MODELOS DE COMPORTAMIENTO DEL SUELO Y MÉTODOS DE DISEÑO DE CIMENTACIONES

Transcripción

1 MODELOS DE COMPORTAMIENTO DEL SUELO Y MÉTODOS DE DISEÑO DE CIMENTACIONES Ingeniería Geotécnica Prof.: Wilfredo Gutiérrez Lázares

2 Esfuerzo Corte (kg/cm 2 ) UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Deformación Tangencial vs. Esfuerzo de Corte N N ζ Deformación Tangencial (cm)

3 Esfuerzo Corte (kg/cm 2 ) Esfuerzo de Corte (kg/cm 2 ) Deformación Tangencial vs. Esfuerzo de Corte UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Gráficos Esfuerzo Normal vs. Esfuerzo de Corte Máximo Φ = 27.2º Deformación Tangencial (cm) c = 0.06 kg/cm Esfuerzo Normal (kg/cm 2 ) Resultados: Cohesión : c = 0.06 kg/cm 2 Angulo de fricción : Φ = 27.2º

4 Concepción General de la Modelación PROBLEMA REAL MODELO DE LAS CARGAS MODELO DEL MATERIAL METODOS DE DISEÑO Y SEGURIDAD SOLUCION DEL MODELO DEL PEROBLEMA REAL MODELO DE LA ESTRUCTURA

5 Modelos Empleados Para el Terreno Semi Espacio Para las Cargas Distribución estadística, según la t de student. Estrato de potencia limitada Y 1 Y 1K Y 1 *

6 1. Cimentaciones. 2. Clasificación y usos. COMPONENTES 3. Modelos de comportamiento del suelo. 4. Métodos de diseño y seguridad empleados. 5. Requisitos para el diseño. 6. Propiedades físico mecánicas empleadas. 7. Combinaciones de cargas. 8. Agua subterránea. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

7 Temas Principales Modelos de Comportamiento del Suelo Métodos de Diseño. Diseño por Estados Límites Introducción al cálculo de Asentamientos No Lineales

8 Esfuerzo Corte (kg/cm 2 ) UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Modelos de Comportamiento del Suelo N Esfuerzo Corte (kg/cm 2 ) Deformación Tangencial (cm) Deformación Tangencial (cm) N Esfuerzo Corte (kg/cm 2 ) ζ Deformación Tangencial (cm)

9 Modelos de Comportamiento del Suelo N Carga Q N ζ Asentamiento o deformación

10 Modelos de Comportamiento del Suelo Carga Q A D B C Asentamiento o deformación

11 Modelos de Comportamiento del Suelo CURVA DE ESFUERZO DEFORMACIÓN q elást R q br σ(esfuerzo) Zona Elástica Zona de Linealidad Falla S(deformación)

12 Modelos de Comportamiento del Suelo CURVA DE ESFUERZO DEFORMACIÓN q elást σ(esfuerzo) Zona Elástica Usado muy poco; el q elast o resistencia estructural del suelo (valores muy pequeños de esfuerzos) S(deformación)

13 Modelos de Comportamiento del Suelo CURVA DE ESFUERZO DEFORMACIÓN R σ(esfuerzo) Zona de Linealidad Participa en comportamientos con mayores esfuerzos. USADO EN GEOTECNIA S(deformación)

14 Modelos de Comportamiento del Suelo CURVA DE ESFUERZO DEFORMACIÓN q br σ(esfuerzo) Se modela como haber alcanzado la falla del suelo. USADO EN GEOTECNIA Falla S(deformación)

15 Modelos de Comportamiento del Suelo CURVA DE ESFUERZO DEFORMACIÓN q elást R q br σ(esfuerzo) Comportamiento Lineal Zona de Linealidad Comportamiento Plástico Falla S(deformación) Los suelos no tienen comportamiento totalmente lineal ni plástico; sin embargo los problemas en ingeniería se resuelven con el uso de estos modelos clásicos

16 Modelos del Material Comportamiento real del Suelo Lineales Plásticos Elasto Plásticos No Lineales Reológicos

17 Características del Modelo Lineal 1. Relación lineal entre tensión y deformación σ(esfuerzo) Δσ Módulo de Deformación de Young E = Δσ / Δε Δε ε (deformación)

18 Características del Modelo Lineal 2. Estado deformacional del suelo lejos de la falla ζ UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Envolvente de Falla σ 3 σ 1 σ

19 Características del Modelo Lineal 3. Se cumple el principio de superposición de efectos CM + CV + CS 4. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y las unitarias ε CM + ε CV + ε CS

20 Aplicación: Características del Modelo Lineal 1. Tensiones por cargas impuestas. 2. Asentamientos en el suelo de cimentación. 3. Empujes de Reposo de los suelos.

