8. La Seguridad en La Estructura de Sostenimiento de Excavaciones

La seguridad en la estructura de sostenimiento de excavaciones

Ing. Manuel A. Olcese Franzero 1

LA SEGURIDAD EN LA ESTRUCTURA DE SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES – M. Olcese 1

LA SEGURIDAD EN LA ESTRUCTURA DE LA SEGURIDAD EN LA ESTRUCTURA DE SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONESSOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES

Manuel A. Olcese Manuel A. Olcese FranzeroFranzeroIng. Civil CIP, M. ASCE, Ing. Civil CIP, M. ASCE,

Profesor Principal PUCPProfesor Principal [email protected]@pucp.edu.pe

SEMINARIO DE PROMOCISEMINARIO DE PROMOCIÓÓN DE LA N DE LA NORMATIVIDAD PARA EL DISENORMATIVIDAD PARA EL DISEÑÑO Y O Y

CONSTRUCCICONSTRUCCIÓÓN DE EDIFICACIONES SEGURASN DE EDIFICACIONES SEGURAS

ICA, 17 DE FEBRERO DEL 2012ICA, 17 DE FEBRERO DEL 2012











VARIABILIDAD NATURAL DEL SUELO EN

TRES OBRAS CERCANAS



Chorrillos 13 de junio del 2007

Miraflores 12 de junio 2007




La victoria, 12 diciembre 2007 (7 fallecidos)

Calle Porta, profundidad 15 m, enero 1996


Las Casuarinas – Santiago de Surco, 28 de octubre del 2008


ARTÍCULO 33.1 NORMA E.050

““Las excavaciones verticales de mLas excavaciones verticales de máás de 2,00 ms de 2,00 mde profundidad requeridas para alcanzar los niveles de los sótanos y sus cimentaciones, no deben permanecer sin sostenimiento, salvo que el estudio realizado por el PR determine que no es necesario efectuar obras de sostenimiento.

La necesidad de construir obras de La necesidad de construir obras de sostenimiento, su disesostenimiento, su diseñño y construccio y construccióón n son responsabilidad del contratista de la son responsabilidad del contratista de la obraobra””..




NORMA OSHA (Ocuppational & Safety and Health Administration, USA)

Si la profundidad de la excavación es mayor de 1.20 m,1.20 m, según la OSHA (Ocuppational & Safetyand Health Administration, USA) debe entibarse si los operarios trabajaran dentro de la zanja,

Según la NTE E.050 si es mayor a 2.00 m y as2.00 m y asíílo indica el PR como resultado del EMS.lo indica el PR como resultado del EMS.


SOLUCIONES PARA UNA EXCAVACISOLUCIONES PARA UNA EXCAVACIÓÓN SEGURAN SEGURA


““El informe del EMSEl informe del EMS deberdeberáá incluir los incluir los parparáámetros de suelos requeridos para el metros de suelos requeridos para el disediseñño de las obras de sostenimiento de o de las obras de sostenimiento de las edificaciones, muros perimetrales, las edificaciones, muros perimetrales, pistas y terrenos vecinos, considerando pistas y terrenos vecinos, considerando que estos puedan ser desestabilizados que estos puedan ser desestabilizados como consecuencia directa de las como consecuencia directa de las excavaciones que se ejecuten para la excavaciones que se ejecuten para la construcciconstruccióón de los sn de los sóótanos.tanos.””

ARTÍCULO 33.3 NORMA E.050




EJEMPLO DE LOS DATOS EXIGIDOS POR LA NORMA E.050 Y REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE

SOSTENIMIENTO

Nombre Símbolo Valor Valor

Profundidad 0.00 a 6.00 m 6.00 a 12.00 m

Peso unitario 2.20 ton/m3 2.20 ton/m3

Cohesión c 0.00 kg/cm2 0.20 kg/cm2

Angulo de fricción 30° 35°

Coeficiente Activo Estático Ka0.32 0.27

Coeficiente en Reposo Estático Ko0.50 0.43

Coeficiente Pasivo Estático Kp6.65 10.43

Factor de Reducción del Empuje Pasivo para /=0 R 0.47 0.37

Coeficiente Activo Dinámico Kas0.51 0.46

Coeficiente en Reposo Dinámico Kos0.70 0.62

Coeficiente Pasivo Dinámico Kps5.65 8.87

Coeficiente de fricción bajo la cimentación. tan δ 0.55 0.55


ESTUDIOS DE MECÁNICA DE SUELOS

(EMS)NORMA E.050


Publicado el 9 de junio del 2006

NORMA E.050NORMA E.050




Norma actual Norma actual (2006)(2006)


