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FALLA DE LOS SILOS DE TRANSCONA DONDE SE PRODUJO POR CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO (Qult) 1. Introducción La geotecnia es el estudio de las propiedades mecánicas de los suelos aplicadas a las obras civiles antes de construir cualquier estructura se requiere realizar un estudio de suelos para diseñar correctamente la cimentación y así evitar fallas que puedan terminar en catástrofes humanas y económicas una falla que debe ser estudiada es la de los SILOS DE TRANCONA en Canadá. 2. Descripción del caso La estructura de concreto consistía en un deposito unido por un puente a una estructura adyacente que agrupa a 65 silos de 28 metros de alto y 4.4 metros de diámetro donde se guardarían granos esta fue construida por la empresa (GENERARIAN PACIFIC RAILWAY), el 18 de octubre en 1913 la parte de la estructura que se componía de silos empezó a inclinarse y en solo 24 horas quedo a 27 grados de la vertical quedando a un lado enterrado 9 metros y el otro levantado a un metro y medio, mientras se inclinaba la estructura el suelo que estaba debajo de la parte que se estaba hundiendo se movió hacia un lado, lo cual caracteriza las fallas por capacidad portante diferentes a los asentamientos, cuando ocurre un asentamiento el volumen del suelo cambia, porque se comprime pero en las fallas por capacidad portante el volumen no cambia por lo que solo busca una forma de acomodarse y por lo general se acumula la estructura que esta sufriendo la falla la capacidad portante se refiere a la capacidad del terreno a soportar cargas aplicadas sobre el. La inclinación de la estructura causó que el puente que la unía con el deposito colapsara sin embargo el deposito no sufrió ningún daño y aunque los silos quedaron parcialmente enterrados bajo tierra no sufrieron daños mayores. En general el suelo falla por cortes y la carga se aplica de modo que no ocurre un cambio en el volumen, sin embargo puede falla por punzonamiento si existe un cambio de volumen al aplicarle la suficiente carga, ahora bien la arcilla es un material fácilmente deformable y con baja resistencia a las cargas, la cual falla por punzonamiento debido a que tiende a desplazarse hacia los lados. FIGURA 1

Con respecto a como se soluciono el problema lo primero que hicieron fue hacer vaciar los contenedores para salvar los granos y aliviar el peso extra que estos generaban después (FOUNDATION COMPANY) de Vancouver reforzó la cimentación del deposito por el temor de que sucediera lo mismo y una vez que el deposito estuviera seguro, esta compañía creo un plan para salvar los silos. Primer plan fue cavar bajo la parte de la estructura que estaba mas arriba y enderezar, el problema era que iba a quedar en parte bajo tierra, por lo que decidieron enderezar la estructura mientras la elevaba, esto lo hicieron inclinando la estructura aproximadamente 10 grados tomando como eje de rotación el lado mas profundo después cambiaron el eje de rotación a un punto en el centro de la base y la inclinaron otros 10 grados, mientras levantaban la parte mas enterrada de la estructura con gatos hidráulicos y por ultimo pusieron el eje de rotación en el lado mas arriba y terminaron de enderezar la estructura poniéndola casi al nivel original pues lo soltaron 3 metros, que solucionaron excavando alrededor de la estructura, este proceso termino el 17 de octubre de 1914 y fue totalmente exitoso, pues dicha estructura sigue en funcionamiento hasta el día de hoy. FIGURA 2

3. Cargas al momento de la falla Las cargas al momento de falla se producen cuando el terreno tiene una capacidad portante inferior a las cargas impuestas por una determinada estructura. Ello se da comúnmente cuanto se construye sobre rellenos no compactados o nivel bajo de compactación, cuándo se colocan fundaciones superficiales en un terreno de baja capacidad de soporte, cuando no se alcanza terreno firmo de fundación, entre otros.

Factores que afectan la capacidad portante de un suelo  Retracción, expansión del suelo  Proximidad al nivel freático  Defectos o fallas del subsuelo  Acción de heladas y deshielos  Erosión y corrosión en el suelo  Aplicación de cargas inclinadas o excéntricas  Licuefacción por la acción de cargas dinámicas Conocimiento de la carga portante segura del terreno FIGURA 3

La figura nos muestra la grafica de Asentamiento Vs. Carga vertical. En la figura 3 Se puede ver cómo, al aumentar la carga, el asentamiento también va creciendo, esto hasta llegar a un límite denominado palla generalizada, entonces se tiene una determinada carga para que la estructura falle y en ingeniería lo que se hace es prevenir que ello suceda, por ello es aconsejable el uso de factores de seguridad (FS=3) para poder estar lejos de la fluencia del terreno. Teorías de capacidad de carga La capacidad de carga de un terreno puede ser calculado de diferentes maneras, esto debido a la variedad de métodos empíricos existentes, entre ellos se pueden rescatar:  Método Simplificado de las cuñas de Rankine o Solución de Terzaghi o Solución de Meyerhof o Solución de Hansen o Solución de Vesic  Ensayo SPT (Standard Penetration Test)  Teoría de Prandtl  Teoría de Hill

Características de falla de los Silos de Transcona En el momento de la falla:  Los silos estaban cargados al 87.5% de su capacidad total  Había 24 columnas ordenadas en cuatro filas de 6, las columnas exteriores tenían un peso de 500 [tn] cada una y las interiores tenían 800 [tn]  En la capacidad de carga ultima en la primera capa de arcilla era de 3.3 [tn/pie^2]  La capa más superficial presentaba una resistencia a la compresión de 108 [KPa] mientras que la segunda tenia una resistencia de solo 62 [KPa]. 4. Perfil geotécnico y parámetros del suelo En el caso de silos de Transcona el terreno estaba compuesto principalmente de arcilla esta es una roca sedimentaria descompuesta constituida por agregados de silicato de aluminio hidratado procedentes de la descomposición de rocas que contienen feldespato como el granito además esta se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua y por tener un tamaño de grano entre los 0,0039 milímetros y los 0,0075 milímetros para fines de ingeniería FIGURA 4

