POR:ING. GUIDO CALSIN APAZA

TEMA:

CIMENTACIONES EN EDIFICIOS

“INTERACCION DINAMICA SUELO ESTRUCTURA EN EL DISEÑO DE

EDIFICACIONES”

CURSO DE LA CONSTRUCION EN LA REGION SUR

Ciertamente la ingeniería de estructuras es un campo tan amplio, que no siempre se puede abarcar todos los aspectos inherentes en la mejor predicción de los esfuerzos y deformaciones que ocurren en ella, mas aun cuando se trata de involucrar conceptos que se interrelacionan con las propiedades mecánicas del suelo, es decir, considerar un análisis dinámico realístico de interacción suelo–estructura por efectos de sismicidad.

Recientes estudios experimentales y analíticos han identificado el importante rol de la Interacción Suelo-Estructura puede jugar durante la excitación sísmica de edificaciones y han demostrado la necesidad de incorporarla en el diseño de una amplia gama de clases de estructuras

2.0 Cimentaciones y Capacidad Ultima de Carga

Clasificación:

Cimentación:

Es la parte estructural de la edificación, encargada de transmitir las cargas al terreno, se refiere tanto al terreno situado bajo la estructura y al elemento que sirva para transmitir las cargas (Zapatas).

Cimentaciones superficiales Cimentaciones profundas

Cimentaciones Superficiales engloban las zapatas en general y las losas de cimentación.Los distintos tipos de cimentación superficial dependen de las cargas que sobre ellas recaen:

Puntuales: Zapatas aisladas Lineales: Zapatas corridas Superficiales: Losas de cimentación

ClasificaciónTambién se puede clasificar según su profundidad de

Desplante

Cimentaciones Superficiales: Df <= 3 BCimentaciones Semiprofundas: 3B < Df < 6m.Cimentaciones Profundas: Df >>B

Donde B = Base de la Zapata y Df = Profundidad de Desplante

Requisitos para una Cimentación superficial

La cimentación debe ser segura contra una falla por corte general del suelo que la soporta.

La cimentación no debe experimentar un desplazamiento excesivo

Capacidad Ultima de Carga:

Es la carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte en el suelo.

Tipos de Falla en Cimentaciones

Falla General por corte. Falla Local por corte. Falla por Punzonamiento.

Tipos de Falla en Cimentaciones

Falla Local por corte.

Falla por Punzonamiento.

Falla General por corte.

Capacidad de Carga - Terzaghi

idssqiqdqsqcicdcscu FFFBNFFFqNFFFcNq 21

Capacidad de Carga General

Capacidad de Carga Admisiblese define como el esfuerzo que se aplica a un suelo, mediante una cimentación, para producir una falla por resistencia al esfuerzo cortante.Para asegurar que este mecanismo de fallas no se presente se trabaja con un factor de seguridad. F.S. = qu/qa

AsentamientosAsentamiento Elástico o Inmediato:

Es el que se produce durante o inmediatamente después de la construcción de la estructura.

2/)1( 20 vEs

BqSe

11

11ln

1

1ln

21

21

12

1

12

11

m

mm

mm

mm

)1( 20 vEs

BqSe

Esquina

Central

Modulo de Elasticidad Es: 1100,00 (Tn/m2)Relacion de Poisson v: 0,30

Zapata Circ. R= 0,00 mtsZapata Rect. B= 2,50 mts L= 3,00 mts

Bz= 2,10 1,20Determinacion del modulo de cortante "G": Bx= 0,95

BØ= 0,55Entonces nuestra modulo de corte es: 423,077 (Tn/m2)

Estimacion de las contantes de Balasto Ks:

Const. KKV (kg/cm) 34,75931615KH (kg/cm) 28,61850363KB (kg/cm) 74,79395604KT

PROPIEDADES MECANICAS DEL SUELO: COEFICIENTE DE BALASTO PARA COLUMNASSegún J. Alva Hurtado Kv en SW = 11 kg/cm3 y

qu = 1,23 kg/cm2 se puede tomar un valor de 0.5Kv para KH, (según Ing. Sandra soto quiroga)ó qu = 120368,70 N/m2 por lo tanto usaremos: KH= 5,50 kg/cm3

El factor de seguridad considerado es: 3,00entonces la capacidad portante sera: C-1 base Altura KH