21 Características del Modelo Plástico 1. No se puede definir una relación determinada entre tensión y deformación σ(esfuerzo) UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA ε (deformación)

22 Características del Modelo Plástico 2. Estado tensional en inminente falla ζ Envolvente de Falla σ 3 σ 1 3. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y las unitarias σ

23 Características del Modelo Plástico Aplicación: 1. Análisis de estabilidad de Taludes. 2. Análisis de la capacidad de carga de las cimentaciones superficiales y profundas. 3. Determinación de Empujes Activo y Pasivo.

24 Resumen de los Modelos Lineales Relación lineal entre tensión y deformación Estado deformacional del suelo lejos de la falla Cumplimiento de las ecuaciones de compatibilidad Existe un estado de equilibrio Plásticos No se puede definir una relación determinada entre tensión y deformación Estado de inminente falla Se trabaja sobre una superficie de falla Pero el comportamiento del suelo es mucho más complejo

25 MODELO CARACTERÍSTICAS USOS Lineal Relación Esf vs Def, lineal. Tensión lejos de la falla Superposición de efectos Compatibilidad entre deformaciones totales y unitarias Tensiones por cargas impuestas Cálculo de asentamientos Cálculo de empujes en reposo Plástico No existe relación entre Esf vs Def, tensión en falla No hay compatibilidad entre deformaciones totales y unitarias Análisis de estabilidad de taludes. Capacidad de cargas de cimentaciones Empujes activo y pasivo Reológico Elasto - plástico Elasto - plástico (con endurecimiento por deformación) Rígido plástico Deformación a lo largo del tiempo Presenta los dos comportamientos Rigidización del suelo (existen tratados)

26 Temas Principales Modelos de Comportamiento del Suelo Métodos de Diseño. Diseño por Estados Límites Introducción al cálculo de Asentamientos No Lineales

27 MÉTODOS DE DISEÑO Y SEGURIDAD Esfuerzos Admisibles Factor de Seguridad Global Estados Límites Teoría de seguridad

28 Tendencias Mundiales en el Diseño Geotécnico Esfuerzos Admisibles Métodos de Diseño Factor de Seguridad Global Estados Límites

29 METODO: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA DE LOS ESFUERZOS ADMISIBLES Y 1 Y 2Adm Y 1 : Función de las tensiones actuantes normativas Y 2 : Esfuerzo admisible del material * EN EL DISEÑO DEL AREA DE LA CIMENTACIONES P R s P : Tensión actuante normativa en la cimentación R s : Resistencia del suelo

30 MÉTODO: FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL Y 1 Y 2 / k Y 1 : Función de las tensiones actuantes normativas Y 2 : Función de las tensiones resistentes normativas k : Factor de seguridad global * En el diseño del área de la base de las cimentaciones q act (q br - q ) / k + q

31 Temas Principales Modelos de Comportamiento del Suelo Métodos de Diseño. Diseño por Estados Límites Introducción al cálculo de Asentamientos No Lineales

32 Trabajos a Nivel Mundial (al 2000) 1) Revisar la aplicación de los estados límites en el diseño geotécnico en todas las Sociedades Nacionales del ISSMGE. 2) Identificar los problemas experimentados por las Sociedades Nacionales con la introducción y uso de los Estados Límites en el diseño geotécnico. 3) Comparar la aproximación entre los Diseños, los Factores Parciales y la selección de valores de diseño empleados en varios países y códigos; con vistas a identificar diferencias y explorar las posibilidades de unificación entre ellos.

33 MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES Resistencia y Estabilidad: 1er. Estado Límite Servicio y Deformación: 2do. Estado Límite 1 o Estado límite Y 1 * Y 2 * / S Y * 1 : Función de las cargas actuantes de cálculo Y * 2 : Función de las cargas resistentes de cálculo S : Coeficiente de seguridad adicional Y 1 * f (Y 2 / g )*(1/ S ) K = f * g * S

34 DISTRIBUCION ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y 1 Y 1 * : Función de las cargas actuantes de cálculo Y 1 Y 1 K Y 1 * DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y 2 Y 2 * : Función de las cargas resistentes de cálculo Y 2 * Y 2 K Y 2

35 Enfoque de los Estados Unidos. Y 1 * Y 2 = 0.5 ~ 0.8 Y 2 Y 2 Y 1 * : Función de las cargas actuantes de cálculo Y 2 : Función de las cargas resistentes nominales : Coefiente de reducción de la capacidad resistente

36 Países que emplean el Método de los Estados Límites Unión Soviética (Rusia) 1962 Dinamarca 1965 Estados Unidos 1980 Canadá 1982 Cuba 1990 Australia 1997 Eurocódigo 2000 Perú (en proyectos no en norma) 2001

37 MÉTODO ECUACIÓN OBSERVACIONES Esta implícita la linealidad Perú emplea P < R's Tensiones Desechado; no mide con exactitud la Y1 < Y2 adm admisibles seguridad El modelo se aleja de lo real Distan de ser óptimos y racionales Factor de Seguridad Global Estados Límites Y1 < Y2 / k Y1* < Y2* / Ys Esta implícito el comportamiento plástico k = ; (k = 3) Un único k que evalua todas las inexactitudes Con k fuerte, cae en el campo linea Modela mejor las cargas del suelo 1erEL: Estabilidad de la estructura 2doEL: Estimación de los asentamientos

