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INGENIERIA
GEOTECNICA
Ing. William Rodríguez Serquén
Docente principal de la Universidad Pedro Ruiz Gallo de Lambayeque
2016
Lambayeque – Perú
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GEOTECNIA APLICADA AL DISEÑO Y
CONSTRUCCION DE CIMENTACIONES
OBJETIVO.El objetivo es dar una visión geotécnica, de los factores a
tener en cuenta, en el diseño y construcción de las
cimentaciones. Se destacan los aportes de los mapas
geotécnicos, los mapas de peligros, los estudios de suelos,
los ensayos de campo y laboratorio. Las consideraciones
del proceso constructivo y el daño producido por las
excavaciones.
2. EL MAPA GEOTECNICO.El diseño estructural y de cimentaciones debe considerar el
Mapa geotécnico, porque allí se define el comportamiento
del suelo, que va a estar en contacto con la estructura a
construir. Van a afectar el diseño de cimentaciones: el tipo
de suelo (cohesivo, granular, granular con finos, de alta o
baja plasticidad), la variación de estratos, la consistencia
(media, blanda, dura), las propiedades físicas y mecánicas
(cohesión, ángulo de fricción interna, índice de
compresión), la ubicación del nivel freático, la
profundidad de cimentación, la capacidad portante por
resistencia, la capacidad portante por asentamiento, el
esfuerzo neto, los asentamientos diferenciales y totales, los
agentes agresivos y ataque químico de suelos y aguas
subterráneas (sales, cloruros, sulfatos), la expansibilidad y
fuerza expansiva del suelo, la estabilidad del talud de la
excavación, las especificaciones del Reglamento nacional
de edificaciones, etc. Sólo si conocemos esto procedemos
a diseñar la cimentación, en caso contrario el diseñador se
convierte en un peligro público. “No hay gloria en las
cimentaciones”, dijo el Dr. Terzaghi, pero si repudio para
el ingeniero si falla una edificación.
B. Generados por procesos dinámicos en la superficie
terrestre (Geodinámica externa).Deslizamientos,
derrumbes,
aludes,
aluviones,
deglaciación.
C.
Generados
por
fenómenos
metereológicos,
oceanográficos.Cambios climáticos (como el fenómeno de El Niño),
cambios climáticos (sin El Niño),
Inundaciones, sequías, temporales, granizo.
D. De origen biológico.Plagas (langostas), epidemias.
Los desastres más frecuentes en nuestro país son:
Inundaciones, Aluviones menores (Huaycos o llocllas),
deslizamientos, heladas, sequías, temporales y terremotos.
Fig. (1). Mapa geotécnico de la ciudad de Mórrope en el
departamento de Lambayeque.
3. EL MAPA DE PELIGROS.Se debe considerar el Mapa de Peligros, de la zona donde
se va a construir una edificación. Este se confecciona
después de zonificar las áreas de peligros geológicos,
climáticos, y geológico- climáticos. Delimita las áreas de
Peligro Muy alto (color rojo), Alto (color anaranjado),
Medio (color amarillo) o Bajo (color verde). Nos indica las
áreas que son adecuadas y las que no, para construir.
Indica cuales son las áreas apropiadas para expansión
urbana y equipamiento, y cuáles son las áreas donde se
requieren estudios y especificaciones especiales, o donde
no se debe construir. Identifica las zonas críticas de una
ciudad, donde se requieren obras de mitigación. Fomenta
el crecimiento de la ciudad de manera ordenada, evitando
que se hagan construcciones costosas, que pongan en
riesgo la vida de las personas.
Las Naciones Unidas han clasificado en cuatro grupos, los
fenómenos naturales que pueden causar desastres, y que
son representados en un Mapa de peligros naturales:
A. Generados por procesos dinámicos en el interior de la
tierra (Geodinámica interna).Terremotos, Maremotos o tsunamis, actividad volcánica
Fig. (2). Mapa de peligro climático de la ciudad de
Mórrope, en el departamento de Lambayeque.
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del suelo. Se espera que éste sea completo y prevea todos
los posibles accidentes o fallas del futuro, y ofrezca todas
las soluciones a los problemas de ingeniería. Esto es
difícil. Sin embargo cuando estas ocurren, se juzga con
sumo rigor al que realiza el estudio de suelos, porque el
profesional que hace un informe técnico trata de prever los
problemas, en base a pruebas puntuales del lugar, con las
cuales induce el comportamiento de toda el área de
estudio. Si usted esta haciendo un estudio de suelos, y sabe
de algo peligroso, que puede pasar en la obra, tiene que
decirlo, así no corresponda al estudio de suelos que está
haciendo. Se le juzgará con rigor, porque el ingeniero tiene
otro nivel de conocimientos.
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5. LOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO.-
Fig. (3).Vista aérea de inundación en la zona este de la
ciudad de Mórrope, durante el fenómeno de El Niño.
5.1 EL ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR
(SPT, Standar penetration test).Es ejecutado “in situ”, se requiere para este ensayo, de
trípode, motor, polea, martillo, cuerda, cañas guía y
partida.
Consiste en determinar el número de golpes (N), que se
requieren para que una barra vertical (llamada caña),
penetre una longitud de un pie (30 cm), dentro del suelo,
por medio de un golpe de martillo de 140 libras de peso,
levantado y soltado desde una altura de 76 cm.
Con el valor de N se puede determinar, la resistencia a
compresión, el módulo de elasticidad, el coeficiente de
balasto, el coeficiente de variación volumétrica y la
capacidad portante Hay que hacerle algunas correcciones,
que hacen variar ligeramente el valor de N. Al valor
nuevo se le llama N corregido.
La capacidad neta admisible del suelo, se obtiene a partir
del número de golpes N.
Fig. (4).Mapa de Peligros de la ciudad de Mórrope, en el
departamento de Lambayeque.
Fig. (5).Inundación en conjunto habitacional de Mocce, en
la ciudad de Lambayeque – Perú.
Fig. (6). Equipo de penetración estándar (SPT).
4. EL ESTUDIO DE SUELOS.Proporciona un diagnóstico detallado de las condiciones
del lugar de la construcción. Desde el punto de vista
geotécnico, nos proporciona los parámetros de diseño, y
las recomendaciones a considerar para evitar los peligros
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Fig. (9). Diagrama de ruptura de Mohr.
Fig. (7). Detalles del equipo de penetración estándar. El
martillo golpea a la caña, a través de un tope, para que
penetre 30 cm.
VALORES
DE
ARCILLAS.-
CARGA
Descripción
N
del SPT
Muy blanda
Blanda
Mediana
Compacta
Muy
compacta
Dura
Menos de
2
2a4
4a8
8 a 15
15 a 30
q adm,
zapata
contínua
(kg/cm2)
Menos de 0.22
Más de 30
Más de 4.80
Más de 3.60
0.22 a 0.45
0.45 a 0.90
0.90 a 1.80
1.80 a 3.60
VALORES DE CARGA ADMISIBLE EN ROCAS.Hay que hacer uso del esclerómetro o martillo Schmidt, el
que nos determina la resistencia a la compresión (qu). Las
rocas tienen una resistencia de qadm = 0.2 a 0.3 qu,
kg/cm2
Donde:
qu = Esfuerzo de rotura, del ensayo de compresión simple
inconfinada, en kg/cm2.
Descripción
Fig. (8). Detalles del equipo de corte directo.
EN
q adm,
zapata
cuadrada
(kg/cm2)
Menos de
0.30
0.30 a 0.60
0.60 a 1.20
1.20 a 2.40
2.40 a 4.80
5.2 EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO.Es un ensayo de cortante. Nos determina el ángulo de
fricción interna y la cohesión del suelo. Estos parámetros
son importantes, para determinar la capacidad portante del
suelo, sobre el que se va a construir. Consiste en aplicar
esfuerzos verticales y horizontales, a tres muestras de
suelo, y determinar el instante de falla a cortante. Cuando
se aplica un esfuerzo vertical fijo de 0.5 kg/cm2, la
primera muestra falla con un esfuerzo horizontal o cortante
t1, la segunda muestra es sometida a un esfuerzo de 1.0
kg/cm2, y falla con un esfuerzo cortante t2. La tercera es
sometida a un esfuerzo de compresión de 1.5 kg/cm2, y
falla con un cortante γ. Con estos tres pares ordenados se
grafica el diagrama de ruptura de Mohr. También, se
hace uso del análisis de regresión lineal, para obtener el
ángulo de fricción interna y la cohesión del suelo.
ADMISIBLE
Roca suave
Roca medianamente dura
Roca dura y sana
Rocas sedimentarias
Lutitas y pizarras
Calizas
Rocas en plegamientos
Micas
Rocas ígneas
Basalto, granito, diorita, sanas
qadm,
kg/cm2
8
40
60
8 a 10
10 a 20
40
20 a 40 y a
100
Rocas metamórficas
Gneiss
100
Mármol
10 a 20
5.3 CONSOLIDACION Y ASENTAMIENTO DE
SUELOS.El Ensayo de Consolidación, se realiza con el edómetro o
consolidómetro, y determina la Curva de Consolidación y
la Curva de Compresibilidad. La Curva de
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Compresibilidad, muestra la relación entre la carga
aplicada “p” y la relación de vacíos “e”.
Varias edificaciones han tenido problemas de
agrietamiento, debido al daño producido por el
hundimiento de la cimentación, cuando ésta ha sido
construida sobre un suelo blando y compresible.
Cuando colocamos apoyos fijos o empotramientos de los
pórticos, estamos asumiendo que estos no se van a
desplazar, ni hundir. Estas hipótesis no son válidas si el
suelo, y por consiguiente las zapatas, se hunden. Se
produce fallas en toda la edificación, que se manifiesta por
agrietamientos en muchos ambientes de la misma.
Fig.(10). Consolidómetro o edómetro.
Método para determinar si un suelo es muy
compresible.- Es a través del límite líquido (LL). Se
determina el Indice de Compresión Cc, con la fórmula
aproximada dada por Terzaghi:
Cc = 0.009 (LL - 10%)
Luego clasificamos la compresibilidad con la siguiente
tabla dada por Crespo Villalaz:
Cc
0.00 a 0.19
0.20 a 0.39
0.40 a más
b) Determine la pendiente del tramo virgen:
av = Δe/Δp = coeficiente de compresiiblidad = cm2/kg
c) Calcule mv = coeficiente de variación volumétrica.
mv = av / (1 + e) = cm2/kg
e = relación de vacíos
d) Luego clasifique la compresibilidad según la tabla dada
por M. J. Tomlinson:
Compresibilidad
mv (cm2/kg)
Muy baja
Menor que 0.005
Baja
0.005 - 0.010
Media
0.010 - 0.030
Alta
0.030 – 0.150
Muy alta
Mayor que 0.150
IMPORTANTE.Un suelo clasificado como de compresibilidad media, va
a ocasionar problemas de asentamiento en la
edificación.
No confíe en el suelo, no acepte diseños que no tengan un
estudio de suelos serio, en la que no se incluya el Ensayo
de Consolidación y el cálculo de asentamientos, con la
firma de un profesional responsable. El hecho de que la
compresibilidad de un suelo se clasifique como Media, no
significa que el suelo no va a ocasionar problemas de
asentamiento. Debajo de la edificación puede existir un
estrato muy compresible, y si no lo detectamos vamos a
dañar una edificación, la cual es muy costosa.
Cuando los cálculos indican que se superan los
asentamientos máximos, hay que eliminar el estrato
blando, reemplazándolo por material granular (grava),
compactado hasta una resistencia adecuada, o ubicar el
nivel de cimentación debajo del estrato blando.
No tenga reparos en eliminar el suelo compresible, y dejar
un sótano hasta llegar a un estrato firme.
Otra opción, es disminuir el número de pisos, aumentar el
área del cimiento o usar cimentaciones profundas.
Compresibilidad
Baja
Media
Alta
Fig. (12). Sede de la fiscalía en la ciudad de Lambayeque,
en donde se presentan fallas por asentamientos. Diseñada
para cinco niveles, la capacidad portante fue calculada
erróneamente en 4 kg/cm2. La capacidad portante neta real
es de 0.70 kg/cm2
Fig. (11). Curva de compresibilidad en escala logarítmica.
También a través del Coeficiente de variación
volumétrica mv:
a) Realice la Curva de compresibilidad (presión X vs
relación de vacíos Y) en escala aritmética.
6. EL PROCESO CONSTRUCTIVO.Se debe considerar el aspecto constructivo en el diseño de
cimentaciones. Hay que evitar los daños a terceros, durante
la construcción del cimiento de la edificación. El tipo de
cimentación elegida define la excavación (desequilibrio
del suelo) a ejecutar.
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Hay problemas éticos, legales y de calidad profesional del
diseñador, cuando ocurre un accidente o falla en la obra.
Por ello, es necesario conocer la responsabilidad del
diseñador y del constructor, o del diseñador estructural
respecto a los demás profesionales (sanitarios, mecánicoeléctricos).
Es peligroso excavar sin soportes. A veces la edificación
vecina es de adobe, y su nivel de cimentación es más alto
que la nueva cimentación. Si falla la edificación vecina, ¿la
responsabilidad es del constructor, del diseñador o del que
hizo el estudio de suelos?
Respecto a las excavaciones para las cimentaciones y
ademes, Peck, Hanson y Thornburn, en el libro “Ingeniería
de Cimentaciones”, página β05, afirman lo siguiente:
“Ordinariamente, el ingeniero especialista en
cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de
excavación en un lugar dado, ni de diseñar el
apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta
operación corresponde al contratista. Sin embargo,
generalmente es obligación del ingeniero aprobar o
recusar el procedimiento de construcción propuesto
por el constructor y revisar el proyecto del
apuntalamiento”.
Son muy comunes los agrietamientos de las casas vecinas
cuando se hace una excavación, que son de adobe o muy
antiguas. Se producen también derrumbes que pueden
ocasionar lesiones o muertes a los trabajadores. Cuando
se excava una zanja en suelos granulares, el suelo se
rompe formando un bloque casi triangular, de tal manera
que el ángulo θ = 45 + ∅/2. Siendo ∅ el ángulo de fricción
interna del suelo. Lo más conveniente es alejarse de la
construcción vecina, la distancia x = H ctg (45 + ∅/2). Por
ejemplo, para una arena de ∅=30º, x = 0.577 H.
Cohesión,
c (kg/cm2)
0.05
0.10
0.20
0.30
0.40
ARCILLAS
f=0
(m)
0.5
1.1
2.2
3.3
4.4
ARENAS
c=0
(m)
0
0
0
0
0
ARENAS
CON FINOS
f,c ≠ 0
(m)
1.1
2.2
4.3
6.5
8.7
Estos valores hay que dividirlos entre un factor de
seguridad.
Fig. (14). Dos obreros murieron por derrumbe de
excavación de zanja de desagüe, el 26 de Setiembre del
2006, en Cayalti. El suelo era arenoso y la excavación era
de γm de profundidad. Tomado del diario “La Industria”
de Chiclayo.
Fig. (13).Rotura de suelo debido a excavación, en un
modelo a escala reducida.
En suelos cohesivos y granulares, la altura crítica Hc, de
una excavación vertical, o sea la profundidad del talud
hasta la cual se sostiene por sí solo, sin necesidad de
soporte lateral vale:
2c 1 sen
…(1)
Hc
1 sen
Siendo c la cohesión, ∅ el ángulo de fricción interna y el
peso específico de masa del suelo. La ecuación anterior
nos indica que para un suelo sin cohesión, la altura crítica
es cero.
Para un suelo cohesivo (arcilla o limo) ∅ = 0, = 1800
kg/m, entonces Hc = βc/ . Para un suelo granular (arena),
∅ = γ0º,
= 1600 kg/m3 y c = 0. Se tiene las alturas
máximas de excavación de la cohesión:
PROFUNDIDAD MAXIMA DE EXCAVACION
Fig. (15). Agrietamiento de edificación, debido a
excavación para construcción de un templo de tres niveles
con sótano. Los agrietamientos aparecen durante la
excavación.
10. CONCLUSIONES.10.1 El diseño de cimentaciones, debe considerar el mapa
de peligros, que define la posibilidad o no de la
construcción.
10.2 Se debe considerar el mapa geotécnico, por define el
comportamiento del suelo sobre el que se va a edificar.
10.3 Hay que evitar los daños a terceros, durante la
construcción del cimiento de la edificación. El tipo de
cimentación a elegir define la excavación a ejecutar.
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7
10.4 El estudio de suelos define los parámetros de diseño
y construcción de edificaciones. Debe ser realizado por un
profesional competente.
10.5 La interacción de la rigidez del cimiento y el suelo,
afectan los resultados del análisis estructural.
10.6 En el diseño de cimentaciones, incluir los efectos de:
sismo, viento, vibraciones de máquinas, asentamiento del
suelo, nivel freático, subpresión de agua, empuje de agua
sobre la subestructura y superestructura, empuje de suelo
sobre la subestructura y superestructura, licuación del
suelo, expansión del suelo, derrumbes de los taludes de
excavación, procedimiento de construcción, inundaciones,
cambios de temperatura, agentes agresivos (sales, cloruros,
sulfatos), socavación, erosión eólica e hidráulica, y demás
fenómenos de la naturaleza.
10.7 Hay que hacer cumplir en el diseño y construcción,
las especificaciones del Código del ACI y Reglamento
Nacional de Edificaciones
Donde: Df está en metros, es el peso específico de masa
en ton/m3, e IP en porcentaje. Por ejemplo para IP = 10%,
y = 1.8 ton/mγ, Df = 1.44 m.
En el Estudio de Suelos, se busca el estrato firme para
cimentar, y una de las maneras de encontrarlo, en el
campo, es con el ensayo de penetración estándar (SPT).
Ver figura (1).
EL ESTUDIO DE MECANICA DE SUELOS
1. El sistema estructura-suelo.-Hay que considerar el
suelo y la estructura como un sistema, de tal manera que
interactúan entre si, y que si algo sucede a uno de los
componentes del sistema, por ejemplo al suelo, éste afecta
necesariamente a la edificación. Es un error aislar ambos, y
estudiarlos por separado, esto sólo ocurre en la teoría
cuando se crean modelos de cálculo para simplificar las
variables, pero esto no es garantía de que esto ocurra en la
realidad. Aunque el suelo sea gravoso no suponer que es
bueno para construir sobre él, y que no es necesario el
estudio de suelos. Puede estar asentado en zona de peligro
por inundaciones o por sismo, o puede tener partículas
finas de gran fuerza expansiva.
2. Profundidad de Cimentación (Df).-McCarthy recomienda cimentar por debajo del nivel
activo o erosión potencial, si se trata de arenas compactas.
En el caso de arcillas o limos firmes, recomienda cimentar
por debajo del nivel activo por cambios de volumen.
-Manuel Delgado Vargas, en su libro “Ingeniería de
Cimentaciones”, afirma que se requiere cierta profundidad
de cimentación, para evitar la socavación del suelo por
debajo del cimiento superficial, siendo ésta de 0.50 m.
-Para el ATM, Army Technical Manual (Manual técnico
del ejercito de EEUU.) y el AFM, Air Force Manual, la
profundidad de cimentación debe ser de 1.20m, para
considerar el cambio de volumen del suelo, debido al
efecto del hielo y deshielo.
-En las Normas Peruanas de Estructuras, se especifica
que debe ser de 0.80 m, y si se usa albañilería portante con
losa de concreto armada en dos sentidos, y viga perimetral
que sea de 0.40 m.
Fig. (1). El nivel de cimentación, se determina también,
“in situ”, buscando el estrato firme.
3. La profundidad de sondeo.- Se refiere a la
profundidad a que se debe hacer el estudio de suelos. Para
suelos muy compresibles, se toma como aquella
profundidad, p, donde se cumple que el esfuerzo vertical
vale 10 % de la carga superficial. Para zapatas cuadradas,
esta potencia vale H =1.5B a 2B, siendo B el ancho de
zapata.
p = Df + 1,5 B
…(β)
Donde, Df = Profundidad de cimentación. B = ancho del
cimiento. Por ejemplo si Df = 1,5 m, y B = 2,0 m.
Entonces p = 4,5 m.
-Carlos Crespo Villalaz da una ecuación para determinar
la profundidad de cimentación Df, en función del índice
plástico (IP):
Df
(0.83 0.017 * IP) *IP 4
7
8
Fig. (2). Profundidades de cimentación y sondeo.
4. Clasificación de suelos.- Para clasificar se necesitan los
ensayos de límite líquido (LL), límite plástico (LP) y
análisis granulométrico. Se usa el Sistema unificado de
clasificación de suelos SUCS, y el Sistema de la
AASHTO. Esto sirve para elaborar el perfil estratigráfico.
Para clasificar el suelo hay que usar la Carta de
Plasticidad. Ver. Fig. (3).
Fig. (4). El nivel del manto acuoso debe constar en el
informe, para evitar las filtraciones en la edificación.
6. Contenido de sales en el suelo.- Las sales dañan el
concreto y el acero de las estructuras, ver Fig. (5). Las
especificaciones dadas por el Código de California
(California Building Code), son:
Exposición
a
Sulfatos
Despreciable
Moderado
Severo
Muy severo
Sulfato (SO4) en
agua,
ppm
0-150
150-1500
1500-10000
Mayor de 10000
Tipo de
Cemento
II, IP(MS),IS(MS)
V
V mas puzolana
Mínimo
f’c,
kg/cm2
280
315
315
Fig. (3). Carta de Plasticidad, que sirve para clasificar el
suelo.
5. Nivel freático.- Es importante, para efectuar la
evaluación sobre el posible efecto de licuación de las
arenas ante efecto sísmico, o su variación por riego de
terrenos aledaños o por lluvia o inundación, que hace
reaccionar las arcillas expansivas. Si es que se va a
construir un sótano y el nivel freático afecta la edificación,
usar platea y muros de contención, construir debajo o
alrededor un sistema de drenaje, además colocar waterstop en la unión platea-muro de contención, usar aditivos
impermeabilizantes en el concreto. Ver Fig. (4).
Fig. (5). Efecto de las sales del suelo en paredes de
edificación en el puerto del Callao, Lima. Perú.
6. Expansibilidad del suelo.- Para esto hay que
realizar el ensayo de Expansión libre o el ensayo de
Presión de expansión, para determinar la fuerza expansiva.
Los investigadores Holtz y Gibbs en su libro “Propiedades
de ingeniería de las arcillas expansivas”, clasifica el
Potencial de expansión según el valor del Indice plástico
(IP):
Grado de
Indice de
Límite de
Probable
Expansión plasticidad, Contracción expansión
IP (%)
(%)
(%)
Muy alto
> 35
<11
>30
Alto
25 a 41
7-12
20-30
Medio
15 a 28
10-16
10-20
Bajo
< 18
>15
<10
8
9
En la ciudad de Iquitos, en el suelo subyacente al Malecón
Tarapacá que colinda con el río Amazonas, la fuerza
expansiva hacia arriba, determinada en laboratorio es de
5.00 kg/cm2. Kassiff, Liben y Wiseman, han encontrado
la relación entre el IP y el probable levantamiento de
arcillas compactadas, según el siguiente cuadro:
IP Levantamie
(%
nto de la
)
superficie
(cm)
10
0
20
1
4
30
7
40
13
50
7. Asentamientos.-Hay que realizar el ensayo de
consolidación, de donde se determina el Indice de
compresión de la curva de compresiblidad (Cc), y la
relación de vacíos inicial (e). Para calcular el asentamiento
(S) de la edificación se usa:
Cc
pi z
log
H
S
1 e
pi
Suelo
Máximo
asentamiento
diferencial
Máximo
asentamiento
Plateas
(cm)
Arenas
Arcillas
Cimientos
aislados
(cm)
3
4.5
Arenas
Arcillas
5
7.5
5 a 7.5
7.5 a
12.5
8.1.2 Zapata cuadrada o rectangular.8.1.2.1. Falla por cortante general (N del SPT mayor o
igual a 15).… (B.1)
qd 1.3cN c ZN d 0.4BN
8.1.2.2 Corte local o punzonamiento (N del SPT menor
a 15).-
qd 1.3c , N c, ZN q, 0.4BN ,
… (B.β)
8.2 El Ensayo de penetración estándar (SPT, Standar
penetration test).Es ejecutado “in situ”, se requiere para este ensayo, de
trípode, motor, polea, martillo, cuerda, cañas guía y
partida.
3
4.5
8. Capacidad Portante (qadm).-Comúnmente se utiliza la
teoría de Terzaghi, que requiere del ensayo de corte
directo. Sin embargo también puede usarse el equipo de
Penetración Estándar (SPT). A pesar de que sus valores
parecen de poca variación, por ejemplo de 0.5 a 1.0
kg/cm2, sus valores definen en gran medida el tipo de
cimentación a usar, y el número de pisos de la edificación,
porque cada piso adicional representa carga adicional.
8.1 Fórmulas del Dr Terzaghi.8.1.1 Zapata corrida.8.1.1.1 Cuando la falla es por cortante general (N del
SPT mayor o igual a 15):
(A.1)
qd cN c ZN q 0.5BN
8.1.1.2 Cuando la falla es por cortante local, y
punzonamiento (N del SPT menor a 15):
qd c' N c, ZN q, 0.5BN ,
Z= Df = Profundidad de desplante (m).
L= Longitud de la cimentación (m).
= Peso volumétrico del suelo (kg/mγ).
c= Cohesión del suelo (del ensayo de corte, kg/cm2)
ф=Angulo de fricción interna (del ensayo de corte)
B= ancho de la zapata (o dimensión menor de la zapata
rectangular) en m.
= peso unitario del suelo en kg/m2.
c’,= (2/3)*c.
Siendo la nomenclatura la misma del caso anterior.
Si se estudia el asentamiento de un estrato arcilloso de
espesor H a una profundidad determinada, pi es la presión
efectiva Σ h a la mitad del estrato arcilloso, z es el
esfuerzo debido a la carga de la edificación (se calcula con
las ecuaciones de Boussinesq), en el centro del estrato que
se comprime.
Los asentamientos tienen límites. Según Skempton y
MacDonald:
Criterio
Donde:
q d = Capacidad de carga limite en kg/m2.
Fig. (2). Colocación del equipo de penetración en el punto
de sondeo. Obra: Tanque Elevado de Nuevo Mocce.
Lambayeque. Perú.
Con el valor de N se puede determinar, la resistencia a
compresión, el módulo de elasticidad, el coeficiente de
balasto, el coeficiente de variación volumétrica y la
capacidad portante Hay que hacerle algunas correcciones,
pero que hacen variar ligeramente el valor de N. Al valor
nuevo se le llama N corregido.
La capacidad neta admisible del suelo, se obtiene a partir
del número de golpes N, con las siguientes relaciones:
Para zapatas:
qadmisible = 0.133*N, kg/cm2 (Arcillas), C. Crespo
(A.2)
9
10
qadmisible = 0.215*N, kg/cm2
(Arenas y limos no
plásticos)
Para plateas sobre arenas:
qadmisible = (N – 3) /5, kg/cm2. (Peck, Hanson y
Thornburn)
VALORES DE CARGA ADMISIBLE EN
ARCILLAS.Descripción
Muy
blanda
Blanda
Mediana
Compacta
Muy
compacta
Dura
N
del
SPT
Meno
s de 2
2a4
4a8
8 a 15
15 a
30
Más
de 30
q adm,
zapata
cuadrada
(kg/cm2)
Menos de
0.30
0.30 a 0.60
0.60 a 1.20
1.20 a 2.40
2.40 a 4.80
q adm,
zapata
contínua
(kg/cm2)
Menos de
0.22
0.22 a 0.45
0.45 a 0.90
0.90 a 1.80
1.80 a 3.60
Más de 4.80
Más de 3.60
10. Consolidación y asentamiento de suelos.10.1 El Ensayo de Consolidación, se realiza con el
edómetro o consolidómetro, y determina la Curva de
Consolidación y la Curva de Compresibilidad. La Curva
de Compresibilidad, muestra la relación entre la carga
aplicada “p” y la relación de vacíos “e”.
Varias edificaciones han tenido problemas de
agrietamiento, debido al daño producido por el
hundimiento de la cimentación, cuando ésta ha sido
construida sobre un suelo blando y compresible.
Cuando colocamos apoyos fijos o empotramientos de los
pórticos, estamos asumiendo que estos no se van a
desplazar, ni hundir. Estas hipótesis no son válidas si el
suelo, y por consiguiente las zapatas, se hunden. Se
produce fallas en toda la edificación, que se manifiesta por
agrietamientos en muchos ambientes de la misma.
VALORES DE CARGA ADMISIBLE EN ROCAS.Tienen una resistencia de:
qadm = 0.2 a 0.3 qu, kg/cm2
qu = Esfuerzo de rotura, del ensayo de compresión simple
inconfinada, en kg/cm2.
Descripción
Roca suave
Roca medianamente dura
Roca dura y sana
Rocas sedimentarias
Lutitas y pizarras
Calizas
Rocas en plegamientos
Micas
Rocas ígneas
Basalto, granito, diorita, sanas
Rocas metamórficas
Gneiss
Mármol
qadm,
kg/cm2
8
40
60
Fig. (3). Consolidómetro o edómetro.
8 a 10
10 a 20
40
20 a 40 y a
100
100
10 a 20
9. Suelos colapsables.- Son suelos no saturados que sufren
gran cambio de volumen al saturarse. La mayoría son
eólicos, como las arenas y limos depositados por el viento.
Priklonski (1952) tiene una expresión para identificar un
suelo colapsable:
KD = (w – LP) / IP
Donde w es el contenido de agua natural, LP es el límite
plástico, e IP = LL-LP, es el índice de plasticidad.
KD
Tipo de suelo
Menor que 0
Muy colapsable
Mayor que 0.5
No es colapsable
Mayor que 1
Expansivo
Fig. (4). Grietas por asentamiento, en la sede de la Fiscalía
de Lambayeque.
10.2 Método para determinar si un suelo es muy
compresible.- Es a través del límite líquido (LL). Se
determina el Indice de Compresión Cc, con la fórmula
aproximada dada por Terzaghi:
Cc = 0.009 (LL - 10%)
Luego clasificamos la compresibilidad con la siguiente
tabla dada por Crespo Villalaz:
Cc
0.00 a 0.19
Compresibilidad
Baja
10
11
0.20 a 0.39
0.40 a más
Media
Alta
Fig. (6).Rotura de suelo por excavación
Los derrumbes se explican con las ecuaciones de la teoría
de Mohr-Coulomb, para el caso de empuje activo de suelo.
Aquí el esfuerzo vertical es igual a la presión efectiva de
suelo z.
Fig. (5). Curva de compresibilidad en escala arítmética.
También a través del Coeficiente de variación
volumétrica mv:
a) Realice la Curva de compresibilidad (presión X vs
relación de vacíos Y) en escala aritmética.
b) Determine la pendiente del tramo virgen:
av = Δe/Δp = coeficiente de compresiiblidad = cm2/kg
c) Calcule mv = coeficiente de variación volumétrica.
mv = av / (1 + e) = cm2/kg
e = relación de vacíos
d) Luego clasifique la compresibilidad según la tabla dada
por M. J. Tomlinson:
Compresibilidad
mv (cm2/kg)
Muy baja
Menor que 0.005
Baja
0.005 - 0.010
Media
0.010 - 0.030
Alta
0.030 – 0.150
Muy alta
Mayor que 0.150
IMPORTANTE.Un suelo clasificado como de compresibilidad media, va
a ocasionar problemas de asentamiento en la
edificación.
11. Daños por excavación.- Son muy comunes los
agrietamientos de las casas vecinas cuando se hace una
excavación, que son de adobe o muy antiguas. Se
producen también derrumbes que pueden ocasionar
lesiones o muertes a los trabajadores. Cuando se excava
una zanja en suelos granulares, el suelo se rompe
formando un bloque casi triangular, de tal manera que el
ángulo θ = 45 + ∅/2.
Fig. (7). Muro sometido a empuje horizontal
El empuje producido por la fuerza horizontal, tiene dos
componentes que se oponen.
Este empuje, cambia de sentido a una cierta profundidad.
En esta profundidad crítica, Hc, las dos componentes de
esfuerzo horizontal se igualan:
.sh = sv Ka - βc √Ka
Siendo sv =
.sh =
z
( z ) Ka - βc √Ka
( z ) Ka - βc √Ka = 0
.z = (2c / ) * 1 / √Ka
H se llama altura crítica
-c la cohesión, ∅ el ángulo de fricción interna y el peso
específico de masa del suelo.
Para un suelo cohesivo (arcilla o limo) ∅ = 0, entonces Hc
= βc/ , y para = 1800 kg/m3, se tiene las alturas máximas
de excavación en función de la cohesión. Hay que
dividirlas entre un factor de seguridad.
Dividir estos valores entre un factor de seguridad
FS = 2.
PROFUNDIDAD MAXIMA DE EXCAVACION
Cohesión,
c (kg/cm2)
ARCILLAS
f=0
(m)
ARENAS
c=0
(m)
ARENAS
CON
FINOS
f,c ≠ 0
(m)
11
12
0.05
0.10
0.20
0.30
0.40
0.5
1.1
2.2
3.3
4.4
0
0
0
0
0
1.1
2.2
4.3
6.5
8.7
el efecto conseguido es una fijación casi completa del
soporte sustentado y así debe suponerse en el cálculo”.
12. Problemas legales del ingeniero civil, que hace un
estudio de suelos.- Se pretende que un informe de suelos
prevea “todos” los posibles accidentes o fallas del futuro, y
ofrezca “todas”
las soluciones a los problemas
encontrados. Esto es difícil e irreal. Sin embargo cuando
éstas ocurren, se juzga con sumo rigor al que realiza el
estudio de suelos. Se le juzga porque se asume que el
ingeniero debe tener el máximo nivel de conocimientos.
