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Capítulo II Criterios de Diseño de Infraestructura en Edificaciones. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 146 2 CRITERIOS DE DISEÑO PARA FUNDACIONES Y MUROS. En esta parte se tratará lo concerniente a los criterios de diseños empleados en las normas ACI318-2019, FONDONORMA 1753-206 Y FUNVISIS 1756-2001, sobre la infraestructura de edificaciones, tales como zapatas superficiales, losa y vigas de fundación, fundaciones profundas y muros de contención. 2.1 CRITERIOS DE DISEÑO DE FUNDACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS SEGÚN NORMA ACI-318-2019 En este capítulo comentaremos los criterios de diseño de la norma ACI-318-2019 y la Covenin 1753-2006 (PROYECTO Y CONSTRUCCION DE OBRAS DE CONCRETO ESTRUCTURAL), La cual son la primera es la norma internacional donde la mayoría de los códigos locales se basan en sus criterios. En el alcance de la norma ACI en el capítulo 13 (Cimentaciones), se basa en la aplicación a cimentaciones prees forzadas y no prees forzadas. Incluyendo las cimentaciones superficiales (zapatas corridas, zapatas aisladas, zapatas combinadas, vigas de cimentación, vigas sobre el terreno) y cimentaciones profundas (cabezales de pilotes, pilotes hincados, pilotes excavados y cajones de cimentación tipo caissons), Sin embargo, la aplicabilidad de los requisitos específicos dentro de ellos puede no estar explícitamente definida para las cimentaciones. (En la fig. siguiente se presentan las cimentaciones comentadas en esta norma) Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 147 Fig. R.13.1.1 Los materiales, usados para las cimentaciones según esta norma: .- las propiedades de diseño del concreto deben seleccionarse de acuerdo al capítulo 19 (CONCRETO: REQUISITOS DE DISEÑO Y DURABILIDAD), donde se establece que la Resistencia especificada a la compresión — Los requisitos para mezclas de concreto se basan en la filosofía de que el concreto de proveer resistencia y durabilidad adecuadas. El Reglamento define en la tabla 19.2.1.1, un valor mínimo de f´c = 170 kg/cm2 o 17 MPa para concreto de uso general y de peso liviano - normal para concreto estructural. No hay límite para el valor máximo de f´c, excepto que así lo requiera un requisito específico del Reglamento. .- Se debe usar la resistencia especificada a la compresión para la dosificación de mezclas en 26.4.3 (Dosificación de las mezclas de concreto) y para el ensayo y aceptación del concreto en 26.12.3. (Criterios para la aceptación de probetas curada en forma estándar) .- A menos que se especifique lo contrario, f´c debe basarse en ensayos a los 28 días. Si el ensayo no es a los 28 días, se debe especificar la edad del ensayo para f´c en los documentos de construcción. Módulo de elasticidad Se permite calcular el módulo de elasticidad, Ec, para el concreto por medio de: .- Para valores de Wc entre 1440 y 2560 kg/m3 𝐸𝑐 = Wc1.5𝑥 0.043𝑥√𝒇´𝒄 (𝑒𝑛 𝑀𝑝𝑎) .- para concreto de peso normal: 𝐸𝑐 = 4700𝑥√𝒇´𝒄 (𝑒𝑛 𝑀𝑝𝑎) .- Las propiedades de diseño del acero de refuerzo deben seleccionarse de acuerdo con el Capítulo 20. (REFUERZO DE ACERO PROPIEDADES, DURABILIDAD Y EMBEBIDOS) Este capítulo aplica al acero de refuerzo y rige (a) hasta (c): (a) Propiedades del acero. (b) Propiedades que se deben emplear en el diseño. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 148 (c) Requisitos de durabilidad, incluidos los requisitos mínimos especificados para el recubrimiento. Barras y alambres no preesforzados. Propiedades de los aceros de refuerzos. Las barras y alambres no preesforzados deben ser corrugados, excepto las barras lisas o alambres que se permiten para ser utilizados en espírales. La resistencia a la fluencia de barras y alambres no preesforzadas debe determinarse por medio de (a) o (b): (a) Método del corrimiento, utilizando un corrimiento de 0.2 por ciento de acuerdo con ASTM A370. (b) Método de extensión bajo carga, siempre y cuando la barra o alambre no preesforzado presente un cambio abrupto en la deformación unitaria o un punto de fluencia bien definido. Las barras corrugadas deben cumplir con (a) hasta (e): (a) ASTM A615M – acero al carbón. (b) ASTM A706M – acero de baja aleación. (c) ASTM A 996M – acero de rieles y ejes. Las barras de acero provenientes de rieles deben ser del Tipo R. (d) ASTM A955M – acero inoxidable. (e) ASTM A1035M – acero cromado bajo en carbón. .- Las barras lisas para refuerzo en espiral deben Cumplir con las normas ASTM A615M, A706M, A955M, o A1035M. .- Las barras lisas sólo se permiten para refuerzo en espiral, ya sea como refuerzo transversal para columnas, para refuerzo transversal para cortante y torsión, o Confinamiento para empalmes del refuerzo. .- Las parrillas de barras corrugadas soldadas deben cumplir con ASTM A184M. Las barras de refuerzo, utilizadas en las parrillas de barras corrugadas soldadas deben cumplir con ASTM A615M o ASTM 706M. .- Las barras corrugadas con cabeza deben cumplir con la norma ASTM A970M, incluyendo los requisitos del Anexo A1 para dimensiones de las cabezas Clase HA. Las Propiedades de diseño del acero de refuerzo. Para barras y alambres no preesforzados, el esfuerzo menor que fy debe tomarse como Es veces la deformación unitaria del acero. Para resistencias mayores a la correspondiente a fy el esfuerzo debe considerarse independientemente de la deformación unitaria e igual a fy. Según la tabla 20.2.2.4a el valor del esfuerzo utilizado para cimentaciones en condiciones normales fy = 420 MPa (4200 kg/cm2) El módulo de elasticidad, Es, para barras y alambres no preesforzados puede tomarse como 200,000 MPa. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 149 .- La resistencia a fluencia de barras y alambres no preesforzados para los cálculos de diseño deben basarse en el grado de refuerzo especificado y no deben exceder los valores dados en 20.2.2.4 para las aplicaciones asociadas. .- Los tipos de barras y alambres de refuerzo no preesforzado deben ser especificados para las aplicaciones estructurales particulares y deben cumplir con la Tabla 20.2.2.4a para refuerzo corrugado y con la Tabla 20.2.2.4b para el refuerzo liso. .- Los requisitos de los materiales, diseño y detallado de los insertos embebidos en el concreto deben cumplir con 20.7. (Embebidos) Conexión a otros miembros . - El diseño y detallado de columnas construidas en sitio y prefabricadas, pedestales y conexiones de muros a las cimentaciones deben cumplir con 16.3. (Conexiones a cimentaciones) Efectos sísmicos . - Los miembros estructurales situados por debajo de la base de la estructura que se requieren para transmitir a la cimentación las fuerzas resultantes de los efectos sísmicos, deben cumplir con las disposiciones de 18.2.2.3. (Los miembros estructurales situados por debajo de la base de la estructura y que se requieren para transmitir a la cimentación las fuerzas resultantes de los efectos sísmicos, deben cumplir también con las disposiciones del Capítulo 18. (ESTRUCTURAS SISMO RESISTENTES) que sean congruentes con el sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas localizado por encima de la base de la estructura. . - En estructuras asignadas a las Categorías de Diseño Sísmico (SDC) D, E, o F, las cimentaciones superficiales y profundas que resistan fuerzas inducidas por el sismo o que transfieran fuerzas inducidas por el sismo entre la estructuray el terreno deben diseñarse de acuerdo con 18.13. (Cimentaciones con categorías de diseño D, E, o F). Suelos débiles. . - Es deseable que la respuesta inelástica debida a movimientos fuertes del terreno se produzca en los elementos estructurales localizados por encima de la cimentación y que los elementos de la cimentación permanezcan esencialmente Elásticos ya que la reparación de cimentaciones puede ser extremadamente difícil y costosa. Los requisitos para las cimentaciones que soportan edificaciones asignadas a las Categorías de Diseño Sísmico D, E o F representan un consenso respecto al nivel mínimo de buena práctica en el diseño y detallado de cimentaciones de concreto para lograr este objetivo. Losas sobre el terreno Las losas sobre el terreno que transmiten cargas verticales o fuerzas laterales provenientes de otras partes de la estructura al suelo deben diseñarse y construirse de acuerdo con las disposiciones aplicables de este Reglamento. . - A menudo las losas sobre el terreno actúan como un diafragma para mantener la integridad de la edificación a nivel del terreno y minimizar los efectos de movimientos desfasados del terreno que pueden producirse debajo de la edificación. En estos Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 150 casos, la losa debe ser reforzada y detallada adecuadamente. Como lo exige en el Capítulo 26, los documentos de construcción deben indicar claramente que estas losas sobre el terreno son miembros estructurales con el fin de prohibir que sean cortadas con sierra. . - Las losas sobre el terreno que transmiten fuerzas lateral es como parte del sistema resistente ante fuerzas sísmicas deben cumplir con 18.13. (Cimentaciones con categorías de diseño D, E, o F). Concreto simple (concreto sin refuerzo). Las cimentaciones de concreto simple deben diseñarse de acuerdo con el Capítulo 14. (CONCRETO SIMPLE). . - Criterio de diseño de Cimentaciones. . - Las cimentaciones deben diseñarse para resistir las cargas mayoradas y las reacciones inducidas. La