Unid N°1 -CIMENTACIONES SUPERFICIALES II

U.T.N. Año 2009

Facultad Regional CIMENTACIONES San Rafael

Prof.: Ing. Héctor E. Avila - Ing. Alejandra Regolini Pág. 1

1. INTRODUCCIÓN:

Una fundación correctamente diseñada debe transmitir al terreno las cargas de la construcción con deformaciones (asentamientos) tolerables, garantizando una seguridad suficiente frente a la rotura o hundimiento. Además debe estar protegida frente a las modificaciones naturales o artificiales del entorno (heladas, cambios de humedad, variaciones del nivel freático, etc.) de modo que deben tenerse en cuenta esas posibilidades.

Las cimentaciones se califican como superficiales si el plano de desplante de la cimentación se encuentra cerca de la superficie, a profundidad aproximadamente menor de 3 ó 4 m, y en su entorno se encuentran estratos suficientemente resistentes como para garantizar una determinada seguridad frente al hundimiento y unos asentamientos tolerables por la estructura.

En función de la relación entre la anchura, B (dimensión menor de su superficie de apoyo), y la profundidad en la que se ubica el desplante, D, se diferencian:

h/(B/2) grande Rígida

h/(B/2) pequeña Flexible

L/(B/2) grande Flexible

L/(B/2) pequeña Rígida

Aislada

Continua

Platea

Intermedias 3 < Df/B < 10

Pilotín 15 a 20 cm

Pilote 20 a 50 cm

Pilote de gran diámetro 60 cm a 2 m

Pilar > 2 m

Cajones > 2 m (cuadrados)

Hincados

Excavados

Inyectados

Directas

Resistencia de punta

Fricción lateral

Fu

nd

ac

ion

es Según la

geometría

En sentido

transversal

Sentido

longitudinal

Según el

número de

columnas

Según el

diámetro

Según la

interacción suelo

- pilote

Según la

superficie de

contacto

Superficie de contacto continua

Superficiales D/B

1,2 o 3

Profundas

D/B = 1/D > 10

Indirectas Superficie de contacto discontinua

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Para proyectar una cimentación necesitamos disponer de información como:

1) Magnitud de las cargas actuantes: El tipo de carga, combinaciones críticas y la variabilidad de las distintas cargas involucradas. 2) Características de la estructura a cimentar: Es importante considerar los efectos sobre la estructura o sobre el funcionamiento que producirán los asentamientos que puedan originarse. 3) Características del subsuelo: Debe tenerse suficiente información acerca de las condiciones del terreno. Datos como resistencia al corte, compresibilidad, condiciones hidráulicas (nivel freático), etc. 4) Topografía superficial del lugar: Configuración del terreno donde se observe si existe la imposibilidad de acceso de equipos adecuados, si se requieren obras complementarias, etc. 5) Características y estado de viviendas vecinas: A veces los problemas legales derivados de la afectación a las construcciones adyacentes son muy importantes, que obligan a optar soluciones que la obra en si no requería. 6) Factores económicos: Se debe considerar el costo de la fundación en relación con la importancia, el riesgo y el valor de la superestructura. 2. ASENTAMIENTOS

La respuesta del suelo como asentamiento, a la acción de las cargas, depende de la naturaleza, intensidad y duración de la aplicación de ellas; así mismo, depende de características del suelo tales como: cohesión, fricción interna y grado de compacidad.

Los asentamientos pueden dividirse en dos categorías:

a) Asentamiento inmediato o elástico:

Tiene lugar durante o inmediatamente después de la construcción de la estructura.

b) Asentamiento por consolidación:

Este ocurre en el tiempo. A) Formas de asentamientos:

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Una obra puede sufrir asentamientos uniformes en toda su extensión, estos pueden no resultar de poca trascendencia siempre y cuando no afecten el aspecto estético o funcional del edificio. En cambio el asentamiento diferencial o relativo entre distintas partes de la estructura presenta un efecto nocivo para la superestructura. Si los movimientos diferenciales son excesivos, se pueden presentar severos agrietamientos y aun el colapso de la estructura. B) Asentamientos admisibles:

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C) Criterio de daños en estructuras

D) Efectos nocivos de los asentamientos diferenciales

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E) Métodos de Cálculo de asentamientos