El estudio de suelos hace diagnóstico y pronostica. Si en
un estudio de suelos, se descubre algo negativo o
peligroso, que puede pasar en la obra, tiene que decirlo en
el informe, así no sea de su especialidad, o no corresponda
al estudio de suelos que está haciendo, porque se comete el
delito de omisión.
Si se hacen calicatas y no se cierran, tiene que colocarse
cercos de seguridad, indicando “Peligro”. Alguien puede
caerse en la excavación y lesionarse, en cuyo caso, se
comete el delito de negligencia.
Se comete delito por cuatro causas: Negligencia,
Omisión, Error y Olvido.
Fig. (8). Falla de suelo en la altura crítica: a partir de la
altura critica ya no hay fuerza que equilibre el empuje
actuante:
En el fenómeno del derrumbe hay dos fuerzas
horizontales, que actúan en sentido contrario: Una de
empuje y otra de retención.
En términos de esfuerzo, En el fenómeno del derrumbe
hay dos fuerzas horizontales, que actúan en sentido
contrario: Una de empuje y otra de retención.
En términos de esfuerzo,
el empuje crece con la profundidad z, mientras que la
componente de cohesión que retiene se mantiene
constante.
A cierta profundidad, la primera fuerza vence a la segunda.
el empuje crece con la profundidad z, mientras que la
componente de cohesión que retiene se mantiene
constante.
A cierta profundidad, la primera fuerza vence a la segunda.
12. Diseño estructural.- Una arena suelta, o una arcilla
compresible no garantizan un empotramiento perfecto.
Winter y σilson en su libro “Proyecto de estructuras de
hormigón”, dicen textualmente: “En soportes apoyados
sobre zapatas relativamente pequeñas que a su vez
descansan sobre un terreno compresible se supone
generalmente extremo articulado, ya que tales suelos
sólo ofrecen una resistencia muy pequeña a la rotación
de la zapata. Por otra parte, si las zapatas descansan
sobre roca sólida o si se utiliza un grupo de pilotes con
su parte superior encepada en un bloque de hormigón,
12
13
Foto (1). Fallas por efectos de expansibilidad en suelo y a
la mala práctica constructiva, del hospital del IPSS de
Chachapoyas (1985). Las fallas aparecieron tres meses
después de inaugurada la obra.
Foto (4). Expansibilidad en muro en conjunto habitacional
“Las Delicias”, Reque. Aquí el suelo es granular con finos.
Foto (5). Falla de muro por excavación de sótano de
cuatro metros de profundidad, en la parte inferior izquierda
de la edificación fallada. Obra en Chiclayo.
Foto (2). Efectos de expansibilidad en suelo del en el piso
del hospital del IPSS de Chachapoyas.
Foto (6). Falla en muro de contención en el Malecón
Tarapacá en Iquitos.
.
Fotos (3). Interior del Hospital del IPSS en Chachapoyas,
falló por expansión del suelo, a los tres meses de
terminado.
13
14
Foto(7). Inundación que socavó los cimientos en Mocce.
Lambayeque.
Foto (8). Puente Reque que falló debido a la socavación
del suelo, durante el fenómeno de El Niño, por incremento
de caudal; y mala ubicación respecto al suelo, y a las líneas
de corriente del río.
Foto (10). Falla en piso de conjunto Habitacional
Hillview Glen Apartments, en California, USA.
Foto (11). Obra pública en la ciudad e Lambayeque, en
donde se presentan fallas por asentamientos.
Foto (9). Efecto de las sales del suelo en paredes de
edificación.
Foto (12). Grietas en la pared de la obra pública en de
Lambayeque, debido al asentamiento del suelo.
14
15
Foto (15). Dos obreros murieron por derrumbe de
excavación de zanja de desagüe, el 26 de Setiembre del
2006, en Cayalti. El suelo era arenoso y la excavación era
de 3m de profundidad. Instantes en que son sacados.
Foto (13). Falla de muro en casa de dos niveles por
construcción adyacente de edificio de 7 niveles.
Foto (14). Falla de muro correspondiente al mismo caso
anterior.
Fig. (B). Explicación esquemática de un derrumbe durante
la construcciñon de un edificio en La Victoria, Lima Perú,
que mató a ocho obreros.
Fig. (A). Detalle de calzadura, fuerzas y esfuerzos en una
excavación.
15
16
Foto (16). Derrumbe en Gamarra, por excavación de zanja
en talud que no tenía muro de contención. Resultado: un
fallecido. Tomado del diario “El Comercio”.
Foto (17). Masa de tierra sepultó y mató a dos obreros, en
la calle Próceres, en el Distrito de Jose´Leonardo Ortiz, en
obra de reeestructuración de las redes de alcantarillado, el
11 de Junio del 2009.
16
17
EL ENSAYO DE PENETRACION
ESTANDAR (SPT, Standar penetration test).EVOLUCIÓN HISTÓRICA.En el año 1902 Charles R. Gow desarrolló la práctica de
hincar en el suelo un tubo de 1 pulgada de diámetro
exterior, para obtener muestras, marcando el inicio del
muestreo dinámico de los suelos.
En 1922, su empresa se transformó en una subsidiaria de
Raymond Concrete Pile, la que difundió esa nueva
metodología de estimar la resistencia del material en base
al trabajo de hinca del tubo.
La cuchara partida de 2 pulgadas de diámetro exterior fue
diseñada en el año 1927, basándose en el trabajo de campo
realizado en Philadelphia por G. A. Fletcher y el
desarrollo de investigaciones realizadas por H. A. Mohr
(gerente regional de Gow Company en Nueva
Inglaterra, U.S.A.).
En
1930
comenzó
a reglamentarse el método de
ensayo con la realización de mediciones de la resistencia
a la penetración de una cuchara partida (de 2 pulgadas)
bajo una carrera de 12 pulgadas, empleando una maza de
63,5 kg. que caía desde 76,2 cm. de altura.
En su trabajo titulado “Exploration of
soil
conditions and sampling operations” publicado por
la Universidad de Harvard en el año 1937, H. A.
Mohr, reporta que el método de exploración del suelo y
su muestreo se estableció en febrero de 1929, fecha del
primer informe del ensayo de penetración, realizado por
la Gow, División de Raymond Concrete Pile.
Según Fletcher, en aquel momento la técnica de la
perforación, era el principal obstáculo para la
normalización del método. Ni Fletcher ni Mohr
dieron muchos detalles del diseño de la cuchara partida
de β” de diámetro externo, pero si lo hizo Hvorslev en
1949 en su reporte clásico sobre exploración y muestreo
del subsuelo.
En la 7ma. Conferencia de Texas sobre Mecánica
de Suelos e ingeniería de las fundaciones, en el cual
fue presentado el trabajo titulado “σuevas tendencias
en la exploración del Subsuelo” se citan las primeras
referencias concretas sobre el método al que le dieron
el nombre de Standard Penetration Test, (“Ensayo
Normal de Penetración”).
En el primer libro de texto donde se hace referencia al
ensayo descrito es la edición de “Mecánica de Suelos en
la Ingeniería Práctica” de Terzaghi y Peck en 1948.
Fig(1). Equipo de penetración estándar (SPT).
Es ejecutado “in situ”, se requiere para este ensayo, de
trípode, motor, polea, martillo, cuerda, cañas guía y
partida.Consiste en determinar el número de golpes (N),
que se requieren para que una barra vertical (llamada
caña), penetre una longitud de un pie (30 cm), dentro del
suelo, por medio de un golpe de martillo de 140 libras de
peso, levantado y soltado desde una altura de 76 cm.
Fig(2). Detalles del equipo de penetración estándar. El
martillo golpea a la caña, a través de un tope, para que
penetre 30 cm.
2. DESCRIPCION.-
Fig. 2.1 Martillo.
17
que aplicar a los valores de N para otras presiones
efectivas diferentes está dado por las expresiones:
18
Peck-Hanson-Thornburn
. p = presión vertical efectiva en t/m2 <= 2,5 t/m2
Donde,
CN = Factor de corrección
p = Presión efectiva debida a la sobrecarga (t/m2).
Con el valor de N se puede determinar, la resistencia a
compresión, el módulo de elasticidad, el coeficiente de
balasto, el coeficiente de variación volumétrica y la
capacidad portante Hay que hacerle algunas correcciones,
pero que hacen variar ligeramente el valor de N F de
campo. Al valor nuevo se le llama N corregido, estándar
(Ns) o N60
Ns, N60 = NF * CN * h1 * h2 *h3 * h4 * h5
N 60 se interpreta aquí como la energía que llega a la
cabeza de golpeo cuando ERs = 60 %
CN = Corrección por sobre-capa
n1 = Factor de ajuste = ER / ERs
ERs es aproximadamente = 60 % (USA)
n2 = Factor de ajuste por longitud de las barras de
perforación
n3 = Factor de ajuste por el revestimiento del tomamuestras
n4 = Factor de ajuste por el diámetro del toma-muestras.
N5 = Factor de ajuste por nivel freático
Corrección por sobrecapa, CN.En la determinación de la resistencia a penetración de una
arena, influye la profundidad a la cual se practica el
ensayo, debido al confinamiento producido por la presión
de la sobrecarga. Puede ocurrir que al aumentar la
profundidad exhiba valores mayores de densidad relativa
que la real. Si se considera normal el valor de N a
una profundidad que corresponde a una presión efectiva de
sobrecarga de 10 t/m2, el factor de corrección CN que hay
18
Lo hacen encontrando a partir de la ecuación de
Terzaghi, para suelo friccionante c = 0, y limitando los
asentamientos S1, a una pulgada.
19
Ralph Brazelton Peck. Canadá 1912 – New Mexico
2008
"If you can't reduce a difficult engineering problem to just
one 8.5 by 11 inch sheet of paper you will probably never
understand it."
"The intense technical nature of engineering can lead to a
deficiency in an engineer's social, spiritual and cultural
life, and an inability to communicate effectively," he said.
"A deliberate effort to broaden interests and read widely is
needed."
Corrección por nivel freático n5.Terzaghi y Peck recomiendan;
Si σ’ >15, entonces:
N 15
N '15
2
5
N 15 N '
N'
2N '
5
15 N ' 7,5
0,5
2N '
N'
Si σ’ <15, entonces:
5 1
3. CORRELACIONES DE LOS RESULTADOS DEL
SPT.Los resultados del ensayo de penetración se han
correlacionado con diversos parámetros geotécnicos. A
continuación mostraremos la obtenida con la capacidad
portante en arenas mostrada por Ralph Peck, en su libro
de Ingeniería de Cimentaciones.
Fig. 1.
Fig. 2.
3.1 SUELOS FRICCIONANTES.CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN
ARENAS.Peck-Hanson-Thorburn, encuentran las relaciones entre
la capacidad de carga admisible qadm, en función del
ancho del cimiento B, la profundidad de desplante Df, y
el número de golpes N del SPT.
19
20
qd cN c D f N q 0.5BN
De la ecuación de Terzaghi:
qd D f N q 0.5BN
….(1)
qd * D f D f N q 0.5BN * D f
qd * D f D f ( N q 1) 0.5BN
Df
0.5N
q d * D f B ( N q 1)
B
Df
B
q admisible
0.5N
( N q 1)
B
FS
q admisible
q admisible
Df
0.5f ( N SPT )
f ( N SPT ) 1
B
FS
B
Df
1,6 * B
0.5 *1,6 * N
( N q 1)
B
3
N q , N f ( N SPT )
…(γ)
q admisible f ( B, N SPT ,
Df
B
)
Nq y Ng, se obtienen de la gráfica de Peck.
Fig. 3.
Para zapatas cimentadas en arena:
Usando la Fig. 4 se obtiene:
qadmisible C * N
2,15 = C * 20
C = 0,1075
qadmisible 0,1075 * N
Con análisis de regresión, se obtiene:
qadmisible
N
9,132
qadmisible 0,1095 * N
, es la capacidad de
carga admisible de zapatas en arenas B>1,2.
Para plateas cimentadas sobre arenas:
C’ = β * C (Se acepta el doble de esfuerzo, ya que en
plateas es menor el daño por asentamiento, que en las
zapatas).
qadmisible 0,215 * N
5<= N < = 50
20
21
La densidad relativa (Dr) de una arena, tiene una
influencia importante en el ángulo de fricción interna (Φ),
en su capacidad de carga y en el asentamiento de
fundaciones que se apoyan sobre este material. Por
ejemplo si una arena sumergida es muy suelta, un
choque brusco puede
producir
una potencial
licuefacción del material (suspensión). En estado denso la
misma arena es insensible a los choques y por lo tanto
adecuada como base de las estructuras más pesadas.
De allí la importancia de la densidad relativa frente a las
demás propiedades a excepción de la permeabilidad.
Fig. 4.
CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN ARENAS
DEBIDO A ASENTAMIENTO MAXIMO, SEGÚN
MEYERHOF.Capacidad portante en arenas, dada por Meyerhof, para un
asentamiento máximo de una pulgada, con un factor de
seguridad igual a 2.-
N correg B 0,3
2
q admisible 2,54 *
, kg / cm
7
,
62
2
B
2
qadmisible 2,54 * k * C B , kg / cm 2
N correg
k
Coeficient e _ de _ Balasto
7,62
B = ancho de la zapata >= 1,20 m
Una correlación muy utilizada que relaciona el, valor N,
Dr, y sobrecarga efectiva, es la familia de curvas
desarrolladas y estudiadas por Gibbs y Holtz, basadas en
una serie de ensayos de laboratorio. Esta correlación la
utilizaron muchos ingenieros en todo el mundo para
estudios de rutina in situ y otros lo hicieron para predecir
la potencial licuefacción en suelos no cohesivos.
3.2 Correlaciones para otros parámetros geotécnicos de
las arenas.Los resultados del SPT pueden correlacionarse con
algunas propiedades mecánicas de los suelos, y en
especial en lo referente a las arenas. Las primeras
referencias sobre el uso del SPT en arenas están citadas en
(Terzaghi y Peck) y representadas en una tabla que
correlaciona el valor de N con la densidad relativa en
arenas.
21
22
Fig. 5.
F(grados) = 27,1 + 0,3Ncorreg. + 0,00054 (Ncorreg.)2
Hatanaka y Uchida en 1996 obtuvieron:
_________
F(grados) = √β0 *σcorreg. + 20
Fig. 6.
Angulo de fricción interna de las arenas.La figura (7) muestra la correlación entre los valores de
N con el esfuerzo vertical efectivo sv, los valores
del ángulo de fricción interna (Φ), obtenida por
Schmertmann, y que se obtiene de la ecuación:
RESUMEN DE PROPIEDADES EN ARENAS.-
Módulo de deformación (Es).Donde:
NF = Número de golpes del equipo del SPT en el xampo.
s´v = Presión efectiva de sobrecarga
Pa = presión atmosférica en las mismas unidades que Sv
Φ = ángulo de fricción interna del suelo.
3.2 SUELOS COHESIVOS.CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN
ARCILLAS.De la Ec. De Terzaghi:
qd cN c D f N q 0.5BN
qd cN c D f
Para f = 0, entonces Nq = 1, Ng = 0
Fig.(7). Correlación entre la resistencia a la penetración
Np, la presión vertical efectiva de sobrecapa sv, y el
ángulo de fricción interna, y el ángulo de fricción interna,
para suelos granulares, según Shmertmann (1975)
Peck, Hanson y Thornburn obtuvieron:
qd * D f cN c
q admisible
cN c
FS
Como: FS = 3, y:
c
qu
2
22
23
Resulta:
q admisible
qu N c
6
Donde:
3
e 2 4 2 tg
Nc ctg
1
2 cos 45º 2
3
e 2 4 2 tg
qu ctg
1
2 cos 45º 2
q admisible
6
Para zapata continua:
Cuando f = 0, de la gráfica de Terzaghi, para suelos
cohesivos, resulta Nc = 5,70
qadmisible 0,95 * qu
De la figura 18.2, dada por Skempton se obtiene:
Para cimiento en faja: 5,14<= Nc <=7,5
Para zapata cuadrada: 6,2<= Nc <=9
La
capacidad
admisible
en
arcillas
es
aproximadamente igual a la resistencia a la compresión
(Peck-Hanson-Thorburrn).
De la Fig. 4 obtenida del Naval Facilities Engineering
Command, de la línea de Terzaghi y Peck, obtenemos:
qu C * N
2kg / cm2 C * 15
C 0,133
qadmisible 0,133 * N
Para Delgado Vargas,
fundaciones:
, valor que da Crespo Villalaz
en su libro “Ingeniería de
C = 0,1 a 0,2 en arcillas de baja plasticidad
C = 0,05 a 0,15 en arcillas muy limosas y arenosas
C = (0,1 + 0,2)/2 = 0,15 en arcillas de baja plasticidad
C = (0,05 + 0,15)/2 = 0,10 en arcillas muy limosas y
arenosas
C promedio = (0,15 + 0,10)/2 = 0,125 = 1/8
qadmisible 0,125 * N
, es la capacidad de carga
admisible de zapatas en arcillas
23
este caso la metodología más adecuada para medir la
resistencia al corte en el laboratorio es por medio de ensayos
triaxiales.
En las perforaciones de exploración del subsuelo se
puede estimar groseramente la resistencia al corte de las
arcillas por medio de los ensayos de penetración. En la
tabla (2) se observa la relación aproximada entre el N de
cuchara partida y la resistencia a compresión simple (qu)
de las arcillas saturadas.
24
La resistencia al cortante no drenada de la arcilla se
obtiene con:
. c u = (0,035 a 0,065 N), kg/cm2, según Stroud, 1974.
.c u = 0,29 N 0,72 , kg/cm2, según Hara, 1971
Tabla (2)
La relación de sobreconsolidación se obtiene:
OCR = 0,193 (N / so ) 0,689
-so = Presión efectiva vertical en MN/m2.
Capacidad admisible de arcillas en función del N del
SPT.- Terzaghi-Peck:
RESUMEN DE PROPIEDADES EN ARCILLAS.-
La consistencia de las arcillas y de otros suelos cohesivos
se describe con los términos: Muy blando, blando,
medianamente compacto, compacto, muy compacto y
duro. La medición cuantitativa básica de la consistencia
es la resistencia a la compresión simple
(qu). Esta resulta representativa en los suelos arcillosos
saturados uniformes, en el caso de las arcillas marinas,
mientras que en el caso de suelos arcillosos de origen
residual, eólico, fluvial, los cuales poseen una falta de
uniformidad en su masa y pueden desarrollar
microfisuras, el valor de la
resistencia a la
compresión simple tiene vacilaciones importantes. En
24
25
25
26
ESFUERZOS EN UNA MASA DE SUELO
Esfuerzos debido a carga Puntual.- El problema consiste
en calcular los esfuerzos, que se producen en el interior de
una masa de suelo, debido a la aplicación de una carga
puntual, en la superficie de una masa elástica,
isotrópica,homogénea y semi-infinita.
A partir de la Ec. (4) se pueden calcular:
1.1. La variación de esfuerzos con la profundidad
1.2. La variación de esfuerzos con la distancia.
1.3. El diagrama de isóbaras.
1. 1 Variación de esfuerzos con la profundidad.En la Ec. (4), r = 0, para diversos valores de z.
Fig. 2. Variación de esfuerzos con la profundidad.
1.2. Variación de esfuerzos con la distancia.En la Ec. (4), z = constante, para diversos valores de r.
Fig. 1. El problema de Boussinesq de carga puntual.
Boussinesq en 1883, solucionó el problema hallando los
esfuerzos normales y cortantes en todas las direcciones.
Los esfuerzos normales valen:
…(1)
…(β)
Fig. 3. Variación de esfuerzos con la distancia.
1.3. Diagrama de isóbaras.Representa el lugar geométrico, donde los esfuerzos son
iguales.
De la Ec. (4), se despeja r en función de z, para un
esfuerzo constante.
…(γ)
Donde
La Ec. (3) se transforma en:
…(4)
26
27
Fig, 4. Diagrama de isóbaras.
Fig. 5.1 Diagrama de isóbaras para carga cuadrada y
continua.
2. ESFUERZOS DEBIDO A CARGA LINEAL.Se trata de calcular los esfuerzos que se producen en una
masa de suelo debido a una carga lineal, aplicada en su
superficie. Dados q, X, Y, Z, hallar el esfuerzo vertical.
Fig. 5. Diagrama de isóbaras para carga puntual, dibujado
a escala.
Fig. 6. El problema de Boussinesq extendido a carga
lineal.
Se estudia un elemento diferencial, ubicando la carga
diferencial, de tal manera que se pueda Aplicar la
ecuaciñon de Boussinesq para carga vertical.
27
28
Donde:
La integral resuelta vale:
…(5)
Haciendo m = x/z, n = y/z, la ecuación (5) se convierte en:
…(6)
Lo que está entre corchetes ha sido tabulado y graficado en
lo que se llama Gráfico de Fadum.
D .s(q /Z) * po
PROBLEMA Nro. 1 .Si X = 3 m, Y = 4 m, Z = 5 m, q = 10 t/m2, calcular Dsz.
SOLUCION.1. -m = X/Z =
2. –n = Y/Z =
3. De la gráfica po =
4. Sz = (q/Z)*po =
Fig. 7. Gráfico de Fadum para carga lineal.
3. ESFUERZOS DEBIDO A SUPERFICIE
RECTANGULAR UNIFORMEMENTE CARGADA.Se trata de calcular los esfuerzos que se producen por
acción de una superficie rectangular, cargada
uniformemente sobre una masa elástica, tal como se
muestra en la figura siguiente. Dados w, X, Y, Z, hallar el
esfuerzo vertical.
28
29
Fig. 8. Superficie rectangular uniformemente cargada.
Se usa un elemento diferencial, y se ubica la carga
diferencial de tal manera que se pueda ubicar la ecuación
de Boussinesq para esfuerzo vertical.
La integral resuelta es:
…(7)
Haciendo m = x/z, n = y/Z resulta:
Fig. 9. Gráfico de Ralph Fadum para superficie rectangular
uniformemente cargada.
El proceso de cálculo será el siguiente:
1. m = x/z, n = y/z
2. Del gráfico obtenemos wo
3. El esfuerzo vale sz= w*wo
…(8)
PROBLEMA Nro. 2 .Si X = 3 m, Y = 4 m, Z = 5 m, w = 10 t/m2, calcular Dsz.
Dsz
La expresión wo fue graficada por Ralph Fadum.
29
30
Solución.1. -m = X/Z =
2. -n = Y/Z =
3. De la gráfica wo =
4. Dsz = (w)*wo =
Fig. 11. Determinación del esfuerzo debido a carga
circular a través de un elemento diferencial de análisis.
�
�� = ∫
∗
/
��
( + )
�
�� =
∗
−
(
+ )
/
⌊
⌋
�
Ejemplo, para R/z = 0,27
sz = 0,1 w
4. LA CARTA DE NEWMARK.-
Fig. 10. Ralph Fadum, de la Universidad de Harvard,
1941.
4. ESFUERZO DEBIDO A CARGA CIRCULAR.Se determina el esfuerzo en una masa de suelo,debido a
una carga circular w, de radio R, aplicada en la superficie,
haciendo un análisis de un elemnto diferencial:
Para diversas relaciones de R/z, se encuentran los valores
de esfuerzo sz /w:
Tabla 1.
R para z=5 cm
sz /w
R/z
0,1
0,27
1,35
0,2
0,40
2,00
0,3
0,52
2,60
0,4
0,64
3,20
0,5
0,77
3,85
0,6
0,92
4,60
0,7
1,11
5,55
0,8
1,39
6,95
0,9
1,91
9,55
1
Infinito
Infinito
30
31
Fig. 12. Nathan. Mortimore Newmark de la universidad
de Illinois, 1942. Ingeniero estrucutral, Medalla Nacional
de ciencias para la ingeniería.
4.1 El esfuerzo que produce cada circulo de carga,
formado con los radios de la tabla 1, vale 0.1 w.
4.2 Entre dos circulos se puede formar una corona de
carga, y se produce un esfuerzo de 0,1 w.
4.3 Si se divide la corona formada en 20 partes iguales, el
esfuerzo de cada segmento de corona vale =0,1w/20.
Fig. 13. Corona circular de carga para la carta de
Newmark.
Fig. 14. Determinación del esfuerzo producido por un
segmento de corona de carga.
4.4 El esfuerzo producido por un segmento de corona vale:
s z = 0,1/20 w
s z = 0,005 w
4.5 El esfuerzo producido por una carga de forma
irregular, se puede calcular, sumando los segmentos de
corona contenidos en la superficie irregular:
s z = 0,005* N* w
N = número de segmentos dentro de la superficie de carga.
Fig. 15. Esfuerzo producido por un segmento de corona de
carga.
31
32
Fig. 16. Carta de Newmark y carga de forma irregular en
la que se puede determinar el esfuerzo vertical, sumando
los esfuerzos que produce cada segmento de corona
contenido en el área irregular.
PROBLEMA Nro. 2 .Si X = 2 m, Y = 2 m, Z = 5 m, w = 10 t/m2, calcular Dsz.
Fig. 17. Determinación de la escala para convertir las
medidas reales de la carga, en medidas para la carta de
Newmark.
32
33
LA SOLUCION DE BOUSSINESQ
…(D)
Solución de Boussinesq:
Introduce una función potencial F:
Componentes del tensor de deformaciones:
…(F)
Reemplazando (F) en (E), resulta la Ec. de Laplace:
…(A)
…(G)
Con las Ecs. (A), (B) y (G), resultan los esfuerzos
normales:
Deformación unitaria de volumen:
Ley de Hooke:
..(H)
Y los esfuerzos cortantes:
…(B)
Módulos de Young y Poisson:
Ecuaciones de equilibrio:
…(I)
De las dos últimas dos ecuaciones se obtiene:
Para carga concentrada se asume:
…(J)
Se deriva J:
…(C)
Con: A, B y C, resulta las Ecuaciones de Navier:
…(K)
33
34
Los valores de (K), van a (H), se obtiene para el esfuerzo
zz:
El esfuerzo vertical sz, donde R = L, en Fig. (1):
…(L)
Esfuerzo que satisface:
Con la Ec. (F) se obtiene las deformaciones en z:
Como
=
Resulta la Ec. de asentamiento, para z = 0:
34
35
Problema de conocer la influencia de los esfuerzos de una zapata al suelo, todas las zapatas soportan un recipiente
de forma de esfera, y se desea conocer la distribución de esfuerzos de cada zapata y su influencia sobre las demás.
En cada zona de la esfera se hicieron dos ensayos de penetración, denominados SPT-1 y SPT-2.
35
36
36
37
37
38
38
39
ASENTAMIENTO DE LAS
ESTRUCTURAS
1. El problema.Varias edificaciones han tenido problemas de
agrietamiento, debido al daño producido por el
hundimiento de la cimentación, cuando ésta ha sido
construida sobre un suelo blando y compresible.
2. El modelo estructural.- Cuando colocamos apoyos
fijos o empotramientos de los pórticos, estamos asumiendo
que estos no se van a desplazar, ni hundir. Estas hipótesis
no son válidas si el suelo, y por consiguiente las zapatas,
se hunden. Se produce fallas en toda la edificación, que se
manifiesta por agrietamientos en muchos ambientes de la
misma.
3. Las Normas Peruanas de Estructuras.- El
Reglamento peruano, respecto a los
Asentamiento
tolerables dice:
Fig. (1). Consolidómetro o edómetro
5. RELACIONES PARA EL ENSAYO DE
CONSOLIDACION.5.1 Altura de sólidos (Hs).Hs =
Ws / s*A
“γ.β En todo EMS se deberá indicar el asentamiento
tolerable que se ha considerado para la edificación o
estructura motivo del estudio”.
Ws = Peso de sólidos
. s = Peso específico de sólidos
A = área del anillo
Es decir deja que el responsable del estudio de suelos fije
los asentamientos permisibles.
Con respecto a los asentamientos de las Cimentaciones
Superficiales, las Normas peruanas, de manera insólita, lo
único que dicen es lo siguiente:
5.2 Relación de vacíos inicial (e1).e1 = H1/Hs - 1
H1=altura inicial de la muestra
Hs = altura de sólidos
“4.β ASENTAMIENTOS
Los asentamientos se determinarán utilizando los
métodos aceptados por la mecánica de suelos”.
Asentamiento total (St).Los asentamientos son:
S1 = Asentamiento inmediato
S2 = Asentamiento por consolidación primaria
S3 = Asentamiento por consolidación secundaria
St = S1 + S2 + S3
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION.4. El Ensayo de Consolidación.- Se realiza con el
edómetro, y determina la Curva de Consolidación y la
Curva de Compresibilidad. La Curva de Compresibilidad,
muestra la relación entre la carga aplicada “p” y la relación
de vacíos “e”. A partir de allí se puede determinar la
Carga de preconsolidación pc, que es la carga máxima a
la que ha sido sometido el suelo durante toda su historia
geológica, usando el Método de Casagrande:
5.3 Altura final (H2).H2 = H1 - ΔHT
ΔHT = deformación de la muestra al final del ensayo
5.4 Relación de vacíos final (e2)..e2 = H2/Hs - 1
H2 = altura de la muestra al final del ensayo
5.5 Relación de vacíos en un instante cualquiera (ei)
..ei = e1 - ΔHi / Hs
e1 = relación de vacíos inicial
ΔH = deformación de la muestra (promedio de las
medidas obtenidas por los micrómetros)
Hs = altura de sólidos
5.6 Altura inicial de agua (Hw1).Hw1 = w1*Hs*Ss
.w1 = contenido de agua al inicio antes de aplicar cargas
Hs = altura de sólidos
Ss = peso específico relativo de sólidos
5.7 Altura final de agua (Hw2).Hw2 = w2*Hs*Ss
.w2 = contenido de agua al final después de descargar la
muestra
Hs = altura de sólidos
Ss = peso específico relativo de sólidos
39
40
5.8 Grado de saturación de agua inicial (Gw1).Gw1 = Hw1 / (H1 – Hs)
Hw1 = altura de agua inicial
H1 = altura inicial de la muestra
Hs = altura de sólidos
(b) en (a):
ΔH = av Δp Hs
5.9 Grado de saturación de agua final (Gw2).-
e1+1 = H1/Hs
Gw2 = Hw2 / (H2 – Hs)
Hs = H1/(1+e1)
Hw2 = altura de agua final
H2 = altura inicial de la muestra
Hs = altura de sólidos
(d) en (c):
ΔH = av Δp H1/(1+e1)
Se define:
mv = av/(1+e1) = coeficiente de variación volumétrica
…(c)
De la expresión:
e1 = H1/Hs – 1
ΔH = mv Δp H
…(d)
…(e)
Fig.(2). Modelo de la muestra desde el instant5e inicial (1),
y un instante cualquiera (i).
Fig.(4.1). Curva de compresibilidad en escala aritmética.
Fig.(3). Modelo de la muestra desde el instante (i) y el
final (2).
EXPRESION ARITMETICA PARA CALCULAR EL
ASENTAMIENTO
De la expresión obtenida en 5.5:
ei = e1 – ΔH/Hs
Fig.(4.1). Curva de compresibilidad en escala semilogarítmica.
resulta:
Δe = Δh/Hs
ΔH = Δe Hs
…(a)
Se define:
av = Δe/Δp = coeficiente de compresibilidad
Δe = av Δp
…(b)
6. La Curva de Campo de Compresibilidad.- La Curva
de Campo es diferente a la curva de compresibilidad
obtenida en el laboratorio. El suelo se comprimió en el
ayer, desde A hasta B debido a varios estratos, luego se
descargó hasta C en el hoy, y a partir de allí se coloca la
carga debida al edificio y se comprime hasta D. En
cambio, cuando se extrae la muestra en el punto C, al
40
41
quitarle peso debido a la excavación y al saturarse en el
laboratorio, ésta se expande hasta E, y en el laboratorio se
obtiene la curva EFGH, que es la curva de compresibilidad
de laboratorio.
Fig. (5). Historia de la deformación de un suelo.
6.1 Método de Casagrande.Arthur Casagrande, nos proporcionó un método para
calcular la carga de preconsolidación, pc, es decir la
máxima carga a que a estado sometida la muestra en toda
su historia geológica:
Se busca en el tramo de recompresión el punto de máxima
curvatura, luego por ese punto se traza una tangente y una
horizontal. Del ángulo formado se traza una bisectriz. Del
tramo virgen, se prolonga una recta hasta interceptar a la
bisectriz en el punto C. Se traza una perpendicular desde el
punto C, al eje de las abscisas. El punto de intersección
corresponde a la carga preconsolidación.
7. El Método de Schmertmann.- Determina la Curva de
Campo, a partir de la Curva de laboratorio. Se ubica el
punto B correspondiente a la carga de pre-consolidación
obtenida con el Método de Casagrande. A partir de allí se
obtiene se traza una paralela al tramo de descarga. Es
necesario determinar la relación de vacíos eo, que tiene la
muestra en su estado natural. Para ello se calcula la
presión activa po = Peso específico x profundidad a la
que ha estado sometida la muestra en su estado natural. A
partir de allí se traza una vertical hasta interceptar a la
línea anteriormente trazada, en el punto A. Desde el punto
A se traza una horizontal, hasta interceptar el eje “Y”. Una
vez determinado eo, se multiplica por 0.42, y se ubica ese
punto en Y. A partir de allí se traza una línea paralela al
eje “X”, la cual se va a interceptar en el punto C, con la
prolongación del tramo virgen de la curva de laboratorio.
Las líneas AB y BC, representan la Curva de Campo.
41
42
Fig.(6). Método de Schmertmann, para obtener la curva de
compresibilidad de campo.
El asentamiento de arcillas preconsolidadas se determina
con la ecuación (8), que se obtiene de la siguiente manera:
Dr. Schmertmann.
