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CAPACIDAD DE CARGA

exposición de unidad 3 de mecánica de suelos aplicada
by

Joel Alfonso Canul Dzul

on 8 October 2012

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Transcript of CAPACIDAD DE CARGA

alumnos INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE VALLADOLID

CAPACIDAD DE CARGA

ING. CIVIL 5º A CANUL DZUL JOEL ALFONSO
DZIB PECH JOSE SUSANO
HAU CAAMAL FERNADO
MATOS CASTRO JOSE DOMINGO
MOGUEL CHAN RICHARD 3.1. Teorías de capacidad de carga.
3.2. Interacción suelo – estructura.
3.3. Cálculo de capacidad en cimentaciones
superficiales.
3.4. Cálculo de capacidad en cimentaciones
profundas.
3.5. Software de aplicación. TEMAS capacidad de carga: carga por unidad de área bajo la fundación bajo la cual se produce la falla por corte, es decir, es la mayor presión unitaria que el suelo puede resistir sin llegar al estado plástico. CAPACIDAD DE CARGA teorías DE CAPACIDAD DE CARGAS solución de prandtl Calcular la máxima presión que se puede dar al elemento rígido que penetre en el medio semi-infinito; a este valor particular de la presión se le denomina ´carga limite. la solución de hILL En la figura se muestra el mecanismo de falla propuesto por Hill, en el que las regiones AGC y AFD son de esfuerzos constantes y la región AFG es de esfuerzo radiales. LA TEORÍA DE TERZAGHI Despreciando el peso de la cuña I y considerando el equilibrio de fuerzas verticales se obtiene que:

qcB = 2pp + 2 c sin Ø

Donde:

qc=carga de falla en el cimiento, por unidad de longitud del mismo.

pp = empuje pasivo actuante en la superficie A

C = fuerza de cohesión actuante en la superficie AC


Como C = cB/(Zcos Ø) se tiene que qc = 1/B(2 pp + cBtg Ø) La fuerza pp puede ser descompuesta en tres partes, ppc, ppq, ppy

Donde:

Ppc = es la componente de pp debida a la cohesion actuante a lo largo de la superficie CDE.

Ppq = es la componente pp debida a ala sobrecarga q= Df que actua en la superficie AE.

Ppy = es la componente de pp debida a los efectos normales y de friccion a lo largo de la superficie de deslizamiento CDE, causados por el peso de la masa de suelo en las zona II y III.

Teniendo en cuenta el desglosamiento anterior, la ecuación queda:


qc = 2/B(, ppc + ppq + ppy + 1/2 cBtan Ø) Terzaghi calculó algebraicamente los valores ppc, ppq, ppy, después de ello, trabajando matemáticamente la expresión obtenida, logro transformar la ecuación anterior en:


qc= c.Nc + DfNq + ½..B.N

Donde qc es la presión máxima que puede darse al cimiento por unidad de longitud, sin provocar su falla; ósea representa la capacidad de carga última del cimiento.Nc, Nq y N son coeficientes a dimensionales que dependen solo del valor del ángulo de fricción interna del suelo.           Nacido en 1914 en Northampton, el único hijo de Alec y Beatrice Skempton, fue educado en Northampton Grammar School. Se fue a estudiar Ingeniería Civil en el City & Guilds College, y luego una parte diferenciada de la Imperial College de Londres. Aquí desarrolló un interés en la geología y la ambición de hacer investigación, así como teniendo un grado de primera clase.

Fundó la primera escuela del Reino Unido de la mecánica de suelos en el departamento de ingeniería. Actuó como consultor en proyectos de ingeniería civil en todo el mundo, quizás el más importante es la presa de Mangla Pakistán. Desempeñó un papel clave en la investigación a raíz del colapso de la presa Carsington.  Así como sus inmensas contribuciones científicas y profesionales a la ingeniería civil. ALEC SKEMPTON Skempton propone adoptar para la capacidad de carga en suelos puramente cohesivos una expresión de forma totalmente análoga a la de Terzaghi, según la cual:
 
 
 
 
qc = cNc + ϒDf
 
 
 
 La diferencia estriba en que ahora Nc ya no vale siempre 5.7, sino que varía con la relación D/B, en que D es la profundidad de entrada del cimiento en el suelo resistente y B es el ancho del mismo elemento. En la figura VII-11 aparecen los valores obtenidos por Skempton para Nc, en el caso de cimientos largos y de cimientos cuadrados o circulares.

