UNIDAD TEMATICA N°02 CLASE 05 CAPACIDAD CARGA , TIPOS DE FALLAS (3).pptx

ERTYU

1. UNIDAD TEMATICA N°02 FACTORES QUE DETERMINAN EL TIPO DE FUNDACIONES O CIMENTACIONES, CAPACIDAD DE CARGA,TIPOS FALLA POR CORTE GENERAL: FALLA AL CORTE LOCAL FALLA AL CORTE POR PUNZONAMIENTO, 2.2. CAPACIDAD PORTANTE O DE CARGA DE LOS SUELOS Y COEFICIENTE DE BALASTRO ING. EDGAR ACURIO CRUZ UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE LOS ANDES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL CURSO : INGENIERIA DE FUNDACIONES (C)

2. INTRODUCCION El suelo constituye el material de ingeniería más heterogéneo y más impredecible en su comportamiento, es por ello que los coeficientes de seguridad que suelen utilizarse son al menos de 3 con relación a la resistencia. La presencia de diferentes tipos de suelos y de distintos tipos de estructuras da lugar a la existencia de distintos tipos de cimentaciones. La capacidad de carga, que a menudo se llama estabilidad, es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzca fallas dentro de su masa. La capacidad de un suelo para soportar una carga varía no solamente con la resistencia del suelo, sino también con la magnitud y distribución de la carga. Cuando una carga Q se aplica a un suelo en forma de incrementos graduales, el suelo se deforma y la curva de carga-asentamiento es similar a las curvas de esfuerzo-deformación. ( Sowers , 1972)

3. FALLAS EN LAS CIMENTACIONES

4. FALLAS EN LAS CIMENTACIONES

5. Suelos Compresibles La compresibilidad es el grado en que una masa de suelo disminuye su volumen bajo el efecto de una carga. A continuación se dan algunos ejemplos de compresibilidad para diversos suelos: Las gravas y las arenas son prácticamente incompresibles. Si se comprime una masa húmeda de estos materiales no se produce ningún cambio significativo en su volumen. Las arcillas son compresibles (SE GENERA EL FENOMENO DE CONSOLIDACIÓN) . Si se comprime una masa húmeda de arcilla, la humedad y el aire pueden ser expelidos, lo que trae como resultado una reducción de volumen que no se recupera inmediatamente cuando se elimina la carga. En general, la compresibilidad es aproximadamente proporcional al índice de plasticidad. Mientras mayor es el IP, mayor es la compresibilidad del suelo.

6. Capacidad de Carga En Cimentaciones, la capacidad de carga admisible o capacidad portante admisible de una cimentación debe entenderse como la máxima carga por unidad de área que puede aplicarse sin que se produzcan desperfectos en la estructura soportada en las condiciones de servicio, contando además con un razonable margen de seguridad. Técnicamente, la capacidad de carga es la máxima presión de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan una falla o rotura por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. (Laura, 2016 ). OJO : No se produce fallas en la cimentación cuando la capacidad de carga es mayor o igual a la presión que transmite la obra de ingeniería en la cimentación.

7. Capacidad de carga última neta Se define como la presión última por unidad de área de la cimentación soportada por el suelo, en exceso de la presión causada por el suelo alrededor al nivel de la cimentación. Si la diferencia entre el peso específico del material que conforma la fundación (ej. C ºAº ) y el peso específico del suelo que rodea a ésta se supone despreciable, entonces: q neta = q u – q Donde: q neta: Capacidad ultima neta q u : Carga ultima o capacidad de carga q = ɣ Df ɣ = peso específico del suelo Df = profundidad de cimentación

8. FALLAS O MECANISMOS DE RUPTURA DEL SUELO POR CAPACIDAD DE CARGA

9. Falla por corte general Una falla por corte general involucra una rotura total del suelo adyacente. Hay una falla continua por corte del suelo desde la base del cimiento hasta la superficie del terreno. En la gráfica carga. Asentamiento del cimiento, hay una carga distinta con la que la cimentación falla, y esto es generado por la carga última aplicable Q u . El valor de Q u dividido por el ancho B y la longitud L de la cimentación se considera que es la capacidad portante última , qu , del terreno de fundación. La capacidad portante última ha sido definida como el esfuerzo de carga que causa una falla catastrófica súbita de la cimentación.

