Diseño de Cimentaciones -...

Ingeniería Geotécnica

Prof.: Wilfredo Gutiérrez Lázares

MODELOS DE COMPORTAMIENTO

DEL SUELO

Y

MÉTODOS DE DISEÑO DE

CIMENTACIONES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA

N

N

ζ 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Deformación Tangencial (cm)

Esfu

erz

o C

ort

e (

kg

/cm

2)

Deformación Tangencial vs. Esfuerzo de Corte




Gráficos Deformación Tangencial vs.

Esfuerzo de Corte

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0


Esfu

erz

o C

ort

e (

kg

/cm

2)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Esfuerzo Normal (kg/cm 2)

Esfu

erz

o d

e C

ort

e (

kg

/cm

2)

Esfuerzo Normal vs. Esfuerzo

de Corte Máximo

Resultados:

Cohesión : c = 0.06 kg/cm2

Angulo de fricción : Φ = 27.2º

c = 0.06 kg/cm2

Φ = 27.2º




Concepción General de la

Modelación

METODOS DE

DISEÑO Y

SEGURIDAD PROBLEMA

REAL

MODELO DE

LAS

CARGAS

MODELO

DEL

MATERIAL

MODELO DE

LA

ESTRUCTURA

SOLUCION

DEL MODELO

DEL

PEROBLEMA

REAL




Modelos Empleados

Para el Terreno

• Semi Espacio

• Estrato de potencia

limitada

Para las Cargas

• Distribución estadística,

según la t de student.

Y1 Y1K Y1*




COMPONENTES

1. Cimentaciones.

2. Clasificación y usos.

3. Modelos de comportamiento del suelo.

4. Métodos de diseño y seguridad empleados.

5. Requisitos para el diseño.

6. Propiedades físico mecánicas empleadas.

7. Combinaciones de cargas.

8. Agua subterránea.




Temas Principales

Modelos de Comportamiento del Suelo

Métodos de Diseño.

Diseño por Estados Límites

Introducción al cálculo de

Asentamientos No Lineales




N

N

ζ


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0


Esfu

erz

o C

ort

e (

kg

/cm

2)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

1.0

Deformación Tangencial (cm

)

Esfu

erz

o C

ort

e (kg/c

m2 )

0.0

0

0.1

0

0.2

0

0.3

0

0.4

0

0.5

0

0.6

0

0.7

0

0.8

0

0.9

0

1.0

0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

De

form

ació

n T

an

ge

ncia

l (cm

)Esfuerzo Corte (kg/cm 2)




N

N

ζ


Asentamiento o

deformación

Carga Q




A

B

D

C

Asentamiento o

deformación

Carga Q





CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN

qbr R qelást

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona Elástica

Zona de Linealidad

Falla






qelást

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona Elástica

Usado muy poco; el qelast o

resistencia estructural del

suelo (valores muy pequeños

de esfuerzos)






R

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona de Linealidad

Participa en comportamientos

con mayores esfuerzos.

USADO EN GEOTECNIA





CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN qbr

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Falla

Se modela como haber

alcanzado la falla del suelo.

USADO EN GEOTECNIA





CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN qbr R qelást

S(deformación)

σ(esfuerzo)

Zona de Linealidad

Falla


Comportamiento

Lineal

Comportamiento

Plástico

Los suelos no tienen comportamiento totalmente lineal ni

plástico; sin embargo los problemas en ingeniería se resuelven

con el uso de estos modelos clásicos




Modelos del Material

• Lineales

• Plásticos

• Elasto Plásticos

• No Lineales

• Reológicos

Comportamiento real

del Suelo




Características del Modelo Lineal

1. Relación lineal entre tensión y deformación

σ(esfuerzo)

ε(deformación)

Δσ

Δε

E = Δσ / Δε

Módulo de Deformación de Young





2. Estado deformacional del suelo lejos de la falla

σ

ζ

σ3 σ1

Envolvente

de Falla





3. Se cumple el principio de superposición de efectos

CM + CV + CS

4. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y

las unitarias

ε CM + ε CV + ε CS





Aplicación:

1. Tensiones por cargas impuestas.

2. Asentamientos en el suelo de cimentación.

3. Empujes de Reposo de los suelos.




Características del Modelo Plástico

1. No se puede definir una relación determinada entre

tensión y deformación

σ(esfuerzo)

ε(deformación)




Características del Modelo Plástico 2. Estado tensional en inminente falla

σ

ζ

σ3 σ1

Envolvente

de Falla

3. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y las

unitarias




Características del Modelo Plástico

Aplicación:

1. Análisis de estabilidad de Taludes.

2. Análisis de la capacidad de carga de las

cimentaciones superficiales y profundas.

