Revisión Análisis de Cimentaciones Superficiales - 1

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO

ESCUELA DE POSTGRADO

MAESTRIA EN CIENCIAS E INGENIERA

MENCIN INGENIERA ESTRUCTURAL

CURSO:

MECNICA DE SUELOS AVANZADA

TEMA:

REVISIN DEL ANLISIS DE CIMENTACIONES SPERFICIALES

DOCENTE:

MSC. ING. REYNALDO REYES ROQUE

MSc. Ing. Reynaldo Reyes Roque Mecnica de Suelos Avanzado 2014-I

REVISIN DEL ANLISIS DE

CIMENTACIONES SPERFICIALES

Contenido:

1. Revisin y Comentario de la Norma Tcnica E.050

2. Teoras de Capacidad de Carga

3. Asentamientos en Cimentaciones Superficiales

4. Losas de Cimentacin

5. Dinmica de Suelos Efecto del Sismo

6. Diseo de Cimentaciones Superficiales por Estado Lmite


1. REVISIN Y COMENTARIO DE LA NORMA TECNICA DE

EDIFICACIONES E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES DEL RNE

CAPTULO 3

ANLISIS DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIN

3.1 CARGAS A UTILIZAR

Para la elaboracin de las conclusiones del EMS, y en caso de contar con la informacin de

las cargas de la edificacin, se debern considerar:

a) Para el clculo del factor de seguridad de cimentaciones: se utilizarn como cargas

aplicadas a la cimentacin, las Cargas de Servicio que se utilizan para el diseo estructural

de las columnas del nivel ms bajo de la edificacin.

b) Para el clculo del asentamiento de cimentaciones apoyadas sobre suelos granulares: se

deber considerar la mxima carga vertical que acte (Carga Muerta ms Carga Viva ms

Sismo) utilizada para el diseo de las columnas del nivel ms bajo de la edificacin.

c) Para el clculo de asentamientos en suelos cohesivos: se considerar la Carga Muerta ms

el 50% de la Carga Viva, sin considerar la reduccin que permite la Norma Tcnica de

Edificacin E .020 Cargas.

d) Para el clculo de asentamientos, en el caso de edificaciones con stanos en las cuales se

emple plateas o losas de cimentacin, se podr descontar de la carga total de la estructura

(carga muerta ms sobrecarga ms el peso de losa de cimentacin) el peso del suelo

excavado para la construccin de los stanos.


3.2 ASENTAMIENTO TOLERABLE

B

L

A

L

Asentamiento diferencial

Asentamiento total de AAsentamiento total de B

Distorsin Angular =

En todo EMS se deber indicar el asentamientotolerable que se ha considerado para laedificacin o estructura motivo del estudio.

El Asentamiento Diferencial no debe generaruna distorsin angular mayor que la indicada enla Tabla.

En suelos granulares el asentamientodiferencial se puede estimar como el 75% delasentamiento total.


3.3 CAPACIDAD DE CARGA

La capacidad de carga es la presin ltima o de falla por corte del suelo y se determina

utilizando las frmulas aceptadas por la mecnica de suelos.

En suelos cohesivos (arcilla, arcilla limosa y limo-arcillosa), se emplear un ngulo de

friccin interna () igual a cero.

En suelos friccionantes (gravas, arenas y gravas-arenosas), se emplear una cohesin (c)

igual a cero.

3.4 FACTOR DE SEGURIDAD FRENTE A UNA FALLA POR CORTE

Los factores de seguridad mnimos que debern tener las cimentaciones son los siguientes:

a) Para cargas estticas: 3.0

b) Para solicitacin mxima de sismo o viento (la que sea ms desfavorable): 2.5


3.5 PRESIN ADMISIBLE

La determinacin de la Presin Admisible, se efectuar tomando en cuenta los siguientes

factores:

a) Profundidad de cimentacin.

b) Dimensin de los elementos de la cimentacin.

c) Caractersticas fsico mecnicas de los suelos ubicados dentro de la zona activa de la

cimentacin.

d) Ubicacin del Nivel Fretico, considerando su probable variacin durante la vida til de

la estructura.

e) Probable modificacin de las caractersticas fsico mecnicas de los suelos, como

consecuencia de los cambios en el contenido de humedad.

f) Asentamiento tolerable de la estructura.

