Las fundaciones son la base de soporte de estructuras y constituyen la interfaz a través de la cual se transmiten las cargas al suelo subyacente.

Transcripción

1 TIPOS DE FUNDACIONES CAPACIDAD DE SOPORTE PARAMETROS DE CALCULO TIPOS DE ROTURA FACTOR DE SEGURIDAD TEORIA DE CAPACIDAD DE CARGA MODELO DE TERZAGHI CARGAS EXENTRICAS INTERACCION ENTRE ZAPATAS ASENTAMIENTOS METODOS DE CALCULO MODELOS ELASTICOS MODELOS EMPIRICOS CAPACIDAD DE CARGA DINAMICA CAPACIDAD DE SOPORTE INFORME GEOTECNICO SOLUCION A UNA FUNDACION Indice 1 1

2 Las fundaciones son la base de soporte de estructuras y constituyen la interfaz a través de la cual se transmiten las cargas al suelo subyacente. La interacción suelo - estructura, depende de : Naturaleza del suelo Forma y tamaño de la fundación Flexibilidad de la estructura (criterio de funcionamiento) Generalmente la profundidad de fundación ( Df) es menor o igual al ancho (B) de la fundación : Nivel de terreno Sello de fundación B Df Es importante que la fundación se apoye en suelos no sujetos a cambios fuertes de volumen por variaciones de la humedad ( suelos colapsables, arcillas expansivas, rellenos, etc), de forma de no generar asentamientos no previstos.

3 Tipos de Fundaciones Superficiales Fundación aislada Fundación corrida Losas de fundación FUNDACIONES SUPERFICIALES Capacidad de Soporte BASES DEL DISEÑO Poseer resistencia como elemento estructural Transmitir al terreno las cargas con asientos tolerables para la estructura. No afectarse por la agresividad del terreno Estar protegida ante variaciones del entorno No causar daño a estructuras vecinas MÉTODO DE DISEÑO Determinar la presión de hundimiento del terreno Obtención de Q tr o Qadm con FS adecuado Reajustar dimensiones de la cimentación Cálculo de asientos esperables Modificar las dimensiones si los asientos no son admisibles 3 3

4 FUNDACIONES SUPERFICIALES Parámetros de Cálculo Dependen de : Naturaleza y Estratigrafía del suelo Propiedades de cada capa en zona de influencia de las fundaciones Condiciones de la napa En suelos arenosos ( no cohesivos ): γ t ; D.R. E, u ( obtenidos del ensayo Placa de carga ) φ ( obtenidos por correlaciones del CBR; Nspt; Ncpt; etc. ) En suelos finos ( no expansivos ) : γ sat; γ t % w nat. Cu ( obtenido de ensayo CNC ) c y φ ( obtenidos del ensayo CD ) E, E, u ( obtenidos de pruebas de carga ) Eu, Cc, Cv ( obtenidos del ensayo edométrico ) El hundimiento o falla de la fundación supone asientos o giros importantes pudiendo provocar vuelcos. Se puede diferenciar en tres tipos : Corte General; Corte Local y Punzonamiento. σ Rotura general σ Corte Local σ Punzonamiento ε ε ε 4 4

5 σa σl σb σu (Kg/cm ) σs δ(cms) σa : Presión admisible = σu/f.s. σl : Presión que produce la falla o corte local (muchas veces σl = σb) se aprecia la 1 falta de linealidad en la curva) σb : Capacidad de carga (los asentamientos comienzan a ser muy grandes y difíciles de calcular ). σu : Presión que produce la falla o corte general. ROTURA POR CORTE GENERAL : Generalmente falla la base de la zapata, y aflora al lado de la misma a cierta distancia. Se produce en arenas compactas (DR > 70%) o (DR > 75%) y arcillas medias bajo cargas rápidas. ε 5 5

6 B Df = profundidad de empotramiento III II I II III Círculo si el suelo es φ = 0 y S = 1 Espiral logarítmica si el suelo es c y φ FUNDACIONES SUPERFICIALES Tipos de Rotura FALLA POR ROTURA LOCAL Es una situación intermedia, en que el terreno se se plastifica en los bordes y por debajo de la zapata sin que lleguen a formarse fallas en la superficie Típico en limos blandos y arenas medias a sueltas (40%<DR < 70%) o (55%<DR < 75%). Si el suelo está poco denso, zonas I y II anteriores se densifican. c * = /3 c tg φ = /3 tg φ σ ε Zona plastificada 6 6