3. Determinación de Empujes Activo y Pasivo.




Resumen de los Modelos

Lineales

• Relación lineal entre


• Estado deformacional del

suelo lejos de la falla

• Cumplimiento de las

ecuaciones de

compatibilidad

• Existe un estado de

equilibrio

Plásticos

• No se puede definir una

relación determinada entre


• Estado de inminente falla

• Se trabaja sobre una superficie

de falla

Pero el comportamiento del suelo es mucho más complejo




MODELO CARACTERÍSTICAS USOS

Lineal

Relación Esf vs Def, lineal.

Tensión lejos de la falla

Superposición de efectos

Compatibilidad entre

deformaciones totales y unitarias

Tensiones por cargas impuestas

Cálculo de asentamientos

Cálculo de empujes en reposo

Plástico

No existe relación entre Esf vs

Def, tensión en falla

No hay compatibilidad entre

deformaciones totales y unitarias

Análisis de estabilidad de taludes.

Capacidad de cargas de

cimentaciones

Empujes activo y pasivo

Reológico Deformación a lo largo del tiempo

Elasto - plástico Presenta los dos comportamientos

Elasto - plástico (con

endurecimiento por

deformación)

Rigidización del suelo (existen

tratados)

Rígido plástico




Temas Principales









MÉTODOS DE DISEÑO Y SEGURIDAD

Esfuerzos Admisibles

Factor de Seguridad Global

Estados Límites

Teoría de seguridad




Tendencias Mundiales en el Diseño Geotécnico

Métodos

de

Diseño

Esfuerzos Admisibles

Factor de Seguridad Global

Estados Límites




METODO:

DE LOS ESFUERZOS ADMISIBLES

Y1 Y2Adm

Y1 : Función de las tensiones actuantes normativas

Y2 : Esfuerzo admisible del material

* EN EL DISEÑO DEL AREA DE LA CIMENTACIONES

P R´s

P : Tensión actuante normativa en la cimentación

R´s : Resistencia del suelo




MÉTODO:

FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL

Y1 Y2 / k

Y1 : Función de las tensiones actuantes normativas

Y2 : Función de las tensiones resistentes normativas

k : Factor de seguridad global

* En el diseño del área de la base de las cimentaciones

qact (qbr - q´) / k + q´




Temas Principales









Trabajos a Nivel Mundial (al 2000)

1) Revisar la aplicación de los estados límites en el diseño geotécnico

en todas las Sociedades Nacionales del ISSMGE.

2) Identificar los problemas experimentados por las Sociedades

Nacionales con la introducción y uso de los Estados Límites en el

diseño geotécnico.

3) Comparar la aproximación entre los Diseños, los Factores Parciales

y la selección de valores de diseño empleados en varios países y

códigos; con vistas a identificar diferencias y explorar las

posibilidades de unificación entre ellos.




MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES

Resistencia y Estabilidad: 1er. Estado Límite

Servicio y Deformación: 2do. Estado Límite

1o Estado límite Y1* Y2

* / S

Y1* : Función de las cargas actuantes de cálculo

Y2* : Función de las cargas resistentes de cálculo

S : Coeficiente de seguridad adicional

Y1* f (Y2/ g)*(1/ S) K = f * g * S




Y1 Y1

K Y1

*

DISTRIBUCION ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y1

DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y2

Y2 Y2

K Y2

*

Y1* : Función de las cargas

actuantes de cálculo

Y2* : Función de las cargas

resistentes de cálculo




Enfoque de los Estados Unidos.

Y1* Y2

Y1* : Función de las cargas actuantes de cálculo

Y2 : Función de las cargas resistentes nominales

: Coefiente de reducción de la capacidad resistente

Y2 Y2

= 0.5 ~ 0.8




Países que emplean el Método de los Estados Límites

•Unión Soviética (Rusia) 1962

•Dinamarca 1965

•Estados Unidos 1980

•Canadá 1982

•Cuba 1990

•Australia 1997

•Eurocódigo 2000

•Perú (en proyectos no en norma) 2001




MÉTODO ECUACIÓN OBSERVACIONES

Tensiones

admisiblesY1 < Y2 adm

Esta implícita la linealidad

Perú emplea P < R's

Desechado; no mide con exactitud la

seguridad

El modelo se aleja de lo real

Distan de ser óptimos y racionales

Factor de

Seguridad GlobalY1 < Y2 / k

Esta implícito el comportamiento plástico

k = 2.5 - 3.5 ; (k = 3)

Un único k que evalua todas las

inexactitudes

Con k fuerte, cae en el campo linea

Estados Límites Y1* < Y2* / Ys

Modela mejor las cargas del suelo

1erEL: Estabilidad de la estructura

2doEL: Estimación de los asentamientos




Determinación de los Coeficientes de Seguridad

•Métodos basados en la

Matemática - Estadística INGENIERIL Cuba


Experiencia Práctica

Meyerhof

Brinch

Hansen


Matemática - Estadística EXACTA Ermolaev

Teoría de Seguridad




TEORÍA DE SEGURIDAD : H Hn

Hn : Nivel de seguridad requerido

H : Nivel de seguridad alcanzado

Carga/Resistencia

Distribución de

Frecuencia

K

Y1=f(Y1,Vy1,y1)

