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Capacidad Portante Geotecnia III

Introducción

Se denomina cimentación a la parte más baja de una estructura. Su función es transferir la carga de la estructura al suelo sobre el que está descansando. Una cimentación. Diseñada adecuadamente es una que transfiere la carga a el suelo sin sobrecargarlo. Sobreesforzar el suelo puede resultar en asentamiento excesivo o falla de corte del mismo. se utilizan varios tipos de cimentaciones. En un sentido más general, las cimentaciones poco profundas son aquellas que tienen una razón de la profundidad de empotramiento con el ancho aproximadamente menor a cuatro. Cuando esta razón es mayor a cuatro, la cimentación se clasifica como profunda.

Df < 4B ----- Cimentación Superficial Df > 4B ----- Cimentación Profunda

1. FACTORES QUE DETERMINAN LA SELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN 2. ASPECTOS QUE DEBEN TENERSE EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CIMENTACIÓN. 3. GENERALIDADES 1,1 Análisis de un sistema de cimentación 1.2 Aspectos que inciden en la investigación para cimentaciones 1.3 Estudio de suelos: Número y Profundidad de sondeos 1.4 Tipos de cimentaciones superficiales 4. CAPACIDAD DE CARGA 2.1 Concepto de capacidad de carga 2.2 Factor de seguridad 2.3 Modos de falla 2.4 Teorías de capacidad de carga 2.5 Factores que inciden en la capacidad de carga 2.6 Capacidad de carga a partir de ensayos de campo

5. ASENTAMIENTOS

3.1 Tipos de asentamientos 3.2 Asentamientos inmediatos en suelos granulares y finos 3.3 Inducción de esfuerzos por cargas externas 3.4 Asentamientos por consolidación

El tipo de cimentación mas apropiada para una estructura depende generalmente de varios factores, dentro de los cuales se mencionan:

La magnitud de las cargas que debe soportar El tipo de estructura La función de la estructura. Las condiciones del subsuelo. El costo de la cimentación en comparación con el costo de la superestructura.

Un análisis de cimentación supone las siguientes fases: • Debe empezar por conocer el tipo y función de la estructura a cimentar. Por lo tanto debe tenerse información sobre las cargas o hacer un cálculo aproximado de ellas. • Debe conocerse el perfil del suelo y sus características geotécnicas, es decir, se debe realizar un estudio de suelos. Perfil estratigráfico • Espesores de los estratos • Características de los suelos • Posición del nivel freático • Profundidad de cimentación • Capacidad de carga • Asentamientos

ESTUDIO DE SUELOS

Número de sondeos Profundidad de sondeos



  

AISLADOS  Zapatas  Cuadradas  Rectangulares  Circulares COMBINADOS  Rectangulares  Trapezoidales  Vigas de enlace CONTINUOS O CORRIDOS PLACAS FUNDACION COMPENSADOS Y PARCIALMENTE COMPENSADOS

Cimientos Aislados: Son elementos de soporte de columnas, se vinculan al extremo Inferior para transmitir al terreno portante las cargas de la estructura.

Cimientos Combinados: son útiles: a) Cuando las áreas de cimentacion se traslapan al usar cimientos aislados b) Excentricidad de cargas. Cimiento trapezoidal o cimientos aislados con viga de enlace. c) Cuando al adoptar cimientos aislados resulten asentamientos diferenciales inadmisibles. d) Cuando se logren economías constructivas: Estructurales y de Excavación.

Cimientos Continuos: En los que la longitud es mucho mayor que el ancho L > B. Se usa para cargas lineales (Muros de Carga)

Placas Corridas de Fundación: Consiste en una estructura tipo placa, para soporta todos los Elementos estructurales.

a)Si el área de cimentación que ocupan los cimientos aislados en Mayor de la mitad se recomienda usar Placa de Fundación. Probablemente resulte mas económico y ventajoso. b) Son propias para controlar asentamientos diferenciales c) Ciertas Condiciones del suelo, compresibilidad excesiva, insuficiente capacidad portante, Heterogeneidad e incertidumbres en la extensión de zonas débiles, rigidizacion. Fundaciones Compensadas: a) Reducir la carga aplicada mediante compensación. b) Trasladarlas a una mayor profundidad c) Repartir las cargas sobre una mayor área para reducir las presiones cimiento – suelo

