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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL – USS

MECANICA DE SUELOS Y ROCAS INTRODUCCION – CIMENTACIONES SUPERFICIALES MSc. Ing.Civil Sócrates Pedro Muñoz Pérez

Chiclayo – Perú Enero - 2018

Se dice que quien proyecta y construye cimentaciones importantes y difíciles no duerme bien por la noche … CW DUNHAM El suelo es un material natural y por ende sus propiedades mecánicas no son controlables y son difíciles de determinar con precisión. La respuesta de la mayoría de los suelos bajo carga es no lineal desde niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma importante con el tiempo (CHILE). La distribución de presiones entre el suelo y cimentación depende de la interacción entre ambos sistema, la cual no se presta generalmente a ser representaba por medio de modelos sencillos.

Cimentaciones

Definición

La cimentación, o subestructura, constituye un elemento de transición entre la estructura propiamente dicha, o superestructura, y el terreno en que se apoya. Su función es lograr que las fuerzas que se presentan en la base de la estructura se transmitan adecuadamente al suelo en que esta apoya. Para que esto se cumpla deberá haber una seguridad adecuada contra la ocurrencia de fallas en los elementos de cimentación o en el suelo y contra la presencia de hundimientos excesivos. Page ex1-11

Cimentaciones

Tipos de cimentación

1.

2. 3.

El nivel de la cimentación deberá estar a una profundidad tal que se encuentre libre del peligro de heladas, cambios de volumen del suelo, capa freática, excavaciones posteriores, etc. Tendrá unas dimensiones tales que no superen la estabilidad o capacidad portante del suelo. No deberá producir un asiento en el terreno que no sea absorbible por la estructura.

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Cimentaciones

Clasificación de de las cimentaciones

•

Cimentaciones superficiales:

El estrato resistente se encuentra a poca profundidad Df/B4 La fuerza N es absorbida por punta y rozamiento a lo largo del fuste del pilote y el empuje horizontal se trasmite por medio del fuste al suelo. Clasificación de las cimentaciones profundas:  Pilotes aislados: Aquel que esta a una distancia lo suficientemente alejada de otros pilotes como para que no tengan interacción geotécnica con ellos.  Grupos de pilotes: Son aquellos que por su proximidad interaccionan entre si o están unidos mediante elementos estructurales lo suficiente mente rígidos como para que trabajen conjuntamente

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Cimentaciones

Clasificación de de las cimentaciones

Cimentaciones profundas Clasificación de las cimentaciones profundas:  Zonas pilotadas: Cuando se trata de pilotes regularmente espaciados que se pueden utilizar para reducir asientos o mejorar la seguridad frente a hundimiento de losas. Suelen ser pilotes de escasa capacidad portante individual  Micropilotes: son aquellos compuestos por armadura metálica formada por tubos o perfiles introducidos dentro de un taladro de pequeño diámetro, pudiendo estar o no inyectados con lechada de mortero a presión mas o menos elevada.

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Cimentaciones

Clasificación de de las cimentaciones

Cimentaciones profundas Clasificación de las cimentaciones profundas:

Cabezal de pilotes (zapata) pilotes Suelo débil

Estrato de apoyo

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Cimentaciones

Clasificación de de las cimentaciones

Cimentaciones profundas Tipología: Por la forma que trabaja.

Los pilotes se pueden colocar bajo zapatas o bajo losas de cimentación y pueden trabajar de tal forma que la carga se resista en parte por fricción con el suelo y en parte por apoyo de contacto profundo. Page ex1-11

Conceptos fundamentales

1. Aspectos principales del problema

a) Análisis Estructural: La superestructura se analiza como un sistema independiente de la cimentación, asumiendo que el conjunto suelo cimentación es indeformable. ¨las deformaciones que se presenta en la cimentación y el suelo modifican no solo la distribución de presiones, sino también las fuerzas internas en toda la estructura”

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Conceptos fundamentales

1. Aspectos principales del problema

b) Presión que se generan en el suelo: A medida que crece la profundidad, la magnitud de las presiones disminuye, pero están afectan zonas cada vez mas alejadas del punto de aplicación. Si las presiones en el suelo exceden de la capacidad resistente de alguna de las capas que se encuentran debajo de las zapatas, se producirán deformaciones excesivas del suelo que pueden conducir a la falla total o parcial de la estructura

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Conceptos fundamentales

1. Aspectos principales del problema

c)

El suelo es un medio continuo: Tanto el suelo por debajo de la cimentación y el suelo no situado debajo del cimiento se deforman. Una carga aplicada en un punto cualquiera bajo la estructura produce asentamientos en los demás puntos de la cimentación y hay, por tanto, interacción entre las cargas y los asentamientos en los diferentes puntos en que estas se aplican. Por esta razón resulta poco preciso modelar el suelo con resortes independientes bajo los puntos de carga

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

La transmisión de las cargas de estructura al terreno plantea un complejo problema de interacción entre los tres elementos implicados: estructura, cimentación y terreno. Los principales factores a considerar en dicho proceso de interacción serán el tipo y características del terreno, la forma y dimensiones de la cimentación y la rigidez relativa terreno-estructura y terreno-cimentación.