OBJETIVO DE LA NORMA E-050


ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA NORMA E-050




OBLIGATORIEDAD DE LOS ESTUDIOS

3.1 Casos donde existe obligatoriedadEs obligatorio efectuar el EMS en los siguientes casos:a)Edificaciones que presten servicios de educación, servicios a la salud oservicios públicos y en general locales que alojen gran cantidad de personas,equipos costosos o peligrosos, tal es el caso de:

- colegios, - universidades, - hospitales y clínicas, - estadios, - cárceles, - auditorios, - templos - salas de espectáculos, - museos, - centrales telefónicas, - estaciones de radio y televisión, - estaciones de bomberos, - centrales de generación de electricidad, - sub-estaciones eléctricas, - silos,- tanques de agua y reservorios, - archivos y registros públicos.


b) Edificaciones de uno a tres pisos, que ocupen individual o conjuntamente más de 500 m2 en planta.

c) Edificaciones de cuatro o mas pisos de altura, cualquiera que sea su área.

d) Estructuras industriales, fábricas, talleres, o similares.



e) Edificaciones especiales cuya falla, además del propio colapso, representen peligros adicionales importantes, tales como: reactores atómicos, grandes hornos, depósitos de materiales inflamables, corrosivos o combustibles, paneles de publicidad de grandes dimensiones y otros de similar riesgo.

f) Cualquier edificación que requiera el uso de pilotes, pilares o plateas de fundación.

g) Cualquier edificación adyacente a taludes o suelos que puedan poner en peligro su estabilidad.





CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS,NÚMERO "n" DE PUNTOS A

INVESTIGAR Y PROFUNDIDAD

z = 1,5 B; siendo B el ancho de la cimentación prevista de mayor área.

z = 6,00 metros, en el 80 % de los sondeos y 1,5 B, en el 20 % de los sondeos, siendo B el ancho de la cimentación, delimitada por los puntos de todos los pilotes o las bases de todos los pilares.


POZOS O CALICATAS, BARRENO

Las calicatas y trincheras serán realizadas según la NTP 339.162 (ASTM D 420). El PR deberá tomar las precauciones necesarias a fin de evitar accidentes.


Barreno manual con SPTEXPLORACION EN ARENAEXPLORACION EN ARENASPTSPT

CONO TIPO PECKCONO TIPO PECKDPSHDPSH




Densidad de campo: cono de arena, balDensidad de campo: cono de arena, balóón o nuclearn o nuclearNO PERMITIDO PARA DISENO PERMITIDO PARA DISEÑÑOO

Artículo 10.1


De acuerdo a Joseph Bowles (1988) la densidad relativa (Dr) de los suelos granulares se puede calcular empleando la siguiente relación propuesta inicialmente por Meyerhof(1957) y modificada por Skempton (1986) :

Densidad relativa (Densidad relativa (DrDr)) en suelos granularesen suelos granulares


CCáálculo de la densidad relativa (lculo de la densidad relativa (DrDr) ) vsvs NN6060 y y ´́00

en suelos granularesen suelos granulares

100'24.2832

'847.0

0

0

60

N

Dr

Dr = Densidad relativa (%) N60 = N60 promedio número de golpes del ensayo

estándar de penetración. ’o = Presión efectiva vertical (kg/ cm2)




Relación SUCS, Dr, y (NAVFAC DM7)


Contenido delInforme del

Estudio de Mecánica de Suelos


CONTENIDO DEL INFORME DEL ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS

• Resumen de las Condiciones de Cimentación

• Información Previa

• Exploración de Campo

• Ensayos de Laboratorio

• Perfil del Suelo

• Nivel de la Napa Freática

• Análisis de la Cimentación

• Plano de ubicación

• Perfiles del suelo




RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓN

En los casos en que es obligatorio efectuar un EMS, de acuerdo a lo indicado en esta Sección, el informe del EMS correspondiente deberá ser firmado por un Profesional Responsable (PR) ((Ingeniero CivilIngeniero Civil registrado en el Colegio de registrado en el Colegio de Ingenieros del PerIngenieros del Perúú y hy háábilbil))..

