[Geotecnia] Manuel Romana - Cálculo de Asientos Admisibles

ASIENTOS ADMISIBLES

Manuel Romana. STMR - UPVOctubre 2001

Interacción terreno-estructura

ACCIONES

TERRENO

Rotura

MATERIAL

REACCIONES

Deformacióngeometria

La materialización constructiva de los puntos de apoyo de la estructura constituye la cimentación. La cimentación debe garantizar las coacciones impuestas a la estructura y que REACCION < RESISTENCIAREACCION < RESISTENCIA

Estructura de acero Muro de ladrilloCerramiento ligero

SecciónZapata Corrida RígidaFlexible

Cimentación rígidaCimentación flexible

Cargas

Tipo de estructura

Dimensiones

Rigidez

Cimiento

Proceso constructivo

Uniformidad del suelo

Velocidad

Factores

Objetivos del diseñoSeguridad (equilibrio)

La Resistencia se moviliza con la Deformación

Funcionalidad (deformación)(movimientos inducidos)

goce estético (Vitrubio, 30 a.d.C)

DISEÑO................................... ADMISIBLE

Objetivos del DiseñoEl diseño de una cimentación cumplir los requisitos anteriores (Bjerrum, 1963Bjerrum, 1963)

Estimar los movimientos de la cimentaciónEvaluar la seguridad de la misma Determinar si los movimientos asídeterminados garantizan el correcto funcionamiento de la estructura.

Patologia y daño asumibleEl mal funcionamiento de la estructura estáasociado, en muchos casos, a elementos que noafectan a la seguridad de la estructuraSe manifiesta en aspecto o incomodidadEstas patologías son en principio reparables a un coste adecuado.

El grado de aceptación de un determinado tipo de mal funcionamiento depende de la función del edificio.

Patologia y daño asumible

Patología (Síndrome)= Disfunción(SINTOMAS)

Se asocia a movimientos¿Limitar movimientos = evitar patologías?

En muchos casos los daños se deben a deformaciones de la propia estructura, generadas por otras causas

Un estudio analítico de la interacción terreno/estructura teniendo presente el comportamiento y la geometría de todos los elementos de un edificio es inabordable.

Patologia y daño asumibleLos edificios son muy diferentes entre sí, tanto desde un punto de vista general (tipología, estructura, materiales), como desde un punto de vista concreto (disposiciones constructivas, geometría) por lo que es difícil establecer reglas de tipo general.

Los edificios, e incluso las cimentaciones, responden de modo diferente a como fueron diseñados, debido a que los materiales de construcción rara vez funcionan de acuerdo con las hipótesis establecidas en los cálculos

Patologia y daño asumible

Diseño implica: (Peck, 1956)IncertidumbreRiesgoDaño asociado

un diseño de estructura que evitara cualquier tipo de fisuración exigiría un sobrecoste del orden del 10%.

Tipos de movimientos

Flujo de humedad

T < To

To > T

Grietas

hinchamiento

Isotermas

Definición de términos

ρ MAXρ K>0

ρ M<0

ρ

X

M

Kρ K = ρ (xk)

xk

xM

P

Q

δρ PQAsiento diferencial= δρ

Asiento máximo

Hinchamiento


(θN)+>0

(θN)- >0

αN>0

+

N

N-1

N+1

N-1

N

N+1(θN)- <0

(θN)+>0αN<0

Rotación θ

Deformación angular ααN =(θN)- -(θN)+

xxρρ)(θ

xxρρ)(θ

1NN

1NNN

N1N

N1NN

−

−−

+

++

−−

=−−

= +− −= )(θ)(θα NNN

Rotación o giro (θ) Deformación angular (α)


w

w

θβ

w = Inclinaciónβ=θ−w = Rotación relativaβ= Distorsión angular

w


W

δρβ

α

Δ

L

d

ΔAB>0

LAB

ΔBC<0

LBC

A

B

CΔ = Deflexión o flecha relativa

Δ/L = Coeficiente de Deflexión o de curvatura

Quebranto

Arrufo

Control de asientoso Los edificios asientan debido a las cargas aplicadaso El asiento diferencial es más crítico que el asiento total.o Las estructuras y sus cimentaciones deben diseñarse de modo

que se limite y minimice el asiento diferencialo Muchas estructuras pueden soportar grandes asientos sin que

se vean comprometidas su seguridad o su funcionalidad.o Asientos “lentos” y “rápidos”.

o MEYERHOFF: β=1/1000; δρ=8 mm........Δσ (75%)....daño nulo

Recomendaciones...................Inventario

SKEMPTON-MACDONALD(1956)

β=1/300 δρ(mm)

ρmax(mm)

losas zapatas

Arcilla 45 100 75

Arena 30 65 50

o Fisuración : β>1/300.