8. Calculo de asentamientos.- De la curva de campo se
obtienen el Indice de recompresión Cr, y el índice de
compresión Cc, que son las pendientes de las líneas AB y
BC, en escala semilogarítmica.
De la relación entre la deformación de un suelo y el
cambio en la relación de vacíos:
ΔH = [Δe / (1 + e1)] H1
…(1)
De la gráfica anterior:
Δe = Δe1 + Δe2
…(β)
(2) En (1):
ΔH = [(Δe1 + Δe2) / (1+e1) ] H1
…(γ)
De la definición de Indice de recompresión:
Cr = Δe1/ log pc/po
…(4)
Se obtiene:
Δe1 = Cr *( log pc/po)
…(5)
De la definición de Indice de compresión:
Cc = Δe2/ log p/pc
…(6)
Se obtiene:
Δe2 = Cc * (log p / pc)
…(7)
42
(5) y (7) en (3):
43
C
p
C
p
H r log c c log H
p o 1 eo
pc
1 eo
…(8)
Aquí p es esfuerzo final a la que va a estar sometido el
suelo, y H es la potencia activa.
9. El esfuerzo final p.- Es igual a la presión que tiene el
suelo en su estado natural po = Σ gh, más el incremento
de presión que produce la edificación σz, a la
profundidad igual a la mitad de la potencia activa:
z = profundidad a la que se calcula el esfuerzo σz.
H = potencia activa.
B = ancho del cimiento cuadrado.
z = H / 2 = B.
.p = po + Δp
.p = po + σz
.p = gh + σz
Si hay varios estratos:
.p = Σ gh + σz
Metrado de cargas.Para calcular los pesos y los esfuerzos de la edificación
sobre el suelo, hay que metrar las cargas, usando los pesos
unitarios de los diversos componentes de peso de la
edificación.
Esfuerzo de contacto, w = Peso total / Area de zapata
Esquema de los componentes del peso y los esfuerzos en el
interior de l masa de suelo.
Esfuerzo vertical en el interior de la masa de suelo, σz.Con el esfuerzo de contacto, w, hay que hallar el esfuerzo
en el interior de la masa de suelo σz, usando las
ecuaciones de Boussinesq, para carga rectangular, o usar
la Carta del Dr. Nathan Newmark.
Ecuaciones de Boussinesq.La presión que produce la edificación, se calcula con la
ecuación deducida de la solución de Boussinesq:
Siendo:
43
44
11. Limitaciones de asentamientos.- Sowers (1962) es el
más estricto, y si existe probabilidad de asentamiento no
uniforme, recomienda los asentamientos máximos:
Carta de Newmark, para z = 5 cm. La regla inferior esta
en cm. Cada segmento de corona produce un esfuerzo de
z = 0.005 w, a la profundidad z. Considerar la escala.
Dr. Nathan Newmark
Fig.(7). Uso de la Carta de Newmark, para calcular el
esfuerzo vertical z. Se muestra también la manera de
dibujar a escala el cimiento.
10. La potencia activa (H).Se considera como potencia activa el espesor de suelo
por debajo de nivel de solera que al ser comprimido
por las presiones que el cimiento transmite, éstas
generan deformaciones o desplazamientos apreciables
desde el punto de vista práctico en la base de los
cimientos. Se toma como potencia activa aquella
profundidad donde se cumple que el esfuerzo vertical
vale = 0.1 q (Norma Cubana para el diseno de
cimentaciones). Para zapatas cuadradas, esta potencia
activa vale H =1.5B a 2B, siendo B el ancho de zapata.
Tipo de
movimiento
Asentamiento
total
Estructura
Asentamiento
Máximo (pulg)
1-2
Estructura con
muros de
mampostería
Estructuras
2-4
reticulares
Chimeneas,
3 - 12
silos, placas
Skempton y MacDonald hacen la diferencia entre arenas
y arcillas:
Criterio
Suelo
Cimientos
Plateas
aislados
(cm)
(cm)
Máximo
Arenas
3
3
asentamiento
Arcillas
4.5
4.5
diferencial
Máximo
Arenas
5
5 a 7.5
asentamiento
Arcillas
7.5
7.5 a 12.5
Distorsión
angular
máxima,
1/300
bmáx
Crespo Villalaz, limita los asentamientos según el tipo de
edificación:
Asentamientos totales permisibles (cm)
Edificios comerciales
2.5
Edificios industriales
3.5
Almacenes
5.0
El Código de Construcción de la Unión Soviética de
1955, da los valores de razón de deflexión, D/L,
admisibles para edificios de varios pisos y habitaciones
civilesC
D/L = 0.0003, para L/H menor o igual a 3 (para arena)
D/L = 0.0004, para L/H menor o igual a 3 (para arcilla)
D/L = 0.0005, para L/H mayor o igual a 5 (para arena)
D/L = 0.0007, para L/H mayor o igual a 5 (para arcilla)
44
45
L = longitud del edificio
H = altura del edificio
Compresibilidad
Muy baja
Baja
Media
Alta
Muy alta
mv (cm2/kg)
Menor que 0.005
0.005 - 0.010
0.010 - 0.030
0.030 – 0.150
Mayor que 0.150
NOTA IMPORTANTE :
Un suelo clasificado como de compresibilidad media, va
a ocasionar problemas de asentamiento (y
agrietamientos) en la edificación.
ASENTAMIENTO INMEDIATO, DE CONTACTO O
ELASTICO.Son los asentamientos elásticos, que se producen
inmediatamente, cuando se le aplica la carga de una
zapata. No dependen del tiempo. Se obtienen con las
siguientes ecuaciones:
12. Método para clasificar la compresibilidad de un
suelo.- Es a través del límite líquido (LL). Se determina el
Indice de Compresión Cc, con la fórmula aproximada
dada por Terzaghi:
Cc = 0.009 (LL - 10%)
Asentamiento en el centro de zapata cuadrada:
Asentamiento en la esquina de la zapata cuadrada:
Luego clasificamos la compresibilidad con la siguiente
tabla dada por Crespo Villalaz:
Asentamiento en esquina para zapata rectangular:
Cc
0.00 a 0.19
0.20 a 0.39
0.40 a más
Compresibilidad
Baja
Media
Alta
También a través del Coeficiente de variación
volumétrica mv:
a) Realice la Curva de compresibilidad (presión X vs
relación de vacíos Y) en escala aritmética.
b) Determine la pendiente del tramo virgen:
av = Δe/Δp = coeficiente de compresiiblidad = cm2/kg
Asentamiento en el centro para zapata rectangular:
c) Calcule mv = coeficiente de variación volumétrica.
mv = av / (1 + e) = cm2/kg
e = relación de vacíos
d) Luego clasifique la compresibilidad según la tabla dada
por M. J. Tomlinson:
45
kg/cm2 (siendo de 0.70 kg/cm2). Las zapatas para 5
niveles (incluido sótano), se diseñaron de 1.50m x 1.50 m .
46
-m = 0,5
Si la cimentación está en la superficie:
-Para Df = 0
S = (S1, S2)
Si la cimentación está desplantada:
-Para Df = B:
Foto 2. Falla del cerámico del aligerado del primer piso de
la fiscalía de Lambayeque, por asentamiento del suelo
S = 0,75*(S1,S2)
-Para Df > B:
S = 0.5*(S1, S2)
13. Recomendaciones.- No confíe en el suelo, no acepte
diseños que no tengan un estudio de suelos serio, en la que
no se incluya el Ensayo de Consolidación y el cálculo de
asentamientos, con la firma de un profesional responsable.
El hecho de que la compresibilidad de un suelo se
clasifique como Media, no significa que el suelo no va a
ocasionar problemas de asentamiento. Debajo de la
edificación puede existir un estrato muy compresible, y si
no lo detectamos vamos a dañar una edificación, la cual es
muy costosa.
Cuando los cálculos indican que se superan los
asentamientos máximos, hay que eliminar el estrato
blando, reemplazándolo por material granular (grava),
compactado hasta una resistencia adecuada, o ubicar el
nivel de cimentación debajo del estrato blando.
No tenga reparos en eliminar el suelo compresible, y dejar
un sótano hasta llegar a un estrato firme.
Otra opción, es disminuir el número de pisos, aumentar el
área del cimiento o usar cimentaciones profundas.
Foto 3. Grietas en la pared de la fiscalía
Foto 1. Sede de la fiscalía en la ciudad de Lambayeque, en
donde se presentan fallas por asentamientos. La capacidad
portante de diseño fue calculada erróneamente en 4
46
47
Detalle del agrietamiento de un muro, de la misma
edificación anterior
Debido al asentamiento del suelo.
º
Con X = Y = B/2, Z = B, en las ecuaciones anteriores se
obtiene:
σz = 0.γγ6 w
Desprendimiento del cerámico de losa aligerada
En construcción de Lambayeque, debido al asentamiento
del suelo.
El ESFUERZO VERTICAL z.Dado que los esfuerzos importantes ocurren hasta la
profundidad de B = 2H, se calculará el esfuerzo promedio
que ocurre a la mitad de ese estrato. Este esfuerzo es
importante para calcular el asentamiento que producirá el
esfuerzo de contacto (q) debido a la superestructura. En la
ecuación siguiente se necesita calcular el valor del
esfuerzo que produce la edificación.
S
Cc
pi z
H
log
1 e
pi
Para esfuerzo en esquina de una carga uniformemente
repartida:
...(1)
z
=
(w/4)(a*b
+
c)
siendo
a = 2XYZ (X2 + Y2 + Z2)1/2 / [Z2(X2+Y2+Z2)
2 2
+ X Y )]
...(2)
b
=
(X2+Y2+2Z2) /
(X2+Y2+Z2)
...(3)
c
=
arc tg { 2XYZ (X2+Y2+Z2)1/2 /
2
2
2
2
2 2
[Z (X +Y +Z ) – X Y ] }
...(4)
X,Y
carga
=
dimensiones en planta
de la
Z = profundidad donde se calcula z
.w = carga aplicada
47
48
CAPACIDAD PORTANTE DE LOS
SUELOS
1. OBJETIVO.- El objetivo es explicar los principios
que se usan, para determinar la capacidad portante de
los suelos, para tener criterios de cálculo y diseño
locales. Ponemos énfasis en el ensayo de laboratorio de
corte directo, para aplicar la teoría del Dr. Karl
Terzaghi.
2. DEFINICIONES.2.1 CAPACIDAD DE CARGA LIMITE (qd).- Máxima
presión que se puede aplicar a la cimentación, sin que ésta
penetre en el suelo.
Fig. (2). Esfuerzos en el interior de una masa elástica.
Del equilibrio de fuerzas en ambas direcciones, del bloque
triangular se obtiene:
…(1)
…(β)
Lo que se puede representar en un diagrama de Mohr:
2.2 CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE (qadm).Es la carga límite dividida entre un factor de seguridad. A
este esfuerzo se le llama capacidad portante.
q adm
qd
FS
Terzaghi recomienda que FS no sea menor que 3.
2.3 ESFUERZO NETO (q neto).- Es el esfuerzo útil, que
queda para la superestructura, después de quitarle el
esfuerzo que va a utilizar el peso del relleno del suelo y la
sobrecarga de piso:
q neto = qadm – *Df - sobrecarga de piso
donde:
= peso específico del relleno
Df = Profundidad de cimentación
Sobrecarga de piso = 500 kg/m2
2.4 PRESION DE CONTACTO (qc).- Es producida por
la carga muerta y viva de la superestructura, y actúa
debajo de la zapata, en el encuentro zapata-suelo.
Fig, (3). Diagrama de Mohr.
La teoría de Coulomb, relaciona el esfuerzo cortante t,
como función del esfuerzo normal n, la tangente del
ángulo de fricción interna, y la cohesión c:
…(γ)
En el diseño de cimentaciones, se busca que qc sea menor
o igual a q neto.
ECUACION DE MOHR-COULOMB.-:
Mohr presentó en 1900, una teoría sobre la ruptura de
materiales, según la cual, la falla de un suelo se presenta
debido a la combinación crítica de esfuerzos verticales y
horizontales.
Fig. (4). Esfuerzos normales y cortantes en un bloque se
suelo, que siguen la teoría de Coulomb.
48
Fig. 5.1. Diagrama de esfuerzo normal vs. Esfuerzo
cortante.
49
Fig. (5). Envolvente de Mohr y teoría de Coulomb.
4. EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO.- Es un ensayo
de cortante. Consiste en aplicar esfuerzos verticales y
horizontales, a tres muestras de suelo, y determinar el
instante de falla a cortante. Cuando se aplica un esfuerzo
vertical fijo de 0.5 kg/cm2, la primera muestra falla con un
esfuerzo horizontal o cortante t1, la segunda muestra es
sometida a un esfuerzo de 1.0 kg/cm2, y falla con un
esfuerzo cortante t2. La tercera es sometida a un esfuerzo
de compresión de 1.5 kg/cmβ, y falla con un cortante γ.
Con estos tres pares ordenados se grafica el diagrama de
ruptura de Mohr. También, se hace uso del análisis de
regresión lineal, para obtener el ángulo de fricción interna
y la cohesión del suelo.
De la figura (5) se obtiene:
…(4)
Despejando se obtiene el esfuerzo horizontal, en una masa
de suelo, en función del esfuerzo normal, el ángulo de
fricción interna y la cohesión del suelo:
…(5)
Fig(3). Detalles del equipo de corte directo.
…(6)
Siendo:
…(7)
La ecuación (6) representa la relación de Mohr-Coulomb,
o el estado de esfuerzos en una masa de suelo, cuando hay
fuerzas verticales y horizontales. Relaciona los esfuerzos
efectivos horizontales, con los esfuerzos verticales, a
través de los parámetros, ángulo de fricción interna y la
cohesión
Fig(4). Diagrama de ruptura de Mohr.
5. TIPOS DE FALLA DE LOS SUELOS
Los suelos fallan por cortante. Se han clasificado tres tipos
de falla de los suelos, debajo de las cimentaciones:
5.1 FALLA POR CORTANTE GENERAL.-
Es súbita y catastrófica. Es característico de las arenas
compactas. El suelo se hincha a ambos lados de la
cimentación.
49
50
5.2FALLA POR PUNZONAMIENTO.-
No es única. Varios investigadores han presentado
soluciones. Entre ellos tenemos:
1. PRANDTL (1920)
2. R. HILL (1941)
3. A.W. SKEMPTON (1951)
4. G.G. MEYERHOF (1953)
5. KARL TERZAGHI (1956)
6.1 METODO DE SUECIA.-
Se produce movimiento vertical de la cimentación,
mediante la compresión del suelo debajo de ella. La rotura
del suelo se produce por cortante alrededor de la
cimentación. La superficie del suelo en torno al cimiento
casi no se altera, por lo que no se observan movimientos
previos a la rotura.
Considerar la superficie de falla de forma circular.
5.3 FALLA POR CORTANTE LOCAL.-
Es un caso intermedio entre los casos 1 y 2.
Se produce hinchamiento y asentamiento del suelo. Se
forma una cuña debajo de la cimentación como en el caso
1, pero las superficies de la falla no son completas.
-c = cohesión.
-R = radio
-q = carga
ΣM O = 0
2bq (b) =R* (∫ c * ds)
2b2 q = R* c * ∫ R* dφ = c * R2* π
Cuando el suelo es incompresible, bajo el cimiento se
desarrollará una falla por cortante general.
Cuando el suelo es compresible, se desarrollará una
falla por punzonamiento.
CAPACIDAD DE CARGA LIMITE (qd)
El problema:
Consiste en encontrar el esfuerzo (qd) que produce la
falla del suelo.
Se conocen los siguientes datos:
Z= Df = Profundidad de desplante (m).
B= Ancho de la cimentación (m).
L= Longitud de la cimentación (m).
Γ= Peso volumétrico del suelo (kg/mγ).
C= Cohesión del suelo (del ensayo de corte, kg/cm2)
Ф=Angulo de fricción interna (del ensayo de corte)
2b2 q = c*4b2* π
.q = β π c
6.2 TEORIA DE PRANDTL (1920).El mecanismo de falla es el siguiente:
Fig. Mecanismo de Falla de Prandtl.
Y las fuerzas que intervienen son:
La solución.-
50
51
Retrato de Kart von Terzaghi a la edad de 43 años.
Praga, 2 de Octubre de 1883 – Winchester, Massachussets
(USA), 25 de Octubre de 1963.
Fig. Fuerzas en el mecanismo de falla de Prandtl.
Según la teoría de Mohr-Coulomb:
Para la rotura en estado activo se cumple:
Para la rotura en estado pasivo se cumple:
�´ = � � + �√�
Siendo los coeficientes de empuje activo y pasivo:
6.3 TEORIA DE TERZAGHI:
El Dr. Terzaghi asume que el mecanismo de falla, está
formado por bloques, que actúan como cuerpos rígidos,
con movimientos diferentes.
I.- Cuña que se mueve como cuerpo rígido hacia abajo.
II.- Zona de cortante radial de Prandtl, que empuja a la
zona III y trata de levantarla. Asume que CD es arco de
espiral logarítmica.
III.- Zona de estado plástico pasivo de Rankine. Trata de
resistir al levantamiento, con el peso del material de la
misma.
Ka = tg2 ( π / β - ϕ / β)
Kp = tg2 ( π / β + ϕ / β)
Con f = 0, entonces Ka = 1, Kp = 1. Entonces:
.sh = sv - 2c, en la zona activa,además: sv = p, y
.sh´ = sv + 2c, en la zona pasiva,además sv = q
Por equilibrio de momentos respecto al punto N, del
bloque entre las secciones m-m y n-n, considerando la
fuerza de cohesión igual a c x pxR/2, se obtiene:
Fig. 6.0 Modelo de falla usado por Terzaghi. 1943.
ΣMN=0
Momento actuante:
.p x b/2 x b/4 + (p – 2c) x b/2 x b/4
Momento estabilizante:
.q x b/2 x b/4 + (q + 2 c ) x b/2 x b/4 + c x p x (R/2) x R
Se obtiene:
.p = q + (p + 2)* c
.p = q + 5.14 * c
.p = g*Z + 5,14 * c
Fig. 6.1. Mecanismo de falla, según el Dr. Terzaghi. Las
zonas II y III ocurren a ambos lados de la zona I.
.qd = c Nc + g Z Nq
Donde Nc = 5,14 y Nq = 1
51
52
El valor de Ppcresulta:
Fig. 6.2. Mecanismo de falla para la primera ecuación de
equilibrio.
Usando las ecuaciones de equilibrio estático, sumado
fuerzas:
ΣFy = 0
qd*B = 2 Pp + 2C*senφ
C = Fuerza de cohesión = c* (B/β*sec φ)
Pp se descompone en 3 componentes verticales:
Ppc = Debido a la cohesión actuante en CDE
Ppq = Debido a la sobrecarga *Z que actúa en AE
Pp = Debido al peso propio delosbloques de suelo.
…(T.β)
6.3.2Para Ppq (debido a la sobrecarga), este es su
diagrama de fuerzas:
qd*B = β (Ppc + Ppq + Pp ) + β*C*sen φ
qd*B = β(Ppc+Ppq+Pp ) + β*c*(B/β*sec φ)*sen φ
qd = (β/B)* (Ppc + Ppq + Pp + c*B/β*tgφ )
…(T.1)
Terzaghi obtuvo cada uno de los términos Ppc, Ppq y
Ppgpor separado, aplicando el Principio de superposición.
6.3.1Para Ppc(debido a la cohesión) este su diagrama de
fuerzas:
Fig(6.3). Diagrama de fuerzas para hallar Pqc.
El valor de Ppq resulta:
…(T.γ)
Fig(6.2). Diagrama de fuerzas para hallar Ppc.
52
53
0.5B *
6.3.3Para Ppg(debido al peso propio del suelo) este es su
diagrama de fuerzas:
1
Kp * tg 1* tg
2
σc, σq, σ , se llaman, factores de capacidad de carga,
debido a la cohesión, sobrecarga y al peso del suelo. Sus
expresiones son:
2 3 tg
e 4 2
N c ctg
1
2 cos 45º 2
Nq
Fig(6.4). Diagrama de fuerzas para hallar Ppg
El valor de Ppg resulta:
N
3
tg
2
4 2
2 cos 2 45º
2
e
1
Kp * tg 1 * tg
2
Kp tg 45º
2
Siendo:
Para N ' c , N `' q , N `' las expresiones son las mismas,
pero hay que cambiar ф por ф’, siendo ф’ un ángulo
tal que.
,
2
tg ' tg
3
…(T.4)
Kp tg 45º
2
Los factores σc, σq, σ y
La ECUACION DE TERZAGHIresulta de reemplazar
T.2, T.3 y T.4 en T.1:
N c, , N q, , N , , se han
graficado en función del ángulo de fricción interna del
suelo (φ):
2 3 tg
e 4 2
qd c * ctg
1
2 cos 45º
2
D f
3
2 tg
4 2
2 cos 2 45º
2
e
ECUACIONES DE TERZAGHI PARA DIVERSOS
TIPOS DE CIMIENTOS.A. ZAPATA CORRIDA(o continua).-
53
= peso unitario del suelo en kg/m3.
Nc, Nq, N = factores de capacidad de carga. Se obtienen de
la figura siguiente. Dependen solo del ángulo de fricción
interna ф.
c’,= (2/3)*c.
54
Por ejemplo:
Cuando ф=β7.5º.
De la grafica obtenemos:
N c, 16 , N q, 6.5 , N , 3
Cuando ф=14.04º
N c, 9 , N q, 2.5 , N , 0
B. ZAPATA CUADRADA.-
qd 1.3cN c ZN d 0.4BN
B.1. Falla por corte general.-
… (B.1)
qd 1.3c , N c, ZN q, 0.4BN ,
B.2 Corte local o punzonamiento.-
… (B.β)
Siendo la nomenclatura la misma del caso anterior.
C. ZAPATA CIRCULAR.-
qd 1.3cN c ZN d 0.6RN …(C.1)
C.1 Falla por corte general.A.1 Cuando la falla es por corte general(N del SPT
mayor o igual a 15):
(A.1)
qd cN c ZN q 0.5BN
A.2 Cuando la falla es por corte
punzonamiento(N del SPT menor a 15):
qd c´ N c, ZN q, 0.5BN ,
local,
o
(A.2)
Donde:
q d = Capacidad de carga limite en kg/m2.
c= cohesión del suelo en kg./m2.
Z= profundidad de desplante de la cimentación en m.
B= ancho de la zapata (o dimensión menor de la zapata
rectangular) en m.
qd 1.3c , N c, ZN q, 0.6BN ,
C.2 Falla por corte local o por punzonamiento:
…(C.β)
Aquí R= radio de la zapata. La nomenclatura es igual al
caso A.
D. ZAPATA RECTANGULAR.D.1 Falla por corte general.B
qd cN c 1 0,3 ZN q …(D.1)
L
B
0,5BN 1 0,2
L
54
55
D.2 Falla por corte local o por punzonamiento:
B
q d c' N ' c 1 0,3 ZN ' q
L
…(D.β)
B
0,5BN ' 1 0,2
L
8. PRESENCIA DE AGUA.- En nuestro medio, se
presenta el fenómeno de El Niño, y en esas condiciones
desfavorables, debe hallarse la capacidad portante. Debe
hacerse el ensayo de corte directo en estado saturado. Es
decir las muestras se saturan previamente antes de hacer el
ensayo, con lo que el peso específico de masa aumenta
(por ejemplo, desde 1800 kg/m3, en estado natural, hasta
2100 kg/m3 en estado saturado).
Se debe reemplazar el peso específico natural g, por el
valor:
(gsaturado – 1000 kg/m3),
para considerar, la pérdida de peso del suelo por efecto del
empuje hidrostático. En el ejemplo, debemos usar (2100 –
1000) kg/m3, como peso específico en las ecuaciones.
9. CAPACIDAD PORTANTE CON FACTORES DE
FORMA,
PROFUNDIDAD
E
INCLINACIÒN
(Ecuación de Meyerhof).La Ecuaciòn de Terzaghi, ha sido afectada de los factores
de forma de la cimentación, de profundidad del cimiento, y
de inclinación de carga:
:
q d cN c Fcs Fcd Fci ZN q Fqs Fqd Fqi
0,5BN Fs Fd Fi
Tabla. Factores de forma Fc, Fq, Fg
.a: Factores de forma empíricos basados en pruebas de
laboratorio.
.tan– 1,. Se expresa en radianes.
55
va a cimentar una zapata cuadradade 1.2x1.2 m2 de ancho
y que tiene las siguientes características:
27,5º
c 0,15 _ kg / cm 2
1,7 _ ton / m 3
56
Df = 1,5 m
Tipo de suelo: Arena arcillosa compresible.
Tipo de Falla: Por punzonamiento.
Solución:
Como la falla es por punzonamiento, estamos en el caso
B.2.
qd 1.3c , N c, ZN q, 0.4BN ,
c , 2 / 3 c
Con ф=β7.5º, de la tabla de la fórmula de Terzaghi
obtenemos:
N c, 16 N q, 6.5 N , 3
Por tanto:
kg
kg
kg
2
qd 1.3 1500 2 16 1700 3 1.5m6.5 0.41700 3 1.2m3
m
m
m
3
q d 39823
qd 3,98
kg
m2
kg
cm 2
La capacidad de carga admisible es:
qd
10. EJEMPLO DE CALCULO DE LA RESISTENCIA
DEL SUELO
Calcular el valor de la capacidad de carga límite y la
capacidad de carga admisible, para un suelo sobre el que se
qd
qd
FS
3,98 kg
3 cm 2
q adm 1,33
kg
cm 2
56
57
La capacidad de carga neta es:
q neto = 1,33 – 1,7*1,5 *0,1 – 0,05kg/cm2
q neto = 1,03 kg/cm2
57
58
COLAPSO DEL SUELO DEBIDO A
LA EXCAVACION DE ZANJAS
1. INTRODUCCION.Varios accidentes se han producido por el colapso del
suelo, ocasionando muertes a los trabajadores. Además se
ocasionan daños a las propiedades adyacentes, cuando se
hacen excavaciones, para colocar tuberías de agua o
desagüe, o para construir cimentaciones. Por tanto, es
objetivo, conocer la teoría que explica las fuerzas internas,
de una masa de suelo, durante el colapso de los lados de
una zanja de excavación, para prevenirlos, mediante el uso
de soportes,
o haciendo calzaduras. El ingeniero
calculista, debe prever la posible falla del suelo, y detallar
los soportes y calzaduras en sus diseños, pues también es
su responsabilidad aprobar o rechazar el procedimiento
constructivo, para la ejecución de su diseño.
Respecto a las excavaciones para las cimentaciones y
ademes, Peck, Hanson y Thornburn, en el libro “Ingeniería
de Cimentaciones”, página β05, afirman lo siguiente:
“Ordinariamente, el ingeniero especialista en
cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de
excavación en un lugar dado, ni de diseñar el
apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta
operación corresponde al contratista. Sin embargo,
generalmente es obligación del ingeniero aprobar o
recusar el procedimiento de construcción propuesto
por el constructor y revisar el proyecto del
apuntalamiento”.
Fig. (2). Esfuerzos normal y cortante, en el interior de un
bloque de suelo, producidos por esfuerzos externos:
vertical y horizontal.
Del equilibrio de fuerzas en ambas direcciones, del bloque
triangular se obtiene:
…(1)
…(β)
Lo que se puede representar en un diagrama de Mohr:
Fig, (3). Diagrama de Mohr.
La teoría de Coulomb, relaciona el esfuerzo cortante t,
como función del esfuerzo normal n, la tangente del
ángulo de fricción interna, y la cohesión c:
…(γ)
Fig. (1). Daños en edificación por excavación de 4 m para
sótano.
2. TEORIA DE MOHR-COULOMB.Mohr presentó en 1900, una teoría sobre la ruptura de
materiales, según la cual, la falla de un suelo se presenta
debido a la combinación crítica de esfuerzos verticales y
horizontales.
58
59
Fig. (4). Esfuerzos normales y cortantes en un bloque se
suelo, que siguen la teoría de Coulomb.
Fig. (6). Muro sometido a empuje horizontal6
Durante el colapso, en el punto de falla:
…(8)
Reemplazando el esfuerzo vertical por γ h, en la Ec. (8)
y despejando h se obtiene h = H crítica:
Fig. (5). Envolvente de Mohr y teoría de Coulomb.
De la figura (5) se obtiene:
…(9)
Hc se llama altura crítica.
…(4)
Despejando se obtiene el esfuerzo horizontal, en una masa
de suelo, en función del esfuerzo normal, el ángulo de
fricción interna y la cohesión del suelo:
…(5)
…(6)
Siendo:
En términos de esfuerzo, en el fenómeno del derrumbe hay
dos tensiones horizontales, que actúan en sentido
contrario: Una de empuje y otra de retención. El empuje
crece con la profundidad z, mientras que la
componente de cohesión que retiene, se mantiene
constante. A cierta profundidad, la primera tensión
vence a la segunda. Ver Fig. (7). A continuación se
muestran, los valores de altura critica, para un peso
volumétrico de suelo de 1,8 t/m3, y un ángulo de fricción
interna de 30 grados en arenas.
Tabla (1). Altura crítica Hc, obtenida de la ecuación (9),
en función de la cohesión y el ángulo de fricción interna.
…(7)
La ecuación (6) representa , la relación de Mohr-Coulomb,
o el estado de esfuerzos en una masa de suelo, cuando hay
fuerzas verticales y horizontales.. Relaciona los esfuerzos
efectivos horizontales, con los esfuerzos verticales, a
través de los parámetros, ángulo de fricción interna y la
cohesión.
3.
ESFUERZOS DURANTE EL COLAPSO DEL
SUELO.El colapso del suelo, durante las excavaciones se
explica, con las ecuaciones de la teoría de Mohr-Coulomb,
para el caso de empuje activo de suelo. Aquí el esfuerzo
vertical es igual a la presión efectiva de suelo = γ h. El
empuje producido por la fuerza horizontal, tiene dos
componentes que se oponen. Este empuje, cambia de
sentido a una cierta profundidad.
En esta profundidad crítica, Hc, las dos componentes de la
fuerza horizontal se igualan.
Se debe dividir estos valores entre un factor de seguridad
FS = 2.
Los valores de peso volumétrico (o peso específico de
masa), cohesión y ángulo fricción interna se obtienen con
el Ensayo de corte directo. El costo de realizar este ensayo,
es muy bajo, comparado con el costo de reparar una
edificación dañada por la excavación, o el causado por la
muerte de un trabajador.
4.
COLOCACION
DE
SOPORTES
Y
CALZADURAS.M.J. Tomlinson, en su libro: Cimentaciones: Diseño y
Construcción, página 385, sobre el tema de excavación de
zanjas, haciendo referencia a las especificaciones del
Reglamento de la construcción de Gran Bretaña, dice:
“El procedimiento comúnmente aceptado es
proporcionar algún tipo de soporte, no importando las
condiciones del suelo, siempre que la zanja tenga la
59
60
profundidad suficiente para que su colapso pueda
ocasionar daños a los trabajadores. Esto significa
soporte para las zanjas de más de 1.β m”
Fig. (9). A la profundidad Hc, la componente de retención
debida a la cohesión (hacia la derecha), es vencida por la
fuerza del empuje (hacia la izquierda).
Fig. (7). Fuerzas que intervienen durante el colapso del
suelo. A partir de la altura critica, ya no hay fuerza que
equilibre el empuje actuante:
Cuando se prevean daños a las edificaciones vecinas, es
necesario hacer calzaduras, las cualers consisten en
reemplazar el suelo debajo de la cimentación vecina, con
concreto, a manera de muro ciclópeo, hasta la profundidad
de excavación requerida. Estas deben realizarse por etapas,
alternando los picados cada dos bloques a ejecutar, o
empezando por lados extremos.
Fig. (10). Detalle de calzaduras. Los piques se hacen
alternados, cada dos bloques, empezando por un extremo.
.
Fig. (8). En el estado 1, las fuerzas verticales y
horizontales están en equilibrio, mientras que en el estado
2, la fuerza horizontal no es equilibrada. La fuerza
horizontal tiene dos componentes opuestas.
Fig. (11). Ejecución de calzadura en obra de Chiclayo.
Cuando hay agua, hay que usar bomba. La excavación se
hizo con retroexcavadora
60
61
CIMENTACIONES SUPERFICIALES
1. El estudio de Mecánica de Suelos.- Van a afectar el
diseño de cimentaciones: el tipo de suelo (cohesivo,
granular, granular con finos, de alta o baja plasticidad), la
variación de estratos, la consistencia (media, blanda, dura),
las propiedades físicas y mecánicas (cohesión, ángulo de
fricción interna, índice de compresión), la ubicación del
nivel freático, la profundidad de cimentación, la capacidad
portante por resistencia, la capacidad portante por
asentamientos máximos, el esfuerzo neto, los
asentamientos diferenciales y totales, los agentes agresivos
(sales, cloruros, sulfatos), la expansibilidad y fuerza
expansiva del suelo, la estabilidad del talud de la
excavación, la geodinámica interna y externa, las
especificaciones de las Normas peruanas de estructuras,
etc. Sólo si conocemos esto procedemos a diseñar la
cimentación, en caso contrario el diseñador se convierte en
un peligro público.
“En vista de que no hay gloria en las cimentaciones, y de
que las fuentes del éxito o fracaso están escondidas
profundamente en el terreno, las cimentaciones de los
edificios son tratados como hijastros y las consecuencias
debidas a esa falta de atención son por lo general, muy
penosas” dijo el Dr. Terzaghi en el Building Research
Congress, en Londres, en 1951.
Fig. (2). Planta y elevación de zapata aislada.
.Fig. (1). Desmoronamiento de un talud en suelo arenoso
con poca cohesión en la ciudad universitaria de
Lambayeque.