capacidad admisible del suelo o la capacidad admisible de los pilotes deben determinarse mediante los principios de mecánica de suelos y de acuerdo con el reglamento general de construcción. El tamaño del área de la base de una zapata sobre el suelo o el número y distribución de los pilotes, generalmente se establece con base en estos valores admisibles para cargas no mayoradas (de servicio) tales como D, L, W y E, en cualquier combinación que controle el diseño. Cuando haya necesidad de tener en cuenta cargas excéntricas o momentos, el esfuerzo en los Extremos sobre el suelo o la reacción obtenida en el pilote deben estar dentro de los valores admisibles. Las reacciones resultantes debidas a cargas de servicio combinadas con los momentos, cortantes, o ambos, causados por las fuerzas de Viento o sismo no deben exceder los valores incrementados que puedan estar permitidos por el reglamento general de construcción. Para definir para resistencia las dimensiones de una zapata o cabezal de pilote, debe determinarse la presión de contacto con el suelo o la reacción del pilote debida a las cargas mayoradas aplicadas. Estos valores calculados para presiones de contacto con el suelo o reacciones en los pilotes se usan para determinar la resistencia de la cimentación requerida para flexión, cortante y desarrollo del refuerzo, como en cualquier otro miembro de la estructura. En el caso de cargas excéntricas, las cargas mayoradas aplicadas pueden causar distribuciones de la presión de contacto con el suelo o de la reacción del pilote diferentes a las obtenidas para las cargas no mayoradas. Únicamente se necesita transmitir a la zapata los momentos que se calculan en la base de la columna o pedestal. Para la transmisión de fuerzas y momentos a las zapatas, no es necesario tener en cuenta el requisito de momento mínimo debido a consideraciones de esbeltez dado en 6.6.4.5. (Método de magnificación de momentos). .- Los sistemas de cimentaciones pueden diseñarse mediante cualquier procedimiento que cumpla con las condiciones de equilibrio y compatibilidad geométrica. .- Se permite el diseño de la cimentación basado directamente en los principios fundamentales de la mecánica estructural, siempre que se pueda demostrar que se Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 151 satisfacen todos los criterios de resistencia y funcionamiento. El diseño de la cimentación se puede lograr mediante el uso combinado de soluciones clásicas basadas en un continuo linealmente elástico, soluciones numéricas basadas en elementos discretos o análisis de líneas de fluencia. En todos los casos, se debe Incluir el análisis y la evaluación de las condiciones de esfuerzo en los puntos de aplicación de la carga o reacciones del pilote correspondientes a cortante y torsión, así como a flexión. .- Se permite diseñar las cimentaciones de acuerdo con el modelo puntal-tensor del Capítulo 23. (MODELOS PUNTAL-TENSOR) Un ejemplo de la aplicación de este requisito (puntal – tensor) se presenta en los cabezales de pilotes apoyados sobre pilotes, similar a lo mostrado en la Fig. R13.1.1, los cuales pueden diseñarse usando modelos tridimensionales puntal-tensor que cumplan con el Capítulo 23 (Adebar et al. 1990). . - El momento externo en cualquier sección de una zapata corrida, zapata aislada o cabezal de pilote debe determinarse pasando un plano vertical a través del miembro, y calculando el momento de las fuerzas que actúan sobre el área total del miembro que quede a un lado de dicho plano vertical. Secciones críticas a flexión para cimentaciones superficiales y cabezales de pilotes. El momento Mu en el miembro soportado se debe calcular en la sección crítica indicada en la Tabla 13.2.7.1. . - La localización de la sección crítica para cortante mayorado de acuerdo con 7.4.3 (Cortante mayorado) y 8.4.5 para cortante en una dirección ó 8.4.4.1 para cortante en dos direcciones debe medirse desde la ubicación de la sección crítica para Mu definida en tabla 13.2.7.1. . - La resistencia a cortante de una zapata se determina para las condiciones más severas de las establecidas en 8.5.3.1.1 (Para cortante de una dirección, en donde cada una de las secciones críticas que deben investigarse se extienden en un plano a través del ancho total, Vn debe calcularse de acuerdo con la Resistencia a cortante en una dirección) y 8.5.3.1.2. Para cortante en dos direcciones, vn debe calcularse de acuerdo con la Resistencia a cortante en dos direcciones. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 152 La sección crítica para cortante se mide a partir de la cara del miembro soportado (columna, pedestal o muro), salvo para muros de albañilería y miembros apoyados sobre placas base de acero. El cálculo del cortante requiere que la reacción del suelo, se obtenga a partir de las cargas mayoradas, y que la resistencia de diseño esté de acuerdo con el Capítulo 22. (RESISTENCIA DE LAS SECCIONES DE LOS MIEMBROS) Donde sea necesario, el cortante alrededor de los pilotes individuales puede investigarse siguiendo 8.5.3.1.2. Si los perímetros para cortante se superponen, el perímetro crítico modificado, bo, debe tomarse como la porción de la envolvente más pequeña de los perímetros para cortante individuales que en realidad resistirán el cortante crítico para el grupo bajo consideración. En la Figura R13.2.7.2 se ilustra Una situación como la descrita anteriormente. . - Para la localización de las secciones críticas para momento, cortantey longitud de desarrollo del refuerzo en cimentaciones, las columnas o pedestales de concreto de forma circular o de polígono regular se permite considerarlas como miembros cuadrados con la misma área. Desarrollo del refuerzo en cimentaciones superficiales y cabezales de pilotes. .- El desarrollo del refuerzo debe cumplir con el Capítulo 25.(DETALLES DEL REFUERZO) .- Las fuerzas de tracción y compresión calculadas para el refuerzo en cada sección deben desarrollarse a cada lado de la sección. .- Las secciones críticas para desarrollo del refuerzo deben suponerse en las mismas ubicaciones dadas en la tabla 13.2.7.1 para momento mayorado máximo y en todos los planos verticales donde ocurran cambios de sección o de refuerzo. .- El refuerzo a tracción debe estar adecuadamente anclado donde el esfuerzo en el refuerzo no sea directamente proporcional al momento, tal como ocurre en cimentaciones inclinadas, con escalones o de sección variable, o donde el refuerzo a tracción no sea paralelo a la cara de compresión. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 153 Cimentaciones superficiales. Generalidades . - El área mínima de la base de la cimentación debe calcularse a partir de las fuerzas y momentos no mayorados transmitidos por la cimentación al suelo o roca y de la capacidad portante admisible definida con base en principios de mecánica de suelos o de rocas. . - La altura total de la cimentación debe seleccionarse de manera tal que la altura efectiva del refuerzo inferior sea al .- En las cimentaciones inclinadas, escalonadas, o ahusadas, el ángulo de inclinación, y la altura y ubicación de los escalones deben ser tales que se cumplan los requisitos de diseño en cada sección. Cimentaciones superficiales en una dirección. . - El diseño y detallado de las cimentaciones superficiales en una dirección, incluyendo las zapatas corridas, zapatas combinadas y vigas sobre el terreno, deben cumplir con esta sección y con los requisitos aplicables de los Capítulos 7 (LOSAS EN UNA DIRECCIÓN) y 9 (VIGAS). . - En zapatas en una dirección, el refuerzo debe distribuirse uniformemente a lo largo del ancho total de la zapata. Zapatas aisladas en dos direcciones. .- El diseño y detallado de zapatas aisladas en dos direcciones, deben cumplir con esta sección y con las disposiciones aplicables de los Capítulos 7 y 9. .- En zapatas cuadradas en dos direcciones, el refuerzo debe distribuirse uniformemente a lo largo del ancho total de la zapata en ambas direcciones. .- En zapatas rectangulares, el refuerzo debe distribuirse de acuerdo con (a) y (b). (a) El refuerzo en la dirección larga debe distribuirse uniformemente en todo el ancho de la zapata. (b) Para el refuerzo en la dirección corta, una porción del refuerzo total, 𝜸𝒔 𝑨𝒔 , debe distribuirse uniformemente en una franja de ancho igual a la longitud del lado corto de la zapata, centrada con respecto al eje de la columna o pedestal. El resto del refuerzo requerido en la dirección corta, (𝜸𝒔 − 𝟏) 𝑨𝒔,debe distribuirse uniformemente en las zonas que queden fuera de la franja central de la zapata, y 𝜸𝒔 Se calcula por medio de: 𝜸𝒔 = 𝟏 (𝜷 + 𝟏) Donde 𝜷 es la relación del lado largo al lado corto de la zapata. Zapatas combinadas en dos direcciones y losas de cimentación. .- El diseño y detallado de zapatas combinadas en dos direcciones y losas de cimentación, deben cumplir con esta sección y con los requisitos aplicables del Capítulo 8. (LOSAS EN DOS DIRECCIONES) Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 154 .- El método de diseño directo de 8.10 (Método de diseño directo) no debe utilizarse para el diseño de zapatas combinadas y losas de cimentación. .- La distribución de la presión de contacto bajo zapatas combinadas y losas de cimentación debe estar de acuerdo con las propiedades del suelo o roca y de la estructura y cumplir con principios establecidos de mecánica de suelos o de rocas. .