Requisitos Min Diseño Cimentaciones UNPRG

V Congreso Internacional de la Construcción & Expo de la Construcción 2010

Ing. William Rodríguez Serquén

REQUISITOS MINIMOS PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES


“ Expreso mi esperanza de que, encuentren útil mi pequeña contribución, al monumento del conocimiento.

Los grandes proyectos están en manos de grandes hombres, pero trabajadores más humildes, trabajando escondidos en la oscuridad de las cimentaciones, quizá podrán ser de ayuda”

Charles-Augustin de Coulomb

1773


OBJETIVO: Conocer los requisitos mínimos y parámetros geotécnicos, que intervienen en el diseño de cimentaciones:

-Los requisitos mínimos que se deben cumplir, para el diseño de cimentaciones-Los parámetros geotécnicos y relaciones que intervienen en el diseño de: -Zapatas aisladas -Zapatas conectadas -Zapatas continuas -Plateas-Los parámetros que intervienen en las fallas debido a excavaciones


Requisitos mínimos Para diseñar cimentaciones hay que conocer:-La geodinámica interna-La geodinámica externa-Las características geotécnicas, del lugar donde se va construir la cimentación.

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 volcánicaB. 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.

Mapa geotécnico de la ciudad de Mórrope. Lambayeque


Peligros de la naturaleza:

Se deben conocer los peligros de la naturaleza que van a afectar el diseño:-Peligro geológico-Peligro geotécnico-Peligro climático-Peligro por sismo-Peligro por inundaciones-Peligro por tsunamis-Peligros por deslizamientos-Peligro por derrumbes-Peligros por licuaciones-Peligro por expansiones

Mapa de peligro climático de la ciudad de Mórrope. Lambayeque


El Mapa de peligrosConsiderar el mapa de peligros, donde está zonificado de diferentes colores, el potencial de peligro de las zonas de una ciudad, debido a los desastres de la naturaleza.

Peligro muy alto

Peligro alto

Peligro medio

Peligro bajo

Mapa de peligros de la ciudad de Mórrope. Lambayeque


El Estudio de Suelos

Ensayo de penetración estándar (SPT), para construcción de tanque elevado, en la ciudad de Nuevo Mocce. Lambayeque.

El Estudio de suelos, nos 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 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 se asume que el ingeniero tiene otro nivel de conocimientos.


Lo mínimo que debe tener un Estudio de Suelos:Realizar el estudio de suelos, en el que debe constar como mínimo:

-Los ensayos in situ y de laboratorio.

-La interpretación de los resultados de los ensayos, y la problemática que va tener la edificación debido al suelo.

- La solución de la problemática encontrada en el suelo.

Elementos de un ensayo de penetración estándar (SPT). Se cuenta el número de golpes N, que se aplican con el martillo, para que la caña partida penetre 30 cm.


Ensayos de laboratorio

Los ensayos de laboratorio o in situ, nos determinan los parámetros geotécnicos, para el diagnóstico, diseño y construcción de las cimentaciones. Por tanto asegurarse que sean realizados en un laboratorio confiable.

Ensayo de corte directo, realizado en el Laboratorio de suelos de la UNPRG. Lambayeque. Perú.


Tabla dada por Holtz y Gibbs en su libro: “Propiedades de ingeniería de las arcillas expansivas”


Reglamentos

Los reglamentos, nos indican los métodos de exploración y muestreo, para el estudio de suelos, las especificaciones para el diseño y construcción de las cimentaciones, especificaciones de la calidad de los materiales, y los detalles de colocación de aceros.

Cuando los reglamentos no tratan un tema, se debe recurrir a textos especializados.


Conocer las teorías de falla de los suelos

Se deben conocer la teoría de la ingeniería geotécnica, que explica el origen de las fallas de los suelos, que producen daño a las edificaciones adyacentes a la nueva cimentación.

Conocer la teoría de Mohr-Coulomb.

Conocer la teoría de TerzaghiFalla debido a excavación de sótano.


