REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
OS D A RV
E S E SR O H C E R DE
PROGRAMA DE SELECCIÓN DE FUNDACIONES SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL
Maracaibo, abril de 2005. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
OS D A RV
PROGRAMA DE SELECCIÓN DE FUNDACIONES
E S E SR O H C E R DE
SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL
BASTIDAS AZCÁRATE, Adriana Isabel. GÜERERE RODRÍGUEZ, Pedro José.
Maracaibo, Abril de 2005. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PROGRAMA DE SELECCIÓN DE FUNDACIONES SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO
OS D A RV
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE
E S E SR O H C E R DE
INGENIERO CIVIL
BASTIDAS AZCÁRATE, Adriana Isabel GUERERE RODRIGUEZ, Pedro José C.I.- 15.623.966.
C.I.- 14.117.181.
Maracaibo, Abril de 2005.
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado, titulo, “Programa de Selección de Fundaciones Superficiales sobre Lecho Elástico” que los bachilleres Bastidas Azcárate, Adriana Isabel y Güerere Rodríguez, Pedro José presentan en cumplimiento de los requisitos señalados en el reglamento de la Escuela de Ingeniería Civil para optar por el Titulo de Ingeniero Civil.
JURADO EXAMINADOR
Ing. Esteban Di Loreto C.I:12.444.474 TUTOR ACADEMICO
Ing. Jesús Medina C.I:5.624.053 JURADO
Prof. Heberto Rios C.I:3.379.386 JURADO
OS D A RV
E S E SR O Ing. Nancy Urdaneta Ing. José Bohórquez H C E C.I:5.818.597 C.I:3.379454 ER D
DIRECTORA DE ESCUELA
DECANO
PROGRAMA DE SELECCIÓN DE FUNDACIONES SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO
OS D A RV
E S E SR O H C E R DE
RESUMEN BASTIDAS AZCÁRATE, Adriana Isabel y GÜERERE RODRÍGUEZ, Pedro José. “PROGRAMA DE SELECCIÓN DE FUNDACIONES SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO”. Trabajo Especial de Grado. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Maracaibo, Enero de 2005.
El objetivo principal de este trabajo de investigación fue la elaboración de un programa comparativo de los diferentes tipos de fundaciones superficiales aplicando una serie de hojas de cálculo realizadas con la finalidad de agilizar los procesos de cálculo y diseño, reduciendo los errores , y al mismo tiempo obtener la fundación mas económica.
Se elaboraron hojas de cálculo para diferentes casos que se presentan en la mayoría de los proyectos de infraestructura, esto se logró analizando varios tipos de fundaciones del tipo losa fundación en un programa espacial y estableciendo una relación entre los resultados obtenidos, teniendo en cuenta la variación entre las estructuras. Las tablas obtenidas resultaron de muy fácil uso y agradable al usuario, ofreciendo una clara visualización del proceso de cálculo, e indicando diversas alternativas de posibles soluciones para el diseño de una infraestructura tipo fundación superficial, teniendo en cuenta los parámetros de seguridad.
OS D A RV
E S E SR DEDICATORIA O H C E R DE
A Dios, por guiar mi camino y acompañarme siempre, por darme fuerza y coraje para alcanzar mis metas y la satisfacción de poder estar con todos los míos. A mi Papa que desde donde quiera que este siempre estuvo y estará conmigo, siempre se sentirá orgullo de mí. A mi Mamá, que es el ejemplo a seguir como mujer y como madre y que siempre me apoyo y me ayudo en todo lo necesario para cumplir mi meta. A mis hermanos Leonardo y Fernando, que son un pilar fundamental para mi desarrollo y superación como persona, y que siempre están a mi lado a pesar de las adversidades. A mi familia, en especial a mi prima Mary Carmen que siempre me ayudo en todo lo necesario y a todas aquellas personas que me
acompañaron en la trayectoria de mi carrera y que merecen mi más profundo agradecimiento.
Adriana Isabel.
OS D A RV
E S E SR O H C E R DE DEDICATORIA
A Dios, quien día a día me ha dado fuerzas para llevar a cabo todo lo que me he propuesto en mi vida y me guió a escoger los caminos correctos.
A mi Papa y a mi Mama, quienes me dieron el cariño y el apoyo necesario para lograr todo lo que he llegado a alcanzar hasta este momento en mi vida.
A mis hermanos, amigos y compañeros de estudio, quienes me brindaron su ayuda y me acompañaron en los momentos más difíciles de la carrera.
Pedro José
AGRADECIMIENTO A Dios por habernos ayudado a finalizar nuestro proyecto de
OS D A RV
investigación para optar por el titulo de Ingeniero Civil.
E S E OS R e inspiración durante laC vida. H E R E D
A nuestros padres, por haber sido para nosotros un símbolo de apoyo
A nuestros hermanos y familiares, por la ayuda que nos brindaron
para poder finalizar con éxito nuestra carrera. Al Ing. al Ing. Abraham Benahim, por siempre disponer de tiempo para asesorarnos y guiarnos. A nuestros amigos, que fueron un apoyo incondicional.
Adriana y Pedro
INDICE
Pág 18
CAPITULO I. MARCO REFERENCIAL 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
E S E SR O H C 1.2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA E R E D
OS D A RV
1.1.1. FORMULACIÓN
1.3. OBJETIVOS
18 20 21 22
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
22
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
22
1.4. DELIMITACION
23
1.4.1. ESPACIAL
23
1.4.2. TEMPORAL
23
1.4.3. TEORICA
23
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO
25
2.1. ANTECEDENTES
25
2.2. CONCEPTOS BASICOS
30
2.3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
35
35
2.3.1. GENERALIDADES 2.3.2. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
36
2.3.3. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
38
2.3.4. TIPOS O CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
41
A. FUNDACIONES SUPERFICIALES AISLADAS
42
B. FUNDACIONES SUPERFICIALES COMBINADAS
OS H C RE
OS D A RV
E S E R
43
C. FUNDACIONES SUPERFICIALES
DECONTINUAS
D. FUNDACIONES TIPO LOSA FUNDACION
44 44
2.3.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE FUNDACIONES SUPERFICIALES
45
2.3.6. PROYECTO DE FUNDACIONES SOBRE FUNDACIONES SUPERFICIALES
46
2.3.7. CARGAS DE TRABAJO DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
56
2.3.8. CAPACIDAD DE CARGA SOBRE FUNDACIONES SUPERFICIALES. 2.4. INTERACCION SUELO ESTRUCTURA. 2.4.1. FUNDACIONES EN ARENAS Y GRAVAS. 2.4.2. FUNDACIONES EN ARCILLAS
59 63 64
68
HOMOGENEAS. 2.4.3. FUNDACIONES EN ARCILLAS FISURADAS.
73
2.4.4. FUNDACIONES EN LIMOS Y LOESS.
75
2.4.5. FUNDACIONES EN SUELOS 79
ESTRATIFICADOS. 2.5. CUADRO DE OPERACIONALIZACION DE LA VARIABLE DE INVESTIGACION.
81
2.5.1 DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.
OS D A RV
2.5.2. SISTEMA DE VARIABLES E INDICADORES.
E S E SR O H C E R DE
2.5.3 DEFINICION OPERACIONAL DE LA VARIABLE
81 81 81
CAPITULO III. MARCO METODOLÓGICO 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
82
3.2. PROCEDIMIENTO
83
CAPITULO IV. ANÁLISIS E INERPRETACIÓN DE RESULTADOS
86
4.1.- GENERALIDADES
86
4.2.- RESULTADOS OBTENIDOS
87
4.2.1.- TABLAS DE VALORES.
136
4.2.1.1- GRAFICAS DE DEFORMASIÓN Vs ESPESOR, PARA CADA COEFICIENTE DE BALASTO 4.2.1.3.- AGRUPACIONES
151 154
4.2.1.4.- GRAFICAS DE ECUACIONES
177
4.2.2.- COEFICIENTE DE CARGA. 4.2.2.1.- TABLA DE VALORES DE CARGA SEGÚN UBICACION.
180 183
4.2.2.2. GRAFICA DE ÁREA Vs PORCENTAJE DE CARGA.
215 216
4.3 HOJA DE CÁLCULO.
217
CONCLUSIONES
OS D A RV
RECOMENDACIONES
219
E S E SR O H C E R DE
BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCIÓN Para que una estructura ofrezca seguridad y
cumpla con
las
respectivas normas de construcción, ha de llevar una infraestructura adecuada, siendo el diseño de ésta uno de los aspectos más importantes en un proyecto de obra civil. Hoy en día existe una gran variedad de tipos de fundaciones, la elección de la más apropiada esta en manos de diversos factores tales como: los resultados obtenidos del estudio de suelos, factibilidad
constructiva y el factor económico. Uno de los tipos de fundación más comunes actualmente son las fundaciones superficiales; las cuales son aquellas fundaciones donde las cargas de la estructura pasan directamente al terreno resistente situado inmediatamente debajo. Se utilizan cuando inmediatamente debajo de la estructura existe una capa de terreno resistente de suficiente espesor.
En obras de ingeniería se suele exigir una
profundidad de 1.0 a 3.0 mts. La rapidez del proceso de cálculo y diseño y la reducción de errores en dichos procedimientos, fueron las razones mas relevantes por las cuales se planteó la necesidad de elaborar una hoja de cálculo funcional, de fácil
OS D A RV
entendimiento, adaptada a los avances tecnológicos actuales que permita
E S E SR O H infraestructura tipo superficial. C E R DE
seleccionar la alternativa más óptima para realizar el diseño de una
En el presente trabajo especial de grado, se elabora una serie de hojas de cálculo en EXCEL bajo ambiente Windows xp, para recopilar los resultados provenientes de programas de cálculo para ser analizados un grupo de fundaciones superficiales, necesarias para la selección un diseño de fundaciones superficiales sumamente práctico, tomando en cuenta la funcionabilidad y los costos que éstas representan. El trabajo está estructurado en cuatro capítulos, que abarcan la totalidad de los pasos a seguir para lograr resultados óptimos en la investigación. El primer capítulo, contiene una abstracción del problema, importancia de la investigación, su delimitación y los objetivos perseguidos en la misma. El segundo capítulo, define y describe todos los aspectos relacionados con las fundaciones superficiales, es decir, su formulación. El tercer capítulo, contempla una breve explicación de la metodología
empleada para la elaboración del proyecto. Y por último, el cuarto capítulo explica la selección y diseño del sistema abarcando la descripción de las formulaciones empleadas para el diseño de las fundaciones superficiales.
OS D A RV
E S E SR O H C E R 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE
CAPITULO I. MARCO REFERENCIAL
Las actividades que antiguamente eran realizadas por el hombre, y entre estas las que son propias de la Ingeniería Civil, han venido siendo automatizadas mediante el uso de las computadoras para disminuir los errores y el tiempo que transcurre en obtener y procesar sus cálculos. Con la programación de estos equipos, se ha simplificado y optimizado muchas de las actividades de cálculo en el área de la ingeniería, que en el pasado se realizaban por métodos manuales. Actualmente existen en el mercado diversos programas para las diversas actividades, sin embargo muchos de éstos son muy sofisticados e inaccesibles a un gran grupo de personas.
