Cimentaciones Superficiales. M. Diaz. P 11/06/2016
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- Bernardo Pinto Roldán
- hace 5 años
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1 Cimentaciones Superficiales 11/06/2016 1
2 Introducción Df L B Silos de Trascona Cimentación - Zapata Torre Latinoamericana 2
3 Introducción 3
4 Introducción a) Zapata continua b) Zapata corrida c) Viga de cimentación 4
5 Suelo de fundación Condiciones del suelo: Tipo de suelo (Grava, Arena, Arcilla), humedad, compactación. Propiedades del suelo: Ángulo de Fricción, Cohesión y Peso Unitario del suelo. 5
6 Suelo de fundación 6
7 Características del suelo Arcilla lacustre 7
8 Idealización del suelo 8
9 Parámetros básicos del suelo de fundación PROPIEDADES TÍPICAS DE LOS SUELOS Relación de vacíos (e) : 5-10 Porosidad (n) : Contenido de agua (w) : % Limite líquido (wl) : % Límite plástico (wp) : % Índice de plasticidad (IP) : % Permeabilidad (k): 1x10-7cm/s Índice de compresibilidad Cc: 3-8 Módulo no-drenado E: kpa Resistencia al corte no-drenada cu: kpa Sensibilidad: 8 Angulo de fricción interna : grados. Velocidad onda de cortante< 100m/s 9
10 Parámetros dinámicos del suelo Rigidez y amortiguamiento 10
11 Parámetros resistentes del suelo de fundación 11
12 Distribución de esfuerzos 12
13 Conceptos generales 13
14 Partes de la cimentación 14
15 Conceptos generales Cimentación: Es la parte de una estructura que esta en contacto directo con el terreno y proporciona carga de la estructura al suelo. Capacidad de carga: Es el esfuerzo que puede ser aplicado por una estructura o edificación al suelo que la soporta, sin causar asentamientos excesivos o peligro de falla por esfuerzo cortante. Requisitos fundamentales (que debe satisfacer una cimentación): a. Tener un factor de seguridad (FS) mayor de 2 contra la falla por resistencia al esfuerzo cortante. b. Tener un asentamiento tolerable. 15
16 Conceptos generales Capacidad de carga ultima (qu). Se denomina al esfuerzo que causa la falla completa por esfuerzo cortante. Capacidad de carga admisible (qa) Se denomina al esfuerzo máximo que puede ser aplicado a la masa de suelo de tal forma que se cumplan los dos requisitos básicos. Problema: Calcular el esfuerzo total medio (qa) que se puede transmitir al suelo de cimentación sin provocar la falla. 16
17 Conceptos generales 1.- Formas de falla: a.1) Catastrófica (silos de trascona) b.1) Asentamiento excesivo 2.- Variables: a.2) Tamaño de superficie cargada b.2) Forma de la superficie cargada c.2) Profundidad de desplante d.2) Propiedades del suelo de soporte 3.- Fuentes: a.3) Códigos, b.3) Ensayes en sitio, y c.3) Métodos analíticos 17
18 Estado del arte Ref: Vesic
19 Desarrollo empírico de la capacidad de carga 19
20 Desarrollo empírico de la capacidad de carga
21 Desarrollo empírico de la capacidad de carga
22 Desarrollo empírico de la capacidad de carga
23 Tipos de falla B q Local General
24 Tipos de falla 24
25 Tipos de Falla Suelo Granular Compacto o Arcilla Firme, arena densa o suelo fino firme Suelo arenoso o arcilloso medianamente, granular Suelto o Arcilla Blando Suelo Granular muy Suelto o Arcilla muy Blanda 25
26 Enfoque teórico de - Prandtl
27 Ecuación planteado por Prandtl q u = c. Nc + γ. D. Nq Nq = tan 2 ( ). eπ.tan Nc = cot. (Nq 1) Si es cero N q = 1 N c = π
28 Enfoque teórico experimental Terzagui (1943) 1 q u cn C qn q 2 BN Cohesión Sobrecarga Peso volumétrico 28
29 Esquema falla capacidad de carga Terzagui (1943) B J I Df q u q =D f H 45 -/2 A C 45 -/2 45 -/2 45 -/2 G F c = Cohesión del suelo = Peso específico del suelo q = D f cn N c, N q, N = Factores de capacidad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo,. D q u C E qn q 1 2 BN 29
