Curso de Diseño de Cimentaciones - cecfic.uni.edu.pececfic.uni.edu.pe/archivos/cimentaciones/3_estructura vs geotecnia... · Análisis Norma ASTM Ensayo Físico D ± 422 Análisis

Curso de Diseño de Cimentaciones Julio de 2014

Articulación entre las especialidades de

Ingeniería Estructural y Geotécnica

Expositor:

WILFREDO GUTIERREZ LAZARES

EXP

EDIE

NTE

TÉC

NIC

O D

E ED

IFIC

AC

ION

ES

Proyecto de Inversión

• SNIP

• Rentabilidad

Estudios de Ingeniería

•Topografía

• Mecánica de Suelos• Impacto Ambiental

Proceso Constructivo

• Planeamiento

• Procedimiento

Gestión de las Especialidades

• Articulación

• Integración

Costos

• Precios Unitarios

• Presupuesto de Obra

Especificaciones

• Generales

• Especiales

Suelo Mecánica de Suelos

Geotecnia

INGENIERÍA GEOTÉCNICA

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

Calicata Profundidad

(m.) Descripción SUCS

C-01

0.00 – 0.80

Suelo de partícu las finas del t ipo limo

arcilloso. Se encuentra parcialmente

húmedo, con presencia de cantos rodados de

tamaño nominal máximo de 2" en bajo

porcentaje y de manera aislada. Al excavar

la primera capa, se observa que se obtienen

suelos cohesionados con apariencia de

fragmentos de roca, que se disgregan al

manipularse. La muestra presenta color

marrón oscuro, por la presencia de arcilla

limosa, con características propias de

terreno de cultivo.

CL - ML

0.80 – 2.50

Suelo de partícu las finas formado por arena

fina limosa. Con bajo contenido de humedad

y plasticidad. A mayor profundidad, la

humedad del suelo disminuye y el material

se hace más limoso y su plasticidad también

disminuye. El suelo adopta una coloración

amarillenta a beige oscuro.

ML

EXPLORACIÓN DE CAMPO

Ensayos de Laboratorio

Físicos

Químicos

Mecánicos

• Clasificación

• Peso Unitario

• Sulfatos

• Cloruros

• Corte Directo

• Triaxial

Análisis Norma ASTM Ensayo

Físico

D – 422 Análisis granulométrico por tamizado.

D - 4318 Límite líquido.

D - 4318 Límite plástico.

D - 4318 Índice plástico.

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

Calicata Muestra Prof.

(m) Estado

Cohesión

(kg/cm2)

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

DISEÑO GEOTÉCNICO

PARÁMETROS DE RESISTENCIA

PROPIEDDES FÍSICAS

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:

qbr =0.5 γ2.b Nγ + cNc + q’Nq

Además: q’ = γ1. d

qbr = f (γ2, b, φ, c, γ1 , d)

Nγ; Nc, Nq = f (φ)

q´= d

b

P d

γ2

γ1

qult 0.5 B + c.c.c q’.q.q

Donde:

qult = 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

qadm = qult / FS

Donde:

qadm = capacidad admisible de carga

FS = factor de seguridad

CAPACIDAD DE CARGA

Proyecto

Ubicación

Estructura

Evaluacion

Solicitante Cota (m) : 0.00

Responsable Fecha : 17/10/2011

A.- DATOS GENERALES

Ángulo de Fricción Interna (φ) 31.00 grados sin saturar

Cohesión (c) 0.00 kg/cm2

Peso Unitario de Sobre Carga (γ1) 1.488 gr/cm3

Peso Unitario del Suelo de Cimentación (γ2) 1.488 gr/cm3

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) 1.10 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 Circular

B.- FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA C.- FACTORES DE FORMA

Nc = 32.671 Sc = 1.631

Nq = 20.631 Sq = 1.601

Ny = 17.693 Sy = 0.600

D.- COEFICIENTES DE PRESION LATERAL Ka = 0.320 Kp = 3.124

E.- CAPACIDAD ADMISIBLE

Sub Estación de Distribución Biposte 12480 Cimentación existente Circular

COTA DESPLANTE ANCHO qult qadm

RELATIVA Df (m) B (m) W W' (kg/cm2) (kg/cm

2)

-1.10 1.10 0.8 1.00 1.00 6.04 2.01

-1.10 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

-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

Detalle

Cir

cula

r

FACTORES POR N.F.