En el campo de la Ingeniería Civil, actualmente existe una extensa variedades de aplicaciones tecnológicas para muchos tipos de cálculo, bien sea estructurales, rendimiento de obra, análisis de costos, etc. pero las
mismas por lo general son poco accesibles para una buena parte de los ingenieros civiles debido al elevado costo de estos programas.
En lo referente a las aplicaciones para el diseño de fundaciones superficiales, éstas no están fuera de las características mencionadas anteriormente, pero muchas veces es difícil para los usuarios la introducción de los datos, debido al desconocimiento del programa, lo cual se traduce en dificultades para llevar a cabo la interpretación de los resultados obtenidos.
OS D A RV
E S E R Sclaridad O algunos casos no exponen con la visualización del proceso de H C E ER superficial, lo que conlleva a una desconfianza a los diseño de laD fundación Sumado a lo señalado anteriormente, las aplicaciones existentes en
valores que arrojan dicha aplicación.
Debido a lo dicho anteriormente, y dado lo importante que es el diseño de fundaciones superficiales para soportar las cargas provenientes de las estructuras, ya que todas las edificaciones son construidas en dos partes fundamentales: la Superestructura, el cual se encuentra por encima del nivel del terreno y su función es servir como soporte directo en los enceres del hombre; la Infraestructura el cual se encarga de darle estabilidad al conjunto, transmitiendo los efectos máximos generados en el extremo inferior de la superestructura a la tierra, soporte universal de todas las edificaciones. La cimentación o fundación es aquella parte de la estructura que tiene como fin exclusivo transmitir el peso de la misma al terreno natural, dentro de estas se encuentran las fundaciones superficiales, las cuales son elementos estructurales cuya finalidad es transferir
adecuadamente todas las posible acciones que actúen sobre una estructura hasta el suelo que le sirva de apoyo, en base a esto surgió la necesidad de optimizar su proceso de diseño con las herramientas tecnológicas disponibles actualmente, dentro de una economía razonable y segura.
Por lo tanto la presente investigación estuvo motivada en buscar una alternativa que permita simplificar el proceso de diseño de fundaciones superficiales mediante la implementación de tablas de calculo elaboradas en EXCEL en ambiente Windows XP; dichas tablas recopilan todos los
S O D A fundaciones superficiales elaboradas en un programa RV de calculo espacial, E S E en el diseño de las fundaciones R con la finalidad de agilizar losS cálculos O H C E superficiales, seleccionando la alternativa más óptima de acuerdo a ciertos DER datos provenientes del análisis y diseño de casos generalizados de
parámetros como seguridad, economía y factibilidad constructiva, de una gama de posibles soluciones de acuerdo a las características del suelo y las cargas provenientes de la estructura, reduciendo el tiempo de trabajo y evitando errores en los cálculos, lo cual es muy común si se realiza manualmente.
1.1.1. FORMULACIÓN DE PROBLEMA
¿Podrá diseñarse un programa que compare los diferentes tipos de fundaciones superficiales en lecho elástico para una óptima selección, bajo ambiente Excel? 1.2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
El diseño de una infraestructura del tipo fundación superficial es de gran importancia, ya que la misma debe soportar las cargas provenientes de las superestructuras, de tal forma que se brinde seguridad y de evitar excesivos asentamientos.
Los programas para el diseño de fundaciones superficiales computarizados permiten agilizar los cálculos, así como también aumentar la eficiencia y seguridad en la optimización de los mismos. Motivado por
OS D A RV fácil de usar y que requerimientos y los avances tecnológicos E actuales, S E de diseño. R S permita seleccionar la alternativa más óptima HO C E DER ello, se planteó la necesidad de elaborar una aplicación adaptada a los
Las tablas de calculo en EXCEL nos permiten visualizar claramente el proceso de cálculo y procesamiento de datos, ofreciendo al estudiante, al ingeniero o al proyectista, un instrumento que le permitirá diseñar infraestructuras del tipo fundación superficial y paralelamente reducir notoriamente horas de trabajo, errores y costos de ejecución del sistema de diseño.
Además, el uso de EXCEL está muy generalizado, por lo que representa una opción fácil de adquirir para aquellas personas que lo necesiten. 1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar un programa comparativo de los diferentes tipos de fundaciones superficiales en lecho elástico para una optima selección.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS - Analizar una estructura el cual se le diseñen los diferentes tipos de fundaciones superficiales. - Describir la formulación estática particularizada para el diseño de cada tipo de fundaciones superficiales.
OS D A RV
- Elaborar una hoja de calculo Excel que recopile todo los datos proveniente del análisis y diseño de cada tipo de fundaciones superficiales elaboradas en un programa de calculo espacial. -
E S E SR O H C métricos de cada Generar los cómputos E R DE superficiales.
una de las fundaciones
- Elaborar hoja de calculo Excel que compare y seleccione la fundación más óptima.
1.4. DELIMITACION
1.4.1. DELIMITACION ESPACIAL
La investigación se realizó en la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia, trabajando
fundamentalmente
en
la
compañía
B.P.C
(Ingenieros
consultores y Construcciones), ubicada en la calle 72 con Avenidas 3C y 3D sector La Lago residencias el Cují. 1.4.2. DELIMITACION TEMPORAL
La investigación se realizará en un tiempo comprendido desde Abril del 2004 hasta Enero del 2005.
OS D A RV
1.4.3. DELIMITACION TEORICA
E S E SR O H Cinvestigación tendrá como E R Este D trabajo de E
objeto simplificar la selección del diseño de una infraestructura más óptima entre los diferentes tipos de fundaciones superficiales mediante las aplicaciones de un programa de cálculo generado bajo el ambiente Excel y las formulaciones de estática particularizadas para su diseño.
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO
2.1. ANTECEDENTES Para el desarrollo de esta investigación se utilizó la literatura que se explica a continuación:
¾ Salom Martínez, David Alejandro y Servigna Romero, Daniel Alberto. “Caracterización Geotécnica de Fundaciones Mediante Tomografía Sísmica”. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería Civil, Junio de 2001.
La Tomografía Sísmica es un nuevo método geofísico de exploración del subsuelo que permite la obtención de imágenes tomográficas de velocidades de ondas mecánicas del medio en estudio. Dichas imágenes permiten inferir el tipo de suelo y estratigrafía existente. La metodología,
S O D A geotécnica, tales como: determinación de losRparámetros dinámicos de V E S E de variaciones en el campo de R suelos, detección de cavidades, S evaluación O H C E esfuerzos, etc. ER D también presenta otras aplicaciones en el campo de la ingeniería
El objetivo de este Trabajo Especial de Grado es caracterizar perfiles
de suelos mediante el uso de imágenes tomográficas de velocidades de ondas de corte. El estudio de campo se realizó en el dique de protección de la Costa Orienta del Lago específicamente en Lagunillas. Para la obtención de datos de la zona estudiada, se utilizó una fuente de pozo, la cual se hincó por medio de un equipo hidráulico de Cono de Penetración. Para la recepción del frente de ondas se utilizó un geófono de pozo, el cual requirió de una perforación geotécnica entubada. La separación entre la fuente y el receptor fue de 3 m, y el estudio se realizó hasta una profundidad de 7,15 m. Mediante la imagen tomográfica generada, se obtuvieron los parámetros geotécnicos de la sección estudiada y adicionalmente se determinaron los parámetros dinámicos de dicho perfil. Los resultados obtenidos coincidieron con estudios geotécnicos anteriores, por tanto se consideran satisfactorios, demostrando así la validez del método.
¾ Manjarrés M. Stanley. “Análisis y Diseño de Fundaciones”. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Escuela de Civil, 1987.
Con la finalidad de estudiar con mayor grado de sofisticación (comparativamente a los estudios realizados por métodos convencionales) el comportamiento de fundaciones superficiales tipo flexible y fundaciones profundas tipo pilote, ha sido desarrollado en este trabajo un modelo de
OS D A RV instancia resultan una por medio de métodos numéricos, que en primera E S RE las solicitaciones internas en S herramienta poderosa paraOobtener H C E fundacionesD cuyas ERcondiciones de carga y/o condiciones de con torno son discretización de fundaciones, implementando procedimientos de análisis
complejas, para fundaciones en las cuales las condiciones soporte del suelo
son difíciles de representar o, para estructuras cuyas fundaciones requieren un estricto control de su asentamiento diferencial. Las ecuaciones diferenciales que interpretan el comportamiento de la interacción suelo-fundación en las fundaciones superficiales tipo flexible y fundaciones profundas tipo pilote, fueron resueltas por el método numérico de diferencias finitas, el cual fue implementado en los, programas de computación “Placa-Fundación” y “Viga-Columna” respectivamente. Las fundaciones superficiales tipo flexible pueden estar sobre un medio elástico y/o elastoplástico y su pedestal puede estar sometido a compresión, flexo-compresión uniaxial o flexo compresión biaxial; además dicho pedestal puede ubicarse en cualquier parte del área delimitada de la base de la fundación.
El programa de computación “Placa-Fundación” proporciona entre los resultados las curvas deflexión referencial de la base de la fundación, deflexión del suelo, momentos flectores internos, presión y reacción del suelo. El programa de computación “Viga-Columna” proporciona entre los resultados, las curvas de deflexión del pilote, curvas de rotación, momento flector, corte y reacción del suelo.
OS D A RV
E S E SR O H CNatalia Nayef y Valbuena Pirela, Ivonne Teresa. E ¾ Obeid Elhalabi, R DE
“Factibilidad del Reemplazo de los Materiales Tradicionales en el Diseño de Fundaciones Para Equipos Vibratorios”. Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Civil. Maracaibo, 1.999.
El objeto de esta investigación fue Analizar la Posibilidad de Reemplazar el Núcleo de Concreto Armado con que se construyen las Fundaciones Tradicionales para Equipos Vibratorios por Material Granular (arena). Se esquematizaron dos modelos de fundación, la Tradicional, maciza de concreto armado, y la Propuesta con núcleo de material granular. Ambas fueron estudiadas estructuralmente con la ayuda del Programa “FMVIB”, propuesto por Cooper y Laudi (1.986), arrojando resultados favorables. Se estudió la Factibilidad Económica de la Fundación Propuesta, estableciendo relaciones con la Tradicional y demostrando una reducción de costos promedio del 45%, pudiendo llegar a un 66%
aproximadamente. Al obtener respuestas positivas de ambos estudios, se procedió al diseño y construcción de dos modelos de fundación a escala, de iguales dimensiones y volúmenes menores a 1 m3 esto con el único fin de estudiar el comportamiento de las Fundaciones Propuestas, para luego ser comparado con el comportamiento de la Tradicional. Ambas fundaciones fueron sometidas a las mismas solicitaciones dinámicas impuestas por un Martillo Instrumentado, de características conocidas. Los resultados arrojaron una notoria diferencia entre el comportamiento de la Fundación Tradicional y la Propuesta. Esta última presentó altos niveles de vibración en el punto medio de la losa superior, desarrollando un efecto de placa. Se
OS D A RV
recomendó, aumentar el espesor de la losa superior y asegurar una buena
E S E S Rrígido. De esta manera los esfuerzos Ocuerpo fundación se comporteC como H E R E D podrán ser transmitidos y absorbidos por el resto de la estructura. conexión entre la losa y las paredes, con el propósito de garantizar que la
• Bieler Romero, Bernardo Miguel y Vivas Mendez, Johann Irase. “Estudio de los Parámetros Geotécnicos y de Sensibilidad Económica para el Dimensionamiento de Fundaciones en Instalaciones
Industriales”.
