Curso de Diseño de Cimentaciones Julio de 2014

Curso de Diseño de Cimentaciones Julio de 2014 Articulación entre las especialidades de Ingeniería Estructural y Geotécnica Expositor: WILFREDO GUTIERREZ LAZARES

EXPEDIENTE TÉCNICO DE EDIFICACIONES Proyecto de Inversión SNIP Rentabilidad Estudios de Ingeniería Proceso Constructivo Gestión de las Especialidades Topografía Mecánica de Suelos Impacto Ambiental Planeamiento Procedimiento Articulación Integración Costos Precios Unitarios Presupuesto de Obra Especificaciones Generales Especiales

INGENIERÍA GEOTÉCNICA Suelo Mecánica de Suelos Geotecnia Empleo del Conocimiento de la Mecánica de Suelos, en la solución de problemas de ingeniería, debido a la interacción: suelo - estructura

COMO SE HACEN LOS EMS

ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS Exploración de Campo Ensayos de Laboratorio Diseño Geotécnico

EXPLORACIÓN DE CAMPO Calicata Profundidad (m.) Descripción SUCS Suelo de partículas finas del tipo limo arcilloso. Se encuentra parcialmente húmedo, con presencia de cantos rodados de tamaño nominal máximo de 2" en bajo 0.00 0.80 porcentaje y de manera aislada. Al excavar la primera capa, se observa que se obtienen suelos cohesionados con apariencia de CL - ML fragmentos de roca, que se disgregan al manipularse. La muestra presenta color C-01 marrón oscuro, por la presencia de arcilla limosa, con características propias de terreno de cultivo. Suelo de partículas finas formado por arena 0.80 2.50 fina limosa. Con bajo contenido de humedad y plasticidad. A mayor profundidad, la humedad del suelo disminuye y el material ML se hace más limoso y su plasticidad también disminuye. El suelo adopta una coloración amarillenta a beige oscuro.

Ensayos de Laboratorio Físicos Químicos Mecánicos Clasificación Peso Unitario Sulfatos Cloruros Corte Directo Triaxial

DISEÑO GEOTÉCNICO Análisis Norma ASTM Ensayo Físico D 422 D - 4318 D - 4318 D - 4318 Análisis granulométrico por tamizado. Límite líquido. Límite plástico. Índice plástico. PROPIEDDES FÍSICAS Mecánico D - 3080 Corte Directo. Calicata Muestra Prof. (m) Pasa Nº 4 Pasa Nº 200 Límite Líquido (% ) Límite Plástico (% ) Índice Plástico (% ) Clasificación SUCS C - 01 M - 01 0.00 0.80 99.7 74.7 20.0 15.0 5.0 CL - ML C - 01 M - 02 0.80 2.50 100.0 44.3 28.1 N.P N.P SM PARÁMETROS DE RESISTENCIA Prof. Cohesión Calicata Muestra Estado (m) (kg/cm 2 ) Ángulo de fricción interna (º) C - 01 M 02 0.80 2.50 Natural 0.00 30.6 C - 01 M 02 0.80 2.50 Saturado 0.00 27.5

Método de Terzaghi Característica del modelo: 1. Cimiento de ancho B y longitud infinita L. 2. Distribución de tensiones actuantes uniforme. 3. Sobre carga uniforme a ambos lados de la cimentación. 4. Estrato resistente a nivel de cimentación.

Método de Terzaghi La expresión obtenida propuesta: b d γ1 P q = d γ2 qbr =0.5 γ 2. b N γ + cn c + q N q qbr = f (γ 2, b, φ, c, γ 1, d) Nγ; Nc, Nq = f (φ) Además: q = γ1. d

CAPACIDAD DE CARGA Donde: q ult q ult 0.5 B + c. c. c q. q. q = capacidad última de carga = peso unitario del suelo B = ancho o diámetro de la cimentación q = sobrecarga al lado de la cimentación Ni = factores de carga debido a la componente i i = factores de forma para la componente i Donde: q adm FS = capacidad admisible de carga = factor de seguridad q adm = q ult / FS