• Es la presión unitaria que el suelo puede soportar. Se llama capacidad de carga última, aquella que lleva al suelo a la ruptura. • Una capacidad de carga admisible es aquella que el suelo puede cargar de forma segura y sin deformarse demasiado; se conoce como capacidad de carga admisible y se determina por:

qadm

Falla General : cimentación que descansa sobre la superficie de una arena densa o suelo cohesivo rígido, como se muestra en la figura si la carga se aplica gradualmente a la cimentación, el asentamiento aumentará. En un momento determinado, cuando la carga por unidad de área es igual a qu, puede ocurrir un falla repentina del suelo que soporta la cimentación y la superficie de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno. Esta carga por unidad de superficie, qu, se conoce generalmente como capacidad última de carga de la cimentación. Cuando ocurre una falla repentina en este tipo de suelo, se denomina falla general de corte.

Falla local : Si la cimentación en cuestión se basa sobre arena o tierra arcillosa de compactación media, un aumento de la carga sobre la cimentación también estará acompañado por un aumento del asentamiento. Sin embargo, en este caso la superficie de falla en el suelo se extenderá poco a poco hacia el exterior desde la cimentación, como se muestra con las líneas continuas en la figura. Cuando la carga por unidad de área sobre la cimentación es igual a qu(1), el movimiento de las cimentaciones estará acompañado por sacudidas bruscas. Entonces se requiere un movimiento considerable de las cimentaciones para que la superficie de falla en el suelo se extienda hasta la superficie del terreno (como se muestra con las líneas discontinuas en la figura. La carga por unidad de área a la que esto ocurre es la capacidad Ultima de carga, qu. Más allá de este punto, un aumento de la carga estará acompañado por un gran aumento del asentamiento de la cimentación. La carga por unidad de área de la base, qu(1), se conoce como capacidad última de carga (Vesic, 1963). Note que un valor pico de q no ocurre en este tipo de falla, que se llama falla de corte local en el suelo.

Falla por Punzonamiento: Si la cimentación se apoya en un suelo bastante suelto, la gráfica de carga-asentamiento será como la de la figura. En este caso, la superficie de falla en el suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno. Más allá de la carga máxima de falla, qu, la gráfica de carga asentamiento será muy pronunciada y prácticamente lineal. Este tipo de falla en el suelo se llama falla por punzonamiento.

Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría global para evaluar la capacidad última de carga de cimentaciones poco profundas con base definida y longitud infinita (cimentación continua L > B, donde B tiende a cero) - Una cimentacion es superficial si D < B Investigadores posteriores han sugerido que las cimentaciones con Df igual a 3 a 4 veces el ancho de la cimentación se pueden definir como cimentaciones poco profundas - El efecto del suelo encima de la cimentación puede suponerse y ser remplazado por una sobrecarga equivalente q = γ*Df - Supone que los ángulos CAD y ACD son iguales al ángulo de fricción del suelo (es decir, α = Ф ).

Terzaghi:

zona triangular ACD zonas de corte radiales ADF y CDE zonas pasivas Rankine triangulares AFH y CEG

qult  cNc sc  qNq  0.5 BN s (cimentación en franja) zapatas cuadradas zapatas circulares

Factores de Capacidad : en funcion Ф

Factores de capacidad de carga para las ecuaciones de Terzaghi

Sin embargo, el ángulo α a que se muestra en la figura 16.3 está más cerca de 45 + Ф/2 N’c, N’q y N’γ, los factores de capacidad de carga modificados, se pueden calcular reemplazando Ф’ por Ф’ = 𝑡𝑎𝑛−1 la tabla 3.2.