Trabajo
especial
de
grado.
Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Civil. Julio 2001.
Toda instalación para uso industrial requiere de un diseño que vaya orientado a cubrir con los requerimientos para la cual fue creada. Todos y cada uno de sus elementos han de ser concebidos de manera que sean lo más eficiente posible, a través de una serie de cálculos y ajustes durante el diseño. De igual o mayor importancia debe ser la concepción del sistema de fundaciones. Es posible que, en algunos casos, los estudios geotécnicos
exploratorios requeridos sean omitidos, no se utilicen los estudios adecuados o se utilicen valores de lugares cercanos donde no se verifique su aplicabilidad. Esto puede traer consecuencias que repercuten en la eficiencia del proyecto. En este trabajo se presenta una recopilación de un conjunto de estudios que orienten al ingeniero, a obtener la información geotécnica necesaria para el correcto dimensionamiento de fundaciones. De igual manera se presenta una serie de gráficas desarrolladas a partir de los métodos
de
dimensionamiento
más
comunes,
que
junto
a
las
consideraciones económicas, ayudan a realizar una estimación rápida del sistema de fundaciones.
OS D A RV
E S E El desarrollo de diferentes S Rmétodos de dimensionamiento de O H C E fundaciones mostró variabilidad de los resultados según las condiciones del R DE suelo, lo que demostró diferencia de criterios en c uno de los autores. Los
valores obtenidos de estas graficas son coherentes con las características del suelo y se aplicaron a un caso específico donde a partir de un estudio exploratorio se estimó un posible sistema de fundaciones y se recomendaron los ensayos que ayuden a complementar la información geotécnica.
• ARAUJO NEGRON, Rubén Darío y PERALTA PERINI, José Ricardo. “DISEÑO SIMPLIFICADO DE FUNDACIONES SUPERFICIALES SOBRE LECHO ELASTICO”.
Trabajo
Especial de Grado. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Maracaibo, Enero de 2004.
El objetivo principal de este trabajo de investigación fue la simplificación del proceso de diseño de un sistema de fundaciones superficiales aplicando una serie de hojas de cálculo realizadas con la finalidad de agilizar los procesos de cálculo y diseño, reduciendo los errores.
Se elaboraron hojas de cálculo para diferentes casos que se presentan en la mayoría de los proyectos de infraestructura, esto se logró analizando
OS D A RVobtenidos, teniendo en y estableciendo una relación entre los resultados E S E R S cuenta la variación entre las estructuras. HO C E DER
varios tipos de fundaciones del tipo losa fundación en un programa espacial
Las tablas obtenidas resultaron de muy fácil uso y agradable al usuario, ofreciendo una clara visualización del proceso de cálculo, e indicando diversas alternativas de posibles soluciones para el diseño de una infraestructura tipo fundación superficial, teniendo en cuenta los parámetros de seguridad.
2.2. CONCEPTOS BASICOS
En este capitulo se explican los lineamientos teóricos generales sobre fundaciones superficiales, así como también todo lo relacionado con sus respectivos procesos de calculo y diseño.
La terminología aplicada a las fundaciones es amplia y numerosa, su conocimiento es de gran importancia para que el lector pueda entender con mayor facilidad el cálculo y diseño de fundaciones superficiales. A continuación se definen los términos a utilizar en consideración de su importancia: Fundación Es una ampliación de la base de una columna o muro, que tiene por objeto transmitir la carga al suelo, a una presión adecuada a las propiedades de éste. El propósito principal de una fundación es distribuir las cargas de
OS D A RV
modo que no exceda la capacidad de carga permisible del terreno.
E S E SR O H Son aquellas E fundaciones donde las cargas de le estructura pasan C R DE Fundación Superficial
directamente al terreno resistente situado inmediatamente debajo. Se utilizan cuando inmediatamente debajo de la estructura existe una capa de terreno resistente de suficiente espesor. En obras de ingeniería, para este espesor, se suele exigir una profundidad de 1.0 a 3.0 mts. Fundación Aislada Son aquellas que soportan una sola columna y su refuerzo consiste en dos juegos de cabillas, colocadas en ángulo recto uno con respecto al otro, lo cual se conoce como refuerzo en dos direcciones.
Fundaciones Convencionales o Típicas Son fundaciones aisladas cuya forma es de uso común, ejemplo: cuadradas, rectangular y circulares. Fundaciones no Convencionales o Atípicas
Son fundaciones que por las condiciones de diseño se construyen de una forma no común. Ejemplo: triangulares, anulares, trapeciales, con ranuras o mellas u otras. Fundaciones Combinadas Son aquellas fundaciones que soportan más de una columna, tanto interior como exterior. Losa de Fundación Es una fundación combinada que cubre toda el área que queda debajo de una Estructura y que soporta todos los muros y columnas. Zapata
OS D A RV
E S E Es la parte ensanchada de SlaRcolumna que transmite las cargas de O H Cde fundación. Es aquella que soporta las distintas E dicha columna alR suelo DE partes de la estructura sobre apoyos individuales. Asentamiento Deformación producida en el suelo cuando una carga, como lo es el peso de la estructuras, se coloca sobre la superficie de éste.
Capacidad de Carga Admisible Es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzcan fallas dentro de su masa. Es análoga a la capacidad una viga para soportar una carga sin romperse. Capacidad de Carga Última Es la capacidad que tiene el suelo de soportar la carga que le producirá una falla incipiente.
Presión Admisible del Suelo Es la presión máxima que se puede aplicar al suelo sin exceder los límites de capacidad de carga y de asentamiento. Factor de Seguridad Es la relación existente entre la capacidad de carga última y la capacidad de carga admisible (FS = Cult / Cadm), siempre debe ser mayor que 1. Estos valores varían de acuerdo a la importancia de la obra y al orden de las incertidumbres que se manejen. Profundidad de la Fundación
OS D A RV
Es la distancia vertical “Df” entre la base de la zapata y la superficie
E S E SR O H EC Presión E de R Contacto D
del terreno.
Presión que actúa entre la superficie inferior de la fundación y el suelo.
Fundación Rígida Una fundación es rígida cuando el equilibrio de las fuerzas internas no puede manifestarse por medio de la flexión, sino por esfuerzos directos de compresión en el concreto, y tracción en el acero como si la zapata fuera una armadura o celosía espacial, donde las barras comprimidas serian aportadas por el concreto, y las extendidas por la parrilla de acero en la zona inferior. Fundación Flexible Una fundación es flexible cuando el equilibrio de las fuerzas internas puede manifestarse por medio de la flexión (corte y momento). Fundaciones Corridas (Viga fundación)
Es una fundación continua que soporta tres o más columnas en línea recta, es decir, cierto número de fundaciones aisladas, ó zapatas, que se han unido. Viga Ancha (Wide Beam). Decimos “viga ancha” cuando en una fundación el ancho es semejante ó mayor que la profundidad, como en una viga plana, denominación utilizada estructuralmente. En los textos que originalmente están publicados en inglés, el término es “Wide Beam” que traducido al español su significado es viga ancha.
OS D A RV
Corte como Viga
E S E R S O “d” de la cara del pedestal y la fuerza cortante que actúa en este punto es H C E ERel ancho la base o zapata, como si fuera una viga de resistida porDtodo El esfuerzo cortante como viga se supone peligroso a una distancia
ancho “B”, según sea la dirección considerada; la sección más peligrosa será la que de el voladizo mayor. Corte como Placa El esfuerzo cortante como placa, llamado también “punzonado” se supone peligroso a una distancia “d/2” de la cara del pedestal y debido al confinamiento que produce la acción de la compresión directa de la carga y la reacción del suelo este esfuerzo no debe sobrepasar al esfuerzo de tracción indirecta 1.06 θ f’c.
2.3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
2.3.1. GENERALIDADES Las cargas de la estructura se transmiten al terreno resistente a través de fundaciones o cimentaciones.
Según la profundidad a la que se
encuentre dicho terreno puede distinguirse entre fundaciones superficiales y fundaciones profundas. (Terzaghi y Peck, 1 976) En las fundaciones superficiales las cargas de la estructura pasan directamente al terreno resistente situado inmediatamente debajo, si y solo si, la capa resistente se encuentra en la capa superficial del terreno, pero si la capa resistente se encuentra muy por debajo de la base de la edificación, las cargas de la estructura deben transmitirse mediante elementos especiales como pilas, pozos, pilotes, etc., al terreno resistente profundo; en este caso se trata de una fundación profunda. (Delgado, 1999)
S O D A condiciones del terreno, considerando los posibles RVasientos y la economía E S E R de la obra. Este trabajo se refiere específicamente a las fundaciones S O H superficiales. EREC D
El tipo de fundación a elegir debe determinarse a partir de las
2.3.2. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
La preocupación del constructor por el comportamiento de las fundaciones es, por supuesto, tan antigua como la construcción misma, pero hasta épocas relativamente recientes tal preocupación no se reflejó en intentos de analizar científicamente el comportamiento de las fundaciones, tratando de establecer principios generales que sirvieren a la vez de normas tanto para el proyecto, como para la construcción de campo. Durante muchísimo tiempo, la tecnología de las fundaciones se estableció solamente bajo bases burdamente empíricas; más que de una técnica en el actual sentido de la palabra, resulta justificado hablar de un “arte de fundar”. El hecho de que con lo que hoy se antojan tan pobres
armas como la técnica, el constructor de antaño fuera capaz de realizar obras magníficas que perduraron hasta los tiempos actuales, más bien habla en favor de la inventiva y capacidad de adaptación de los ingenieros de otras épocas, que de la técnica que utilizaron. Hoy no resulta razonable seguir usando tan pobres medios y prescindir de los avances recientes en el conocimiento del campo, en nombre de las mayores realizaciones de la ingeniería clásica. La transmisión de conocimientos puramente experimentales en forma de una auténtica tradición oral, fue, durante largos siglos, el único modo de que disponía un constructor para adquirir el arte de fundar.