7 FUNDACIONES SUPERFICIALES Tipos de Rotura FALLA POR PUNZONAMIENTO La fundación se hunde, cortando el terreno en la periferia con desplazamiento vertical afectando al terreno adyacente. Se presenta en materiales compresibles y poco resistentes o blandos. σ ε Planos de corte Clasificación Geotécnica Según NCH 433 Suelo Tipo I Suelo Tipo II Suelo Tipo III Suelo Tipo IV Roca Suelo Firme Suelo Semi Compacto Suelo Blando 7 7

8 Definición de los tipos de suelo de fundación 8 8

9 Refleja la incertidumbre de las hipótesis asociadas a la determinación de la capacidad de soporte y tiende a limitar los asentamientos. Una investigación adecuada del subsuelo tiende a reducirlo. Ejemplo de valores recomendados VALORES TÍPICOS DEL FS Estructura FS Muros de contención 3 Excavación temporal > Puentes: Ferroviarios 4 De Carreteras 3,5 Edificios: Silos,5 Galpones,5 Dptos, oficinas 3 Industriales ligeros 3,5 Públicos 3,5 Fundaciones grales. 3 Losas grales

10 FUNDACIONES SUPERFICIALES Teorías de Capacidad de Carga En el primer cuarto de siglo, diversos autores propusieron métodos destinados a estimar la capacidad de soporte. TERZAGHI EN CONDICIONES DRENADAS El suelo tiene comportamiento rígido - plástico ideal, por lo que no se consideran cambios volumétricos Hipótesis relativas al suelo de fundación El suelo bajo la fundación se considera como un medio semi - infinito, homogéneo e isótropo La resistencia al corte del suelo se rige por el criterio de Mohr - Coulomb τ = c + σ tg φ El estado de deformaciones es plano La falla de corte es general, en condiciones drenadas FUNDACIONES SUPERFICIALES Teorías de Capacidad de Carga Hipótesis relativas a la fundación La fundación es superficial La fundación es rígida en comparación al suelo de fundación, y su base tiene la rugosidad suficiente para no permitir deslizamientos Hipótesis relativas al suelo sobre el sello de fundación El suelo sobre el sello de fundación no aporta resistencia al corte Desde el punto de vista mecánico actúa como una sobrecarga uniformemente repartida al nivel del sello de fundación 10 10

11 FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelo de Terzaghi B Q ult/ B qs =γ γ Df I II H 45 - φ/ 45 + φ / Df III B B / III III II I II III FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelo de Terzaghi Q ult/ B qs =γ γ Df Se emplean las Cuñas de Rankine I II H 45 - φ/ 45 + φ / B B / III H = B/ tg ( 45 + φ / ) = B/ Nφ = ( 1 + sen φ ) / ( 1 sen φ ) H = (B / Nφ ) = B / 4 Nφ Nφ Zona I : Cuña que se mueve como cuerpo rígido con el cimiento hacia abajo Zona II : Deformación tangencial radial Zona III : Zona de estado plástico pasivo de Rankine 11 11

12 Q ult / B q = γ *Df I P II T Fuerza máxima en II N T N P = 1/γ H Nφ + qs H Nφ + ch Nφ P = 1/8 γ Β Νφ + qs Β/ Νφ 3/ + 8cΝφ 8 ( ) Fuerza máxima en I P = 1/γ H 1/Nφ + qs H 1/Nφ - ch * 1/ Nφ P = 1/8 γ Β + Q ult / 1/ Νφ cβ ( ) Igualando ( * ) con ( ** ) se obtiene : Q ult / B = c ( Nφ 1/ + Nφ 3/ ) + 1/ γ ( B/ )( Nφ 5/ - Nφ 1/ ) + qs Nφ Si se define : Nc = ( Nφ 1/ + Nφ 3/ ) Nγ = 1/ ( Nφ 5/ - Nφ 1/ ) Nq = Nφ Nφ = ( 1 + sen φ ) / ( 1 - senφ ) La última expresión queda como : Q ult / B = q ult = c Nc + 1/γ B Nγ + q Nq Q ult = carga o peso máximo soportado por la zapata ( ton ) B = ancho de la zapata corrida ( m ) c = cohesión del suelo ( T/m ) γ = densidad del suelo ( T/m3 ) q = sobrecarga hasta el nivel Df del sello de fundación ( T/m ) Nq, Nc, Nγ = factores de capacidad de carga 1 1