- Se pueden aplicar métodos de diseño que utilicen cargas mayoradas y factores de reducción de resistencia Φ a zapatas combinadas y losas de cimentación, Independientemente de la distribución de presiones en el suelo. .- El refuerzo mínimo en losas de cimentación no preesforzadas debe cumplir con los requisitos de 8.6.1.1. (Acero mínimo para losa armada en dos direcciones) .- Para mejorar el control de fisuración debida a gradientes térmicos y para interceptar con refuerzo a tracción probables fisuras de cortante por punzonamiento, el profesional facultado para diseñar debe considerar especificar refuerzo continuo en cada dirección, colocado cerca de ambas caras de las losas de cimentación. Muros como vigas sobre el terreno. .- El diseño de muros como vigas sobre el terreno debe cumplir con los requisitos aplicables del Capítulo 9. (VIGAS) .- Si una viga sobre el terreno es considerada una viga de gran altura, de acuerdo con 9.9.1.1, el diseño debe cumplir con los requisitos de 9.9. (VIGAS DE GRAN ALTURA) .- Los muros como vigas sobre el terreno deben cumplir con los requisitos de refuerzo mínimo de 11.6. (LIMITES DEL REFUERZO) Cimentaciones profundas. Generalidades .- El número y distribución de pilotes, pilares excavados y cajones de cimentación debe determinarse a partir de las fuerzas y momentos no mayorados transmitidos a estos miembros, y la capacidad admisible del miembro debe seleccionarse mediante principios de mecánica de suelos o de rocas. .- La discusión general para la selección del número y disposición de los pilotes, pilares excavados y cajones de cimentación se encuentra en R13.2.6.1. Cabezales de pilotes. .- Se debe seleccionar la altura total del cabezal de pilote de tal manera que la altura efectiva del refuerzo inferior sea al menos 300 mm. .- Los momentos y cortantes mayorados pueden calcularse suponiendo que la reacción del pilote está concentrada en el centroide de la sección del pilote. .- Excepto para los cabezales de pilotes diseñados de acuerdo a 13.2.6.3 (PUNTAL- TENSOR), el cabezal de pilote debe diseñarse de tal manera que se cumpla con (a) para las cimentaciones en una dirección y se cumpla con (a) y (b) para las cimentaciones en dos direcciones. (a) Φ Vn ≥ Vu donde Vn debe calcularse de acuerdo con 22.5 (Resistencia a cortante en una dirección) para cortante en una dirección, Vu debe calcularse de acuerdo con 13.4.2.5 (CRITERIOS DE CORTANTE MAYORADO) y Φ debe cumplir Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 155 con 21.2. (Factores de reducción de resistencia para elementos de concreto estructural y conexiones). (b) Φ νn ≥ νu donde νn debe calcularse de acuerdo con 22.6 (Resistencia a cortante en dos direcciones) para cortante en dos direcciones, νu debe calcularse de acuerdo con 13.4.2.5 y Φ debe cumplir con 21.2. (Factores de reducción de resistencia para elementos de concreto estructural y conexiones). .- Si el cabezal de pilote se diseña de acuerdo con el modelo puntal-tensor, como se permite en 13.2.6.3 (PUNTAL – TENSOR), la resistencia efectiva a compresión del concreto de los puntales, fce , debe determinarse de acuerdo con 23.4.3. (La resistencia efectiva a la compresión del concreto), donde 𝜷𝒔 = 𝟎. 𝟔 𝝀 y 𝝀 cumple con 19.2.4.(CONCRETO LIVIANO). .- Se requiere calcular la resistencia efectiva a la compresión del concreto con la expresión (c) de la Tabla 23.4.3 (COEFICIENTE DE PUNTAL 𝜷𝒔) debido a que en general no es posible colocar refuerzo de confinamiento que cumpla con 23.5 (Refuerzo que atraviesa los puntales en formade botella) en un cabezal de pilotes. .- El cálculo del cortante mayorado en cualquier sección a través del cabezal de pilote debe cumplir con (a) hasta (c): (a) Se debe considerar que la reacción total de cualquier pilote con su centro localizado a dPILOTE / 2 o más hacia afuera de la sección, produce cortante en dicha sección. (b) Se debe considerar que la reacción de cualquier pilote con su centro localizado dPILOTE / 2 o más hacia el lado interior de una sección, no produce cortante en dicha sección. (c) Para posiciones intermedias del centro del pilote, la parte de la reacción del pilote que produce cortante en la sección debe basarse en una interpolación lineal entre el valor total a dPILOTE /2 hacia afuera de la sección y el valor cero correspondiente a dPILOTE / 2 hacia adentro de la sección. .- Cuando los pilotes estén ubicados dentro de las secciones críticas medidas a una distancia d o d/2 a partir de la cara de la columna, para cortante en una o dos direcciones, respectivamente, se debe considerar un límite superior para la resistencia a cortante en la sección adyacente a la cara de la columna. En CRSI Handbook (1984) se presenta una guía para esta situación. Miembros de cimentaciones profundas. .- Las porciones de miembros de cimentaciones profundas expuestas a aire, agua o suelo que no sean capaces de proporcionar una restricción adecuada a lo largo de la longitud del miembro para evitar su pandeo lateral deben diseñarse como columnas de acuerdo con las disposiciones aplicables del Capítulo 10. (COLUMNAS) Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 156 2.2 CRITERIOS DE DISEÑO PARA INFRAESTRUCTURAS SEGÚN NORMA COVENIN 1753-2006 En esta parte se discutirán los criterios de diseño para fundaciones superficiales y profundas según el capítulo 15 de la Norma Covenin 1753-2006, Proyecto Y Construcción de obras en Concreto Estructural. ALCANCE Este Capítulo se aplicará al proyecto estructural y la construcción de los sistemas de fundación y muros de contención que forman parte de las edificaciones, con excepción de los pedestales y zapatas de concreto simple contemplados en el Capítulo 19. El diseño y detallado del sistema de fundación será compatible con los principios del Nivel de Diseño que se exija al sistema resistente a sismos de la estructura, según la presente Norma y la Norma Venezolana 1756 (EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES). Las fundaciones para edificaciones con aislamiento sísmico, así como aquellas que incorporen la interacción suelo-estructura serán objeto de estudios especiales que escapan al alcance del presente capítulo. ESTADOS LÍMITES Los sistemas de fundación solicitados por las combinaciones especificadas en el Capítulo 9 (REQUISITOS DE LOS ESTADOS LIMITES) y en el Capítulo 11 (FUNADCIONES, MUROS DE SOSTENIMIENTO Y TERRENOS EN PENDIENTE) de la Norma Venezolana 1756, deben proyectarse de manera de evitar que tanto el terreno de fundación como las fundaciones mismas alcancen cualquiera de los Estados Límites enumerados a continuación: a).- Estado límite de deformación. Se alcanza este estado límite cuando las deformaciones totales y/o diferenciales afecten el uso de la edificación o causen una reducción o pérdida de ductilidad y resistencia en los componentes estructurales. b).- Estado límite de agotamiento resistente. Se alcanza este estado límite cuando el suelo bajo la fundación falla por corte o se produce en éste una deformación excesiva o cuando los componentes estructurales de la fundación alcanzan su estado límite de agotamiento resistente. c).- Estado límite de estabilidad general. Estado límite caracterizado por el deslizamiento o volcamiento de la estructura o parte de ella, separación de cualquier fundación del suelo, y deslizamiento de laderas y taludes que pueden afectar a la estructura, accesos u otras construcciones vecinas. MATERIALES El sistema de fundación debe ser proporcionado para que el suelo de fundación soporte la edificación en ausencia de la acción sísmica, tomando en consideración los asentamientos que la estructura sea capaz de resistir. Cuando se incorporen las acciones sísmicas, se tomarán en cuenta las propiedades dinámicas del suelo para garantizar su capacidad para las tensiones y deformaciones impuestas por esta acción. El concreto y el acero de refuerzo para los sistemas de fundación cumplirán Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 157 con los requisitos del Capítulo 5 (DOSIFICACIÓN, MEZCLADO, VACIADO Y CALIDAD DEL CONCRETO) y el Artículo 3.6 (ACERO DE REFUERZO), respectivamente. La resistencia mínima especificada para el concreto es de = 210 kgf/cm2. Los pernos de anclaje y los conectores mecánicos diseñados de acuerdo con el Anexo D (ANCLAJES EN EL CONCRETO), desarrollarán su resistencia de diseño antes de que falle el anclaje o el concreto en que está embebido. REQUISITOS GENERALES Adicionalmente a los requisitos para el diseño sismorresistente del Capítulo 11 de la Norma Venezolana 1756-2001 (EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES), se cumplirá con las Secciones siguientes: .- Investigación geotécnica El alcance de la investigación y los ensayos deben ser los necesarios para poder interpretar en forma confiable las características del subsuelo y los parámetros requeridos para el proyecto y la construcción del sistema de fundaciones, de conformidad con el Capítulo 15 y los Capítulos 5 (FORMAS ESPECTRALES TIPIFICADAS DE LOS TERRENOS DE FUNDACION) y 11(FUNDACIONES, MUROS DE SOSTENIMIENTO Y TERRENOS EN PENDIENTE) de la Norma Venezolana 1756. .- Uniformidad del tipo de fundaciones El sistema de fundaciones mixto, de rigideces muy diferentes, o en condiciones de fundación variables se regirá por lo dispuesto en la Sección 11.4.1 (VERIFICACION DEL SISTEMA DE FUNDACION) de la Norma Venezolana 1756. .