UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ

FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS

C.A.P. INGENIERÍA CIVIL

ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES I

TRABAJO ENCARGADO

TEMA: Resumen De Capacidad De Apoyo En Cimentaciones Superficiales

DOCENTE: ING. JOSE ANTONIO PAREDES VERA

PRESENTADO POR: FLORES LARICO LYNIN E.

SEMESTRE: “VII” SECCION: “B”

JULIACA-PUNO

ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES

IMPORTANCIA

El término cimentación superficial hace referencia a una estructura que descansa sobre el terreno situado inmediatamente debajo de la misma. Las zapatas aisladas generalmente de planta rectangular, constituyen la cimentación superficial más habitual para pilares o columnas, mientras que las zapatas corridas o continuas se utilizan bajo muros .En algunos casos las estructuras se cimientan sobre losas.

El comportamiento del terreno bajo tensión está afectado por su densidad y por las proporciones de agua y aire residentes en los vacíos.

Estas propiedades varían con el tiempo y depende en cierto modo de otros factores.

Para comportarse de modo aceptable las cimentaciones superficiales deben tener dos características elementales:

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

La cimentación no deber experimentar un asentamiento excesivo (el adjetivo excesivo depende de varias consideraciones, como las estructurales propias de la edificación).

La carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte en el suelo, se llama capacidad de carga última.

CAPACIDAD DE APOYO DE FUNDACIONES SUPERFICIALES.

Las fundaciones son los elementos encargados de impartir, a través de ellos, cargas estructurales en el terreno. El diseño de fundaciones debe estar regido por criterios de utilidad y resistencia. El criterio de utilidad, se refiere, a que el comportamiento de la fundación durante la aplicación de las cargas de operación, debe cumplir totalmente con los propósitos para los que fue diseñada.

El criterio de resistencia, se refiere, al propósito de asegurar que la fundación diseñada sea lo suficientemente resistente para soportar cargas ocasionalmente grandes

La resistencia o capacidad de apoyo de la fundación puede ser un problema a corto o largo plazo dependiendo

Condición a corto plazo.- se presenta cuando la carga es aplicada durante el periodo de construcción, es decir durante un periodo corto de tiempo. Una condición a corto plazo será crítica sólo para el caso en que la fundación sea emplazada en un suelo arcilloso, es decir, cuando se produzca una condición no drenada. Una condición no drenada se presenta cuando el suelo tiene muy baja permeabilidad, entonces, se considera que el volumen permanece constante y se ha generado un exceso de presión de poros igual al cambio de esfuerzo total u=v

Condición a largo plazo.- se presenta cuando la carga máxima es aplicada a la fundación luego de un cierto tiempo después del final de la construcción. La condición a largo plazo, reúne las características de una condición drenada, tanto para el caso de suelos arcillosos como para el caso de suelos granulares. Una condición drenada es aquella situación en la que el suelo es cargado y no se genera exceso de presión de poros.

Para la determinación de la capacidad de apoyo del suelo es necesario tener en cuenta:

Carga inicial total o sobrecarga inicial (qo) es la presión existente antes de la construcción que se debe al peso del suelo sobre el nivel de fundación.

Sobrecarga efectiva inicial 'oq: es igual a la sobrecarga inicial qo menos, el valor de la presión de poros ou determinado para las condiciones iniciales, es decir, determinado antes de la construcción.

Carga bruta q es la presión bruta total impartida al terreno después de la construcción, que incluye:

El peso de la fundación, W El peso del suelo sobre el nivel de fundación. La carga impartida por la columna a la fundación, P.

Esta presión es igual a la carga total, que es la suma de las cargas anteriores, dividida por el área de la fundación.

Carga bruta efectiva 'q: es igual a la presión bruta de fundación q menos el valor final de la presión de poros Uf, determinado para las condiciones finales, es decir, después de la construcción.

q´= q – uf

Carga neta qn: es el incremento neto en esfuerzos efectivos al nivel de fundación, es decir, es la diferencia entre las presiones efectivas antes y después de la construcción. Es así que la carga neta siempre se halla referida a esfuerzos efectivos.

qn = q´-q´o …..(1.1)

Carga bruta última de apoyo q´u es el valor de la presión de apoyo que produce falla de corte en el suelo. Por tanto, la carga última efectiva qu, es igual a la carga última qu menos el valor de la presión de poros u.