30 Enfoque teórico experimental Terzagui (1943) Factores de Capacidad de Carga 3π Nq = e.tan 2 Nc = cot. (Nq 1) Nγ = 0.5 tan ( Kpγ 1) 2cos 2 (45+ 2 ) cos 2 ( ) Kpγ = tan 2 ( ) Si es cero N q = 1 N c = 5.71 Ecuación General de la Capacidad de Carga 1 qu cncsc qnq BN S 2 Factor Forma Franja circular cuadrada Sc S
31 Resumen Terzagui (1943) 31
32 Tabla de Nc, Nq y N Terzagui (1943) 32
33 Resumen Terzagui (1943) 33
34 Capacidad de carga - Terzagui Ejemplo: Determine la capacidad ultima de una zapata cuadrada de ancho 1.5 m a una profundidad de 1m en un suelo con C =10kPa, ɸ = 28, Cu=105 kpa, ɸu=0 y = 19kN/m 3. 34
35 Capacidad de carga - Terzagui Con el ángulo de fricción se ingresa en la Tabla y se obtiene los factores: Usando la fórmula: N q = 17.81, N c = y N = qu 1.3 c ' NC DNq 0.4BN q 1.3x10.0x x x1.5x19.0x15.31 u Remplazando los valores en la fórmula: qu 924kPa 35
36 Capacidad de carga - Terzagui Con el ángulo de fricción para condiciones no drenadas se ingresa a la Tabla y se obtiene los siguientes factores: Usando la fórmula: N q = 1, N c = 5.71 y N = 0 qu 1.3 c ' NC DNq 0.4BN Remplazando los valores en la fórmula: q 1.3x105.0x x1.0 u qu 798kPa 36
37 Cimentación cargas excéntricas Terzagui Ref: Muni Bhudu 2011 a) Céntrica vertical b) Excéntrica c) Céntrica y momentos 37
38 Cimentación cargas excéntricas Terzagui Q M e B Para e B/6 B X L B e q max Para e > B/6 L q max 2e B 38
39 Cimentación cargas excéntricas Terzagui M Vn. e Q BL 6M B L qmax 2 Donde Q = carga vertical total M = momento sobre la cimentación Q BL 6M B L qmin 2 En eje X: En eje y: Ref: Muni Bhudu
40 Cimentación cargas excéntricas Terzagui Si e<b/6 Q BL 6M B L qmax 2 Q BL 6M B L qmin 2 y e q q max min M Q Q BL Q BL 1 1 6e B 6e B Donde Q = carga vertical total M = momento sobre la cimentación Si e>b/6 q max 3L 4Q B 2e 40
41 Cimentación cargas excéntricas Terzagui B = ancho efectivo = B 2e L = longitud efectiva = L Usar la ecuación para la capacidad de carga última como q u cn c qn q 1 B ' 2 41
42 Cimentación cargas excéntricas Terzagui La carga última total que la cimentación soporta es A Q últ q u ( B')( L') donde A = área efectiva El factor de seguridad contra falla por capacidad de carga es FS Q Q últ 42
43 Cimentación cargas excéntricas Terzagui Ejemplo: Se desea construir un edifico para lo que se realzia un estudio de suelos y se obtiene los siguientes resultados: C =6 kpa, ɸ =33 y = 17kN/m 3. Una vez construido las zapatas se ha detectado que la carga no esta aplicada sobre el centro de la zapata. Por ello, se necesita determinar la carga segura de apoyo si se ha encontrado una excentricidad de eb=0.35m, el=1.0m. Con dimensiones de zapatas de B=2.0m y de L=4.0 m con un factor de seguridad de 3 sobre la carga neta aplicada. 43
44 Cimentación cargas excéntricas Terzagui 44
45 Cimentación cargas excéntricas Terzagui 45
46 Cimentación cargas excéntricas Terzagui 46
47 Cimentación cargas excéntricas Terzagui 47
48 Cimentación cargas excéntricas Terzagui 48
49 Cimentación cargas excéntricas Terzagui Con el ángulo de fricción se ingresa en la Tabla y se obtiene los factores: Usando la fórmula: N q = 32.23, N c = y N = q u = C N c + γd f N q γb N γ Remplazando los valores en la fórmula: q u = (6)(48.09) + (17)(2)(32.23) (17)(0.975)(31.94) q u = 1649 kpa 49
50 Modificaciones debido a la posición del nivel freático Terzagui Ref: Muni Bhudu