- Emplazamiento La profundidad del asiento de las fundaciones debe ser adecuada para que la estructura sea estable contra el deslizamiento, volcamiento o hundimiento. Las estructuras deben estar suficientemente retiradas de los bordes de los taludes para evitar daños a las fundaciones y a la estructura misma. Véanse los Artículos 11.5 (MUROS DE SOSTENIMIENTOS) y 11.6 (ESTABILIDAD DE LOS TERRENOS EN PENDIENTE) de la Norma Venezolana 1756 .- Arriostramiento Los miembros estructurales de las fundaciones aisladas estarán conectados entre sí por vigas de riostra o losas o placas actuando como diafragmas, en dos direcciones preferentemente ortogonales, a nivel del tope de la fundación y en todo caso por debajo del nivel del terreno. Las solicitaciones de diseño serán las indicadas en la Sección 11.4.2 (VIGAS DE RIOSTRAS) de la Norma Venezolana 1756. .- Hipótesis para el análisis estructural Adicionalmente a los requisitos de las Secciones anteriores, el sistema de fundación se proyectará con la rigidez a flexión adecuada consistente con el diagrama de presiones del suelo o solicitaciones sobre pilotes, así como con el grado de restricción supuesto en el proyecto. En el Anexo H (COMENTARIO) se recomiendan órdenes de valores para la relación entre la longitud de la fundación directa y su altura o la separación ente pilotes y la altura del cabezal. En el proyecto del sistema de fundación Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 158 se tomará en cuenta la rigidez relativa a flexión entre la columna, muro o pilote y la zapata, losa de fundación o cabezal, según sea el caso. El área de la base de la zapata o el número y distribución de los pilotes, se determinará con las solicitacionesde servicio provenientes de la estructura y que deben ser transmitidas al terreno con la condición de no exceder la capacidad del suelo o la de los pilotes determinadas según los principios de la Mecánica de los Suelos. El espesor y el acero de refuerzo de las zapatas y cabezales se calcularán para resistir: (a) las solicitaciones mayoradas o de las reacciones inducidas, en condiciones estáticas de acuerdo con el Capítulo 9 (REQUISITOS PARA LOS ESTADOS LIMITES) (b) en condiciones sísmicas y postsísmicas, conforme al Capítulo 11 de la Norma Venezolana 1756. Cuando se consideren las combinaciones de cargas en el Estado Límite de Servicio, en las cuales estén presentes los efectos sísmicos o de viento, la capacidad portante admisible del suelo se incrementará en un 33%. Los momentos y fuerzas cortantes en los cabezales de pilotes, pueden calcularse suponiendo que la reacción de cualquier pilote se aplica en el centro del cabezal. Los cabezales de pilotes se proyectarán para resistir la totalidad de las fuerzas axiales y los momentos de los pilotes actuando como columnas cortas. A efecto de las cargas laterales se tomarán en cuenta los efectos de esbeltez en los pilotes no soportados lateralmente por el suelo, el aire o el agua que los rodea. .- Transferencia de fuerzas en las bases de las columnas, muros estructurales o pedestales Todas las fuerzas y momentos que actúan en las bases de las columnas, muros estructurales y sus miembros de bordes, o pedestales de concreto reforzado, se transferirán al pedestal, zapata o cabezal, por aplastamiento directo sobre el concreto reforzado, barras de transferencia provenientes de la fundación (dowels) y anclajes mecánicos. Las barras de transferencia y los anclajes cumplirán los requisitos de la presente Sección. Las tensiones del concreto en las superficies de contacto entre miembros soportados y soportantes, no excederán la resistencia del concreto al aplastamiento según se establece en el Artículo 10.8 (RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO). El área del acero de refuerzo que atraviesa la superficie de contacto entre los miembros soportados y soportantes, será el necesario para satisfacer las dos condiciones siguientes: a. Resistir toda fuerza de compresión que exceda la resistencia al aplastamiento de la superficie de contacto. b. La fuerza total de tracción será resistida únicamente por el acero de refuerzo. El refuerzo longitudinal de las columnas y los miembros de borde de muros estructurales resistentes a sismos, debe prolongarse hasta el refuerzo interior de la losa de fundación, zapata o dado, y debe anclarse con un gancho en la parte inferior de la fundación, el cual debe orientarse hacia el centro de la columna. Las columnas y miembros de borde de muros estructurales que tengan un lado de su sección localizado a una distancia menor de la mitad de la altura del miembro de fundación del borde mismo, deben tener acero de refuerzo transversal que cumpla la Sección 18.4.5 en toda la porción embebida dentro de la losa de fundación, zapata o dado. Se tendrá presente que las zonas de confinamiento pueden ser modificadas debido al nivel del terreno y la calidad del suelo. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 159 Adicionalmente el acero de refuerzo debe cumplir con los siguientes requisitos: a. El acero de refuerzo requerido para transferir a la parte superior del pedestal, zapata o cabezal, los momentos calculados en las bases de las columnas, muros estructurales, o pedestales, cumplirá con los requisitos de la sección 12.2.3. (ACERO DE REFUERZO A FLEXION) b. Las fuerzas laterales se transferirán a los pedestales, zapatas o cabezales, por corte, por fricción, o por otros medios que se consideren apropiados de acuerdo con lo especificado en el Artículo 11.6. (CORTE A FRICCION) Se proporcionará el acero de refuerzo a través de la superficie de contacto entre los miembros soportados y soportantes, bien sea extendiendo las barras longitudinales dentro de la zapata, o solapándolas con las barras de transferencia provenientes de la zapata (dowels) o por medio de conectores de corte. c. En las superficies de contacto de columnas o pedestales, el área del acero de refuerzo longitudinal mínimo será el 1% de la sección de la columna ó el 0,5% de la sección del pedestal, la que sea mayor, y tener un mínimo de 4 barras. La menor designación mínima de las barras será N° 4 ó 14M. d. En los muros estructurales, el acero de refuerzo a través de la superficie de contacto con la fundación no será menor que el acero de refuerzo vertical exigido en la Sección 14.3.2 (ACERO DE REFUERZO) para el Nivel de Diseño, ND, especificado. e. En las zapatas y cabezales, las barras longitudinales No 14 y N° 18 (45M y 56M) solicitadas a compresión, pueden empalmarse por solape con las barras de transferencia vertical de la zapata (espiga) para proporcionar el área requerida, pero ésta no será menor que la exigida en el Artículo 12.3. (EMPALMES DEL ACERO DE REFUERZO LONGITUDINAL). Las espigas tendrán un diámetro no mayor del N° 11(36M) y sus prolongaciones serán: 1. Dentro del miembro soportado, una distancia no menor que la longitud de transferencia de tensiones de las barras N° 14 ó N° 18 (45M y 56M), o la longitud de transferencia por empalme de las barras provenientes de la fundación, la que sea mayor. 2. Dentro de la zapata, una distancia no menor que la longitud de transferencia de tensiones de las barras de transferencia provenientes de la fundación (dowels). f. Cuando la transferencia de solicitaciones entre el cabezal y los pilotes prefabricados sea por medio de barras vaciadas en concreto expansivo o colocadas después del endurecimiento del concreto, se debe demostrar mediante ensayos que son capaces de transferir tensiones de al menos 1,25 fy de la barra. g. Cuando la estructura se diseñe con Nivel de Diseño 3, ND3 según Norma Venezolana 1756, a menos que se cuente con un análisis de interacción suelo-pilote, se aplicará lo siguiente: Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 160 1. En las pilas y pilotes de concreto se colocará refuerzo transversal de confinamiento de acuerdo con la Sección 18.4.5 a lo largo de siete (07) diámetros medidos desde la cara inferior del cabezal, y en toda la longitud del pilote cuando esté embebido en rellenos, suelos blandos o suelos potencialmente licuables. 2. Para las pilas o pilotes de concreto sometidas a tracción, el anclaje entre ellos y el cabezal se diseñará con las combinaciones (9-5a) y (9-7a), pero sin que necesite sobrepasar la resistencia teórica a tracción de las pilas o pilotes, ni 1,3 veces la resistencia límite teórica de transferencia por adhesión o fricción dependiendo del tipo de suelo. 3. Cuando las pilas o pilotes de concreto transfieran momentos, el anclaje entre ellos y el cabezal se diseñará con las combinaciones (9-5a) y (9-7a), para el conjunto de solicitaciones de fuerzas axiales, fuerzas cortantes y momentos flectores, sin que se necesite sobrepasar la resistencia teórica a la acción conjunta de fuerzas axiales, fuerzas cortantes y momentos flectores de las pilas o pilotes. 4. Los pilotes inclinados deben resistir las combinaciones (9-5a) y (9-7a). Su conexión con los cabezales se diseñará para la resistencia teórica de los pilotes actuando como columnas cortas. ZAPATAS Y CABEZALES .- Dimensiones. Las dimensiones de las zapatas y cabezales cumplirán con los requisitos de las Secciones 15.4.2 a 15.4.5. La altura útil es función de la rigidez a flexión requerida. Para las zapatas que seapoyan directamente sobre el suelo no será menor de 30 cm y para los cabezales de pilotes no será menor de 1.25 veces el diámetro del pilote. .