CAPACIDAD DE CARGA - Cimentación Superficialwgl

SED Aérea Bi Poste - SAB 12480

Jardín central de la Av. Los Tusilagos esquina Calle Los Ricinos, San Juan de Lurigancho, Lima

Sub Estación de Distribución Biposte 12480

Capacidad de Carga del Suelo.

EDELNOR S.A.A.

W.G.L.

Proyecto

Ubicación

Estructura

Evaluacion

Solicitante Cota (m) : 0.00

Responsable Fecha : 17/10/2011

A.- DATOS GENERALES

Ángulo de Fricción Interna (φ) 31.00 grados sin saturar











Cimentación existente Circular


Nc = 32.671 Sc = 1.631

Nq = 20.631 Sq = 1.601

Ny = 17.693 Sy = 0.600



Sub Estación de Distribución Biposte 12480 Cimentación existente Circular

COTA DESPLANTE ANCHO qult qadm

RELATIVA Df (m) B (m) W W' (kg/cm2) (kg/cm

2)

-1.10 1.10 0.8 1.00 1.00 6.04 2.01

-1.10 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

-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

Detalle

Cir

cula

r

FACTORES POR N.F.

CAPACIDAD DE CARGA - Cimentación Superficialwgl

SED Aérea Bi Poste - SAB 12480

Jardín central de la Av. Los Tusilagos esquina Calle Los Ricinos, San Juan de Lurigancho, Lima

Sub Estación de Distribución Biposte 12480

Capacidad de Carga del Suelo.

EDELNOR S.A.A.

W.G.L.

A.- DATOS GENERALES

Ángulo de Fricción Interna (φ) 30.60 grados











Cimentación existente Cimiento Rectangular


Nc = 31.626 Sc = 1.623

Nq = 19.704 Sq = 1.591

Ny = 16.592 Sy = 0.600


DESPLANTE ANCHO qult qadm

Df (m) B (m) W W' (kg/cm2) (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

Cim

ien

to R

ecta

ngu

lar

FACTORES POR N.F.




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

Cim

ien

to R

ecta

ngu

lar

FACTORES POR N.F.




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

Cim

ien

to R

ecta

ngu

lar

FACTORES POR N.F.




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

Cim

ien

to R

ecta

ngu

lar

FACTORES POR N.F.


… 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.

Responsabilidad del Solicitantes

Información Previa

Programa de investigación

Informe del EMS

NORMA E-050 Obligatoriedad de lo Estudios

•CARGAS A UTILIZAR

•ASENTAMIENTO TOLERABLE

•CAPACIDAD DE CARGA

•FACTOR DE SEGURIDAD FRENTE A UNA FALLA

POR CORTE

•PRESIÓN ADMISIBLE

Capítulo 3. ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES

DE CIMENTACIÓN

Diseño de Cimentaciones

Estabilidad

Vuelco

Deslizamiento

Capacidad de carga

Deformación

Vuelco

Linealidad

Asentamiento

Cuando no se

conocen las

cargas

(condiciones

estáticas)

ESQUEMA PARA EL DISEÑO

DE CIMENTACIONES

Carga de la

Edificación

Resistencia

del Suelo

N’

Q

N’ < Q

Nivel de

cimentación

ESTABILIDAD DEL SISTEMA

N'

Q

Fuerzas

PRIMER PISO

Df

MODELAMIENTO GEOTÉCNICO

N’ < Q

Lo que resiste el suelo debe ser mayor o igual a las

cargas transmitidas por las estructuras

Nivel de Cimentación o

Profundidad de Desplante

Incidencia Modelo Parámetros Ensayos / Cálculos Esfuerzos Recurso

Metrado SAP

N' Cargas y1 (CM+CV+CS) Reglamento N'cim/AREA ETABS

Factores

Compresión Simple Terzaghi

Q Suelo y2 c,Φ,Y Corte Directo qbr Meyerhof

Triaxial Brinch Hansen

Y1 < Y2 N'cim/AREA < qbr

Fuerzas

N' < Q

PRIMER PISO

Df

ANÁLISIS DEL MODELO GEOTÉCNICO

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/m3)= 17.5

Df(m)= 1.8

γ1sat(kN/m3)= 17.5

b(m)= 1.2

Hb(m)= 0.3

B/L= 1

D = 0 Hb + b(m)= 1.5

γ2(kN/m3)= 17.5

(Suelo 2) γ2sat(kN/m3)= 17.5

φ(º)= 30

c(kPa)= 0

MODELAMIENTO BÁSICO

•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

Excentricidad de las Cargas

Profundidad de Cimentación

Forma de la base de la Cimentación

Inclinación del Terreno.

