Cimentación Superficial

Transcripción

1 Universidad Naional de Ingeniería, Lima, Perú Faultad de Ingeniería Civil Centro de Eduaión Continua Cimentaión Superfiial Método de Euilibrio Limite Aspetos Teórios y de Calulo Lima, Septiembre, 017 Dr. Ing. Jorge L. Cárdenas Guillen Profesor Universitario, Ingeniero Civil - Consultor Geoténio Contato: jorge..guillen@hotmail.om

2 MOTIVACIÓN

3 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS 3

4 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS 4

5 5

6 6

7 7

8 ASPECTOS CONCEPTUALES 8

9 ASPECTOS CONCEPTUALES Criterios de Diseño en Cimentaiones Las imentaiones deben umplir las siguientes ondiiones: Evitar desplazamiento por fallas por orte. Evitar asentamientos por reduión de volumen. Asentamiento Superfiie de falla generada 9

10 ASPECTOS CONCEPTUALES Naturaleza de Falla por Capaidad de Carga En suelos densos o Rígidos Carga Superfiie de falla : menor dimensión de la imentaión Asentamiento Falla de Corte General 10

11 ASPECTOS CONCEPTUALES Naturaleza de Falla por Capaidad de Carga En suelos medianamente densos o semi rígidos Carga Superfiie de falla Asentamiento Falla de Corte Loal 11

12 ASPECTOS CONCEPTUALES Naturaleza de Falla por Capaidad de Carga En suelos sueltos o blandos Carga Superfiie de falla Asentamiento Falla por punzonamiento 1

13 13

14 Evaluaión de la Capaidad Portante Evoluión História: Teoría de Terzaghi (Terzaghi, 1943) Formula General (Meyerhof, 1951 y 1963; rinh Hansen, 1970 ; Vesi, 1973 y 1975; ) 14

15 Evaluaión de la Capaidad Portante De auerdo al grado de ompataión o rigidez: Falla de orte general En suelos ompatos Falla de orte loal En suelos sueltos - riterio de reduión de parámetros 15

16 Teoría de Terzaghi, 1943 Cimentaión orrida falla de orte general Contribuión de la sobre-arga N D f 1 Contribuión del empuje pasivo 1 N u N N 1 N Contribuión de la ohesión N :Capaidad de arga ultima 16

17 Teoría de Terzaghi, 1943 Cimentaión orrida falla de orte general Capaidad de arga ultima: ult N N 1 N Con: D f 1 : sobre-arga Donde: 1 D f N : ohesión del suelo : peso espeifio del suelo (debajo del nivel de imentaión) : peso espeifio del suelo (enima del nivel de imentaión) : profundidad de empotramiento N, N, : fatores de apaidad de arga (depende del ángulo de friión) 17

18 Teoría de Terzaghi, 1943 Cimentaión orrida falla de orte general Fatores de apaidad de arga: N N 3 ot e os 4 tan 1 ot 45 N e 3 4 tan os 45 1 Ver tablas N 1 K p os 1 tan K p : oefiiente de empuje pasivo 18

19 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte general): N N N 19

20 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte general): N N N 0

21 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte general): N N N 1

22 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte general): N N N

23 Teoría de Terzaghi, 1943 Para falla de orte general De auerdo a la forma de la imentaión, la euaión de apaidad portante es: ult 1.0 N N 0. 5 N : imentaión orrida ult 1.3 N N 0. 4 N : imentaión uadrada ult 1.3 N N 0. 3 N : imentaión irular 3

24 Teoría de Terzaghi, 1943 Para falla de orte loal Los parámetros de resistenia son reduidos: * Los fatores de forma son modifiados: 3 tan * * * * tan N, N, N Ver tablas 3 La euaión de apaidad portante es modifiada: ult * * * N N 0.5 N : imentaión orrida ult ult * * * N N 0.4 N * * * N N 0.3 N : imentaión uadrada : imentaión irular 4