- Zapatas y cabezales que soportan columnas o pedestales con sección circular o poligonal. A fin de ubicar las secciones críticas para momentos, fuerza cortante y desarrollo de refuerzo en las zapatas y cabezales, las columnas, de acero o concreto, y los pedestales de concreto con sección circular o polígonos regulares pueden tratarse como secciones cuadradas de área equivalente. .- Zapatas y cabezales con superficies inclinadas o escalonadas. Las zapatas y cabezales con superficies superiores inclinadas o escalonadas que se diseñan como una unidad, se construirán de modo que se garantice su monolitismo. Las pendientes, alturas y ubicación de los escalones cumplirán en cada sección los requisitos de diseño. Véase la Subsección 12.2.3.1 .- Momentos flectores en zapatas y cabezales. En cualquier sección de una zapata o cabezal el momento se determinará considerando las fuerzas que actúan sobre la totalidad del área de la zapata o cabezal a un lado de dicha sección. Este criterio se aplicará para calcular el momento mayorado máximo Mu, en secciones críticas de zapatas o cabezales aislados, que soportan los miembros que se enumeran a continuación: Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 161 a. En columnas, pedestales, o muros de concreto: Mu se considerará en la cara de columnas, pedestales o muros; b. En muros de mampostería: Mu se considerará en la mitad de la distancia entre el eje y el borde del muro; c. En columnas con una plancha de acero: Mu se considerará en la mitad de la distancia entre la cara de la columna o pedestal y el borde de la plancha. .- Distribución del acero de refuerzo longitudinal El acero de refuerzo longitudinal será distribuido conforme con las solicitaciones obtenidas del análisis según la Sección 15.4.5. El acero de refuerzo mínimo de las zapatas y cabezales debe satisfacer los requisitos de la Subsección 10.3.1.3. (ACERO POR RETRACCION Y TEMPERATURA) .- Detallado del acero de refuerzo longitudinal Adicionalmente a los requisitos de la Sección 15.4.6, se cumplirán los requisitos de la presente Subsección. a. El acero de refuerzo longitudinal en columnas, muros estructurales y sus miembros de borde, se extenderá dentro de la zapata, losa o cabezal para que sea capaz de desarrollar su capacidad en tracción. Cuando tales miembros se consideren empotrados a la fundación, los aceros de refuerzo terminarán con un gancho de 90° orientado hacia el núcleo de la columna. b. Las tracciones o compresiones en el acero de refuerzo longitudinal calculadas en cada sección se desarrollarán a cada lado de esta mediante: longitud de anclaje, ganchos para barras solamente en tracción, anclaje mecánico, o sus combinaciones. Las longitudes de transferencia de tensiones y de anclajes del acero de refuerzo en las zapatas y cabezales serán las especificadas en el Capítulo 12. Véase el último párrafo de la Sección 12.2.3. c. Las secciones críticas para la longitud de desarrollo del acero de refuerzo, se supondrán ubicadas en los mismos sitios definidos en la Sección 15.5.4 para los máximos momentos mayorados, así como en todos los otros planos verticales donde ocurran cambios de sección o del acero de refuerzo. Véase el Artículo 12.6. d. Las columnas y los miembros de borde de los muros estructurales que tengan un borde dentro de la mitad de la profundidad de la zapata, tendrán acero de refuerzo transversal según la Sección 18.4.5 por debajo del borde superior de la fundación. Este acero de refuerzo se extenderá dentro de la fundación una distancia no menor que la menor altura de la fundación, losa de fundación, cabezal, o la longitud de transferencia de tensiones en tracción del acero longitudinal. e. De conformidad con la Sección 11.4.5 de la Norma Venezolana 1756, se colocará acero de refuerzo no menor al especificado en la Subsección 10.3.1.1 para resistir los eventuales levantamientos en el sistema de fundación por la acción sísmica. .- Fuerzas cortantes en zapatas y cabezales. La resistencia al corte en zapatas y cabezales se determinará de acuerdo con el Artículo 11.9. Para zapatas y cabezales que soportan columnas, pedestales o muros, la ubicación de las secciones críticas para corte, de acuerdo con el Artículo 11.9, se definirán desde la cara de la columna, pedestal o muro. Para zapatas y cabezales que soportan columnas o pedestales mediante planchas de acero en la base, la sección crítica se ubicará como se define en la Sección 15.5.4. Cuando la distancia entre el eje de cualquier pilote al eje de la columna exceda el doble de la altura útil del cabezal d, Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 162 el cabezal cumplirá con los requisitos de los Artículos 11.9 y los acápites a), b) y c) de esta Sección. Los otros cabezales también cumplirán con estos requisitos o el Anexo A. Cuando se utilice el Anexo A, la resistencia efectiva a compresión de las bielas f´cu se determinará de acuerdo con la Sección A.2.3. En el cálculo de la fuerza cortante en cualquier sección de una zapata apoyada sobre pilotes se cumplirá con las siguientes premisas: a. Se considerará que la totalidad de la reacción de cualquier pilote cuyo centro está localizado a 0,5dp o más, por fuera de la sección, produce cortante en esa sección. b. No produce cortante en esa sección la reacción de cualquier pilote cuyo centro está localizado a 0,5dp o más dentro de la sección. c. Para las posiciones intermedias del centro del pilote, la porción de la reacción del pilote que se supone produce cortante en la sección se basará en la interpolación lineal entre el valor total en 0,5dp por fuera de la sección y el valor cero en 0,5dp dentro de la sección. VIGAS DE RIOSTRA Las vigas de riostra que actúan como vínculo horizontal entre cabezales o fundaciones se dimensionarán para que la razón entre luz libre y la altura total de las mismas sea menor de 10, preferiblemente 7. La menor dimensión de la sección transversal será igual o mayor que el 5% de la luz libre entre los miembros conectados, pero no menor que 30 cm. El acero de refuerzo longitudinal será continuo y se extenderá dentro o más allá de las columnas que se arriostra o se anclará dentro de los cabezales o fundaciones. El acero de refuerzo transversal estará formado por estribos cerrados con una separación que no exceda de la mitad de la menor dimensión de la sección ó 30 cm. Las vigas de riostra que forman parte de una losa de fundación y estén solicitadas a flexión por acción de las columnas que forman parte del sistema resistente a cargas laterales, se diseñarán para su Nivel de Diseño según el Capítulo 18. LOSAS APOYADAS SOBRE EL TERRENO El proyecto de las losas apoyadas sobre el terreno debe reflejar las hipótesis y las propiedades elásticas e inerciales del modelo suelo–estructura empleada, debiéndose comprobar que tengan un comportamiento satisfactorio tanto para las acciones estáticas como para las acciones sísmicas, verificándose que la presión de contacto entre el suelo y la losa de fundación sea tal que no se alcancen los estados límites especificados en el Artículo 15.2. El dimensionamiento para el Estado Límite de Agotamiento resistente se efectuará para todas las combinaciones de solicitaciones consideradas para el resto de la estructura. La verificación de las tensiones inducidas al suelo, se regirá por el Capítulo 11 de la Norma Venezolana 1756, tal verificación también podrá ser realizada para todas las combinaciones de carga para el Estado Límite analizado.Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 163 PILOTES Y PILAS DE CONCRETO ESTRUCTURAL Este Artículo se aplicará al diseño de pilotes y pilas de concreto, incluyendo pilotes hincados, pilotes excavados y vaciados en sitio, pilotes prefabricados de concreto y pilas de gran diámetro. Los aceros de refuerzo mínimo exigidos no necesariamente cubren los efectos de impacto por hincado, ni las solicitaciones derivadas de empujes laterales. Cuando se consideren las acciones sísmicas se aplicarán los requisitos de las Secciones 11.4.6 y 11.4.7 de la Norma Venezolana 1756-2001 (EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES). El acero de refuerzo longitudinal en los pilotes y pilas se detallará análogamente a miembros flexionados, considerando el diagrama de momentos resultante del análisis. El acero de refuerzo longitudinal será continuo en toda la longitud solicitada a tracción, y se detallará para quedar embebido en el concreto del cabezal en una longitud no menor a la longitud de transferencia de tensiones especificada para barras con resaltes, en tracción o compresión, sin la reducción en la longitud por exceso del acero suplido. Cuando la transferencia de las fuerzas de tracción inducidas por la acción sísmica transferidas entre el cabezal o losa de fundación y los pilotes se haga por medio de concretos expansivos, se demostrará por ensayos certificados que son capaces de desarrollar al menos 1,25xfy. Véase al acápite f de la Sección 15.4.6. El acero de refuerzo transversal diseñado según la Sección 18.4.5, se colocará en las longitudes que se definen a continuación, los extremos de las ligaduras y zunchos terminarán con ganchos doblados a no menos de 135° orientados hacia el núcleo del pilote: a. Medido desde el tope del miembro, al menos cinco veces su sección transversal pero no menos de 1,8 m por debajo del fondo del cabezal. b. En la porción de los pilotes donde el suelo, el aire o el agua no son capaces de suministrar arriostramiento lateral, y a menos que el análisis estructural exija longitudes de confinamiento mayor, el acero de refuerzo transversal calculado según la Sección 18.4.5, se dispondrá en toda la longitud no soportada lateralmente incrementada en la longitud especificada en a. En los pilotes prefabricados, el acero de refuerzo transversal tomará en consideración las condiciones de transporte, izamiento y manipulación de los mismos. MUROS Y ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN. Cuando los muros y otros elementos de contención están conectados o dan apoyo al sistema resistente a cargas sísmicas de la edificación, las conexiones entre el sistema de contención y el sistema de resistencia sísmica cumplirán con el Capítulo 11 de la Norma Venezolana 1756. Se tomarán todas las previsiones para garantizar que el comportamiento sea compatible con el grado de disipación de energía en el rango inelástico propio del sistema de resistencia sísmica de la edificación. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 164 2.3 REQUISITOS DE DISEÑO PARA INFRAESTRUCTURAS SEGÚN LA NORMA COVENIN 1756 2001 (EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES) En este capítulo se estudiarán los requisitos exigidos por la Norma Covenin 1756, en el capítulo 11. Sobre Fundaciones, Muros de sostenimiento y Terrenos en Pendiente. VALIDEZ Y ALCANCE. En este capítulo contiene los requisitos mínimos para el diseño sismorresistente de la infraestructura de edificaciones, constituidas por las fundaciones y sus respectivos arriostramientos. Adicionalmente, se incluyen las especificaciones para el diseño de los muros de sostenimiento, y los criterios para evaluar la estabilidad de los terrenos en pendiente tales como laderas naturales, taludes de relleno y áreas cuya superficie este inclinada moderada o suavemente. PARAMETROS GEOTECNICOS Y METODOS DE ANALISIS. PARAMETROS GEOTECNICOS: En caso de que existan suelos cohesivos cuya resistencia se degrade por acción sísmica, tales como arcillas sensibles o suelos licuables, se deberá determinar la resistencia degradada por el efecto de la carga cíclica y aplicar esas propiedades para la evaluación de la estabilidad estática y las deformaciones inmediatamente después del sismo. Este análisis se denomina postsimico. Cuando existan discontinuidades en la estructura de del suelo o de la roca, tales como planos de estratificación, de agrietamiento, de diaclasas, foliaciones o de cualquier otra naturaleza. Se utilizará el valor de la resistencia representativo para la masa total considerando la presencia de dichas discontinuidades. En estas condiciones, también es necesario la estabilidad para aquellos mecanismos de falla controlados por la resistencia a lo largo de dichas discontinuidades. EL COMENTARIO DE LA NORMA PLANTEA LO SIGUIENTE: Para la correcta aplicación de las disposiciones indicadas en esta Sección, es necesario disponer de estudios geotécnicos suficientemente completos y confiables, que permitan establecer los valores adecuados de los parámetros geotécnicos requeridos. En este sentido, deben tomarse en cuenta las posibles alteraciones que pueden sufrir las propiedades del suelo como consecuencia de la acción cíclica del sismo, lo cual incluye el posible efecto de degradación de la resistencia al corte. Esto es de suma importancia para la verificación de la seguridad de la estructura una vez finalizado el terremoto, la cual no está garantizada con el análisis que considera las acciones sísmicas. Esta es la denominada verificación postsísmica. Con la finalidad de establecer parámetros geotécnicos confiables, se debe tomar en consideración lo siguiente: a) algunas propiedades del suelo dependen del nivel de esfuerzos, Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 165 b) se debe realizar una cantidad suficiente de ensayos para determinar la variación de los parámetros geotécnicos y c) en ocasiones se debe complementar el juicio y la experiencia personal, con referencias de casos reales presentados en la literatura. La investigación geotécnica debe recopilar también información sobre topografía, hidrogeología, geología, datos disponibles sobre zonas vecinas, fotografías aéreas y cualquier otra que se considere relevante. Dicha investigación debe orientarse hacia la determinación de la estratigrafía, las propiedades de resistencia, los patrones de deformación, la permeabilidad y la distribución de la presión del agua intersticial o de poros. El alcance de la exploración del subsuelo para definir los parámetros geotécnicos debe tomar en consideración las características e importancia de la estructura por construir. El número y la distancia entre las perforaciones deben seleccionarse de acuerdo con la información geológica y el tamaño del área. Las perforaciones deben incluir las unidades litológicas que tengan influencia en el comportamiento de la estructura. Los ensayos de laboratorio y de campo deben realizarse de acuerdo con metodologías normalizadas y reconocidas internacionalmente. En general, para la determinación de la resistencia al corte no drenado de los suelos se pueden realizar ensayos de corte triaxial o simple directo, no drenados, con medición de presión de poros, de acuerdo con las normas ASTM D4767 y ASTM D3080, respectivamente. La ejecución del ensayo de penetración normal (SPT) para evaluar el potencial de licuación de suelos no cohesivos debe realizarse siguiendo las especificaciones de la Norma ASTM DI586. El número de golpes se corregirá por confinamiento y por energía del martillo. (Alviar y Pénela,1986). Para la determinación de la resistenciaal corte no drenado de los suelos cohesivos blandos, se pueden realizar ensayos de veleta, bien sea directamente en el sitio o con muestras en el laboratorio. Las mismas se ejecutarán de acuerdo con los procedimientos dados en las normas ASTM D2573 y ASTM D4648, vigentes. De la misma manera se puede ejecutar el ensayo en sitio denominado "cono holandés" para evaluar la resistencia pico de los suelos cohesivos, siempre y cuando se realice de acuerdo con la Norma ASTM D3441. LICUACIÓN DE SUELOS Los suelos no cohesivos saturados sometidos a solicitaciones cíclicas pueden perder súbitamente la resistencia al corte, lo cual se denomina "falla de flujo" por licuación. Dicho fenómeno, en general, depende de los siguientes aspectos (Baziar y Dobry, 1995; Kramer. 1996): • La relación de vacíos. • La presión de confinamiento. • La magnitud de los esfuerzos y/o deformaciones cíclicas. • El número de ciclos de esfuerzos inducidos por el sismo. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 166 No obstante, la resistencia residual no drenada de un suelo no cohesivo está controlada, en la mayoría de los casos, por la relación de vacíos y la presión de confinamiento. Los siguientes criterios desarrollados en China y modificados por el U.S. Army Corps of Engineers pueden ser aplicados para definir la susceptibilidad de perder la resistencia al corte por fenómenos similares a licuación en suelos de grano fino (Kramer, 1996). Deben considerarse como potencialmente licuables las arenas o limos no plásticos por debajo del nivel freático con resistencia a la penetración SPT, NI(60) < 15 golpes/pie hasta 15 m de profundidad. En particular si estos suelos están en depósitos jóvenes como zonas deltaicas o rellenos hidráulicos. Por el contrario, se consideran suelos poco susceptibles a licuar aquellos suelos no cohesivos que tengan NI(60) > 15 golpes/pie o que sean sobre consolidados o cementados. La susceptibilidad a la licuación también baja con el contenido de finos plásticos, tal que si este último es mayor que 35% es muy poco probable que ocurra la licuación. El índice de plasticidad también influye en la susceptibilidad a la licuación de acuerdo con las siguientes expresiones (Kramer, 1996): F= 1 si IP< 10 F= 1.0 + 0.022 (IP-10) si IP> 10 Donde: F, es un factor que afecta la resistencia cíclica, comúnmente denominado CSR. La rigidez de los suelos se degrada con el nivel de la deformación cortante sin exhibir pérdida en la resistencia al corte. Sin embargo, para los suelos no cohesivos con comportamiento contractivo y para las arcillas sensibles es posible que ocurra una reducción repentina de la resistencia al corte, lo cual produce a su ver una reducción súbita de la rigidez. Existen algunas correlaciones, basadas en ensayos de laboratorio y pruebas a escala en Centrífuga, entre la resistencia al corte no drenado degrada (Sus) y el esfuerzo efectivo confinante (σ’v) que indican que la razón entre ambos (Sus/σ’v) es aproximadamente igual a 0.12 (Baziar y Dobry, 1995). No obstante, también se ha observado que ese valor depende de otras condiciones geotécnicas como el tipo de suelo, la relación de vacíos y los niveles de esfuerzos confinantes (Kramer, 1996). Otros autores han encontrado que resulta muy útil establecer correlaciones entre la resistencia al corte no drenado de las arenas con otros parámetros como la resistencia Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 167 a la penetración normal o del cono, a veces con base en casos históricos (Kramer, 1996). De allí que, cuando se verifique la presencia de suelos licuables sobre los cuales se desee fundar, se requiere un estudio especial, para definir las características del proceso de generación de presiones de poros y la resistencia degradada de los suelos no