TIPO DE

ASENTAMIENTOMETODO PARAMETRO BASE APLICACIÓN

INMEDIATO ELASTICOPROPIEDADES

ELASTICAS DEL SUELO

ARENAS, GRAVAS, SUELOS NO SATURADOS,

ARCILLAS DURAS Y ROCAS

INMEDIATO MEYERHOF N(SPT) ARENAS, GRAVAS Y SIMILARES

INMEDIATOPRUEBA DE

CARGAPRUEBA DE CARGA

ARENAS, GRAVAS, SUELOS NO SATURADOS,

ARCILLAS DURAS Y ROCAS

CONSOLIDACION

PRIMARIA

TEORIA DE LA

CONSOLIDACIÓN

ENSAYO

CONSOLIDACIONARCILLAS BLANDAS A MEDIAS SATURADAS

CONSOLIDACIÓN

PRIMARIA Y

SECUNDARIA

IDEM. IDEM.

ARCILLAS BLANDAS A MUY BLANDAS,

TURBAS Y SUELOS ORGÁNICOS Y

SIMILARES Asentamiento Total ST = Si + Scp + Scs Donde: Si = Asentamiento inmediato Scp = Asentamiento por consolidación primaria. Scs = Asentamiento por consolidación secundaria - En arenas, gravas, arcillas duras y suelos no saturados en general ST Si . - En arcillas saturadas ST Scp . - En suelos de gran deformidad como turbas y otros ST Scp + Scs . E.1 - Método elástico para cálculo de asentamientos inmediatos

El asentamiento elástico de una cimentación se estima usando la teoría de la elasticidad. Teóricamente si la cimentación es perfectamente flexible, el asentamiento puede expresarse como: Donde: Si = Asentamiento probable (cm) µ = Relación de Poisson (-) Es = Módulo de Elasticidad (ton/m2) If = Factor de forma (cm/m) q = Presión de trabajo (ton/m2) B = ancho de la cimentación (m)

Tipo de suelo Es (ton/m2) Tipo de Suelo (-)

Arcilla muy blanda 30 - 300 Arcilla Saturada 0.4 - 0.5

Blanda 200 - 400 No saturada 0.1 - 0.3

Media 450 - 900 Arenosa 0.2 - 0.3

Dura 700 - 2000 Limo 0.3 - 0.35

Arcilla Arenosa 3000 - 4250 Arena Densa 0.2 - 0.4

Suelos Glaciares 1000 - 16000 De grano grueso 0.15

Loess 1500 - 6000 De grano fino 0.25

Arena Limosa 500 - 2000 Roca 0.1 - 0.4

Arena Suelta 1000 - 2500 Loess 0.1 - 0.3

Densa 5000 - 10000 Hielo 0.36

Grava Arenosa Densa 8000 - 20000 Concreto 0.15

Suelta 5000 - 14000

Arcilla Esquistosa 14000 - 140000

Limos 200 - 2000

fIEs

lBqSi

)( 2

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Fórmulas par estimar Es:

Rígida Arenas : Es = 50 (N+15) ton/m2

Ubicación Centro Esq. Medio ------- Arenas Arcillosas: Es = 30 (N+5) ton/m2

Rectangular L/B=2 153 77 130 120 Arcillas Sensibles Normalmente Consolidadas

L/B=5 210 105 183 170 Es = (125 a 250) qu

L/B=10 254 127 225 210 Arcillosa poco sensible: Es = 500 qu

Cuadrada 112 56 95 82 N : Spt

Circular 100 64 85 88 qu = Compresión Simple (ton/m2)

Cim. Flexible

Valores de If (cm/m)Forma de la zapata

E.2- Cálculo de asentamiento inmediato en función de una prueba de carga directa

- METODO DE TERZAGHI-PECK (1967) VALIDO SOLO EN ARENAS Donde: Sz = Asentamiento de la zapata (cm) Sp = Asentamiento medido en la prueba (cm). Bz = Ancho de la zapata (m) Bp = Ancho de la placa (m)

- METODO DE BOND (1961) n = Coeficiente que depende del suelo según la tabla siguiente:

Arcilla n = 0.03 a 0.05 Arcilla arenosa n = 0.08 a 0.10 Arena Densa n = 0.40 a 0.50 Arena media a densa n = 0.25 a 0.35 Arena suelta n = 0.20 a 0.25

3. CAPACIDAD DE CARGA

Se puede definir como capacidad de carga, a la carga por unidad de área unitaria de la fundación bajo la cual se produce la falla por corte, es decir, es la mayor presión unitaria que el suelo puede resistir sin llegar al estado plástico.