10. Falla por corte general Si el suelo es poco compresible, el mecanismo de rotura se desarrolla sin cambio de volumen y las deformaciones verticales de la cimentación solamente se producen si se moviliza una masa de terreno a lo largo de una superficie de deslizamiento. Este mecanismo de rotura es el más general en cimentaciones superficiales y es el que se va a analizar con más detalle en este tema. -Características de este mecanismo: a ) Superficies de deslizamiento bien definidas que afloran en la superficie del terreno. b) Levantamientos del terreno a ambos lados. Aunque la teoría indica una rotura simétrica , pequeñas irregularidades hacen que sea asimétrica con giros más o menos importantes. c) La rotura puede ser repentina y catastrófica y se identifican de modo más o menos claro, en el terreno, las zonas que se muestran en la Figura 4.8. - Suelos típicos: Este tipo de mecanismos suele producirse en suelos homogéneos de baja o media compresibilidad : arenas densas o muy densas y arcillas saturadas, en condición de carga a corto plazo (sin drenaje).

11. Falla por corte general: Secuencia del mecanismo de rotura general en el terreno

12. Falla por punzonamiento Una falla por punzonamiento no desarrolla las distintas superficies de corte asociadas con una falla por corte general. En una falla por punzonamiento, el suelo fuera del área cargada no es afectado y hay un movimiento mínimo del suelo en ambos lados del cimiento. El proceso de deformación del cimiento involucra la compresión del suelo debajo del mismo, también el corte vertical del suelo alrededor del perímetro del cimiento. Como vemos en la Figura 8c, la curva carga. Asentamiento no tiene un cambio dramático, y para corte por punzonamiento la capacidad portante normalmente se define como el primer punto no lineal en la curva carga-asentamiento (círculo abierto)

13. Falla por punzonamiento Si el suelo es muy compresible, las deformaciones verticales de la cimentación pueden producirse por la disminución del volumen del suelo debajo de la cimentación. Este mecanismo de rotura es muy habitual en cimentaciones profundas. Características de este mecanismo: a) Superficies de deslizamiento bien definidas solamente debajo de la cimentación. b) Se producen grandes desplazamientos verticales debido a la compresibilidad del suelo. c) La rotura puede no ser catastrófica. No se producen levantamientos laterales del terreno ni giros destacables. -Suelos típicos: Suelos de alta compresibilidad: arenas muy sueltas, arcillas plásticas parcialmente saturadas , arcillas normalmente consolidadas en condición de drenaje.

14. Falla por corte local La falla por corte local involucra una rotura del suelo sólo a inmediaciones del cimiento. El suelo se eleva en ambos lados del cimiento, pero la elevación (desplazamiento) no es significante como en el corte general. La falla por corte local puede ser considerada una fase transicional entre la falla por corte general y la falla por punzonamiento. Debido a su naturaleza transicional, la capacidad portante puede ser definido como el primer punto no lineal en la curva carga .asentamiento (círculo abierto) o al punto donde el asentamiento crece rápidamente (círculo cerrado).

15. Falla por corte local Con cierta compresibilidad del terreno, puede aparecer una situación intermedia entre las dos anteriores que es la rotura local. Características de este mecanismo : a ) Superficies de deslizamiento bien definidas solamente debajo de la cimentación. b) Se requieren grandes deformaciones verticales para que la superficie de rotura aparezcan en la superficie del terreno. c) A ambos lados de la cimentación, los levantamientos son escasos. No se tiende a producir ningún giro en la cimentación y la rotura no suele ser catastrófica. - Suelos típicos: Suelos de compresibilidad moderada: arenas medianamente densas. En la siguiente Figura se muestra, en dos etapas, el mecanismo de rotura local.

16. Ábaco esquemático Mecanismo de rotura-Resistencia para un suelo homogéneo. Los diferentes mecanismos de rotura pueden clasificarse en forma de ábaco relacionándolos con la densidad relativa del suelo susceptible más probable. La Figura adjunta muestra un ábaco esquemático tipo para un suelo homogéneo en función del ancho de la cimentación B y de la profundidad de apoyo o profundidad de la cimentación D.