OS D A RV
Naturalmente, todos los vicios del conocimiento puramente experimental,
E S E SR O H C E En el momento R DE en que el ritmo de la construcción aumentó hasta
sin bases científicas generalizadoras, estaban presentes en este método.
niveles similares a los que hoy se conocen, el método del “arte” se transformó en algo particularmente peligroso, al aumentar el número de constructores, con lo que, necesariamente, el arte de fundar cayó en manos
no siempre muy bien dotadas. Los fracasos que entonces se hicieron notar condujeron al primer intento de racionalizar la construcción de las fundaciones. Los constructores de alguna determinada ciudad volvieron la vista a sus realizaciones bien logradas y, relacionando la carga soportada con el área de la fundación, trataron de establecer un valor “seguro” del esfuerzo que era posible dar al suelo de aquel lugar particular. Nacieron así las leyes de “Código” o “Reglamento”, que en muchas partes perduran en la actualidad. Sin embargo, basta pensar por un instante en las complejidades y variaciones del suelo en cualquier lugar del planeta, para darse cuenta que la generalización que se persigue en un código urbano de tal estilo es, por lo menos, muy peligrosa. Además, hoy se dispone de una gran variedad de tipos de fundaciones poco profundas, adaptable cada uno
de ellos a tipos peculiares de suelos y estructuras, consiguiéndose con una buena combinación seguridad y economía máximas; es claro que los estudios que una técnica de tal naturaleza requiere, quedan muy lejos de la generalización burda que presupone un simple Código. Las Teorías de Capacidad de Carga, desarrolladas a partir de 1920, proporcionaron una base más o menos científica al estudio de las fundaciones. Combinadas con el creciente conocimiento de los suelos y sus propiedades mecánicas y con el mejoramiento de las
técnicas de
medición de campo, han permitido en la actualidad el desarrollo de una metodología de proyecto y construcción de fundaciones mucho más
OS D A RV
racional y avanzada que la que nunca antes poseyó el ingeniero. Tales
E S E SR O H mediciones del comportamiento de fundaciones construidas, que permiten C E R E encasillarlasDy asimilar correctamente las experiencias adquiridas,
teorías, auxiliadas por la clasificación y el estudio de los suelos y por
proporcionan una base común, que hace posible el intento de generalizar el conocimiento sobre fundaciones, convirtiendo el arte de fundar en una disciplina que tiende a lo científico cada vez más.
2.3.3.
CONCEPTOS
FUNDAMENTALES
DE
LAS
FUNDACIONES SUPERFICIALES Las fundaciones superficiales son aquellas en que la relación profundidad sobre ancho mínimo es menor o igual a la unidad (Df/B ≤ 1). Para el diseño de fundaciones superficiales se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones básicas: Las fundaciones superficiales pueden ser usadas donde hay un estrato de carga adecuado cerca de la superficie y los asentamientos de la compresión o consolidación de los suelos son aceptables. Las fundaciones
profundas deben ser consideradas si no hay estratos con capacidad de carga aceptable o si el estrato está situado por encima de uno débil o compresible. Cuando la resistencia del terreno sea muy baja o las cargas muy altas, las áreas requeridas para apoyo de la fundación deben aumentarse, llegándose al empleo de verdaderas losas de fundación, construidas también de concreto reforzado, las que pueden llegar a ocupar toda la superficie construida. Si aún en el caso de emplear una losa corrida la presión transmitida al subsuelo sobrepasa la capacidad de carga de este, se soportará la estructura en estratos mas firmes, llegándose así al uso de las fundaciones profundas. Los asentamientos de una placa de fundación
OS D A RV
dependen de la diferencia entre el peso del edificio y el peso total del suelo,
E S E SR O H cuando la expansiónE delC suelo por excavación sea despreciable. R DE
sólido e incluidos, excavado antes de la construcción de la placa, siempre y
El asentamiento de una estructura sobre la placa de fundación con un
peso igual al de los materiales excavados es aproximadamente igual a la magnitud de la expansión que sufre el suelo en el fondo de la excavación durante el proceso de construcción. La profundidad de la excavación debe ser menor que la profundidad para la cual el peso del suelo adyacente a la excavación produce un desplazamiento hacia arriba del suelo ubicado en el fondo de la excavación. Para evitar asentamientos por consolidación de los estratos de gran compresibilidad que sirven de fundación a las zapatas existentes, causadas por operaciones de bombeo, se puede inyectar a presión el agua extraída por bombeo en el fondo de la excavación al subsuelo de fundación de las zapatas. Los límites de asentamientos permitidos en muchos casos controlan la presión que puede ser aplicada al suelo por la zapata. Los límites aceptables para el total de asentamientos se consideran de 2,5 a 5 cms.
Los asentamientos totales deben ser limitados para evitar daños con las conexiones en las estructuras con las demás instalaciones, así como para mantener un drenaje adecuado y de alta serviciabilidad. Un asentamiento típico para estructuras es de 2,5 cms mientras los equipos lo permitan. Los
asentamientos
diferenciales
siempre
ocurren
con
los
asentamientos totales y deben ser limitados para evitar grietas y otros daños en las estructuras. Una relación típica de diferencial/tramo de longitud /L para estructuras de acero y concreto es 1/500, donde es el movimiento diferencial del tramo de longitud L.
S O D A resultados de un análisis detallado en sitio y losR estudios V de laboratorio con E S E R análisis teóricos adecuados. S HO C E Los valores DERde factor de seguridad (FS) a usar en la práctica varían La capacidad de carga última debe ser evaluada usando los
según la importancia de la obra y el orden de las incertidumbres que se manejen.
Si en el análisis de las cargas actuantes se consideran solo las permanentes es recomendable usar un FS mínimo de 3. Si se toman en cuenta cargas permanentes y carga viva eventual, el valor anterior puede reducirse a 2 o 2,5. Si, además se consideran efectos de sismo el factor de seguridad puede tomar valores de 1.5; todo esto se refiere a problemas de falla en las fundaciones. Hay casos donde el asentamiento representa la condición más dominante, y debe usarse una capacidad de carga aún menor que la admisible, tal que los hundimientos del subsuelo sean compatibles con el buen funcionamiento de la estructura.
2.3.4. TIPOS O CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDACIONES SUPERFICIALES
Las fundaciones superficiales se clasifican en fundaciones: aisladas, combinadas, continuas y losa fundación. Generalmente se usan estos tipos de fundación cuando las capas más superficiales del subsuelo tienen una adecuada capacidad de carga y una baja compresibilidad. Cabe destacar que no existe ningún criterio preciso para distinguir entre cual de los cuatro tipos anteriores usar, siendo la práctica la norma para su distinción. También existen multitud de variedades de cimentaciones combinadas, en las que los cuatro tipos básicos se entremezclan al gusto del proyectista o del constructor, que se esforzará siempre por extraer del suelo el mayor partido posible, combinando los
OS D A RV
factores estructurales con las características del terreno de la manera más
E S E SR O H Cde emplear una losa corrida la presión transmitida E Si aún en el caso R DE
ventajosa en cada punto.
al subsuelo sobrepasa la capacidad de carga de éste, es evidente que habrá de recurrirse a soportar la estructura en estratos más firmes, que se encuentren a mayores profundidades, llegándose así a las fundaciones profundas.
A. FUNDACIONES SUPERFICIALES AISLADAS Estas son las más sencillas de diseñar y construir, y resultan en general la solución más económica. Su desventaja principal es requerir grandes dimensiones para suelos con baja capacidad de soporte o en el caso de cargas relativamente grandes, además son inconvenientes ante la posibilidad de originarse asentamientos diferenciales.
La solución más recomendable es la de forma cuadrada ya que su uniformidad permite construirlas ventajosamente. La rectangular puede utilizarse en ciertos casos, pero debe cuidarse que su señalamiento en los planos no admita la posibilidad de errores en la construcción; no se recomienda que la relación L/B exceda de 1,5 [4]. La fundación con cargas excéntricas, cuya finalidad es lograr un equilibrio de presiones en el caso de momentos muy desfavorables, sólo debe utilizarse en análisis muy precisos ya que la no-generación de tales momentos introduce un comportamiento desventajoso.
S O D A excéntricas es una solución que debe descartarse V que existan otras Rsiempre E S R soluciones ya que la concentración deE presiones en un borde introduce la S O H EC de la fundación con daños a la estructura. posibilidad de E inclinación R D
Finalmente, la fundación excéntrica de lindero con cargas
El asentamiento de una zapata causado por una presión aplicada en
su base es una función compleja de las dimensiones de la zapata y de la compresibilidad, permeabilidad y la relación de Poisson de todos los estratos de suelo ubicados entre la base de la zapata y una profundidad no menor a tres veces el ancho de la misma.
B. FUNDACIONES SUPERFICIALES COMBINADAS Las fundaciones combinadas son aquellas que pueden soportar dos o más columnas ubicadas en un eje de una edificación. Generalmente se usa este tipo de fundación cuando existe una columna muy cercana a un lindero y si se usa una zapata aislada, esta resulta altamente excéntrica, por lo que se produciría una rotación excesiva de la misma, y cuando las zapatas aisladas quedan muy juntas o se solapan, lo
que generalmente ocurre cuando hay grandes cargas por columna, una baja capacidad de carga del suelo, o en algunos casos cuando existen obstrucciones en el terreno tales como el foso de un ascensor o un tanque de agua subterráneo que obligan al uso de zapatas rectangulares, las cuales tienden a solaparse. Los tipos de fundaciones combinadas usados con más frecuencia son la zapata de forma rectangular es la más comúnmente usada, la de forma trapezoidal solo se usa cuando la carga de la columna cercana al lindero es la mayor y la zapata en voladizo se usa para ahorrar en materiales cuando la luz entre columnas es muy grande. Las rectangulares y trapezoidales
OS D A RV
pueden ser de espesor constante o de forma de te invertida.
E S E SR O H C E R C. FUNDACIONES SUPERFICIALES CONTINUAS DE
Las zapatas continuas son elementos análogos a los anteriores, en los que la longitud supera en mucho al ancho. Soportan varias columnas o un muro y pueden ser de concreto reforzado o de mampostería, en el caso de fundaciones que transmiten cargas no muy grandes. La zapata corrida es una forma evolucionada de la zapata aislada, en el caso en que el suelo ofrezca una resistencia baja, que obligue al empleo de mayores áreas de repartición o en el caso en que deban transmitirse al suelo grandes cargas.
D. FUNDACIONES TIPO LOSA FUNDACION
Una losa de fundación se usa para soportar todas las columnas de una edificación, por lo que sus dimensiones en planta son relativamente grandes. Una regla práctica muy difundida en la literatura de las fundaciones indica que si las fundaciones aisladas ocupan más del 50% del área en planta de la edificación, la utilización de una losa de fundación puede resultar más económica. Tanto la excavación como los trabajos de encofrado son relativamente sencillos de ejecutar para las losas de fundación. Además de una mayor repartición de las cargas, las
OS D A RV
losas tienen la ventaja de disminuir los asentamientos diferenciales ya que
E compresibles S E R OS redistribuyendo las cargas hacia las zonas más resistentes. H C E DER sirven
de
puente
sobre
zonas
más
del
subsuelo,
Cuando las losas de fundación se colocan a cierta profundidad en el
subsuelo, debido a la necesidad de construir sótanos, la excavación descarga al suelo y el peso del suelo excavado tiende a compensar el peso de la edificación y, por lo tanto, a reducir los asentamientos, ya que estos dependen de la magnitud de la carga neta. Si la carga neta resultante es igual a cero (peso del edificio = peso excavado) se dice que la losa es compensada y los asentamientos, teóricamente, son nulos. Si la carga neta es mayor que cero, la losa es parcialmente compensada y los asentamientos serán el producto de la carga neta resultante. Si la carga neta es menor de cero, la losa es sobrecompensada y se produce una expansión del subsuelo. 2.3.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE FUNDACIONES SUPERFICIALES.