Daño estructural : β>1/150.Para un valor dado de β o δρ , el asiento máximo admisible es mayor

para una cimentación por losa que para una cimentación por zapatas

GRANT et al. (1974)

maxo

max β mρρ

=

maxo

max β nρ

δρ=

ρo = 25.4 mm (1”)

BJERRUM (1963)

Bjerrum (1963)

Arenas

Arcillas

POLSHIN Y TOKAR (1957)Valores de θ

Polshin y Tokar (Estructuras)Arena y arcilla dura

Arcilla blanda

Estructuras reticuladas de acero u hormigón armado

0.002 0.002

Cerramientos de ladrillo entre pilares

0.007 0.001

Estructuras isostáticas 0.005 0.005

Carriles de grúa y puentes grúa 0.003 0.003

Inclinación (w) de edificios esbeltos 0.004 0.004

POLSHIN Y TOKAR (1957)Valores de Δ/L

Polshin y Tokar (Muros)Arena y arcilla dura

Arcilla blanda

Edificios de varios pisos

L/H <3 0.0003 0.0004

L/H>5 0.0005 0.0007

Edificios industriales de una planta

0.0010 0.0010 εcrit = 0.05%

L/H

Burland et al. (1977)

Burland et al. (1977)

δρ(mm)

ρmax(mm)

losas zapatas

Arcilla 40 65-100 65

Arena 20-25 50-65 25-40

EUROCÓDIGO 1Eurocódigo 1 Basis of design (1993)

(6th Draft)

Asiento total (mm)

Zapatas 25

Losas 50

Asiento diferencial (mm)

Sin cerramientos 20

Revestimientos flexibles 10

Revestimientos rígidos 5

Distorsión angular 1/500

Inclinación diseño

EUROCODIGO 7.(Geotechnical design)

Principios Valores admisibles de los movimientos deben considerar:

• Tipo y función de la estructura

• Tipo de materiales

• Tipo de cimentación

• Modo de deformación

Asiento diferencial y distorsión deben definirse :

• No se alcance el límite de servicio

Los cálculos deben tener en cuenta:

• Variabilidad de cargas, propiedades del terreno

• Rigidez de la estructura

• Método constructivo

EUROCODIGO 7.(Geotechnical design)

Reglas de aplicación:

1/2000< β <1/300....................1/500

Zapatas: ρmax < 50 mm δρ < 20 mm

Norma AE-88ρmax (mm) (orientativo)

Granular Cohesivo

Obras monumentales 12 25

Estructuras de H.A. muy rigidas35 50

Estructuras de H.A. poco rígidasEstructuras metálicashiperestáticasEdificios con muros de fábrica

50 75

Estructuras metálicas isostáticasEstructuras de maderaEstructuras provisionales

50(*) 75(*)

(*) Comprobando que no se produce desorganización en la estructura ni en los cerramientos (¿?)

Crítica (Burland)

Estudio incompleto, con información detallada, de todo el proceso: constructivo, proyecto, usos, historia, etc..La estimación del tipo de daño y su grado es cualitativo subjetivo.La información sobre la estructura y/o el terreno es incompleta.La relación causa-efecto entre asientos y daños es infundada.El inventario puede estar sesgado hacia los casos de edificios sin daño.Buen funcionamiento de edificios antiguos con asientos elevados.No relaciona justificadamente causas (asientos) con efectos (fisuras) No tiene en cuenta el daño asumible o asociado al diseño.

Daño y coste asumibleNo toda la fisuración observable se debe a los asientos

La ausencia de fisuración no supone que no se hayan producido asientos.

“ El movimiento puede considerarse no tolerable cuando el daño requiere un mantenimiento y/o reparaciones costosas, de modo que hubiera sido más adecuada una construcción o diseño más costoso que hubiera evitado el problema “

Propuesta de Burland

Definición objetiva de daño

Modelo explicativo que relacione daño y movimiento

Daño apreciable se manifiesta por fisuras (grietas de tracción)

Tipología del daño

ArquitectónicoFuncionalEstructural

Daño Arquitectónico, (aspecto)

también llamado estético: afecta al aspecto de las estructuras

•fisuras o despegues en los tabiques, solados y acabados.

•Se ha comprobado que fisuras son apreciadas por los usuarios:

•en enlucidos con aperturas superiores a 0.5 mm

•en tabiquería y cerramientos superiores a 1 mm,

(Grados 0,1 y 2)(Grados 0,1 y 2)


Daño funcional: (Comodidad)

afecta al uso o servicio de la estructura y

se manifiesta en

•la dificultad para abrir puertas y ventanas,

•fisuración y desconchados en enlucidos,

•inclinación en tabiques y forjados y

•pérdida de estanqueidad o impermeabilidad.

Requiere reparación de carácter no estructural para reponer las condiciones de servicio y uso del edificio.