25 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte loal): * N * N * N 5

26 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte loal): * N * N * N 6

27 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte loal): * N * N * N 7

28 Teoría de Terzaghi, 1943 Valores de fatores de apaidad de arga (falla de orte loal): * N * N * N 8

29 9

30 Fórmula General Considera los efetos de: Profundidad de la imentaión, Forma de la imentaión, Inlinaión de la arga atuante. 30

31 Formula General Falla de orte general Capaidad de arga ultima: u N S d i N S d i 1 N S d i Donde: N S, N : fatores de apaidad de arga, N S, S d, : fatores de forma de la imentaión, d : fatores de profundidad de la imentaión, d i, i i, : fatores de inlinaión de arga 31

32 Formula General Fator de apaidad de arga (Obtenida de expresiones matemátias exatas, similar al propuesto por Terzaghi) N N N 1ot tan 45 e tan 3

33 Fórmula General Modifiaión del Fator de Carga: Vesi, 1973: N Meyerhof, 1951 rinh Hansen, 1970: 33

34 Formula General Fator de Forma y Profundidad, Meyerhof, 1963: 34

35 Formula General Fator de Forma y Profundidad, Hansen, 1970: 35

36 Formula General Fator de Forma y Profundidad, Vesi, 1973: 36

37 Formula General Fatores de Inlinaión: i i 1 90 i 1 : ángulo de inlinaión, en grados, de la arga sobre la imentaión respeto a la vertial. 37

38 38 Comentarios Finales Teoría de Terzaghi, 1943 Formula General i d S N i d S N i d S N u 1 N N N ult 1 CAPACIDAD PORTANTE

39 39

40 Fator de Seguridad Definiiones: La apaidad de arga admisible es la apaidad de arga ultima reduida por un fator de seguridad: ult adm FS Para análisis de apaidad portante, el Fator de Seguridad adoptado es 3. El valor de la apaidad admisible es onsiderado omo dato para el diseño estrutural. Se define omo Carga ruta, a la arga admisible ue puede soportar el terreno de imentaión. Q adm Area efetiva L adm 40

41 Influenia del Nivel Freátio De auerdo a la posiión del nivel freátio: Caso I: Caso II: 0 H w D f D f H w Caso I Nivel freátio Caso III: H w Caso II Nivel freátio Limite de influenia del bulbo de esfuerzos Caso III Nivel freátio 41

42 Influenia del Nivel Freátio Caso I 0 H w D f El valor de la sobre-arga es modifiado por la siguiente expresión: D H H w 1 f w 1 sat w D f H w sub Nivel freátio 1 1sat Donde: 1 1sat w : peso espeifio natural del suelo enima de la imentaión : peso espeifio saturado del suelo enima de la imentaión : peso espeifio del agua 4

43 Influenia del Nivel Freátio Caso I 0 H w D f El valor del peso espeifio debajo de la fundaión es modifiado para: D f H w Nivel freátio 1 1sat sub sat w sub Donde: sat w : peso espeifio saturado del suelo debajo de la imentaión : peso espeifio del agua 43

44 Influenia del Nivel Freátio Caso II D f H w 1 El valor de la sobre arga es: D f 1 H w D f Donde: Nivel freátio 1 : peso espeifio natural del suelo enima de la imentaión Limite de influenia del bulbo de esfuerzos : Profundidad del limite de influenia del bulbo de esfuerzos 44

45 Influenia del Nivel Freátio Caso II D f H El valor del peso espeifio debajo de la fundaión es modifiado para: sub sub sat w H w D f w sub H w D f Nivel freátio 1 Limite de influenia del bulbo de esfuerzos Nota: Las modifiaiones anteriores se basan en la hipótesis de ue no existe fuerza de filtraión en el suelo. 45

46 Influenia del Nivel Freátio Caso II D f H w Donde: sub : peso espeifio sumergido del suelo debajo de la imentaión sat : peso espeifio saturado del suelo debajo de la imentaión : peso espeifio natural del suelo debajo de la imentaión : Profundidad del limite de influenia del bulbo de esfuerzos 46