En estos mismos casos deberá incluirse en los planos de cimentación una trascripción literal del “Resumen de las Condiciones de Cimentación” del EMS (Ver Sección 2.4.1.a).


EJEMPLO DE RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIEJEMPLO DE RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓÓNNDe acuerdo con la Norma Técnica de Edificaciones E-050 “Suelos y Cimentaciones”, la siguiente información deberá transcribirse en los planos de cimentación. Esta información no es limitativa, y deberácumplirse con todo lo especificado en el presente Estudio de Suelos y en el Reglamento Nacional de Construcciones.

Tipo de Cimentación: zapatas aisladas o continuas, de concreto armado.

Estrato de apoyo de la cimentación: Grava arenosa medianamente densa

Parámetros de Diseño de la Cimentación:

Profundidad de Cimentación: 1.50 m o hasta penetrar 0.20 m en la grava

Presión Admisible: 5.00 kg/cm².

Factor de Seguridad por Corte (estático, dinámico): Mayor a 3 y 2,50

Asentamiento Diferencial Máximo Aceptable: 0.80 cm

Agresividad del Suelo a la Cimentación: No detectada

Recomendaciones Adicionales: No debe cimentarse sobre turba, suelo orgánico, tierra vegetal, desmonte, relleno sanitario o relleno artificial y estos materiales inadecuados deberán ser removidos en su totalidad, antes de construir la edificación y ser reemplazados con materiales adecuados debidamente compactados.


ANÁLISIS DE LA CIMENTACIÓN EN EL EMS

En esta sección se incluirá una memoria de cálculo que contendrá como mínimo:

• Tipo de cimentación y otras soluciones si las hubiera.

• Profundidad de cimentación (Df ).

• Determinación de la carga de rotura al corte y factor de seguridad (FS).

• Estimación de los asentamientos que sufriría la estructura con la carga aplicada (diferenciales y/o totales).

• Presión admisible del terreno.

• Indicación de las precauciones especiales que deberá tomar el diseñador o el constructor de la obra, como consecuencia de las características particulares del terreno investigado (efecto de la Napa Freática, contenido de sales agresivas al concreto, etc.)

•• ParParáámetros para el disemetros para el diseñño de muros de o de muros de contencicontencióón y/o calzaduran y/o calzadura..

• Otros parámetros que se requieran para el diseño o construcción de las estructuras y cuyo valor dependa directamente del suelo.




Profundidad mProfundidad míínima nima de cimentacide cimentacióón 0.80 mn 0.80 m


Rellenos Artificiales

o

Rellenos no controlados


RELLENOS NO CONTROLADOS

Los rellenos no controlados son aquellos que Los rellenos no controlados son aquellos que no cumplen con la Seccino cumplen con la Seccióón 4.4.1. n 4.4.1. Las Las cimentaciones superficiales no se podrcimentaciones superficiales no se podráán n construir sobre estos rellenosconstruir sobre estos rellenos ni sobre tierra de cultivo, suelos orgánicos, turba, o mezclas de ellos, los cuales deberán ser removidos en su totalidad y reemplazados por suelos seleccionados, antes de iniciar la construcción de la cimentación.




Artículo 19 Profundidad de cimentación“No debe cimentarse sobre turba, suelo orgánico, tierra vegetal, relleno de desmonte o rellenos sanitario o industrial, ni rellenos No Controlados. Estos Estos materiales inadecuados debermateriales inadecuados deberáán ser removidos en su n ser removidos en su totalidad, antes de construir la edificacitotalidad, antes de construir la edificacióón y ser n y ser reemplazados con materiales que cumplan con lo reemplazados con materiales que cumplan con lo indicado en la Artindicado en la Artíículo 21 (21.1)culo 21 (21.1)””


ANALISIS DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACION QUE PUEDEN

PRESENTARSE


ASENTAMIENTOS TOLERABLES




ARTÍCULO 15.- CAPACIDAD DE CARGA“La capacidad de carga es la presión última o de falla por corte del suelo y se determina utilizando las fórmulas aceptadas por la mecánica de suelos.