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación La figura muestra el caso de una zapata infinitamente flexible apoyada directamente sobre la superficie de un terreno horizontal, sobre la que se aplica una sobrecarga uniforme. Por efecto de esta sobrecarga el terreno y la zapata sufrirán un asiento, que resultará mayor en el centro que en los extremos y no se limitará al área cargada, sino que se extenderá a ambos lados de ella hasta una cierta distancia. Por ser infinitamente flexible, la zapata no será capaz de soportar momentos flectores y, en consecuencia, la distribución de presiones con que el terreno reaccionará será idéntica a la distribución uniforme de presiones colocada sobre la zapata

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación Si la zapata fuera infinitamente rígida, el hundimiento de la zapata sería uniforme. En casos intermedios de rigidez, el valor medio del hundimiento podrá ser similar al anterior, pero su distribución estará evidentemente condicionada por la rigidez del cimiento. Así, bajo los extremos de la zapata (zonas AB y CD), el hundimiento será mayor que el correspondiente a la zapata flexible; mientras que en el centro (zona BC), el hundimiento será menor. En consecuencia, las presiones de respuesta del terreno en los extremos de la zapata rígida serán superiores a las correspondientes a la zapata flexible y, por el contrario, en su centro serán menores. Resulta así una distribución no uniforme de presiones, caracterizada por unos valores máximos en los extremos y un valor mínimo en el centro colocada sobre la zapata

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

a) Cimentación rígida cimentada sobre suelos cohesivos: Se aproxima a distribución teórica. La presión en los extremos disminuye (comportamiento no lineal del suelo, el terreno cercano al borde es desplazado hacia afuera) A medida que se incrementa R la zona de plastificación se propaga de los externos hacia el centro R

Suelo cohesivo

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

b) Cimentación rígida cimentada sobre suelos granular: Difiere de la distribución teórica. La presión es máxima en el centro (la rigidez del suelo se ve incrementada por confinamiento) y disminuye en los extremos (desplazamiento del suelo hacia afuera). A medida que se incrementa R la zona de plastificación se propaga del centro a los extremos R

Suelos granulares

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

c)

Cimentación flexible sobre suelos cohesivos y granulares: La deformación de la cimentación genera una reducción de las presiones en los extremos

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

f)

Rigidez relativa suelo – cimentación - estructura: La propia rigidez de la estructura a cimentar inducirá también restricciones al movimiento y a la respuesta asociada del terreno. En el caso más general, cuando el terreno tienda a asentar por efecto de la presión aplicada, la estructura, en función de su rigidez, redistribuirá sus esfuerzos, modificando a su vez las acciones sobre la cimentación y el terreno. La situación de equilibrio final dependerá por tanto de la rigidez relativa del conjunto terreno-cimiento estructura.

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

g)

Rigidez relativa suelo – cimentación - estructura: Estructura flexible – cimentación flexible: La presión sobre la cimentación varia según la deformación de esta. Las columnas descienden con la cimentación, es decir que la cimentación no puede ser concebida en absoluto como un elemento con carga igual a la reacción del terreno y apoyada en las columnas, si no apoyada en el terreno y cargada por las columnas

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

g)

Rigidez relativa suelo – cimentación - estructura: Estructura flexible – cimentación flexible: La presión sobre la cimentación varia según la deformación de esta. Las columnas descienden con la cimentación, es decir que la cimentación no puede ser concebida en absoluto como un elemento con carga igual a la reacción del terreno y apoyada en las columnas, si no apoyada en el terreno y cargada por las columnas

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

g)

Rigidez relativa suelo – cimentación - estructura: Estructura rígida – cimentación rígida: La variación de presiones se puede suponer como linealmente variable

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

g)