47 Influenia del Nivel Freátio Caso III El valor de la apaidad ultima no es afetada por el nivel de agua. Donde: H w D f 1 : Profundidad del limite de influenia del bulbo de esfuerzos Limite de influenia del bulbo de esfuerzos Nivel freátio 47

48 Cimentaión Cargada Exéntriamente Cimentaiones sometidas a momentos y argas vertiales: La exentriidad de la arga es definida omo: e M Q 48

49 Cimentaión Cargada Exéntriamente Distribuión de esfuerzos: max Q L 6M L min max min Q L 6M L Donde: Q M : Carga vertial total : momento sobre la imentaión 49

50 Cimentaión Cargada Exéntriamente Considerando la euaión de la exentriidad: max Q 1 L 6e min max min Q 1 L 6e Nota: Euaión valida para: e 6 0 e 6 50

51 Cimentaión Cargada Exéntriamente Distribuión de esfuerzos: Para: e 6 max max 4Q 3L e 51

52 Cimentaión Cargada Exéntriamente Área de ontato efetiva: Anho efetivo: Largo efetivo: * e * L L 5

53 53 Cimentaión Cargada Exéntriamente Proedimiento para alulo de apaidad portante: e * 1. Determine las dimensiones efetivas de la imentaión L L * : anho efetivo. Capaidad de arga ultima : largo efetivo i d S N i d S N i d S N ult * 1 3. Carga neta ultima * * * L Q ult ult CAPACIDAD PORTANTE

54 Cimentaión Cargada Exéntriamente 4. Fator de Seguridad FS * Q Q ult 5. Verifiaión del Fator de Seguridad on respeto a: FS ult max max 54

55 ILIOGRAFÍA RECOMENDADA Fundamentos de Ingeniería Geoténia, raja Das Foundation Analysis and Design, owles, J., 55

56 EJEMPLOS APLICATIVOS 56

57 Ejemplo 1 Una imentaión uadrada en planta mide 1.5m x 1.5m. Las propiedades de resistenia del terreno de fundaión son: ángulo de friión interna igual a 0 y ohesión de 15. kn/m. El peso espeifio del suelo es 17.8 kn/m3. Determinar la arga bruta admisible sobre la imentaión onsiderando: a. La falla en el terreno es de tipo general. b. La falla en el terreno es de tipo loal.. Comentar las diferenias de los resultados. Nota: Asumir un FS igual a 3 y la profundidad de empotramiento igual a 1m. Considerar la euaión propuesta por Terzaghi 57

58 Ejemplo 1 Soluión 1.a De la euaión de Terzaghi, para imentaión uadrada: ult 1.3 N N 0. 4 N Para: 0 N N 7.44 Sustituyendo, ult N kn m 58

59 Ejemplo 1 Soluión 1.a La arga admisible es: adm ult FS kN m La arga admisible bruta total es: kn Q adm 65 59

60 Ejemplo 1 Soluión 1.b De la euaión de Terzaghi, para imentaión uadrada y para falla por orte loal: ult * * * N N 0.4 N Para: 0 * N * 3.88 N Sustituyendo, ult * 1.1 N kn m 60

61 Ejemplo 1 Soluión 1.b La arga admisible es: adm ult FS kN m La arga admisible bruta total es: kn Q adm 98 61

62 Ejemplo Se ha onsiderado una imentaión uadrada ( x ) para soportar una arga admisible bruta de 670 kn, on FS igual a 3. Las propiedades de resistenia del terreno de fundaión son: ángulo de friión interna igual a 34 y on ohesión nula. El peso espeifio natural del suelo es 16.5kN/m3 y saturado es 18.6kN/m3. El nivel freátio esta a 0.60m de la superfiie y la profundidad de imentaión es de 1.0m. Determinar las dimensiones de la zapata. Utilizar la euaión general de la apaidad portante (formula de Vesi). 6