51 Modificaciones debido a la posición del nivel Caso I freático Terzagui Nivel del agua freática D 1 D f B D 2 sat * 1 qu cncsc q Nq ' BN S 2 = peso específico sumergido ' sat w * q D1 1D2 51
52 Modificaciones debido a la posición del nivel freático Terzagui Caso II D f B d Nivel del agua freática sat B = peso específico sumergido q cn S q N BN S 2 * 1 u C c q ' q D f 52
53 Modificaciones debido a la posición del nivel Caso III freático Terzagui D f B d Nivel del agua freática D sat = peso específico sumergido Para: (d)b usar: d d prom 1 B B Para: (d)b usar: prom 53
54 Capacidad de carga de MEYERHOF (1951, 1963) Ref: Muni Bhudu
55 Capacidad de carga de MEYERHOF (1951, 1963) 55
56 Capacidad de carga de MEYERHOF (1951, 1963) q u = c. Nc. s c. d c. i c + γ 1. D. Nq. s q. d q. i q γ 2. B. Nγ. s γ. d γ. i γ 56
57 Factores de Carga - Meyerhof Ref: Muni Bhudu
58 Factores de Carga - Meyerhof 58
59 Factores de Carga - Meyerhof 59
60 Factores - Vesic Factores de forma (De Beer): L<B Factores de profundidad de Hansen Ref: Muni Bhudu
61 Factores - Meyerhof 61
62 Factores - Meyerhof i: coeficiente de inclinacion decarga (si la carga es vertical i = 1) i γ = (1 ) 2 i c = i q = (1 90 ) 2 Ref: Das
63 Capacidad de carga - Meyerhof Ejemplo: Determine la capacidad ultima de una zapata cuadrada de ancho 1.5 m a una profundidad de 1m en un suelo con C =10kPa, ɸ = 28, Cu=105 kpa, ɸu=0 y = 19kN/m 3. Usando los factores de carga de Meyerhof 63
64 Capacidad de carga - Meyerhof Con el ángulo de fricción se ingresa en la Tabla y se obtiene los factores: N q = 14.72, N c = y N = (14.721)tan(1.4x28.0 )=11.19 La carga es vertical, entonces i c = i q = i = 1 Los factores de forma y factores de profundidad se determinan: s q =s =1+0.1(1.5/1.5)tan 2 (45.0 +(28.0 /2)) =
65 Capacidad de carga - Meyerhof s c =1+0.2(1.5/1.5)tan 2 (45.0 +(28.0 /2)) = 1.55 d c =1+0.2(1.0/1.5)tan(45.0 +(28.0 /2)) = 1.22 d q =d =1+0.1(1.0/1.5)tan 2 (45.0 +(28.0 /2)) = 1.11 q c ' N S d DN S d 0.5BN S d u C c c q q q Remplazando los valores en la fórmula: q 10.0x25.80x1.55x x14.72x1.28x x1.5x19.0x1.28x1.11 u qu 1112kPa 65
66 Capacidad de carga - Meyerhof Para las condiciones no drenadas: N q = 1, N c = 5.14 y N = 0 s c =1+0.2(1.5/1.5)tan 2 (45.0 +(0 /2)) = 1.2, s =s q =1 d c =1+0.2(1.0/1.5)tan(45.0 +(0 /2)) = 1.13 d =d q =1 Remplazando los valores en la fórmula: q 105x5.14x1.2x x1.0x1.0x kPa u 66
67 Factor de Seguridad (FS) Ref: Muni Bhudu
68 Factor de Seguridad (FS) El factor de Seguridad q adm qu FS q = carga de la superestructura por área unitaria de la cimentación El factor de seguridad debe ser por lo menos 3 en todos los casos. 68
69 Factor de Seguridad (FS) Ref: Coduto
70 Factor de Seguridad (FS) CATEGORIA ESTRUCTURAS TIPICAS CARACTERISTICAS FS Ref: Coduto
71 71
72 E Programa de investigación como mínimo 72
73 E Memoria descriptiva 73
74 74
75 LA INFLUENCIA DE LA COMPRESIBILIDAD Y DE LOS EFECTOS DE ESCALA Se hizo hincapié en el hecho de que todos los análisis limite se basan en la suposición de la incompresibilidad del suelo y en que deben aplicarse, solo a los casos donde se espera la falla por corte general. Se carece de métodos racionales para el análisis de falla por capacidad de carga de los otros dos tipos, característicos de los suelos compresibles. Para satisfacer las necesidades imperantes en la práctica, TERZAGUI propuso el empleo de la misma ecuación de capacidad de carga, con los mismos facto res pero con características de resistencia reducidas c * y *, definidos como sigue: C = C = tan 1 (0. 67 tan ) 75
76 TIPOS DE ASENTAMIENTOS DE CIMENTACIONES Asentamiento Inmediato o elástico Perfil del asentamiento Asentamiento Por Consolidación Primaria Asentamiento Por Consolidación Secundaria 76