2. Tipo de cimentaciones.Las cimentaciones superficiales se clasifican en:
2.1 Zapata aislada.
2.2 Zapata combinada.
2.3 Zapata conectada.
2.4 Zapata corrida (o continua).
2.5 Platea de cimentación.
3. ZAPATAS AISLADAS.- Su estudio es la base para
realizar el diseño de los otros tipos de cimientos.
Mencionamos algunos aspectos importantes, referentes al
pre-dimensionado y diseño de zapatas aisladas.
Se tiene que calcular las dimensiones en planta (AxB), el
peralte (H) y el acero (Asx y Asy).
Pre-dimensionado.De n = Pz / P,
P + Pz = q neto x A, y
Pz = γ c * A * B * H,
Siendo:
- c = Peso volumétrico del concreto armado.
A, B, H = dimensiones en planta y elevación de la zapata.
-q neto = esfuerzo neto
Se obtiene:
…(ZA-1)
1
n
1
c * H
Con el peso volumétrico del concreto de 2,4 t/m3 y H =
0,60 m, se obtiene lo siguiente:
qneto
Tabla (1). Peso de zapata en función del peso de la
superestructura.
q neto,
Proporción, Porcentaje,
kg/cm2
n = Pz/P
n*100
0,50
0,404
40,4
0,85
0,204
20,4
1,00
0,168
16,8
1,25
0,130
13,0
1,50
0,106
10,6
2,00
0,078
7,8
2,50
0,061
6,1
3,00
0,050
5,0
3,50
0,043
4,3
4,00
0,037
3,7
La tabulación y representación de la Ec.(ZA-1), se
encuentra en la Tabla ZA-01 y figura ZA-01 del Anexo,
para diversos valores de peralte de zapata.
61
62
3.1 Dimensiones en planta.- Se necesita la capacidad
portante y el esfuerzo neto (lo que queda de la capacidad
portante, para la superestructura).
q neto = q admisible - g * Df – sobrecarga de piso
g = peso volumétrico del suelo.
sobrecarga de piso = 500 kg/m2
______
A = √(Azap) – (s – t)/2
______
B = √(Azap) + (s - t)/2
3.2 El peralte.- Se calcula procurando que la zapata no
falle por:
3.2.1 Longitud de Anclaje
3.2.2 Punzonamiento
3.2.3 Cortante por flexión
3.2.1 Longitud de anclaje.- Se espera que el espesor del
concreto sea tal, que la varilla de la columna pueda
desarrollar los esfuerzos en el concreto:
La longitud de desarrollo a compresión (ld), esta dada por:
__
ld = 0.08 * fy * db / f'c
ld = 0.004 db * fy
ld = 20 cm.
El que sea mayor.
db = Diámetro de la varilla.
Bloque equivalente para falla por punzonamiento.
3.2.2 Peralte por punzonamiento.- Se calcula al resolver
la ecuación siguiente, y despejar el peralte “d”:
v (actuante) = v (resistente por punzonamiento)
qu* [ A*B - (s+d)*(t + d)] / [2d*(s + t + 2*d)] =
* 0.27(2 + 4/ß) f'c
ó
* 1.1
El menor
ß = s/t (lado mayor a lado menor de columna)
∅ = 0.85
qu = Pu/(AxB)
f'c
Pu = 1.5*(Carga muerta) + 1.8*(Carga viva), RNE
Pu = 1.2*(Carga muerta) + 1.6*(Carga viva), ACI
Fig. (3). Falla por punzonamiento. Ensayo efectuado en el
Laboratorio de Ensayo de materiales de la UNPRG.
3.2.3 Esfuerzo cortante por flexión.- Se verifica a la
distancia "d" de la cara de la columna. Hay que despejar de
las siguientes ecuaciones la incógnita “d”:
v actuante = v admisible
qu *B*(m - d) /(B*d) = * 0.53 f'c
∅ = 0.85, m = longitud del volado
62
63
Fig. 4. Cortante por flexión o cortante unidireccional.
3.3 El acero por flexión.- Se calcula con, el momento
producido por la reacción del terreno en la cara de la
columna:
Mu = (qu/2) * m2 * B
Hay que solucionar las fórmulas del acero:
As = Mu / 0.9 fy ( d – a/2)
.a = As * fy / (0.85 *f’c *B)
Fig. (6). Diagrama de cortantes y momentos en zapata
combinada.
4. ZAPATA COMBINADA.- Ocurre cuando una zapata
es ocupada por dos o más columnas. En el caso de que
haya una columna de borde y una centrada, es necesario
darle un volado “a”, para que la resultante R, caiga en el
centro del área de la zapata. El modelo clásico es el
siguiente:
L1
R
s1
P1
s2
P2
X1
a
B
H
L
ZAPATA COMBINADA
Fig. (7) Acero en zapata combinada.
5. ZAPATAS CONECTADAS.-Consiste en dos zapatas
unidas por vigas de conexión. Esta viga trata de impedir
principalmente el desplazamiento lateral y vertical de las
zapatas. En zonas sísmicas debe colocarse en ambas
direcciones formando una cuadrícula. El modelo y su
diagrama de momento son:
Fig. (5). Cargas en zapata combinada.
Sus diagramas de cortante y momento en la dirección
longitudinal, son los siguientes:
63
5.2. MAYORACIÓN DE CARGAS.-
64
Las combinaciones de carga se mayoran según el
reglamento a usar:
Reglamento Nacional de Edificaciones (2005):
Pu = 1.5 * CM + 1.8 CS
Pu = 1.25* (CM + CV +/- CS)
Reglamentos del ACI, Normas 318-71, 77, 83, 89, 95,
99:
Pu = 1.4 * D + 1.7 * L
Pu = 0.75*(1.4 * D + 1.7 * L + 1.87 * EQ)
Reglamentos del ACI, Normas: 318-02, 318-05, 318-08:
Pu = 1.2* D + 1. 6* L
Pu = 1.2 * D + 1.0* L + 1.4 * E
Se mayoran las cargas (P1u y Pu2), y se calculan la
reacción (Ru1) y esfuerzo último del suelo (qu1). Se
obtendrá un diagrama similar al del modelo mostrado, pero
con las cargas mayoradas:
Tomando otra vez momentos respecto al punto 2:
Fig. (8). Elevación y planta de zapata conectada.
Pre-dimensionado.Azap1 = P1 / qneto
...(ZC.1)
R1u = P1u* L / m
…(ZC.5)
La reacción última del suelo, como carga uniformemente
repartida vale:
Usando inicialmente la proporción: T1 = 2B1
2B1*B1= Azap1
B1=√Azap/β
...(ZC.2)
5.1. EL MODELO ESTRUCTURAL.-:
Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se
muestra en el esquema siguiente, donde P1 y P2 son las
cargas actuantes, R1 y R2, son las reacciones del suelo, s1
es el ancho de columna, L es la separación entre cargas, y x
es la distancia al punto de momento máximo.
qu1 = R1u / B1
...(ZC.6)
5.3. EL MOMENTO MÁXIMO DE DISEÑO.Hallamos “x “, el punto de cortante cero y de momento
máximo:
qu1*x – P1u =0
x = P1u / qu1
...(ZC.7)
Mu máx = - Pu1*(x – s1/2) + qu* x2 / 2
...(ZC.8)
El diagrama de momentos nos sirve para calcular el acero
de la viga de conexión que, como se observa, es mayor en
el lecho superior de la viga. El diseño de variados tipos de
zapatas conectadas se muestra en el anexo en la figura ZC01.
Fig. 8.1. Modelo estructural de zapatas conectadas.
Tomamos momentos respecto al punto 2, resulta:
R1 = P1* L / m
…(ZC.γ)
Como L>m, entonces R1>P1
Fig. 8.2. Diagrama de momentos en zapata conectada.
Calculamos T1:
T1 = R1 / (qneto * B1)
...(ZC.4)
64
en el 2002, y que nos remiten a Fritz Kramrisch y Paul
Rogers (Simplified Design of Combined footing, 1961), y
Kramrisch (Footings, 1984):
En la dirección transversal.Separación para luces de volados:
65
L 0.88 * 4
Fig. 8.3. Colocación de acero en zapatas y viga de
conexión de zapatas conectadas..
6. ZAPATA CONTINUA.- Son zapatas en la que se
cumple que su longitud es mucho mayor que su ancho.
Hay que analizarlas en las direcciones longitudinal y
transversal. En la dirección longitudinal el modelo usual
es:
4 Ec I
Kc * b
…(ZCC-1)
En la dirección longitudinal.Separación de columnas adyacentes (L):
4 Ec I
…(ZCC-2)
L 1.75 * 4
Kc * b
Donde:
t = espesor de la zapata.
V = longitud del volado
b = ancho del cimiento
Ec = 15000 √fc
Ec = 2.17 x 10 6 ton/m2, para fc = 210 kg/cm2.
K = q / d = Módulo (o coeficiente) de balasto =
Coeficiente de Winkler = Módulo de reacción de subrasante.
Pre-dimensionado.6.1 RELACION VOLADO/CANTO, POR RAZONES
DE DISTRIBUCION DE PRESIONES UNIFORME,
SOBRE EL SUELO.6.1.1 EN LA DIRECCIÓN TRANSVERSAL.-
Corte A-A
Fig. 10.
Para voladizos, usando la ecuación (ZCC-1):
L = v = longitud del volado
Em = Ec/2 = 108 685 kg/cm2, y
h = 1.1 d, se obtiene:
EXPRESIÓN GENERAL DE VOLADO/CANTO:
13.04
v
d 4 kc * d
…(ZCC-2)
6.1.1.1. CIMENTACIONES EN ARENAS:
-k = k30 (B + 0,30)2 / (2B)2
-k es aproximadamente = 0.25 *k30
…(ZCC-3)
La relación Volado vs. Canto vs. K30 en arenas es:
v
18.44
…(ZCC-4)
d 4 k 30 * d
Fig. (9). Planta y elevación de zapata corrida.
Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la
σorma ACI γγ6.βR 88 “Suggested Analysis and Design
Procedures for combined footings and Mats”, reaprobado
La Ec.(ZCC-4) se representa en la figura ZCC-01
.
6.1.1.2. CIMENTACIONES EN ARCILLAS.Para cimentaciones rectangulares de dimensiones BxL:
L = longitud de la zapata corrida.
Para valores prácticos se reduce a:
k
…(ZCC-5)
k c 20 * 30
B
65
66
Esto en la relación de vuelo canto, Ec. (ZCC-02),
convierte en:
Relación Volado vs. Canto vs. K30 en arcillas:
Haciendo B aprox. = 2*v
Se obtiene:
v3/ 4
7.34
4
d
k 30 * d
se
…(ZCC-6)
La Ec. (ZCC-6) se representa en la figura ZCC-2.:
6.2 RELACION SEPARACION DE
COLUMNAS/PERALTE, POR RAZONES DE
DISTRIBUCION DE PRESIONES.6.2.1 EN LA DIRECCIÓN LONGITUDINAL.6.2.1.1.1 EN ARENAS:
36.67
L
d 4 k 30 * d
…(ZCC-7)
Fig. 11.
Esta relación está resuelta en la figura ZCC-03.
En la dirección transversal se modela como viga en
voladizo:
As (-)
6.2.1.1.2 EN ARCILLAS:
L
27.14
…(ZCC-8)
d 4 k30 * d
Esta relación está representada en la figura ZCC-04.
Las Figuras ZCC-03 y ZCC-04, sirven también para
pre-dimensionado de plateas de cimentación.
Chequeo de esfuerzos en el suelo.Se deben chequear los esfuerzos transmitidos al suelo con:
As temperatura
AsL 2
z
As(+)
Mut
Ast 2
qut2
mayor que Ld
MOMENTO EN LA DIRECCION TRANSVERSAL
Fig. (12). Sección transversal de zapata corrida y momento
actuante en la dirección transversal.
q1 = (R / BxL) ( 1 – 6 e / B)
q2 = (R / BxL) ( 1 + 6 e / B)
Luego se obtienen los esfuerzos últimos del suelo con
cargas mayoradas. Luego se resuelve la estructura, y se
obtiene el diagrama de momentos:
q1u = (Ru / BxL) ( 1 – 6 e / B)
q2u = (Ru / BxL) ( 1 + 6 e / B)
Con el diagrama de momentos se halla el acero requerido.
Estos momentos son resistidos por la viga de cimentación
VCP.
El peralte de la viga se pre-dimensiona con:
d
Mu ()
* fy * * b(1 0.59 * *
fy
fc
Usar la cuantía ρ= 0.004
Con el peralte de la viga bw x d se calcula el acero de viga.
Con el momento máximo negativo se halla el acero
negativo. Con el momento positivo se halla el acero
positivo.
Fig. (13). Zapatas corridas en edificación Panadería Don
Beny en Chiclayo.
7. PLATEA DE CIMENTACION.- Es una losa de
concreto armado, que ocupa todo el área del terreno de la
edificación. Tiene armadura en el lecho superior e inferior
de la losa y en dos direcciones.
EL MODELO ESTRUCTURAL.-Existen modelos como
viga continua y modelo como placa flotante.
7.1 MODELO COMO PLACA FLOTANTE.- Un
modelo suficientemente correcto, consiste en calcular la
losa, como placa flotante sobre apoyos elásticos, en la que
el apoyo elástico está constituido por resortes o muelles, a
los que hay que asignarle una constante elástica. La
constante del resorte se obtiene multiplicando el
coeficiente de balasto por la sección de la columna.
66
67
La placa a su vez se sustituye por un emparrillado, sobre
apoyos elásticos equivalente. La parilla está formada por
una retícula vigas ficticias, en dos direcciones.
Mxu = Ru * ex
Myu = Ru * ey
Ix = B*A3/12
Iy = A* B3 /12
q( x' , y' )u
7.2 MODELO COMO VIGA CONTINUA.- Consiste en
seccionar la platea de tal manera que se comporte como
zapata combinada en ambas direcciones. La tarea consiste
entonces en calcular los esfuerzos que se producen debajo
de cada columna, por acción de las cargas y momentos.
Mxu * y' Myu * x'
Ru
Area
Ix
Iy
...(25)
Fig. 15. Modelo de platea como viga continua. Esfuerzos
en una franja de columnas.
Fig. 16. Diagrama de esfuerzos promedio, bajo las
columnas, para platea como viga continua. Caso de platea
normal.
Fig. 14. Elementos de la platea de cimentación.´
Hay que chequear los esfuerzos transmitidos al suelo.
Calcular el esfuerzo q(x,y)u que producen las cargas de las
columnas mayoradas (Pi)u, debido a que se va a calcular el
concreto y el acero.
XR = (ΣPi*xi)u / (ΣPi)u
YR = (ΣPi*yi)u / (ΣPi)u
Las excentricidades respecto al centro de gravedad de la
cimentación AxB valen:
ex = XR – Xcg
ey = yR – Ycg
Xcg, Ycg = coordenadas de los centros de gravedad
Fig. 17. Tipos de distribución de esfuerzos en plateas.
-Con la ecuación (25), calculamos los esfuerzos e las
coordenadas correspondientes al eje cada columna.
-Se calculan los esfuerzos sobre el suelo q(x’,y’):
Ru = ΣPu
Area = A*B
67
68
Fig. 21. Platea de cimentación de la Sede central de las
fiscalías de Lambayeque.
Fig.18. Diagrama
direcciones.
de
momentos
flectores
en
dos
Con los esfuerzos qu, calculamos los momentos actuantes
mayorados, y calculamos los aceros con las fórmulas
correspondientes:
As = Mu /[ φ fy(d-a/2)],
a = As fy / (0.85 f c b)
Ubicar adecuadamente los traslapes, según el diagrama de
momentos.
Fig. 22. Sede central de las fiscalías de Lambayeque.
Perú.
ANEXO
A. ZAPATA AISLADA.Tabla ZA-01.
Fig. 20. Esquema estructural de una platea de cimentación
Fig.ZA-01. Peso de zapata aislada como porcentaje de la
carga de servicio.
B. ZAPATAS CONECTADAS.-
68
69
C. ZAPATAS CORRIDAS O CONTINUAS.-
TABLA ZC-01
Fig. ZCC-01.
Fig. ZCC-02.
69
cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de
excavación en un lugar dado, ni de diseñar el
apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta
operación corresponde al contratista. Sin embargo,
generalmente es obligación del ingeniero aprobar o
recusar el procedimiento de construcción propuesto
por el constructor y revisar el proyecto del
apuntalamiento”.
70
A. CALZADURA.-
Fig. ZCC-03.
Fig ZCC-04.
EL PROCESO CONSTRUCTIVO.- -Se debe considerar
el aspecto constructivo en el diseño de cimentaciones. Hay
problemas éticos, legales y de calidad profesional del
diseñador, cuando ocurre un accidente o falla en la obra.
Por ello, es necesario conocer la responsabilidad del
diseñador y del constructor, o del diseñador estructural
respecto a los demás profesionales (sanitarios, mecánicoeléctricos).
Es peligroso excavar sin soportes. A veces la edificación
vecina es de adobe, y su nivel de cimentación es más alto
que la nueva cimentación. Si falla la edificación vecina, ¿la
responsabilidad es del constructor, del diseñador o del que
hizo el estudio de suelos?
La presencia de napa freática en una edificación con
sótano obliga a colocar obras de drenaje. A quién le
corresponde esta decisión, ¿al ingeniero sanitario, al
diseñador estructural o al constructor?. Hay que colocar
impermeabilizantes, water-stop. cementos hidráulicos, etc.
Respecto a las excavaciones para las cimentaciones y
ademes, Peck, Hanson y Thornburn, en el libro “Ingeniería
de Cimentaciones”, página β05, afirman lo siguiente:
“Ordinariamente, el ingeniero especialista en
Fig. Calzadura según el Ing. G. Delgado Contreras.
70
Fig.(15-a). Plano de cimentación de un Albergue en
Pimentel. Se debe construir una zapata continua, que
colinda con una construcción existente.
71
Fig. (14-a) .Detalle de ejecución de calzadura, previo a la
excavación de cimentaciones.
Fig.(15-b). Especificación del proceso constructivo a
realizar en el Albergue, debido a la existencia de
construcción vecina, para no dañar la edificación vecina.
Fig. (15-c). Colocación de armadura de cimentación por
tramos, por edificación de adobe vecina. Proyecto: Hostal
Camgo en Chiclayo.
Fig (14). Excavación alternada para hacer calzadura en la
edificación vecina al proyecto nuevo.
B. EXCAVACION ALTERNADA
Fig. (15-d). Concreto vaciado en cimentación por tramos,
por edificación de adobe vecina. Proyecto: Hostal Camgo
en Chiclayo.
C. DRENAJE.-
71
72
Fig. (16). Colocación de sistema de drenaje, antes y debajo
de la cimentación. Proyecto: Sede Central de las Fiscalías
del Distrito Judicial de Lambayeque. Chiclayo.
Fig. (17-a).Sede central de las fiscalías de Lambayeque.
9. La Inspección de los proyectos diseñados.- Es
importante inspeccionar la construcción de los proyectos
diseñados, aun cuando no estemos contratados para ello,
para detectar posibles fallas en la colocación de armaduras,
mejorar el proyecto, subsanar alguna omisión en el diseño
o en la construcción, o para rectificar algún error de
diseño. Todo proyecto es perfectible y el diseñador tiene
ingerencia y autoridad, para detener una construcción o
cambiar las secciones y armaduras de los elementos
estructurales, hasta antes del vaciado del concreto de la
estructura. La función del diseñador estructural y de
cimentaciones, no termina con la entrega de planos.
Detalle del sistema de drenaje.
D. CIMENTACION.-
Fig. (18). Inspección de la cimentación de la Iglesia del
Movimiento Misionero Mundial en Chiclayo.
Fig. (17). Platea de cimentación de la Sede central de las
fiscalías de Lambayeque.
Fig.(19). Socavación local en pilar de puente con pilotes.
72
73
Fig. (25). Cimentación circular de tanque Elevado de
Ciudad Eten, Lambayeque, Perú.
Fig.(20). Colocación de caisson (cimentación profunda)
para pilar de puente.
Fig.(21). Fondo del caisson del Puente Pítipo, ejecutándose
el ensayo de SPT.
Fig.(24). Grupo de pilotes prefabricados, para
cimentación del Poder Judicial de Chiclayo. Perú.
la
73
Las masas se asumen concentradas en los entrepìsos:
74
EL DISEÑO ESTRUCTURAL EN
CONCRETO ARMADO
1. Objetivo.- Se presentan las consideraciones básicas, que
se deben tener en cuenta para el diseño estructural, de una
edificación de concreto armado.
2. El análisis sísmico.- Los métodos de análisis que se
utilizan para el diseño de edificios sismorresistentes se
clasifican en:
-Análisis estático
-Análisis dinámico.
En el análisis estático, se usa el Método de la Fuerza
lateral equivalente, que consiste en reemplazar la fuerza
sísmica por una fuerza estática lateral equivalente:
Existen cuatro etapas que son:
1. Cuantificar el cortante basal V: Calcular el valor
numérico de la fuerza que actúa en la base.
2. Distribuir la fuerza total en cada piso: Calcular la
fuerza EQi que va en cada piso.
3. Resolver la estructura: Calcular las fuerzas en cada
viga y columna.
4. Diseñar los elementos estructurales: Calcular el acero
y el concreto de las vigas, columnas, cimentación,
placas, con las fuerzas de cada elemento.
Se cuantifica V con:
V = K * P, siendo P el peso total de la edificación.
En el Perú se usan las Normas Peruanas de estructuras,
según éste K se calcula con:
K = (ZUSC/R)
Z = Factor de zona
U = Factor de uso e importancia
S = Factor de suelo
C = Factor de amplificación sísmica
R = Coeficiente de reducción de solicitación
sísmica
P = Peso total de la edificación
Para un edificio aporticado, de oficinas de 6 niveles, en la
costa Norte del Perú, con luces de vigas que varían entre
5m y 6m, para un suelo compresible K vale 0.175. El
coeficiente sísmico suele cambiar conforme los sismos que
se presentan, nos indican que debe aumentar.
Determinar el coeficiente sísmico de acuerdo a sus
variables. Para este trabajo considerar las especificaciones
sísmicas de oficinas.
3. El peso de la edificación (P).En edificaciones para viviendas, hoteles y oficinas, se
usará el 25 % de la carga viva.
La fuerza en cada piso se calcula con:
EQi = [ Pi * hi / (Σ Pi * hi) ] * V
Hay que aplicarla en ambas direcciones X e Y.
Si el Centro de masas no coincide con el Centro de rigidez,
se produce un Momento torsor.
La fuerza sísmica de cada piso se reparte
proporcionalmente a la rigidez (Di) de cada columna, de
cada piso. De tal manera que cada columna soportará igual
cortante (Di/ΣD)*EQxi, en la dirección X.
Para la gráfica que se muestra, si las D son iguales y se
tienen 3 pórticos en la dirección X (en la figura) y 4
74
75
pórticos en la dirección Y, cada columna soportará
EQxi/(4*3) del sismo en esa dirección en el piso i.
Cada pórtico en la dirección X soportará eqxi =
4*EQxi/(4*3) = EQxi/3, y en la dirección Y soportará eqyi
= 3*(EQy/4*3) = EQy/4, ambos en cada piso i.
También cada diseñador puede usar lenguajes de
programación (Turbo C, C++, Visual C, Qbasic, Visual
Basic), para desarrollar sus propios programas de
estructuras.
4. Las cargas muerta y viva.- Además hay que
cuantificar las cargas muerta y viva del edificio. Recordar
para verificar los cálculos, que el peso aproximado, de 1
m2 de construcción varía entre 1 a 1.2 ton/m2.
5. Resolución de la estructura.- Para resolver este pórtico
se usan métodos que se basan en la teoría elástica. Existen
métodos matriciales de resolución, que se han desarrollado
en programas de cómputo como:
- Structural Analysis Program, llamado SAP-80, SAP-90,
SAP 2000. USA.
- ETABS. Extended three dimensional analysis of
building systems. USA.
- PAEM. Programas de estructuras. Mexicano.
- Analysis. Computer analysis of structural systems.
Belga.
- PPLAN-6R, PPLANW. Argentino.
- Turbo Structure. Español.
- AMET. Peruano.
6. Diseño de elementos estructurales.Para el diseño de vigas, columnas, aligerados, placas, etc.
se usan los valores de las fuerzas que actúan sobre el
pórtico ya resuelto. Existen dos métodos:
-Diseño por esfuerzos de trabajo.
-Diseño por resistencia última o rotura.
Mu = 0.75 * (1.4 MD + 1.7 ML + 1.87 M EQ)
Para calcular el acero de vigas, por el método de la rotura,
se usan las ecuaciones:
As = Mu / [ fy ( d – a/2) ]
- a = As fy / (0.85 f’c b)
- f’c = β10 kg/cmβ
- fy = 4200 kg/cm2
75
-
Estas ecuaciones del acero para vigas se pueden
representar en gráficas como se muestra a continuación:
76
Para el diseño de columnas se usan los diagramas de
interacción.
7. Las reglas de diseñadores.- La sección de acero
requerida es directamente proporcional al momento flector,
por tanto debe usarse el diagrama de momentos, como un
diagrama a escala de áreas de acero requeridas. Esto se
demuestra así:
M c-c = 0
(M+ dM) - M + T*z – (T+dT)*z = 0
dM - dT*z = 0
dT = (dM) /z
dT = dAs*fy
As = M / (fy*z)
Si z es aproximadamente constante, la ecuación anterior
nos indica que el diagrama de momentos flectores,
representa a escala el diagrama de aceros. Winter y Nilson
dan recomendaciones prácticas de cortes de varillas de
acero.
En este rabajo se harán cortes a L/3 para ambas vigas: VP
y VS.
8. Los Reglamentos de diseño.Para colocar los aceros en los planos, se deben cumplir las
especificaciones de hormigón dadas por los reglamentos
de cada país:
76
77
-Building Code Requirements for Structural Concrete,
que publica el American Concrete Institute (ACI),
especialmente la Norma ACI318. Americano.
-California Building Code. (Código de California)
-Eurocódigo 2. España
-British standar, BS8110 97. Inglaterra.
-Chinese 2002.
-Indian IS 456-2000
-Italian DM 14-2-92
-Reglamento Nacional de Edificaciones. Peruano.
Disposiciones especiales para columnas sujetas a
flexocompresión que resisten fuerzas de sismo:
-La resistencia especificada del concreto f’c no será
menor que 210 kg/cm2
-La calidad del acero de refuerzo no excederá de lo
especificado para acero Grado ARN 420 (414 MPa ó
4200 kg/cm2).
-El ancho mínimo de las columnas será de 25 cm.
-La relación de la distancia menor a la mayor de la
sección transversal de las columnas no será menor que
0.4.
-La cuantía de refuerzo longitudinal no será menor que
0.01 ni mayor que 0.06. Cuando la cuantía exceda de 0.04
los planos deberán incluir detalles constructivos de la
armadura.
-El refuerzo longitudinal mínimo deberá ser de 4 barras
dentro de estribos rectangulares o circulares, y 6 barras
en caso de que se usen espirales.
t > = 0.4 s
x1, x2 < = 15 cm
0.01 < = ρ < = 0.06,
ρ = As / (s*t)
Considerar las especificaciones dadas para pórticos
dúctiles dadas al final.
9. Memoria de cálculo.Debido al uso extendido de la computadora, se suelen
presentar los cálculos, especificaciones y planos en
diversos programas, así por ejemplo:
1. Predimensionado (Excel)
2. Coeficiente sismico (Excel)
3. Metrado de cargas (Excel)
4. Determinación del cortante basal (Excel)
5. Fuerza sísmica por nivel (Excel)
6. Fuerza sísmica por pórtico (Excel)
7. Carga muerta por pórtico (Excel)
8. Carga viva por pórtico (Excel)
9. Pórticos a resolver por carga muerta, viva y sismo
(Autocad)
10. Resolución de pórticos (SAP)
11. Diagrama de momentos (SAP)
12. Diagrama de cortantes (SAP)
13. Diagrama de axiles (SAP)
14. Envolvente de momentos (SAP)
15. Envolvente de cortantes (SAP)
16. Envolvente de axiles (SAP)
17. Diseño de vigas “principales”: Flexión y cortante
(Excel)
18. Diseño de vigas “secundarias”: Flexión y cortante
(Excel)
19. Diseño de columnas: flexocompresión (Excel)
20. Plano de Aligerado (Autocad)
21. Plano de vigas principales (con aceros) (Autocad)
22. Plano de vigas secundarias (con aceros) (Autocad)
23. Plano de columnas (Autocad)
24. Metrado y presupuesto (Excel).
25. Especificaciones técnicas de construcción (Word).
10. Especificaciones Técnicas a colocar en los planos de
estructuras.- Deben contener:
-El f’c del solado, cimientos y sobrecimientos corridos.
-El f`c del concreto de cada elemento estructural.
-El fy del acero a usar.
-El sistema estructural: aporticado, placas, dual.
-Los valores de los parámetros sísmicos de diseño usado:
Z, U, S, C, R.
-Desplazamientos absolutos y relativos en ambas
direcciones.
-Recubrimientos de concreto del acero.
-Traslapes del acero de vigas, columnas y placas.
-Especificaciones del ladrillo a usar.
-Longitudes de ganchos del acero longitudinal y de
estribos.
-Procedimiento de excavación, por el peligro de
derrumbes, y daño a las edificaciones vecinas, o a los que
realizan la excavación. Ejemplo: Hacer calzaduras y
excavar en forma de damero. (Importante para deslindar
responsabilidades con el que hace el estudio de suelos).
-Procedimiento constructivo. (Se diseñan pórticos o arcos
continuos, que a veces son llenados parcialmente).
-Capacidad portante del suelo.
-Nivel de cimentación. Este puede ser cambiado por el
diseñador, a otro más profundo, para dar más seguridad a
la obra.
-Nivel freático.
-Resumen del estudio de suelos y nombre del responsable.
(Importante para fijar límites entre la responsabilidad del
Ing. Estructural y el de Suelos).
-Si no hay estudio de suelos, colocar una nota exigiendo la
realización del mismo.
-Tipo de cemento a usar, y si hay agresión de elementos
químicos por efecto del suelo.
-Colocación de impermeabilizantes, aditivos, water-stop,
para evitar el paso del agua, especialmente en sótanos, en
la unión platea-muro de contención. Siempre se va a
presentar el fenómeno de El Niño.
-Colocación de drenaje, en obras ubicadas en zonas
inundables, o con nivel freático alto.
-Proporción del mortero de la junta.
-Sobrecargas de diseño.
-Tiempos de remoción de encofrados.
-Ensayos a realizar de concreto, acero, madera, ladrillos y
muros.
77
78
-Especificaciones de los agregados.
-Especificaciones de compactación del terreno.
-Especificaciones del uso de geotextiles.
-Especificaciones de madera.
-Especificaciones de acero.
-Especificaciones de pinturas.
-Especificaciones de soldadura.
-Reglamentos a cumplirse durante la construcción:
Building Code Requirements for Structural Concrete,
específicamente la norma del ACI 318, Normas peruanas
de estructuras, Reglamento Nacional de Edificaciones.
11. Los productos y las marcas del mercado.- No se
confíe a primera vista, en todos los productos que ofrecen
las marcas del mercado. Hay experiencias de llenado de
concreto con mixer, que no impermeabilizan lo prometido
por los que ofrecen el producto, la aparición considerable
de muchas grietas en los aligerados, y cangrejeras en las
placas, que después son justificadas, desde por la cantidad
de estribos de las vigas que impiden la sedimentación de
los agregados, hasta por la dirección en que sopla el
viento. Normalmente cuando esto ocurre, no asumen la
responsabilidad de demoler la estructura y suelen repararla
con materiales epóxicos, sin presentar ensayos de
verificación de resistencia a la tracción, cuando lo correcto
es entregar un producto de primera calidad, y no un
elemento estructural reparado. Los productos que
aminoran el peso de los ladrillos del aligerado, y que son
justificadas por ingenieros de renombre en nuestro país, no
mencionan que hay que colocar mallas de gallinero,
porque no se adhiere el concreto durante la colocación del
cielo raso, ni que el personal que construye, durante la
colocación de aceros, tuberías y accesorios, aplastan el
producto, y el espesor de losa superior de concreto a llenar,
aumenta, produciéndose pérdidas económicas.
78
79
ZAPATAS AISLADAS
1. Las zapatas, son elementos estructurales de concreto
armado, que sirven para repartir las cargas de la columna
al suelo, de tal manera que la resistencia del suelo las
soporte. Se deduce que suelos de buena resistencia tendrán
zapatas de menor dimensión, con respecto a las
construidas en suelos de menor resistencia.
2. Su diseño sirve de base para otro tipo de cimentaciones.
Los otros tipos de cimientos fallan por mecanismos
similares a los de éstas zapatas: por flexión, adherencia y
anclaje, cortante punzonante y cortante por flexión.
3. El diseño consiste en calcular, la forma y dimensiones
del concreto, así como la cantidad y tipos de acero de la
zapata.
4. Se necesita como datos, conocer: la carga axial de la
superestructura, la sección y aceros de la columna que
soporta, y la resistencia admisible del suelo (q adm), sobre
el que se diseña la zapata.
H = peralte de la zapata
P = carga axial actuante
qadm = capacidad de carga admisible del suelo
Ld = longitud de anclaje por compresión (o tracción) del
acero de columna
g = Peso específico promedio del relleno
Df = profundidad de cimentación
s/c piso = sobrecarga de piso = 500 kg/m2
5. Hay que encontrar el esfuerzo neto (q neto) que soporta
el suelo:
q neto = qadm - g * Df - s/c piso
6. Hay que calcular el peso total Pt de la superestructura
que llega al suelo, incluyendo el peso propio de zapata:
Se va a encontrar la proporción n, entre el peso de zapata
Pz y la carga de servicio P, como función del esfuerzo
neto:
De n = Pz / P,
P + Pz = q neto x A, y
Pz = γ c * A * B * H,
Siendo:
- c = Peso volumétrico del concreto armado.