  TEORÍA DE SKEMPTON Por otra parte, en los casos de suelos heterogéneos estratificados debe manejarse con cuidado el termino ϒDf, que representa la presión del suelo al nivel de desplante y que, por lo tanto deberá calcularse tomando en cuenta los diferentes espesores de los estratos con sus respectivos pesos específicos, en la condición de suelos de que se trate, más cualquier sobre carga distribuida en la superficie del suelo.
  Nacido en 1916 en Kiel, Alemania, Meyerhof era el hijo del fallecido Otto Meyerhof, Premio Nobel de Fisiología. Después de graduarse con una licenciatura grado de la Universidad de Londres en 1938, trabajó durante varios años con ingenieros consultores estructurales en Inglaterra y posteriormente obtuvo un doctorado en ingeniería. En 1946, se unió al personal de la Estación de Investigación gobierno británico Building cerca de Londres, Inglaterra, donde llevó a cabo una amplia investigación sobre la mecánica de suelos y los problemas de cimentación. 
 
Durante su vida, Meyerhof recibió una gran cantidad de premios y galardones. En 1999, fue nombrado miembro de la Orden de Canadá por su distinguido servicio en la ingeniería geotécnica. La Asociación de Ingenieros Profesionales de Nueva Escocia le otorgó el reconocimiento más prestigioso, el Premio FH Sexton, por sus excepcionales servicios de ingeniería profesionales prestados a la Provincia de Nueva Escocia. Fue galardonado en el año 2000 Becas de Honor de la Institución de Ingenieros Civiles (Reino Unido) por sus mundialmente conocidos contribuciones a la ingeniería geotécnica. Además, recibió el Premio Karl Terzaghi de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles por su destacada contribución a la fundación de la ingeniería.  GEORGE GEOFFREY MEYERHOF En esta teoría y en caso de cimientos largos, se supone que la superficie de desplazamiento con la que falla el cimiento tiene la forma que se muestra en la figura.










Según meyerhof, la cuña ABB` es una zona de esfuerzos uniformes, a la que se puede considerar en estado activo de Rankine; la cuña ABC, limitada por un arco de espiral logarítmica, es una zona de esfuerzo cortante radial, y finalmente, la cuña BCDE es una zona de transición en que los esfuerzos varían desde los correspondientes al estado de corte radial, hasta los de una zona en estado plástico pasivo. TEORÍA DE MEYERHOF La extensión del estado plástico en esta última zona depende de la profundidad del cimiento y de la rugosidad de la cimentación. La línea BD es llamada por meyerhof “la superficie libre equivalente” y en ella actúan los esfuerzos normales y tangenciales,So, correspondientes al efecto del material contenido en la cuña BDE.
 
La expresión que se llega finalmente al desarrollar la Teoría de meyerhof es la siguiente:
 
qc = cNc + PoNq +1/2 ϒBnϒ
 
Como se ve, y éste es un ejemplo más de la fuerza de la tradición y la costumbre, meyerhof presenta una expresión final cuya forma matemática es enteramente análoga a la de Terzaghi. Nació en la ciudad portuaria de Veracruz, México el 27 de noviembre de 1914, completó sus estudios universitarios en 1937, después de haber recibido el título de Ingeniero Civil en la Universidad Nacional Autónoma de México en 1939. Cursó estudios de postgrado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde se especializó en ingeniería estructural y obtuvo el grado de Maestría en Ingeniería Civil en 1940. En 1947 fue invitado por el Dr. Karl Terzaghi para trabajar con él en las tareas de mecánica de suelos en la Universidad de Illinois, donde ocupó el cargo de Investigador Visitante en la ingeniería estructural y donde recibió el grado de Doctor en Filosofía (Ph. D.) en 1949.
Uno de sus proyectos más importantes es la Torre Latinoamericana, 43-pisos con dos niveles de sótano, la estructura de acero y una antena de televisión de 40 m de altura en la parte superior de la misma. En este edificio se realizaron estudios de Mecánica del Suelo (1947-1948) destinados para el diseño de la cimentación y también investigó el origen del hundimiento regional se producen en la Ciudad de México. Dr. LEONARDO ZEEVAERT WIECHERS Cuando se tiene una cimentación piloteada con pilotes de punta, alojada adentro de una cierta estratigrafía que contenga una mano compresible, si dicho manto, tiende a disminuir de espesor por algún proceso de consolidación inducido, se está gestando un problema muy común denominado fricción negativa. TEORIA DE ZEEVAERT Al permanecer fijos los pilotes, el suelo que se consolida tiende a bajar a los largo de su fuste. Induciendo esfuerzos de fricción que sobrecargan los pilotes para colgarse en material circunvecino a los mismo. Si estas sobrecargas no han sido tomadas en cuenta en el diseño, se puede llegar a producir un colapso de los pilotes por penetración en el estrato resistente.
 