Tener cuidado con los derrumbes

Los derrumbes producen daño físico a los trabajadores.

Como consecuencia hay sanción penal, para el ingeniero residente, y la empresa constructora.

Esto está sucediendo constantemente, por tanto debemos recordar bien la lección, para que no se repita.

Muerte de dos obreros, por derrumbe de suelo, en obra de saneamiento, en el año 2009, en distrito de José Olaya en Chiclayo. Perú. Fiscal pidió 5 años de prisión, y 10,000 soles de reparación para ingeniero residente; y 200, 000 soles de reparación civil a empresa constructora.Tomado del diario El Norteño de Chiclayo.


Hacer calzadurasDebemos conocer los parámetros geotécnicos, que intervienen en el fenómeno de los derrumbes.

Luego, recomendar la realización de calzaduras, para evitar los mismos.


Zapatas aisladas.

Para dimensionar las zapatas aisladas, hay que encontrar la relación entre el peso de la zapata Pz y el peso de la carga de servicio P:

n = Pz / P,

Pz = n*P

P + Pz = q neto * A * B

Pz = γ c * A * B * H,


Siendo: γc = Peso volumétrico del concreto armado.A, B, H = dimensiones en planta y elevación de la zapata.q neto = esfuerzo neto

:Se puede tabular y hacer gráficas.

Se obtiene:


Dimensionado de zapatas aisladas

ContenidoContenido Contenido



Contenido Contenido Contenido Contenido


Zapata conectada Se colocan vigas de conexión, para evitar los desplazamientos laterales (horizontales) de las zapatas. Además para soportar los momentos de las columnas (por cargas muerta, viva y 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 conexión es obligatorio, en estructuras construidas en zonas sísmicas, según el código europeo llamado Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras sismoresistentes. Además deben colocarse en ambas direcciones formando una retícula.


Modelo estructural -:Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se muestra en el esquema de la izquierda, 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.

Hallamos “x “, el punto de cortante cero y de momento máximo:

qu1*x – P1u =0 x = P1u / qu1 Mu máx = - Pu1*(x – s1/2) + qu* x2 / 2

Determinamos el diagrama de momentos.


Concreto y acero Usando el modelo y 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 = 210 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 muestran los resultados, que pueden servir como pre-dimensionado de zapatas conectadas.


Pre-dimensionado de zapatas conectadas


Pre-dimensionado de zapatas conectadas




Contenido Contenido Contenido Contenido


Zapatas continuas Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la Norma ACI 336.2R 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):

En la dirección transversal.-Separación para luces de volados:

Donde: t = espesor de la zapata.v = longitud del voladob = ancho del cimientoEc = 15000 √fc Ec = 2.17 x 10 6 ton/m2, para fc = 210 kg/cm2.K = q / d = Módulo de balasto .

4

*

4*88.0

bK

IEL

c

c


En la dirección transversal.-

Para voladizos, usando la ecuación:L = v = longitud del volado Em = Ec/2 = 108 685 kg/cm2 Con h = 1.1 d

La expresión general de volado/canto, resulta:

4 *

04.13

dkd

v

c

Zapatas continuas: En la dirección transversal.-


La relación Volado vs. Canto vs. k30 en arenas es:

430 *

44.18

dkd

v

430

4/3

*

34.7

dkd

v

La relación Volado vs. Canto vs. k30 en arcillas es:

Estas expresiones se representan en gráficos que se muestran a continuación.

Zapatas continuas: En la dirección transversal.-

Con K = 0.25 *k30

B

kkc

30*20


Relaciones volado / canto en zapatas continuas En la dirección transversal

Son válidos también para plateas


Separación de columnas adyacentes (L):

4

*

4*75.1

bK

IEL

c

c

430 *

67.36

dkd

L

430 *

14.27

dkd

L

En la dirección longitudinal.-

En arenas:

En arcillas:

Se pueden hacer gráficos de estas expresiones, tal como se muestra.