13 FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA PARA LA APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE TERZAGHI. Factores de capacidad de carga teniendo en cuenta la falla local (Peck, Hansen, Thornburn) 13 13

14 φ Nq Nc Nγ Los factores de capacidad de carga también pueden ser determinados según la solución logarítmica : Nc = ( Nq - 1 ) ctg φ a = e Νq = a / ( cos ( 45 + φ / )) Νγ = tg φ / ( Νφ / cos φ 1 ) ( 3/4 Π φ/ ) tg φ Terzaghi desarrolló su teoría para zapatas continuas y extendió los resultados a zapatas cuadradas y circulares. Zapatas cuadradas : Zapatas circulares : q ult = 1,3 cnc + qs Nq + 0,4 B γ Nγ q ult = 1,3 cnc + qs Nq + 0,3 D γ Nγ Aplicaciones de Terzaghi : Hipótesis son razonables y conservadoras Aplicable a fundaciones con bajo desplante Cualquier tipo de suelo Cualquier tipo de fundación, hasta el límite Df < B 14 14

15 De Beer ( 1967 ) y Vesic ( 1970 ) propusieron a partir de la relación general de Terzaghi los factores de forma indicados : FACTOR DE CORRECCIÓN Forma de la zapata Sc Sq Sγ Corrida ( L >>> B ) Rectangular 1 + (B/L) (Nq / Nc ) 1 + ( B/L ) tg φ 1-0,4 ( B/L ) Cuadrada o circular 1 + ( Nq / Nc ) 1 + tg φ 0,6 TERZAGHI EN CONDICIONES NO DRENADAS Caso de carga rápida en suelos finos saturados de baja permeabilidad. La resistencia al corte del suelo queda determinada por la resistencia al corte no drenada qu qu puede ser determinada en muestras inalteradas saturadas a través de ensayos de compresión no confinada o ensayos triaxiales no drenados Si φ = 0 => Nγ = 0 Nq = 1 Nc = 4 o 5,71 de donde se obtiene: q ult = qu + γ Df 15 15

16 FUNDACIONES SUPERFICIALES Métodos Empíricos CONDICIONES DRENADAS Meyerhof - Terzaghi y Peck (1948) N S σad =,( B 4pies) 8 N S B+ 1 σad =,( B> 4pies) 1 B N S σad = ;( placas ) 1 N σad = WKd ;( B 4 ).5 N B+ 1 σad = WKd ;( B 4 ) 6 B Kd= factor de Kd = 1 + D/B.0 S : asiento admisible B : ancho cimiento FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Falla por Corte Local SI EXISTE FALLA POR CORTE LOCAL SE ACONSEJA USAR c * = 3 c φ* = arctg tgφ tg φ* = tg φ 3 3 Factores N, Nq, Nc minorados EJEMPLOS DE DIFERENCIAS DE PARAMETROS. Para un suelo con φ =30 φ * = arctg ( /3 tgφ ) = 1.05 { Nγ =.6 Simplista de Terzaghi Nq =4.5 Nc =9.1 { Nγ =5.7 Según solución Nq =8.3 logarítmica Nc =