El primer estrato era de espesor de 2 [pies] de material orgánico debajo del cual existía arcilla gris rojiza de una profundidad de 5 – 6 [pies] ,la cual fue gradualmente cambiando a una arcilla azul hasta una profundidad de 40 [pies] después cambia súbitamente a un estrato de piedras calizas que están encima de un estrato de roca caliza. El problema principal fue durante el estudio de suelos previo a la construcción, las pruebas que se realizaron para determinar la capacidad portante del suelo se limitaron a la capa superficial y no tuvieron en cuenta que debajo de esta a 7.5 metros de profundidad había una segunda capa mucho menos resistente que fue la que produjo la falla.

5. Determinación de la capacidad de carga ultima  Determinación de la capacidad ultima antes de la falla Se utilizo: FORMULA DE TERZAGHI PARA CAPACIDAD ULTIMA. Solo valida cuando se tiene un tipo de suelo. f = (γ ∗ t + q) + Cu ∗ Nc ∗ (1 + Sc + dc ) Ec. (1) Donde: γ = Peso especifico del suelo q = Sobrecarga en la superficie t = Profundidad Cu = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 Nc = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 2+ = 5,14 dc = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 Sc = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎

Sc = 𝟎. 𝟐 ∗

𝒃 𝑳

Ec.(2)

Donde: b = Base de la cimentacion L = Longitud de la cimentacion

dc = 𝟎. 𝟒 ∗

𝒕 𝒃

Ec.(3)

Donde: t = Profundidad b = Base de la cimentacion Cu = Cu1 ∗ m + CU2 ∗ (1 − m) = Cu1 ∗ (m + n − mn) Ec. (4) n=

𝟐∗𝑫 𝒃 C

Ec.(5)

m = Cu2 Ec.(6) u1

Geometría:  Ancho: b=23.5 [m]  Largo: L=59.5 [m]  Profundidad: t=3.7 [m]

Perfil del suelo  Un grosor de capa: D=6 [m]  Una resistencia al corte para el primer tipo de suelo: cu1=qu1/2= 54 [KPa]  Una resistencia al corte para el segundo tipo de suelo: cu2=qu2/2= 31 [KPa]  Peso especifico del suelo: y=18.7 [kn/m^3] Cargas  La sobre carga de la superficie: q=0  La resistencia máxima estimada: =400 [kPa]  La resistencia al momento de la falla:  = 293 [kPa]

La resistencia máxima estimada: Nc = 5.14 Sc = 0.2 ∗

23.5 = 0.08 59.5

dc = 0.4 ∗

3.7 = 0.06 23.5

Resistencia ultima: Solo tomando en cuenta un solo tipo de suelo. f = (18.7 ∗ 3.7 + 0) + 54 ∗ 5.14 ∗ (1 + 0.08 + 0.06) = 386 [𝐾𝑃𝑎]

6. Asentamientos Si calculamos la carga de hundimiento por el método tradicional de Skempton (muy posterior a la fecha del fallo) para suelos arcillosos, ésta es de 3,23 kg/cm2, siendo la presión actuante en el momento del fallo de 3,0 kg/cm2, lo que nos deja un factor de seguridad de 1,08. Con un error del 10% en la estimación del Qu (0,91 kg/cm2) nos daría un valor menor de 1 y el hundimiento, cosa que ocurrió. En la zona se utilizaban valores de carga de hundimiento de entre 3 y 4 kg/cm2 para esas arcillas pero el problema es que normalmente no se construían estructuras tan grandes y con esa carga, se construían estructuras más pequeñas, edificios, cuyo bulbo de presiones no alcanzarían esos niveles de arcillas blandas inferiores.

7. Análisis actualizados

Se hizo un análisis por el método de elementos finitos en 1990, la carga muerta de la estructura era de 20000 [tn] y el peso del grano dentro de los silos esta a ser determinado basado en una unidad de peso del grano de 60 [lb/bushels], la presión en la fundación fue estimada de 6200 [Psi], para su simplificación se asumió que todos los silos estaban rellenados uniformemente. Definición del modelo de elementos finitos: El primer paso fue recolectar información histórica de las propiedades del suelo y del nivel freático, geometría de la fundación esta bien definido y las perforaciones del suelo en el lugar mostraron que la profundidad es relativamente consistente sobre el área sobre la que se le aplica la carga. El modelo fue desarrollado usando seep/w junto con sigma/w para analizar la presión de poros en el tiempo en respuesta a las tensiones aplicadas en la superficie. El factor de seguridad fue analizado usando el paquete de equilibrio limite slope/w

8. Experiencias adquiridas para la ingeniería con el presente caso de estudio Las lecciones que esta falla deja son varias:      

La primera es que es de vital importancia realizar un estudio de suelos adecuado para el tamaño de la estructura. También se podría haber diseñado la estructura menos alta y así reducir el momento. Con respecto a las alternativas para enderezar la estructura aparte la mencionada anteriormente se podría aplicar cargas en el lado mas alto de la estructura para nivelarla, este método fue usada en la torre de pizza. También se podría drenar el suelo para disminuir su volumen. Realizando mas pruebas de suelo precisas y cálculos podrían haber evitado el fracaso del silo transcona. Los avances en la tecnología desde 1913 han permitido estudios mas precisos. Sin embargo, la verdadera masa máxima que el suelo puede retener es difícil de predecir con exactitud.