A, B, H = dimensiones en planta y elevación de la zapata.
-q neto = esfuerzo neto
Se obtiene: n
1
qneto
1
c * H
…(ZA-1)
P de zapata = n x P de servicio
Fig. 2. Gráfica para pre-dimensionado de zapata aislada.
Fig. Elementos para el diseño de zapata aislada.
Se suele usar:
Pt = P + (%) P, el &P se obtiene de la Fig. 2.
ELEMENTOS BASICOS:
A, B = Dimensiones en planta de la zapata
s,t = Dimensiones en planta de la columna
m = Longitud del volado de la zapata
7. Determinamos el área de zapata requerida:
A zapata = (Pt) /q neto
8. Como se busca que en ambos sentidos la zapata tenga el
79
mismo volado:
80
(s + 2m)(t + 2m ) = A zapata
Resolviendo la ecuación se obtiene m aproximadamente:
____
m = (Azap / 2) - (s + t)/4
9. Luego las dimensiones de A y B son:
A = 2m + t
B = 2m + s
_________
A = √(A zapata) – (s-t)/2
_________
B = √(A zapata) + (s-t)/2
10. Luego dimensionamos el peralte H:
H se calcula cuando se determine el peralte efectivo "d",
mediante la verificación por:
-Longitud de desarrollo
-Cortante por punzonamiento
-Cortante por flexión
Fig. 4. Elementos que componen el peralte de la zapata por
longitud de desarrollo.
12. Hay que calcular la reacción última (qu) del suelo:
Pu = 1.5 D + 1.8 L
(Normas peruanas)
Pu = 1.2D + 1.6 L
(Normas ACI-318)
qu = Pu/(A*B)
11. La longitud de desarrollo a compresión está dada por:
__
ld = 0.08 * fy * db / f'c
…σorma ACI-318
13. El esfuerzo cortante por punzonamiento se calcula con:
ld = 0.004 db * fy, o
-v actuante = Vp / (perímetro * d)
ld = 20 cm, el que sea mayor.
v actuante = qu* [ A*B - (s+d)*(t + d)] / [2d*(s + t + 2*d)]
....(A)
Vp = Vu – 2* (s+d)(t+d)*d
db = diámetro de la varilla de la columna
db'= diámetro de la varilla superior de la parrilla
db"= diámetro de la varilla inferior de la parrilla
Fig. 5. Falla por punzonamiento. Ensayo en la UNPRG.
Lambayeque. Perú.
Fig.3. Falla por adherencia.
Por tanto H deberá ser igual a:
H = ld + db` + db” + recubrimiento.
80
distancia "d" de la cara de la columna:
81
Fig. 7. Elementos para la el cálculo de la resistencia al
corte por flexión.
En el eje x:
v act = qu *A*(m - d) /(A*d)
En el eje y:
v act = qu *B*(m - d) / (B*d)
El que debe ser menor o igual al esfuerzo admisible del
concreto al cortante:
___
v adm = * 0.53 f'c
= 0.85
Entonces d3 se obtiene de:
__
qu*(m-d) /d = 0.85 * 0.53 f'c
17. De los d1, d2 y d3 hallados se escoge el mayor.
Fig. 6. Falla por punzonamiento y bloque equivalente.
14. El que tendrá que ser menor o igual que el esfuerzo
cortante admisible:
__
v admisible = * 0.27(2 + 4/ß) f'c
…σorma ACI
318
ß = s/t (lado mayor a lado menor de columna)
o también:
__
v admisible = * 1.1 f'c , = 0.85 …σorma ACI
318
...(B)
El que sea menor.
15. "d2" se obtiene al igualar las expresiones
(A) = (B)
Si dm = máximo (d1, d2, d3)
H = dm + db``/2 + recubrimiento.
18. Cálculo del acero:
El acero por flexión se calcula, con el momento producido
por la reacción del terreno en la cara de la columna:
En el eje x:
Mu = (qu/2) * m2 * B
En el eje y:
Mu = (qu/2) * m2 * A
Hay aplicar las fórmulas del acero, o usar la gráfica dada al
final:
As = Mu/(0.9*fy*(d – a/2) )
a = As fy / (0.85 * f`c * B)
qu* [ A*B - (s+d)*(t + d)] / [2d*(s + t + 2*d)] =
* 0.27(2 + 4/ß) f'c
ó
{
* 1.1 f'c
Tener cuidado con las unidades:
[A] = ton/m2
[B] = kg/cm2
16. El esfuerzo cortante por flexión, se verifica a la
81
82
Fig. 8. Falla por flexión de losa. Ensayo en la U. Católica.
Perú.
.
19. El As encontrado debe ser mayor o igual al As
mínimo:
__
-r mín = 0.7 √fc / fy
-As mín = (0.7 √fc / fy) B*d
A pesar de que la cuantía mínima en losas es 0.0018, se
usa la cuantía mínima de elementos en flexión,
considerando que la zapata, va a estar sometida a esfuerzos
mayores que los producidos por cambios de temperatura,
tales como punzonamiento y cortante por flexión.
Fig. 9. Detalle en planta de los aceros en una zapata una
vez calculados.
EJEMPLO DE DISEÑO DE ZAPATA AISLADA
Diseñar la zapata aislada, de concreto armado, cuyos
parámetros se muestran:
20. Con el área de acero hallado se calcula el Número de
varillas:
Nv = As / Ab
Ab = área de la varilla a usar
Ab Varusar
= 0.71 (3/8")
= 1.29 (1/2")
= 2.00 (5/8")
= 2.84 (3/4")
= 5.10 (1")
Con el Número de varillas calculado se calcula la
separación (s) de varillas:
(Nv-1)*s = B - 2r - db
s = (B – 2 recub. – db) / (Nv -1)
B = Longitud de Zapata
db = diámetro de la varilla usada
rec= 7.5 cm
Nvar = número de varillas usadas
21. Se usará: 1 f Varilla @ s
DATOS
PD= 140 t
PL= 35 t
P = 140t + 35t= 175t
82
83
1.8
t
(PESO ESPECÍFICO PROMEDIO DEL
m3
RELLENO)
-q adm= 1.5 kg/cm2 =
1.5
kg
1t
1cm 2
t
*
15 2 3097 psf
*
2
2 2
2
cm 1000kg (10 ) m
m
Df =1.5m
Sobrecarga de piso= 500 kg/m2= 0.5 t/m2
Sección de columna:
.sxt = 40 x 40 cm2
As= 81´´
kg
f ´c 210 2
cm
kg
fy 4200 2
cm
-LONGITUD DE DESARROLLO
-CORTANTE POR PUNZONAMIENTO
-CORTANTE POR FLEXIÓN
2.1 LONGITUD DE DESARROLLO POR
COMPRESION (cm).f * db
Ld 0.08 * y
f ´c
a.
Hay que encontrar el esfuerzo neto:
q neto q adm * D f sobrec arg a _ de _ piso
q neto 15
t
t
t
(1.8 2 *1.5m) 0.5 2
2
m
m
m
t
kg
q neto 11.8 2 1.18 2 2436 psf
m
cm
Determinaremos el Área de la zapata requerida:
210kg / cm 2
Ld 0.004(2.54cm) * (4200kg / cm 2 )
b.
Ld 42.7cm 43cm
c.
Ld=20 cm
Calcularemos la reacción última del suelo (qu)
PU =1.5 PD+1.8 PL
( Pt )
q neto
PU = 1.5(140 t) + 1.8(35 t)
175t
t
11.8 2
m
14.83m 2
qU= PU / A*B
PU = 273 t
AZAP
AZAP
4200kg / cm 2 * 2.54cm
Ld 0.004db * f y
CÁLCULO DE AREA DE ZAPATA.-
AZAP
Ld 0.08 *
Ld 58.59cm 59cm
esolado 0.10m
1.
Dimensionamos la elevación H, esta se halla cuando
determinamos el peralte efectivo “d”, mediante la
verificación por:
qU
273t
3.85m * 3.85m
t
qU 18.5 2
m
Se busca que en ambos sentidos la zapata tenga el mismo
volado
2.2 EL ESFUERZO CORTANTE POR
PUNZONAMIENTO, SE CALCULA CON:
(s+2m)(t+2m) = AZAPATA
- v actuante qu *
m
El que tendrá que ser menor o igual que el esfuerzo
cortante admisible:
AZAP / 2 (s t ) / 4
Resolviendo la ecuación se obtiene m aproximadamente:
Entonces las dimensiones de la zapata A y B son
A = 2m+t
B = 2m+t
B
(s t ) / 2
A
AZAP ( s t ) / 2
B
AZAP
A
AZAP 14.8m 2 3.85m 12,7 feet
AZAP
14.8m 2 3.85m 12,7 feet
A * B s d * t d
2d * s t 2 * d
4
vadmisible * 0.27 2 * f ´c ; Donde es
lado mayor lado menor de la columna
O también:
vadmisible *1.1 f ´c ; 0.85
-v adm
* 0.27 2
*1.1 f ´c
4
*
f ´c
2
Se adopta zapata cuadrada de 3,85 x 3, 85 m .
2.
CALCULO DEL PERALTE DE LA
ZAPATA.-
0.85 * 0.27(2 4 / 1) * 210 19.95
kg
cm 2
83
0.85 *1.1* 210 13.55
84
kg
(menor )
cm 2
qu * A * B ( s d ) * (t d ) /( 2d * ( s t 2 * d )
135.5
t
m2
18.5 * 3.85 * 3.85 (0.40 d ) * (0.40 d ) /
2d * (0.4 0.4 2 * d ) 135.5
d 2 0,52 _ m
t
m2
d 2 52 _ cm
2.3 ESFUERZO CORTANTE POR FLEXIÓN.-
Vu qu (m d ) * A
Mu
qu
* m2 * B
2
18.5t / m 2
* (1.725) 2 * 3.85
Mu
2
M u 105.97 *10 5 kg cm
M u 105.97 *10 5
bd 2
3.85 * 59 2
Mu
kg
7.9 2
2
bd
cm
De la gráfica adjunta dada al final, para f’c = β10 kg/cmβ,
se obtiene,
CORTANTE ACTUANTE:
ESFUERZO CORTANTE ACTUANTE:
V
u u
A* d
qu (m d ) * A
u
A* d
qu (m d )
u
d
18.5t / m 2 (1.725 d )
u
d
18
.5t / m 2 (1.725 d )
65.3t / m 2
d
d 3 0.38m
d 3 38cm
r = 0,0022 . Esta cuantía requerida, se compara con la
min_ para_ flexión 0.7 f ' c / f y ,_ ni
cuantía mínima para elementos en flexión.
min_ para_ flexión 14 / f y 0,0033
0.0033
AS * b * d
AS 0.0033 * 385 * 59cm 2
AS 74,96 _ cm 2
Elegimos varilla de 7/8”
N Varillas= 74,96 / 3,87
N Varillas = 19,37. Se usarán 20 varillas
De los tres peraltes d1, d2 y d3 se escoge el mayor:
N Varillas 1* s db 2rec. B
385 1* 2.54 2 * 5
20 1
s 19,6 _ cm
s
H d db´db´´recubrimiento
5
5
H 58.9cm * 2.54cm * 2.54cm 5cm
8
8
H 67.075cm 26 _ inch
3.
CALCULO DEL ACERO.-
84
85
22. ENCEPADO DE PILOTES.Los resultados se detallan en el plano de cimentaciones,
incluyendo los resultados del estudio de suelos, las
especificaciones del concreto y el acero, y las pruebas de
rotura a realizar.
Existen dos tipos de encepados:
-Encepados rígidos.- Cuando m <= 1,5 * H
-Encepados flexibles.- Cuando m > 1,5 * H
Cuando la zapata es un encepado de pilotes, hay que
probar:
-Por longitud de anclaje de la columna. (similar a la zapata
aislada)
-Por punzonamiento.
-Por cortante por flexión.
-Por flexión
23. Cortante por punzonamiento.Vp = Nu – (R1 + R2)
Nu es la carga axial total mayorada.
-v actuante = Vp / (perímetro * d)
[Nu – (R1 + R2)] / [(4s + 4d) * d] = v admisible
Aquí se ha considerado s = t
Si hacemos R1 = R2 = 0
Estamos asumiendo conservadoramente que toda la carga
de la columna, es la fuerza punzonante:
Queda la ecuación cuadrática:
.d2 + s*d - Nu / (4* v admisible)
Se despeja d:
___________________
.d = (-s/2) + (1/2)* s2 + (Nu / v admisible).
___
v admisible = * 0.27(2 + 4/ß) f'c
ß = s/t (lado mayor a lado menor de columna)
ó
__
v admisible = * 1.1 f'c , = 0.85
85
86
Que es la ecuación para determinar el peralte del encepado
en primera tentativa.
24. Cortante por flexión.La sección crítica ocurre a la distancia “d”, de la cara de la
columna:
26. Método de las bielas.Usado para encepados rígidos.
Para el caso de dos pilotes se asume, que la carga de la
columna se transmite a los pilotes a través de bielas
oblícuas comprimidas, que se forman en el concreto. En
este caso de ejemplo demostrativo, existen dos pilotes, por
tanto dos bielas y la reacción vertical es Nu/2. Si existieran
3 ó 4 pilotes, las reacciones serían Nu/3 ó Nu/4.
Para zapata cuadrada A = B:
ΣF izquierda de la
sección crítica
<=
vadmisible * B * d
Z = 0,875 * d
ΣF izq. < = ( * 0.53 f'c ) * B * d
25. Acero por flexión.-
Tga = Z/Y
(Nu/2) / Tu = (0,875 * d) / (L/2 – 0,35*s)
Tu = [(L/2 – 0,35*s) / (0,875 *d) ] * Nu/2
Tu = As*fy
As = [(L/2 – 0,35*s) / (0,875 *d* fy) ] * Nu/2
Es la ecuación para calcular el acero de tracción.
Según el Eurocódigo, la sección para calcular el momento
se debe ubicar a 0,15 * veces el espesor de la columna:
Mu = ΣR izquierda * b
Hay que solucionar las fórmulas del acero:
As = Mu/(0.0fy(d – a/2) )
.a = As fy / (0.85 * f`c * B)
DETALLES PARA ENCEPADOS DE PILOTES
86
87
Fig. Uso de zapatas aisladas en estructura de cubierta de Centro educativo de Chiclayo. Perú.
87
88
Fig. Estructura de entrada a cooperativa, donde se ha usado zapatas aisladas.
88
89
ZAPATAS COMBINADAS
Se usa este tipo de zapatas cuando las columnas de las
edificaciones están bastante cerca, y las dimensiones en
planta de las zapatas están casi en contacto entre sí. Consta
de dos o más columnas en una sola zapata.
También se usan cuando se requiere alcanzar mayores
alturas de edificación, y el uso de zapatas aisladas ya no es
conveniente.
Consta de un bloque rectangular de concreto, armado en
dos direcciones con acero longitudinal, en la dirección de
mayor longitud, y acero transversal en la dirección de
menor longitud.
Se diseñan para resistir principalmente los esfuerzos
debidos al cortante por flexión y punzonamiento, así como
para resistir los momentos flectores que se producen en
ambas direcciones debido a la reacción del suelo.
ELEMENTOS.-
2. Cálculo de la longitud L.Se determina la longitud de la zapata de tal manera que la
resultante caiga en L/2
Se ubica la resultante tomando momentos respecto a la
columna 1:
X1 * R = P2* L1
X1 = (P2/R)* L1
...(1)
Se busca que la resultante caiga en la mitad de L:
S1/2 + x1 = L/2
L = s1 + 2x1
...(2)
Reemplazando (1) en (2):
L = s1 + 2(P2/R)*L1
...(3)
3. Determinación de B.Se trata de que q actuante ≤ q neto
(P1 + Pβ + Pp zapata ) / (B*L) ≤
P1, P2 = carga en columnas 1,2
s1,s2 = dimensión de las columnas 1 y 2
R = resultante = P1+P2
x1 =ubicación de la resultante respecto al eje de la
columna 1
L =longitud de la zapata
B = ancho de la zapata
H = peralte de la zapata
a = longitud del volado de zapata respecto a la columna 2
q amisible = capacidad portante por falla a cortante o por
asentamiento.
1. El Modelo estructural.Se muestra en la figura siguiente. Consta de dos cargas P1
y P2, separados una distancia L1. Las cargas se pueden
suponer que se reparten uniformemente a lo largo las
longitudes de columnas s1 y s2. Las cargas deben
equilibrar con el q neto. Además la resultante debe caer en
el centro de gravedad de la zapata combinada. Para ello se
requiere de un volado de longitud “a”.
q admisible – *Df – Sobrecarga de piso
...(4)
= peso específico promedio del relleno
Df = profundidad de cimentación
Peso propio de zapata varía desde 10 % a 25 % del peso
actuante dependiendo de la capacidad portante del suelo.
De la Ec.(4), se despeja B:
B = (P1 + P2 + Ppzapata ) / (q neto*L )
...(5)
4. Dibujamos los diagramas de momentos y cortantes
con las cargas mayoradas.
4.1 Calculamos la reacción última del suelo:
Reglamento Nacional de Edificaciones (2005): Perú.
Pu = 1.5 * CM + 1.8 CV
Pu = 1.25* (CM + CV +/- CS)
Pu = 1.5 (P1 + P2)muertas + 1.8 (P1 + P2)vivas
Reglamento del ACI 318-71, 77, 83, 89, 95, 99:
Pu = 1.4 * D + 1.7 * L
Pu = 0.75*(1.4 * D + 1.7 * L + 1.87 * EQ)
Reglamento del ACI 318-2002, 2005, 2008, 2011:
89
90
Pu = 1.2* D + 1. 6* L
Pu = 1.2 * D + 1.0* L + 1.4 * E
ESPECIFICACIONES DEL ACI:
qu * x – Pu1 = 0
x = Pu1/qu
- -qu (a + y) + (Pu2/s2) y = 0
(-qu + Pu2/s2) y - qu*a = 0
y = qu*a / (Pu2/s2 - qu)
... (7)
... (8)
El diagrama de momentos es:
El Momento máximo vale:
Mu max negativo = qu x2 /2 - P1 (x – s1/2)
...(9)
Mu max positivo = qu ( a + y )2 /2 - ( Pu2 /s2) y2 / 2
...(10)
5. Determinamos el peralte H.Verificamos por:
5.1 Longitud de anclaje a compresión y a tracción
5.2 Cortante por punzonamiento
5.3 Cortante por flexión
5.1 Longitud de anclaje a compresión
Ld = 0.08 fy db / √fc
Ld = 0.004 db fy
Ld = 20 cm El que sea mayor.
Qu = Pu/(B*L),
ton/m2
4.2 La carga lineal uniformemente repartida vale:
q u = Qu*B
qu = Pu /L
...(6)
Dibujamos el diagrama de cortantes, y de alli encontramos
los puntos x e y de momentos máximos.
..(11)
db = diámetro de la varilla de la columna
db1 = diámetro de la varilla superior de la parrilla
db2 = diámetro de la varilla inferior de la parilla
H = Ld + db1 + db2 + db2 + recubrimiento
...(12)
5.2 Cortante por punzonamiento
Fuerza cortante punzonante en la columna 2:
Vu2 = Pu2 – qu*Ao, donde Ao es el area dentro de la
sección crítica por punzonamiento.
Ao = (s2 + d) (t2 + d)
90
91
Vu2 = P2u – qu* (s2 + d) (t2 + d )
...(13)
El acero por flexión en la dirección longitudinal lo
obtenemos con el diagrama de momentos, con el momento
máximo positivo y negativo respectivamente:
As = Mu / φ fy (d – a/2 ),
El esfuerzo cortante punzonante actuante:
.vu2 actuante = Vu2 / bo * d
a = As fy / 0.85 fc b
...(23)
...(14)
.bo = perímetro del bloque equivalente = (s2 + t2 + 2d ) *
2
...(15)
7. Acero mínimo.El área de acero calculado tiene que ser mayor que el
mínimo:
As mínimo = 0.0018 * Bd
...(24)
8. Calculamos el número de varillas:
Reemplazando (13) y (15) en la ecuación (14)
.vu2 actuante = [ P2u – qu (s2 + d) (t2 + d) ] / [2 d (s2
+ t2 + 2d ]
ton/m2
...(16)
El esfuerzo cortante admisible por punzonamiento:
v admisible = 0.85 * 1.1 * √fc
kg/cm2
...(17)
vu2 actuante = v admisible
...(18)
De la ecuación (18) despejamos el peralte d.
N varillas = Area de acero requerido / Area de la varilla a
usar
....(25)
9. Separación de varillas.Con el número de varillas en el lecho superior e inferior
calculamos las separaciones del lecho superior e inferior:
Separación S1 = (B – db – 2*recubriento) /
(Nvarillas – 1)
.. . (26)
10. Calculamos el acero en la dirección transversal:
5.3 Cortante por flexión.El cortante por flexión lo calculamos a la distancia d de la
cara de la columna
Vd actuante = V3 – qu * d
... (19)
El esfuerzo cortante admisible es:
.vd actuante = Vd actuante / (B * d)
...(20)
El esfuerzo cortante admisible es:
v admisible = 0.85 * 0.5γ √fc
...(21)
Se debe cumplir que
v actuante = vd admisible
...(22)
De la ecuación 22 despejamos el peralte d.
De las ecuaciones 12, 18 y 22, obtenemos el máximo d, de
donde obtenemos H.
6. Acero por flexión en la dirección longitudinal.-
Tener en cuenta el ancho equivalente para la flexión
transversal:
.b1 = s1 + 0.75 d
y b2 = s2 + 1.5 d
(Juan
Ortega)
b1 = s1 + 0.50 d
y b2 = s2 + d (Roberto Morales)
...(27)
11. Para la zona de la columna 2 que es la más
desfavorable:
Qut = P2u /B
...(28)
91
92
Mu2 = Qut m2 b2 /2
...(29)
12. Con el momento Mu2 se calcula el Acero transversal
Ast.
:
92
93
Proyecto: Edificación de cuatro niveles, en la que se muestra la cimentación tipo: Zapatas combinadas y continuas.
93
94
Plano de cimentación de edificación para cuatro niveles, cuya arquitectura del primer nivel se muestra en la figura anterior,
donde se ha usado cimentación de tipo zapata combinada.
94
95
ZAPATAS CONECTADAS
1. INTRODUCCION.Están formadas por zapatas acopladas con vigas de
conexión (o vigas de atado). Se colocan vigas de
conexión, para evitar los desplazamientos horizontales,
soportar los momentos de las columnas (especialmente por
sismo), disminuir el efecto de los asentamientos
diferenciales y, para soportar los momentos, debido a la
excentricidad de la carga de la columna y la reacción del
suelo, que se produce en las zapatas excéntricas. La
colocación de vigas de atado es obligatorio en estructuras
construidas en zonas sísmicas, según el código europeo
llamado Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras
sismorresistentes. Además deben colocarse en ambas
direcciones formando una retícula.
cargas actuantes, R1 y R2, son las reacciones del suelo, s1
es el ancho de columna, L es la separación entre cargas, y x
es la distancia al punto de momento máximo.
Tomamos momentos respecto al punto 2, resulta:
R1 = P1* L / m
…(γ)
Como L>m, entonces R1>P1
Calculamos T1:
T1 = R1 / (qneto * B1)
...(4)
5. MAYORACIÓN DE CARGAS.Las combinaciones de carga se mayoran según el
reglamento a usar:
Reglamento Nacional de Edificaciones (2005):
Pu = 1.5 * CM + 1.8 CS
Pu = 1.25* (CM + CV +/- CS)
Reglamentos del ACI, Normas 318-71, 77, 83, 89, 95, 99:
Pu = 1.4 * D + 1.7 * L
Pu = 0.75*(1.4 * D + 1.7 * L + 1.87 * EQ)
Reglamentos del ACI, Normas: 318M-02, 318S-05:
Pu = 1.2* D + 1. 6* L
Pu = 1.2 * D + 1.0* L + 1.4 * E
2. EL ESFUERZO NETO.El estudio de suelos, determina la capacidad portante a la
profundidad Df . A esa profundidad, el suelo soporta cargas
producidas por el peso propio del relleno ( *Df), y la
sobrecarga de piso (Sc. piso, suele usarse 500 kg/m2). Por
tanto, el esfuerzo neto (qneto), o útil para la estructura a
construir, es lo que queda, después de descontarle a la
capacidad portante o admisible, las cargas mencionadas.
. qneto = qadmisible – *Df – Sc. piso
= peso unitario del suelo, o peso volumétrico, o peso
específico de masa (kg/m3).
3. AREA DE ZAPATA A1.Azap1 = P1 / qneto
...(1)
Usando inicialmente la proporción: T1 = 2B1
2B1*B1= Azap1
Se mayoran las cargas (P1u y Pu2), y se calculan la
reacción (Ru1) y esfuerzo último del suelo (qu1). Se
obtendrá un diagrama similar al del modelo mostrado, pero
con las cargas mayoradas:
Tomando otra vez momentos respecto al punto 2:
R1u = P1u* L / m
…(5)
La reacción última del suelo, como carga uniformemente
repartida vale:
qu1 = R1u / B1
...(6)
6. EL MOMENTO MÁXIMO DE DISEÑO.Hallamos “x “, el punto de cortante cero y de momento
máximo:
qu1*x – P1u =0
x = P1u / qu1
...(7)
Mu máx = - Pu1*(x – s1/2) + qu* x2 / 2
...(8)
Determinamos el diagrama de momentos:
B1=√Azap/β
...(2)
4. EL MODELO ESTRUCTURAL.-:
Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se
muestra en el esquema siguiente, donde P1 y P2 son las
95
sean exactamente los valores dados en las tablas, se
pueden interpolar, o tomar el valor inmediato superior.
96
El área de acero se calcula con:
As = Mu /[ ∅ *fy*(d - a/2)]
a = As* fy / (0.85 f c* b)
...(9)
Las zapatas excéntrica y centrada, se diseñan con los
criterios de zapatas aisladas.
7. ESPECIFICACIONES DEL “BUILDING CODE
REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE”,
DEL AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI),
NORMAS 318M-02 Y 318S-05, DE ESTRUCTURAS
SISMORRESISTENTES.21.10.3.1- Las vigas apoyadas en el suelo diseñadas para
actuar como acoples horizontales entre las zapatas o
coronamientos de pilotes, deben tener refuerzo
longitudinal continuo que debe desarrollarse dentro o más
allá de la columna soportada o estar anclada dentro de la
zapata o del cabezal del pilote en todas las
discontinuidades.
21.10.3.2 – Las vigas sobre el suelo diseñadas para actuar
como acoples horizontales entre zapatas o cabezales de
pilotes deben ser dimensionadas de tal manera que la
menor dimensión transversal sea igual o mayor que el
espacio libre entre columnas conectadas dividido por 20,
pero no necesita ser mayor a 450 mm. Se deben
proporcionar amarras cerradas con un espaciamiento que
no exceda al menor entre la mitad de la menor dimensión
transversal o 300 mm.
TABLA ZC-01
8. DISEÑO DE ZAPATAS Y VIGAS DE
CONEXIÓN.Usando el procedimiento de diseño mencionado,
se han calculado las áreas de las zapatas excéntrica
(B1xT1, en m2), interior (B2 = T2, en metros), y las
secciones y aceros de las vigas de conexión; para las
variables: Número de pisos (N), separación de columnas
(L) en metros, y el esfuerzo neto (qneto). La separación de
columnas se consideró igual en ambas direcciones. No se
incluyó el efecto del sismo. Además f’c = β10 kg/cm2, fy
= 4200 kg/cm2. Se presenta la sección (bxh, cm2), y los
aceros del lecho superior (As superior.) e inferior (As
inferior) de la viga de conexión. Se ha colocado el
Momento flector máximo de la viga de conexión (Mu
máx), para añadirle el que resulta del análisis sísmico (y
otros efectos de la naturaleza), y sea verificado, mejorado
y adecuado a sus fines, por el diseñador. Se ha partido
desde una dimensión pequeña (L = 3 m) hasta L = 6 m,
para poder barrer un campo variado, de medidas comunes
de edificaciones. Estas tablas pueden servir para
predimensionar zapatas conectadas. Cuando el esfuerzo
neto (qneto) o las luces (L) de su proyecto particular, no
96
97
97
98
Proyecto: Edificación de tres niveles. Se muestra la cimentación de tipo zapatas conectadas.
98
99
99
100
Cimentación con zapata conectada del proyecto de tres niveles. Las vigas de conexión se deben colocar em ambas direcciones.
A manera de malla o red.
100
101
Proyecto: Estadio, en el que se muestra la cimentación.
Vistaparcial de la planta del estadio, donde se muestra, abajo, la cimentación.
101
102
Vista parcial de planta de cimentación con zapatas conectadas.
Sistema estructural que soportan las graderías.
102
103
Diagrama de momentos para el diseño del Estadio.
Diagrama de momentos, en la dirección 2-2, de las graderías.
103
104
ZAPATAS CONTINUAS
Se usan cuando la capacidad portante del terreno es baja, y
el número de niveles crece, aumentando el peso actuante
sobre el suelo. También se usan cuando existen columnas
muy cercanas en una dirección y columnas alejadas en la
otra dirección.
Se caracterizan porque tienen una dimensión muy grande
comparada con la otra dimensión. Debido a que los
momentos en la dirección longitudinal son muy altos,
generalmente se usa una viga (VCP) de gran peralte como
nervio, en forma de T invertida para soportar dichos
momentos.
El diseño se hace en la dirección longitudinal y transversal.
En la dirección longitudinal hay que diseñar la viga en
forma de T invertida y la zapata continua.
En la dirección transversal hay que diseñar las vigas de
conexión (VCS) y la zapata.
Fig. 1. Zapata contínua. La dirección longitudinal es
paralela a L, y la transversal es paralela a B.
Fig. 3. Zapata continua en la dirección longitudinal, y
conectada en la dirección transversal.
2. ELEMENTOS.B1, B2 = ancho de zapatas
L1, L2 = separación de columnas
P1, P2,… Pi = cargas en las columnas
h1, h2 = peralte de viga de cimentación principal
H = peralte de zapata contínua
q adm = capacidad portante del suelo
Df = profundidad de cimentación
γ = peso específico del relleno
S/c= sobrecarga de piso
Fig. 2. Zapata continua con viga nervio.
3. CIMIENTOS RIGIDOS.Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la
σorma ACI γγ6.βR 88 “Suggested Analysis and Design
Procedures for combined footings and Mats”, reaprobado
en el 2002, y que nos remiten a Fritz Kramrisch y Paul
Rogers (Simplified Design of Combined footing, 1961), y
Kramrisch (Footings, 1984):
3.1 En la dirección transversal.Separación para luces de volados:
104
105
4 Ec I
L 0.88 * 4
Kc * b
.k = k 0,3 * (1/2 - 0.15 / B)2
…(1)
3.2 En la dirección longitudinal.Separación de columnas adyacentes (L):
L 1.75 * 4
4 Ec I
Kc * b
Con un valor de B grande
.k arenas aprox. = 0,25* k 0,30
…(6)
…(β)
.K EN ARCILLAS.-
Donde:
t = espesor de la zapata.
v= longitud del volado
b = ancho del cimiento
__
Ec = 15000 √fc
En suelos arcillosos, el coeficiente de balasto afectado por
el factor de forma, para placa circular es:
Ec = 2.17 x 10 6 ton/m2, para fc = 210 kg/cm2.
…(7)
Para cimentaciones rectangulares en suelos arcillosos,
de dimensiones BxL:
K = q / d = Módulo de balasto =
= Módulo de Winkler
= Módulo de reacción de subrasante.
4. EL MODULO DE BALASTO (O DE
SULZBERGER), K30.Es la relación esfuerzo/asentamiento, que se obtiene de la
gráfica resultante del Ensayo de Placa de carga, en el
instante que el asentamiento del suelo es de 0.05 de
pulgada (0,05” = 1/β0”). El coeficiente así obtenido es el
correspondiente a una placa de 30 cm de diámetro, K30.
El coeficiente de balasto K30, del ensayo de placa de
carga, tiene que corregirse y adecuarse al tamaño de la
zapata, ya que se realiza con una placa de 30 cm de
diámetro.
Para convertir el k30 de placa al Kc de campo, se tienen
que relacionar los asentamientos y anchos de placa (Sp,
Bp); con los asentamientos y anchos de campo (Sc, Bc), a
través de un factor de incidencia CB que considere el
ancho de la cimentación prevista, obtenido con la
experimentación:
Kc = CB*K30
…(8)
K(BxB), corresponde a placa cuadrada, la cual se puede
obtener con la relación (7), y reemplazándola en (8)
resulta:
B
1 0.5
30
L
k c k 30 * *
B 1.5
L = longitud de la zapata corrida.
…(9)
Si L>>B resulta, que en arcillas:
k aprox. 20 *
k 30
B
…(10)
…(γ)
CB = Factor de incidencia del ancho de la cimentación
K EN ARENAS.En suelos arenosos, hay que afectar el Módulo de Balasto
por un factor de forma, para considerar, el ancho del
cimiento B, el ancho de la placa (0,30m) y la profundidad
de cimentación D:
….(4)
Donde n varía entre 2 y 3.
Para n = 2 y B >>D resulta:
Resultados de la prueba de la placa de carga y definición
del Módulo de balasto. K30 = s1 / 0,127cm
…(5)
De aquí se obtiene:
105
106
Fig. Arreglo de la prueba de placa (o plato) de carga. Una
placa usual es de B= 0 30 m, y la placa, se coloca a la
profundidad Df<2m.