La falla de la fundación supone asientos importantes, giro y vuelco de la estructura, según la estructura y el tipo de suelo:

Suelos Duros: La resistencia máxima se puede superar con asentamientos relativamente pequeños. En este caso lo determinante para fijar la capacidad de carga es la tensión límite a la cual se produce la fluencia o rotura del suelo de apoyo. Suelos Blandos: Sin llegarse a la rotura del terreno se pueden producir deformaciones suficientemente grandes para que la estructura no las admita. En este caso, si fijamos las tensiones admisibles en función de la capacidad del suelo a la rotura, las deformaciones no resultan admisibles, por lo que el criterio para determinar la capacidad soporte ha de basarse en los asentamientos.

2

2

pz

zpz

BB

BSS

1

n

p

zpz

B

BSS

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La falla puede producirse de tres formas: a) Por rotura general: Se produce una superficie de rotura continua que arranca en la base de la

zapata y aflora a un lado de la misma a cierta distancia. En cierto punto cuando la carga por unidad de área es igual a qu (carga última de la cimentación), tendra lugar una falla repentina en el suelo que soporta a la cimentación y la zona de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno. Esta es la rotura típica de arenas densas y arcillas blandas (suelo cohesivo) en condiciones de cargas rápidas sin drenaje. Figura a.

b) Por rotura local: Se plastifica el suelo en los bordes de la zapata y bajo la misma, sin que

lleguen a formarse superficies continuas de rotura hasta la superficie. Cuando la carga por área unitaria sobre la cimentación es igual a qu, el movimiento de la cimentación estará acompañado por sacudidas repentinas. Más allá de este punto, una mayor carga estará acompañado por un gran incremento del asentamiento de la cimentación. Esto es típico en arcillas y limos blandos y en arenas medias a sueltas. Figura b.

c) Por punzonamiento: La cimentación se hunde cortando el terreno en su periferia con un

desplazamiento aproximadamente vertical. En este caso la superficie de falla en el suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno. Esto se da en suelos muy compresibles y poco resistentes.

A) Modos de fallas en cimentaciones sobre arenas

En la figura que sigue, se muestran los modos de falla en arena, según la densidad relativa

del suelo de la misma (Cr = Dr ), Df es la profundidad de desplante de la cimentación medida desde la superficie del terreno . Grafico de VESIC, según experiencias, en el que:

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LB

LBB

2* donde: B = ancho de la cimentación

L= Longitud de la cimentación.

B) Teoría de Terzaghi

Esta teoría se aplica a suelos con cohesión y fricción, cuya ley de resistencia al corte es:

tg. c

Se supone una carga de tipo repartida uniformemente y lineal (zapata contínua). Se desprecia la resistencia al corte del suelo situado sobre la profundidad de fundación Df, al

que se considera como una sobrecarga actuando sobre la fundación:

Dfq .

Se considera que la carga actuante es estática, vertical y centrada. La fundación es del tipo

superficial rígida y corrida.

D

E

III

Df

I

º/2

º/2

DC

E

IIIIIII

B

q =. Df qc

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Se propone un mecanismo de falla para una zapata continua uniformemente cargada y el

sector de fallas se divide en tres zonas: zonas I, II y III.

La zona I es una cuña que actúa como si fuese parte de la zapata (estado activo), sus limites

forman ángulos de 45º+ /2 con la horizontal.

La zona II es una cuña de corte radial, dado que las líneas de falla son rectas con origen en A y

espirales logarítmicas con centro en A. La frontera AD forma un ángulo de 45º- /2 con la horizontal.

La zona III, es donde se desarrollan las superficies de deslizamientos que corresponden al

estado pasivo de Rankine, pues sus límites forman ángulos de 45º-/2. Con esta hipótesis la capacidad de carga resulta:

NB.γ/q.Nqc.Ncqc ..21

Donde: qc= es la carga de falla

c = es la cohesión del terreno de cimentación q = es la sobrecarga efectiva B = el ancho de la zapata corrida

Nc, Nq y N = son los factores de capacidad de carga.

Estos factores son adimensionales y son función del ángulo de fricción interna . El coeficiente Nc está relacionado con la cohesión del suelo, Nq con la sobrecarga y Ncon el peso de

las zonas II y III.