La presin admisible ser la menor de la que se obtenga mediante:

a) La aplicacin de las ecuaciones de capacidad de carga por corte afectada por el factor de

seguridad correspondiente (Ver Seccin 3.4).

a) La presin que cause el asentamiento admisible.


CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTO ADMISIBLES

La Capacidad de Carga Admisible (Presin Admisible) ser la menor de las

siguientes dos condiciones:

qadm = qu / F.S. qu = capacidad de carga ltima

o

qadm = qasentamiento admisible


PRIMER PISO

Df


CAPTULO 4

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

4.1 DEFINICIN

Son aquellas en las cuales la relacin Profundidad / ancho (Df /B) es menor o igual a cinco (5),

siendo Df la profundidad de la cimentacin y B el ancho o dimetro de la misma.

Cimentacin Superficial: Df / B < 5

Son cimentaciones superficiales las zapatas

aisladas, conectadas y combinadas; las

cimentaciones continuas (cimientos corridos) y

las plateas de cimentacin.

4.2 PROFUNDIDAD DE CIMENTACIN

La profundidad de cimentacin de zapatas y cimientos corridos, es la distancia desde el nivel

de la superficie del terreno a la base de la cimentacin, excepto en el caso de edificaciones

con stano, en que la profundidad de cimentacin estar referida al nivel del piso del stano.

En el caso de plateas o losas de cimentacin la profundidad ser la distancia del fondo de la

losa a la superficie del terreno natural.

La profundidad de cimentacin quedar definida por el PR y estar condicionada a cambios

de volumen por humedecimiento-secado, hielo-deshielo o condiciones particulares de uso de

la estructura, no debiendo ser menor de 0.80 m en el caso de zapatas y cimientos corridos.

PRIMER PISO

SOTANO

Df Df

Losa de Cimentacin


Las plateas de cimentacin deben ser losas rgidas de concreto armado, con acero en dos

direcciones y debern llevar una viga perimetral de concreto armado cimentado a una

profundidad mnima de 0.40 m, medida desde la superficie del terreno o desde el piso

terminado, la que sea menor. El espesor de la losa y el peralte de la viga perimetral sern

determinados por el Profesional Responsable de las estructuras, para garantizar la rigidez de

la cimentacin.

Si para una estructura se plantean varias profundidades de cimentacin, deben determinarse

la carga admisible y el asentamiento diferencial para cada caso. Deben evitarse la interaccin

entre las zonas de influencia de los cimientos adyacentes, de lo contrario ser necesario

tenerla en cuenta en el dimensionamiento de los nuevos cimientos.

Cuando una cimentacin quede por debajo de una cimentacin vecina existente, el PR

deber analizar el requerimiento de calzar la cimentacin vecina segn lo indicado en las

Secciones 6.5.6 y 6.5.7.

No debe cimentarse sobre turba, suelo orgnico, tierra vegetal, relleno de desmonte o

rellenos sanitario o industrial, ni rellenos No Controlados. Estos materiales inadecuados

debern ser removidos en su totalidad, antes de construir la edificacin y ser reemplazados

con materiales que cumplan con lo indicado en la Seccin 4.4.1.


4.3 PRESIN ADMISIBLE

Se determina segn lo indicado en el Captulo 3.

4.4 CIMENTACIN SOBRE RELLENOS

Los rellenos son depsitos artificiales que se diferencian por su naturaleza y por las

condiciones bajo las que son colocados.

Por su naturaleza pueden ser:

a) Materiales seleccionados: todo tipo de suelo compactable, con partculas no mayores de

7,5 (3), con 30% o menos de material retenido en la malla y sin elementos distintos

de los suelos naturales.

b) Materiales no seleccionados: todo aqul que no cumpla con la condicin anterior.

Por las condiciones bajo las que son colocados:

a) Controlados. (rellenos controlados o de ingeniera)

b) No controlados. (rellenos no controlados)


4.5 CARGAS EXCNTRICAS


4.6 CARGAS INCLINADAS

La carga inclinada modifica la configuracin de la superficie de falla, por lo que la

ecuacin de capacidad de carga deber ser calculada tomando en cuenta su efecto.

4.7 CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES

En el caso de cimientos ubicados en terrenos prximos a taludes o sobre taludes o

en terreno inclinado, la ecuacin de capacidad de carga debe ser calculada teniendo

en cuenta la inclinacin de la superficie y la inclinacin de la base de la

cimentacin, si la hubiera.

Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud, considerando la presencia

de la estructura.

El factor de seguridad mnimo del talud, en consideraciones estticas debe ser 1.5

y en condiciones ssmicas 1.25.


2. TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA

INTRODUCCION

Para comportarse satisfactoriamente, las cimentaciones superficiales deben tener dos

caractersticas principales:

1. La cimentacin debe ser segura contra una falla por corte general del suelo que lo

soporta.

2. La cimentacin no debe experimentar un desplazamiento excesivo, es decir, un

asentamiento excesivo. (El trmino excesivo es relativo, por que el grado de

asentamiento permisible en una estructura depende de varias consideraciones.)


CONCEPTO GENERAL

Se considera una cimentacin corrida que descansa sobre la superficie de arena densa o

suelo cohesivo firme, con un ancho igual a B.

B

Arena densa o suelo cohesivo firme

Suelo cohesivo firme

Ahora, si la carga se aplica gradualmente a la cimentacin, el asentamiento se

incrementar. La variacin de la carga por unidad de rea, q, sobre la cimentacin se

muestra en la siguiente figura junto con el asentamiento.


En cierto punto, cuando la carga por unidad de rea es igual a qu , tendr lugar una falla

repentina en el suelo que soporta a la cimentacin y la zona de falla en el suelo se

extender hasta la superficie del terreno(Fig. a). Esta carga por rea unitaria, qu , se

denomina generalmente capacidad de carga ltima de la cimentacin. Cuando este tipo de

falla repentina tiene lugar en el suelo, se denomina falla general por corte.


Figura: Variacin de qu (1) / B y q u / B en placas circulares

y rectangulares sobre supericie de una arenas (segn Vesic, 1963)

Vesic (1963) realiz pruebas de laboratorio de capacidad de carga sobre placas circulares

y rectangulares soportadas por una arena con diversas compacidades relativas de

compactacin Cr . Las variaciones de qu(1) / B y qu / B obtenidas se muestran en la

siguiente figura:

B = Dimetro de la placa circular o

ancho de la placa rectangular.

= Peso especifico seco de la arena.

Para Cr 70%, ocurre en el suelo la falla

general por corte.


Figura: Modos de falla en cimentaciones

sobre arena (segn Vesic, 1973)

Con base en resultados experimentales, Vesic (1973)`propuso una relacin para el modo

de falla por capacidad de carga de cimentaciones que descansan en arenas. La figura

muestra las relaciones obtenidas:

Cr = compacidad relativa de la arena

Df = profundidad de desplante de la cimentacin,

medida desde la superficie del terreno

B = 2 B L / (B + L)

Donde:

B = ancho de la cimentacin

L = longitud de la cimentacin

(Nota: L es siempre mayor que B)

Para cimentaciones cuadradas, B = L, para

cimentaciones circulares, B = L = dimetro,

por lo que B = B.


2.1 TEORIA DE LA CAPACIDAD DE CARGA DE TERZAGHI

Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teora completa para evaluar la capacidad

de carga ultima de cimentaciones superficiales.

Terzaghi sugiri que para una cimentacin corrida (es decir, cuando la relacin entre

longitud de la cimentacin tiende a cero), la superficie de falla en el suelo bajo carga

ltima puede suponerse similar a la mostrada en la siguiente figura. (Note que ste es el

caso para falla general por corte).

El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentacin puede tambin suponerse

reemplazado por una sobrecarga equivalente efectiva q = Df 70%, ocurre en el suelo

la falla general

UNA CIMENTACION ES SUPERFICIAL SI LA PROFUNDIDAD Df DE LA CIMENTACION ES MENOR O IGUAL QUE EL ANCHO DE LA MISMA.POSTERIORMENTE INVESTIGADORES SUGIEREN QUE CIMENTACIONES CON Df IGUAL A 3 O 4

VECES EL ANCHO DE LA CIMENTACION PUEDEN SER DEFINIDAS COMO CIMENTACIONES

SUPERFICIALES.


JA C

D EF

GH

I

Df quq = .Df

45 - /2

45 - /2

45 - /2 45 - /2

B

CAPACIDAD DE CARGA EN SUELO

EN CIMENTACION CORRIDA SEGN TERZAGHI

LA ZONA DE FALLA BAJO LA CIMENTACION PUEDE SEPARARSE EN TRES PARTES

1.- LA ZONA TRIANGULAR ACD INMEDIATAMENTE DEBAJO DE LA CIMENTACION.

