata.

Crecimiento.

En esta solapa se fijan los criterios que debe seguir el programa a la hora de aumentar automáticamente las dimensiones por requisitos del cálculo. Para ello habrá que determinar un punto fijo de la zapata a partir del cual se produzca el crecimiento de la misma. La figuras figuras que aparecen a continuación muestran dos ejemplos de crecimiento a partir de puntos diferentes: en el primero de ellos se mantiene fijo el centro de la zapata, y el crecimiento se produce en las direcciones 1, -1, 2 y -2. En el segundo caso, se mantiene fija una esquina, y el crecimiento se produce en las direcciones -1 y -2.

Lógicamente estos puntos fijos no pueden estar referidos a la propia zapata, ya que a priori sus dimensiones se desconocen. Por esta razón, los puntos fijos se determinan en función del pilar que nace en la zapata seleccionada, existiendo las siguientes posibilidades:

• Centrada: el punto fijo será el centro de la sección del pilar, y coincidirá siempre con el centro de la zapata. La zapata crecerá en las direcciones 1, -1, 2 y -2.
• Medianera: el punto fijo estará en una cara del pilar, que coincidirá con otra cara de la zapata. La zapata crecerá en las direcciones -1, 2 y -2.
• Esquina:  el punto fijo estárá en una arista del pilar, que además coincidirá con una arista de la zapata. El crecimiento se producirá únicamente en las direcciones -1 y -2.
• Excéntrica: mediante esta opción el usuario fija la posición relativa entre el centro del pilar y el centro de la zapata, mediante las distancias E1 y E2. La zapata crecerá en las direcciones 1, -1, 2 y -2, como en el caso de zapatas centradas.

 Para facilitar la introducción de datos, aparece en pantalla una representación esquemática de la zapata que contiene la forma de la zapata, sus ejes principales (1 y 2) y los ejes globales de la estructura (X e Y).

Material.

En este apartado se elige el material de la zapata de entre los disponibles en la base de datos de hormigón.

Material - Coeficientes.

Esta solapa equivale a la solapa Material del cuadro de propiedades de los elementos constructivos de hormigón (en zapatas se ha deshabilitado la posibilidad de indicar que la pieza es prefabricada).

Comprobación.

Estas opciones son las mismas que aparecen en el menú Datos->Generales, solapa Zapata, si se tiene activada la casilla Utilizar los datos generales del proyecto, se aplicarán automáticamente las opciones definidas en Datos Generales.

Coeficientes de seguridad.

En esta tabla, el usuario fijará los coeficientes de seguridad (de mayoración de acciones) cuando se evalúa la estabilidad de la zapata a vuelco y deslizamiento. Los coeficientes de seguridad relativos a hundimiento y capacidad estructural de la zapata se ajustan en Datos Generales/Cimentación/General CTE.

Los coeficientes de seguridad a vuelco representan la ponderación aplicada a los momentos estabilizadores (tienden a mantener la base de la zapata contra el suelo) y desestabilizadores (tienden a despegar la zapata) que llegan a la base del cimiento. En cualquier caso, el momento estabilizador de cálculo (ponderado) tiene que ser mayor que el desestabilizador de cálculo. El DB-SE-C establece unos coeficientes de  1,80 y 0,90  para acciones persistentes, lo que equivale a un coeficiente de seguridad global a vuelco de 2,00.

Los coeficientes de seguridad a deslizamiento se aplican para minorar la resistencia a deslizamiento del terreno. De acuerdo con DB-SE-C, en zapatas se deben despreciar los efectos de la cohesión, por lo que la resistencia de un terreno al deslizamiento depende únicamente  de la carga vertical que llega y el ángulo de rozamiento interno del terreno. En cualquier caso, la acción horizontal total que llega a la base del cimiento debe ser inferior a la resistencia de cálculo al deslizamiento. El coeficiente que establece el DB-SE-C para este caso es 1,50 en acciones persistentes y 1,10 en accidentales.

Cuando se desactiva la opción Aplicar criterios del CTE para elementos de cimentación del cuadro de Datos->Generales->Normativa, el programa calcula la resistencia a deslizamiento con la formulación clásica, teniendo en cuenta la cohesión efectiva (si el suelo es cohesivo) y el ángulo de rozamiento suelo-terreno.