Para arenas sueltas o arcillas y limos blandos, la deformación crece mucho para cargas próximas a la falla, alcanzándose niveles de asentamiento en el cimiento que equivalen a la falla de la estructura (falla local). Para este caso Terzaghi corrigió su teoría introduciendo nuevos valores de

c y en la fórmula de capacidad de carga

cc .3/2´ tg3/2´tg

Entonces la expresión queda: ´...2/1´.´..3/2 NBqNqcNcqc

En esta expresión, N’c, N’q y N’γ, son los factores de capacidad de carga modificada. Se

calculan con las mismas expresiones que , Nc, Nq y Nγ, reemplazando φ por φ’.

Para cimientos cuadrados o circulares, Terzaghi modificó su expresión original basándose en resultados experimentales:

Para ZAPATAS CUADRADAS: NBNqqNccqc ...4,0...3,1

Para ZAPATAS CIRCULARES: NBNqqNccqc ...3,0...3,1

Para zapata cuadrada B = lado de la cimentación y para la circular, B = diámetro de la zapata.

Estas fórmulas son válidas para cimientos sometidos a carga vertical centrada. Para

cargas excéntricas las superficies de falla dejan de ser simétricas, por lo que en la expresión de Terzaghi debe considerarse un área efectiva en lugar del área real de la zapata, que tiene su centro de gravedad coincidente con el punto de aplicación de la carga.

Cuando la carga está inclinada la superficie de rotura de mayor influencia es la que se contrapone a la dirección de la carga, para considerar este efecto hay factores de corrección.

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C) Influencia del nivel freático

Las ecuaciones citadas en el punto anterior, se han desarrollado suponiendo que el nivel

freático se encuentra situado por debajo del nivel de fundación, a una profundidad mayor que el ancho de la base de modo tal que no haya afectación del mismo en las superficies de falla generadas. Cuando la posición del nivel freático es diferente, se deben efectuar las correcciones siguientes:

Caso 1 : Si el nivel freático se localiza de manera que 0 ≤ D1 ≤ Df, factor “q” toma la forma de: q = sobrecarga efectiva = D1 . γ + D2 . (γsat – γw)

Donde: γsat = peso específico saturado del suelo. γw = peso específico del agua.

Además, el valor de γ en el último término debe ser reemplazado por

γ’ = γsat – γw

Caso 2: Si el nivel freático está localizado de manera que 0 ≤ d ≤ B, una parte del suelo movilizado estará en condición sumergida y otra parte no. En ese caso, el factor γ en el último término de la ecuación de capacidad de carga, debe reemplazarse por :

'' B

d

para cálculo de la sobrecarga, se debe adoptar q = γ x Df

Las modificaciones anteriores se basan en las hipótesis de que no existe fuerza de filtración en el suelo.

Caso 3: Cuando el nivel freático se localiza de manera que d ≥ B, el agua no afecta la capacidad de carga última. Se adopta el valor de γh para el cálculo de q, y se considera el mismo peso específico en el término que corresponde a Nγ.

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D) Teoría de Brinch-Hansen

A partir de la fórmula de Terzaghi, diferentes investigadores fueron modificando sucesivamente tanto la fórmula como los coeficientes de corrección. Hoy en día, la fórmula más empleada es la fórmula generalizada de BRINCH – HANSEN.

Demostró que la inclinación de las cargas también puede tenerse en cuenta multiplicando los términos de capacidad de carga por un factor de inclinación. Designo “s” a los factores de forma, “d” a los factores de profundidad e “i” a los factores de inclinación.

idsidsNqidsNcq qqqqccccc ....2

1........ (1)

Los factores q y c esta relacionados a través de la expresión:

1.. qc NtagcN

Transforma la expresión (1) en otras equivalentes:

Para Arenas tgcidsNBidsNtgcqq qqqqc .......2

1.....

C = 0

Para Arcillas idsNBidsNtgcqq ccccc ......2

1.....