38 Determinación de los Coeficientes de Seguridad Métodos basados en la Experiencia Práctica Meyerhof Brinch Hansen Métodos basados en la Matemática - Estadística EXACTA Ermolaev Teoría de Seguridad Métodos basados en la Matemática - Estadística INGENIERIL Cuba

39 TEORÍA DE SEGURIDAD : H H n H n : Nivel de seguridad requerido H : Nivel de seguridad alcanzado Distribución de Frecuencia Y1=f(Y1,Vy1, y1) Y2=f(Y2,Vy2, y2) K Carga/Resistencia

40 H= F(x) F(x) : Función de Laplace v y 1,2 : Coeficientes de variación de Y 1 e Y 2 y y k k x n n = dz z 2 1 ) x ( F X 0 e = p Y y y 2, 1 2, 1 2, 1 n = UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

41 DETERMINACION DEL NIVEL DE SEGURIDAD REQUERIDO H n A partir de la curva H vs K

42 Principios Fundamentales a cumplir para una cimentación. Tener la profundidad adecuada para impedir daños por levantamientos, socavaciones, o por futuras construcciones. Seguras contra las fallas por capacidad de carga de base de la cimentación. No asentarse de forma tal que dañe la utilización del la estructura Para esto deben tenerse presente los siguientes aspectos.

43 Requerimientos de Diseño 1. Diseño por Estabilidad 2. Chequeo del Vuelco 3. Chequeo por Deslizamiento 4. Comportamiento Lineal del Suelo 5. Cálculo de las Deformaciones de las base 6. Diseño Estructural del cimiento. Factores que influyen 1. Tipo de Suelo y Estratigrafía 2. Magnitud de las Cargas 3. Excentricidad de las Cargas 4. Profundidad de Cimentación 5. Forma de la base de la Cimentación 6. Inclinación del Terreno. 7. Profundidad en el estrato resistente.

44 Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base. Investigaciones geotécnicas, en función de: Etapa de proyecto. Tipo de obra. Importancia de la obra. Complejidad geotécnica. Resultado obtenidos de las Investigaciones Los elementos litológicos existentes, sus condiciones de yacencia, plegamientos, fallas, profundidad y potencia de los estratos. Agrietamiento y grado de descomposición de las rocas. Profundidad de las aguas subterráneas indicando su variación, composición química y agresividad frente al hormigón y al acero.

45 Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base. Sismicidad del área. Fenómenos cársicos, deslizamientos y pantanos. Propiedades físico-mecánicas del suelo de cimentación. Trabajos hidrogeológicos. Propiedades físico mecánicas de las rocas Trabajos geofísicos. Columnas litológicas. Condiciones de trabajo de la base de la cimentación. Posible profundidad de cimentación. Metodologías de las investigaciones según Normas. Resistencia (Rs ) para trabajo favorables y fallo leve.

46 Metodología para la determinación de los parámetros físico y mecánicos de los suelos y rocas. Empleo de metodologías, según las normas vigentes. Ensayos de Penetración (estática o dinámica) y Métodos Geofísicos: En obras de fallo leve Lugares de complejidad geotécnica favorables a normales Condiciones en que no sea posible el muestreo inalterado

47 Combinaciones de cargas para el diseño de las bases Diseño por estabilidad, 1 er Estado Límite: Cargas de cálculo.- determinadas a partir de sus valores característicos, aplicándole los coeficientes de carga f. Diseño por deformación, 2 do Estado Límite: Valores característicos de las cargas.

48 Combinaciones de cargas para el diseño de las bases Notas: El diseño por estabilidad se realiza considerando, las combinaciones de cargas permanentes y temporales de larga y corta duración. En cargas temporales especiales (viento extremo, sismos, explosiones, etc.) se utilizarán: combinaciones con las cargas permanentes, las temporales de larga duración, las cargas temporales de corta duración que físicamente pueden actuar en conjunto con las cargas temporales especiales y una de las cargas temporales especiales. En el diseño por deformación se considerarán las combinaciones de cargas con las cargas permanentes y las cargas temporales de larga duración. En casos de suelos de consolidación rápida, debe incluirse la combinación de carga anterior, las cargas temporales de corta duración que puedan provocar deformaciones remanentes en los suelos. En el caso de construcciones de gran altura (edificios tipo torre, chimeneas, etc.), es necesario tomar en cuenta el efecto del viento no extremo y extremo.

49 Recomendaciones en presencia de Aguas Subterráneas Aspectos a considerar para evaluar la influencia de las aguas subterráneas en el diseño: 1. Presencia o posible aparición de agua capilar. 2. Variación natural o artificial del nivel, durante el año. 3. Agresividad de las aguas, a los materiales de construcción. 4. Prever la utilización de materiales especiales en los cimientos. 5. Evaluar posibles derrumbes, e el proceso constructivo. 6. Evaluar el efecto de la subpresión.