Las fundaciones superficiales son las fundaciones más comúnmente usadas, por ser estas, muy económicas y sencillas de construir. Tanto la
excavación como los trabajos de encofrado son relativamente sencillos de ejecutar. En el caso de las fundaciones aisladas son más susceptibles a los asentamientos diferenciales. Casi siempre soportan cargas concentradas aisladas, como las que descargan las columnas. Las losas de fundación y las zapatas grandes, por ser completamente rígidas, son las más eficaces para distribuir carga y redistribuir las concentraciones de esfuerzos en el suelo causadas por condiciones localizadas anormales y de apoyo, por lo que se reducen los esfuerzos de
OS D A Las fundaciones superficiales tiendenE aR serVfrágiles a movimientos S RE laterales que pueden ser O lo Ssuficientemente grandes para algunas H C E R se produce por una combinación de la resistencia fundaciones,Dlo Ecual contacto máximos.
pasiva del suelo en la proyección vertical de la fundación enterrada y la fricción entre la base de la fundación y el suelo. Los cambios de humedad en los suelo de apoyo producen movimientos diferenciales de las fundaciones superficiales, debido la contracción o expansión del suelo.
2.3.6. PROYECTO SOBRE FUNDACIONES SUPERFICIALES
En el presente capítulo se hará referencia a las condiciones que debe cumplir la infraestructura encargada de transmitir las cargas de la superestructura al suelo. El concreto armado, por su durabilidad en contacto íntimo con el suelo, facilidad de construcción y adaptabilidad en el diseño, es el material exclusivamente usado en la construcción de esta
parte artificial de las fundaciones superficiales que se utilizan en el presente. a.- Perfil del Suelo Los sondeos exploratorios y los ensayos sobre muestras de suelos, permiten obtener suficiente información sobre el subsuelo. Con base en esta información puede decidirse si la fundación puede establecerse sobre el tipo de fundación superficial a utilizar. Además del perfil del suelo, las condiciones del agua subterránea, afectarán también las condiciones de diseño y el método constructivo, por lo cual es necesario ubicar la posición
S O D A El ensayo normal de penetración, llamado también RV Standard Penetration E S E consiste en registrar el número R Test (SPT), es uno de los más S utilizados, O H C E requerido de golpes DER requeridos para penetrar 30cm de un sacamuestras del exacta de dicho nivel con respecto al nivel de rasante de la superestructura.
tipo cuchara partida, de 2” de diámetro exterior y de 1 1/2” de diámetro interior, hincado mediante la energía 1a energía producida por un martillo de 140 lbs (63.5kg) de peso, cuando cae libremente desde una altura de 30
pulgadas (76,2 cm), tomando muestras representativas de todos los estratos aparecidos, pero con intervalos no mayores de un metro en aquellos de gran espesor. La interpretación de este ensayo, consiste en relacionar el número de golpes (N) con la capacidad de carga a la falla del suelo a través de las fórmulas estáticas, éstos pueden ser relacionados en una forma general con las propiedades físicas del suelo, es decir, con la densidad relativa y la consistencia relativa, tanto para suelos cohesivos como para los no cohesivos, principalmente el primero de los nombrados. Su principal función en los terrenos no cohesivos es la obtención del ángulo de fricción interna o de rozamiento, a partir del número de golpes (N), para el cálculo de los factores de Capacidad de Carga Nq y Ng. Para
el caso de los terrenos cohesivos su aplicación primordial es la obtención de los coeficientes de adhesión.
b.- Factores que Determinan el Tipo de Fundación A continuación se exponen ciertas normas breves que han de ser tomadas en cuenta para el proyecto de cualquier fundación. En rigor, lo que más adelante se dice es aplicable tanto a fundaciones poco profundas como a otras desplantadas a mayor profundidad, pues se trata de comentarios de orden general que deben presidir cualquier proyecto de cualquier fundación.
OS D A RV
E S E OSenRtres clases principales: fundación dada puedenC agruparse H E R E D
En general, los factores que influyen en la correcta selección de una
1) Los relativos a la superestructura, que engloban su función, cargas
que transmite al suelo, materiales que la constituyen, etc. 2) Los relativos al suelo, que se refieren a sus propiedades mecánicas, especialmente a su resistencia y compresibilidad, a sus condiciones hidráulicas, etc. 3) Los factores económicos, que deben balancear el costo de la fundación en comparación con la importancia y aún el costo de la superestructura. De hecho, el balance de los factores anteriores puede hacer que diferentes proyectistas de experiencia lleguen a soluciones ligeramente distintas para una fundación dada, pues el problema carece de solución única por faltar un criterio “exacto” para efectuar tal balance, que siempre tendrá una parte de apreciación personal. En general, puede decirse que un balance meditado de los factores anteriores permite en un análisis preliminar a un proyectista con
experiencia eliminar todos aquellos tipos de fundación francamente inadecuados para resolver su problema específico, quedando sólo algunos que deberán de ser más cuidadosamente estudiados para elegir entre ellos unas cuantas soluciones que satisfagan todos los requisitos estipulados desde el punto de vista estructural, de suelos, social, etc., para escoger de entre éstos el proyecto final, generalmente con una apreciación simplemente económica. Si ha habido éxito en todas las etapas del estudio, la
solución
final
representará
un
excelente
compromiso
entre
requerimientos estructurales y costo. Debe observarse que al balancear los factores anteriores, adoptando
OS D A RV
un punto de vista estrictamente ingenieril debe estudiarse no sólo la
E S E SR O H disponible sin falla E o colapso, C sino también que no tenga durante su vida R DE
necesidad de proyectar una fundación que se sostenga en el suelo asentamientos o expansiones que interfieran con la función de la estructura. Se llega así a la contribución fundamental de la Mecánica de Suelos al problema de las fundaciones, contribución de doble aspecto que involucra dos problemas de la misma importancia para garantizar el éxito final. Por un lado, abordando un problema de Capacidad de Carga, se trata de conocer el nivel de esfuerzos que la fundación puede transmitir al suelo sin provocar un colapso o falla brusca, generalmente por esfuerzo cortante; por otro lado, será necesario calcular los asentamientos o expansiones que el suelo va a sufrir con tales esfuerzos, cuidando siempre que éstos queden en niveles tolerables para la estructura de que se trate. No puede decirse que uno de los aspectos anteriores tenga mayor importancia que el otro en el proyecto de una fundación; ambos deberán ser tenidos en cuenta simultáneamente y de su justa apreciación dependerá el éxito o fracaso en un caso dado.
c.- Consideraciones Generales sobre el contacto Suelo-Estructura Se trata ahora de dar algunas ideas fundamentales sobre como afecta la rigidez de las áreas cargadas a la distribución de asentamientos y presiones en el suelo subyacente; se consideran en el análisis suelos puramente friccionantes y puramente cohesivos, así como los casos limites de áreas cargadas totalmente flexibles e infinitamente rígidas. Considérese en primer lugar el caso de un área uniformemente cargada y totalmente flexible. Debido a su flexibilidad, las presiones que el área cargada pasa al suelo serán idénticas a la presión uniforme sobre el
S O D A al centro del área cargada y menor en la periferia, RV si es que el medio E S E R cargado se supone idealmente elástico. S HO C E En laD práctica ER el asentamiento inmediato, debido exclusivamente a
área. Por otra parte, el asentamiento no será uniforme, sino que es máximo
cambio de forma (es decir, excluyendo el asentamiento por consolidación), de áreas flexibles con carga uniforme, apoyadas en arcillas saturadas. En cambio, cuando el área flexible se apoya en arenas o gravas, ya que estos materiales poseen la propiedad de que su rigidez aumenta con el confinamiento, el cual obviamente será máximo en la zona bajo el centro del área cargada. Considérese ahora en cambio que la carga se transmite al suelo a
través de una placa infinitamente rígida. En este caso es obvio que, por su rigidez, la placa se asentará uniformemente, por lo que la presión de contacto entre placa y medio no podrá ser uniforme. Es fácil ver que en el medio homogéneo y elástico la presión es mínima al centro y máxima en las orillas, puesto que para llegar al asentamiento uniforme éste deberá disminuir en el centro (disminución de presión) y aumentar en las orillas (aumento de presión). Una intuición análoga para el caso del medio cuya rigidez aumenta con el confinamiento conduce a una distribución en la que
la presión es máxima bajo el centro del área cargada y mucho menor bajo la periferia.
d.- Capacidad Portante de las Fundaciones Superficiales Varios códigos de edificación especifican la capacidad de carga admisible de fundaciones sobre varios tipos de suelos. Para construcciones menores, los códigos proporcionan frecuentemente directrices bastante aceptables. Sin embargo, esos valores de capacidad de carga se basan principalmente en la clasificación visual de suelos cercanos a la superficie.
OS D A V freática, profundidad los esfuerzos del suelo, localización del nivelEdeRagua S E R S de la fundación y asentamientos tolerables. Entonces, para grandes O H C E los valores admisibles de los códigos deben usarse R proyectos constructivos, E D Generalmente, los códigos no toman en cuenta factores como la historia de
sólo como guías.
e.- Asentamiento de las Fundaciones Superficiales Asentamiento es un desplazamiento de la fundación en sentido vertical. Las causas de los asentamientos son variadas, entre las que se incluyen: • La influencia de cargas estáticas, permanentes o variables, tales como el peso propio de las estructuras, peso de mobiliario, personas y equipos, etc. • La influencia de cargas dinámicas o transitorias, como son las cargas impuestas por maquinarias, los efectos del viento, los efectos sísmicos, etc. • Las vibraciones, especialmente en suelos granulares sueltos.
• Cambios en el contenido de humedad en el suelo producidos por fluctuaciones estaciónales del nivel freático, o por la absorción de agua por grandes árboles, etc. • Deterioro de las fundaciones, causado por la acción de agentes corrosivos presentes en el suelo, especialmente sales y azufre. • Deterioro del suelo, como puede ser el colapso de la estructura del loes cuando éste se satura o la pérdida de cohesión en arenas finas limosas al saturarse. • Abatimiento del nivel freático por extracción de agua del suelo mediante bombeo o cualquier otra causa.
OS D A RV
E S E SR O H saturadas cuando Cson sometidas a movimientos telúricos. E R DE
• El fenómeno de licuación que se produce en las arenas finas
El estudio de todas estas causas de asentamiento se escapa del alcance del presente trabajo, por tal motivo, solo se estudiarán los asentamientos causados por cargas estáticas, que son los que se producen comúnmente en la práctica. Sin embargo, no se puede dejar pasar por alto que, en una situación particular, el efecto de cualquiera de las otras causas de asentamientos puede ser de igual o mayor significación que el de las cargas estáticas. Cualquier incremento de esfuerzos en el suelo producido por las fundaciones causará deformaciones que resultarán en asentamientos de la estructura, los cuales han de ser calculados para asegurar que no se sobrepasen los asentamientos (totales y/o diferenciales) máximos tolerables por la edificación. De manera general, el asentamiento total S de una fundación vendrá dado por S = Se + Sc + Ss
Donde Se = asentamiento inmediato (“elástico”) Sc = asentamiento por consolidación Ss= asentamiento por consolidación secundaria Los
asentamientos
inmediatos
o
por
distorsión
ocurren
simultáneamente con la aplicación de la carga, primordialmente por distorsión dentro de la masa de suelo. Aunque estos asentamientos por distorsión no son elásticos, se usa la teoría de elasticidad para su cálculo. En suelos cohesivos no saturados (Sr 15. Finalmente, es de señalar que en los casos en que existan gravas o boleos en el suelo, los resultados de la prueba estándar de penetración no suelen ser representativos de la compacidad de los mantos, pues uno de aquellos
elementos
puede
detener
el
penetrómetro,
aumentando
ficticiamente el número de golpes. En estos casos la compacidad es mucho
OS D A RV
más difícil de determinar por métodos simples, haciéndose necesario
E S E SR O H C E R DE
recurrir a la experiencia y al criterio.