φ = 0

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D.1.Factores de profundidad

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D.2 Factores de inclinación

D.3. Factores de forma

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E) RECTÁNGULO EQUIVALENTE

Si una fundación sometida a una carga centrada tiene una forma distinta a un rectángulo debe transformarse en un rectángulo equivalente para permitir el empleo de la formula mencionada anteriormente. La posición y las longitudes B y L del rectángulo equivalente pueden determinarse según las siguientes condiciones: 1) Los centros de gravedad de ambas figuras deben coincidir. 2) Los ejes principales deben coincidir. 3) Las áreas de ambas figuras deben ser iguales. 4) La relación de los módulos resistentes máximo y mínimo de ambas figuras deben ser iguales ( = L : B) - Área efectiva (excentricidad)

Si una fundación de una forma cualquiera está cargada excéntricamente primero debe obtenerse el área efectiva de fundación con las siguientes condiciones:

1) El área efectiva debe dibujarse tal que la fundación esté cargada en forma centrada.

2) Su contorno debe fijarse por el principio de la simetría radial.

Si es necesario el área efectiva debe transformarse en un rectángulo equivalente de área A = B L y este rectángulo debe emplearse en los cálculos de la capacidad de carga.

Si la carga se presenta con una excentricidad eB y eL según los ejes de la zapata la solución más sencilla consiste en adoptar como dimensiones efectivas: B’ = B – 2. eB L’ = L – 2 . eL F) CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE

Las capacidades de carga mencionadas corresponden a valores de falla. En la práctica se emplea la capacidad de carga admisible:

s

cadm

F

qq .

Este coeficiente de seguridad cubre las incertidumbres sobre las propiedades de los suelos y

su determinación, la teoría de capacidad de carga que se use, las desviaciones sobre la construcción, etc. En el caso de zapatas este valor es de 2 a 3.

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I- FUNDACIONES SUPERFICIALES

Se denominan fundaciones superficiales o directas, aquellas que transmiten la carga de la estructura a un estrato de terreno no profundo mediante una base o plano de apoyo, siendo resistida por la capacidad o resistencia del suelo a la presión que se transmite.

En las fundaciones superficiales la resistencia a la fricción lateral puede considerarse despreciable.

En una estructura se opta por una fundación superficial cuando:

a) Se tiene un terreno resistente en toda la profundidad alcanzada por efectos importantes de la fundación, bulbo de presiones, superposición de presiones.

b) No existan peligros de escurrimientos, socavaciones, movimientos debidos a fuerzas horizontales o desplazamientos.

c) La resistencia del terreno no aumenta significativamente con la profundidad.

d) Por valores de las cargas, su distribución, su esquema estático, su sensibilidad a los asentamientos resulte que la fundación superficial resulte más económica y lleve a asentamientos compatibles con la construcción.

Según cual fuere la relación entre la parte en voladizo Vmax y la altura d0 la forma de trabajo o mecanismo resistente varía.

Por esta razón las zapatas se pueden clasificar en rígidas, semi-rígidas y flexibles:

a) 0,5 d0 > Vmax . “ Rígidas”

b) 0,5 d0 ≤ Vmax ≤ 2 d0 “Semi rígidas”

c) Vmax > 2 d0 “Fexibles”

a) Rígidas

Es el caso en donde d0 es mucho mayor que Vmax, la zona exterior que trabaja a flexión se reduce o anula quedando únicamente la zona central trabajando como bielas.

Para estas zapatas no son necesarias las armaduras por lo que se puede afirmar que son zapatas de Hormigón simple o en masa.

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b) Semi Rígidas

Para este tipo de zapatas las bielas de compresión existen en una zona central siendo su forma de trabajo similar al de una mensula invertida cargada con la reacción del terreno, trabajando a flexión.

c) Flexibles

Estas zapatas presentan condiciones especiales de flexibilidad. En general se da un acompañamiento en cuanto a deformaciones entre terreno y fundación. Las figuras siguientes muestran una distribución cualitativa de presiones en el suelo.

I.1 Tipos de Fundaciones

Cimientos de H° Ciclópeo

de H° Simple

de H°A° sin viga

de H°A° con viga

de H°A° para muro de H°

para muro medianero

Zapatas Corridas

Cuadrada

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Zapatas Aisladas

- Base con carga centrada

- Base con carga N y M

Cuadrada

Rectangular

Circular

- Base con N, M1 y M2

- Base excéntrica vinculada mediante tensor Tensor en viga de entrepiso

Tensor a nivel de Fundación

- Base excéntrica esquinera

- Base centrada mediante desviación

- Base tipo Laucher

- Bases unificadas

- Base con viga Cantilever

Base rectangular

Base trapecial

- Base desplazada mediante viga de equilibrio

Zapatas

combinadas

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