2 𝑡𝑎𝑛∅ 3

. La variacion de N’c, N’q y N’γ se da en

  45 

 2

Carga Vertical:

qult  cNc sc dc  qN q sq d q  0.5 BN s d Carga Inclinada:

qult  cNc dcic  qN q d qiq  0.5 BN d i Donde:

  N q  e tan  tan 2  45   2 

N   Nq  1 tan 1.4 

Nc   Nq  1 cot 

Factores para las ecuaciones de capacidad de carga de Meyerhof, Hansen y Vesic

Factores de forma, profundidad e inclinación de las ecuaciones de capacidad de carga de Meyerhof(1951).

General:

qult  cNc sc dcic gcbc  qNq sq dqiq gqbq  0.5 BN s d i g b Cuando

 0

qult  5.14Cu 1  sc'  dc'  ic'  bc'  gc'   q Donde:

N  1.5  Nq  1 tan 

Nq 

Igual que en la ecuación de Meyerhof

Nc 

Igual que en la ecuación de Meyerhof

Factores para la ecuación de Hansen

Por lo tanto, la ecuación de capacidad última de carga podrá tomar la forma (Meyerhof, 1963) – Tomado de Braja Das

qu  cNc Sc dc cc  qNq Sq dq cq  12  BN S d c

cc , cq y c

Factores de compresibilidad del suelo y se calculan así:

1. Índice de rigidez a una profundidad de B/2 por debajo del fondo de la cimentación : E G q´  D f  B ; G  Ir  2 21    c  q ' tan 





q´= esfuerzo efectivo a B/2 por debajo del cimiento

2. Índice de rigidez critico Ir(cr)

I r ( cr ) 

1 2

e

3.300.45 BL  cot(45 2



Las variaciones de Ir(cr) para B/L=0 a B/L=1 se muestran en la tabla 3.6

3. Si

I r  I r ( cr )

entonces:

cc  cq  c  1 Sin embargo, si I r  I r (cr )

c  cq  e

 4.40.6 BL  tan   3.07 sen1senlog 2 Ir  

Donde:

qult  cN c sc dcic  qN q sq d qiq  0.5BN  s d i

  N q  e tan  tan 2  45   2 

Nc   Nq  1 cot 

Arcillas saturadas presentan parámetros de resistencia no drenados Cu y Ф=0, determinados en un ensayo triaxial UU. Cuando Ф=0

Nc= 5.7 Terzaghi Nc= 5,14 Meyerhoff y Hansen

Las ecuaciones quedan:

Terzaghi

 qult= 5,7CuSc+γDf

Meyerhof  qult = 5,14CuScdc+γDf Hansen

 qult = 5,14Cu(1+S´c+d´c-i´c-g´c-b´c)+ γDf

qult= Cu*Nc*Sc+γDf

Cimentaciones cargadas excéntricamente Las cimentaciones están sujetas a un momento además de la carga vertical - la distribución de la presión por la cimentación sobre el suelo no es uniforme

Cuando la excentricidad e toma el valor B/6, qmín es cero. Para e > B/6, qmín será negativa, lo que significa que se desarrollará una tensión. Debido a que el suelo no puede soportar tensiones, habrá una separación entre la cimentación y el suelo debajo de ella. La naturaleza de la distribución de la presión sobre el suelo será como se muestra en la figura anterior. Entonces el valor de qmáx es

Teorías para determinar Qúlt Capacidad de carga última ante carga excéntrica —excentricidad en un sentido En 1953, Meyerhof propuso una teoría Método del área efectiva.

El siguiente es un procedimiento paso a paso para determinar la carga última que un suelo puede soportar y el factor de seguridad contra la falla de capacidad de carga: Paso 1. Se determinan las dimensiones efectivas de la cimentación (figura anterior):

Observe que si la excentricidad fuera en la dirección de la longitud de la cimentación, el valor de L’ sería igual a L – 2e. El valor de B’ sería igual a B. La menor de las dos dimensiones (es decir, L’ y B’) es el ancho efectivo de la cimentación.