17. TEORÍAS DE CAPACIDAD DE CARGA  Uno de los primeros esfuerzos por adaptar a la mecánica de suelos, son los resultados de la Mecánica del Medio Continuo en la teoría de Terzaghi a partir de esta se generaron otras teorías como: Prandtl Hill Skempton Meyerhof Zaevaert

18. La teoría de Karl Von Terzaghi Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad de carga o capacidad última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es superficial si la profundidad Df de la cimentación es menor que o igual al ancho de la misma . Sin embargo , investigadores posteriores sugirieron que las cimentaciones con Df igual a tres o cuatro veces su ancho se podían definir como cimentaciones superficiales. Esta teoría cubre el caso más general, se aplica a suelos con cohesión y fricción , y su impacto en la Mecánica de Suelos ha sido de tal trascendencia que aun hoy es posiblemente la teoría más usada para el cálculo de capacidad de carga en los proyectos prácticos, especialmente en el caso de cimientos superficiales.

19. Terzaghi sugirió que para una cimentación continua o corrida: La superficie de falla en el suelo ante carga última se puede suponer similar a la que se muestra en la figura 3.5 . ( Observe que este es el caso de falla general por corte. El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentación también se puede suponer que se reemplaza por una sobrecarga equivalente, q= ɣDf . La zona de falla bajo la cimentación se puede separar en tres partes ( consulte la figura 3.5 ): La zona triangular ACD inmediatamente abajo de la cimentación. 2. Las zonas de radiales de corte ADF y CDE, con las curvas DE y DF como arcos de una espiral logarítmica. 3 . Dos zonas triangulares pasivas de Rankine FHA y CEG . Los ángulos CAD y ACD se suponen iguales al ángulo de fricción del suelo ø. Observe que , con el reemplazo del suelo arriba del fondo de la cimentación por una sobrecarga equivalente q , se ignoró la resistencia cortante del suelo a lo largo de las superficies de falla GI y HJ . Aplicando un análisis de equilibrio, Terzaghi expresó la capacidad de carga última con la expresión: La teoría de Karl Von Terzaghi

20. La teoría de Karl Von Terzaghi

21. La teoría de Karl Von Terzaghi

22. La teoría de Karl Von Terzaghi

23. La teoría de Karl Von Terzaghi

24. La teoría de Karl Von Terzaghi

25. MODIFICACIÓN DE LAS ECUACIONES DE CAPACIDAD DE CARGA POR NIVEL FREÁTICO Las modificaciones anteriores se basan en la suposición de que no existe una fuerza de filtración en el suelo. Caso III. Cuando el nivel freático se ubica tal que d $ B, el agua no tendrá efecto sobre la capacidad de carga última.

26. Factor de seguridad   El cálculo de la capacidad de carga permisible bruta de cimentaciones superficiales requiere aplicar un factor de seguridad (FS) a la capacidad de carga última bruta.

27. Ecuación general de capacidad de carga, Meyerhof ( 1963)

28. Ecuación general de capacidad de carga, Meyerhof (1963) DONDE

29. FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA Las siguientes expresiones debidas a Prandtl (1920) corresponden a las fórmulas analíticas que proporcionan los valores de los coeficientes de carga de la fórmula polinómica de Brinch -Hansen. Para el caso particular de ø = 0, tenemos que los coeficientes de capacidad de carga valen respectivamente: Nq = 1 Nc = 5,14 Ng = 0

30. FACTORES DE DE INCLINACIÓN Las expresiones que proporcionan los valores de los coeficientes de inclinación se deben a Schultze (1952), Caquot , Odgaard , Meyerhof y Hanna (1981 )

31. Ecuación general de la capacidad de carga

32. EJEMPLO DE CAPACIDAD DE CARGA UTILIZANDO LA FORMULA GENERALIZADA

33. Teoría de George Geoffrey Meyerhof La principal diferencia entre las teorías de Terzaghi y Meyerhof es que este último considera la resistencia al corte del suelo sobre el nivel de desplante de la cimentación, mientras que el primero lo ignora. Meyerhof permite que las zonas de falla se extiendan hasta la superficie del terreno (Meyerhof, 1951). La superficie de falla asumida por Meyerhof se muestra del lado derecho en la Figura 14 y Figura 15. ( Sowers , 1972)