17 SKEMPTON ( 1951 ) sugirió que Nc es un valor relacionado con : Forma de la zapata Profundidad del sello de fundación y no independiente del valor B, como lo dedujo Terzaghi. Los valores de Nc según Skempton se obtienen de: Nc = 5,14 ( 1 + 0, B/L ) ( 1 + 0,053 Df/B ) de donde se obtiene : Df / B > 4,0 Para B/L = 0 ( zapata corrida ) => Nc > 7,5 Para B/L = 1 ( zapata cuadrada o circular ) => Nc > 9,0 Otros métodos de análisis : Skempton ( 1951 ), Caquot y Kerisel ( 1953 ), Meyerhof ( 1951y 1963 ), De Beer y Landanyi ( 1961y 1967 ), Hansen ( 1961 ),Vesic ( 1970 ). Ejemplos de estas teorías : MODELO DE MEYERHOF ( 1951 ) Supone que la masa involucrada en la falla se encuentra en equilibrio plástico La superficie de falla corresponde a una espiral logarítmica que compromete al suelo del sello de fundación El ángulo de la base de la cuña resulta igual a 45 + φ / Incluye factores de corrección por forma, carga inclinada y excentricidad. MODELO DE HANSEN ( 1961 ) Retuvo la formulación básica de Terzaghi Introdujo factores de corrección por forma, profundidad e inclinación del sello de fundación, inclinación del terreno y de la carga

18 FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Cargas Excéntricas FACTORES DE INCLINACION iq = 1 - H V+ cb`cotg φ ic = iq iq i γ = iq Nq-1 V = CARGA B = DIMENSION < ZAPATA FACTORES DE EMPOTRAMIENTO dc = ( B /D)+0.6/1 + 7tg 7 φ dq = dc - dc - 1 d γ =1.0 Nq tomar dq = dc si φ >5 dq = 1 si φ = 0 L y x ex B ey FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Cargas Excéntricas MEYERHOF(1953) PROPUSO LA SIGUIENTE EXPRESIÓN PARA ZAPATAS CORRIDAS, CUANDO LAS CARGAS ESTÁN INCLINADAS Y/O TIENEN UNA EXCENTRICIDAD RESPECTO AL CENTROIDE DE LA ZAPATA. e qult 1 = 1 B 90 qs Nq + 1 BN1 e B 1 α e 18 18

19 FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Cargas Excéntricas Zapatas cuadradas o Rectangulares : M = Q e σ máx = Q ( 1 + 6e /B ) /BL σ mín = Q ( 1-6e /B ) /BL Tres casos : 6e/B < 1 => Tensiones de compresión Distribución trapezoidal 6e/B = 1 => σ máx = Q / BL σ mín = 0 6e/B > 1 => Tensiones de tracción Distribución triangular σ máx = Q/BL 4B/(3(B-e)) e / r k e / r k 0,5,00 0,60 4,9 0,30,0 0,65 5,90 0,35,43 0,70 7,0 0,40,70 0,75 9,0 0,45 3,10 0,80 13,00 0,50 3,55 0,90 80,00 0,55 4, Zapatas circulares : ( r = radio zapata ) e < r / 4 => σ máx = Q/πr ( 1 + 4e/r ) σ mín = Q/πr ( 1-4e/r ) e > r / 4 => σ máx = k Q/πr k = f ( excentricidad ) σmín Q M Df σmáx FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Napa Freática NAPA FREÁTICA Si Zw < B + Df => La presencia de napa afectará la capacidad de soporte, ya que se reducen las tensiones efectivas. Caso 1 : Napa sobre el sello de fundación Zw Zw Df B B NF 1 NF NF 3 qs = γ t Zw + (( γ sat - γ w ) ( Df - Zw )) q ult = c Nc+ qs Nq + 0,5 γ b B Nγ q ult = q ult + γ w ( Df - Zw ) Caso : Napa bajo el sello de fundación Para el término 0,5 γ B Nγ se utiliza : γ eq = γ b ( B - Df ) + γ t Df B Caso 3 : Df + B < Zw La napa no influye en el soporte 19 19

20 FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Napa Freática W= d/B N q W N γ 1.0 V Df NF a 0.7 NF B d a/df d/b FUNDACIONES SUPERFICIALES Caso Interacción entre zapatas Si existen dos zapatas muy similares situadas a la misma profundidad de fundación, la capacidad de soporte disminuye a medida que se acercan, ya que se genera una sobrecarga en el área de intersección. Un ejemplo de solución: Se consideran factores de corrección en función de φ ( Harr, 1966 ), introducidos en la ecuación de capacidad de soporte en los términos Nq y Nγ. d b Zapata existente 30º 45º Nuevas zapatas b : distancia horizontal mínima entre zapatas b > ancho zapata mayor Terreno firme Terreno blando 0 0