Paso 2. Se utiliza la ecuación para la capacidad de carga última:

Para evaluar Fcs, Fqs y Fgs, se utilizan las relaciones dadas en la tabla 3.4 con las dimensiones de la longitud efectiva y del ancho efectivo en vez de L y B, respectivamente. Para determinar Fcd, Fqd y Fgd, se utilizan las relaciones indicadas en la tabla 3.4. Sin embargo, no se reemplaza B por B’. Paso 3. La carga última total que la cimentación puede soportar es

Paso 4. El factor de seguridad contra la falla de capacidad de carga es

Ejemplo : Una cimentacion continua, Si la excentricidad de la carga es de 0.2 m, determine la carga última, Qúlt, por longitud unitaria de la cimentación. Utilice el método del área efectiva de Meyerhof.

Para c’ = 0

Tenemos la ecuación :

Donde

q = (16.5)(1.5) = 24.75 kN/m2.

Para Ф = 40°, de la tabla 3.3 (Braja Das), Nq = 64.2 y Ng = 109.41. Además, B’ = B - 2e B’ = (2)(0.2) =1.6 m

Debido a que la cimentación considerada es continua, B’/L’ es cero. De aquí, De la tabla 3.4 (Braja Das) Fqs = 1 Fγs = 1. Fqi = Fγi = 1 Fγd = 1 𝑫𝒇

Fqd = 𝟏 + 𝟐𝒕𝒂𝒏Ф(𝟏 − 𝒔𝒆𝒏Ф)𝟐 𝑩

𝑫𝒇

Fqd = 𝟏 + 𝟐𝒕𝒂𝒏Ф(𝟏 − 𝒔𝒆𝒏Ф)𝟐 𝑩

𝟏.𝟓

Fqd = 𝟏 + 𝟐𝒕𝒂𝒏(𝟒𝟎)(𝟏 − 𝒔𝒆𝒏(𝟒𝟎))𝟐 𝟐.𝟎 Fqd = 1.16 qu‘ = (24.75) (64.2) (1) (1.16) (1) + ½ (16.5) (1.6) (109.41) (1) (1) (1) = 3287.39 kN/m2 Qúlt = (B‘ )(1)(qu‘) = (1.6)(1)(3287.39) = 5260 kN

Factores para las ecuaciones de capacidad de carga de Meyerhof, Hansen y Vesic

Ф

Kp = 𝑡𝑎𝑛2 (45 + 2 ) Pero como es un cimiento corrido Sq y Sγ = 1.0

Kp = 𝑡𝑎𝑛2 (45 +

40 ) 2

Kp = 4.60

dq = dγ = 1 + 0.1 ∗ 4.60 ∗

1.5 2

dq = dγ = 1.16 qu‘ = (24.75) (64.2) (1) (1.16) + ½ (16.5) (1.6) (93.7) (1) (1.16) = 2739.9 kN/m2 Qúlt = (B‘ )(1)(qu‘) = (1.6)(1)(2739.9) = 4383.82 kN

Capacidad de carga —excentricidad en dos sentidos Esta condición es equivalente a una carga Qúlt colocada excéntricamente sobre la cimentación con x = eB y y = eL (ver figura). Observe que

Igual que antes, para evaluar Fcs, Fqs y Fγs (tabla 3.4), se utiliza la longitud efectiva L’ y el ancho efectivo B’ en lugar de L y B, respectivamente. Para calcular Fcd, Fqd y Fγd, no se reemplaza

Caso I.

La longitud efectiva L’ es la mayor de las dos dimensiones B1 y L1. Por lo tanto, el ancho efectivo es

Caso II. El área efectiva para esta condición

Las magnitudes de L1 y L2 se pueden determinar de la figura. El ancho efectivo es

La longitud efectiva es

Área efectiva caso II

Caso III. El área efectiva

El ancho efectivo es

La longitud efectiva es

Las magnitudes de B1 y B2 se pueden determinar de la figura Área efectiva caso III

Caso IV. La relación B2/B y por consiguiente B2, se pueden determinar utilizando las curvas eL /L con pendiente hacia arriba. De manera similar, la relación L2/L y, por lo tanto, L2 se pueden determinar empleando las curvas eL /L con pendiente hacia abajo. Entonces el área efectiva es

El ancho efectivo es

La longitud efectiva es

Área efectiva caso IV

Tabla para capacidad de carga ante cargas excéntricas

ANEXO CAPACIDAD PORTANTE

Gracias