cohesivos. En caso de que se decida mejorar el suelo, se debe verificar que el mismo no licuará bajo las nuevas condiciones. PARÁMETROS PARA EL CASO POSTSÍSMICO En ocasiones, la resistencia al corte de un suelo cohesivo saturado se reduce luego de que el mismo es sometido a procesos de carga cíclicos. La degradación depende principalmente de la sensibilidad del suelo, definida como el cociente entre las resistencias al corte no drenadas pico y la residual. Para los suelos cohesivos sensibles, la degradación puede conducir a que, después de la carga, el suelo sólo sea capaz de desarrollar la resistencia residual. A manera de guía, en la Tabla siguiente se muestra una clasificación de los suelos de acuerdo con la sensibilidad. En el estudio geotécnico se debe definir la sensibilidad del suelo y, en función de la misma, establecer los ensayos de laboratorio o de campo apropiados para seleccionar los parámetros de resistencia al corte a utilizar en el análisis postsísmico. Cuando la sensibilidad del suelo cohesivo sea mayor que 2 se requieren obligatoriamente ensayos de laboratorio para definir si ocurre la degradación de la resistencia pico a causa de la carga cíclica. De lo contrario, se debe utilizar la resistencia residual en el análisis postsísmico. Preferiblemente, los ensayos de laboratorio para estos suelos deberán consistir de una fase cíclica seguida de otra monotónica hasta la falla de la muestra. La resistencia pico así obtenida debe ser comparada con la de ensayos monotónicos sin la fase cíclica y establecer el porcentaje de degradación comparando las resistencias picos de los dos ensayos. Para el diseño se tomará la menor de las resistencias picos obtenidos. Si la sensibilidad del suelo cohesivo resulta igual o mayor que 2 y cuando existan suelos no cohesivos licuables se requiere un estudio especial y una evaluación del Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 168 comportamiento del suelo durante el sismo que conduzca a las soluciones que garanticen la estabilidad de las edificaciones fundadas sobre dichos materiales. METODOS DE ANALISIS. Se podrán utilizar métodos pseudoestaticos y métodos de análisis acoplados de esfuerzos – deformación con acelerogramas. Las especificaciones para los métodos pseudoestaticos se dan en los artículos 11.4 (FUNDACIONES),11.5 (MUROS DE SOSTENIMIENTO) Y 11.6 (ESTABILIDAD DE TERRENOS EN PENDIENTE), mientras que las correspondientes a los métodos acoplados de esfuerzo – deformación con acelerogramas se dan el articulo 11.7 (METODOS DE ANALISIS ACOPLADOS ESFUERZO – DEFORMACION CON ACELEROGRAMAS). EL COMENTARIO DE LA NORMA DICE LO SIGUIENTE: Se han desarrollado nuevos métodos de análisis que utilizan las deformaciones permisibles. En lugar de los esfuerzos máximos posibles, particularmente para muros y taludes. De la misma manera, los avances recientes en el análisis acoplado de esfuerzos y deformaciones mediante técnicas como las diferencias y los elementos finitos, para fundaciones, muros y taludes, racionalizan el diseño sismorresistente de los mismos y su aplicación es permitida en esta Norma de acuerdo con las restricciones indicadas en los Artículos correspondientes según sea el caso. Es oportuno destacar que los métodos de análisis con base en deformaciones permisibles requieren el conocimiento de las velocidades máximas en la superficie del terreno. Por lo tanto, cuando se desee utilizar estos métodos se deberá justificar adecuadamente la selección de los valores de dicha velocidad, preferiblemente con base en registros obtenidos en sitios cuyas condiciones sean representativas o similares a las de la zona donde se encuentre la edificación, el muro o el terreno en pendiente. 2.4COMENTARIOS DE LOS REQUISITOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE INFRAESTRUCTURA POR NORMA SISMORRESISTENTE 1756-01. Los componentes de las fundaciones y los muros de sostenimiento serán diseñados respetando el nivel de diseño correspondiente y siguiendo las disposiciones de la Norma 1753-2001 (PROYECTO Y CONSTRUCCION DE OBRAS EN CONCRETO ESTRUCTURAL). El diseño estructural de los pilotes se complementará con lo especificado en la sección 11.4.6. (FUNDACIONES CON PILOTES). FUNDACIONES. VERIFICACION DEL SISTEMA DE FUNDACION. El diseño del sistema de fundación deberá asegurar que la resistencia estructural de cada uno de sus componentes sea capaz de soportar las solicitaciones trasmitidas por la superestructura, que el terreno pueda soportar las acciones transferidas por las fundaciones y que la rigidez del sistema suelo – fundación sea suficiente para que no Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 169 se experimenten desplazamientos excesivos que comprometan la funcionabilidad de la fundación o de la superestructura. Queda entendido que se deberán satisfacer los requisitos sismorresistentes expresados en este artículo, además de aquellos necesarios para soportar otras cargas a las que pudiera quedar sometida la fundación durante su vida útil. Cuando sea necesario el uso de un sistema de fundación mixto, y/o rigideces muy desiguales, deberá verificarse el comportamiento del conjunto bajo la acción sísmica, utilizando un modelo adecuado para los sistemas de fundación empleados. Cuando las condiciones de las fundaciones no sean homogéneas por la variabilidad horizontal o vertical del perfil geotécnico, se verificará la capacidad de soporte y los asentamientos diferenciales admisibles entre los componentes del sistema de fundación. VIGAS DE RIOSTRA. Las fundaciones se conectarán entre sí en dos direcciones preferiblemente Ortogonales, con miembros estructurales capaces de soportar axialmente la mayor carga en las columnas que enlaza la riostra multiplicada por un coeficiente igual a (αA0)/3, pero no menor que el diez por ciento (10%) de dicha carga. En caso de que las vigas de riostra formen parte del sistema de carga para las losas de su nivel, las mismas se diseñarán considerando todas las solicitaciones actuantes, sin obviar los requerimientos anteriores. EL COMENTARIO DE LA NORMA PLANTEA LO SIGUIENTE: Si las vigas de riostra forman parte del modelo del sistema resistente a cargas laterales, las mismas deben ser diseñadas considerando las solicitaciones que resulten del análisis sin menoscabo de los valores previstos en este articulado. (Paparoni, 1996). Las vigas de riostra deben resistir la carga axial especificada, tanto en tracción como en comprensión. La carga máxima de las columnas que enlaza debe tomarse incluyendo las cargas sísmicas y las gravitacionales mayoradas. Tanto la carga en las columnas como la de las vigas de riostra se tomarán en estado límite. El requisito de un 10% mínimo ha sido establecido empíricamente por consideraciones no sismorresistente, atinentes a la segundad general de las fundaciones. Una antigua práctica constructiva establece colocar vigas de riostra de dimensiones mínimas (30*30) cm, con 4 barras de 5/8". Recientemente el (ACI 318, 1999) añadió requisitos para fundaciones sismorresistentes, incluyendo estas vigas. Especifican una dimensión mínima de su sección de 1/20 la luz entre libre entre columnas, hasta 45 cm; los estribos deben tener un espaciamiento máximo igual a la mitad de la menor dimensión, pero no más de 30 cm. Si las vigas de riostra cumplen con la función adicional de resistir momentos de origen sísmico, deben satisfacer los requisitos de Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 170 detallado de las vigas en general. En (Dowrick, 1978) pueden encontrarse detalles típicos de diseño. PEDESTALES Los pedestales se diseñarán para las solicitaciones resultantes del análisis. La armadura mínima de cada pedestal será la indicada en la Norma COVENIN-MINDUR 1753 para estructuras de concreto. El ingeniero estructural decidirá cuándo es conveniente incorporar en el modelo de análisis del sistema resistente a sismos los pedestales considerando las rigideces relativas de la superestructura y del sistema de fundaciones, incluyendo los pedestales, concurrentes en los distintos nodos. SUPERPOSICIÓN DE EFECTOS Los casos de carga a considerar para los análisis de fundaciones superficiales y pilotes se definen en la Tabla 11.1: En la combinación del caso post-sísmico solo se considera la mayoración en diez por ciento (10%) de las solicitaciones permanentes, se consideran las solicitaciones variables y se excluyen las solicitaciones inducidas por la acción sísmica. En este análisis lo importante es verificar el caso estático inmediatamente después de la ocurrencia de un sismo, cuando la resistencia al corte del suelo haya sido degradada por efectos del mismo. FUNDACIONES SUPERFICIALES. Para la verificación de la seguridad de una fundación bajo las acciones sísmicas, se permitirá que los esfuerzos máximos transmitidos al terreno sean mayores que los admisibles bajo cargas estáticas según se establece en la Subsección 11.4.5.1. Es necesario verificar la compatibilidad de los asentamientos diferenciales esperados como consecuencia de la acción sísmica, con aquellos permitidos en el caso estático, particularmente, cuando se funde sobre suelos no cohesivos. Bajo las condiciones más desfavorables que contemplan las solicitaciones sísmicas, se aceptará que en una fundación ocurra un levantamiento parcial que no exceda del veinticinco por ciento (25%) del área total de apoyo. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 171 Solo se permitirá el uso de fundaciones superficiales en terrenos potencialmente licuables cuando estos hayan sido debidamente tratados y se compruebe que los asentamientos totales y/o diferenciales u otros efectos como empujes laterales no comprometan el desempeño de la estructura. EN EL COMENTARIO DE LA NORMA DICE LO SIGUIENTE: Preferiblemente, las fundaciones superficiales deben ubicarse sobre un mismo medio y evitar en lo posible que estén separadas por discontinuidades del terreno de fundación tales como fisuras, grietas o cambios bruscos de pendiente, o construidas sobre suelos de consistencias diferentes. La seguridad de la fundación sobre suelos no cohesivos debe contemplar la verificación de los asentamientos, incluyendo aquellos que pudiesen ocurrir como consecuencia de la acción sísmica, los cuales deberán ser compatibles con el nivel de desempeño de la edificación. Esto es particularmente importante ya que los cambios volumétricos inducidos por el sismo en el suelo pueden ser significativos, aún para arenas de moderamente densas a densas (Kramer, 1996). La excepción que permite utilizar las fundaciones superficiales en suelos cohesivos con sensibilidad mayor que 2 o en suelos no cohesivos licuables, obedece a que para obras de poca envergadura podría resultar más costoso el tratamiento del suelo que la edificación misma. Por lo tanto, en esos casos el ingeniero debe verificar si es posible lograr una fundación segura, a pesar de que el suelo pueda perder la resistencia al corte durante o después de la carga cíclica. Cuando se trate de suelos no cohesivos licuables, la capacidad de soporte de la fundación debe calcularse con las fórmulas aplicables a suelos cohesivos, ya que en estas condiciones el material no tiene fricción, sino que solo tiene resistenciaresidual (Sus). Para fines de cálculo, dicha resistencia residual puede interpretarse de la misma manera que se interpreta la resistencia al corte sin drenaje de los suelos cohesivos. VERIFICACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE. El esfuerzo de compresión máximo transferido al terreno (q) para las combinaciones de carga dadas en la Tabla 11.1, debe cumplir con lo siguiente: q ≤ 0.6(qult/Se) Donde: q = Esfuerzo de compresión máximo impuesto por la fundación al terreno para los casos de carga indicados en la Sección 11.4.4. (SUPERPOSICION DE EFECTOS). qult= Capacidad de soporte última del suelo utilizando factores de capacidad de carga estáticos. Para suelos licuables, calcúlese qult utilizando la resistencia residual no drenada Sus del suelo como si se tratase de suelos con ángulo de fricción interna nulo. Se= Sensibilidad del suelo a considerar solo en el análisis postsísmico. Tómese Se=1 cuando se incluyan las acciones sísmicas. Tómese también Se=1, cuando se analicen los suelos licuables y se utilice la resistencia residual del suelo. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 172 El factor de reducción (0.6) incluido en esta Norma, aplicable al esfuerzo último o al doble del esfuerzo admisible para establecer la capacidad del suelo debajo de la fundación, es compatible con los factores de seguridad generalmente empleados para el diseño de fundaciones superficiales y los factores de minoración de resistencia de los métodos de diseño por nivel de desempeño. (Richards et al, 1993; API, 1993) La sensibilidad del suelo sólo debe aplicarse en la fórmula (11.1) para los análisis postsísmicos y no para los casos en que se incluyan las solicitaciones sísmicas. Adicionalmente, la aplicabilidad de la sensibilidad en esas fórmulas es exclusiva para suelos cohesivos y no debe aplicarse al caso de suelos granulares. Cuando se use la capacidad de soporte admisible, qadm, la ecuación (11.1) se transforma en: q ≤ 0.6 * FS [(q ult /FS) / Se] Donde: qadm= qult/FS. Capacidad de soporte admisible para cargas estáticas. Para suelos no cohesivos licuables, qadm debe calcularse utilizando la resistencia residual Sus del suelo como si se tratase de suelos cohesivos con ángulo de fricción interna nulo. FS = Factor de seguridad estático para diseño de fundaciones. El mismo debe ser mayor que 2. Nótese que el máximo valor del producto 0,6*FS es igual a 1.2 y que al utilizar un factor de seguridad mayor el valor de, q, en la ecuación (C. 1 1.1 b) será menor. Los limos deben ser considerados como suelos granulares si no tienen plasticidad y como suelos cohesivos cuando presenten plasticidad (Véase en C-5.2: Licuación de suelos no cohesivos). VERIFICACIÓN DE LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO. Se verificará que, en el área de contacto efectiva entre la fundación y el terreno, la fuerza de corte, V, inducida por las solicitaciones calculadas según la Sección 11.4.4, no exceda la fuerza resistente al deslizamiento dada por la fórmula: V ≤ (μf Na+ cA) 0.8 (11.2) donde: μf = Coeficiente de fricción terreno-fundación. Na= Fuerza normal al área de contacto que actúa simultáneamente con V, incorporando el efecto de la componente vertical del sismo. c = Adhesión entre el terreno y la fundación. A= Área de contacto de la fundación. FUNDACIONES CON PILOTES. En general, los requerimientos de esta Sección están dirigidos a pilotes o pilas de concreto reforzado, pretensado o postensado, y de acero o similares. Se considerarán aptos los pilotes de madera, siempre y cuando se asegure un comportamiento sismorresistente acorde con lo establecido en esta Norma. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 173 Para el diseño de los pilotes se deberá satisfacer lo establecido en la Sección 11.4.4 en relación con los análisis que consideran las solicitaciones sísmicas y el caso postsísmico. Las fundaciones con pilotes deben transferir las cargas generadas por la superestructura, incluidas las sísmicas hasta el suelo. En fundaciones muy profundas o en aquellas donde la punta del pilote alcance la roca, puede ocurrir que la capacidad estructural del pilote controle la resistencia. En tal sentido, tanto el suelo como el pilote deben ser capaces de mantener un comportamiento estable frente a las acciones cíclicas y eventualmente reversibles, como las que impone la carga sísmica. Por otra parte, las deformaciones y desplazamientos de la fundación deben mantenerse dentro de límites que no afecten la funcionalidad del sistema estructural y en los cuales sean válidos los métodos de análisis para predecir adecuadamente su respuesta (Paulos y Davis, 1980;Baltrop y Adams, 1991; Le Tirant, 1992). CABEZALES. Para pilotes, aislados o en grupo, se emplearán cabezales interconectados mediante vigas de riostra. El dimensionamiento y detallado de los cabezales debe asegurar que el pilote desarrolle su capacidad resistente en la conexión. En aquellos pilotes que necesiten refuerzo de confinamiento en su tope, dicho refuerzo será extendido dentro de la longitud del cabezal (Véase la Sección 11.4.7). Los cabezales se emplean como conexión entre la superestructura, las vigas de riostra y los pilotes de fundación. Por lo tanto, los mismos deben garantizar que la resistencia estructural de los pilotes pueda desarrollar plenamente, para asegurar la disipación de energía en las zonas donde se ha previsto la generación de rótulas plásticas. CONSIDERACIONES SOBRE EL MÉTODO CONSTRUCTIVO. El método constructivo debe considerar las características del terreno, para evitar daños o discontinuidades en el pilote durante el proceso de instalación. Se deberá considerar la influencia del método de construcción en la capacidad de carga del pilote y en la rigidez del conjunto terreno-pilote. También se considerarán los esfuerzos residuales en el pilote asociados con el método de construcción en el pilote, si éstos existieran. El método de construcción puede introducir perturbaciones en las características mecánicas del suelo capaces de disminuir su resistencia y su rigidez (Paulos y Davis, 1980; Baltrop y Adams, 1991). En pilotes excavados y vaciados en sitio, la realización de la perforación puede deteriorar considerablemente las características del suelo en las áreas adyacentes al fuste y la punta. En pilotes huecos hincados, a los que se les remueve la columna interna de suelo para facilitar su penetración, se puede afectar la capacidad del suelo en la punta del pilote. En pilotes hincados en los que se construye una perforación previa de menor diámetro, también puede afectarse negativamente las propiedades del suelo en el fuste y la punta. Estas perturbaciones deben ser incorporadas en el análisis de la fundación sobre pilotes. Criterios de Diseño para Fundaciones y Muros Sebastián José Loyo Lugo 174 En el caso de pilotes largos hincados pueden generarse esfuerzos residuales que deben incorporase en el análisis, si estos fuesen significativos (Globe et al. 1993). En pilotes de concreto se deben evitar daños por la generación de grietas o deterioro de la rigidez del concreto (Whitaker, 1996). En pilotes excavados y vaciados se deben evitar pérdidas de continuidad o estrangulamiento (Fleming et al, 1985). La ganancia de resistencia en pilotes hincados y vibro hincados por densificación de suelos no cohesivos o por remoldeo de suelos cohesivos debe ser verificada mediante pruebas de carga de pilotes en el sitio. CAPACIDAD DE CARGA AXIAL. Para la determinación de la capacidad de carga axial del pilote, bien sea a compresión o a
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