Y2=f(Y2,Vy2,y2)




H= 0.5 + F(x) F(x) : Función de Laplace

vy1,2: Coeficientes de variación de Y1 e Y2

y y k

k x

n n 2 1

2 2

2

1

+

- =

dz z

2

1 ) x ( F

X

0 2 e

2

-

= p

Y

y y

2 , 1

2 , 1 2 , 1

n =




DETERMINACION DEL NIVEL DE SEGURIDAD

REQUERIDO Hn

• A partir de la curva H vs K




Principios Fundamentales a cumplir para una cimentación.

Tener la profundidad adecuada para impedir daños por

levantamientos, socavaciones, o por futuras

construcciones.

Seguras contra las fallas por capacidad de carga de base de

la cimentación.

No asentarse de forma tal que dañe la utilización del la

estructura

Para esto deben tenerse presente

los siguientes aspectos.




1. Diseño por Estabilidad

2. Chequeo del Vuelco

3. Chequeo por Deslizamiento

4. Comportamiento Lineal del Suelo

5. Cálculo de las Deformaciones de las base

6. Diseño Estructural del cimiento.

1. Tipo de Suelo y Estratigrafía

2. Magnitud de las Cargas

3. Excentricidad de las Cargas

4. Profundidad de Cimentación

5. Forma de la base de la Cimentación

6. Inclinación del Terreno.

7. Profundidad en el estrato resistente.

Factores que influyen

Requerimientos de Diseño




Investigaciones geotécnicas, en función de:

• Etapa de proyecto.

• Tipo de obra.

• Importancia de la obra.

• Complejidad geotécnica.

Resultado obtenidos de las Investigaciones

• Los elementos litológicos existentes, sus condiciones de yacencia,

plegamientos, fallas, profundidad y potencia de los estratos.

• Agrietamiento y grado de descomposición de las rocas.

• Profundidad de las aguas subterráneas indicando su variación,

composición química y agresividad frente al hormigón y al acero.

Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base.




– Sismicidad del área.

– Fenómenos cársicos, deslizamientos y pantanos.

– Propiedades físico-mecánicas del suelo de cimentación.

– Trabajos hidrogeológicos.

– Propiedades físico – mecánicas de las rocas

– Trabajos geofísicos.

– Columnas litológicas.

– Condiciones de trabajo de la base de la cimentación.

– Posible profundidad de cimentación.

– Metodologías de las investigaciones según Normas.

– Resistencia (Rs´) para trabajo favorables y fallo leve.

Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base.




• Empleo de metodologías, según las normas vigentes.

• Ensayos de Penetración (estática o dinámica) y Métodos

Geofísicos:

• En obras de fallo leve

• Lugares de complejidad geotécnica favorables a normales

• Condiciones en que no sea posible el muestreo inalterado

Metodología para la determinación de los parámetros

físico y mecánicos de los suelos y rocas.




• Diseño por estabilidad, 1er Estado Límite:

• Cargas de cálculo.- determinadas a partir de sus valores

característicos, aplicándole los coeficientes de carga f .

• Diseño por deformación, 2do Estado Límite:

• Valores característicos de las cargas.

Combinaciones de cargas para el diseño de las bases




Notas:

• El diseño por estabilidad se realiza considerando, las combinaciones de cargas

permanentes y temporales de larga y corta duración.

• En cargas temporales especiales (viento extremo, sismos, explosiones, etc.) se

utilizarán: combinaciones con las cargas permanentes, las temporales de larga

duración, las cargas temporales de corta duración que físicamente pueden actuar

en conjunto con las cargas temporales especiales y una de las cargas temporales

especiales.

• En el diseño por deformación se considerarán las combinaciones de cargas con las

cargas permanentes y las cargas temporales de larga duración.

• En casos de suelos de consolidación rápida, debe incluirse la combinación de

carga anterior, las cargas temporales de corta duración que puedan provocar

deformaciones remanentes en los suelos.

• En el caso de construcciones de gran altura (edificios tipo torre, chimeneas, etc.),

es necesario tomar en cuenta el efecto del viento no extremo y extremo.

Combinaciones de cargas para el diseño de las bases




Aspectos a considerar para evaluar la influencia de las aguas

subterráneas en el diseño:

1. Presencia o posible aparición de agua capilar.

2. Variación natural o artificial del nivel, durante el año.

3. Agresividad de las aguas, a los materiales de construcción.

4. Prever la utilización de materiales especiales en los cimientos.

5. Evaluar posibles derrumbes, e el proceso constructivo.

6. Evaluar el efecto de la subpresión.

Recomendaciones en presencia de

Aguas Subterráneas




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