Rigidez relativa suelo – cimentación - estructura: Estructura rígida – cimentación flexible: La gran rigidez de la superestructura hace que los puntos de enlace de las columnas con la cimentación no puedan asentarse mas que manteniéndose todos sus puntos de apoyo con el cimiento alineados. El método del modulo de balasto no es aplicable, ya que este basa en que cada columna se hunde de acuerdo con la deformación de la cimentación, pero sin estar coaccionado por los otros a través de la cimentación

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones isostáticas

Una cimentación se considera isostática cuando la distribución de fuerzas internas en la cimentación no depende de los hundimientos de los apoyos i) Criterios de rigidez para el diseño de cimentaciones directas-zapatas aisladas y corridas de muros en la dirección perpendicular a la alineación del muro: Se podrá considerar que una zapata aislada es rígida (concepto de rigidez relativa) cuando a efectos de cálculo la distribución de presiones a que de lugar sobre el terreno pueda considerarse lineal. A efectos prácticos se considerará aceptable la hipótesis de rigidez relativa cuando:

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

i)

Criterios de rigidez para el diseño de cimentaciones directas-zapatas aisladas y corridas de muros en la dirección perpendicular a la alineación del muro : Donde: V= voladizo de la zapata en la dirección que se esta analizando Ec= Modulo de elasticidad del concreto de la zapata Ic= Momento de inercia de la sección de la zapata perpendicular a la dirección del voladizo respecto a la horizontal que pasa por su centro de gravedad B= Ancho de la zapata en la dirección perpendicular al voladizo considerado ksB = Módulo de balasto de cálculo, representativo de las dimensiones del cimiento

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

h) Reacción del suelo sobre cimentación rígida: La distribución de fuerzas internas en la cimentación son independientes del hundimiento de los apoyos. La distribución de presiones se pueden idealizar de mediante dos hipótesis simplistas: 

Variación lineal de presiones: Considera el suelo constituido por una cama de resortes lineales independientes que solo soportan compresión, los esfuerzos son proporcionales al hundimiento, cimentación rígida.



Distribución uniforme concéntrica con la resultante de las cargas aplicadas. Distribución uniforme de presiones, en un rectángulo equivalente de longitud tal que la magnitud y resultante de los esfuerzos igualan a las fuerzas actuantes. Considera la plastificación del suelo Page ex1-11

Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

h) Reacción del suelo sobre cimentación rígida: Variación lineal de presiones: P Eje centroidal

L P/A L

B

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

h) Reacción del suelo sobre cimentación rígida: Variación lineal de presiones: P

e Eje centroidal

L

ek= L/6

y P/A My/I

qmax 

L Núcleo central

B

B/6 L/6 L/6

min



P My P Pe y    A I A I P Pe (L/2) P  6e    1    A BL3 /12 A L

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

h) Reacción del suelo sobre cimentación rígida: Variación lineal de presiones: P e

Resultante de las fuerzas

ek

ek= L/6 qmax

e > ek

Resultante de la Presión del suelo

2P aB L  a  3  e  2 

q max 

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos de alta compresibilidad

Reacción del suelo sobre cimentación rígida: En cimentaciones continuas los movimientos diferenciales de los apoyos modifica la distribución de presiones del suelo e introducen fuerzas internas en la cimentación que no pueden ignorarse para suelos de alta compresibilidad. En estos casos la distribución de presiones en el suelo debe cumplir: Equilibrio global, Equilibrio local y compatibilidad de deformaciones Los hundimientos se deben calcular de acuerdo del tipo de suelo y tomando en cuenta la no linealidad del suelo. Analizar la estructura considerando al interacción suelo cimentación estructura suelen ignorar la no linealidad del suelo, situación que afecta grandemente los resultados

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos de alta compresibilidad

Procedimiento de análisis. procedimiento se resuelve aproximaciones sucesivas

El por

 Asumir distribución de presiones que cumpla con la distribución de equilibrio global y local  Determinar los hundimientos del suelo para la distribución de presiones considerada  Modificara iterativamente la distribución de presiones hasta lograr la coincidencia de las dos configuraciones de desplazamientos. Page ex1-11

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

Se acepta una relación lineal esfuerzo deformación del suelo. El suelo se sustituye por una cama de resortes cada de unos de los cuales actúa independientemente de los demás. La presión con que reacciona el suelo ante la carga transmitida por la cimentación es proporcional al hundimiento que esta presente en el punto en cuestión.   K y s 4 d y EI 4  q dx