Profundidad en el estrato resistente.

Factores

que influyen

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

(Programa FAD_versión 1.2 por: Ing. Wilfredo Gutiérrez Lázares) 06/05/2010

DISEÑO POR 1er ESTADO LIMITEwgl

(Estabilidad)

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

γgγ = 1.03 γ1* 16.99 γ1*sat 16.99

γgc = 0.01 γ2* 16.99 γ2*sat 16.99

γgtanφ = 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!!!

CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN

qbr R qelást

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona Elástica

Zona de Linealidad

Falla

Modelos de Comportamiento del Suelo

Característica del modelo

Cimiento de

ancho B y

longitud infinita L

Distribución de

tensiones

actuantes

uniforme

Sobre carga uniforme

a ambos lados de la

cimentación

Estrato

resistente a nivel

de cimentación

•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

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE CARGA

MODELO INICIAL INFLUENCIA

Cimiento de ancho B y longitud infinita L Cimiento de cualquier rectangularidad

qbr = 0.5γ2. B.Nγ + C. Nc + q’.Nq

Factores de forma (Vesic) - S, Sc, Sq

qbr = 0.5γ2. B’.Nγ.Sγ.iγ.dγ.gγ. + C.Nc.Sc.ic.dc.gc + q’.Nq.Sq.iq.dq.gq

S = 1-0.4(B´/ L´ )

Sc = 1 + (Nq/Nc) (B´/ L´ )

Sq = 1 + (B´/ L´ ) tg φ*



Distribución de tensiones actuantes uniforme

Excentricidad de la carga

qbr = 0.5γ2. B.Nγ + C. Nc + q’.Nq

l’= l – 2.el

b’= b – 2.eb

B’= menor entre l’ y b’





Inclinación de la carga

qbr = 0.5γ2. B.Nγ + C. Nc + q’.Nq


i =

5

* cot * C ´ l ´ b * N

* H 7 . 0 1

j -

i q =

5

* cot * C ´ l ´ b * N

* H 5 . 0 1

j -

i c = i q - ) 1 Nq (

) i 1 ( q

-

-




Estrato resistente por encima del nivel de la cimentación

qbr = 0.5γ2. B.Nγ + C. Nc + q’.Nq

Cuando D b

d = 1.0

dc = 1 + 0.4 (D/b)

dq = 1 + 2tgj* (1 – sen j* )2 (D/b)

Cuando D > b

d = 1.0

dc = 1 + 0.4 tg-1 (D/b)

dq = 1 + 2tgj * (1 – sen j* )2 tg-1 (D/b)





Inclinación del terreno

qbr = 0.5γ2. B.Nγ + C. Nc + q’.Nq

Para suelos j y C-j

g = gq = (1 – 0.5 tg)5

gc = 1 – ( / 147 )

: Angulo de inclinación del terreno.

Se expresa en grados y tiene que ser

menor o igual que j.


N’

H ML’

o

d q*

L/2 L/2

Capacidad de carga según:

Método de Brinch Hansen Para suelos c – φ


donde:

γ2* : 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.

Sγ, Sc, Sq, iγ, ic, iq, dγ, dc, dq, gγ, gc, gq : Factores de influencia

Factores de capacidad de carga - N, Nc, Nq

Nq = e p tg j

· tg2 (45 + j /2)

Nc = (Nq - 1)cot j

N = 2.0 (Nq - 1)tg j

Criterio de Seguridad

qbr R Y2/k

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona de Linealidad

Falla

Comportamie

nto Lineal

Comportamie

nto Plástico

Y2ad

m

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

Verificando Condición de Diseño de Resistencia

N'*c = 351.17 < Qbt = 451.957 Conforme!!!

% Tolerancia = 28.7 Antieconómico!!!!

Carga de la

Edificación

Resistencia

del Suelo

N’

Q

N < Q

Nivel de

cimentación

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.

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