CARLOS PEÑA LÓPEZ

Transcripción

1 CARLOS PEÑA LÓPEZ El material que a continuación se presenta ha sido desarrollado con el único fin de apoyar la labor de Ingenieros Estructurales que cuenten con sólidos conocimientos en el tema del diseño estructural sismoresistente de acuerdo con la normativa nacional vigente y al estado del arte actual de la profesión. Queda prohibida la reproducción parcial o total del material que a continuación se presenta sin la aprobación formal de P&M Structural / Seismic Engineering. PARTE 1

2 CONCEPTOS BASICOS DE MECANICA DE SUELOS Entre los valores básicos que caracterizan los Suelos de Fundación desde el punto de vista que el diseño estructural requiere, se encuentran los siguientes: - Capacidad Soportante del Suelo o Tensión de contacto admisible. - Coeficiente de balasto vertical y/o horizontal. - Angulo de fricción interna y cohesión. - Clasificación sísmica de acuerdo con NCh2369 y/o NCh433. Valores para diseño y linealidad Es muy importante entender que las propiedades que se utilizan para el diseño estructural no necesariamente corresponden a aquellas medidas en ensayos de laboratorio o «in situ» que puedan considerarse representativas. Al igual que en la gran mayoría de los valores que se utilizan en diseño estructural es necesario conocer la posible variabilidad de las propiedades y utilizar valores suficientemente conservadores para cada caso, de forma de no incurrir en riesgos que no sean estrictamente necesarios. En todos los casos, debe considerarse que si bien para variaciones pequeñas toda propiedad resulta linealizable, el suelo es un material intrínsecamente no lineal e inelástico.

3 Módulo de corte G En líneas generales el módulo de corte G es el valor que mejor caracteriza a un tipo de suelo desde el punto de vista de su rigidez, ya que es principalmente con este dato con el que se evalúan todas las características mecánicas de un suelo que son requeridas para los diseños. El problema se presenta al reconocer la variabilidad de este valor, ya que depende directamente del nivel de deformaciones con que se trabaje. Así, el G max o G 0 corresponde a un nivel de deformación de corte casi nulo, y el G min corresponde a deformaciones muy grandes. Cuando se evalúan deformaciones estáticas, o incluso asentamientos diferidos en el tiempo, tiende a utilizarse un valor intermedio de G, del orden de 0.5 G 0. Pero cuando se evalúa comportamiento vibratorio, el objetivo mismo del diseño es que las amplitudes de deformación sean lo más pequeñas posibles, de manera que el valor adecuado de G para este tipo de cálculo es un valor cercano al G 0, preferentemente no menor que 0.7 G 0. VALORES REFERENCIALES DE G PARA BAJAS DEFORMACIONES

4 Amortiguamiento D Es importante precisar que el amortiguamiento total del sistema fundación-suelo se compone de dos valores que tienen diferentes orígenes. Amortiguamiento geométrico: Es el que depende de la forma de la fundación principalmente. Se estima a través de la ecuaciones típicas. Amortiguamiento inherente: Es un valor tradicionalmente definido por la mecánica de suelos. Se relaciona con las características propias del suelo y es independiente de las solicitaciones o forma de la fundación. El amortiguamiento total es la suma de estos dos valores. En general, el amortiguamiento geométrico resulta muy superior al amortiguamiento inherente, más aún cuando se corrige por efectos de enterramiento. Por esta razón y por lo complejo que resulta en ocasiones obtener este valor, es que en la práctica suele despreciarse el amortiguamiento inherente. Al igual que en el caso de G, el amortiguamiento depende fuertemente del nivel de deformaciones de corte, debido a la alta inelasticidad del suelo. VALORES REFERENCIALES DE AMORTIGUAMIENTO INHERENTE

5 Niveles de deformación γ Variación de G y D en función de γ max

6 FORMA GENERICA DE CURVAS DE VARIACION DE MODULO DE CORTE Y AMORTIGUAMIENTO INHERENTE

7 CURVAS DE VARIACION DE MODULO DE CORTE PARA ARENAS EN FUNCION DE LA PRESION DE CONFINAMIENTO Angulo de fricción interna φ

8 CAPACIDAD DE SOPORTE Resistencia y rigidez Existen varias teorías y criterios bastante acabados para definir la capacidad de soporte de los suelos desde el punto de vista de la resistencia o falla por rompimiento del material. En la mayoría de los casos los valores obtenidos de esta forma resultan bastante elevados en comparación a aquellos que usualmente pueden encontrarse en los Informes de Mecánica de Suelos de cada proyecto en específico. Lo anterior obedece a que como en todo elemento estructural el suelo cuenta con una resistencia y una rigidez definidas que limitan las cargas que pueden tolerarse de buena forma. Desde el punto de vista de la rigidez, se ha definido que el máximo asentamiento tolerable de un sello de fundación corresponde a 1inch (25.4mm), lo que para el caso de suelos resistentes limita fuertemente el valor máximo de las tensiones de contacto a nivel de trabajo. Es importante entender que este asentamiento «admisible» corresponde a un total plástico de largo plazo (deformaciones diferidas en el tiempo) y no a una deformación elástica instantánea. q adm q = min resistencia rigidez q " = q 1 δ ( = 1" ) ult FS

