CURSO DE CAPACITACIÓN GGU. Ultima revisión: Junio Civilserve GmbH, BS

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1 CURSO DE CAPACITACIÓN GGU GGU-SETTLE Ultima revisión: Junio 2008 Copyright: Civilserve GmbH Capacitación y Ventas: M.Sc. Ing. Mariano Saucedo Civilserve GmbH, BS

2 1. Introducción El curso de capacitación contiene las bases teóricas para el uso del programa y un ejemplo de aplicación para el aprendizaje del mismo. Al finalizar el curso el estudiante será capaz de modelar distintos tipos de fundaciones y realizar el cálculo de asentamientos, ver la distribución de tensiones en el suelo y calcular la influencia de fundaciones vecinas en el asentamiento. El curso de capacitación está pensado para catedráticos e ingenieros con conocimientos sólidos en la materia de Geotecnia, y por lo tanto los fundamentos básicos de la teoría de suelos no se analizarán en este documento. El uso del programa se mostrará mediante un ejemplo de cálculo específico, por lo que es posible que no se toquen todos los detalles del programa. El estudiante puede estudiar con mayor profundidad los detalles del programa en el Manual de Uso respectivo. Los fundamentos teóricos se mencionan brevemente, por lo que se recomienda que el estudiante esté familiarizado con la bibliografía recomendada. De igual forma, el estudiante podrá acceder en la página Web a más información sobre el programa, descargar los manuales de uso y videos tutoriales. Más informaciones: support@ggu-software.com 2. Fundamentos teóricos 2.1. Estado límite de acuerdo a la DIN 1054: [3] El estudio de asentamientos y serviciabilidad se realiza de acuerdo a la DIN 1054 en el estado límite GZ - 2. La DIN 1054 propone además los siguientes estados límites: Estado límite de la pérdida de estabilidad (GZ 1A) Falla de la construcción por pérdida de equilibrio sin rotura. Ejem.: Empuje, rotura hidráulica o volcamiento Estado límite por falla de la construcción o sus partes (GZ 1B) Falla de las Partes de la construccion por rotura de ésta o por rotura de la cimentacion de apoyo. Por ejemplo falla del material de construcción, falla de cimentaciones, deslizamiento, o falla del terreno Estado límite de la pérdida completa de estabilidad (GZ 1C) Falla de la cimentación por rotura del suelo o roca, también por rotura de las partes de sostenimiento de la construcción, ejemplo: Falla de taludes o falla del terreno Estado límite de servicio (GZ 2) Estado de sostenimiento, una vez que se sobrepasa el uso y no se cumplen más las condiciones Casos de Carga según la DIN 1054: , Ziff. 6.3 Caso de carga LF1: Situación límite permanente Caso de carga LF2: Situación límite temporal CSA-03-BS Página 2 de 15

3 Caso de carga LF3: Situación límite extraordinaria 2.3. Cálculo de Asentamientos con el programa GGU-SETTLE El Programa GGU-Settle realiza el cálculo de Asentamientos para fundaciones de sección rectangular o triangular, bajo consideración de la influencia mutua con fundaciones adyacentes. El programa permite la modelación del terreno y realiza una interpolación entre los puntos en los que se conoce los parámetros de suelo para determinar el asentamiento en cualquier punto del terreno. Los asentamientos pueden ser determinados a cualquier profundidad Rigidez de la Fundación El molde del asentamiento es determinado por la rigidez de la fundación. Si la fundación es flexible EI 0 (Figura 1), entonces el suelo de fundación y la estructura se deforman de igual forma y se forma el molde de asentamiento. La distribución de tensiones en la base será entonces uniforme. Ejemplo: Rellenos sanitarios, terraplenes, plateas de fundación. Figura 1. Molde de asentamiento en una fundación flexible Si por el contrario la fundación es rígida EI (Figura 2), la fundación se asienta en el terreno de manera uniforme y los asentamientos son por lo tanto iguales en toda la base de la fundación. La distribución de tensiones es creciente hacia los extremos. Ejemplo: Fundaciones aisladas Figura 2. Asentamiento típico de una fundación rígida Tensiones en la base de la Fundación La tensión existente en la base de la fundación σ 0 depende igualmente de la rigidez de la fundación. En el caso de fundaciones flexibles, la tensión se distribuirá de forma uniforme en la base (Figura 3 izq.). Según la teoría de Boussinesq, en la base de fundaciones rígidas las tensiones tienden a crecer indefinidamente hacia los bordes de la fundación (der) ya que en el centro no existe resistencia. CSA-03-BS Página 3 de 15