34. El mecanismo de falla de una cimentación a poca profundidad está dividido en tres zonas (Figura 15), la primera abc es una cuña elástica de esfuerzos uniformes que se puede considerar en estado activo de Rankine ; la segunda bcd es una cuña limitada por una curva de espiral logarítmica cd y es una zona de esfuerzo cortante radial; la tercera bde es una zona de corte mixta donde el cortante varía entre los límites del corte radial y del corte plano, dependiendo de la rugosidad y profundidad de la cimentación y se considera que está en estado pasivo de Rankine . El plano be es la denominada superficie libre equivalente o superficie de Meyerhof y en esta superficie actúan los esfuerzos normales Po y los tangenciales So productos del peso del suelo por encima de be. ( Sowers , 1972)

35.   Usando el método de superposición de efectos, finalmente la ecuación de capacidad portante última de Meyerhof es una expresión matemática completamente similar a la de Terzaghi. Con las expresiones establecidas por Prandtl (1920) para , por Reissner (1924) para y por el mismo Meyerhof (1951) para un valor aproximado de , estos factores de capacidad portante para una cimentación superficial corrida y horizontal sometida a carga vertical son:      

36. Para determinar la capacidad portante última de cimentaciones circulares y rectangulares de lados B y L, los factores parciales deben multiplicarse por los correspondientes factores de forma , de origen empírico, que son:  

37. Teoría de Jorge Brinch Hansen En una conferencia presentada en Japón (en octubre de 1968) y publicada después de su muerte, J. Brinch Hansen (1970) resume las recomendaciones para el cálculo de la capacidad portante última de cimentaciones superficiales siguiendo el marco general introducido por Terzaghi [ecuación (2)], con los tres factores de capacidad portante, dos de ellos idénticos a los usados por Meyerhof (1963): Donde es un límite inferior calculado por Lundgren y Mortensen (1953), y luego por Odgaard y Christensen . En 1961, Brinch Hansen propuso una expresión diferente:  

38. Teoría de Aleksandar Sedmak Vesic Vesic (1973) presenta un punto de vista complementario del desarrollo del análisis de la capacidad portante de cimentaciones superficiales. La primera aplicación de estas soluciones en el diseño de cimentaciones es debido a Caquot (1934) y Buisman (1935), que inspiraron a los primeros intentos de extensión de los cálculos de plasticidad suelos con peso (Raes, 1941) y sugirieron la superposición del término con los otros dos de la ecuación de la capacidad portante.  

39. El efecto de la compresibilidad del suelo y el tamaño del cimiento es ampliamente discutido. La disminución de la resistencia del suelo cuando el tamaño del cimiento aumenta al parecer es debido a tres causas: La envolvente de los círculos de Mohr no es una línea recta; La falla o rotura se desarrolla progresivamente sobre la superficie de falla; Existen zonas de muy baja resistencia en todos los suelos naturales. Esta disminución se debe principalmente el término .  

40. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LOS PARAMETROS DE RESITENCIA DEL SUELO ( ø; c) PARA CALCULAR LA CAPACIDAD PORTANTE Ensayo de compresión triaxial Es el ensayo más común, puede aplicarse para todos los tipos de suelo excepto para las arcillas muy sensibles y permite aplicar diferentes procedimientos. La prueba se realiza en una probeta cilíndrica de suelo que tiene una relación altura/diámetro de 2:1, los tamaños comunes son de 16 X 38 mm y 100 x 50 mm.

41. Ensayo de corte directo Recibe este nombre debido a que se miden los esfuerzos normales y de corte en el plano de falla; se corta un prisma rectangular o cilíndrico de una muestra de suelo (o se remoldea , según sea necesario) y se introduce con precisión en una caja metálica dividida en dos mitades horizontales. En el aparato de tipo estándar la caja es de 60 x 60 mm, puede ser tanto de forma cuadrada como circular y fue desarrollado por Casagrande, pero para los suelos de granos más gruesos y quizá arcillas agrietadas se usa una versión más grande.

42. Ensayo de penetración estándar (SPT) Se emplea para conocer la resistencia de un terreno y su capacidad de deformarse, conocido también como ensayo dinámico está especialmente indicado para arenas debido a que en suelos arcillosos presenta bastantes dificultades de interpretación, también en suelos que contengan gravas deberá de tenerse cuidado con la influencia del tamaño de partículas del suelo. Consiste en determinar el número de golpes necesarios (N) para hincar un muestreador a cierta profundidad en el suelo.