2. La posición del nivel de aguas freáticas.
En general, el peso específico de cualquier arena no sumergida oscila entre límites muy próximos, sea la arena seca, húmeda y saturada. Pero si la arena está sumergida bajo el nivel freático, el valor de γ se reduce sensiblemente a la mitad, lo cual se refleja de inmediato en la capacidad de carga última obtenida. Así por ejemplo, el valor de la sobrecarga al nivel de desplante γDF deberá calcularse teniendo en cuenta la condición de ese material, de modo que si está parcial o totalmente sumergido, se adopte el valor γ’m, donde ello ocurra; el valor de γ que figura en el segundo término de la (EC.1), se refiere al material situado bajo el nivel de desplante del cimiento, que seria movilizado en caso de falla. Peck., Hanson y Thornburn 2 recomiendan que si el nivel freático está a una profundidad B o mayor bajo el nivel de desplante, se considere el peso específico que figura en el segundo término de la ecuación como no sumergido; si el nivel freático y el de desplante coinciden o el primero queda encima del segundo deberá
usarse el valor γ’m en casos intermedios, una interpolación lineal entre ambos valores de γ será razonable. La posición del nivel de aguas freáticas se refleja además muy acusadamente en los costos de construcción de la cimentación, en el momento en que el de nivel de desplante quede bajo dicho nivel freático, pues entonces la zona de cimentación habrá de ser drenada de manera que el nivel del agua se abata y la excavación necesaria se realice en seco. Finalmente, el hecho de que el nivel freático quede sobre el nivel de desplante puede conducir, cuando el espacio de cimentación desee aprovecharse, por ejemplo, para sótanos en edificios, al delicado problema
OS D A RV
de impermeabilizar estas zonas, lo cual es siempre difícil y costoso.
E S E R se deduce de la expresión (Ec. 1), 3. El ancho de la cimentación, S según O H C E influye linealmente en la parte de la capacidad de carga que se refiere al R DE
peso del suelo situado bajo el nivel de des plante; por el contrario, dicho ancho no influye en la parte de capacidad de carga que refleja el efecto de la sobrecarga existente sobre el nivel de desplante. 4. Por último, la profundidad de desplante, Df también influye en la capacidad de carga, según se desprende de la inspección de la fórmula (Ec,1). No existe ningún criterio fijo para establecer apriorísticamente la profundidad de desplante que debe utilizarse en un proyecto dado; sin embargo, es posible mencionar algunas consideraciones generales que han de tenerse presentes para seleccionar una profundidad específica. Por muy bueno que sea un terreno de cimentación, no con viene cimentar demasiado superficialmente, pues ello conduce a estructuras con poca resistencia a fuerzas laterales; un valor del orden de 1.0 m debe verse como un mínimo recomendable; este valor pudiera rebajarse a otro del orden de 0.50 m en caso de que el suelo fuera extraordinariamente firme y la estructura ligera. Otra regla digna de tenerse en cuenta en la práctica es la de apoyar los
cimientos siempre abajo de la capa de tierra vegetal, pues de otra manera pudieran presentarse posteriormente problemas de muy difícil solución con plantas en crecimiento, aparte de lo indeseable del suelo con materia orgánica desde el punto de vista de resistencia y compresibilidad. También es preciso considerar siempre la posibilidad de la existencia de cavernas u oquedades en el subsuelo o la presencia de estructuras subterráneas debidas al hombre, como por ejemplo ductos, colectores, cables, etc. La mayor parte de estos problemas pueden resolverse con la adecuada exploración.
S O D A HOMOGENEAS RV E S E Sde R En lo referente al aspecto capacidad de carga. Las cimentaciones O H C E homogéneas pueden calcularse con las teorías de R poco profundas en arcillas E D 2.4.2. CIMENTACIONES O FUNDACIONES EN ARCILLAS
Terzaghi y de Skempton . Quizá la Teoría de Skempton sea la más completa para la aplicación al caso en estudio, pero la Teoría de Terzaghi proporciona valores muy similares de la capacidad de carga, por lo que la distinción entre ambas teorías tiene más de académica que de real en cimentaciones poco profundas. En cualquiera de los dos casos, la expresión a usar es del tipo: qc = c.Nc + γ.Df (Ec. 2) La capacidad de carga última depende ahora esencialmente de la cohesión del material y la presión actuante al nivel de desplante (γ.Df). El ancho del cimiento no interviene si se aplica la teoría de Terzaghi y su intervención es directa (a través de la relación D/B) en la teoría de Skempton. El valor de c puede obtenerse de una prueba triaxial rápida, que es la que mejor refleja dentro de un criterio de trabajo con esfuerzos totales, las
circunstancias de la fundación, en que la etapa inicial antes de la consolidación, suele ser la mas critica Frecuentemente suele usarse como alternativa la prueba de compresión simple, algo mas simple y rápida de ejecución; sin embargo, hay ciertos aspectos que hacer la prueba triaxial rápida ,cuando la disponibilidad de equipo y otros factores hagan posible su realización. En general, la prueba de compresión simple proporciona valores de la resistencia del suelo (“cohesión”) algo inferiores a los de una prueba rápida: la razón estriba en la falta de soporte lateral que se tiene en una prueba de compresión simple, lo que hace que cualquier fisura o pequeña irregularidad estructural se refleje en el resultado de la prueba; por
OS D A RV
otra parte, la arcilla n la naturaleza posee siempre un cierto grado de
E S E OSdeRuna prueba rápida. más representativos losC resultados H E R E D
confinamiento, por lo que, para una cimentación, suelen considerarse algo
La capacidad de carga en arcillas homogéneas depende también,
según se vio, de la presión existente al nivel de desplante (γ.Df). En este caso existe una diferencia importante en el cálculo, según la cimentación sea o no impermeable, cuando el nivel de desplante quede bajo el nivel freático. En el primer caso, al nivel de desplante se habrá aliviado al terreno en una presión que es la total correspondiente a esa profundidad; por el contrario, en una cimentación permeable y por ello llena de agua hasta una altura igual a la del nivel freático, la descarga efectuada por la excavación no incluye a la presión del agua, por lo que el término debe representar únicamente la presión efectiva y así debe ser calculado; por ello, deberá usarse el peso específico sumergido en la parte del suelo bajo el nivel freático, o bien deberá restarse a la presión total al nivel de desplante, la presión debida al agua en el mismo nivel. En arcillas homogéneas el que el nivel de desplante quede bajo el nivel freático ya no suele ser un problema tan grave como en el caso de
arenas; las arcillas por su impermeabilidad permiten mantener las cepas de excavación en seco con un bombeo moderado y no muy costoso. Ahora bien, si la excavación es de gran área y profundidad, el bombeo no se podrá emplear despreocupadamente, pues el flujo de agua hacia la excavación, en el fondo de la misma, produce expansiones que posteriormente se traducirán en asentamientos de la estructura; en estos casos, lo indicado es o bien hacer la excavación en secciones de área menor o bien recurrir a métodos para disminuir el flujo del agua hacia el fondo de la excavación, tales como pozos de captación o similares. Otro problema de las excavaciones en arcillas especialmente de las
OS D A RV
relativamente profundas, es el que se refiere a la estabilidad de los taludes
E S E SR O H producen en las zonas adyacentes a la excavación propiamente dicha. La C E R DE
de las mismas y a los movimientos verticales y horizontales que se estabilidad probablemente ya difícil de por si, por la baja resistencia común
en las arcillas, se ve especialmente comprometida por el flujo lateral del agua hacia la excavación. La disminución de la resistencia al esfuerzo cortante que este flujo produce, así como el efecto de las fuerzas de filtración, son factores que deben considerarse en cualquier análisis de estabilidad a plazo relativamente largo. El tablestacado es otra de las formas de estabilizar los bordes de una excavación, generalmente preferible en zonas en que por existir d vecinas u otras causas similares, no sean tolerables desplazamientos en el terreno. El suelo se congela cuando la temperatura ambiente es inferior a 0°C. Esto produce expansiones que dependen tanto de factores ambienta les como de la naturaleza del suelo. Una cimentación desplantada en este suelo se eleva durante la congelación y desciende brusca mente en el deshielo; para evitar estos efectos perjudiciales, la cimentación deberá desplantarse a suficiente profundidad. La profundidad máxima de congelación puede
establecerse a partir de la experiencia local y la profundidad de desplante recomendable por este concepto será de ese orden en suelos muy susceptibles a la acción de! congelamiento, pudiéndose llegar a la mitad de dicho valor en suelos poco susceptibles. En la República Mexicana los espesores máximos de congelamiento son del orden de 40 cm. en el norte del país, por lo que puede decirse que el problema es inexistente, si se tiene en cuenta lo discutido respecto a la profundidad de desplante mínima recomendable en cualquier circunstancia. Un aspecto muy importante en las cimentaciones poco profundas en arcillas es el relativo a los cambios volumétricos que ocurren en el suelo al
OS D A RV
variar su contenido de agua; estas variaciones proceden por lo general de
E S E SR O H limitados, como riego de Cciertas áreas o la existencia de hornos o calderas E R DE
períodos de estiaje y lluvias, aunque a veces son causados por factores más inadecuadamente aisladas. En áreas cubiertas de gran extensión el efecto es siempre más notorio en los bordes que en el centro, más protegido, lo que se traduce en movimientos diferenciales que causan daños progresivos. En regiones áridas, basta la reducción de evaporación que produce una vivienda o un pavimento al cubrir el suelo, para producir humedecimiento en la zona cubierta, con la correspondiente expansión; las grietas longitudinales de gran desarrollo que aparecen frecuente mente en los hombros de las carreteras en estas zonas, tienen este origen. En las regiones húmedas el efecto es el contrario; cuando por alguna razón el suelo se seca, sobreviene el enjuntamiento y el agrietamiento y cualquier estructura suprayacente se asienta y se daña. A veces, el agua que los árboles absorben es suficiente para producir cambios de volumen de importancia; esto aparte del efecto destructor que las raíces pueden ejercer por sí mismas.
Los cambios volumétricos son máximos en la superficie del suelo y nulos en la profundidad correspondiente al nivel freático; cuando éste no aparece dentro de la zona sujeta a cambios, la profundidad de esta zona es muy variable, dependiendo de los factores que provoquen la variación y de la naturaleza del suelo. La profundidad de desplante deberá de quedar siempre bajo la zona sujeta a cambios volumétricos, cuando ésta puede ser determinada. Si esto último no es posible, el problema ha de ser resuelto con criterio y experiencia ceñidos a las condiciones locales.