(Grados 3 y 4)(Grados 3 y 4)


Daño estructural: (Ruina)afecta a la estabilidad de la estructura

se manifiesta en grietas, distorsiones, giros o desplomes en elementos estructurales como vigas, pilares, muros de carga o forjados.

Reedificación total o parcial.

Apeo y apuntalamiento

(Grado 5).(Grado 5).


Viga equivalente (Burland, Wroth, 1974)

LΔ

Deformación a cortante Deformación a flexiónL

H

Grietas Grietas

22yxyx

1 2γ

2εε

2εε

ε ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −±

+=

mx

x1 ε2H

I EM

Eσεε ====

t1 εAG2Vα

G2τ

2γε ====


2

2

2

2

o

2

22

o

2

22

t2m

LH

GE1

LH

GE

231

β31

LΔ

GE

LH1

EI16PLβ

GE

LH

231

EI48PL

LΔ

GH8P3ε

EH2PL3ε

2P V

4PLM

+

+=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

+=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

+=

====

Carga puntual Deformación a tracción crítica: εcrit

(Inicio de fisuración)

muros de ladrillo y bloques:

0.05-0.10%

hormigón armado

0.03-0.05%


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 2 4 6 8 10

L/H

1000

Δ/L

β= 1/300

β= 1/500

Polshin y Tokar

Flex

ión

Cor

te

puntual

uniforme

ε critica = 0.075%

quebran

arrufo


0102030405060708090

100

0 2 4 6 8 10L/H

% F

lech

a

momento

Cortante

E/G=2.6 E/G=12.5


Influencia de la rigidez


Δ/(Lεcrit) depende :esbeltez (L/H), anisotropía (E/G), profundidad fibra neutra y modo dominante de deformación.

Relación entre (β) y (Δ/L ) dependedimensiones del edificio (H/L) rigidez a cortante (E/G).

Tipo de Carga :por momento difiere poco. Por deformación de corte sensible al punto de la viga en la que se calcule. En x= L/4, no influye el tipo de carga

Pequeños valores de L/H la condición de cortante es más restrictiva Cuanto mayor es E/G, mayor es el rango de L/H en el que domina la condición de cortante.

Criterio de Burland-Wroth

Muros arrufoMuros quebranto

Estructuras porticadas

Movimientos horizontalesMinisterio Polaco de Minas y Energía. (Hutchings et al. 1974)

εh (%) Tipo de estructura o servicio

0.20 Tuberías generales de gas con riesgo de escape en caso de rotura. Depósitos de agua. Instalaciones industriales sensibles

0.40Edificios industriales de hormigón armado de construcción monolítica o con puentes grúa; cúpulas de iglesias. Edificios públicos grandes (hospitales, teatros, etc.). Líneas de ferrocarril y estaciones con equipo técnico. Túneles. Arcos de puentes. Conducciones generales de agua. Edificios residenciales de más de 20 m

0.60

Carreteras principales. Líneas de ferrocarril y estaciones secundarias. Puentes de vigas. Edificios industriales de ladrillo, acero y madera sin grúas y poco susceptibles a los movimientos del terreno. Torres de refrigeración y grandes chimeneas. Depósitos de agua elevados. Iglesias con techos de vigas. Edificios residenciales entre qo y 20 m de longitud o de más de 20 m si están protegidos contra movimientos. Colectores principales. Aeropuertos

0.90 Grandes estadios. Edificios residenciales de 10 m de largo o de 10 a 20 m con protección especial.

Movimientos horizontalesNATIONAL COAL BOARD. U.K.

Δu (m) Clase de dañoTipos de daños posibles

<0.03 Muy ligeroso inapreciables

Fisuras en enfoscados. Grietas aisladas no visibles en el exterior

0.03-0.06Ligeros Pequeñas grietas en el interior. Puertas y ventanas se

atascan ligeramente. Fisuras generalizadas en enfoscados

0.06-0.12Apreciables Grietas en el exterior. Alguna muy marcada. Puertas y

ventanas atascadas. Rotura de tuberías

0.12-0.18 Graves

Rotura de tuberías. Grietas que comunican interior y exterior. Distorsiones en marcos. Inclinación de solados. Muros ondulados o con desplome. Pérdida de apoyo de algunas vigas. Grietas horizontales en fábrica de ladrillo y solape de juntas en solados si la deformación es de compresión

>0.18 Muy GravesPérdida de apoyo en vigas. Necesario el apuntalamiento. Rotura de ventanas por distorsión. Inclinación en forjados. Alabeos y panzas en techos y muros si la deformación es de compresión.

Movimientos horizontales

Boscardin et al. 1989

L/H=1

Túneles

Boscardin et al. 1989

Documents

[Geotecnia] Manuel Romana - Cálculo de Asientos Admisibles