2.- LAS ZONAS DE CORTE RADIALES ADF y CDE, CON LAS CURVAS DE y DF COMO ARCOS

DE UNA ESPIRAL LOGARITMICA.

3.- DOS ZONAS PASIVAS DE RANKINE TRIANGULARES AFH y CEG.


qu = CAPACIDAD DE CARGA ULTIMAc = COHESION DEL SUELO = PESO ESPECIFICO DEL SUELOq = .Df

Nc, Nq, N = Factores de Capacidad de Carga adimensionales que estnnicamente en funcin del ngulo de friccin del suelo.

qu = c Nc + q Nq + B N (cimentacin corrida)

Donde:

Se supone que los ngulos CAD y ACD son iguales al ngulo de friccin del suelo, .

Note que, con el reemplazo del suelo arriba del fondo de la cimentacin por una

sobrecarga equivalente q, la resistencia de corte del suelo a lo largo de las superficies de

falla GI y HJ fue despreciada.

Usando el anlisis de equilibrio, Terzaghi expres la capacidad de carga ltima en la

forma de:


Los factores de capacidad de carga, Nc, Nq y N ,

se definen mediante las expresiones:


FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA DE TERZAGHI

(Segn KUMBHOJKAR, 1993)


CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA EN CIMENTACION

CUADRADA O CIRCULAR SEGN TERZAGHI

qu = 1.3cNc + qNq + 0.4BN CIMENTACION CUADRADA

qu = 1.3cNc + qNq + 0.3BN CIMENTACION CIRCULAR

qu = cNc + qNq + 0.5 BN CIMENTACION CORRIDA


BNIVEL DE AGUA

FREATICA

Df

d

D2

NIVEL DE AGUA

FREATICA

CASO I

CASO II

D1

2.2 EFECTO DEL NIVEL FREATICO SOBRE LA

CAPACIDAD DE CARGA

Las ecuaciones se desarrollaron para determinar la capacidad de carga ultima con base en

la hiptesis de que el nivel fretico est localizado muy debajo de la cimentacin. Sin

embargo, si el nivel fretico est cerca de la cimentacin ser necesario modificar las

ecuaciones de capacidad de carga, dependiendo de la localizacin del nivel fretico.


Caso I

Si el nivel fretico se localiza de manera que 0 D1 Df

el factor q en las ecuaciones de capacidad toma la forma:

q = sobrecarga efectiva = D1 + D2 (sat w)

donde: sat = peso especfico saturado del suelo

w = peso especifico del agua

Adems, el valor de en el ltimo trmino de las ecuaciones tiene que ser reemplazado

por = sat w


Caso II

Para un nivel fretico localizado de manera que 0 d B

Tenemos:

q = Df

El factor en el ltimo trmino de las ecuaciones de la capacidad debe reemplazarse por

el factor:

Caso III

Cuando el nivel fretico se localidad de manera que d B, el agua no

afectar la capacidad de carga ltima.


qneta(u) = CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA NETA

LA CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA NETA SE DEFINE COMO LA PRESION

ULTIMA POR UNIDAD DE AREA DE LA CIMENTACION QUE ES

SOPORTADA POR EL SUELO EN EXCESO DE LA PRESION CAUSADA POR

EL SUELO QUE LA RODEA EN EL NIVEL DE CIMENTACION

qneta(u) = qu - q

qadm = qu / FS

PARA EL CALCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA BRUTA ADMISIBLE DE

CIMENTACIONES SUPERFICIALES SE REQUIERE APLICAR UN FACTOR DE

SEGURIDAD (FS) A LA CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA BRUTA

q = .Df qadmisible (neta) = qu qFS

2.3 FACTORES DE SEGURIDAD EN EL DISEO

DE CIMENTACIONES


2.4 ECUACION GENERAL DE LA

CAPACIDAD DE CARGA

Las ecuaciones de Terzaghi anteriormente planteadas son nicamente para cimentaciones

continuas, cuadradas y circulares. Estas no se aplican al caso de cimentaciones

rectangulares (0 < B/L < 1 ). Adems, las ecuaciones no toman en cuenta la resistencia

cortante a lo largo de la superficie de falla en el suelo arriba del fondo de la cimentacin