Circular Circular Ubicación Jardín central de la Av. Los Tusilagos esquina Calle Los Ricinos, San Juan de Lurigancho, Lima Estructura Sub Estación de Distribución Biposte 12480 Evaluacion Capacidad de Carga del Suelo. Solicitante EDELNOR CAPACIDAD S.A.A. DE CARGA - Cimentación SuperficialCota wgl (m) : 0.00 Responsable W.G.L. Fecha : 17/10/2011 Proyecto SED Aérea Bi Poste - SAB 12480 Ubicación A.- DATOS GENERALES Jardín central de la Av. Los Tusilagos esquina Calle Los Ricinos, San Juan de Lurigancho, Lima Estructura Evaluacion Solicitante Sub Estación de Distribución Biposte 12480 Capacidad Ángulo de de Fricción Carga Interna del Suelo. (φ) EDELNOR Cohesión (c) S.A.A. 31.00 grados 0.00 kg/cm 2 sin saturar Cota (m) : 0.00 Responsable W.G.L. Fecha : 17/10/2011 Peso Unitario de Sobre Carga (γ 1 ) 1.488 gr/cm 3 Peso Unitario del Suelo de Cimentación (γ 2 ) 1.488 gr/cm 3 A.- DATOS GENERALES Relación Ancho / Largo ( B/L ) 1.00 (1.0 si es circular o cuadrada ) Ancho Inicial de la base o diámetro de cimentación 0.80 m Ángulo Cota de Fondo Fricción de Interna Cimentación (φ) 31.00 0.00grados m sin saturar Cohesión Profundidad (c) de Desplante (Df) 0.00 1.10kg/cm m ( 0.0 2 si es indeterminado ) Peso Posición Unitario del de Nivel Sobre Freático Carga (N.F.) (γ 1 ) 1.488 50.00gr/cm m ( 3 50m si no presenta ) Peso Factor Unitario de Seguridad del Suelo (F.S.asume de Cimentación 3.0) (γ 2 ) 1.488 3.00gr/cm 3 Relación Clasificación Ancho SUCS / Largo del ( B/L suelo ) de cimentación 1.00 SM(1.0 si es circular o cuadrada ) Ancho Cimentación Inicial de existente la base o diámetro de cimentación Circular 0.80 m Cota de Fondo de Cimentación 0.00 m B.- FACTORES Profundidad DE CAPACIDAD de Desplante DE (Df) CARGA C.- 1.10 FACTORES m ( 0.0 si DE es indeterminado FORMA ) Posición del Nivel Freático (N.F.) 50.00 m ( 50m si no presenta ) Nc = Factor 32.671 de Seguridad (F.S.asume 3.0) Sc 3.00 = 1.631 Nq = Clasificación 20.631 SUCS del suelo de cimentación Sq SM= 1.601 Ny = Cimentación 17.693 existente CircularSy = 0.600 B.- D.- FACTORES COEFICIENTES DE CAPACIDAD DE PRESION DE LATERAL CARGA Ka = 0.320 C.- FACTORES DE FORMA Kp = 3.124 E.- CAPACIDAD Nc = 32.671 ADMISIBLE Sc = 1.631 Nq = 20.631 Sq = 1.601 Sub Estación Ny = 17.693 de Distribución Biposte 12480 Sy = 0.600 Cimentación existente Circular COTA DESPLANTE ANCHO FACTORES POR N.F. qult qadm D.- RELATIVA COEFICIENTES DE Df (m) PRESION LATERAL B (m) WKa = 0.320 W' (kg/cmkp 2 ) = 3.124 (kg/cm 2 ) Detalle -1.10 1.10 0.8 1.00 1.00 6.04 2.01 E.- CAPACIDAD -1.10 ADMISIBLE 1.10 1.0 1.00 1.00 6.20 2.07-1.10 1.10 1.2 1.00 1.00 6.35 2.12 Sub Estación -1.30 de Distribución 1.30 Biposte 12480 0.8 1.00 1.00 7.02 Cimentación 2.34 existente Circular COTA -1.30 DESPLANTE 1.30 ANCHO 1.0 FACTORES 1.00 POR 1.00 N.F. qult 7.18 qadm 2.39 RELATIVA -1.30 Df 1.30 (m) B (m) 1.2 W1.00 W' 1.00 (kg/cm 7.34 2 ) (kg/cm 2.45 2 ) Detalle -1.10-1.50 1.10 1.50 0.8 0.8 1.00 1.00 1.00 1.00 6.04 8.00 2.01 2.67-1.10-1.50 1.10 1.50 1.0 1.0 1.00 1.00 1.00 1.00 6.20 8.16 2.07 2.72-1.10-1.50 1.10 1.50 1.2 1.2 1.00 1.00 1.00 1.00 6.35 8.32 2.12 2.77-1.30 1.30 0.8 1.00 1.00 7.02 2.34-1.30 1.30 1.0 1.00 1.00 7.18 2.39-1.30 1.30 1.2 1.00 1.00 7.34 2.45-1.50 1.50 0.8 1.00 1.00 8.00 2.67-1.50 1.50 1.0 1.00 1.00 8.16 2.72-1.50 1.50 1.2 1.00 1.00 8.32 2.77