Fig. Diferencias entre la placa de carga y el cimiento.
Para suelos arcillosos se cumple:
SF * BF = SP * BP
Para suelos arenosos:
SF = SP * [ 2 BF / (BF + BP) ]2
SF = asentamiento de la cimentación
BF = ancho de la cimentación
SP = asentamiento de la placa
BP = ancho de la placa
Valores de k30, según Braja Das:
Vista del equipo para el ensayo de placa de carga.
Crespo Villalaz, nos proporciona una gráfica donde
relaciona K30 con el valor relativo de soporte CBR:
106
107
El Ing. Augusto José Leoni, de la U. La Plata, ha
propuesto las siguientes ecuaciones:
… para arenas secas o
húmedas
…
para
arenas
saturadas y sumergidas.
Cuyas gráficas se muestran a continuación:
Fig. Ensayo de esfuerzo asentamiento ejecutado en la
ciudad universitaria de la UNPRG-Lambayeque. Perú.
Fig. Relación entre el Módulo de balasto y el ensayo de
penetración.
MODULO DE BALASTO HORIZONTAL kh.Suelos cohesivos.- Terzaghi propuso:
B = ancho del cimiento,
Fig. Otra forma de presentación del ensayo de placa de
carga.
kv1 = Módulo de balasto vertical
Suelos granulares.-
EL MODULO DE BALASTO Y EL ENSAYO SPT.Scout en 1981, dio una relación para hallar k30, en
función del valor de N del ensayo de penetración estándar
corregido:
Para suelos arenosos:
K 30 (MN/m3) = 18 N corregido
-z = profundidad donde se calcula kh
-B = ancho del cimiento
-nh = coeficiente, que se obtiene de la siguiente gráfica.
Terzaghi-Peck 1948, 1968:
K30 (kg/cm3) = (N/7.35) – 0.31
Meyerhof, 1964:
K30 (kg/cmγ) = N/5.08 para B ‹ = 1,β0 m
= N/7.6β para B › 1,β0 m
MODULO DE BALASTO VERTICAL kv1.-
107
108
-k es aproximadamente = 0.25 *k30
…(1γ)
La relación Volado vs. Canto vs. k30 en arenas es:
v
18.44
d 4 k 30 * d
…(14)
La Ec.(6) se representa en el siguiente gráfico:
5. RELACION VOLADO/CANTO, POR RAZONES
DE DISTRIBUCION DE PRESIONES UNIFORME,
SOBRE EL SUELO.EN LA DIRECCIÓN TRANSVERSAL.-
Para voladizos, usando la ecuación (1):
5.2 CIMENTACIONES EN ARCILLAS.-
E * h4
L 0.88 * 4
3 * Kc * h
L = v = longitud del volado
Para cimentaciones rectangulares de dimensiones BxL:
Tomando la mitad del módulo de elasticidad:
Em = Ec/2 = 108 685 kg/cm2
L 0.88 * 4
v 0.88 * 4
108685 * h 4
3 * Kc * h
36228 * h 4
Kc * h
v
12.14
h 4 kc * h
…(11)
Con h = 1.1 d
La expresión general de volado/canto, resulta:
v
13.04
d 4 kc * d
5.1 CIMENTACIONES EN ARENAS:
B
1 0.5
30
L
k c k 30 * *
B 1.5
Kc y K300, están relacionados mediante:
…(1β)
…(15)
L = longitud de la zapata corrida.
Para valores prácticos se reduce a:
k
…(16)
k c 20 * 30
B
Esto en la relación de vuelo canto, Ec. (12), se convierte
en:
Relación Volado vs. Canto vs. k30 en arcillas:
108
109
v
d
7.34
4
d
k 30 *
B
…(17)
Haciendo B aprox. = 2*v
v3/ 4
7.34
4 k *d
d
30
…(18)
La Ec. (10) se representa en el siguiente gráfico:
6. RELACION SEPARACION DE
COLUMNAS/PERALTE, POR RAZONES DE
DISTRIBUCION DE PRESIONES.EN LA DIRECCIÓN LONGITUDINAL.Usando la Ec.(1) se obtiene la ecuación general:
25.93
L
d 4 k30 * d
…(19)
EN ARENAS:
L
36.67
d 4 k 30 * d
7.1 DIMENSIONADO EN PLANTA.…(β0)
-Hallamos el esfuerzo neto
qneto = qadm – Df – s/c piso
EN ARCILLAS:
L
27.14
d 4 k 30 * d
7. DIMENSIONAMIENTO DE ZAPATAS
CONTINUAS.-
…(β1)
-Hallamos la resultante
R = ∑Pi
-Dimensionamos el área de la zapata 2:
BxL ≥ R / qneto
-Ubicamos la resultante:
xo* R = = ∑Pi*xi
109
-Con el diagrama de momentos se halla el acero requerido.
Estos momentos son resistidos por la viga de cimentación
VCP-02.
110
El peralte de la viga se pre-dimensiona con:
d
-La excentricidad vale:
Mu ()
* fy * * b(1 0.59 * *
fy
fc
Usar la cuantía ρ= 0.004 (R. Morales)
-Con el peralte de la viga bw x d se calcula el acero de
viga.
e = xo – L/2
-Los esfuerzos valen:
Con el momento máximo negativo se halla el acero
negativo. Con el momento positivo se halla el acero
positivo.
q1 = (R / BxL) ( 1 – 6 e / L)
q2 = (R / BxL) ( 1 + 6 e / L)
Chequeamos que:
q1, qβ ≤ q neto, luego aceptamos las dimensiones BxL.
7.2 DIMENSIONADO EN ELEVACION
7.2.1 DIMENSIONADO EN LA DIRECCION
TRANSVERSAL.-Obtenido el ancho B de zapata, y con el coeficiente de
balasto K30, usando las gráficas anteriores, se obtiene un
peralte mínimo d, para que la distribución de esfuerzos sea
uniforme en la dirección transversal.
7.2.2 DIMENSIONADO EN LA DIRECCION
LONGITUDINAL.-Con la separación de columnas L, y con el coeficiente de
balasto K30, usando las gráficas anteriores se obtiene otro
peralte mínimo d, por razones de distribución de presiones.
8. DISEÑO DE VIGA VCP.Se hallan los esfuerzos últimos del suelo, luego se resuelve
la estructura, y se obtiene el diagrama de momentos:
q i ( x' , y' )u
Mxu * y ' Myu * x'
Ru
Area
Ix
Iy
q1u = (Ru / BxL) ( 1 – 6 e / B)
q2u = (Ru / BxL) ( 1 + 6 e / B)
110
111
111
112
a2 = As2*fy / (0.85 fc * bw)
-
As2 = Mu2 / fy (d – a2 /2)
Por tanto el acero negativo vale:
As(-) = As1 + As2
Hacer corte de varillas.
m y n valen:
m = máx (d, 12 db)
n = 36 db, es la longitud de traslape.
-Se calcula el momento en la dirección transversal,
considerando la zapata como viga en voladizo:
As (-)
As temperatura
AsL 2
z
As(+)
Mut
Ast 2
qut2
-Para el momento positivo el acero se calcula con:
As = Mu(+) / φfy(d – a/2)
a = As*fy/(0.85 fc bw)
mayor que Ld
MOMENTO EN LA DIRECCION TRANSVERSAL
As = Mu(-)/φfy(d – a/2)
Mut = qut* z2/2
El acero mínimo en la losa de la zapata es As mín =
(0.7√f’c / fy) * 100 * peralte efectivo de la zapata, para
cada metro de losa.
a = Asfy/(0.85 fc b)
-La viga VCP-01 se diseña de manera similar.
-Para el momento negativo, se diseña como viga T. Se
calcula el tamaño del rectángulo a:
-Si hf es mayor o igual que a (Eje neutro 1 y 2), usar:
As = Mu(-)/φfy(d – a/2)
-Las vigas VCS-01 y VCS-02 se diseñan con el modelo de
las zapatas conectadas, donde se producen momentos
negativos altos debido a la zapata excéntrica.
a = Asfy/(0.85 fc b)
-Si hf es menor que a (Eje meutro 3), se calcula el acero
superponiendo por separado la contribución de las alas y
del nervio:
As1 = 0.85 fc*hf*(b-bw) / fy
alas)
Mu1 = φ As1 * fy* (d – hf / 2)
las alas)
(contribución de las
(momento resistente por
Dado que
Mu(-) = φ (Mu1 + Muβ),
φ=0.90
Mu2 = [ Mu(-) / φ ] - Mu1 = momento resistente por el
nervio
Se calcula el área de acero debido al nervio resolviendo
estas dos ecuaciones:
112
113
Proyecto: Edificio multifamiliar de cinco niveles, en el cual se muestra su cimentación tipo zapatas continuas.
.
113
114
114
115
Cimentación con zapatas continuas.
115
116
116
117
Proyecto: Edificio de cinco niveles con zapatas continuas.
Deformación de la cimentación debido a la reacción del suelo.
117
118
Diagrama de momentos en la zapata continua.
Comparación de los momentos por carga muerta y, los momentos debidos a la reacción del suelo.
118
119
PLATEAS DE CIMENTACION
INTRODUCCION.-Se usa este tipo de cimentación
cuando el número de pisos, o el peso de la edificación, son
altos, para la baja capacidad portante del suelo. También
cuando el área de cimiento requerido es mayor o igual al
50 % del área del terreno de la edificación. (J. Calavera).
También se le usa como solución a edificaciones con
sótanos, en las que el nivel freático constituye un problema
por la filtración de agua. En este caso hay que colocar
2. ELEMENTOS.A, B = dimensiones de la platea
P1, P2,...P12 = Peso de las columnas 1,2,...,12
L1x, L2x, L3x = separación de columnas en la dirección x
L1y, L2y = separación de columnas en la dirección y
XR, yR = coordenadas del centro de rigidez
ex, ey = excentricidades en las direcciones x e y
R=resultante
qadm = capacidad
K30 = coeficiente de Balasto o coeficiente de reacción del
suelo
CB = factor de incidencia del ancho de la cimentación
Ks = coeficiente de Balasto afectado del factor de incidencia
del ancho de la cimentación = CB*K
b = ancho de cimentación por franja
Ec = módulo de elasticidad del concreto
t = espesor de la platea
I = momento de inercia
= peso específico del relleno
platea con muros de contención y aditivos para evitar el
paso del agua al sótano.
Consiste en una losa de concreto, armada en ambas
direcciones y colocada en ambos lechos, superior e
inferior.
Se usa esta cimentación cuando se cumple:
0,50*AT<= Area del cimiento <= AT
AT = Area de terreno.
Area de cimiento = R / qneto
3.1 POR PUNZONAMIENTO.Se calcula el espesor de platea “t”, comprobando el
punzonamiento y la longitud de desarrollo de la platea.
-Se determina la superficie crítica por punzonamiento:
-Se calcula el espesor de la losa igualando el esfuerzo
cortante por punzonamiento actuante, y el esfuerzo cortante
resistente:
y
B
1
2
3
4
b5
L2y
5
7
6
d/2
8
b6
A
d/2
L1y
11
10
9
12
b7
x
O
b1
b2
L1x
b3
L2x
b4
L3x
SECCION CRITICA POR PUNZONAMIENTO Y FRANJAS
3. ESPESOR DE LA PLATEA.-
119
120
d/2
7
Seccion critica
por punzonam.
d/2
7
Pu7
Pu7
bo
L
8
t
d
b
Vpunzona
t+d
qu
s+d
Se escoge la columna de mayor peso y se calcula la carga
última actuante en esa columna:
Pu = 1.5 PD + 1.8 PL
Pu7 = Vpunzona + qu*(s+d)(t+d)
...(1)
Vpunzonamiento = Pu7 – qu*(s+d)(t+d)
v punz.actuante = [Pu7 – qu*(s+d)(t+d) ] / (Area lateral)
v punz.actuante = [Pu7 – qu*(s+d)(t+d) ]/ (bo*d) =
v punz.actuante = [Pu7 – qu*(s+d)(t+d) ] / [2* (s + d + t +
d)*d ]
v resistente = φ*0.β7(β+ 4/ )√fc,
...(β)
ó
v resistente = φ*1.1 √fc
… (γ)
De aquí despejamos d.
-Hallamos la longitud de desarrollo a tracción o a
compresión:
-Del mayor de los peraltes obtenidos determinamos el
peralte a usar:
t = d + diámetro de varilla /2 + recubrimiento
...(4)
3.2 PERALTE DE PLATEA POR LONGITUD DE
DESARROLLO.El espesor de platea, debe cumplir los requisitos de
longitud de desarrollo a compresión y tracción, de los
aceros de la columna.
3.3.1 USANDO ECUACIONES DE LA NORMA ACI
336.2R 88.Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la
σorma ACI γγ6.βR 88 “Suggested Análisis and Design
Procedures for combined footings and Mats”, reaprobado en
el 2002, y que nos remiten a Fritz Kramrisch y Paul Rogers
(Simplified Design of Combined footing, 1961), y
Kramrisch (Footings, 1984):
Separación de columnas adyacentes (L):
L = Entre 1.75 / l y 3.50 / l
4
K *b
4 Ec * I
L 1.75* 4
…(5)
4 Ec * I
K *b
...(6)
L1x, L2x; L3x; L1y, L2y ≤ 1.75 / λ
Ec = 15000 √fc
...(7)
Ec = 2.17 x 10 6 ton/m2, para fc = 210 kg/cm2.
I = b*t3 /12
...(8)
Reemplazando (8) en (6):
4
3K
Ec * t 3
...(9)
K 30= q / d = Coeficiente de balasto
K = CB* (K30 de campo)
…(10)
CB = factor de incidencia de la cimentación. Ver el tema:
ZAPATAS CONTINUAS.
Longitud de desarrollo de varillas sujetas a compresión:
Ld = 0.08 db fy / f’c
= 0.004 db* fy
= 20 cm. El que sea mayor.
Longitud de desarrollo de varillas en tracción:
Ldh = 0.06 Ab fy / f’c
= 0.006 db fy
= 30 cm. El que sea mayor.
3.3 PERALTE DE PLATEA, CONSIDERANDO LA
RELACION, SEPARACION DE COLUMNAS vs.
PERALTE vs. K BALASTO, POR RAZONES DE
DISTRIBUCION DE PRESIONES.-
-Como en nuestro ejemplo tenemos 7 franjas de ancho b,
tenemos 7 coeficientes λ:
b1
b2
b3
b4
b5
K
(ton/m3)
K
K
K
K
K
Ec
(ton/m2)
2.17 x 10 6
2.17 x 10 6
2.17 x 10 6
2.17 x 10 6
2.17 x 10 6
t
(m)
t
t
t
t
t
λ
(1/m)
. λ1
. λβ
. λγ
. λ4
. λ5
1.75 / λ
(m)
1.75 / λ1
1.75 / λβ
b6
K
2.17 x 10 6
t
. λ6
1.75 / λ6
b7
K
2.17 x 10 6
t
. λ7
1.75 / λ7
b
1.75 / λ5
L (m)
L1y, L2y
L1y, L2y
L1x,L2x,
L3x
L1x,L2x,
L3x
L1x,L2x,
L3x
-Si se cumplir que L≤ 1.75 / λ, entonces el cimiento es
rígido. En caso contrario hay que aumentar el peralte t, o
hay que considerar la platea con el suelo como cimentación
elástica.
120
Usando la Ec.(6) se obtiene la ecuación general. Revisar el
121 tema en Zapatas continuas:
L
25.93
d 4 k30 * d
…(11)
EN ARENAS:
L
36.67
d 4 k 30 * d
…(1β)
EN ARCILLAS:
L
27.14
4
d
k 30 * d
…(1γ)
3.3.2 USANDO GRAFICAS.Las ecuaciones (12) y (13) están graficadas y se presentan a
continuación:
...(14)
UBICACIÓN DE LA RESULTANTE.-Para esto hay que calcular el punto de ubicación de la
resultante C.R.:
xR, yR:
Tomando O como origen de coordenadas
Columna
Pi
xi
yi
Pi*xi
(ton)
(m)
(m)
1
P1
x1
.y1
P1*x1
2
P2
x2
.y2
P2*x2
3
P3
x3
.y3
P3*x3
4
P4
x4
.y4
P4*x4
5
P5
x5
.y5
P5*x5
6
P6
x6
.y6
P6*x6
7
P7
x7
.y7
P7*x7
ΣPi
ΣPi*xi
Pi*yi
P1*y1
P2*y2
P3*y3
P4*y4
P5*y5
P6*y6
P7*y7
ΣPi*yi
XR = (ΣPi*xi) / ΣPi
...(15)
YR = (ΣPi*yi) / ΣPi
…(16)
CALCULO DE EXCENTRICIDADES
-Las excentricidades valen:
ex = XR – Xcg
…(17)
ey = yR – Ycg
…(18)
Xcg, Ycg = coordenadas de los centros de gravedad
4. CHEQUEO DE PRESIONES.-Se calculan las presiones de contacto q(x,y):
ESFUERZOS SOBRE EL SUELO.-Se calculan los esfuerzos sobre el suelo q(x,y):
R = ΣP
Area = A*B
Mx = R * ex
My = R * ey
Ix = B*A3/12
Iy = A* B3 /12
q ( x' , y ' )
R
Mx * y' My * x'
Area
Ix
Iy
…(19)
121
Expresión que queda en función de x’ e y’, con la que se
122 pueden hallar los esfuerzos actuantes en cualquier punto de
coordenadas dentro de la superficie de la platea.
-Se debe cumplir que:
R
Mx * y' My * x'
qadmisible
q( x' , y' )máximo
Area
Ix
Iy máx
…(β0)
5. EL MODELO ESTRUCTURAL.5.1 MODELO COMO VIGA CONTINUA.-
6. DISEÑO COMO VIGA CONTINUA (METODO
RIGIDO).6.1 CALCULO DE ESFUERZOS MAYORADOS.Se repite el paso 4, pero usando cargas mayoradas.
Calcular el esfuerzo q(x,y)u que producen las cargas de las
columnas mayoradas (Pi)u, debido a que se va a calcular el
concreto y el acero.
XR = (ΣPi*xi)u / (ΣPi)u
YR = (ΣPi*yi)u / (ΣPi)u
…(β1)
Las excentricidades respecto al centro de gravedad de la
cimentación AxB valen:
ex = XR – Xcg
ey = yR – Ycg
Xcg, Ycg = coordenadas de los centros de gravedad
-Se calculan los esfuerzos sobre el suelo q(x’,y’):
Ru = ΣPu
Area = A*B
Mxu = Ru * ex
Fig. PL-1. Modelo de platea como viga continua. Esfuerzos
en una franja de columnas.
Myu = Ru * ey
Ix = B*A3/12
5.2. MODELO COMO PLACA FLOTANTE.- Un
modelo suficientemente correcto, consiste en calcular la
losa, como placa flotante sobre apoyos elásticos, en la que el
apoyo elástico está constituido por resortes o muelles, a los
que hay que asignarle una constante elástica. La constante
del resorte se obtiene multiplicando el coeficiente de balasto
por la sección de la columna.
La placa a su vez se sustituye por un emparrillado, sobre
apoyos elásticos equivalente. La parilla está formada por
una retícula vigas ficticias, en dos direcciones.
Iy = A* B3 /12
q( x' , y' )u
Mxu * y' Myu * x'
Ru
Area
Ix
Iy
...(22)
122
123
Fig. PL-1. Modelo de platea como viga continua. Esfuerzos
en una franja de columnas.
-Con la ecuación (25), calculamos los esfuerzos en las
coordenadas correspondientes al eje cada columna.
Fig. PL-4. Diagrama de esfuerzos promedio, bajo las
columnas, para platea como viga continua. Caso de platea
normal.
Caso I
Caso II
Caso III
Fig. PL-2. Tipos de distribución de esfuerzos en plateas.
Caso IV
Fig. Los cuatro casos de esfuerzos sobre el suelo.
Fig. PL-3. Momentos flectores en ambas direcciones.
-Se calculan los esfuerzos promedio, se modela y resuelve
como viga continua.
Para el cálculo de esfuerzos, se pueden usar la relación dada
por Teng, para usar su ábaco:
� =
∗
∗
≤�
� �
123
ea ea
0.05
b2 a 2
124
…(βγ)
Se obtiene K = 1.6
De:
q( x' , y' )u
Mxu * y' Myu * x'
Ru
Area
Ix
Iy
Se obtiene:
6 * ex 6 * e y
Ru
1
Area
B
A
q( x' , y ' )u
Con:
ex e y
0.05
B
A
…(β4)
q( A / 2, B / 2)u _ máx
Ru
1 6 * 0.05 6 * 0.05
Area
q( A / 2, B / 2)u _ máx 1.6 *
Ru
Area
…(β5)
De donde
Fig. Nomenclatura para usar el ábaco de Tang.
= .
…(β6)
�+�
≤�
∗
� �
Para n niveles, el esfuerzo máximo de la superestructura,
considerando un peso propio de 20 %, vale:
=
= .
…(β7)
+
∗
∗
∗
= . ∗
∗
2
∗ .
= .
∗
%
�
2
∗
≤�
� �
Para n = 4 /5 / 6 / 7 / 10 / 15 niveles
�
= .
/ .
/ .
/ .
/ .
/ .
…(β8)
El esfuerzo mayorado como reacción del suelo es:
= . ∗ .
� ��
…(β9)
Fig. Abaco de Teng.
Para el caso biaxial y con excentricidad accidental de
∗
�
∗
� �
= .
∗
Para n = 5
=
.
124
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
125 El momento mayorado vale:
=
…(γ0)
=
∗�
.
Para tres tramos:
− =
� �
∗
∗�
� �
∗ .
.
+ =
.
∗ .
− =
…(γ1.1)
.
2
∗
∗
+ =
…(γ1.β)
.
2
∗
∗
∗
∗
∗
L
m
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
∗
.
+ = .
…(γβ.β)
55
60
65
70
75
80
85
11.95
13.75
15.55
17.36
19.18
21.00
22.83
9.51
10.93
12.36
13.79
15.24
16.68
18.13
1F5/8”@0.17
1F5/8”@0.15
1F3/4”@0.18
1F3/4”@0.16
1F1”@0.27
1F1”@0.24
1F1”@0.22
1F5/8”@0.21
1F5/8”@0.18
1F3/4”@0.23
1F3/4”@0.21
1F3/4”@0.19
1F1”@0.30
1F1”@0.28
M(-)
t-m
30.11
38.10
47.04
56.92
67.74
79.50
92.19
M(+)
t-m
24.08
30.48
37.63
45.53
54.19
63.59
73.59
H
cm
65
70
75
80
85
90
95
As(-)
cm2
13.89
16.24
18.63
21.06
23.51
25.99
28.48
As(+)
.cm2
11.04
12.91
14.80
16.72
18.67
20.63
22.60
As infer.
1F3/4”@0.20
1F3/4”@0.17
1F1”@0.27
1F1”@0.24
1F1”@0.22
1F1”@0.20
1F1”@0.18
As super.
1F5/8”@0.18
1F3/4”@0.22
1F3/4”@0.19
1F1”@0.30
1F1”@0.27
1F1”@0.25
1F1”@0.23
q admisible = 1.90 kg/cm2, N=10 pisos
L
m
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Tomando 1 m de ancho de franja:
− =
…(γβ.1)
17.20
21.77
26.88
32.52
38.71
45.43
52.68
q admisible = 1.33 kg/cm2, N=7 pisos
∗
∗
21.50
27.22
33.60
40.66
48.38
56.78
65.86
∗
M(-)
t-m
43.01
54.43
67.20
81.31
96.77
113.57
131.71
M(+)
t-m
34.41
43.55
53.76
65.05
77.41
90.85
105.3
7
H
cm
75
85
90
95
100
105
115
As(-)
cm2
16.98
18.75
21.83
24.99
28.24
31.53
33.16
As(+)
.cm2
13.50
14.91
17.35
19.86
22.42
25.02
26.32
As infer.
1F1”@0.30
1F1”@0.27
1F1”@0.22
1F1”@0.20
1F1”@0.18
1F1”@0.16
1F1”@0.15
As super.
1F3/4”@0.21
1F3/4”@0.19
1F1”@0.29
1F1”@0.26
1F1”@0.23
1F1”@0.20
1F1”@0.19
∗
7. CALCULO DEL ACERO.Con los momentos hallados se calcula el acero de la platea.
As = Mu /[ φ fy(d-a/2)],
a = As fy / (0.85 f c b)
Ubicar adecuadamente los traslapes, según el diagrama de
momentos.
PREDIMENSIONADO DE PLATEAS.Siguiendo el método descrito, se han calculado estas tablas,
que sirven para pre-dimensionado de plateas.
q admisible = 0.75 kg/cm2, N = 4 pisos
L
m
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
M(-)
t-m
17.20
21.77
26.88
32.53
38.71
45.43
52.68
M(+)
t-m
13.76
17.42
21.50
26.02
30.97
36.34
42.15
H
cm
50
55
60
65
70
75
80
As(-)
cm2
10.65
12.11
13.57
15.04
16.50
17.97
19.44
As(+)
.cm2
8.47
9.63
10.79
11.95
13.12
14.28
15.45
As infer.
1F5/8”@0.19
1F5/8”@0.17
1F3/4”@0.21
1F3/4”@0.19
1F1”@0.28
1F1”@0.26
As super.
1F5/8”@0.24
1F5/8”@0.21
1F3/4”@0.26
1F3/4”@0.24
1F3/4”@0.22
1F3/4”@0.20
1F3/4”@01828
q admisible = 0.95 kg/cm2, N = 5 pisos
L
m
M(-)
t-m
M(+)
t-m
H
cm
As(-)
cm2
As(+)
.cm2
As infer.
As super.
125
126
Coeficientes para el cálculo de cortantes debido a carga
uniformente repartida.
Coeficientes para el cálculo de momentos debido a carga uniformemente
repartida.
7. CALCULO COMPARATIVO DE DOS PLATEAS.7.2.1 Primero una platea de 50 cm de espesor, con
separación de luces de columnas de 6 m, correspondiente a
un edificio de 5 niveles, en Chiclayo. La constante elástica
determinada para el caso a resolver es de k = 2384 kg/cm
= 238.4 t/m.
7.2.2 Segundo, resolvemos otra platea más rígida de 150
cm de espesor, con las demás características que la anterior.
Los resultados se muestran a continuación:
Calculamos las deformaciones, momentos, cortantes de
diseño, y las presiones sobre el suelo, generalmente usando
programas de cómputo (SAP, SAFE).
126
127
Diagrama de deformaciones, momentos y presiones en el
suelo, del mismo caso anterior, pero con una platea rígida,
de 150 cm de espesor. Las presiones en el suelo se atenúan.
Diagrama de deformaciones, momentos y presiones en el
suelo, de una platea de 50 cm de espesor. Las presiones en el
suelo, deformaciones y momentos, se concentran debajo de
las columnas.
127
128
128
129
Fig. Hospital Metropolitano, en la ciudad de Chiclayo, Perú, cuya cimentación se muestra a continuación.
Fig. Cimentación tipo platea de cimentación del Hospital Metropolitano, en ciudad de Chiclayo, Perú.
129
130
130
131
131
132
Fig. Ejemplo de cimentación tipo platea en reservorio de agua en ciudad de Pisco, Perú.
132
133
Fig. Diagrama de deformaciones de tanque apoyado, debido a la presión de agua.
Construcción de Tanque de Pisco. Fase de construcción de la tapa.
133
ESPECIFICACIONES DEL ACI-318, SOBRE
CIMENTACIONES DE ESTRUCTURAS
SISMORESISTENTES
21.8.2.1- Los refuerzos longitudinales de las columnas y
muros estructurales que resistan las fuerzas inducidas
por los efectos sísmicos deben extenderse dentro de la
zapata, losa de cimentación o cabezal de pilotes, y deben
estar totalmente desarrolladas para resistir tracción en
la interfase.
El anclaje del refuerzo longitudinal de columnas y
muros estructurales, debe desarrollar dentro de la
cimentación los esfuerzos de tracción, osea que la longitud
de anclaje con ganchos de 90° será >= Ld en compresión y
Ldh en tracción.
s
>= Ldg
d
7.5 cm
7.5 cm o elementos de7.5
cm de los muros
21.8.2.3- Las columnas
borde
estructurales especiales de concreto armado que tengan un
borde dentro de la mitad de A
la profundidad de la zapata
deben tener un refuerzo transversal de acuerdo con lo
indicado en el punto 21.4.4 provista bajo la parte superior de
la zapata. Este refuerzo debe extenderse dentro de la zapata
a una distancia que no sea inferior al menor valor entre la
profundidad de la zapata, losa de cimentación o cabezal de
pilotes, o el largo de desarrollo en tracción del refuerzo
longitudinal.
Comentario.Las columnas o elementos de borde con apoyo cercano al
borde de la cimentación, como sucede a menudo cerca de las
líneas de propiedad, debe detallarse para prevenir una falla
en el borde de la zapata, cabezal de pilotes o losa de
cimentación.
s
Longitud de desarrollo de varillas sujetas a compresión:
Ld = 0.08 db fy / f’c
= 0.004 db* fy
= 20 cm. El que sea mayor.
Longitud de desarrollo de varillas en tracción:
Ldh = 0.06 Ab fy / f’c
= 0.006 db fy
= 30 cm. El que sea mayor.
Unidades:
<=d/2
<=d, Ldh
d
21.4.4.2 –El refuerzo transversal debe espaciarse a
distancias que no excedan de (a) la cuarta parte de la
dimensión mínima del elemento, ni (b) seis veces el
diámetro del refuerzo longitudinal, y (c) sx, según lo
definido en la ecuación (21-5).
[Ld, Ldh]= cm, [fy, f’c] = kg/cm2, [Ab] = cm2, [db] = cm
21.8.2.2- Las columnas que sean diseñadas asumiendo
condiciones de empotramiento en la cimentación, deben
cumplir con lo indicado en el punto 21.8.2.1 y, si se requiere
de ganchos, el refuerzo longitudinal que resiste la flexión
debe tener ganchos de 90 grados cerca de la base de la
cimentación, con el extremo libre de las barras orientado
hacia el centro de la columna.
Comentario.Los ensayos han demostrado que los elementos en flexión
que terminan en una zapata, losa o viga (un nudo T)
deberían tener sus ganchos vueltos hacia dentro en dirección
del eje del elemento para que el nudo sea capaz de resistir la
flexión en el elemento que forma el tallo de la T.
sx = 100 + (350 – hx)/3 mm (21-5)
El valor sx no debe ser mayor a 150 mm ni se necesita
tomarlo menor a 100 mm.
hx = espaciamiento máximo horizontal de estribos o trabes
en todas las caras de la columna, mm.
hx es el menor valor de x.
x
x
x
134
134
21.8.2.4 – Cuando los efectos sísmicos crean fuerzas de
elevación en los elementos de borde de los muros
estructurales especiales de concreto armado o en las
columnas, se debe proporcionar refuerzo de flexión en la
parte superior de la zapata, losa de cimentación o cabezal de
pilotes para que resistan las combinaciones de carga de
diseño, la que no puede ser menor que lo requerido en la
sección 10.5.
_
As >= (0.7 √fc /fy) bw d
s
As
d
21.8.3 – Vigas apoyadas en el suelo y losas sobre el suelo.
21.8.3.1- Las vigas apoyadas en el suelo, diseñadas para
actuar como amarras horizontales entre las zapatas o
coronamientos de pilotes deben tener refuerzo
longitudinal contínuo que debe desarrollarse dentro o
más allá de la columna soportada o estar anclada dentro
de la zapata o del cabezal del pilote en todas las
discontinuidades.
21.8.3.2 – Las vigas sobre el suelo diseñadas para acturas
como amarras horizontales entre zapatas o cabezales de
pilotes deben ser dimensionadas de tal manera que la menor
dimensión transversal sea igual o mayor que el espacio libre
entre columnas conectada dividido por 20, pero no necesita
ser mayor a 450 mm. Se deben proporcionar amarras
cerradas con un espaciamiento que no exceda al menor entre
la mitad de la menor dimensión transversal o 300 mm.
21.8.3.3 Las vigas sobre el suelo y las vigas que sean parte
de una losa de cimentación y estén sujetas a flexión desde
columnas que son partes del sistema resistente a fuerzas
laterales deben adecuarse a lo indicado en el punto 21.3.
21.8.3.4 Las losas sobre el suelo que resisten fuerzas
sísmicas desde los muros o columnas que son parte del
sistema resistente a fuerzas laterales deben diseñarse como
diafragmas estructurales de acuerdo con lo indicado en el
punto 21.7. Los planos de diseño deben especificar
claramente que la losa sobre el suelo es un diafragma
estructural y parte del sistema resistente a fuerzas laterales.
Comentario.R21.8.3.
Las losas sobre el suelo son generalmente consideradas no
estructurales y están excluidas del punto 1.1.6. Sin embargo,
para condiciones sísmicas, las losas sobre el suelo a menudo
son parte del sistema resistente a fuerzas laterales y deberían
diseñarse de acuerdo con este código como también con
otros estándares y linemaientos apropiados.
R.21.8.3.3 – Las vigas apoyadas en el suelo que soportan
esfuerzos sísmicos de flexión provenientes de los momentos
en las columnas deben tener un detallado del refuerzo
similar al de las vigas que forman parte del pórtico sobre la
cimentación.
R.21.8.3.4 – A menudo las losas sobre el suelo actúan como
un diafragma para mantener la integridad del edificio a nivel
del suelo y minimizar los efectos de movimientos
desfasados del subsuelo que podrían producirse entre los
apoyos del edificio. En estos casos, la losa debe ser
reforzada y detallada adecuadamente. Los planos de diseño
deben establecer claramente que estas losas son elementos
estrucutrales de manera de prohibir el corte de la losa.