(porcin de la superficie de falla marcada como GI y HJ). Tambin, la carga sobre la

cimentacin puede que este inclinada. Para tomar en cuenta todos los factores, Meyerhof

(1963) sugiri la siguiente ecuacin general de capacidad de carga:


Factores de capacidad de Carga Ec. de Meyerhof


Factores de forma, profundidad e inclinacin, recomendados para su uso


2.5 EFECTO DE LA COMPRESIBILIDAD

DEL SUELO

Para tomar en cuenta el efecto de la compresibilidad del suelo, Vesic (1973)

propuso las siguiente modificacin:


CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE

qmax

Para e > B/6

Para e < B/6

qmax

qmin

B

Q

M

B

e

qmax Q

BL

6M

BL= +

qmin Q

BL

6M

BL= -

e = MQ

e

B2e

L

CARGA VERTICAL

TOTALMOMENTO SOBRE

CIMENTACION

B X L



qmax

Para e > B/6

Para e < B/6

qmax

qmin

qmaxQ

BL

6M

BL= + qmin

Q

BL

6M

BL= - e = M

Q

qmaxQ

BL

1 + 6e

B= ( ) qmin QBL

1 - 6e

B= ( )

EN ESTAS ECUACIONES CUANDO LA

EXCENTRICIDAD e TOMA VALOR DE

B/6, EL qmin ES CERO.

PERO PARA e > B/6, qmin SERA

NEGATIVA LO QUE SIGNIFICA QUE SE

DESARROLLARA UNA TENSION.

COMO EL SUELO NO PUEDE TOMAR

TENSIONES, HABRA UNA

SEPARACION ENTRE LA CIMENTACION

Y EL SUELO DEBAJO DE ELLLA.qmaX

4 Q

3L(B 2e)=



B

e

BANCHO

EFECTIVOB 2e= =

LA EXCENTRICIDAD TIENDE A

DISMINUIR LA CAPACIDAD DE CARGA

DE SOPORTE SOBRE UNA

CIMENTACION Y EN TALES CASOS ES

MEJOR SITUAR LAS COLUMNAS

FUERA DEL CENTRO.

Qult = qu(B)(L)

e

B2e

L

B

Q

M

B X L

LLARGO

EFECTIVOL= =

Qult

Q=FS


CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS

CUANDO PROFUNDIDAD DE H ES RELATIVAMENTE MAS PEQUEA COMPARADO CON EL ANCHO B DE LA CIMENTACION, OCURRIRA UNA FALLA POR CORTANTE DE PUNZONAMIENTO EN LA CAPA SUPERIOR DE SUELO SEGUIDA POR UNA FALLA POR CORTANTE GENERAL EN EL ESTRATO INFERIOR.

SUELO MAS FUERTE

SUELO MAS DEBIL

C2

a b

1

H

Df

qu

B

CaCa

ba

1

C1

PpPp

2

2Fig. 3.20 (a)



SUELO MAS FUERTE

1H

Df

qu

B

ba

1

C1

SUELO MAS DEBIL

2

2

C2CUANDO PROFUNDIDAD DE H ES RELATIVAMENTE MAS GRANDE COMPARADO CON EL ANCHO B DE LA CIMENTACION. ENTONCES LA SUPERFICIE DE FALLA ESTARA COMPLETAMENTE LOCALIZADA EN EL ESTRATO SUPERIOR DEL SUELO.

Fig. 3.20 (b)



SUELO MAS FUERTE

SUELO MAS DEBIL

C2

a b

1

H

Df

qu

B

CaCa

ba

1

C1

PpPp

2

2qb=qu 2(Ca + Pp sen )

B+ - 1H

B = Ancho de la cimentacion

Ca = Fuerza adhesiva

Pp = Fuerza pasiva por unidad de longitud de las caras aa y bb

qb = Capacidad de carga del estrato inferior del suelo

= Inclinacion de la fuerza pasiva Pp respecto a la horizontal

Fig. 3.20 (a)

Ec. de Meyerhof y Hanna (1978)


CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SOBRE

UN TALUD

b

Df

B

c

H

qu

qu = cNcq + 0.5 BNq Cimentacion corrida Meyerhof

qu = 0.5 BNq

qu = cNcq

Suelo puramente granular c = 0

Suelo puramente cohesivo = 0

Fig. 3.23


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