A.- DATOS GENERALES Ángulo de Fricción Interna (φ) 30.60 grados Cohesión (c) 0.00 kg/cm 2 Peso Unitario de Sobre Carga (γ 1 ) 1.100 gr/cm 3 Peso Unitario del Suelo de Cimentación (γ 2 ) 1.100 gr/cm 3 Relación Ancho / Largo ( B/L ) 1.00 (1.0 si es circular o cuadrada ) Ancho Inicial de la base o diámetro de cimentación 0.80 m Cota de Fondo de Cimentación 0.00 m Profundidad de Desplante (Df) 0.50 m ( 0.0 si es indeterminado ) Posición del Nivel Freático (N.F.) 50.00 m ( 50m si no presenta ) Factor de Seguridad (F.S.asume 3.0) 3.00 Clasificación SUCS del suelo de cimentación SM Cimentación existente Cimiento Rectangular B.- FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA C.- FACTORES DE FORMA Nc = 31.626 Sc = 1.623 Nq = 19.704 Sq = 1.591 Ny = 16.592 Sy = 0.600 D.- COEFICIENTES DE PRESION LATERAL Ka = 0.325 Kp = 3.074

Cimiento Rectangular E.- CAPACIDAD ADMISIBLE DESPLANTE ANCHO FACTORES POR N.F. qult qadm Df (m) B (m) W W' (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) 0.50 0.8 1.00 1.00 2.16 0.72 0.50 1.0 1.00 1.00 2.27 0.76 0.50 1.2 1.00 1.00 2.38 0.79 1.00 0.8 1.00 1.00 3.89 1.30 1.00 1.0 1.00 1.00 4.00 1.33 1.00 1.2 1.00 1.00 4.11 1.37 1.50 0.8 1.00 1.00 5.61 1.87 1.50 1.0 1.00 1.00 5.72 1.91 1.50 1.2 1.00 1.00 5.83 1.94 Detalle

Cimiento Rectangular E.- CAPACIDAD ADMISIBLE DESPLANTE ANCHO FACTORES POR N.F. qult qadm Df (m) B (m) W W' (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) 0.50 0.8 1.00 1.00 2.16 0.72 0.50 1.0 1.00 1.00 2.27 0.76 0.50 1.2 1.00 1.00 2.38 0.79 1.00 0.8 1.00 1.00 3.89 1.30 1.00 1.0 1.00 1.00 4.00 1.33 1.00 1.2 1.00 1.00 4.11 1.37 1.50 0.8 1.00 1.00 5.61 1.87 1.50 1.0 1.00 1.00 5.72 1.91 1.50 1.2 1.00 1.00 5.83 1.94 Detalle

Cimiento Rectangular E.- CAPACIDAD ADMISIBLE DESPLANTE ANCHO FACTORES POR N.F. qult qadm Df (m) B (m) W W' (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) 0.50 0.8 1.00 1.00 2.16 0.72 0.50 1.0 1.00 1.00 2.27 0.76 0.50 1.2 1.00 1.00 2.38 0.79 1.00 0.8 1.00 1.00 3.89 1.30 1.00 1.0 1.00 1.00 4.00 1.33 1.00 1.2 1.00 1.00 4.11 1.37 1.50 0.8 1.00 1.00 5.61 1.87 1.50 1.0 1.00 1.00 5.72 1.91 1.50 1.2 1.00 1.00 5.83 1.94 Detalle

Cimiento Rectangular E.- CAPACIDAD ADMISIBLE DESPLANTE ANCHO FACTORES POR N.F. qult qadm Df (m) B (m) W W' (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) 0.50 0.8 1.00 1.00 2.16 0.72 0.50 1.0 1.00 1.00 2.27 0.76 0.50 1.2 1.00 1.00 2.38 0.79 1.00 0.8 1.00 1.00 3.89 1.30 1.00 1.0 1.00 1.00 4.00 1.33 1.00 1.2 1.00 1.00 4.11 1.37 1.50 0.8 1.00 1.00 5.61 1.87 1.50 1.0 1.00 1.00 5.72 1.91 1.50 1.2 1.00 1.00 5.83 1.94 Detalle CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

QUÉ ESPERA EL INGENIERO ESTRUCTURAL DEL EMS Qué deficiencia encuentra de los EMS No considera las conclusiones del tipo de terreno. No evalúa entibados, encofrados. No considera el NF en época de lluvias. Algunos valores de capacidad de carga son incoherentes con el tipo de suelo. No contrasta las cargas de la estructura. Escasa profundidad de exploración. No proporcionan valores para los muros de contención. Información inconclusa y poco analizada, llegando a contradicciones. Muestran perfiles de suelo y no especifican el tipo de cimentación. Eligen el suelo más conservador, sobredimensionando la cimentación. No se calcula la capacidad de carga con las dimensiones reales de la estructura. No evalúan la ESTABILIDAD DEL SISTEMA suelo y cimentación.