9 Falla general por corte En suelos densos, cuando la carga solicitante alcanza el valor q u tiene lugar una falla repentina en el suelo que soporta a la fundación y la zona de falla en el suelo se extiende hasta la superficie del terreno. Falla local por corte Si el suelo se encuentra sólo medianamente compactado. Cuando la carga alcanza el valor q u(1) (carga de primera falla) se producen sacudidas repentinas. Se requiere un asentamiento considerable a partir de este punto para que la zona de falla se extienda desde el borde de la fundación hasta la superficie del terreno alcanzando el valor q u.

10 Falla de corte por punzonamiento Si el suelo se encuentra suelto. La zona de falla no se extenderá hasta la superficie del terreno. En este caso, una vez alcanzado q u, el asentamiento aumenta sin un incremento considerable de resistencia. Tipo de falla probable

11 Idealización del equilibrio límite Zona I Zona II Zona III Equilibrio elástico Estado de corte radial Estado pasivo de Rankine

12 Capacidad resistente

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15 Para la evaluación de fallas locales es necesario corregir tanto el valor de la cohesión como el ángulo de fricción interna de diseño. Suelos no Cohesivos o puramente Cohesivos

16 Efecto del agua

17 q Factor de seguridad adm qult = FS q ult, Capacidad bruta de rotura del suelo. q adm, Tensión admisible de contacto con el suelo. q, Carga vertical «original» a nivel del sello de fundación (en campo libre). En general q = γ D f. q adm neto, Tensión admisible por sobre el valor de «q». FS, Factor de seguridad. En ambos casos debe ser al menos 3. q adm neto qult q = FS En fundaciones superficiales (D f pequeño) la ganancia por efecto de enterramiento (q, qn q ) no resulta relevante para el diseño. Sin embargo, al aumentar el enterramiento las diferencias comienzan a ser notorias. El uso de un q adm definido de manera independiente de la profundidad y evaluado a niveles de enterramiento mínimo causa que en algunos casos para sellos de fundación considerables el suelo no se «autosoporte» ( γd f > q adm ), y consecuentemente no es posible disponer de una capacidad de contacto razonable. Efecto Sísmico

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19 Capacidad a partir de SPT El ensayo in situ más comúnmente utilizado en Chile (y en gran parte del mundo) para medir las propiedades mecánicas del terreno es el SPT (Ensayo de Penetración Estándar). Básicamente se trata de la hinca de un tubo a través de golpes de un martinete de cada libre. Se registra el número de golpes que se requiere para penetrar 15cm en una capa de suelo dada. En general, el valor medido en terreno «N» requiere ser corregido o normalizado a un valor «(N 1 ) 60» de referencia. A continuación se presentan los factores de corrección más comunes para el ensayo. C N, corrección por confinamiento. C E, corrección por energía. C B, corrección por diámetro. C S, corrección por presencia de liner. En Chile es usual: C B 1.0 C E C B C S 1.0 N 60 N ( N1) = CN N60 60 P a = 1 kg/cm 2 σ vo, presión vertical efectiva

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21 Capacidad admisible en arenas Las curvas presentadas corresponden a la relación entre la capacidad de soporte admisible para fundaciones poco profundas en arenas y el ensayo SPT corregido (N 1 ). Notar las limitaciones impuestas por el criterio de asentamiento máximo. Tensiones admisibles En la páginas siguientes se recopilan algunas tablas que entregan valores usuales para las tensiones admisibles de distintos tipos de suelos de acuerdo a una clasificación cualitativa de los mismos. Si bien estos valores pueden diferir con los resultados de Informes de Mecánica de Suelos para proyectos específicos, constituyen valores de referencia suficientemente robustos para casos en que no se cuente con mayores detalles.

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23 FUNDACIONES SUPERFICIALES

24 Resistencia y deformación Cuando se requiere modelar la rigidez elástica de un suelo con la finalidad de evaluar esfuerzos inducidos en las fundaciones o estructuras bajo cargas de trabajo (interacción suelo-estructura), es necesario utilizar un Coeficiente de Balasto o Módulo de Winkler representativo de una respuesta consistente con este fin. Consecuentemente, para este propósito en particular, no resulta correcto utilizar un valor de la rigidez del suelo que ha sido determinado con la intensión de controlar y limitar los asentamientos máximos esperados en el largo plazo. En específico, un valor de este tipo puede resultar muy bajo para los fines perseguidos. Ha partir de trabajos de Terzaghi y otros (en diferentes épocas), se ha generado una tabla que relaciona la Tensión Admisible del suelo con el Módulo de Balasto a usar en superficies considerables con el fin de modelar la interacción suelo-estructura. La siguiente tabla se ha extraído de la Tesis de Maestría de Nelson Morrison «Interacción Suelo-Estructuras: Semi-espacio de Winkler», Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona-España, 1993.