63 63 Ejemplo - Soluión De la euaión de la arga admisible, en términos de la arga admisible bruta : i d S N i d S N i d S N FS u adm m kn Q adm adm De la euaión general de la arga admisible, en términos de la apaidad portante del terreno: Para argas vertiales, nivel freátio entre la base y la superfiie (aso I) y suelos on ohesión nula: d S N d S N FS w sat ult adm 1 3 1

64 Ejemplo - Soluión Cálulos de los fatores de la euaión de apaidad ultima Para 34 Fatores de apaidad de arga: N 9.44 N S Fatores de forma: S 1 tan 1 tan L L 64

65 Ejemplo - Soluión Para 34 Fatores de profundidad de arga: d d 1 tan 1 D f 1 sen 1 tan 341 sen Sobre-arga: H w kN D H m f w 1 sat w 65

66 Ejemplo - Soluión Remplazando en la euaión de la apaidad admisible: adm Combinando las euaiones de arga admisible: Soluionando la euaión ubia: 1. 40m 66

67 Ejemplo 3 Una zapata uadrada debe soportar una masa total bruta admisible de 15.9tn. La profundidad de la imentaión es de 0.7m. La arga esta inlinada un ángulo de 0 respeto a la vertial. Determine el anho de la imentaión. Considere la euaión general de apaidad de arga (Vesi) y un FS igual a 3. 67

68 68 Ejemplo 3 - Soluión De la euaión de la arga admisible, en términos de la arga admisible bruta : i d S N i d S N i d S N FS ult adm , ,90 m kn m N Q adm adm De la euaión general de la arga admisible, en términos de la apaidad portante del terreno: Para suelos on ohesión nula y sin nivel freátio : i d S N i d S N FS ult adm 1 3 1

69 Ejemplo 3 - Soluión Cálulos de los fatores de la euaión de apaidad ultima Para 30 Fatores de apaidad de arga: N S N.4 Fatores de forma: S 1 tan 1 tan L L 69

70 Ejemplo 3 - Soluión Para 30 Fatores de profundidad de arga: d d 1 tan 1 Fatores de inlinaión de arga: D f 1 sen 1 tan 301 sen Sobre-arga: 0.0 i i D f kn m 70

71 Ejemplo 3 - Soluión Remplazando en la euaión de la apaidad ultima: adm Combinando las euaiones de arga admisible: Soluionando la euaión ubia: 1. 30m 71

72 Ejemplo 4 Una imentaión orrida de base 1.8m esta sometida a un momento generando una exentriidad de arga de 15 m. Determine la arga ultima de la imentaión. La profundidad de la imentaión es de 1.0m. La profundidad de la imentaión es de 1.0m. Las propiedades de resistenia del terreno de fundaión son: ángulo de friión interna igual a 35 y on ohesión nula. El peso espeifio natural del suelo es 17.3kN/m3. Considere la euaión general de apaidad de arga (Vesi) y un FS igual a 3. 7

73 73 Ejemplo 4 - Soluión De la euaión general, para imentaión uadrada: i d S N i d S N i d S N ult 1 Para suelos on ohesión nula, sin nivel freátio, arga vertial y base orregida: d S N d S N ult * 1 Correión de la base por exentriidad: e * 1 f D m kn 50m * Sobre-arga:

74 Ejemplo 4 - Soluión Cálulos de los fatores de la euaión de apaidad ultima Para 35 Fatores de apaidad de arga: N 33.3 N S Fatores de forma: S * 1 tan 1 L * L 0tan

75 Ejemplo 4 - Soluión Para 35 Fatores de profundidad de arga: d d 1 tan 1 D f 1 sen 1 tan 301 sen Sustituyendo en la euaión de la apaidad ultima, ult La arga ultima neta: Q ult * kn m * kn metro 148 ult 75

76 Universidad Naional de Ingeniería, Lima, Perú Faultad de Ingeniería Civil Centro de Eduaión Continua Cimentaión Superfiial Método de Euilibrio Limite Aspetos Teórios Lima, Septiembre, 017 Dr. Ing. Jorge L. Cárdenas Guillen Profesor Universitario, Ingeniero Civil - Consultor Geoténio Contato: jorge..guillen@hotmail.om