NORMA E-050 Obligatoriedad de lo Estudios Responsabilidad del Solicitantes Información Previa Programa de investigación Informe del EMS

Capítulo 3. ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓN CARGAS A UTILIZAR ASENTAMIENTO TOLERABLE CAPACIDAD DE CARGA FACTOR DE SEGURIDAD FRENTE A UNA FALLA POR CORTE PRESIÓN ADMISIBLE

ESQUEMA PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES Vuelco Estabilidad Deslizamiento Diseño de Cimentaciones Deformación Capacidad de carga Vuelco Linealidad Cuando no se conocen las cargas (condiciones estáticas) Asentamiento

ESTABILIDAD DEL SISTEMA Nivel de cimentación N Carga de la Edificación Q Resistencia del Suelo N < Q

MODELAMIENTO GEOTÉCNICO Fuerzas Nivel de Cimentación o Profundidad de Desplante PRIMER PISO Df N' N < Q Q Lo que resiste el suelo debe ser mayor o igual a las cargas transmitidas por las estructuras

ANÁLISIS DEL MODELO GEOTÉCNICO PRIMER PISO Fuerzas Incidencia Modelo Parámetros Ensayos / Cálculos Esfuerzos Recurso Metrado SAP N' Cargas y1 (CM+CV+CS) Reglamento N' cim /AREA ETABS Factores Df Compresión Simple Terzaghi Q Suelo y2 c,φ,y Corte Directo q br Meyerhof Triaxial Brinch Hansen N' < Q Y1 < Y2 N' cim /AREA < qbr

MODELAMIENTO BÁSICO N'(kN)= 199.9 H(kN)= 20.2 M(kN-m)= 24.9 Hc = 1.95 ψ = 0 (Suelo 1) Dnf(m)= 0.6 γ1(kn/m 3 )= 17.5 Df(m)= 1.8 γ1sat(kn/m3)= 17.5 Hb(m)= 0.3 b(m)= 1.2 D = 0 Hb + b(m)= 1.5 B/L= 1 γ2(kn/m 3 )= 17.5 (Suelo 2) γ2sat(kn/m3)= 17.5 φ(º)= 30 c(kpa)= 0

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

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

DISEÑO POR 1er ESTADO LIMITE wgl (Estabilidad) (Programa FAD_versión 1.2 por: Ing. Wilfredo Gutiérrez Lázares) 06/05/2010 Datos Generales Cargas Actuantes De la Cimentación: Del Suelo: Valores Normativos Df (m) 2.10 γ1 (kn/m3) 17.50 N' (kn) 199.9 B (m) 1.50 γ2 (kn/m3) 17.50 M (kn-m) 24.9 L (m) 1.50 γ1sat (kn/m3) 17.50 H (kn) 20.2 Dnf (m) 0.60 γ2sat (kn/m3) 17.50 γw (kn/m3) 10 D efectiva (m) 2.25 φº 30.0 NF afecta a Y1 D analisis (m) 4.35 c (kpa) 0.0 Tipo y falla γs 1.10 D = 0 ψ = 0

Mayoración de Cargas y Minoración de Propiedades Físico - Mecánicas Factor de mayoración Valores Mayorados en B 1.25(D+L+E) 1.25 N'* (kn) 249.875 B/L= 1 1.25 M* (kn-m) 31.125 Hb(m)= 0.3 1.25 H* (kn) 25.25 Hc (m)= 1.95 Factores de Tabla 2.2 Valores Minorados γ gγ = 1.03 γ1* 16.99 γ1*sat 16.99 γ gc = 0.01 γ2* 16.99 γ2*sat 16.99 γ gtanφ = 1.15 c* = 0.00 γ1*prom 9.85 φ* = 26.66 γ2*prom 6.99

Chequeo del Vuelco Excentricidades Mayorada e*b = 0.233 < b/3 = 0.500 cumple!!! Normativa eb = 0.218 < b/3 = 0.500 cumple!!! N'*c = 351.17 ojo!!!!!!!!!! Chequeo al Deslizamiento (F*actuantes < F*resistentes) H* = 25.25 < 176.303 Cumple!!!