Para un grupo de pilotes por fricción, seguramente el suelo situado en el interior del grupo quedara rígidamente unido a los pilotes y no participa de ningún movimiento relativo de descenso como el que sufre el suelo por el área piloteada.
 
Zeevaert menciona que cuando el suelo tiene a bajar en relación al pilote y se cuelga de el a causa de la adherencia, aparte del peso de suelo que gravitaba en la zona de punta del pilote sobre el estrato resistente se ha alivianado. Si el estrato resistente es de naturaleza friccionante, esta disminución de la presión efectiva produce una disminución de resistencia al refuerzo cortante y de la capacidad de la carga de dicho estrato resistente y, por lo tanto, propicia la penetración del pilote en el estrato de apoyo.
  InteraccIón SUELO ESTRUCTURA Las fallas en los suelos se dan por

Capacidad de carga al corte
Asentamientos excesivos


¿Por qué no existe un colapso total de la estructura? IntroduccIón Son los procedimientos mediante los cuales, se determinan los esfuerzos de contacto entre la masa del suelo y la cimentación para así obtener los desplazamientos verticales o asentamientos. Interacción suelo-estructura Una buena cimentación debe llenar tres requisitos:

Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por las heladas, por levantamientos, las cuales socavaciones o los daños que puedan causar futuras construcciones cercanas.
Tendrá unas dimensiones que no superen la capacidad portante del suelo
No debe producir un asentamiento que no sea absorbible por la estructura. Después de haber seleccionado un tipo de cimentación determinado…
Es necesario juzgar el probable funcionamiento de la cimentación, al transmitirse los esfuerzos que generan las cargas de la estructura al terreno. Por una parte, toda cimentación o cualquiera de sus elementos, pueden fallar porque el suelo sea incapaz de soportar la carga, este comportamiento se relaciona con la resistencia del suelo de apoyo y se llama “falla por capacidad de carga” Capacidad de carga Para suelos granulares en estado de compacto y suelos cohesivos rígidos las zonas 2 y 3 se plastifican totalmente; a este tipo de falla se le conoce como falla general

En los otros tipos de suelos antes de que se plastifiquen las zonas 2 y 3 por completo, se presenta la falla por hundimientos excesivos; a este tipo se le conoce como falla local Según la teoría de Terzaghí Factor se seguridad (F.S.) contra la falla por capacidad de carga. Este factor de seguridad determina la relación que existe entre las cargas de servicio y la capacidad de carga del suelo. Factor de seguridad CAPACIDAD DE CARGA EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES Es aquella cuya profundidad de desplante Df ≤ ancho de la misma. Entre este tipo de cimentaciones se encuentran las zapatas aisladas, las cimentaciones corridas y las losas de cimentación. Las zapatas aisladas son elementos estructurales, por lo general de forma cuadrada o rectangular, a veces circular. Los cimientos o zapatas corridas son elementos cuya longitud del cimiento es mayor en comparación con el ancho. Cimentaciones superficiales  ECUACIÓN DE TERZAGHI.
ECUACIÓN GENERAL DE CAPACIDAD DE CARGA.
ECUACIÓN DE MEYERHOF
ECUACIÓN DE HANSEN Métodos para el calculo de cimentaciones superficiales.  Donde:
B es la dimensión de cada lado de la cimentación en cimentaciones cuadradas, para cimentaciones circulares B es el diámetro. Para falla por corte local del suelo:
c = cohesión del suelo
γ= peso específico del suelo
q =γ⋅Df 
Df = profundidad de desplante de la cimentación
Nc, Nq, Nγ = factores de capacidad de carga (son adimensionales y se encuentran en función del ángulo de fricción del suelo, φ) ECUACIÓN DE TERZAGHI. La capacidad de carga admisible, qadm, consiste una reducción de la capacidad de carga última con la aplicación de un factor de seguridad FS:


La carga última neta es la carga última (qu) menos el exceso de presión de sobrecarga producida por el suelo alrededor de la cimentación.
Por lo tanto:

Para todos los casos el FS pueden ser 3 Factor de seguridad El ángulo de fricción interna (φtr) es por lo general de 1 a 5 grados menor que el ángulo obtenido de ensayos de esfuerzos planos (φps). Los esfuerzos planos producidos son los que proporciona el ensayo de corte directo, Meyerhof propuso la siguiente modificación: Ajustes al ángulo de fricción interna. Pueden utilizarse los factores de reducción siguientes siempre que la excentricidad sea en la menor dimensión de la zapata: Donde:
e = excentricidad de la carga.
α = ángulo de inclinación de la resultante respecto a la vertical.
Nq, Nc y Nγ = factores de capacidad de carga de Terzaghi. Carga inclinada en cimiento corrido Donde:
c = cohesión
q = esfuerzo efectivo al nivel del fondo de la cimentación = γ*Df
γ = peso específico del suelo
B = ancho de la cimentación (En cimentación circular, el diámetro)
Fcs, Fqs, Fγ = factores de forma
Fcd, Fqd, Fγd = factores de profundidad
Fci, Fqi, Fγi = factores de inclinación de la carga
Nc, Nq, Nγ = factores de capacidad de carga ECUACIÓN GENERAL DE CAPACIDAD DE CARGA θ = Inclinación de la carga respecto a la vertical.
φ =Ángulo de fricción interna. Factores de inclinación de la carga Donde: Factores de forma Factores de profundidad Factores de capacidad
de carga En condiciones no drenadas (φ=0) en suelos arcillosos la ecuación general (Para carga vertical) es:

La capacidad de carga última (por carga vertical) es:


Para suelos arcillosos (φ=0) Skempton propuso una ecuación para la capacidad de carga última neta: En condiciones no drenadas (φ=0) en suelos arcillosos la ecuación general (Para carga vertical) es:


La capacidad de carga última (por carga vertical) es:


Para suelos arcillosos (φ=0) Skempton propuso una ecuación para la capacidad de carga última neta: Carga vertical e inclinada ECUACIÓN DE MEYERHOF θ = Inclinación de la carga respecto a la vertical.
φ =Ángulo de fricción interna. Factores de inclinación de la carga Factores de forma Factores de profundidad Factores de capacidad
de carga Para suelo puramente cohesivo (φ = 0): ECUACIÓN DE HANSEN Factores de profundidad Donde: Para φ = 0: Sc=Sq=Sy=1 en zapatas
continuas Factores de forma Factores de capacidad
de carga Se recomienda: Para φ = 0: Para φ = 0: Factores de terreno (base cercana a un talud) Factores de base
(base inclinada) Factor de inclinación CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES PROFUNDAS En ciertos tipos de obras es imposible realizar cimentaciones superficiales. esto ocurre cuando las capas de terreno situadas cerca de la superficie del suelo son, desde el punto de vista geotécnico, de mala calidad. Generalidades -pilotes. Son piezas largas y de poca sección que sirven de unión entre el suelo estable y la cimentación.
-pozos: los pozos no son otra cosa que pilotes de sección transversal importante. Se realizan en hormigón armado
-cajones: son cajas huecas que se colocan en el interior del terreno mediante excavación progresiva en el interior de la caja Las cimentaciones profundas se pueden realizar por medio de: Transferir cargas de la superestructura y del resto de la infraestructura a través de estratos débiles o compresibles, a través del agua o aire.
Transferir o repartir la carga sobre un suelo relativamente suelto a través de la fricción de superficie entre el pilote y el suelo.
Alcanzar con la cimentación profundidades que no estén sujetas a erosión, socavaciones u otros efectos.
Para evitar los daños que puede producir una futura excavación a la cimentación de una edificación adyacente
Proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos, contra impactos de barcos u objetos flotantes.
Soportar muros de contención, contrafuertes o cimentaciones de máquinas. Función y uso de los pilotes Continuación usos y funciones de pilotes Solo trataremos de cimentaciones sobre pilotes.

Diferentes tipos de pilotes.
Se distinguen dos tipos principales de pilotes: pilotes hincados y pilotes moldeados “in situ”.

Pilotes hincados.