4 Solución teórica Solución práctica Figura 3. Tensión en la base de la fundación flexible (izq) y rígida (der) [4] Para unir ambos conceptos en el cálculo de fundaciones se determinó un punto característico en el que el asentamiento de una fundación rígida es prácticamente igual al de una flexible. La posición del punto característico se define como se muestra en la Figura 4. Figura 4. Definición del punto característico [4] Distribución de Tensiones en el subsuelo Una vez determinada la tensión actuante en la base de la fundación σ 0, el siguiente paso será el cálculo de la distribución de ésta en la profundidad. Las tensiones en el suelo disminuyen en la profundidad y horizontalmente conforme se alejan del centro de la fundación. La Figura 5 muestra la disminución de la tensión inicial σ 0 en la profundidad. Al lado de la zapata ejerce la tensión producida por el sobrepeso del suelo γ h. Esta tensión aumenta con la profundidad. CSA-03-BS Página 4 de 15

5 Figura 5. Distribución de Tensiones en el subsuelo La distribución de presiones en la profundidad forma el denominado Bulbo de presiones y su influencia depende de las dimensiones de la zapata. Figura 6. Bulbo de presiones y disminución de tensiones en la profundidad [5] La distribución de tensiones en el suelo puede ser calculada por ejemplo con los factores de influencia i propuestos por STEINBRENNER. Las tensiones son calculadas en las esquinas de la fundación flexible y están en función de las dimensiones de la fundación a y b, la carga distribuida actuante q y la profundidad de cálculo z. CSA-03-BS Página 5 de 15

6 Figura 7. Factores de influencia i propuestos por STEINBRENNER para la distribución de ten- siones en la profundidad en la esquina de una fundación flexible [5] La tensión en cualquier punto en la profundidad será entonces: σ Z = i σ 0 Si se desea calcular las tensiones en cualquier punto P interior de la fundación (Por ejemplo en el punto característico), se puede dividir la fundación en varias pequeñas fundaciones: a (a>b) 0,74 a/2 P 0,74 b/2 b Figura 8. División de la fundación y posición del Punto Característico según KANY para carga distribuida Luego se puede realizar el cálculo de las tensiones en cada esquina de las cuatro nuevas fundaciones (σ 1, σ 2,, σ 3,, σ 4 ) y la tensión en cualquier profundidad será: σ Z = σ 1 + σ 2,+ σ 3,+ σ 4 = σ 0 (i 1 + i 2 + i 3 +i 4 ) Profundidad límite de cálculo Los asentamientos deben ser calculados de acuerdo a la DIN 1054 [3] hasta una profundidad límite. En esta profundidad la influencia de las tensiones sobre los asentamientos es casi nula. Estudios experimentales han demostrado que esta profundidad puede asumirse en el punto en el que las tensiones son iguales o menores al 20% de la sobrecarga del suelo. CSA-03-BS Página 6 de 15

7 Figura 9. Determinación de la Profundidad límite de cálculo Metodología de cálculo El Programa utiliza el denominado método indirecto para el cálculo de los asentamientos, basado en la teoría de la elasticidad. La distribución de tensiones es subdividida en infinitas dovelas y en cada una de estas se determina el asentamiento correspondiente a la profundidad. El asentamiento final estará dado por la sumatoria de los asentamientos parciales. Figura 10. Determinación del asentamiento final mediante el método indirecto El asentamiento final en un suelo ideal, homogéneo, isotrópico es: Donde: i: Factor de influencia para la distribución de tensiones en la profundidad σ 0 : Tensión en la base de la zapata CSA-03-BS Página 7 de 15

8 El módulo edométrico Es debe ser elegido según la profundidad de cálculo, ya que éste depende de la presión existente en esta profundidad. En el caso de excavaciones profundas se debe elegir además, si se empleará el módulo edométrico para la primera carga o el módulo para la recarga Es(w), ya que el suelo sufre un proceso de descarga durante la excavación y luego vuelve a ser cargado por la estructura. Figura 11. Determinación del Módulo edométrico para la recarga 3. Uso del Programa 3.1. Sistema Se calcularán los asentamientos de las fundaciones expuestas en la Figura 12. La estructura esta conformada por 4 fundaciones que soportan una torre de comunicación. Todas las fundaciones fueron diseñadas para una carga vertical de 1000 kn y Momentos debidos a cargas de viento M x = 100 knm y M y =700kNm. El asentamiento admisible es de 3 cm y el asentamiento diferencial deberá ser menor a L/ F3 F F1 F Layer γ Es Es(w) ν [kn/m³] [MN/m²] [MN/m²] [-] Designation Grava Arcillosa Arcilla Arena Figura 12. Esquema para el cálculo de asentamientos CSA-03-BS Página 8 de 15