Carga neta última de apoyo qu(n) es la carga bruta última efectiva de apoyo menos la sobrecarga efectiva.

qu(n) = q´u – q´o …..(1.2)

Máxima capacidad segura de apoyo qs es el valor de la presión de apoyo para el cual el riesgo de falla al corte es mínimo. Esta es igual a la carga bruta última de apoyo dividida por un factor de seguridad adecuado.

qs =qu/FS ….(1.3)

La máxima capacidad segura efectiva de apoyo q´s es la máxima capacidad segura de apoyo qs menos el valor de la presión de poros u.

q´s =qs – u ….(1.3ª)

Máxima capacidad neta segura de apoyo qs(n) la carga neta última de apoyo dividida por el factor de seguridad adoptado.

qs(n) = qu(n) / FS ….(1.4)

Coduto (1994) indica que deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos:

El tipo de suelo. Se recomienda usar valores altos para arcillas y valores bajos para arenas.

El nivel de incertidumbre en la definición del perfil de suelo y en la determinación de los parámetros de resistencia al corte para diseño.

La importancia de la estructura y las consecuencias de una posible falla.

Tabla 1.1.Guías para seleccionar el mínimo factor de seguridad para el diseño de zapatas (Coduto, 1994).

Carga admisible de apoyo qa es la presión que asegura que no existirá falla al corte, y asegura también que los asentamientos a producirse serán iguales a los tolerables.

Falla al corte general.- Este tipo de falla se presenta cuando una fundación superficial localizada sobre un depósito de arena densa o sobre un suelo arcilloso rígido es sometida a una carga que se incrementa gradualmente. Este incremento gradual de carga ocasiona el consiguiente asentamiento de la fundación.

El tipo de falla observado en la Figura 1.1 es el de falla al corte general; y para este, se puede ver en la gráfica de S vs. q que se presenta claramente un valor pico de q igual a qu.

Figura 1.1

Falla de corte general de un suelo

Figura 1.2

Falla S vs q de corte de un suelo

Falla al corte local.- Este tipo de falla se presenta cuando una fundación superficial como la observada en la Figura 1.3, se encuentra sobre un depósito de arena media densa o sobre un suelo arcilloso de consistencia media.

En la gráfica de S vs. q, Fig. 1.4 , se observa que a medida que se incrementa la carga q se produce también un respectivo asentamiento. Cuando q alcanza el valor de q´u denominado carga primera de falla, la superficie de falla desarrollada en el suelo es la mostrada con línea llena en la Figura 1.3. Si la carga continúa incrementándose la curva de la gráfica S vs. q se hace mucho más empinada e irregular como muestra la línea quebrada de la Figura 1.4. Cuando q iguala el valor de qu la superficie de falla del suelo alcanza la superficie del terreno.

Fig. 1.3 Fallas de corte local de un suelo

Fig.1.4 Fallas de corte local de un suelo

Falla al corte por punzonamiento.- La Figura 1.5 muestra una fundación con las mismas características que en los casos anteriores; pero con la única diferencia de que se encuentra fundada sobre un depósito de arena suelta o sobre un suelo arcilloso blando. Para este tipo de falla, la curva de la gráfica S vs. q es mostrada en la Figura 1.6

La Figura 1.5

Figura 1.6. Falla al corte por punzonamiento de un suelo.

Coduto (1994) presenta los siguientes criterios, que resultan ser muy útiles al momento de determinar cuál de estos tres tipos de falla se presentará en una determinada circunstancia. Estos son:

Fundaciones emplazadas en arcillas son gobernadas por el caso de falla general al corte.

Fundaciones emplazadas en arenas densas son gobernadas por el caso de falla general al corte. En este contexto, una arena densa es aquella cuya densidad relativa DR es mayor que %67.