21.3 Elementos sometidos a flexión en pórticos especiales
resistentes a momento.
21.7 Diafragmas y cerchas estructurales.
ln
1
s
1
s < = menor dimens.
2
s < = 30 cm
bw
bw >= ln/20
bw <= 45 cm
1-1
135
135
P = f’c * At
DISEÑO DE COLUMNAS
P = f’c * [Ag + As(n – 1) ]
A. MARCO TEORICO.Son miembros sujetos a cargas axiales y momentos
provenientes de carga directa o rotación de sus extremos.
A partir de un estudio hecho por el Comité del ASCE-ACI,
de 1970 sobre columnas, se estimó que el 90 % de las
columnas contraventeadas y el 40 % de las columnas no
contraventeadas, pueden diseñarse como columnas cortas.
…(5)
C. TIPOS DE COLUMNAS.Existen dos tipos principales de columnas:
1. Columnas Zunchadas.- Fig.(3).
2. Columnas Estribadas.- Fig.(4).
B. CARGA AXIAL EN EL ESTADO ELASTICO.-
136
Sección real = la de la Fig.(1).
Sección bruta = Ag = s * t
Area del acero = As
Sección neta de concreto = Ac = Ag – As
Sección transformada = At = la de la Fig.(2).
…(1)
c s
D. CARGA AXIAL EN EL ESTADO DE ROTURA.Experimentalmente se ha obtenido la siguiente expresión:
…(6)
P’u = ∅(0.85 f’c*Ac + fy As)
Se cumplen las siguientes relaciones:
f ' c fs
Ec Es
Es
fs
fc
Ec
∅ = 0.70, para columnas con estribos rectangulares
∅ = 0.75, para columnas con espirales
fs
….(β)
=
n
f’c
Asfs As(nf ' c) (nAs) fc
As
(de
…(γ)
acero)
=
n
As
(de
concreto)
De la Ec.(3) se deduce que la sección de acero se puede
transformar con una sección equivalente de concreto.
De la Fig.(2) se obtiene:
At = Ac + As
El concreto se rompe por aplastamiento y deslizamiento
hacia fuera a lo largo de planos inclinados.
El acero longitudinal se pandea hacia fuera entre los
estribos.
Usando la expresión (3)
At = Ac + nAs
Con la expresión (1):
At = Ag – As + n As
At = Ag + As(n – 1)
…(4)
Con lo que la carga axial resistente vale:
136
0.01 < = ρ < = 0.06,
ρ = As / (s*t)
F. TIPOS DE COLUMNAS SEGÚN SU ESBELTEZ.Columnas cortas.Aquellas cuyo análisis se hace solamente en función de la
carga y momento último.
kLn
22
r
(sin arriostramiento lateral)
…(7)
k = Coeficiente de esbeltez. Se obtiene con el diagrama de
Jackson y Morland.
Ln = altura libre de columna.
____
r = radio de giro en el sentido de la flexión = √ I / A
r = 0.3 s (sección rectangular)
137
Columnas largas.Aquellas que en su análisis hay necesidad de considerar los
efectos de esbeltez.
kLn
22
r
…(8)
G. DIAGRAMA DE INTERACCION.Representan la variación de los valores de carga y momento
resistentes, para una determinada distribución de acero.
E. ESPECIFICACIONES DEL ACI.Disposiciones especiales para columnas sujetas a
flexocompresión que resisten fuerzas de sismo:
-La resistencia especificada del concreto f’c no será menor
que 210 kg/cm2
-La calidad del acero de refuerzo no excederá de lo
especificado para acero Grado ARN 420 (414 MPa ó 4200
kg/cm2).
-El ancho mínimo de las columnas será de 25 cm.
-La relación de la distancia menor a la mayor de la sección
transversal de las columnas no será menor que 0.4.
-La cuantía de refuerzo longitudinal no será menor que 0.01
ni mayor que 0.06. Cuando la cuantía exceda de 0.04 los
planos deberán incluir detalles constructivos de la
armadura.
-El refuerzo longitudinal mínimo deberá ser de 4 barras
dentro de estribos rectangulares o circulares, y 6 barras en
caso de que se usen espirales.
En la parte ab, la falla es a compresión; en la parte bc, la
falla es a tracción.
Donde la falla es a compresión, o sea el momento es
pequeño, se cumple la Ecuación de Whitney:
A ' s * fy
f 'c *b * h
Pu
e
3* h * e
0.5
1.18
d2
d d '
…(9)
De esta ecuación se despeja As = A’s.
t > = 0.4 s
x1, x2 < = 15 cm
137
138
Considerar las equivalencias:
f’c = β10 kg/cmβ = γ000 lb/pulgβ = γ000 psi = γ ksi.
fy = 4200 kg/cm2 = 60 000 lb/pulg2 = 60 000 psi = 60 ksi.
# (kg/cm2) = (# kg/cm2 )* 14.22 = (# *14.22) lb/pulg2 =
#*14.22 psi.
H. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE COLUMNAS
CORTAS.Se cumple que:
kLn
22
r
1. Calcular Pu/Ag = Pu/(b*h)
2. Calcular Mu/(Ag*h) = Mu /(b*h2)
3. Determine = (h – 2*6) / h
4. Con lo encontrado en (1) y (2) leer ρg del diagrama de
interacción.
5. Encontrar el área de acero con:
PD = 25 ton-m
PL = 6.25 ton
MD=5 ton-m
ML=2.4 ton-m
f’c = 210 kg/cm2
fy=4200 kg/cm2
bxh = 30x35 cm2
Pu = 1.5 PD + 1.8 PL = 48.75 ton
Mu = 1.5MD + 1.8 ML = 11.82 ton-m
Ast = ρg*b*h
1. Pu/(b*h) = 48750/(30x35) = 46.4 kg/cm2
= 46.4 * 14.22 lb/pulg2 = 659 psi = 0.66 ksi
I. EJEMPLO DE CALCULO.-
2. Mu/(b*h2) = 11.82*105 kg*cm / (30 x 35 2 cm3) = 30.6
kg/cm2
= 30.6 * 14.22 lb/pulg2 = 435 psi = 0.44 ksi
3. = (35 – 12) / 35 = 0.65
4. Leemos en el diagrama de interacción:
Para = 0.60, ρg = 0.0γ y
Para = 0.75, ρg = 0.0β1
Interpolamos y calculamos ρg para = 0.65:
ρg =0.03 – [0.05*(0.03 – 0.021)/0.15 ]
ρg = 0.027
0.01 <= ρg <=0.06
5. Calculamos Ast:
Ast = ρg * b* h
Ast = 0.027 * 30 / 35 = 28.35 cm2
Usamos 4 ∅1” + 4 ∅γ/4” = γ1.76 cmβ.
138
ii. Determinar los factores de amplificación db (por
carga permanente) y ds (sìsmico): Pasos (6) a (9).
iii. Calcular el acero con los momentos Mu amplificados
por db y ds, y Pu. Paso (10).
Daremos los pasos para diseñar la columna C5 del
esquema.
Se conocen:
PD, PL, PEQ, MD, ML, MEQ, de todas las columnas.
h1, h2, h3.
L1, L2, L3.
Sección de tanteo sxt.
“s” es paralela a la dirección que resiste la flexión.
“t” en la dirección perpendicular a la dirección que resiste
la flexión.
139
Falla de pilar por cortante
Separación de estribos:
Se diseña además por cortante. Usar
:
Considerar las siguientes separaciones mínimas para
elementos sismoresistentes:
Si Ln = luz libre de columna = 3.0 m
El primer estribo se coloca a 0.05 m.
Longitud de la zona de confinamiento, Lc1:
Lc1 = Ln/6 = 0.5 m, en ambos extremos de la
columna
En Lc1 usar sc1:
sc1 = mín[ mín(s/2 , t/2) = 15 cm , 10 cm]
sc1 = 10 cm.
Numero de estribos = (50 – 5 ) / 10 = 4.5 → 5
Longitud de la zona intermedia, Lc2:
Lc2 = 3.00 – 0.5*2 = 2.0 m
En Lc2 usar sc2:
sc2 = mín [16 db, mín(s, t) = 30 cm]
sc2 = 30 cm
Usamos:
∅ γ/8”: 1 @ 0.05, 5 @ 0.10, resto @ 0.β0
J. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE COLUMNAS
ESBELTAS.Se cumple:
kLn
22
r
El proceso consta de tres etapas:
i. Determinar K para verificar esbeltez: Pasos (1) a (5).
139
( EI )C 2 ( EI )C 5
h2
GA h1
( EI )V 1 ( EI )V 2
L1
L2
GA = Σ (EI/h) de columnas adyacentes a B
Σ (EI/L) de vigas adyacentes a B
( EI )C 5 ( EI )C 8
h
1
h2
GB
( EI )V 4 ( EI )V 5
L1
L2
140
4. Con GA y GB obtener K del Nomograma de Jackson y
Morland.
1. Determinar el EI de cada una de las columnas C2, C5, C8:
Ec * Ig
EIcolumna 2.5
1 d
…(1)
Ec = Módulo de elasticidad del concreto
Ec = 15 000 √f’c = [kg/cmβ]
Ig = Momento de inercia de la sección de columna.
Ig = t * s3 /12
bd = Factor de flujo plástico del concreto
bd = Carga muerta máxima de diseño / Carga total
máxima de diseño.
d
1.4 PD
1.4 PD 1.7 PL
Cuando
K5 = , está determinado.
se tenga empotramiento
usar
GA
=
1.0
0 <= bd <= 1
Se puede empezar con bd = 0
β. Determinar el EI de vigas adyacentes a los nudos “A” y
“B”:
(EI)v1, (EI)v2, (EI)v4, (EI)v5 con la siguiente
expresión:
EI viga = 0.5 * Ec * Ig
Ec = 15 000 √f’c = [kg/cm2]
Ig = b* h3 / 12 = [cm4}
3. Determinar los Grados de empotramiento, G A y GB:
GA = Σ (EI/h) de columnas adyacentes a A
Σ(EI/L)devigas adyacentes a A
5. Verificar si k*Ln / r > 22, hay que hacer corrección por
esbeltez.
Para el ejemplo se tiene:
K Ln / r = (K C5)* h2 / (0.3*s)
...(3)
140
6. Determinar de manera similar los K de todas las
columnas, del piso de la columna que estamos diseñando.
Usar la Ec.(1).
Entonces KC4, KC5, KC6 = , están determinados.
7. Hallar la Carga de pandeo crítico (de Euler), Pc, de
todas las columnas, del piso donde se encuentra la columna
que se diseña:
Pc
2 * EI
K * Ln
( Pc)C 4
…(5)
2
2 ( EI )C 4
( Kh2 )
2
10. Hallar el Momento amplificado de diseño, de la
columna:
Mu amplificado = db*(M D + ML)u + ds*(MEQ)u
…(8)
Osea:
Mu amplificado = 0.75* [db*(1.4*MD + 1.7*ML) +
ds*(1.87MEQ)]
11. Con Pu y Mu amplificados se diseña usando
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE
COLUMNAS CORTAS (PASO H)
, Pc(C5) = , Pc(C6) =
141
8. Hallar el factor de amplificación db por carga
permanente de la columna a diseñar:
b
Cm
Pu
1
Pc
Cm = Factor del efecto de extremo
Cm = 0.6 + 0.4 (M1/M2)>=0.4 para columnas
arriostradas contra desplazamiento lateral.
Cm = 1 para pórticos no arriostrados lateralmente.
M1 = el más pequeño de los momentos últimos en
los extremos de las columnas, positivos si el miembro se
flexiona en curvatura simple y negativo si en curvatura
doble.
M2 = el mayor de los momentos últimos en los
extremos de la columna, y siempre positivo.
∅ = 0.70
Pu = 1.5 PD + 1.8 PL
En nuestro ejemplo para la columna C5:
(Pu)C5 = (1.4 PD + 1.7 PL ) C5
(Pc)C5 = Obtenida en paso (7).
Pu amplificado = db * (Pu)C5
9. Hallar el factor de factor de amplificación ds por carga
lateral (sismo):
s
…(7)
1
Pu
1
Pc
ΣPu = Suma de todas las cargas últimas, de las
columnas del piso donde se encuentra la columna
de diseño.
ΣPc = Suma de todas las cargas de pandeo crítico,
de las columnas del pisodonde se encuentra la
columna de diseño.
∅ = 0.70.
141
142
142
DISEÑO DE PILOTES
Los pilotes on elementos estructurales, que se introducen en
el suelo, para transmitir las cargas a estratos inferiores, o
para alterar las condiciones físicas del terreno.
El hincado de pilotes para cimentación en un suelo blando, o
en un suelo duro, es análogo a incrustar un clavo a una pieza
de madera, o en un muro de concreto. Clavarlo es más fácil
que sacarlo, ya que puede estar torcido o mal ubicado.
Los pilotes se emplean para:
-Eliminar asentamientos no permitidos en la estructura.
-Transferir las cargas de una estructura que se encuentra en
estrato blando o agua, hasta estratos inferiores, que tengan la
capacidad de carga suficiente, para soportar la estructura.
-Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones
hidrostáticas, momentos de volteo, o cualquier operación
que trate de levantar la estructura.
-Alcanzar con la cimentación, profundidades que no estén
sujetas a erosión, socavación o similares efectos, como
ocurre normalmente en pilares y estribos de puentes.
a) Cuando los estratos superiores son altamente
compresibles y débiles, para soportar la carga de la
superestructura, se usan pilotes para transmitir la carga al
lecho rocoso o a una capa dura.
b) Cuando no se encuentra estrato firme o roca a una
profundidad razonable, resistencia por fricción
c) Cuando hay fuerzas horizontales, como en muros de
contención, y estructuras sometidas a fuerzas sísmicas o de
viento.
d) Cuando hay suelos expansivos, el pilote se prolonga mas
allá de la zona activa de expansión y contracción.
e) Cuando están sometidas a fuerzas de levantamiento como
en el caso de torres, plataformas marinas, y plateas
cimentadas debajo del nivel freático.
f) Cuando hay erosión de suelo, como en el caso de estribos
y pilares de puentes.
Clasificación por el material.-Pilotes de madera.
-Pilotes de concreto.- Se subduvuden en:
-Pilotes prefabricados (premoldeados)
-Pilotes fabricados in situ.- Pueden ser:
-Con funda (forro o tubo de metal)
.-Sin funda
-Pilotes de acero.- Se usan perfiles H, I, tubos y rieles.
Clasificación por el método de instalación.-Pilotes hincados.- Por golpes de martillo.
-Pilotes gateados.-Usando gatas hidráulicas
-Pilotes hincados y vaciados in situ.-Hincado de una sección
hueca (envoltura de acero delgado), que luego de ser
rellenada por el concreto se retira.
-Pilotes perforados y vaciados in situ.- Remueven el suelo
por perforación, para posteriormente ser rellenados de
concreto.
-Pilotes tornillos.-Son pilotes roscados en el suelo. Se instala
con maquinaria especial y con una hélice adosada a un
mandril.
Clasificación por el desplazamiento del terreno.Pilotes desplazantes.- La compactación y el desplazamiento
lateral que sufre el suelo, altera las propiedades del material
circundante, de tal manera que los resultados de laboratorio
y de las investigaciones, no pueden utilizarse directamente
para calcular la capacidad de carga última, ya que debe
considerarse la compactación resultante y la reducción del
esfuerzo de corte por remoldeo.
Pilotes de pequeño desplazamiento.-Estos no causan
cambios apreciables en los esfuerzos, ni en las propiedades
de deformación, del suelo circundante, durante el procesote
hincado, por lo tanto los resultados de campo y laboratorio,
pueden usarse directamente para calcular la capacidad de
carga y los asentamientos del suelo.
Pîlotes no desplazantes.- Se remueve el suelo por
perforación, si se desea se forra el hueco resultante, luego se
rellena de concreto, pudiendo retirarse el forro..
Fig. (1). Condiciones para el uso de pilotes:
143
143
144
Fig. (3). Pilotes de concreto, colados in situ según Braja
Das.
Fig. (2). Longitudes y pesos máximos para variados tipos de
pilotes.- (De William Lambe).
Fig. (4). Pilotes de concreto armado.
144
MECANISMO DE FALLA DE LOS PILOTES
DISEÑO DE PILOTES.ELEMENTOS.L=d=longitud del pilote
B= D = diámetro del pilote
. =peso unitario del suelo
.c=cohesión del suelo
as =perímetro del pilote
Abase = Area de la base del pilote
Alateral=Area lateral del pilote
σc,σq,σ = factores de capacidad
Qlímite=capacidad de carga límite
Qp=resistencia por punta
Qs=resistencia por fuste
Qadm=capacidad de carga admisible
Qadm.total=capacidad de carga admisible
del total de pilotes de la zapata
Ss=esfuerzo lateral unitario promedio del pilote
Sh=esfuerzo horizontal en el pilote debido al suelo
Sv =esfuerzo efectivo en el fondo = *L
Sv=esfuerzo efectivo promedio del pilote
Φ=ángulo de fricción interna del suelo
FS=factor deseguridad
N =número de pilotes en una zapata
P=carga de servicio proveniente de la superestructura
ΔL=espesor de los variados estratos que atravieza el pilote.
Φ =ángulo de fricción entre el suelo y el pilote.
Fig. (5). Mecanismos de falla asumidos, bajo cimentaciones
profundas. (Según Vesic. 1967).
145
145
Si hubieran varios estratos a lo largo del pilote:
Qlímite = (cNc+0.5 BN + dNq)*Abase+
+ Σ (Ss*ΔL*as) ...(4.2)
Alateral = L*as
Qadm = Qlímite / FS …(4.γ)
FS varía de 2,5 a 4.
El Ing. César Fuentes Ortiz en su libro “Ingeniería
Portuaria”, registra los valores aproximados de Ss, al que
llama fs
Tabla 1. Valores del esfuerzo unitario de fricción entre el
pilote y el suelo.
Valores aproximados de fs (kg/cm2)
Limo y arcilla blanda
0,075-0,300
Arcilla muy compacta
0,500-2,000
Arena suelta
0,125-0,350
Arena densa
0,350-0,700
Grava densa
0,500-1,000
Fig. 6. Elementos para el diseño de un pilote.
Fig. 7. Ing. Cesar Fuentes Ortiz. Ex Docente UNI. Ex
Decano CIP.
CAPACIDAD DE CARGA DE UN PILOTE
1. La capacidad de carga límite de un pilote, está dada por la
resistencia por punta y la resistencia por fuste:
5. CAPACIDAD DE CARGA EN ARENAS Y
ARCILLAS.Para las arenas y las arcillas, los ensayos de corte son de la
siguiente forma:
...(1)
2. La capacidad de carga por punta esta dado por la teoría de
Terzaghi:
Qp = (cNc+0.5 BN + dNq) Abase
...(2)
3. La capacidad de carga por fuste es:
Qs = Ss*Alateral
...(3)
Ss=esfuerzo lateral promedio unitario, está dado por la
teoría de Coulomb
4. La expresión general de la capacidad de carga limite del
pilote está dada por:
Qlímite = (cNc+0.5 BN + dNq)*Abase +
+ Ss*Alateral...(4.1)
146
146
…(6)
tgφ= Ss / Sh
Ss = Sh * tgφ
...(7)
Sh = KSv
...(8)
Sv = h. Se usa h = L/2, como esfuerzo promedio
...(9)
Ss = (K*Sv)*tgφ
...(10)
Fig. 8. Diagramas del ensayo de corte en arenas y arcillas.
Reemplazando:
Se va a simplificar la expresión general, para las arenas y
para las arcillas por separado.
Qlímite = (Sv*Nq) Abase + ( K* Sv) * tgφ* Alateral
ARENAS
6. CAPACIDAD DE CARGA LIMITE DE PILOTES
EN ARENAS:
En la ecuación de Terzaghi:
...(11.1)
Qadmisible = Q límite / 3
Donde:
Cohesión c = c =0
El producto γdNq es mucho mayor que 0.5 γBNγ
A la relación d la llamamos Sv
Sv =γd...(5)
Para la resistencia por fuste:
Angulo de fricción entre el suelo y el pilote:
φ = 0.5 φ a 0.8 φ
Sv = * L es el esfuerzo efectivo en el fondo.
Sv = * L/β es el esfuerzo efectivo promedio en la
longitud del pilote.
El valor del factor de capacidad de carga Nq se obtiene de la
siguiente figura dados por Vesic, en función del ángulo de
fricción interna del suelo.
Fig. 9. Gráfico de los factores de carga de la fórmula de
Terzaghi.
Fig. 10. Esfuerzos en elemento de estudio de pilote, para el
caso de arenas. Sh = esfuerzo horizontal. Sv = esfuerzo
vertical.
147
147
6.1 METODO DE MEYERHOF (1976):
Qlímite = (Sv * N*q) Abase + fs * A lateral
...ARENAS (11.2)
N*q = 0,4 * (N SPTcorreg.*L/D ) < = 4 Ncorreg.
fs = (0,01 a 0,02)*NSPTcorreg.)
148
(0,01) * NSPTcorreg = kg/cm2 = Para pilotes de
pequeñodesplazamiento
(0,02) * NSPTcorreg = kg/cm2 = Para pilotes de
grandesplazamiento
NSPTcorreg = N corregido promedio
Fig. 11. Valores del factor Nq, según varios investigadores.
El valor del esfuerzo horizontal Sh=K*Sv se obtiene de la
tabla 33.1 del libro de William Lambe.
Fig. 12. Gráfica de Meyerhof, para obtener N*c y N*q.
K varía entre 1 y 3
Caquot y Kerisel (1966, 1969) propusieron la siguiente
expresión general para Nq en arenas:
Nq = 10N*tgf
N = 2,7 para diámetro de pilote = 32 cm
Delgado Vargas ha dado una expresión para Nq:
Nq = 10[2,6+0,02 (f-30)]*tg f
148
T. William Lambe.
………… ARCILLAS
7. CAPACIDAD DE CARGA LIMITE DE PILOTES
EN ARCILLAS:
...(13.1)
Nc se obtiene de la gráfica dada por Skempton, y que es
reproducidad en la fig. 32.4 del libro de William Lambe.
En las arcillas se cumple que:
Sv = Esfuerzo efectivo en el fondo.
.φ = φ = 0
De la gráfica de Terzaghi se obtiene:
Nq = 1
N =0
149
Fig. 13. Gráfico de los factores de carga de la fórmula de
Terzaghi.
Se asume que, entre el concreto y el suelo se cumple la ley
de Coulomb
Ss = Sh*tgφ + c
Ss = c (Se usa 1/2 de la c en el fondo, como cohesión
promedio)
...(12)
Fig. 15. Valores del Factor de capacidad de carga Nc, según
Skempton.
7.1 METODO DE MEYERHOF (1976):
Q límite = (N*c * c u) Abase +
fs* A lateral
………… ARCILLAS ...(13.2)
Qlímite = (9 * c u) Abase + fs* A lateral
………… ARCILLAS ...(13.3)
Q admisible = Q límite / 3
8. Para el cálculo del acero y el concreto, los pilotes se
diseñan como columnas a flexo-compresión.
Fig. 14. Esfuerzos en elemento de estudio de pilote en
arcilla.
9. DISEÑO DEL ENCEPADO DE PILOTES.Reemplazando en la Ec. (4.1) se obtiene la resistencia de
pilotes en arcillas:
1. Tipos de Encepado.Existen dos tipos de encepados:
Qlímite = (cNc + sv fondo) Abase +
Σc* A lateral
-Encepados rígidos.- Cuando m <= 1,5 * H
149
-Encepados flexibles.- Cuando m > 1,5 * H
espesor de varillas y recubrimiento, para la determinación
del espesor de zapata.
3. Cortante por punzonamiento (Vp).-
150
Fig. 16. Elementos para el diseño de encepado de pilotes.
Cuando la zapata es un encepado de pilotes, hay que probar:
-Por longitud de anclaje de la columna. (similar a la zapata
aislada)
-Por punzonamiento.
-Por cortante por flexión.
-Por flexión
2. Longitud de anclaje.Longitud de desarrollo de varillas sujetas a compresión:
Ld = 0.08 db fy / f’c
= 0.004 db* fy
= 20 cm. El que sea mayor.
Fig. 18. Falla por punzonamiento de zapata. Ensayo en el
Laboratorio de ensayo de materiales de la Universidad
Nacional Pedro Ruiz Gallo. Lambayeque. Perú.
Longitud de desarrollo de varillas en tracción:
Ldh = 0.06 Ab fy / f’c
= 0.006 db fy
= 30 cm. El que sea mayor.
Unidades:
[Ld, Ldh]= cm, [fy, f’c] = kg/cm2, [Ab] = cm2, [db] = cm
Fig. 17. Longitud de desarrollo de la varilla de la columna,
150
________________
d = (-s/2) + (1/2)* s2 + (Nu / v adm)
__
Que es la ecuación para determinar el peralte del encepado
en primera tentativa.
v admisible = * 0.27(2 + 4/ß) f'c
ß = s/t (lado mayor a lado menor de columna)
ó
__
v admisible = * 1.1 f'c , = 0.85
151
4. Cortante por flexión.La sección crítica ocurre a la distancia “d”, de la cara de la
columna:
Fig., 19. Sección crítica de punzonamiento y bloque
equivalente de diseño, para el cálculo del peralte por
punzonamiento en encepado de pilotes.
Por equilibrio de fuerzas:
Vp = Nu – (R1 + R2)
Fig. 20. Sección crítica y cargas, para el diseño del
encepado de pilotes.
Nu = Pu, es la carga axial total mayorada
Para zapata cuadrada A = B:
En el bloque equivalente:
-v actuante = Vp / (perímetro * d)
ΣF izquierda de la
sección crítica
<=
vadmisible * B * d
[Nu – (R1 + R2)] / [(4s + 4d) * d] = v admisible
Aquí se ha considerado s = t
__
ΣF izq. < = ( * 0.53 f'c ) * B * d
Si hacemos R1 = R2 = 0
Estamos asumiendo conservadoramente que toda la carga de
la columna, es la fuerza punzonante:
5. Acero por flexión.-
Queda la ecuación cuadrática:
d2 + s*d - Nu / (4* v admisible)
Se despeja el peralte por punzonamiento d:
151
152
Fig. 21. Cargas y sección crítica para momentos, para el
diseño de encepado de pilotes.
Según el Eurocódigo, la sección para calcular el momento se
debe ubicar a 0,15 * veces el espesor de la columna:
Mu = ΣR izquierda * b
Fig. 22. Fuerzas que actúan em el cabezal de pilotes, para el
cálculo de acero, por el Método de las bielas.
Hay que solucionar las fórmulas del acero:
Z = 0,875 * d
As = Mu / [0.9 fy(d – a/2)]
Tga = Z/Y
a = As fy / (0.85 * f`c * B)
(Nu/2) / Tu = (0,875 * d) / (L/2 – 0,35*s)
6. Método de las bielas en encepados rígidos.-
Tu = [(L/2 – 0,35*s) / (0,875 *d) ] * Nu/2
Para el caso de dos pilotes se asume, que la carga de la
columna se transmite a los pilotes a través de bielas oblícuas
comprimidas, que se forman en el concreto:
Tu = As*fy
As = [(L/2 – 0,35*s) / (0,875 *d* fy) ] * Nu/2
Es la ecuación para calcular el acero de tracción.
152
153
Fig. 23. Especificaciones y detalles de colocación del
refuerzo en pilotes y cabezal de pilotes.
153
154
Fig. Elevación y corte de tanque elevado en la ciudad de Lambayeque, cuya cimentación com pilotes se muestra em lãs figuras de abajo.
154
155
155
156
156
157
Fig. 24. Elevación, distribución y detalles de pilotes en tanque elevado de a
157
Para z=L´ a L,.......... f = f (z=L´)
...(10.3)
10. RESISTENCIA POR FRICCION EN PILOTES.La resistencia por fricción está dada por:
Qs = ∑ f*∆L*as
= ∑ Ss*∆L*as
...(10.1)
f = resistencia unitaria por fricción
∆L= incremento de longitud de pilote correspondiente a
cada estrato
as = perímetro del pilote
10.1. RESISTENCIA POR FRICCION Qs EN
ARENAS.-
K = coeficiente efectivo del suelo
__
-s´v = esfuerzo vertical efectivo a la profundidad bajo
consideración
δ = ángulo de fricción entre suelo y pilote.
K varía con la profundidad.
K es aproximadamente igual al coeficiente Kp de presión
pasiva de Rankine (Braja Das, Universidad del Estado de
California), en la parte superior del pilote, y menor que el
coeficiente Ko, de la presión en reposo a una profundidad
mayor.
158
Meyerhof en 1961, ha estudiado la variación del ángulo de
fricción interna en arenas con pilotes. La zona de
densificación abarca 2.5 D, siendo · el diámetro del pilote:
Tipo de pilote
Perforado
K
≈ Ko = 1 – sen φ
Hincado de bajo
desplazamiento
≈ Ko a 1.4 Ko,
Ko = 1 – sen φ
Hincado, de alto
desplazamiento
≈ Ko a 1.8 Ko,
Ko = 1 – sen φ
L=21m, D=21 pulg.
0=32
Angulo de fricción entre el suelo y el pilote:
0=36
0=34
δ = 0.5 φ a 0.8 φ
0=38
...(10.4)
Bhusan (1962) recomendó:
K tgδ = 0.18 + 0.0065 Cr
COMPACTACION DE ARENA SEGUN MEYERHO
Fig. 25. Variación del ángulo de fricción interna, por efecto
de un pilote.
La fricción unitaria crece con la profundidad y permanece
luego constante. La profundidad crítica varía entre 15 a 20
diámetros del pilote.
...(10.5)
K = 0.5 + 0.008Cr ...(6)
Cr = compacidad relativa
á −
� =
á −
í
COMPACIDAD RELATIVA Cr.Ec. De Marcuson y Bieganousky, 1977:
�� =
, +
,
−
����
,
∗�
+
− ,
�′
ANGULO DE FRICCION INTERNA �. −
Ec. De Hatanaka y Uchida, 1996:
�= √
Fig. 26. Variación de la resistencia unitaria a la fricción, con
la profundidad.
Para z=0 a L´,.. ….. f = K*s´v * tgδ
...(10.2)
∗ �� ��� . +
Ec. De Peck, Hanson y Thornburn, 1974, modificada por
Wolff, 1989.
�=
,
+
, �� ��� . − ,
∗ �� ���
158
Meyerhof(1976), determinó la resistencia unitaria por
fricción, usando el ensayo de penetración estándar:
Para pilotes de gran desplazamiento:
-f promedio = 0.02 N promedio (kg/cm2) ---(10.6)
Para pilotes de desplazamiento pequeño:
-f promedio = 0.01 N promedio (kg/cm2)
…(10.7)
N promedio = S Ncorregido./n, valor corregido promedio de la
resistencia a la penetración estándar
159
Fig. 28. Variación del coeficiente de presión de tierra K con
L/D, según Coyle y Castello, 1981.
10.2. RESISTENCIA POR FRICCION DE PILOTES
EN ARCILLA.10.2.1. METODO λ.Fue propuesto por Vijayvergiya y Focht (1972). Se basa en
la hipótesis de que el desplazamiento del suelo causado por
el hincado del pilote conduce a una presión lateral pasiva a
cualquier profundidad, y que la resistencia unitaria
superficial promedio es:
f promedio = λ * (Sv + βcu)
Fig. 27. Ensayo de penetración.y su uso para determinar el
esfuerzo de fricción, usando el método de Meyerhof.
Coyle y Castello (1988), propusieron la siguiente ecuación,
para calcular la fricción en pilotes:
... (10.9)
Sv=esfuerzo vertical efectivo medio para toda la longitud de
empotramiento
cu = resistencia cortante media no drenada (φ=0)
λ se obtiene de la gráfica siguiente, dada por McClelland,
1974:
Qs = f promedio * p * L
__
Qs = (K tg d* σ’v ) * p * L
… (10.8)
p = perímetro
L = longitud del pilote
__
σ’v= presión de sobrecarga efectiva promedio
d = ángulo de fricción entre el suelo y el pilote
= (0.5 - 0.8) f
K = coeficiente de presión lateral de tierra. Se obtiene de la
siguiente figura:
159
f promedio = λ * (Svprom. + β cu promedio) ...(10.1γ)
RESISTENCIA AL CORTANTE NO DRENADA DE
LA ARCILLA CON EL ENSAYO DE PENETRACION
SPT, cu.cu (kN/m2) = 29* (Ncampo) 0,72
(Hara, 1971)
cu (kg/cm2)= (0.036 – 0,065)*Ncampo, (Stroud, 1974)
-La resistencia por fuste:
Qs = f promedio *L *as
10.2.2. METODO a
...(10.14)
160
PARA CALCULAR LA
RESISTENCIA POR FRICCION EN PILOTES.La resistencia unitaria superficial de suelos arcillosos, se
obtiene por la siguiente ecuación:
f = a*cu
Fig. 29. Valor del coeficiente lambda,l, en función de la
profundidad.
La resistencia total por fricción se calcula con:
Qs = f promedio * L*as
....(10.10)
El f promedio se calcula con:
cu promedio = (cu1*L1+cu2*L2+cu3*L3) / L
Sv promedio = (A1+A2+A3)/L
…(10.11)
…(10.15)
donde:
a = factor empírico de adhesión. Se obtiene de la siguiente
figura adjuntaNotar que para cu<= 50 kN/m2 (0.5 kg/cm2)
….a = 1
Entonces la fuerza por fricción del pilote resulta:
Qs = Σa*cu * p* ΔL
…(10.16)
...(10.12)
Cohesión no drenada, cu Esfuerzo vertical efectiv, Sv
L1
Area1
cu1
Sv1
Sv1
L
L2
Sv2
Area2
cu2
Sv2
L3
Sv3
cu3
Profundidad
Sv3
Area3
Profundidad
APLICACION DEL METODO LAMBDA EN SUELO ESTRATIFICADO
Fig. 30. Diagramas para calcular la cohesión y el esfuerzo
vertical efectivo promedio.