9 3.2. Modelación 2. Fundaciones Rectangulares: Archivo / Nuevo Fundación rectangular 3. Modelación de la estratigrafía y parámetros del suelo: Suelos Estratos Edit no. de Suelos 3 Los parámetros que se introducen en la tabla corresponden al módulo edométrico, el módulo edométrico para la recarga, el coeficiente de Poisson y el peso específico del suelo. Si el estrato de suelo está bajo el nivel freático, el peso específico debe ser el peso boyante γ '. El coeficiente de Poisson se mantiene en 0.0 mientras se esté utilizando el módulo edométrico. Solo tiene sentido utilizar este coeficiente si se trabaja con el módulo de rigidez del suelo E. 4. Profundidad estándar de los estratos: Suelos Profundidad de estratos 5. Posición de los puntos de sondeo: Red Editar posición de nodos 0 nodo(s) a editar 4 CSA-03-BS Página 9 de 15

10 Si los perfiles de suelo no se distinguen bien: Resultaods Preferencias de presentación Factor de profundidad = 0.30 Ancho del perfil = Edición de la profundidad de los estratos en cada punto de sondeo: Suelos Editar profundidad de estratos Doble clic sobre cada perfil de suelo Base del PUNTO DE SONDEO estrato (m) Grava Arcillosa Arcilla Arena 7. Generación de la red de interpolación: Red Generar red automáticamente CSA-03-BS Página 10 de 15

11 Modelación de las fundaciones de 3.0x3.0m: Fundaciones Editar nodos individuales Nuevos Editar Propiedades Para determinar las tensiones en la base de la fundación a partir de cargas conocidas, puede utilizar el botón "Calcular esfuerzos a partir de M y V: CSA-03-BS Página 11 de 15

12 Inserte a continuación 3 fundaciones nuevas de dimensiones 3.0x3.0m con las siguientes coordenadas y el mismo estado de carga y características de la fundación F1: COORDENADAS DE FUNDACIONES F1 F2 F3 F4 x=15 x=24 x=15 x=24 y=10 y=10 y=16 y=16 9. Revisión gráfica de los datos ingresados: Fundaciones Revisar Propiedades OK 3.3. Análisis de resultados 1. Cálculo del sistema: Sistema Calcular Asentamiento en el centro de la fundación, y Asentamiento en las esquinas de la fundación OK 2. Vista de los asentamientos en todo el terreno: Resultados Asentamientos en áreas marcar un cuadrilátero en el sistema y seleccionar luego una cuadrícula de 10 x 10: CSA-03-BS Página 12 de 15

13 3. Vista de Isolíneas de asentamientos en planta: Resultados Isolíneas de asentamientos Normal OK 4. Vista Asentamientos en sección, bulbo depresiones, distribución de tensiones etc.: Molde de asentamiento: Secciones Distribución de asentamientos OK elegir una sección en el gráfico 25 Subdivisiones OK Mostrar Distribución de tensiones: Secciones Distribución de esfuerzos OK elegir una sección en el gráfico 25 Subdivisiones OK Mostrar Bulbo de presiones: Secciones Bulbo de presiones OK elegir una sección en el gráfico 25 Subdivisiones OK Mostrar Normal OK CSA-03-BS Página 13 de 15

14 3.4. Verificaciones El máximo asentamiento diferencial entre zapatas es: L = 9m = 900cm ; s = = 0.1cm tan α = 0.1/900 = 1.1x10-4 << 1/500 OK El máximo asentamiento se presenta en la fundación F2 y es de 2.6cm < s adm = 3cm, con lo que se comprueba la serviciabilidad del sistema elegido. 4. Más Información Usted puede encontrar más información sobre los programas, demos y videos tutoriales en: CSA-03-BS Página 14 de 15

15 5. Bibliografía [1]. Instituto de Suelos Universidad de Hannover, AGTZE. Apuntes de cátedra (Skript) [2]. Smoltczyk, U. Geotechnical Engineering Handbook 1-3. Edición - Junio 2002 [3]. DIN 1054; Subsoil; Verification of the safety of earthworks and foundations, 2005 [4]. Schmidt H.H.. Grundlagen der Geotechnik, zweite Auflage, 2001 [5]. Simmer K.. Grundbau [6]. GGU-SETTLE, Manual de uso 1 Los cursos de capacitación de Civilserve están elaborados por personal técnico especializado. Sin embargo, Civilserve no puede de ninguna manera asumir responsabilidad sobre el uso del contenido de los cursos en proyectos reales. CSA-03-BS Página 15 de 15