43. Ensayo de penetración de cono (CPT) Originalmente conocido como ensayo de penetración con cono holandés, es un método utilizado para determinar los materiales en un perfil de suelo y hacer un estimado de las propiedades ingenieriles, también se le conoce como prueba de penetración estática, a diferencia del SPT no necesita de barrenos para su realización. Se efectúa empujando el cono de penetración estándar (de acuerdo con la norma ASTM D 3441, con 60° de la punta a la base, un diámetro de 35.7 mm con un área de sección de 10 cm²) en el suelo a un ritmo de 10 a 20 mm/s, el ensayo es detenido periódicamente para sujetar barras de 1 m y así extender la profundidad del sondeo; sin embargo, algunas configuraciones de empuje permiten una longitud extra de barra para hacer un empuje casi continuo, los primeros penetrómetros median únicamente la resistencia a la penetración, llamada resistencia a la penetración de punta.

44. CONCLUSIONES Los tipos de fallas que puede tener un suelo por su capacidad portante son: falla por corte general, por punzonamiento y por corte local. Existen muchas teorías de capacidad de carga de las cuales Terzaghi es la mas utilizada La formula general de la capacidad portante esta dada por Meyerhof (1963). En manera practica (ensayos de laboratorio) el ensayo de penetración estándar es un medio fácil para determinar la capacidad de carga admisible del suelo y tiene la ventaja de proporcionar un perfil estratigráfico, además que las muestras obtenidas son alteradas pero representativas, razón por la que puede determinarse el tipo de suelo y hacer las correlaciones respectivas. El ensayo de corte directo proporciona un valor del ángulo de fricción interna 5º mayor al obtenido en el ensayo triaxial , para mayor seguridad realizar la reducción recomendada con el factor de seguridad en corte (FS corte).

45. “El Coeficiente de Balasto en la Interacción Suelo Estructura ” ING. EDGAR ACURIO CRUZ

46. OBJETIVOS Obtener parámetros referenciales que sirvan en la elección del tipo de cimentación Calcular el coeficiente de Balasto para las zapatas y vigas de cimentación. Usar el coeficiente de Balasto en un modelo estructural que agrupe tanto a la subestructura como a la superestructura y compararlas con modelos independientes entre sub estructuras y superestructura.

47. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE BALASTO El módulo de balasto de una losa o zapata se define a partir de el ensayo de placa de carga realizado sobre el terreno, siendo habitual que dicha placa sea cuadrada de 30x30 cm (1 pie x 1 pie), o bien circular de diámetros 30, 60, 76.2 cm. El coeficiente de balasto para una pequeña superficie cargada en terreno homogéneo se deduce directamente de la pendiente de la curva presión-asiento en un ensayo de carga con placa

48. Sin embargo, al aumentar la superficie cargada los asientos son mayores para la misma presión, la carga afecta a un mayor volumen de terreno y por tanto disminuye.

49. TIPOS DE ENSAYO DE CARGA ENSAYOS DE CARGA DIRECTA Este ensayo consiste en aplicar una determinada carga vertical a una placa circular y registrar el asentamiento producido por la misma. Para cada valor de carga o descarga se toman las lecturas de los asentamientos a intervalos de tiempos específicos hasta que estas se estabilicen o su variación sea pequeña. A continuación se tiene el ensayo de carga con fines de cimentación realizado en el laboratorio Geotécnico del CISMID de la universidad nacional de ingeniería Lima (Estudio Nº LG 99021) .

50. Reemplazando los valores de asentamiento en la ecuación lineal para x=1 y x=2 se tiene y= 1.7148 e y=3.7206 de los cuales el valor del coeficiente de balasto será: K=20.06 kg/cm3

51. ENSAYO DE CARGA CICLICA Este ensayo consiste en aplicar ciclos de carga y descarga el objetivo es determinar la deformación elástica en carga y descarga, por consiguiente determinar las propiedades dinámicas del terreno de acuerdo a la norma ASTM D- 1194 con las modificaciones del caso. Este tipo de ensayo se realiza para determinar las características del suelo donde se ubicaran la cimentación de maquinas

52. Calicata: C-1 Profundidad: 2.00 m Placa cuadrada de 30x30 cm Fecha : febrero de 2019

53. Reemplazando los valores de asentamiento en la ecuación lineal para x=2 y x=3 se tiene y= 0.2283 e y=0.5161 respectivamente de los cuales el valor del coeficiente de balasto será: K=2.872 kg/cm3

54. GRACIAS