35 cm 60 cm 11550,00 kg/cmqu = 3,68 kg/cm2 70 cm 60 cm 23100,00 kg/cm

Ks=40xFSxqu (N/m3)Ks= 1,44E+07 N/m3

ó Ks 1,47 kg/cm3

CALCULO DE ASENTAMIENTOS TEORICOSB= 2,50 mts qu = 1,23 kg/cm2L= 3,00 mts

Modulo de Elasticidad Es: 1100,00 Ton/m2Relacion de Poisson v: 0,30

m = L/Bm = 1,200

1,226229312

asentamiento en la esquina de la cimentacion 1,556 cm 15,559 mm

asentamiento en el centro de la cimentacion 3,112 cm 31,118 mm

0,000 74793,960,000 ---

Zapatas Rectangulares0,000 34759,320,000 28618,50

Zapatas Circulares

1)m1(

1)m1((lnm

m)m1(

m)m1(ln

12

2

2

2

)ν1(2E

G

2)1( 2

s

ue E

qBS

)1( 2s

ue E

qBS

3.0 RELACION PROFUNDIDAD DE CIMENTACION Vs ALTURA DE LA EDIFICACION

En realidad no existe parámetro alguno respecto a la profundidad de cimentación vs la altura de la edificación, sin embargo es primordial conocer la capacidad portante y el tipo de suelo en el que se apoya. Asi como los estratos inferiores del suelo.

A = SUELOS LIMOSO Y/O ARCILLASB = SUELOS GRANULARES C = GRAVAS BIEN GRADUADASD= ROCA FISURADA Y FIJA

4.0

5.0 SISTEMA SUELO-ESTRUCTURA

Y ENSAYOS DE LABORATORIO Introducción:

Un factor de primera importancia en los daños provocados por los sismos es el comportamiento del suelo durante los temblores, porque es el soporte de las estructuras y agente transmisor de la excitación sísmica, y así es que induce fuerzas y desplazamientos en estructuras de todo tipo, además de afectar la estructura del suelo mismo

Capitulo II

Un modelo mas realistico de la interacción suelo estructura corresponde a los apoyos elásticos donde se obtienen estados de esfuerzos mas confiables y cercanos de lo que realmente se da en la estructura.

PROPIEDADES DINAMICAS DE LOS SUELOS Las propiedades dinámicas de los suelos son

parámetros básicos para la aplicación de modelos matemáticos que permitan predecir la respuesta dinámica de depósitos de suelo y en problemas de interacción suelo-estructura.

Capitulo II

Estas propiedades dinámicas son:

Modulo de elasticidad. (E)Coeficiente de Poisson. ()Modulo de Rigidez. (G)

Existiendo métodos directos e indirectos para la determinación de las propiedades dinámicas de los suelos

METODOS INDIRECTOS Correlacione

s:

Capitulo II

Análisis de Acelerogramas:

A.- Dependientes del número de golpes del SPT).B.- Dependientes de las propiedades índices de los suelos).

Se obtiene el valor de velocidad de onda cortante y un valor de amortiguamiento.

Propiedades Índice de los Suelos Ciertamente al efectuar un EMS involucra determinar las propiedades físico-mecánicas que las distingue entre si, tales como su estado de cohesión, ángulo de fricción interna, humedad, granulometría, capacidad portante, modulo de reacción de subgrado.

Capitulo II

6.0 Parámetros de la Interacción Suelo Estructura Modulo de Reacción del Terreno (Ks):Es un método conveniente para modelar el suelo, es considerar la propiedad de Esfuerzo-Asentamiento que ocurre en el área: A de contacto entre el cimiento y suelo.

Capitulo II

Métodos: Ensayo de Placa de Carga:

sobre el terreno, siendo habitual que dicha placa sea cuadrada de 30 x 30 cm.(1 pié x 1 pié), o

circular diámetros 30, 60 Correlaciones Empíricas:Con el módulo elástico del suelo obtenido en ensayos de laboratorio: triaxial , CBR, Propiedades índice, etc.

Ensayos Dinámicos:Triaxial cíclico (deformación o esfuerzos controlados), ensayo Bender Element. (medición de velocidad de onda de corte), Columna resonante, torsión cíclica.

Correlaciones de Ensayos de Campo:SPT, CPT, DMT y veleta.

Interpretación de Resultados:Medición de desplazamientos de estructuras reales en la obra.

Combinación de las anteriores:

Capitulo II

Módulos Dinámicos del suelo de Soporte: (E,,G)

El modulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson del suelo no son constantes de un suelo, si no mas bien son magnitudes que describen aproximadamente el comportamiento de un suelo para una combinación particular de esfuerzos que se definen a continuación.

Módulo Elástico (E).

Coeficiente de Poisson ().

Modulo de Rigidez (G).