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

Característica del modelo Distribución de tensiones actuantes uniforme Estrato resistente a nivel de cimentación Cimiento de ancho B y longitud infinita L Sobre carga uniforme a ambos lados de la cimentación

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA Cimiento de cualquier rectangularidad. Carga actuante centrada. Carga actuante vertical. Estrato resistente a nivel de la cimentación. Sobrecarga uniforme a ambos lados de la cimentación.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA MODELO INICIAL Cimiento de ancho B y longitud infinita L INFLUENCIA Cimiento de cualquier rectangularidad Factores de forma (Vesic) - S, Sc, Sq q br = 0.5γ 2. B.N γ + C. N c + q.n q S = 1-0.4(B / L ) Sc = 1 + (Nq/Nc) (B / L ) Sq = 1 + (B / L ) tg φ* q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA MODELO INICIAL Distribución de tensiones actuantes uniforme INFLUENCIA Excentricidad de la carga l = l 2.e l b = b 2.e b B = menor entre l y b q br = 0.5γ 2. B.N γ + C. N c + q.n q q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA MODELO INICIAL Distribución de tensiones actuantes uniforme INFLUENCIA Inclinación de la carga i = 0. 7 H * 1 - N * b l C * cot j * 5 q br = 0.5γ 2. B.N γ + C. N c + q.n q i q = i c = i q - 0. 5 H * 1 - N * b l C * cot j * ( 1 - i q ) ( Nq - 1 ) q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q 5

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA MODELO INICIAL Distribución de tensiones actuantes uniforme q br = 0.5γ 2. B.N γ + C. N c + q.n q INFLUENCIA Estrato resistente por encima del nivel de la cimentación Cuando D b d = 1.0 d c = 1 + 0.4 (D/b) d q = 1 + 2tgj* (1 sen j* ) 2 (D/b) Cuando D > b d = 1.0 d c = 1 + 0.4 tg -1 (D/b) d q = 1 + 2tgj * (1 sen j* ) 2 tg -1 (D/b) q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA MODELO INICIAL Distribución de tensiones actuantes uniforme INFLUENCIA Inclinación del terreno Para suelos j y C-j N H M L o d q* L/2 L/2 q br = 0.5γ 2. B.N γ + C. N c + q.n q g = g q = (1 0.5 tg ) 5 g c = 1 ( / 147 ) : Angulo de inclinación del terreno. Se expresa en grados y tiene que ser menor o igual que j. q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q

Para suelos c φ Capacidad de carga según: Método de Brinch Hansen q br = 0.5γ 2. B.N γ.s γ.i γ.d γ.g γ. + C.N c.s c.i c.d c.g c + q.n q.s q.i q.d q.g q Factores de capacidad de carga - N, N c, N q Nq = e p tg j tg 2 (45 + j /2) Nc = (Nq - 1)cot j N = 2.0 (Nq - 1)tg j donde: γ 2 * : Peso específico minorado por debajo del nivel de cimentación. B : Lado menor entre l y b. q * : Presión efectiva a nivel de solera alrededor del cimiento. Nγ, Nc, Nq : Factores de Capacidad de carga. S γ, S c, S q, i γ, i c, i q, d γ, d c, d q, g γ, g c, g q : Factores de influencia

Criterio de Seguridad Y 2ad Y 2 /k R q br σ(esfuerzo) m Comportamie nto Lineal Zona de Linealidad Falla Comportamie nto Plástico S(deformación) k = 2.5 a 3.5

Determinación de los Factores de Capacidad de Carga e Influencia Tipo q c y Carga N 12.722 23.348 11.769 Forma S 1.346 1.375 0.724 Inc. i 0.833 0.818 0.772 Suelo d 1.000 1.000 1.000 Terreno g 1.000 1.000 1.000 N*S*i*d*q 14.257 26.281 6.586 Términos de qbr : 294.905 0.000 23.786 qadm = 318.690 kpa Nivel de cimentación N Carga de la Edificación Verificando Condición de Diseño de Resistencia Resistencia del Suelo N'*c = 351.17 < Qbt = 451.957 Conforme!!! % Tolerancia = 28.7 Antieconómico!!!! Q N < Q

SUGERENCIA PARA UN TRABAJO ARTICULADO ENTRE LAS DOS ESPECIALIDADES 1. Considerar que el trabajo debe considerar un alcance para la interacción suelo estructura. 2. Tener conocimiento del tipo de edificación, al menos a nivel de anteproyecto. 3. Iniciar los EMS después de definir las características de la estructura. 4. Cumplir, sin ser limitativo, con la Norma E-050. 5. Coordinación constante entre los especialista, sobre resultados parciales, hasta el diseño final.