Los pilotes hincados son elementos prefabricados de hormigón o secciones metálicas en forma de columna que son introducidos en el terreno por medio de máquinas pilotadoras que disponen de equipos mecánicos o hidráulicos.
Pilotes moldeados “in situ”
Aquellos que se ejecutan perforando previamente el terreno y rellenado la excavación con hormigón fresco y las correspondientes armaduras. Viene expresada por:


SIENDO:
Ql=Capacidad de carga limite del pilote;
W= peso de la maza de hinca;
W´= peso del pilote;
h=altura de caída de la maza;
e= hundimiento medio del pilote por golpe, calculado en general tomando la media de los resultados de una serie de 10 golpes.

Esta fórmula supone que el golpe entre la maza y el pilote esta amortiguado. Formula de los holandeses Formula de CHELLIS
Tiene en cuenta ciertas perdidas de energía y la naturaleza del choque. Viene expresada por:



Q l = capacidad de carga limite del pilote,
W= peso de la maza de hinca;
W´= peso de pilote;
h= altura de caída de la maza;
e = hundimiento medio del pilote por golpe;
c1= compresión de la cabeza del pilote en el momento del golpe;
c2= compresión del pilote en el momento del golpe;
c3= asiento elástico del suelo debido al golpe;
K2 =coeficiente de restitución en el golpe.
La determinación de c1, c2 y c3 y K es difícil efectuarla de una forma precisa. Formula de los Holandeses modificada.
Esta fórmula también se llama del Engineering News Record. Viene expresada por:
 
 
Teniendo sus términos los mismos significados que en la formula de los Holandeses normal. Sin embargo, se introduce un término correctivo e´ que tiene en cuenta la elasticidad del pilote y diferentes pérdidas como los rozamientos y la rigidez de los cables. Las fórmulas de hinca de pilotes tratan de relacionar la capacidad portante de un pilote con su resistencia al hincado. Aunque desacreditadas por muchos ingenieros, las fórmulas de hinca todavía se utilizan en el sitio, como una verificación de las predicciones de diseño utilizando la mecánica de suelos. FORMULA DE HINCA Ludwig Prandtl nació en Freising, Alemania el 4 de febrero de 1875. Estudió ingeniería mecánica en Munich. Como pocos, fue dotado con una gran visión para comprender fenómenos físicos y con una capacidad inusual de expresarlos en forma matemática simple.
Fue  profesor de mecánica en la universidad de Hannover en 1901. Desde 1904 hasta 1953 se desempeñó como profesor de mecánica aplicada en la universidad de Gottingen.
 También destacaron sus trabajos en mecánica de sólidos y estructural, en particular su contribución a la teoría de la torsión mecánica, la teoría de membranas, la capacidad portante de los terrenos y sus aplicaciones al diseño de cimentaciones, además de sus aportaciones a la teoría de la plasticidad. LUDWING PRANDTL Ingeniero reconocido como el padre de la mecánica de suelos y de la ingeniería geotécnica.
Desde el comienzo de su carrera dedicó todos sus esfuerzos a buscar un método racional para resolver los problemas relacionados con la ingeniería de suelos y las cimentaciones. La coronación de sus esfuerzos se dio en 1925, con la publicación Erdbaumechanik, considerada hoy como el punto de partida de la mecánica de suelos.
De 1925 a 1929 trabajó en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, donde inició el primer programa estadounidense sobre mecánica de suelos, y consiguió que esta ciencia se convirtiese en una materia importante en la Ingeniería Civil.
En 1938 pasó a la Universidad de Harvard donde desarrolló y expuso su curso sobre geología aplicada a la ingeniería, retirándose como profesor en1953 a la edad de 70 años. Se nacionalizó estadounidense en 1943. KARL VON TERZAGHI La ecuación qc = cNc + yDfNq + 1/2 yBNy es la fundamental en la teoría de terzaghi y permite calcular en principio la capacidad de carga ultima de un cimiento poco profundo de longitud infinita. La condición de esta fórmula a un problema específico es conocer los valores Nc, Nq, Ny. Para obtener la capacidad de carga ultima con respecto a la falla local de un modo razonable aproximado para fines prácticos, terzaghi corrigió su teoría de un modo sencillo introduciendo nuevos valores de c y Ø para efectos de cálculos:




En definitiva la capacidad de carga ultima respecto a la falla local queda por la expresión:




Toda la teoría antes expuesta se refiere únicamente a cimientos continuos, es decir, de longitud infinita normal al plano del papel. Para cimientos cuadrados o redondos, no existe ninguna teoría ni aun aproximada. las siguientes formulas han sido propuestas por el propio terzaghi y son modificaciones de la expresión fundamental, basadas en resultados experimentales.
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