Relación entre presión máxima y admisible del terreno.

Esta opción sólo es de aplicación cuando no se está aplicando el CTE a los elementos de cimentación.

Cuando se calcula el hundimiento de zapatas por el método clásico (con distribuciones variables de presiones bajo el cimiento), este valor permite sobrepasar la presión admisible del terreno en determinadas zonas bajo el cimiento. Tradicionalmente se ha adoptado el valor de 1,25· q_u,d como límite admisible para la presión máxima; considerar un valor de 1,33 equivale al método propuesto por el CTE-DB-SE-C (método de Meyerhof).

Considerar levantamiento de la zapata.

Con esta opción activada, el programa admitirá como válida una distribución de presiones bajo la zapata con puntos en los que la presión sea nula (suele ocurrir en zapatas con elevadas excentricidades). Si no se considera el levantamiento, la zapata se dimensionará hasta conseguir una distribución trapecial de presiones en el terreno:

Utilizar método de Brinch Hansen para determinar la presión admisible.

Si no se activa esta opción, el programa tomará como presión media admisible la definida como tal en el suelo correspondiente (una columna estratigráfica o el terreno general del proyecto). Si se activa esta opción, el programa calculará automáticamente la presión admisible en función de las propiedades mecánicas del suelo del estrato (además de otros parámetros que dependerán de la zapata seleccionada), según el método de Brinch Hansen (ver ayuda: Base de datos de suelos).

El método de Brinch Hansen es el más aceptado actualmente para el cálculo de presiones admisibles en cimentaciones directas. El Código Técnico de la Edificación propone su aplicación en CTE-DB-SE-C Apdo 4.3.2.

La expresión básica de Brinch - Hansen es la siguiente:

Está formada por tres términos:

• Cohesión: depende de la cohesión característica del terreno C_k.
• Sobrecarga: depende de la carga aplicada directamente sobre la cimentación q_0,k.
• Peso específico: depende del peso específico del terreno que hay bajo la base del cimiento.

En cada término de la expresión aparecen los factores d_x,s_x,i_x,t_x que corrigen el valor de la presión admisible en función de la resistencia a corte del terreno (d), la forma del cimiento (s), la inclinación de la carga respecto del cimiento (i), y la proxmidad a taludes, si los hay (t). Los factores N_x reciben el nombre de factores de carga y sus valores son función del ángulo de rozamiento interno característico del terreno:

La carga última obtenida por el método de Brinch-Hansen va afectada además por un coeficiente de seguridad frente al hundimiento, igual a 3,00 en situaciones persistentes según el DB-SE-C. Puede ajustar el valor de este coeficiente en Datos Generales/Cimentación/General CTE. Cuando no se utiliza el método de Brinch - Hansen este coeficiente no afecta a la presión admisible del terreno, ya que se entiende que el valor introducido en la base de datos ya está minorado (los Informes Geotécnicos suelen facilitar el valor ya minorado).

Armado.

En este apartado se fijan los criterios que seguirá el programa para armar la zapata:

• Diámetros mínimos: en este apartado se fija el diámetro mínimo a emplear en cada una de las caras y direcciones de las zapatas.
• Separaciones mínimas: indican la menor distancia posible entre dos redondos en paralelo.
• Sin armadura de compresión: hay que tener en cuenta que el módulo ZEwin calcula la armadura de las zapatas como vigas sometidas a flexión, y por tanto, según los esfuerzos resultantes, puede ser necesaria una armadura de compresión (la armadura de compresión no tiene por qué coincidir con la armadura superior, aunque así sea normalmente). Con esta opción activada, el programa modificará la sección de forma que no sea necesaria por cálculo la armadura de compresión. Es decir, que dada una sección de una zapata en la que se cumplen todas las comprobaciones, si a la hora de dimensionar a flexión requiere armadura de compresión, la sección aumentará su canto para evitarla. Si estando esta opción activada, se observa que resulta armadura superior, se debe a la aparición de momentos negativos en la zapata (puede darse al someter a la zapata a cargas con excentricidades muy altas).
• Evitar armadura superior: con esta opción marcada, el programa tratará de evitar la armadura superior siempre que sea posible. Esta opción hace que la parte superior de la zapata se compruebe como hormigón en masa, pudiendo trabajar a compresión (flexión positiva) o a tracción (flexión negativa); en este último caso, dada la poca resistencia a tracción del hormigón puede que no sea posible armar la zapata sin la armadura superior.
• Homogeneizar armadura: esta opción hace que el programa dimensione la armadura de la zapata con una única malla por cara, eliminando así las zonas con refuerzos. Es aconsejable utilizar esta opción, por simplicidad constructiva, en zapatas de tamaño comedido.
• Cuantía geométrica: en esta casilla se fija el mínimo de acero que se colocará en la zapata, para evitar fisuración en la misma. La actual Instrucción EHE fija una cuantía mínima del 1‰ y del 0,9‰ para aceros B 400 S y B 500 S respectivamente. Ciertos autores recomiendan cuantías mayores (1,8‰ según CALAVERA).