Donde: Ks: modulo de balasto, modulo de reacción y : hundimiento Page ex1-11

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

El modulo de balasto se suele determinar mediante una prueba de placa en la que se somete a carga una placa cuadrada de un pie de lado, colocada sobre el estrato de suelo en estudio y se determina la relación esfuerzo deformación, que resulta generalmente no lineal. Para el nivel medio de presiones a las que se provee va a estar sujeta la cimentación se determina una rigidez secante la cual se toma como modulo de reacción unitario (para una área carga de un pie cuadrado Page ex1-11

Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

El valor de k se relaciona con cimientos grandes que midan BxB de la siguiente manera

 B  0.30  Suelos granulares k  k0.30    2B   0.30  Suelo cohesivos k  k0.30    B  2

Para cimentaciones rectangulares con dimensiones BxL

k L B

B  k B  B  1  0. 5  L   1.5 Page ex1-11

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos. La rigidez del suelo varia con el tiempo en que permanecen actuando las cargas. Los valores de la tabla deben reducirse a la cuarta parte los módulos de elasticidad y de reacción cuando se trata de cargas permanentes

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

La ecuación de resistencia de materiales para flexión nos indican que la carga externa aplicada, q, es igual a la curta derivada de la flecha con respecto a la longitud, multiplicada por el producto EI.

La carga aplicada a la viga en un punto cualquiera es la que transmite la estructura w menos la reacción del suelo.

d4y EI 4  q dx q  w  bks y d4y EI 4  w  bks y dx Page ex1-11

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

La ecuación diferencial se puede expresar en un función de un solo parámetro (λ, reciproco de longitud).

El caso de interés es el de una viga flotante de longitud infinita sujeta a cargas concentradas iguales. La solución se puede expresar del parámetro adimensional (λL) que representa la rigidez relativa entre el suelo y cimentación.

d4y EI 4  bks y  w dx

  

bks   4 EI  

1 4

 bks L4  L     4 EI 

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1 4

Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

La figura muestra la variación de las presiones que resultan en el apoyo y en el centro del claro en función del parámetro λL.

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

Criterios para despreciar los asentamientos diferenciales en el diseño de cimentaciones continuas: Los hundimientos del suelo son suficientemente pequeños bajo cargas impuestas por la estructura. Cuando los asentamiento diferenciales no superan los asentamiento tolerables indicados en la tabla N° 8 de la Norma Técnica E.050. Cundo el numero de golpes es de mas de 20 por cada 30 cm (SPT) , desde la superficie de apoyo hasta 1.5 veces el ancho de la cimentación El esfuerzo trasmitido al suelo sea aproximadamente iguales y su valor promedio no sobre pase 10 Ton/m2. La cimentación tiene una rigidez muy superior a la del suelo sobre el que se apoya, de modo tala que los asentamiento diferenciales serán pequeños. Page ex1-11

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

Criterios de rigidez para el diseño de cimentaciones directas -zapatas combinada y corridas : Se considerará que una zapata combinada o corrida es rígida cuando a efectos de cálculo la distribución de presiones a que da lugar sobre el terreno pueda considerarse lineal. A efectos prácticos se considerará aceptable la hipótesis de rigidez relativa cuando

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

Criterios de rigidez para el diseño de cimentaciones directas -zapatas combinada y corridas : Donde: L= es la luz del vano que separa, bien dos columnas de una zapata combinada, bien dos columnas cualesquiera de una zapata corrida. V= Longitud de cualquier voladizo en la dirección de la alineación de las columnas. B= Ancho de la zapata (en dirección perpendicular a la alineación de las columnas. Ec= Módulo de elasticidad del concreto de la zapata

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación: cimentaciones continuas sobre suelos elásticos.

Criterios de rigidez para el diseño de cimentaciones vigas de cimentación, emparrillados y losas de cimentación La distribución de presiones en cimentaciones continuas, emparrillados y las losas, se puede consideraran que varían linealmente siempre y cuando cumplan simultáneamente lo señalado para zapatas aisladas y zapatas combinadas

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Conceptos fundamentales

2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

h) Estimación de las condiciones de rigidez relativa terreno-estructura: La rigidez relativa de la estructura con respecto al terreno podrá estimarse mediante la evaluación del factor Kr definido en la expresión

Donde: Ec= Modulo de elasticidad del concreto (200 000 Kg/cm2) Ic= momento de inercia de la sección bruta de la cimentación ∑Eiv= Suma extendida en vertical a todas las vigas y techos paralelos al cimiento y que transmiten su carga a los soportes en el, de los productos EIv, donde E e Iv son los módulos de elasticidad y momentos de inercia de las vigas y techos, respectivamente.

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2. Presiones ejercidas por el suelo en una cimentación

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