S O D A problema de asentamientos por consolidación suele RVser el factor dominante E S E R en su comportamiento, de manera que la presión admisible desde el punto S O H EC del suelo suele quedar limitada por el valor que de vista de la E resistencia R D
En cimentaciones poco profundas en arcillas homogéneas el
produzca el máximo asentamiento tolerable para la estructura que se desea cimentar. En el cálculo de asentamientos por consolidación sólo deben
intervenir las cargas muertas y las vivas permanentes, pues las cargas accidentales o transitorias actúan un tiempo pequeño en comparación al requerido para influenciar un proceso de consolidación. Los asentamientos diferenciales que una estructura puede tolerar dependen de su función y de características de la propia estructura y no puede darse un criterio general al respecto; en este punto el ingeniero especialista en suelos ha de quedar subordinado a las necesidades del ingeniero estructural. Los asentamientos totales son muy importantes cuando existen estructuras vecinas a la considerada que pueden sufrir perjuicios por el movimiento de ésta o cuando existan instalaciones, ductos, etc., que no soportan sin daño los hundimientos resultantes.
2.4.3. CIMENTACIONES O FUNDACIONES SOBRE ARCILLAS FISURADAS. Frecuentemente, por procesos sufridos por las arcillas a lo largo de su historia geológica, se presentan en su estructura masiva multitud de fisuras muy próximas, siguiendo una o más direcciones predominantes. En estas condiciones se tiene la dificultad práctica de no poderse labrar los especimenes necesarios para la realización de una prueba de resistencia al esfuerzo cortante. Además, si una muestra pudiera lograrse, las pruebas en
S O D A menor que la real; en una prueba de compresión RVsimple, por la falta de E S E pero aún en una prueba rápida R confinamiento lateral, el error sería máximo, S O H C E las fisuras supondrían DER planos de debilitamiento que influenciarían los sí serían de interpretación insegura, pues la resistencia obtenida resultaría
resultados a no ser que la presión hidrostática de confinamiento fuera muy elevada.
A veces, en los laboratorios, se logran los especimenes por el procedimiento de elegir en una masa relativamente grande, por ejemplo una muestra cúbica, un fragmento relativamente libre de fisuras; no hay que decir que los resultados de las pruebas realizadas gracias a este subterfugio tienen el defecto de ser poco representativos. Quizá el mejor recurso para valuar la resistencia de una arcilla fisurada para fines de cálculo de una cimentación, sea el realizar pruebas de carga con una placa, directamente sobre el terreno. Este procedimiento, no exento de defectos y limitaciones de importancia, ha rendido muchas veces resultados prácticos. En esencia el método consiste en cargar un terreno con una placa metálica cuadrada o circular, de unos 50 cms de lado o diámetro, llevándola a la falla. Considerando la presión de falla como la capacidad de
carga última del terreno, es posible, operando a la inversa una fórmula del tipo (Ec.2), obtener el valor del parámetro c. La placa se coloca a diferentes profundidades dentro del estrato en estudio, generalmente haciendo una prueba cada metro, dentro de la profundidad afectada por el futuro cimiento. Una vez determinado el valor de la resistencia, con las arcillas fisuradas se puede proceder como con las homogéneas, ya estudiadas anteriormente en este capítulo. Sin embargo, en el caso de los taludes de las excavaciones, la resistencia obtenida en la forma arriba descrita no puede utilizarse para análisis de estabilidad; de hecho, esta estabilidad puede
OS D A RV
calcularse muy difícilmente y el problema suele resolverse con elementos
E S E SR O H excavación no pueden tenderse C a voluntad. E R DE
de retención suficientes, cuando, por alguna razón, los taludes de la
2.4.4 CIMENTACIONES O FUNDACIONES SOBRE LIMOS Y LOESS. Actualmente se han perdido bastante los atributos distintivos de los suelos cuyo rango de tamaños cae en lo que las antiguas clasificaciones granulométricas llamaban limos. Hoy en los limos se distinguen dos tipos: los plásticos y los no plásticos. El comportamiento mecánico de los primeros se asimila al de las arcillas de plasticidad baja o media; el de los segundos se asimila al de las arenas muy finas. Los limos pueden deber su plasticidad a un porcentaje de partículas de forma laminar o a su contenido de materia orgánica. El polvo de roca es el típico ejemplo de un limo no plástico, con índice de plasticidad prácticamente nulo, en tanto que los limos orgánicos que se encuentran en depósitos masivos, fluviales o lacustres suelen presentar características de plasticidad acentuadas. La prueba de penetración estándar suele utilizarse para determinar la consistencia de los limos; se considera que si el número de golpes en la
prueba es menor que 10, los limos son sueltos o suaves e inadecuados para soportar cimientos. Cuando N es mayor que tal límite se considera que el material puede servir para los efectos señalados y, en tal caso, la cimentación se calcula con los procedimientos indicados para arenas, si el limo es no plástico, o con los procedimientos indicados para arcillas, si el limo es plástico. En el caso de limos plásticos normalmente consolidados, bajo el nivel freático, los asentamientos constituyen un problema de importancia, comparable al que se presenta en arcillas; su cálculo puede hacerse a partir de la Teoría de la Consolidación de Terzaghi, con base en las correspondientes pruebas de laboratorio.
OS D A RV
E S E En limos sueltos o suaves, S noRadecuados para soportar cimientos, O H C de cimentaciones compensadas, descritas más E puede recurrirse al empleo R DE adelante en este mismo capítulo, o bien a cimentaciones profundas.
En muchos limos, la resistencia al esfuerzo cortante es debida, además de la fricción entre las partículas, a algo de cohesión producida, por ejemplo, por un cementante. La mejor manera de determinar esa resistencia al esfuerzo cortante es recurrir a la realización de pruebas triaxiales, que permitan definir claramente la envolvente de resistencia del material. La prueba de compresión simple puede dar valores muy exagerados de la cohesión del material, a causa de la compresión existente entre las partículas, debida a la presión capi lar del agua intersticial en el espécimen, que equivale a un confina miento de importancia y que, por lo tanto, es una resistencia debida a fricción. La contribución real de la cohesión y de la fricción producto de presión capilar puede ponerse de manifiesto en la prueba de compresión simple repitiendo ésta con espécimen totalmente sumergido en agua; si el espécimen se derrumba o su resistencia es mucho menor que la del espécimen probado en el aire, quedará establecido que lo
que aparentaba ser cohesión es, en realidad, resistencia por fricción desarrollada por tensión capilar en el agua. El loess es un material de depósito eólico, formado por partículas del tamaño del limo o de la arena fina, ligadas por un cementante. La estructuración del material es abierta, de un tipo intermedio entre una estructura simple típica y una panaloide y a ella corresponden relaciones de vacíos relativamente altas. Una característica fundamental de los depósitos de loess, desde el punto de vista de su capacidad para sostener una cimentación, es su poca
S O D A distancias o profundidades pequeñas. La pruebaR deVpenetración estándar es E S Epero en cambio puede dar valores R muy útil para verificar esta uniformidad, S O H C E bajos de la resistencia, DER a causa de que la peculiar estructura del material uniformidad; en estos depósitos la resistencia puede variar grandemente en
facilita la penetración del muestreador.
Por sus especiales características el loess es un material en que es particularmente difícil calcular la capacidad de carga con métodos teóricos; así, este es otro caso en que las pruebas de carga pudieran ser de utilidad, dosificándolas con criterio, de acuerdo con la uniformidad del depósito. Los loess son generalmente depósitos no saturados, pero cuando se saturan el cementante se ablanda o se disuelve, perdiendo el conjunto su cohesión. En estas condiciones, su estructura sufre un colapso, que se traduce en un asentamiento brusco, posiblemente muy perjudicial. La elevación del nivel freático, el riego, fugas de agua de tuberías o la simple exposición a lluvias fuertes son elementos de saturación comunes que deben evitarse.
2.4.5. CIMENTACIONES O FUNDACIONES SOBRE SUELOS ESTRATIFICADOS Todas las Teorías de Capacidad de Carga expuestas en este Capítulo y aplicadas a diferentes casos más atrás en este mismo capitulo son válidas únicamente para suelos homogéneos; la estratificación plantea un problema de heterogeneidad en principio no resuelto. La frecuencia con que en la práctica se presentan cimentaciones poco profundas en suelos estratificados ha obligado, por otra parte, al uso de soluciones aproximadas con las que se espera poder llegar a resultados
S O D A claramente inspiradas en las obtenidas para materiales RV homogéneos. E S Eestratificación en la práctica son R S Los casos más frecuentes de HO C E Restrato de arcilla firme se presenta sobre otro de arcilla aquellos en D queEun razonables. Frecuentemente, las soluciones empleadas para el caso están
suave o en que un estrato friccionante sobreyace a otro cohesivo poco resistente.
En estos casos, el efecto de la estratificación es una distorsión en la superficie de falla, que tiende a crecer en el estrato débil y a tener desarrollos mínimos en el más fuerte. Obviamente, para que lo anterior suceda es preciso que la frontera del estrato débil no es té muy lejana del desplante del cimiento; en caso contrario, no se sabe muy bien cual sea el efecto de la presencia del estrato débil, pero su efecto va haciéndose de menor importancia, según la separación aumenta, al grado que cuando la separación es del orden de 2B el efecto de su presencia es prácticamente despreciable.
Formulas estáticas de diseño de fundaciones superficiales por el método de los desplazamientos
Definición Operativa
•
•
•
•
•
•
Coeficientes de capacidad de carga. Coeficiente de balasto. Dimensiones de la fundación. Sección de la viga fundación. Resistencia del concreto a la compresión. Carga proveniente de la estructura.
Indicadores
Hoja de cálculo de Microsoft Excel
Programa de Cálculo Matricial en Basic
Instrumento de Recolección de
LA VARIABLE DE INVESTIGACION
2.5. CUADRO DE OPERACIONALIZACION DE
OS D A RV
E S E SR O H C E R DE
elástico.
sobre lecho
superficiales
fundaciones
tipos de
diferentes
de los
programa
comparativo
Este proceso consiste en primer lugar, en obtener las características del suelo donde va a realizarse el proyecto, luego se selecciona las dimensiones y el tipo de fundación superficial a utilizar de forma tentativa, y se calcula o determina la capacidad de carga admisible por fundación. Diseño de una fundación sobre lecho elástico Diseñar un
Definición Conceptual Variable de Investigación Objetivo General
OS D A RV
E S E SR O H C METODOLÓGICO E R CAPITULO III. MARCO DE 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
Se afirma que el trabajo de investigación titulado “Programa de selección de Fundación Superficiales sobre Lecho Elástico”, se ubica en el campo descriptivo. Según Dankhe (1.986, 415), “los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea sometido a análisis”. No se ocupan de la verificación de hipótesis, sino de la verificación de hechos a partir de un criterio o modelo teórico previamente definido (Carlos A. Sabino, 1.987). Miden o evalúan diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenómeno a investigar. En un estudio descriptivo se selecciona una serie de cuestiones y se mide cada una de ellas independientemente para así describir lo que se investiga (Hernández, Fernández y Baptista, 1.998).