Modelo.

Las opciones que aparecen en este apartado están relacionadas con la interacción de la zapata con el terreno y la estructura.

Modelo Zapata - Terreno.

Existen tres tipos de modelos de interacción Zapata - Terreno: Rígido, Winkler, y Elástico. El elegir uno u otro tipo influirá en la forma de absorber la zapata las cargas verticales.

Con el modelo Rígido, el terreno se comportará como un apoyo totalmente rígido, no registrando la zapata deformación alguna en dirección Z. Por ejemplo, supóngase el siguiente pórtico plano, sometido a una carga vertical y otra horizontal:

Si se fija el modelo Rígido a ambas zapatas, no se registrará desplazamiento vertical alguno de la base de los pilares:

Con los modelos de Winkler y Elástico, el esfuerzo vertical V en la base de los pilares produce un desplazamiento δ, relacionado con el esfuerzo mediante la expresión V=Kv·δ, donde Kv es una constante que depende de l naturaleza del terreno. En el modelo de Winkler esta constante es igual al módulo de balasto real, calculado a partir del resultante en el ensayo sobre placa 30x30 o redonda, definido en las propiedades del suelo. En el caso del modelo Elástico, la constante es igual al módulo de elasticidad del terreno. Así, adoptando este modelo, se registran unos asientos en la base de los pilares:

Distribución de presiones y absorción de esfuerzos horizontales.

En este apartado se ajustan las opciones referentes a la coacción al giro y al desplazamiento horizontal que impone la zapata.

En el apartado anterior se comentaba que el programa brinda la posibilidad de adoptar apoyos rígidos o elásticos para la absorción de esfuerzos verticales. Pues bien, de igual manera se puede hacer con el resto de grados de libertad de la zapata (dos giros y dos desplazamientos horizontales), sólo que en este caso, las constantes Kh y Kf que relacionan los esfuerzos H y M (reacción horizontal y momento) con los desplazamientos u y θ (desplazamiento horizontal y giro en el nudo), mediante las expresiones H=Kh·u y M=Kf·θ, no se pueden obtener directamente a partir de las características del terreno, ya que influyen más aspectos.

El modelo de Winkler afecta también a la distribución de presiones, resultando un caso intermedio entre "Empotrado" y "Uniforme". En el caso del modelo elástico, se modifican tanto la distribución de presiones como la absorción de esfuerzo horizontal.

Así, en este caso, las constantes se fijan manualmente mediante las barras de desplazamiento de Distribución de presiones (coacción al giro) y  Absorción de esfuerzos horizontales (coacción al desplazamiento).

Para ver con mayor claridad la influencia de estas opciones en el comportamiento de la estructura, tomando el ejemplo anterior, al empotrar las dos zapatas, la estructura se comportaría como aparece en la figura siguiente:

Si se liberara la coacción al giro en la segunda zapata, el pilar prácticamente no puede absorber momento flector en su base, por lo que éste se redistribuye, cargando más el otro pilar y la otra zapata:

Estas opciones pueden calcularse de forma automática, a partir del tipo de zapata, la presencia o no de vigas de atado, y el modelo de comportamiento Zapata-Terreno elegido por el usuario, marcando la opción Establecer modelo automáticamente. Si desea obtener información detallada sobre este tema, consulte: Interacción entre terreno y zapata.