77 ASENTAMIENTO 77
78 ASENTAMIENTO 78
79 ASENTAMIENTO 79
80 ASENTAMIENTO 80
81 ASENTAMIENTO ELÁSTICO DE CIMENTACIONES FLEXIBLES Y RÍGIDAS Cimentación B X L D 1 Asentamiento de cimentación rígida Asentamiento de cimentación flexible s = relación de Poisson E s = módulo de elasticidad Suelo Roca 81
82 ASENTAMIENTO ELÁSTICO DE CIMENTACIONES FLEXIBLES Y RÍGIDAS S e Bq E s o 1 S 2 2 (esquina de la cimentación flexible) S e Bq E s o 1 2 S (centro de la cimentación flexible) S e Bq E s o 1 2 s av (promedio para una cimentaciòn flexible) Donde: 1 1n 1 m 1 m 2 2 m m1n m 1 m 1 m m = L/B B = ancho de la cimentación L = longitud de la cimentaciòn 82
83 ASENTAMIENTO ELÁSTICO DE CIMENTACIONES FLEXIBLES Y RÍGIDAS prom, prom r Para cimentación circular L/B r = 1 prom = 0.85 r =
84 ASENTAMIENTO ELÁSTICO 84
85 ESTIMACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD DE LOS MATERIALES Usar métodos geofísicos Ensayos de laboratorio Correlaciones empíricas: E s (kn / m 2 ) = 766N f N f = número de penetración estándar Módulo de Elasticidad de Arcillas Normalmente Consolidadas E s = 250c a 500c Módulo de Elasticidad de Arcillas Preconsolidadas E s = 750ca 1000c Donde C = cohesión no drenada de la arcilla 85
86 ESTIMACIÓN DEL MÓDULOS Correlaciones empíricas: ARENAS: Es = 50 (N + 15) ton/m2 ARENA ARCILLOSA Es = 30 (N + 5) ton/m2 ARCILLAS SENSIBLES NORMALMENTE CONSOLIDADAS Es = ( ) qu ARCILLAS POCO SENSIBLES Es = 500 qu N : SPT qu : COMPRESION SIMPLE (ton/m2) 86
87 ESTIMACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD DE LOS MATERIALES 87
88 ASENTAMIENTO ADMISIBLE EN CIMENTACIONES DE EDIFICACIONES SEGÚN TERZAGHI: El asentamiento promedio admisible de las cimentaciones de una edificación convencional será: S adm = 25 mm SEGÚN LA NORMA E - 050: El Asentamiento Diferencial no debe ocasionar una distorsión angular mayor que la indicada en la Tabla 8. En el caso de suelos granulares el asentamiento diferencial se puede estimar como el 75% del asentamiento total. 88
89 Ejemplo: ASENTAMIENTO ELÁSTICO Determine el asentamiento instantáneo de la cimentación considerando una zapata de 4m de ancho y 8m de longitud, el suelo es una grava homogénea. E=500kPa =
90 ASENTAMIENTO ELÁSTICO Asentamientos (Si) Df B q Cimentación Rigida Cimentación Flexible Centro Esquina Promedio 3.00 m 4.00 m kn/m² cm cm cm cm 90
91 ASENTAMIENTO ELÁSTICO 91
92 ASENTAMIENTO ELÁSTICO 92
93 ASENTAMIENTO CONSOLIDACIÓN 93
94 ASENTAMIENTO CONSOLIDACIÓN 94
95 ASENTAMIENTO CONSOLIDACIÓN 95
96 ASENTAMIENTO CONSOLIDACIÓN 96
97 ASENTAMIENTO CONSOLIDACIÓN 97
98 ASENTAMIENTO ARENAS - SCHMERTMANN 98
99 ASENTAMIENTO 99
100 ASENTAMIENTO 100
101 ASENTAMIENTO 101
102 DISTORSIÓN ANGULAR LÍMITE RECOMENDADA POR LA NORMA E-050 = /L 1/150 1/250 TABLA 8 (NÓRMA E-050) DISTORSIÓN ANGULAR = DESCRIPCIÓN Límite en el que se debe esperar daño estructural en edificios convencionales. Límite en que la pérdida de verticalidad de edificios altos y rígidos puede ser visible. 1/300 Límite en que se debe esperar dificultades con puentes grúas. 1/300 Límite en que se debe esperar las primeras grietas en paredes. 1/500 Límite seguro para edificios en los que no se permiten grietas. 1/500 1/650 1/750 Límite para cimentaciones rígidas circulares o para anillos de cimentación de estructuras rígidas, altas y esbeltas. Límite para edificios rígidos de concreto cimentados sobre un solado con espesor aproximado de 1,20 m. Límite donde se esperan dificultades en maquinaria sensible a asentamientos. 102
103 CAPITULO 3 Análisis de Condiciones de Cimentación 103