Los estudios descriptivos miden de manera más bien independiente los conceptos o variables a los que se refiere. Aunque desde luego pueden integrar las mediciones de cada una de dichas variables para decir como es y como se manifiesta el fenómeno de interés, su objetivo no es indicar como se relacionan las variables medidas. La investigación descriptiva, requiere considerable conocimiento del área que se investiga para formular las preguntas específicas que se buscan responder. (Carlos A. Sabino, 1 .987) La presente investigación fue descriptiva ya que se evaluaron todos
S O D A superficiales, paralelamente se estudió las características del suelo en el RV E S E factor determinante en el cálculo R cual estarán los mismos, siendoS éstas un O H C E de la capacidad DERde carga de las fundaciones superficiales, para luego los aspectos relacionados con la trabajabilidad de las fundaciones
integrar estas variables en el proceso de diseño de las mismas, optimizándolo mediante la implementación de tablas de elaboradas en EXCEL, dichas tablas recopilan todos los datos provenientes del análisis y diseño de casos generalizados de fundaciones superficiales elaboradas en un programa de calculo espacial, con la finalidad de agilizar los cálculos en el diseño de las fundaciones superficiales.
3.2. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO Para el cálculo de la capacidad de carga, existen una infinidad de fórmulas las cuales difieren unas de otras de acuerdo al criterio del autor; sin embargo todas tienen sus aplicaciones específicas para un tipo de suelo determinado, es decir, para suelos cohesivos (arcillosos) y no cohesivos (arenosos) o para suelos combinados (mezcla de arenas y arcillas).
Las fórmulas más comúnmente empleadas para el cálculo de fundaciones continuas son las llamadas Fórmulas estáticas, de las cuales las más aplicadas son las basadas en los principios de Meyerhoff para las arenas y las de Terzaghi para las arcillas. Estas se obtuvieron a partir de investigaciones bibliográficas, entrevistas a especialistas en la materia, seminarios, publicaciones especializadas, etc, las mismas se describieron en la presente investigación. A continuación, se desarrollo una hoja de cálculo en EXCEL, particularizada para la selección y diseño de fundaciones superficiales sobre lecho elástico, esto se logró ingresando en las hojas de calculo los
OS D A RV
resultados provenientes del análisis de una serie de fundación en un
E S E SR O H generalizadas nos permitieron dar una C E R DE
programa espacial, que mediante el empleo de una serie de tablas de calculo
solución optima a una
infraestructura del tipo fundación a diseñar.
Para finalizar, se realizó una comparación entre los resultados obtenidos con las hojas de cálculo y con los obtenidos mediante el uso de un programa de cálculo espacial, para verificar la exactitud de los resultados. Para ello, se utilizaron los datos obtenidos de diferentes estudios de suelos y de diferentes análisis estructurales previamente estudiados.
CAPITULO IV. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 4.1.- Generalidades En este capitulo se analiza detalladamente los resultados obtenidos en la investigación, para ello se emplearon los programas EXCEL y un programa de calculo espacial para el diseño de fundaciones superficiales sobre lecho elástico.
OS D A utilizaron distintos programas computarizados, RVque nos permitieron E S E R seleccionar las cargas y momentos que transmiten las estructuras al suelo. S O H EC anteriormente el programa de cálculo espacial se Como seE mencionó R D Para el cálculo de los diferentes tipos de fundaciones superficiales se
utilizó para el análisis de diferentes tipos de losas fundación con luces y cargas predeterminadas para distintos coeficientes de balasto y espesores de losas. El programa de cálculo EXCEL se utilizó para agrupar todos los datos obtenidos de los diferentes análisis de losas, tipos de estructuras, para realizar graficas y
una hoja de cálculo que agiliza el
predimensionamiento, diseño de las fundaciones y el costo aproximado de todas las fundaciones estudiadas. 4.2.- Resultados obtenidos Entre los datos obtenidos del programa de cálculo, referente a los diferentes tipos de losa fundación, analizamos franjas específicas en donde las cargas ejercen un mayor efecto y estudiamos el efecto que ellas producen. De estos valores obtenidos, se realizaron varios tipos de tablas de valores.
4.2.1.- Tablas de Valores 4.2.1.1.- Deformación, momentos y áreas de acero, en losas de fundación. P= Carga última L= Longitud entre columnas K= Coeficiente de balasto e= Espesor de la losa 40x40= Retícula en cm, para longitud de 4m
OS D A RV
50x50= Retícula en cm, para longitud de 5m
E S E R Ssección O #¡NUM! = La requiere ser doblemente armada H C E DER Plano General de Ubicación de Franjas. 60x60= Retícula en cm, para longitud de 6m
Al observar la figura de la tabla podemos notar que la misma es muy sencilla, y que solo consta de tres partes fundamentales que se explican a continuación:
1. Datos. Este sector de la tabla es el que resalta en color amarillo dentro de la misma, y tiene como función la de recibir todos los datos fundamentales que debe poseer el usuario como mínimo para que pueda
efectuarse
a
cabalidad
dimensionamiento.
el
proceso
de
OS D A RV
diseño
y
E S E R OseS colocarán Adicional C a H esto otras variables tales como, E R DdeEejecución, tiempo costo de los materiales y de la mano de obra. 2. Dimensionamiento y Diseño de la sección del tramo: Este sector de la tabla se encuentra resaltado en color azul dentro de la misma, y su función es seleccionar el tipo de edificación a construir.
Conclusiones Una vez desarrollado el trabajo de investigación en su totalidad se llegó a las siguientes conclusiones: 1. La economía que se consigue al momento de seleccionar. un tipo de
OS D A RV
fundación consta en su mayoría en el tiempo de ejecución de la obra 2.
E S E R Scolumnas O Cuando existe luces entre que superan los 6 metros y con H C E ERelevadas, las losas de fundación suelen ser mas costosas cargasDmuy en cuanto a materiales se refiere debido al espesor resultante.
3. La hoja de calculo de EXCEL resulto ser de muy fácil uso y agradable al usuario, ofreciendo una clara visualización del proceso de calculo. 4. El procedimiento de cálculo ingresado en EXCEL, cumplió con todos los requerimientos de seguridad y economía que se plantean para cualquier tipo de elemento estructural. 5. La hoja de cálculo presentó factor de error de un 5% por encima del real, en las losas de fundación. Lo que quiere decir que nuestro diseño es seguro pero un poco antieconómico en lo que respecta al diseño del acero superior.
OS D A RV
E S E SR O Recomendaciones H C E R DE de resultados realizados acerca de este trabajo de grado El análisis arrojo las siguientes recomendaciones: 1. Es imprescindible conocer de la forma más clara y exacta posible las propiedades del suelo en el cual se plantee la construcción de fundaciones superficiales como sistema de fundación. 2. Al realizar un diseño de cualquier tipo de fundación superficial siempre hay que chequear que la capacidad admisible del suelo sea mayor que la carga sobre la fundación, para así poder evitar fallas a futuro. 3. Para el predimensionamiento de la estructura mantener las luces entre columnas entre rangos constructivos eficientes para mantener los momentos siempre de baja magnitud.
4. Para el diseño del dado de punzonado se recomienda tener en cuenta las normas al momento de realizar la ubicación del acero. 5. No disminuir las dimensiones del dado de punzonado de ninguna forma, vertical u horizontal, ya que los valores impuestos por la tabla son los mínimos valores requeridos para que la losa fundación no falle por punzonado.
OS D A RV
6. Los resultados que ofrece la tabla pueden ser cambiados a
E S E R S por O las dimensiones dadas esta. H C E DER
juicio del proyectista pero siempre y cuando no se disminuyan
7. Chequear que el estrato resistente del suelo se encuentre en la parte superior ya que si no es así, y por lo contrario, se encuentra a profundidad, es preferible fundar con fundaciones profundas y no con fundaciones superficiales. 8. Se recomienda tener muy en cuenta la limitaciones de esta hoja de calculo ya esta diseñada para trabajar con un máximo de carga de 100 ton, que serian representativas de un edificio de 4 pisos, las luces entre columnas deben oscilar entre 4 y 6 metros, que son las luces con que generalmente se trabaja en proyecto, los coeficientes de balasto para el diseño oscilan entre 1 y 5, que son los coeficientes de balasto que mas comúnmente se encuentran en el Estado Zulia.
9. Se recomienda continuar con este tipo de investigación empleando la misma metodología utilizada, bien sea, continuando con el diseño de fundaciones o con otro tipo de elemento de construcción.
E S E SR O H C E R DE Bibliografía
Libros:
OS D A RV
• Badillo, J y Rodríguez, R. Mecánica de suelos Tomo II .Editorial Limusa, México, 1996. • Delgado Vargas, M. Ingeniería de cimentaciones Mecánica de suelos Tomo II. Ingeniería de cimentaciones. Fundamentos e introducción al análisis geotécnico. Segunda edición. Alfaomega Grupo Editor, México, 1999. • Dunham, C. Cimentaciones de estructuras. Ediciones del Castillo, Madrid, 1968. • Fideas, A. Proyecto de investigación. Guía para su elaboración. 2º Edición. Editorial Episteme, Caracas, 1997. • Gordon, T. Ideas y trucos para dominar su ordenador. Ediciones Robinbook, Barcelona, 1999.
• Graux, D. Fundamentos de mecánica de suelo. Proyecto de muros y cimentaciones. 2° Edición. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 1975. • Jacobson, R. Excel Visual Basic Versión 5.0. McGrawHill., México, 1994. • Schulze, W y Simmer, K. Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 1967. • Sowers, G. B. y Sowers G. F. Introducción a la mecánica de suelos y cimentaciones. Editorial Limusa, México, 1975.
OS D A RV
• Rojas, Otto. Fundaciones. Editorial de La Facultad de
E S E SR O H C Proyecto estructural de edificios aporticados E • Vezga, Cesar. R DE Ingeniería de La Universidad del Zulia, Venezuela.
de concreto armado. Editorial de la Facultad de Ingeniería de La Universidad del Zulia. Venezuela, 1984.
• Braja, Das. Fundamentos de Ingenieria Geotecnica. Editorial Thomson Learning, U.S.A, 1990. • Bowles, Joseph. Analytical and computer Methods in Foundation Engineering. McGraw Hill, U.S.A, 1974.
Tesis:
Salom Martines, David Alejandro y Servigna Romero, • Daniel Alberto. “Caracterización Geotécnica de Fundaciones Mediante Tomografías Sísmica”. Trabajo especial de grado. Universidad del Zulia. Facultad de ingeniería civil, Junio de 2001.
• Manjarrés M, Stanley. Análisis y diseño de fundaciones Maracaibo: Universidad del Zulia, Facultad de ingeniería, Escuela de civil, 1987. • Obeid Elhalabi, Natalia Nayef y Valbuena Pírela, Ivonne Teresa. Factibilidad del reemplazo de los materiales tradicionales en el diseño de fundaciones para equipos vibratorios. Trabajo de grado. Universidad del Zulia. Facultad de ingeniería. Escuela de civil. Maracaibo, 1.999. • Bieler Romero, Bernardo Miguel y Vivas Méndez, Johann
OS D A económica para el dimensionamiento RVde fundaciones en E S E R instalaciones industriales trabajo especial de grado. S O H C E del Zulia. Facultad de ingeniería. Escuela de civil. R Universidad E D
Irase. Estudio de los parámetros geotécnicos y de sensibilidad
Maracaibo, Julio 2001.
• Manuales: • Velásquez, José. Diseño estructural refundaciones. Parte I. Editorial de Solditeca. • Febres, Edgard. Fundaciones Superficiales. Editorial de La Facultad de ingeniería de La Universidad de los Andes.