Fundaciones emplazadas en arenas sueltas a medianamente densas, es decir, para 30% DR 67%, son probablemente gobernadas por la falla al corte local.

Fundaciones emplazadas en arenas muy sueltas, es decir, DR 30%, son gobernadas por falla al corte por punzonamiento.

CARGA ÚLTIMA DE APOYO.

Método de líneas de deslizamiento Método de elementos finitos. Método de equilibrio límite Método de análisis límite.

Cuando se presentan problemas de estabilidad y se requiere conocer la capacidad de apoyo del suelo; pueden utilizarse el primero, el tercero o el cuarto método. En cambio, cuando se requiere determinar la distribución de esfuerzos o los asentamientos producidos al interior de una masa de suelo puede utilizarse el segundo método.

La ecuación de trabajo para el sistema mostrado en la Figura 1.8 (a) es:

trabajo externo= trabajo interno

Fxb/2x=kbxb…………….(a)

Donde:

kb : resistencia k a lo largo del perimetro del medio circulo con un brazo de fuerza b.

F/b = q = 6.29 k……………..(b)

Luego la fuerza de razonamiento es :

F/b = q = 5.76 k……………..(c)

Figura 1.8 Método de análisis límite (a) Mecanismo simple utilizado para obtener una solución de borde superior. (b) Propiedades de un material rígido- plástico. (c) Solución al método de análisis límite asociada a un diagrama de velocidades; falla por punzonamiento (d) Diagrama de velocidades.

De los fraficos por inspeccion se obtiene:

q = 2k ……..(d)

q = 4k………(e)

q = k(2+) = 5.14k………..(f)

Figura 1.9. Determinación de una solución de borde inferior.

A continuación se presenta una solución basada en el método de análisis límite, realizada por Bowles (1988) para el caso específico de una arcilla saturada sometida a la aplicación de una carga. Previamente, en las Figuras 2.0 y 2.1 se observan los dos posibles mecanismos de falla que pueden presentarse cuando el suelo de fundación alcanza la carga última de apoyo qu. Estos dos posibles mecanismos de falla son:

Circular, Fig. 2.0; en la que la resistencia al corte se desarrolla a lo largo del perímetro delcírculo que constituye la superficie de falla.

Punzonamiento en el terreno, representado por la cuña agb en la Figura 2.1o de maneraaproximada por la cuña ObO’ en la Fig ura 2.0.

Figura 2.0

FIGURA 2.1

Area = da

Friccion = r n tag n f

Cohesion = cdA/dA

Figura 2.9 Y 2.1. Capacidad de apoyo en un suelo con = 0, fig.(2.0) Zapata fundada en un suelo con = 0, (fig.2.2) Significado físico de la ecuación ( r = c + tag ) para resistencia al cortante(c) Círculos de Mohr para elementos observados en fig 2.0

A continuación se presenta la estimación de uq realizada como una extensión al trabajo de Prandtl (1920). La ecuación general presentada posteriormente fue desarrollada por Bowles (1988).

Figura 3.7. Capacidad de apoyo simplificada para un suelo c - (Bowles. 1988).

2. MÉTODOS SEMI- EMPÍRICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD ÚLTIMA DE APOYO.

2.1 Método de Terzaghi.

Las principales suposiciones realizadas por Terzaghi son:

La profundidad de fundación Df es menor que el ancho de la zapata B, es decir, menor que la dimensión menor de la zapata.

Ocurre una falla al corte general y la base de la zapata es rugosa.

El ángulo de la cuña abc es igual a , Fig. 3.8. La resistencia al corte del suelo por encima de la base de la

zapata en el plano cd es despreciable y está representada por la línea punteada en la Figura 3.8.

El peso del suelo que se encuentra sobre la base de la zapata puede ser reemplazado por un esfuerzo de sobrecarga q =Df

Tabla 3.2 Ecuación de Terzaghi.

Figura 3.8. Método de Terzaghi (Bowles, 1988).