104 3.1 Cargas a Utilizar a) Para el cálculo del factor de seguridad de cimentaciones: se utilizarán como cargas aplicadas a la cimentación, las Cargas de Servicio que se utilizan para el diseño estructural de las columnas del nivel más bajo de la edificación. b) Para el cálculo del asentamiento de cimentaciones apoyadas sobre suelos granulares: se deberá considerar la máxima carga vertical que actúe (Carga Muerta más Carga Viva más Sismo) utilizada para el diseño de las columnas del nivel más bajo de la edificación. c) Para el cálculo de asentamientos en suelos cohesivos: se considerará la Carga Muerta más el 50% de la Carga Viva, sin considerar la reducción que permite la Norma Técnica de Edificación E.020 Cargas 104
105 3.2 Asentamiento Tolerable En todo Estudio de Mecánica de Suelos se deberá indicar el asentamiento tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del estudio. El Asentamiento Diferencial (Figura Nº 3) no debe ocasionar una distorsión angular mayor que la indicada en la Tabla Nº En caso de suelos granulares el asentamiento diferencial, se puede estimar como el 75% del asentamiento total. En caso de tanques elevados y similares y/o estructuras especiales el asentamiento tolerable no deberá superar el requerido para la correcta operación de la estructura. 105
106 3.2 Asentamiento Tolerable 106
107 DISTORSIÓN ANGULAR = α 107
108 3.4 Presión Admisible La determinación de la Presión Admisible, se efectuará tomando en cuenta los siguientes factores: a) Profundidad de cimentación b) Dimensión de los elementos de la cimentación c) Características físico-mecánicas de suelos ubicados dentro de la zona activa de la cimentación d) Ubicación del nivel freático e) Probable modificación de las características físicomecánicas de los suelos, como consecuencia de los cambios en el contenido de humedad f) Asentamiento tolerable de la estructura 108
109 3.4 Presión Admisible La presión admisible será la menor de la que se obtenga mediante: a) La aplicación de las ecuaciones de capacidad de carga por corte afectada por el factor de seguridad correspondiente (ver sección 3.3). b) La presión que cause el asentamiento admisible. 109
110 3.3 Factor de Seguridad Frente a una Falla por Corte Los factores de seguridad mínimos que deberán tener las cimentaciones son los siguientes: a) Para cargas estáticas: 3.0 b) Para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable):
111 PRESIÓN DE TIERRA CASO ACTIVO La L a A 45 2 C 2 A 45 z H Rotación de un muro sin fricción respecto al fondo - estado activo B 111
112 PRESIÓN DE TIERRA CASO PASIVO L p A L p A C H Rotación de un muro sin fricción respecto al fondo estado pasivo
113 DETERMINACIÓN DEL KO Como o z tenemos: h Ko( z) Para suelos de grano grueso, el coeficiente de presión de tierra en reposo se estima por la relación empírica (Jaki,1944) K o 1sen Donde = ángulo de fricción efectiva. Para suelo de grano fino, normalmente consolidados, Massarsch (1979) sugirió la siguiente ecuación para K o : K o IP(%)
114 TEORIA DE RANKINE DE LAS PRESIONES DE tan c tan 45 2 TIERRA ACTIVA Para suelos sin cohesión, c = 0 y tan La razón de a respecto a o se llama coeficiente de presión de tierra activa de Rankine, K a,o K a 1 tan Con base en la figura y la siguiente expresión, se tiene para el caso activo: K z 2c a a K a 114
115 115 La derivación es similar a la del estado activo de Rankine o TEORIA DE RANKINE DE LAS PRESIONES DE TIERRA PASIVA o 2 45 tan tan 2 c o p 2 45 tan tan 2 c o p 2 45 tan 2 o p 2 45 tan p K p p p K c z K 2
116 116
117 117
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