Zapatas continuas: En la dirección longitudinal


Son válidos también para plateas

Relaciones volado / canto en zapatas continuas En la dirección longitudinal


PlateasExisten dos modelos clásicos de

resolución. El primero consiste en tratar la platea como viga continua, calculando los esfuerzos que se producen sobre el suelo y resolverlo de acuerdo a la teoría elástica. En este caso el parámetro geotécnico importante es la capacidad portante del suelo.

El segundo modelo consiste en tratarla 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. 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.


Platea como viga elástica Platea como placa flotante sobre apoyos elásticos


Primero resolveremos una platea de 50 cm de espesor, con separación de luces de columnas de 6 m, correspondiente a un edificio de 5 niveles, en Lambayeque, Perú. 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.

Comparación de dos plateas

1

2


Deformaciones Momentos Esfuerzos en el suelo

2

1 1 1

22


¿COMO SE EXPLICAN LOS DERRUMBES

Y DAÑOS POR EXCAVACIONES?

Los derrumbes y daños por excavaciones, se explican con la teoría de Mohr –Coulomb.

Esta teoría nos indica las fuerzas y parámetros geotécnicos, que intervienen en la rotura del suelo.

Nos determina la profundidad de excavación, o altura crítica (Hc), con la que falla un suelo.


LA TEORIA DE MOHR:La teoría de Mohr, nos dice que los esfuerzos cortantes y normales internos, en un bloque de suelo, dependen de una combinación de esfuerzos actuantes externos, verticales y horizontales. Por equilibrio de fuerzas se obtiene:


LA TEORIA DE MOHR:

http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://pacific.math.ualberta.ca/gordon/math-genealogy/Mohr.jpg&imgrefurl=http://pacific.math.ualberta.ca/gordon/math-genealogy/mathgenealogy.html&h=502&w=375&sz=59&tbnid=XTtZihCZn_KK2M:&tbnh=130&tbnw=97&prev=/images?q=Otto+Mohr&zoom=1&q=Otto+Mohr&hl=es&usg=__3DzC6-HrrlZhBUxr59juocmp_iE=&sa=X&ei=8R3kTPWKJI39nAeq4OGzDw&ved=0CBcQ9QEwAw


LA TEORIA DE COULOMB: Coulomb propuso que la falla de los suelos es por cortante. Determinó que, la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, al que se le aplica un esfuerzo normal, sigue una ley lineal, en un diagrama esfuerzo normal vs. esfuerzo cortante:

http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://www.rmm.cl/usuarios/lsalazar01/imagen/coulomb.jpg&imgrefurl=http://www.rmm.cl/index_sub.php?id_seccion=8083&id_portal=1551&id_contenido=14396&usg=__Q6PRCIk_qA-gyxYEqPZ_w9bGJAg=&h=353&w=300&sz=41&hl=es&start=1&zoom=1&tbnid=J2p9cxyxmcjeYM:&tbnh=121&tbnw=103&prev=/images?q=Coulomb&hl=es&gbv=2&tbs=isch:1&itbs=1


LA TEORIA DE MOHR-COULOMB:Combina ambos aportes: del comportamiento de los materiales (Teoría de Mohr), y del suelo (Teoría de Coulomb). Se aplica la función seno, del ángulo de fricción interna, en la gráfica:


TEORIA DE MOHR-COULOMB: Se obtiene el esfuerzo horizontal, como función del esfuerzo vertical, el ángulo de fricción y la cohesión del sueloDe:

Se obtiene:

Siendo:


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:

ESFUERZOS QUE PRODUCEN EL DERRUMBE:

PROFUNDIDAD CRITICA DE DERRUMBE:


ANALOGIA DE FUERZAS PARA EXPLICAR UN DERRUMBE

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.


“Tu crees que, porque te portas aparentemente bien, no cometes delito.

Se comete delito también por: Negligencia, Omisión, Error, Olvido”

Dr. Nilo Arturo Ramírez Rodas

Docente UNPRG

Lambayeque. Perú.

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