Criterios para Estimar las Constantes Dinámicas:

Tipo de suelo E (Ton/m2)

Arcilla muy blanda 30 – 300

Arcilla blanda 200 – 400

Arcilla media 450 – 900

Arcilla dura 700 – 2000

Arcilla arenosa 3000 – 4250

Suelos glaciares 1000 – 16000

Loess 1500 – 6000

Arena limosa 500 – 2000

Arena suelta 1000 – 2500

Arena densa 5000 – 10000

Grava arenosa densa 8000 – 20000

Grava arenosa suelta 5000 – 14000

Arcilla esquistosa 14000 – 140000

Limos 200 – 2000

Tipo de suelo

Arcilla saturada 0.4 – 0.5

Arcilla no saturada 0.1 – 0.3

Arcilla arenosa 0.2 – 0.3

Limo 0.3 – 0.35

Arena densa 0.2 – 0.4

Arena de grano grueso 0.15

Arena de grano fino 0.25

Roca 0.1 – 0.4

Loess 0.1 – 0.3

Hielo 0.36

Concreto 0.15

Alva (1993)

Criterios para Estimar las Constantes Dinámicas:

Tipo de sueloMódulo de elasticidad E

Relación de Poisson lb/pulg2 MN/m2

Arena suelta 1,500 – 3,500 10.35 – 24.15 0.20 – 0.40

Arena densa media 2,500 – 4,000 17.25 – 27.60 0.25 – 0.40

Arena densa 5,000 – 8,000 34.50 – 55.20 0.30 – 0.45

Arena limosa 1,500 – 2,500 10.35 – 17.25 0.20 – 0.40

Arena y grava 10,000 – 25,000 69.00 – 172.50 0.15 – 0.35

Arcilla suave 600 – 3,000 4.1 – 20.7

Arcilla media 3,000 – 6,000 20.7 – 41.4 0.20 – 0.50

Arcilla firme 6,000 – 14,000 41.4 – 96.6

(Das, 1999)

Criterios para Estimar las Constantes Dinámicas:

(Bowles, 1988)

Tipo de suelo Relación ()

Arcilla saturada 0.4 – 0.5

Arcilla no saturada 0.1 – 0.3

Arcilla arenosa 0.2 – 0.3

Limo 0.3 – 0.35

Arena, arena con grava 0.3 – 0.4

Roca (depende del tipo de roca) 0.1 – 0.4

Loess 0.1 – 0.3

Concreto 0.15

Determinación de los Coeficientes de Rigideces (resortes) para Cimentaciones – Expresiones Aproximadas

21

1BL

v

GK zz

2112 BLGvK xx

2

1BL

v

GK

Movimiento Constante de Muelle Referencia

Vertical Barkan (1962)

Horizontal Gorbunov-Possadov (1961)

Balanceo Gorbunov-Possadov (1961)

Kx

KZ

KØ

Fuente: Mecánica de Suelos, Lambe y Whitman (1997).

Determinación de los Coeficientes de Rigideces (resortes) para Cimentaciones – Expresiones Aproximadas

Fuente: Mecánica de Suelos, Lambe y Whitman (1997).

Calculo de las Propiedades Dinámicas-SuelosClasificación de Suelos: ML

Coeficiente de Poisson (). = 0.30

Modulo de Rigidez (G).

Módulo Elástico (E). De tablas anteriores se asume E = 1,100 Ton/m2

Calculo de las Constantes del Resorte

21

1BL

v

GK zz

2112 BLGvK xx

2

1BL

v

GK

Gorbunov-

Possadov (1961)Balanceo

Gorbunov-Possadov (1961)

Horizontal

Barkan (1962)Vertical

ReferenciaConstante de MuelleMovimiento

Gorbunov-Possadov (1961)Balanceo

Gorbunov-Possadov (1961)

Horizontal

Barkan (1962)Vertical

ReferenciaConstante de MuelleMovimiento

Kx

KZ

KØ

Modulo de Elasticidad Es: 1100,00 (Tn/m2)Relacion de Poisson v: 0,30

Zapata Circ. R= 0,00 mtsZapata Rect. B= 2,50 mts L= 3,00 mts

Bz= 2,10 1,20Determinacion del modulo de cortante "G": Bx= 0,95

BØ= 0,55Entonces nuestra modulo de corte es: 423,077 (Tn/m2)

Estimacion de las contantes de Balasto Ks:

Const. KKV (kg/cm) 34,75931615KH (kg/cm) 28,61850363KB (kg/cm) 74,79395604KT

0,000 74793,960,000 ---

Zapatas Rectangulares0,000 34759,320,000 28618,50

Zapatas Circulares

)ν1(2E

G

Constantes de Resorte-Modelos

Calculo de las Constantes del Resorte en Columnas