25 Direcciones de Solicitación En la página siguiente se presenta una figura que muestra los 6 tipos de movimientos de cuerpo rígido que puede experimentar una fundación. Cada uno de estos movimientos ejerce una acción clara y definida sobre el sello de fundación (superficie de apoyo máxima sobre el suelo). - Traslación en X e Y Deslizamiento horizontal - Traslación en Z Compresión-Tracción directa - Giro en torno a X e Y Momento flexural - Giro en torno a Z Deslizamiento torsional De estos movimientos, es usual asumir que los deslizamientos horizontales y torsional se encuentran impedidos por el confinamiento que produce el suelo que rodea a la fundación, efecto que aumenta con el enterramiento. Por el contrario, los momentos flexurales y la compresión directa originan tensiones de compresión sobre el sello de fundación, por lo que resulta importante estudiar su efecto conjunto a fin de garantizar no sobrepasar el valor máximo aceptable.

26 Fundaciones Biaxiales La obtención de la tensión máxima de contacto bajo una fundación rectangular rígida y apoyada sobre un medio elástico resulta trivial en el caso en que las cuatro esquinas se encuentren apoyadas.,500 Debido a que el sello de fundación no acepta tensiones netas de tracción, la determinación tanto del área apoyada como de la tensión máxima de contacto para condiciones de levantamiento parcial conduce a un problema laborioso. La figura siguiente indica el número de esquinas apoyadas de una fundación rectangular de acuerdo con la región en que se ubique la compresión resultante. Notar la simetría en octantes en relación a las excentricidades normalizadas.,400,300,200,100,000 -,500 -,400 -,300 -,200 -,100,000,100,200,300,400,500 -,100 -,200 -,300 -,400 -,500

27 La curva que separa la zona 2 de la 3 es la siguiente. a = [0 a 1] b y c, son las distancias normalizadas (de acuerdo a los lados de la fundación) entre la curva y los ejes. Debido a que b y c son «intercambiables» entre sí, y además pueden ser positivas o negativas, la relación presentada entrega las 8 curvas que completan el gráfico. Una ves definida la ubicación de la resultante de compresiones y establecida la condición de levantamiento parcial. Lo que sigue es definir una constitutiva (relación tensión-deformación) para el suelo. Lo más común es que esta relación sea lineal. Sin embargo la existencia de solución del problema no se encuentra condicionada a este hecho. Al considerar la forma del área apoyada que resulte (plano xy) y la magnitud de la tensión en cada punto (dirección z), podemos visualizar como se forma un sólido de tres dimensiones bajo la fundación. Las condiciones de equilibrio del sistema son entonces: El volumen del sólido (área x tensión = fuerza) debe ser coincidente con el valor de la compresión solicitante, y la ubicación del centro de gravedad del sólido debe estar en la misma vertical que la compresión solicitante (considerando la doble excentricidad). La solución numérica de la condición anterior resulta laboriosa. Sin embargo existen algunos desarrollos que simplifican el problema o que entregan soluciones aproximadas a partir de ábacos. A continuación se presentan las soluciones más utilizadas en la práctica.

28 SOLUCION PARA LOS 4 CASOS POR MEDIO DE ABACOS

29 SOLUCION DE IRLES 3 ESQUINAS LEVANTADAS SOLUCION DE IRLES 2 ESQUINAS LEVANTADAS

30 SOLUCION DE IRLES 1 ESQUINAS LEVANTADA Resolver (Pol. Grado 9) Luego de descartar las soluciones no posibles, probar las restantes calculando u(v), α(v), β(v), y confirmar la condición inicial.

31 SOLUCION DE WILSON 3 ESQUINAS APOYADAS

32 SOLUCION DE WILSON 2 ESQUINAS APOYADAS

33 SOLUCION DE WILSON 1 ESQUINA APOYADA SOLUCION PARA DIFERENTES DISTRIBUCIONES DE PRESION

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37 REFERENCIAS - Foundation Analysis and Design, Bowles. - Geotechnical Engineering - Principles and Practices of Soil Mechanics And Foundation Engineering, V.N.S. Murthy. - Manual de Carreteras 2013, Vol. N 3, Dirección de Vialidad MOP. - Explicit Stresses under Rectangular Footings, R. Irles and F. Irles. - Bearing Pressures for Rectangular Footings with Biaxial Uplift, Kenneth E. Wilson. - Ingeniería de Cimentaciones, Peck, Hanson y Thornburn. - Presiones en zapatas rígidas de forma arbitraria sometidas a carga axial excéntrica, J. A. Rodríguez-Gutiérrez y J. Darío Aristizabal-Ochoa. - Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das. TEMAS PENDIENTES - Clasificación de Suelos. - Fundaciones profundas. - Asentamientos instantáneos y diferidos. - Distribución de presiones en profundidad. - Estabilidad de Taludes. - Muros anclados. - Sostenimiento de excavaciones.

38 MUCHAS GRACIAS!!! CARLOS PEÑA LÓPEZ