En suelos cohesivos (arcilla, arcilla limosa y limo-arcillosa), se emplearse emplearáá un un áángulo de friccingulo de friccióón n interna interna (()) igual a cero.igual a cero.

En suelos friccionantes (gravas, arenas y gravas-arenosas), se emplearse emplearáá una cohesiuna cohesióónn(c)(c) igual a cero.igual a cero.””


CIMENTACIÓN SOBRE ARCILLAS Y LIMOS

En el caso de los En el caso de los suelos finos (arcillas y limos),suelos finos (arcillas y limos),generalmente el disegeneralmente el diseñño de la cimentacio de la cimentacióón resulta n resulta controlado por corte (con controlado por corte (con ´́ = 0)= 0). .

Por esto, el procedimiento usual consiste en:

1ro. Dimensionar primero la cimentación por corte.

2do. Verificar el asentamiento.


ARCILLA PRE CONSOLIDADA (´0 + > ´P)

´

´0

´0

´

0

´loglog

1 vP

vvC

v

PR CC

eh

h




CIMENTACIÓN SOBRE ARENAS Y GRAVAS

En el caso de los En el caso de los suelos granulares (arenas y gravas),suelos granulares (arenas y gravas),generalmente el disegeneralmente el diseñño de la cimentacio de la cimentacióón resulta n resulta controlado por asentamientos controlado por asentamientos (con c = 0).(con c = 0).

Por esto, el procedimiento usual consiste en:1ro. Dimensionar primero la cimentaci1ro. Dimensionar primero la cimentacióón porn por

asentamiento.asentamiento.2do. Verificar el factor de seguridad por corte.2do. Verificar el factor de seguridad por corte.


ASENTAMIENTOS CONO DINÁMICO VS S P T


ASENTAMIENTO CALCULADO VS REAL

Fc fN

qBS

1´67.16 4.1

60

75.0

64.0´´/

25.0´´/

´´/25.1

11´´/ 2

1´´/

1´´/

F

F

BLc

BLcF

fBLsi

BL

BLfBLsi

S

Sf




ZAPATA EFECTIVA


SUELO COHESIVO (presión admisible controlada por corte)

FNFa fff

BN

q 75.0

4.1

60

´096.0

Ncis FS

q ccca

1

SUELO GRANULAR (presión admisible controlada por asentamiento)

RESUMEN


Empuje de suelos en reposo.




Tensiones en reposo


Tensiones en reposo


Tensiones en reposo




Tensiones al excavar


Tensiones al excavar => inestabilidad


Tensiones al excavar => inestabilidad




Tensiones al excavar => inestabilidad => colapso


Causas de inestabilidad


Causas de inestabilidad: aumento de la profundidad




Causas de inestabilidad: saturación del suelo


Causas de inestabilidad: elevación del Nivel Freático, filtraciones etc.


Causas de inestabilidad: colocación de cargas cerca al corte




Causas de inestabilidad: cercanía de vehículos o maquinaria


Causas de inestabilidad: presencia de vibraciones


Causas de inestabilidad: efecto de las heladas




ESTADOS DE EQUILIBRIO PLASTICO

La relación entre los estados activo y pasivos pueden mostrarse gráficamente empleando los círculos de Mohr

c tan

vh min h max

Estado activoEstado elástico inicial Estado pasivo


EMPUJES Y MOVIMIENTO DEL MURO


Ko para suelos granulares

'sen10 K

Ko para suelos cohesivos




PRESIONES GENERADAS POR LAS ENTIBACIONES








Entibaciones para zanjas o excavaciones masivas


Si el ancho de la excavaciSi el ancho de la excavacióón es n es menor o igual a 3.60 menor o igual a 3.60 mm, la excavaci, la excavacióón se considera como una n se considera como una zanjazanja..

ENTIBACIONES EN ZANJAS








Si el ancho de la excavaciSi el ancho de la excavacióón n es mayor de 3.60 mes mayor de 3.60 m la la excavaciexcavacióón se considera como n se considera como masivamasiva


ENTIBACIONES EN EXCAVACIONES MASIVAS




Calzaduras


Transmiten bien las cargas Transmiten bien las cargas verticales.verticales.