21 FUNDACIONES SUPERFICIALES Asentamientos Las deformaciones de un sistema de fundación se agrupan en tres grupos : Asentamiento Desplazamiento vertical de una fundación Asentamiento Diferencial Desplazamiento de un punto respecto o diferencia de asientos entre ellas. h Distorsión Angular Diferencia de asentamiento entre dos puntos de la zapata, dividido por la distancia entre ellas. d h FUNDACIONES SUPERFICIALES Asentamientos Pueden distinguirse tres tipos de asientos : Asentamientos inmediatos Asentamientos por consolidación Los producidos por la aplicación inmediata de la carga; propio de arenas compactas y arcillas sometidas a cargas rápidas ( UU ) h = h inst. Deformación volumétrica producida en el tiempo, propia de arcillas saturadas Asentamientos por Fluencia Lenta Consolidación Secundaria: Reacomodo de las partículas del suelo, sin variación de presiones efectivas, en suelos cohesivos. En este caso, el asiento es: h = h u + h cons. + h fl. 1 1

22 Derivados de la Teoría de Consolidación Unidimensional Aplicación de Trayectorias de Tensiones a muestras representativas Asimilar el terreno a un material elástico Ecuaciones constitutivas aplicadas a elementos matemáticos o finitos Métodos empíricos a través de ensayos in situ FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Elásticos A. SEMIESPACIO ELÁSTICO ( E, µ ) Carga Aislada S = q ( 1 - u ) / Eρ q Círculo cargado uniformemente So = q r ( 1 - u ) / E Sr = / π So Sm = 0,85 So r q Rectángulo cargado uniformemente Se = K q B ( 1 - u ) / E So = Se B L B. CONSOLIDACION Valor exacto si el espesor de la capa compresible es pequeño comparado al área cargada. h = Cc H log ( σv + σv ) 1 + eo σv

23 FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Elásticos SEMIESPACIO ELÁSTICO ( E, µ ) Factor de forma K, función de B/L N k N k n k n K Si el terreno elástico es de profundidad infinita, el asiento superficial puede expresarse: ρ = qs R K E ρ : asentamiento R : radio área cargada Haz click aquí para Ir a valores del coeficiente de influencia (Lambe y Whitman) FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Elásticos VALORES DEL MÓDULO DE DEFORMACIÓN EN CONDICIONES NO DRENADAS ( Ortigosa, 1996 ) TIPO DE SUELO Eu ( kg/cm") Arcilla muy blanda 15 Arcilla blanda Arcilla de consistencia media Arcilla dura VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE POISSON TIPO DE SUELO µ Arcilla saturada 0,45-0,50* Arcilla arenosa no saturada 0,30-0,40 Arena φ = 40 0, Arena φ = 30 0,35 ( * ) Valor teórico en caso de saturación 3 3

24 FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Empíricos A. PLACA DE CARGA Permite determinar E en arenas y arcillas duras y Eu en arcillas blandas ( prueba sin drenaje ) S = So ( B / Bo ) En arcillas medias,limos y arenas sueltas B En arenas y suelos granulares S= So ( B + Bo ) S = asiento de la estructura B = ancho de la fundación So = asiento de la placa Bo = ancho de la placa B. PENETRÓMETRO DINÁMICO : SPT, CPT ( Suelos granulares - arenas ) σ adm = N * S (pulg) / 8 ( kg/cm ) B < 1,0 m σ adm = N * S / 1 (( B + 0,3 ) / B ) ( kg/cm ) B > 1,0 m FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Empíricos Asentamientos de zapatas deducidos de la penetración estándar N (Terzaghi y Peck, 1948) 4 4