Resumiendo:
-Con la gráfica de McClelland se obtiene λ
-Con las ecuaciones (10.11) y (10.12) hallamos cu
promedio, y Sv promedio.
-Usamos la ecuación (10.9):
Fig. 31. Gráfica para determinar el coeficiente a, en función
de la cohesión. Considerar 1 kN/m2 = 0.01 kg/cm2
160
10.2.3. MÉTODO , PARA CALCULAR LA
RESISTENCIA POR FRICCIÓN EN PILOTES.Cuando los pilotes se hincan en arcilla saturadas, la presión
de poro en el suelo alrededor de los pilotes aumenta; este
exceso en arcillas normalmente consolidadas es de 4 a 6
veces cu. Sin embargo en aproximadamente un mes se
disipa gradualmente. Por consiguiente, la resistencia
unitaria por fricción en el pilote se determina con base
en los parámetros de esfuerzo efectivo de la arcilla en un
estado remoldeado (c=0). Entonces a cualquier
profundidad:
.f
* σ´v
=
...(10.17)
161
donde:
σ v = esfuerzo vertical efectivo
= K tgφR
Fig. 32. Método de Casagrande, para obtener la carga de
pre-consolidación.
...(10.18)
φR = ángulo de fricción drenada de la arcilla
remoldeada
K = coeficiente de presión de la tierra
____
K = (1 - senφR) √OCR
...(10.19)
OCR = overconsolidation ratio = relación de
preconsolidación
Entonces:
.f
____
= (1 - senφR) √OCR tgφR σ´v
�� =
�′�
...(10.20)
,
Ecuación de Mayne y Kemper, 1988.
�′� = Esfuerzo vertical efectivo, MN/m2
Relación de preconsolidación (OCR).Está definida por:
OCR
= pc / po
Fig. 33. Definición de la Relación de preconsolidación
(RSC), u Over consolidation ratio (OCR).
...(10.21)
Si OCR es igual a 1:
. c = pc = presión de preconsolidación de un espécimen
. = po = presión vertical efectiva presente = Sg*h
Si po = pc la arcilla se llama normalmente
consolidada, entonces OCR = 1.
Si po < pc la arcilla se llama preconsolidada, entonces
OCR > 1
161
Fig. 34. Método de Schmertman, para determinar la curva de
campo, a partir de la curva de compresibilidad, para el caso
de pc = po.
.
Si OCR mayor que 1:
162
Fig. 34. Método de Schmertman, para determinar la curva de
campo, a partir de la curva de compresibilidad, para el caso
de pc > po.
162
CONSTRUCCION DE PILOTE HINCADO Y
VACIADO IN SITU (Tipo Frankie).-
163
Foto 4. Em la izquierda el martillo y en primer plano el tubo
o camisa .
Foto 1. Hincado de pilote tipo Frankie em edificación de U.
San Martín em Chiclayo. Perú.
Foto 5. Fabricación de armadura de pilotes tipo Frankie
Foto 2. Martillo hidráulico ingressa al tubo o camisa..
Foto 6. Reforzamiento de la parte inferior de la armadura.
Foto 3. Tubo llamado camisa y martillo de hincado.
163
164
Foto 7. Baldes con la grava que se usa como tapón en el
fondo del tubo o camisa.
Foto 10. Vista compuestadel equipo de instalación del
pilote.
Foto 8. Vaciado del concreto a través del fuste del pilote.
Foto 11. Detalle de la forma en que queda, la parte superior
del pilote en el suelo.
Foto 9. Apisonado final en la parte superior del pilote.
164
CONSTRUCCIÓN DE PILOTES PERFORADOS
Y VACIADOS IN SITU (Tipo Techdrilling).-
165
Foto 12. Hincado del fuste.
Foto 13. Excavación con cuchara y barreno, del suelo para
pilote perforado.
Fig. 35. Partes del equipo de fabricación de pilotes
excavados.
165
166
Foto 14. Excavación y control de profundidad.
Foto 16. Colocación de armadura dentro de la camisa.
Foto 17. Llenado de concreto con embudo.
Foto 18. Retiro de camisa o tubo de fuste.
Foto 15. Izaje de armadura para colocación en el tubo o
camisa.
166
167
Foto 19. Pilotes en cimentación de Puente Bellavista. Río
Huallaga. San Martín. Perú.
Foto 21. Puente Bellavista. Río Huallaga. San Martín.
Foto 20. Puente Bellavista. Río Huallaga. San Martín.
167
MURO DE RETENCIÓN EN VOLADIZO
1. INTRODUCCION.Se describe el análisis y proceso para el diseño de muros de
contención en voladizo. Se definen y cuantifican las cargas
actuantes y resistentes, se prueba la seguridad al volteo y
deslizamiento del muro, se chequea presiones sobre el suelo,
se calculan momentos, cortantes y axiles. Se aplican los
coeficientes de mayoración, y se calcula el acero
correspondiente. Se hacen las verificaciones del concreto y
acero.
E = empuje del terreno
W= peso del bloque
T= fuerza tangencial
N = fuerza normal
Θ = inclinación de la superficie de falla
φ = ángulo de fricción del suelo
= Peso específico del suelo
Ka = Coeficiente de empuje activo
4. FUERZA DE EMPUJE DEL SUELO.-
Predimensionado.-
168
Fig. 1.3 Diagrama de fuerzas para empoje activo, con
rozamiento d = 0
Fig. 1.1. Predimensionado de muro en voladizo.
2. REGLAMENTOS.-Reglamento Nacional de Edificaciones
-Building code requirements for structural concrete.
Reglamento ACI- 2014.
-Earth Manual. Manual de tierras (USA).
-Eurocódigo 7. Proyecto Geotécnico.
-NCS. Norma de Construcción Sismorresistente. Madrd.
España.
Fig. 5. Polígono de fuerzas para empuje pasivo, con
rozamiento d = 0
Del polígono de fuerzas , caso de empuje activo, se obtiene:
.tg (θ - φ) = E /W
E = W * tg (θ - φ)
Fig 1.2. Elementos para el diseño del muro. Caso de empuje
activo.
W=
...(a)
x volumen
.tgθ = H / X
3. ELEMENTOS DE DISEÑO.-
168
X =
H ctgθ
W=
( H* X / 2) * 1
…(5)
metro
Siendo:
H * H *( ctg θ ) / β
W=
W
H2 (ctgθ ) / 2
=
…(6)
...(b)
Reemplazando (b) en (a):
E=
E
H2 (ctgθ ) *tg (θ - φ) / 2
=
...(c)
= f(θ)
Se busca θ de tal manera que E sea máximo:
dE / dθ
169
=
0
ctg θ * sec2 ( θ - φ) +
tg
( θ - φ))[- csc2 θ ] =
0
efectuando se obtiene:
senφcos (θ - φ)
cos
(β θ - φ )
sen2θ
/
=
θ
=
(90 ° + φ ) / β
θ
=
45 ° + φ / β
cos2 ( θ - φ ) =
0 = cos
0
90°
ANGULO DE FALLA...(1)
Fig. 2 Diagrama de isóbaras o bulbos de presión.
Reemplazando (1) en (c) resulta:
( H2/2) ctg
E=
φ)
E
E
(45° + φ/2 )
tg (45 + φ/2 6. FUERZA SÍSMICA.-
=
=
( H /β) ctg
2
(45° + φ/β )
tg (45 - φ/β)
6.1 Norma NCS, España.-
2
( H /2) (1 - senφ) / (1 + senφ)
El coeficiente de empuje es:
Se incrementa el Empuje horizontal (E), con la siguiente
ecuación:
Ks = 1 + ah / g
Ka = (1 - senφ) / (1 +senφ)
… (7)
...(2)
Para la aceleración se usa la el Mapa de iso-aceleraciones.
Ka
se
llama coeficiente de empuje activo
La fuerza de empuje del suelo vale:
E
=
Ka* *( H2/2)
...(3)
5. PRESION DEBIDO A LA SOBRECARGA.La presión debido a la sobrecarga de la
cimentación,producida por la cimentación, de los módulos
adyacentes, se calcula con el diagrama de isóbaras o bulbos
de presión. Los esfuerzos verticales y horizontales están
relacionados con la Ec. de Mohr – Coulomb:
…(4)
Fig. 3.1. Mapa de sismicidad del Perú.
169
170
Fig. 3.2. Mapa de sismicidad superficial.
Fig. 3.3. Mapa de iso-aceleraciones espectrales, para un
período estructural de 1.0 segundo, y 10 % de probabilidad
de excedencia en 50 años de vida útil. Fuente: Carlos
Gamarra – Zenón Aguilar.
6.2 Método de Seed.Es una simplificación del Método de Mononobe – Okabe.
Es =
( H2/2) * (3/4)* (a ch / g)
ach = aceleración sísmica
Es= Fuerza sísmica horizontal actuando a (3/ 5)*H.
Fig. 3.3. Mapa de ordenadas espectrales, para un período estructural de 0
segundos, y un período de exposición de 50 años. Fuente Pontificia
Universidad Católica del Perú. Escuela de graduados.
7. FALLA POR VOLTEO Y DESLIZAMIENTO..
Fig. 3.2. Mapa de aceleraciones sísmicas (en cm2/seg).
Probabilidad de excedencia en 50 años.
170
171
Fig. 4. Falla por deslizamiento.
Fig. 5. Falla por vuelco.
171
172
Fig. 6. Fuerzas actuantes y secciones críticas del muro.
El factor de seguridad al vuelco FSV y el factor de
seguridad al deslizamiento FSD, y presiones actuantes
sobre el suelo:
Mresistente = ΣFy * Xb
As pantalla = Mu / fy ( d - a/2)
a = As * fy / (0,85*f´c* a*b)
También se usan las gráficas que relacionan el Momento
con la cuantía.
Para hallar la cuantía se entra con Mu/bd2, y entrando a la
gráfica se encuentra la cuantía de acero.
Mactuante = ΣFx * Yb
Fh actuante = ΣFx
Fh resistente = (ΣFy) * f
FSV = Mresistente / Mactuante>=1.5 (suelo granular)
>=2 (suelo cohesivo)
FSD = Fh resistente / Fh actuante>=1.5 (suelo granular)
>=2 (suelo cohesivo)
8. CHEQUEO DE PRESIONES.1 = P/A (1 - 6 e cL/ B)
2 = P/A (1+ 6 e cL/ B )
ecL = Excentricidadrespecto al centro de luz de lazapata.
B = ancho de zapata
P = ΣFy
9. DISEÑO DE LA PANTALLA.-
Fig. 7. Gráfica para calcular la cuantía de .
Cálculo del peralte.-
Como cuantía mínima se usa:
Se calcula con el momento máximo mayorado, que ocurre
en la base o fondo de la pantalla.
As = 0.0018* b * d.
Mu pantalla = 1.6 * ( E* yE + E s/c * y s/c )
Para el refuerzo horizontal se usa:
d
Para varillas menores a 5/8 “: As = 0.0012* b * d.
Mu
* fy * * b(1 0.59 * *
fy
)
f 'c
También se verifica el esfuerzo cortante actuante y el
resistente:
Para varillas mayores a 5/8 “: As = 0.0015* b * d.
Como el espesor del muro t > 0.25 m, se usa acero
secundario en dos capas.
10. DISEÑO DE LA ZAPATA.-
vu actuante = 1.6 (E + Es/c+ Es) / (b*d)
__
vc admisible = * 0.53 *f’c
Se debe cumplir:
vu<vc
Una vez verificado el peralte d, se calcula el acero As con:
172
173
Fig. 8. Fuerzas para el diseño de la zapata.
Consta de dos partes: La punta y el talón:
Para el diseño de la punta, se halla el Momento último que
ocurre en la punta:
Mu punta = Ru punta *X2 - 1.2* w zapata*(m2)2 / 2
Para el diseño del talón.Mu talon = 1.6 *w s/c * (m1)2/2 + 1.6 *w relleno (X1)2/2+
1.2*w zapata*(X1)2/2 - Ru talon * X1
El acero se calcula con:
As zapata = Mu / fy( d - a/2)
a = As * fy / (0,85*f´c* a*b)
Como acero secundario de zapata se usa:
As = 0.0018 b*d
173
174
174
175
DISEÑO DE MUROS DE GRAVEDAD
K Pe H = 0.33 x 1.8 x 1.8 = 1.07 ton/m
M = E1 x Y1 + E2 x Y2 = 1.17 ton-m
-e = M/P = 1.17 / 6.72 = 0.17 m
S2 = 1.23 ton/m2 = 0.12 kg/cm2
Esfuerzos que son menores al admisible de 0.95 kg/cm2
S = 6.72 / (1.8 x 1) ( 1 + - 6 x 0.2/ 1.8 )
S1 = 6.23 ton /m2 = 0.62 kg/cm2
Los esfuerzos permisibles según el reglamento del ACI, son:
fc = 175 kg/cm2
La excentricidad respecto a la base de 1.8 m es 0.2 m
Los esfuerzos actuantes sobre el suelo son:
1. Esfuerzo de tracción por flexión admisible:
E1 = 0.36 x 1.80 ton = 0.65 ton
f tp = 0.4β4 * √fc = 5.61 kg/cmβ
2. Esfuerzo de compresión por flexión admisible:
f cp = 0.45*f’c = 78.75 kg/cmβ
E2 = 0.5 x 1.8 x 1.07 = 0.96 ton
3. Esfuerzo cortante admisible:
v cp = 0.5γ * √fc = 7.01 kg /cmβ
Y2 = 1.80 /3 = 0.60 m
Y1 = 1.80 /2 = 0.90 m
tracción = - 9.8 ton/m2 = - 0.98 kg/cm2
Pu = 1.5D + 1.8 L = 4.90 ton, carga mayorada
= (4.90 / 0.60 x 1 ) ( 1 + - 6 x 0.25 / 0.60 m)
Chequearemos por tracción y compresión en la sección 1-1,
calculando el momento que produce el empuje de terreno:
-y1 = 0.85 /2 m = 0.425 m
orta
-y2 = 0.85 / 3 m = 0.283 m
M = E1 * y1 + E2 * y2 = 0.19 ton –m
La excentricidad es
-e = M/P = 0.07 m
En este primer caso, la carga más importante es la reacción
del puente
Los esfuerzos de tracción y compresión valen:
La excentricidad respecto al centro de luz de la sección de
ancho 0.60 m es:
-e cL = 0.15 + 0.07 m = 0.22 m
= (Pu/A) (1 + - 6 e cL / B )
σ compresión = β6.1 ton /mβ = β.61 kg/cmβ
Estos valores son mucho menores que los esfuerzos
admisibles dados en (1) y (2)
-X = 3.58 / 6.72 m = 0.53 m
H´ = sobrecarga / Pe. = 960 kg/m2 / 1800 kg-m3 = 0.53
que es menor que 0.60
Por tanto H’ = 0.60 m
COMPROBACION DE ESFUERZOS EN LAS
SEECIONES DEL MURO.-
Empuje y momentos actuantes:
K Pe H´ = 0.33 x 1.8 x 0.6 = 0.36 ton/m
Chequearemos la sección 1-1:
Al cortante:
K = (1 – sen φ) / (1 + sen φ) = 0.33
175
176
K Pe. H´ = 0.33 * 1.8 ton /m3 * 0.6 m * 1m = 0.36 ton/m
(cada metro de estribo)
K Pe H = 0.33 * 1.8 ton/m3 * 0.85 m = 0.50 ton/m
E1 = 0.36 * 0.85 = 0.31 ton
E2 = 0.5 * 0.5 * 0.85 = 0.21 ton
V = E1 + E2 = 0.52 ton
Vu = 1.8 * 0.52 ton = 0.94 ton
-vu = Vu / (bxd) = 0.94 / (0.60 x 1 ) = 1.57 ton/m2
-vu = 0.156 kg/cm2
Este esfuerzo es menor que el esfuerzo admisible dado en
(3)
E = E1 + E2 = 1.61 ton
Fuerza horizontal resistente :
F h = fricción x W = 0.45 x 6.72 ton = 3.02 ton
Factor de seguridad al deslizamiento:
FSV = 7.39 / 1.17 = 6.3 mayor que 3 (correcto)
0.25
0.60
Factor de seguridad al volteo:
1.80 m
Momento actuante = E1x Y1 + E2 x Y2 = 1.17 ton-m
Momento resistente = 6.72 x 1.1 ton-m = 7.39 ton-m
(respecto al punto opuesto a A)
FSD =3.02 / 1.61 = 1.88 mayor que 1.5 (correcto)
0.80
0.15
1.20
0.30
0.30
SECCION DEL ESTRIBO
Usar f´c = 175 kg/cm2 más 30 % de piedra mediana.
Uso de muros de contención en voladizo en piscina:
176
177
Proyecto: Puente, en el que se muestra el uso de muros en voladizo.
Fig. Arquitectura y estructuras de piscina en centro educativo Santa Angela de Chiclayo, Perú, donde se muestran muros de contención en voladizo.
177
178
178
179
PREDIMENSIONADO DE CIMENTACIONES
RESUMEN
Vamos a mostrar cómo afectan los parámetros geotécnicos,
tales como capacidad portante y coeficiente de balasto, en el
diseñó de cimentaciones superficiales rígidas de concreto
armado: zapatas aisladas, conectadas con vigas de
cimentación, corridas o continuas y plateas de cimentación.
Se encuentran las proporciones y relaciones que deben tener
las dimensiones de las cimentaciones, según los variados
tipos y parámetros del suelo. Estas relaciones se pu8eden
usar para el predimensionado de cimentaciones superficiales
rígidas.
1.
21.10.3.2 – Las vigas sobre el suelo diseñadas para actuar
como acoples horizontales entre zapatas o cabezales de
pilotes deben ser dimensionadas de tal manera que la menor
dimensión transversal sea igual o mayor que el espacio libre
entre columnas conectadas dividido por 20, pero no necesita
ser mayor a 450 mm. Se deben proporcionar amarras
cerradas con un espaciamiento que no exceda al menor entre
la mitad de la menor dimensión transversal o γ00 mm.”
Esta última especificación da una proporción que relaciona
el ancho de la viga de conexión en función de la separación
entre columnas, que puede ser usada para el predimensionado.
INTRODUCCION.-
Cuando se diseñan cimentaciones hay que tener en cuenta lo
siguiente: tipo de suelo (cohesivo, granular, granular con
finos, de alta o baja plasticidad), variación de estratos,
consistencia (blanda, media, dura), las propiedades físicas y
mecánicas (cohesión, ángulo de fricción interna, índice de
compresión, módulo de elasticidad, coeficiente de balasto),
ubicación del nivel freático, subpresión de agua, empuje de
agua sobre la subestructura y superestructura, socavación,
erosión eólica e hidráulica, empuje de suelo sobre la
subestructura y superestructura, expansión del suelo,
licuación del suelo, profundidad de cimentación, capacidad
portante por resistencia, capacidad portante por
asentamiento, esfuerzo neto, asentamientos diferenciales y
totales, agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos),
expansibilidad y fuerza expansiva del suelo, estabilidad del
talud de la excavación, procedimiento de construcción,
especificaciones del Reglamento Nacional de Edificaciones,
ACI, Eurocódigo, efecto de fenómenos naturales como
inundaciones, sismos, etc. Sólo si conocemos esto
procedemos a diseñar la cimentación, en caso contrario el
diseñador se convierte en un peligro público. “No hay
gloria en las cimentaciones”, dijo el Dr Terzaghi, pero si
repudio para el ingeniero si falla una edificación. Queda
claro que las condiciones del suelo sobre el que se apoya la
estructura, afectará necesariamente en el diseño de las
cimentaciones. Vamos a mostrar como afectan los
parámetros geotécnicos en el diseño de cimentaciones. Ver
Fig. (1).
El “BUILDING CODE REQUIREMENTS
FOR STRUCTURAL CONCRETE”, del AMERICAN
CONCRETE INSTITUTE (ACI), Normas 318M-02 Y
318S-05, en lo referente a estructuras sismorresistentes, da
las siguientes especificaciones de cimentaciones:
“β1.10.γ.1- Las vigas apoyadas en el suelo diseñadas para
actuar como acoples horizontales entre las zapatas o
coronamientos de pilotes, deben tener refuerzo longitudinal
continuo que debe desarrollarse dentro o más allá de la
columna soportada o estar anclada dentro de la zapata o del
cabezal del pilote en todas las discontinuidades.
Fig. (1). Influencia del suelo sobre una edificación en ciudad
universitaria en Lambayeque.
DEFINICIONES.CAPACIDAD DE CARGA LIMITE (qd).- Máxima
presión que se puede aplicar a la cimentación, sin que ésta
penetre en el suelo.
CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE (qadm).-Es la
carga límite qd dividida entre un factor de seguridad FS. qadm = qd/FS. A este esfuerzo se le llama capacidad portante.
El Dr. Terzaghi recomienda que FS no sea menor que 3.
ESFUERZO NETO (q neto).- Es el esfuerzo útil, que
queda para la superestructura, después de quitarle el
esfuerzo que va a utilizar el peso del relleno del suelo y la
sobrecarga de piso:
-q neto = qadm – * Df - sobrecarga de piso
donde:
= peso específico del relleno
Df = Profundidad de cimentación
Sobrecarga de piso = 500 kg/m2.
PRESION DE CONTACTO (qc).- Es producida por las
cargas de la superestructura, y actúa debajo de la zapata, en
el encuentro zapata-suelo. En el diseño de cimentaciones, se
busca que qc sea menor o igual a q neto.
3. CARGA DE SERVICIO Y PESO PROPIO DE
ZAPATAS AISLADAS.-Las zapatas aisladas son
elementos estructurales, que sirven para repartir las cargas
de la columna al suelo. Su diseño es la base para otro tipo de
cimentaciones. Se necesita contar con la carga axial y la
resistencia admisible del terreno (qadm). Vamos a encontrar
la proporción n, entre el peso de zapata Pz y la carga de
servicio P, como función del esfuerzo neto:
De n = Pz / P,
179
180
P + Pz = q neto x A, y
Pz = γ c * A * B * H,
Siendo:
- c = Peso volumétrico del concreto armado.
A, B, H = dimensiones en planta y elevación de la zapata.
-q neto = esfuerzo neto
Se obtiene: n
1
qneto
1
c * H
…(ZA-1)
Con el peso volumétrico del concreto de 2,4 t/m3 y H = 0,60
m, se obtiene lo siguiente:
máximo de la viga de conexión (Mu máx), para añadirle el
que resulta del análisis sísmico (y otros efectos de la
naturaleza), y sea verificado, mejorado y adecuado a sus
fines, por el diseñador. Se ha partido desde una dimensión
pequeña (L = 3 m) hasta L = 6 m, para poder barrer un
campo variado, de medidas comunes de edificaciones. Los
resultados se muestran en el Anexo, tabla ZC-01, y sirven
para pre-dimensionar zapatas conectadas. Cuando el
esfuerzo neto (qneto) o las luces (L) de su proyecto particular,
no sean exactamente los valores dados en las tablas, se
pueden interpolar, o tomar el valor inmediato superior.
Tabla (1). Peso de zapata en función del peso de la
superestructura.
-q neto,
Proporción,
Porcentaje,
kg/cm2
n = Pz/P
n*100
0,50
0,404
40,4
0,85
0,204
20,4
1,00
0,168
16,8
1,25
0,130
13,0
1,50
0,106
10,6
2,00
0,078
7,8
2,50
0,061
6,1
3,00
0,050
5,0
3,50
0,043
4,3
4,00
0,037
3,7
La tabulación y representación de la Ec.(ZA-1), se encuentra
en la Tabla ZA-01 y figura ZA-01 del Anexo, para diversos
valores de peralte de zapata.
4. ZAPATAS CONECTADAS.Las zapatas conectadas están formadas, por zapatas
acopladas con vigas de conexión (o vigas de atado). Se
colocan vigas de conexión, para evitar los desplazamientos
horizontales de las zapatas, soportar los momentos de las
columnas (especialmente por sismo), disminuir el efecto de
los asentamientos diferenciales y, para soportar los
momentos, debido a la excentricidad de la carga de la
columna y la reacción del suelo, que se produce en las
zapatas excéntricas. La colocación de vigas de atado es
obligatorio en estructuras construidas en zonas sísmicas,
según el código europeo llamado Eurocódigo 8: Proyecto de
estructuras sismorresistentes. Además deben colocarse en
ambas direcciones formando una retícula.
Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se
muestra en el esquema adjunto, donde P1 y P2 son las
cargas actuantes, R1 y R2, son las reacciones del suelo, s1 es
el ancho de columna, L es la separación entre cargas, y x es
la distancia al punto de momento máximo.
Usando el procedimiento de diseño de zapatas
conectadas, se han calculado las áreas de las zapatas
excéntrica (B1xT1, en m2), interior (B2 = T2, en metros), y
las secciones y aceros de las vigas de conexión; para las
variables: Número de pisos (N), separación de columnas (L)
en metros, y el esfuerzo neto (qneto). La separación de
columnas se consideró igual en ambas direcciones. No se
incluyó el efecto del sismo. Además f’c = β10 kg/cm2, fy =
4200 kg/cm2. Se presenta la sección (bxh, cm2), y los aceros
del lecho superior (As superior.) e inferior (As inferior) de la
viga de conexión. Se ha colocado el Momento flector
5. ZAPATAS CORRIDAS O CONTINUAS.Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la
σorma ACI γγ6.βR 88 “Suggested Analysis and Design
Procedures for combined footings and Mats”, reaprobado en
180
181
el 2002, y que nos remiten a Fritz Kramrisch y Paul Rogers
(Simplified Design of Combined footing, 1961), y
Kramrisch (Footings, 1984):
En la dirección transversal.Separación para luces de volados:
L 0.88 * 4
4 Ec I
Kc * b
…(ZCC-1)
4 Ec I
Kc * b
…(ZCC-2)
Donde:
t = espesor de la zapata.
V = longitud del volado
b = ancho del cimiento
Ec = 15000 √fc
Ec = 2.17 x 10 6 ton/m2, para fc = 210 kg/cm2.
K = q / d = Módulo (o coeficiente) de balasto = Coeficiente
de Winkler = Módulo de reacción de sub-rasante.
…(ZCC-2)
5.1.1.1 CIMENTACIONES EN ARENAS:
-k = k30 (B + 0,30)2 / (2B)2
-k es aproximadamente = 0.25 *k30
…(ZCC-3)
La relación Volado vs. Canto vs. K30 en arenas es:
v
18.44
d 4 k 30 * d
En la dirección longitudinal.Separación de columnas adyacentes (L):
L 1.75 * 4
v
13.04
d 4 kc * d
…(ZCC-4)
La Ec.(ZCC-4) se representa en la figura ZCC-01
.
5.1.1.2. CIMENTACIONES EN ARCILLAS.Para cimentaciones rectangulares de dimensiones BxL:
L = longitud de la zapata corrida.
Para valores prácticos se reduce a:
k c 20 *
k 30
B
…(ZCC-5)
Esto en la relación de vuelo canto, Ec. (ZCC-02),
convierte en:
Relación Volado vs. Canto vs. K30 en arcillas:
Haciendo B aprox. = 2*v
Se obtiene:
7.34
v3/ 4
4 k *d
d
30
se
…(ZCC-6)
La Ec. (ZCC-6) se representa en la figura ZCC-2.:
5.2 RELACION SEPARACION DE
COLUMNAS/PERALTE, POR RAZONES DE
DISTRIBUCION DE PRESIONES.5.2.1 EN LA DIRECCIÓN LONGITUDINAL.5.2.1.1 EN ARENAS:
L
36.67
d 4 k 30 * d
5.1 RELACION VOLADO/CANTO, POR RAZONES
DE DISTRIBUCION DE PRESIONES UNIFORME,
SOBRE EL SUELO.5.1.1 EN LA DIRECCIÓN TRANSVERSAL.-
…(ZCC-7)
Esta relación está resuelta en la figura ZCC-03.
5.2.1.2 EN ARCILLAS:
L
27.14
d 4 k 30 * d
…(ZCC-8)
Esta relación esta representada en la figura ZCC-04
Corte A-A
Para voladizos, usando la ecuación (ZCC-1):
L = v = longitud del volado
Em = Ec/2 = 108 685 kg/cm2, y
h = 1.1 d, se obtiene:
EXPRESIÓN GENERAL DE VOLADO/CANTO:
6. PLATEA DE CIMENTACION.En este caso también se debe cumplir las especificaciones de
cimientos rígidos, de la σorma ACI γγ6.βR 88 “Suggested
Analysis and Design Procedures for combined footings and
Mats”, por tanto se usan también las gráficas ZC-03 y ZC04.
Un modelo suficientemente correcto, consiste en calcular la
losa, como placa flotante sobre apoyos elásticos, en la que el
apoyo elástico está constituido por resortes o muelles, a los
que hay que asignarle una constante elástica. La constante
elástica se obtiene multiplicando el coeficiente de balasto
por la sección de la columna.
181
182
La placa a su vez se sustituye por un emparrillado, sobre
apoyos elásticos equivalente. La parilla está formada por
una retícula vigas ficticias, en dos direcciones. Se resuelven
dos plateas, de 50 cm y 150 cm de espesor.
Primero una platea de 50 cm de espesor, con separación de
luces de columnas de 6 m, correspondiente a un edificio de 5
niveles, en Chiclayo. La constante elástica determinada para
el caso a resolver es de k = 2384 kg/cm = 238.4 t/m.
Segundo, resolvemos otra platea más rígida de 150 cm de
espesor, con las demás características que la anterior.
Los resultados se muestran en el Anexo, en las figuras PL01 y PL-02.
Calculamos las deformaciones, momentos, cortantes de
diseño, y las presiones sobre el suelo, generalmente usando
programas de cómputo (SAP, SAFE).
-Se calculan los esfuerzos promedio, se modela y resuelve
como viga continua.
Fig. PL-4. Diagrama de esfuerzos promedio, bajo las
columnas, para platea como viga continua. Caso de platea
normal.
Caso:I
q( x' , y ' )u
De:
q( x' , y' )u
Mxu * y' Myu * x'
Ru
Area
Ix
Iy
6 * ex 6 * e y
Ru
1
Area
B
A
Con:
Se obtiene:
DISEÑO COMO VIGA RIGIDA.-
ex e y
0.05
B
A
Se considera la platea en una dirección, como si fuera
una viga continua. Se calculan los esfuerzos en el suelo,
se chequean presiones, se mayoran los esfuerzos, se
calculan los momentos y se halla el acero requerido.
q( A / 2, B / 2)u _ máx
…(β4)
Ru
1 6 * 0.05 6 * 0.05
Area
q( A / 2, B / 2)u _ máx 1.6 *
Ru
Area
…(β5)
De donde
= .
…(β6)
�+�
∗
≤�
� �
Para n niveles, el esfuerzo máximo de la superestructura,
considerando un peso propio de 20 %, vale:
Fig. PL-1. Modelo de platea como viga continua. Esfuerzos
en una franja de columnas.
=
= .
…(β7)
+
∗
∗
= . ∗
∗
2
∗
= .
∗ .
∗
%
�
2
∗
≤�
� �
Para n = 4 /5 / 6 / 7 / 10 / 15 niveles
182
183
�
= .
/ .
/ .
/ .
/ .
/ .
…(β8)
El esfuerzo mayorado como reacción del suelo es:
= . ∗ .
∗
� ��
…(β9)
∗
�
� �
= .
∗
Para n = 5
=
.
=
∗�
.
Para tres tramos:
− =
∗
∗�
� �
∗ .
.
+ =
− =
� �
.
.
+ =
.
− =
.
∗ .
2
2
∗
∗
∗
PREDIMENSIONADO DE CIMENTACIONES
SUPERFICIALES RIGIDAS DE CONCRETO
ARMADO
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
Tomando 1 m de ancho de franja:
+ = .
ANEXO
A. ZAPATA AISLADA.Tabla ZA-01.
El momento mayorado vale:
=
…(γ0)
sobre el que se diseña, y la rigidez de las cimentaciones de
concreto armado.
7.5 El coeficiente de balasto o rigidez del suelo sobre el que
se asienta una platea, influye sobre los valores de
deformación, fuerzas y momentos que ocurren en la misma.
7.6. Existen relaciones geométricas de volado/peralte y
separación de columnas/peralte, que deben cumplir las
zapatas corridas y plateas de cimentación para que su
comportamiento sea rígido.
∗
Fig.ZA-01. Peso de zapata aislada como porcentaje de la
carga de servicio.
B. ZAPATAS CONECTADAS.-
∗
7. CONCLUSIONES.7.1 El peso de una cimentación aislada es función de la
capacidad de carga admisible del suelo, y la carga de
servicio actuante en la superestructura.
7.2 Cuando la capacidad portante de un suelo es mayor, las
zapatas conectadas son de menor volumen de concreto y
cantidad de acero.
7.3 Los parámetros capacidad portante y coeficiente de
balasto del suelo, influyen en el diseño de cimentaciones
superficiales rígidas de concreto armado.
7.4 El comportamiento de zapatas corridas y plateas de
cimentación como estructuras rígida, está gobernada por el
valor del coeficiente de balasto, que tenga el tipo de suelo
183
184
C. ZAPATAS CORRIDAS O CONTINUAS.TABLA ZC-01
Fig. ZCC-01.
Fig. ZCC-02.
184
185
Fig. ZCC-03.
Fig ZCC-04.
D. PLATEAS DE CIMENTACION.-
185
186
186
187
187
Catherine Salazar