No soportan No soportan adecuadamente los adecuadamente los empujes horizontalesempujes horizontales

Varillas corrugadas

CALZADURA CONVENCIONAL


Av. Basadre San Isidro

Profundidad de la excavación 3.00 m

Falla por empujes Falla por empujes horizontaleshorizontales




CALZADURA CONVENCIONAL

Carga

Empuje

Fricción

Varillas corrugadas

¿?

Tan =

0.55 % #200 <5%0.55 % #200 <5%0.45 5% <% #200 <12%0.45 5% <% #200 <12%0.35 % #200 > 12%0.35 % #200 > 12%


Muros pantalla

o

Pantallas ancladas


MURO PANTALLA




MUROS PANTALLA


ANCLAJE


DISEÑO DEL MURO PANTALLA NAVFAC DM7




CAPACIDAD DE CARGA DE LOS ANCLAJES SEGÚN EL NAVFAC DM7


DISEÑO DE UN MURO PANTALLA

1.- Se eligen las longitudes L de las filas de anclajes2.- Se define el mecanismo de rotura de la figura3.- Se calculan las cargas en los anclajes A’i que equilibran

la cuña de terreno4.- Si las cargas calculadas son superiores a las cargas límites de los

anclajes (ver puntos b) y c)), se cambian las longitudes de los anclajesy se vuelven a calcular las cargas.

Método de Kranz

a)a) CargaCarga de anclaje y longitud librede anclaje y longitud libre

L



0,9 ysl acero

y

fQ A

Aacero: sección de aceroQ: carga del anclajel: coeficiente de seguridad como mayoración de la carga aplicada

sobre el anclajey: coeficiente de seguridad como minoración de la resistencia del acerofys: resistencia del acero (típicamente entre 800-1100 MPa para barras y

entre 1800-2000 MPa para cables)

Q no suele superar, en servicio, el 60% del límite elástico de elemento de acero (fys Aacero)

b)b) SecciSeccióónn de acerode acero

Método de Kranz





l lt

Q A

Al: área lateral del bulboQ: carga del anclaje: resistencia al corte unitaria en el contacto bulbo-terrenol: coeficiente de seguridad como mayoración de la carga aplicada sobre

el anclajet: coeficiente de seguridad como minoración de la resistencia al corte

límite en el contacto bulbo-terreno

(según Norma Española de anclajes)

Q

Al

Nivel de riesgo creciente

PermanentesTemporales

c)c) Longitud del bulboLongitud del bulbo

Método de Kranz



Se obtienen de ensayos de arrancamiento en condiciones reales o en el laboratorio

(según Norma Española de anclajes)

Valores orientativos de (pre-diseño)

Valores de la resistencia al corte unitaria en el contacto bulbo-terreno ():

Método de Kranz


Valores orientativos de (pre-diseño)


(según Ostermayer & Scheele, 1977)

Método de Kranz




Método CAD DISEÑO DE UN MURO PANTALLA


DISEÑO DE UN MURO PANTALLAMétodo CAD


ETAPAS DEL ANÁLISISMétodo CAD




DISEÑO DE UN MURO PANTALLAMétodo CAD


PLANO DE PLANTA DE LOS ANCLAJES


CONSTRUCCIÓN DEL MURO PANTALLA












MURO PANTALLA TERMINADO


Factor de Seguridad frente al levantamiento del fondo


NAVFAC DM7




NAVFAC DM7


NAVFAC DM7VALORES DE NCD Y NCR





““En mecEn mecáánica de suelos la exactitud de los nica de suelos la exactitud de los resultados calculados nunca resultados calculados nunca exedeexede al de una al de una estimaciestimacióón cruda, y n cruda, y la funcila funcióón principal de la n principal de la teorteoríía consiste en el ensea consiste en el enseññar ar de que y como de que y como observar en el campoobservar en el campo..””

Karl Terzaghi, 1936


VELEMOS POR QUE SE CUMPLAN LAS NORMASVELEMOS POR QUE SE CUMPLAN LAS NORMAS DE DE NOSOTROS DEPENDE QUE ESTO NO OCURRA NUEVAMENTENOSOTROS DEPENDE QUE ESTO NO OCURRA NUEVAMENTE


[email protected]

Muchas graciasMuchas gracias

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