25 FUNDACIONES SUPERFICIALES Modelos Empíricos CONSTANTE DE BALASTO ( K ) Es la razón entre la tensión de trabajo a nivel del sello de fundación ( q ) y el asentamiento medio producido por dicha tensión ( ρ ) La constante de balasto es proporcional a E: K = q / ρ ( kg / cm cm ) K = E ( 1 - u ) B Iρ K integra el hecho de que : - E no es constante con la profundidad - El asentamiento depende de la geometría de la zapata - Permite modelar al suelo como medio elástico - Permite modelar el comportamiento diferido en el tiempo del suelo. CAPACIDAD DE CARGA DINÁMICA σ adm d = q d = 1,3 * σ adm ASENTAMIENTO PARA CARGAS DINÁMICAS ( Sd ) Sd=( B *qd* K * ( 1- µ )) / Eo Sd = asentamiento dinámico qd = presión de contacto dinámica B = ancho de fundación ( lado menor ) D = profundidad de fundación K = factor de forma según tabla Eo = - 3 E 5 5

26 MÓDULO DE BALASTO PARA CARGAS DINÁMICAS Se refiere a la constante de balasto ( K ) para el modo de deformación por asentamientos verticales de las fundaciones en el caso dinámico ( Válido para vigas sobre fundaciones elásticas) Si K = q / Si Kd = qd / Sd para cargas permanentes con Si = 0,0 B q K / ( D + B ) Para cargas dinámicas Kd = -3K Constante de balasto al giro = K 6 6

27 Valores de Parámetros para la Aplicación de la Nch 433 Coeficiente I Categoría del edificio I A 1. B 1. C 1.0 D 1.6 Aceleración efectiva Ao Zona sísimica Ao 1 0,0 g 0,30 g 3 0,40 g 7 7

28 Valor de parámetros que dependen del tipo de suelo según Nch 433 Tipo To T c n p de suelo (segundo) (segundo) I II III IV Empujes sísmicos geostáticos σs = Cr γ H Ao/g σs : Presión sísmica sobre muros, uniformemente repartida H : Altura del muro γ : Densidad natural Ao : Aceleración máxima efectiva Cr : Coeficiente 0,45 para suelos duros, densos 0,58 para suelos de rellenos sueltos 0,70 para suelos blandos FUNDACIONES SUPERFICIALES Capacidad de Soporte Terreno de Cimentación Arenas Arcillas Limitación por presión Limitación por asiento q ult. Rotura local Rotura gral. q ult. Rotura local c = 0 Rotura gral. φ = 0 q ult. = f ( Nspt, placa de carga ) Corto Plazo c = cu φ = 0 Largo Plazo c = c' φ = φ ' q adm = q ult./ FS q ult = c Nc + Df γ q ult = 1/ γbnγ + cnc+qnq q adm = q ult / FS (sin carga neta ) q adm = cnc / FS + γ Df ( con carga neta ) q adm = q ult / FS 8 8

29 FUNDACIONES SUPERFICIALES Resumen Proceso Geotécnico en edificación Antecedentes e información previa Reconocimiento geotécnico Pruebas y ensayos Tipo de edificio, cargas, etc. Tipo de terreno Terreno granular ( arenas, gravas ) Roca aflorante a pequeña prof. Terreno cohesivo ( arcillas ) Baja Influencia del NF sobre la const. Deformabilidad Tolerancias del edificio Media Amplias Cimentación directa (zapatas,losas ) Alta Estrictas Optimización de excavaciones Alta Baja Media Problemas de interacción con edif.adyacentes Resistencia Media Deformabilidad Si No Positivo Análisis según tipo de edificio Negativo Cimentación profunda ( pilotes ) Baja Alta Estudio Geotécnico FUNDACIONES SUPERFICIALES Solución a una Fundación Antecedentes Normativa Condicionantes Tecnología Geología Correlaciones Reconocimientos Ensayos Informe Geotécnico Parámetros geotécnicos Hidrogeología Coeficientes de seguridad Modelos de comportamiento Implantación Definición de la cimentación Proyecto Ejecución Sistema de estructuramiento del terreno Tipología Problemas constructivos Interacción con el entorno Control del comportamiento Acumulación de experiencia Resultado Mejora del proyecto 9 9

30 Coeficientes de influencia para el asentamiento, bajo una carga uniformemente repartida sobre una superficie circular, según Terzaghi, 1943) 30 30