Condiciones especiales de sitio, relación con las filosofías de diseño y códigos

Grupo 1 - Consideraciones geotécnicas y de cimentación

Universidad de San Carlos de Guatemala - Enero 2011

Luis Díaz, Julio Escobar, Eduardo Cabrera, Cristy Cabrera, Eddy Cárcamo, José López

Temas a estudiar -

El estudio Geotécnico Técnicas de reconocimiento Planificación de los reconocimientos Determinación de las propiedades geotécnicas El informe geotécnico

EL ESTUDIO GEOTECNICO

CONDICIONES ESPECIALES DEL SITIO, RELACION CON FILOSOFIAS DE DISEÑO Y CODIGOS

OBJETIVOS: El propósito de evaluar las condiciones del sitio es

lograr un adecuado emplazamiento de las edificaciones e infraestructura, y proyectar una cimentación funcional y económica.

Condiciones especiales de sitio De la evaluación se

derivan: recomendaciones

geotécnicas de diseño y construcción de los cimientos,

obras de contención, definición de espectros

sismo resistentes para asegurar la capacidad de soportar los sismos y sus efectos secundarios,

así como soluciones a cualquier otro problema

geotécnico que se deba considerar en el diseño y construcción de los proyectos.

…cada sitio es único y …

... el ser único no sólo resulta de sus características físicas sino también de su relación con los alrededores. No hay dos sitios iguales y cada sitio contiene algo único o distinto.

…para qué? Las condiciones del

terreno se estudian a través de los estudios geotécnicos para anticipar problemas que pueden ocurrir durante la vida útil de las obras de ingeniería.

También para establecer la capacidad del terreno

para soportar una obra.

… en proyecto y existentes… El propósito es prever los problemas que

podrían afectar la estabilidad de los edificios asentados en el terreno cuando aún se encuentran en la etapa de planificación y en el caso de las que están construidas entender las causas de las fallas.

…repercusiones sociales y económicas… Toda edificación por

simple que sea requiere de un estudio de suelos de acuerdo a la magnitud e importancia de la edificación.

La experiencia ha mostrado que un estudio de suelos y un estudio de las condiciones del terreno pueden contribuir a evitar grandes pérdidas

económicas y daños a las personas y a la sociedad.

…proceso de estudio de condiciones del sitio, filosofía de diseño y código… El proceso incluye: un estudio de los

antecedentes conocidos del comportamiento del terreno y de sus vecindades,

de la geología e hidrogeología del sitio

… y luego… con los elementos

obtenidos se hace el reconocimiento físico del terreno en sus diversos estratos y profundidad, de acuerdo a la necesidad, a través de diversos métodos de inspección,

y a través de correlacionar los elementos del estudio, y de los diversos

ensayos, se prepara un informe geotécnico.

..normativas… Los elementos

resultantes de este informe deben analizarse y ajustarse a la luz de:

las normativas y coeficientes de seguridad aceptados por el código local,

por las condiciones arquitectónicas de implantación del edificio,

y por la tecnología y tipología que se desea utilizar en la construcción.

En resumen… las fases de estudio: El estudio geotécnico. Condiciones de cimentación:

tipo de cimentación, nivel de apoyo en el terreno, presiones de trabajo, asentamientos, problemas de ejecución, etc.

El proyecto de la cimentación: Se registra en los planos de construcción las dimensiones,

armaduras y detalles de cimentación, tomando como base los resultados del estudio geotécnico y de conformidad con las normativas e instrucciones vigentes.

Ejecución y control de la cimentación: Se comprueba si el terreno se ajusta a lo previsto en el

proyecto, y se controla el comportamiento de las cimentaciones, particularmente en los movimientos y asentamientos, haciendo las correcciones que fueren necesarias o al menos logrando experiencia constructiva para futuras obras.

…según AGIES hay 5 categorías de estudios… dependiendo de la magnitud de la obra y de la

aplicación del Estudio:1. Estudio de reconocimiento.2. Estudio geotécnico Tipo I, Edificaciones y

obras menores (obras utilitarias)3. Estudio geotécnico Tipo II, Obras ordinarias4. Estudio geotécnico Tipo III, Obras

importantes, proyectos de gran envergadura o riesgo.

5. Estudio geotécnico Tipo IV, para problemas específicos, obras esenciales.

…antecedentes e información previa:Actividades de

Gabinete

Localizar el terreno en un mapa topográfico a escala 1:50,000

Localizar el terreno en mapa de fracturas del terremoto 1976

…consulta de estudios del lugar: Mapas de amenazas (deslizamiento, inundaciones,

amenaza sísmica y volcánica, licuefacción) de INSIVUMEH

Sitios de Consulta: INSIVUMEH, Instituto Geográfico Nacional IGN. – CESEM - Facultad de Ingeniería, Universidad de San

Carlos de Guatemala, Laboratorio de SIG Ministerio de Agricultura, AGIES, SEGEPLAN, CONRED

TECNICAS DE RECONOCIMIENTO

Técnicas de ReconocimientoLa exploración del terreno se puede realizar utilizando una o varias de las técnicas siguientes, de modo que se consigan los objetivos del estudio:

Catas o pozos Sondeos mecánicos o manuales Pruebas de penetración dinámica o estática Métodos geofísicos Pruebas in situ

Técnicas de Reconocimiento

a) Catas o Pozos Son excavaciones de formas diversas

que permiten una observación directa del terreno, así como la toma de muestras y eventualmente realizar ensayos in situ.

La sección mínima recomendada es de 0,80 m por 1,00 m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes.

La profundidad de este tipo de reconocimiento no suele pasar de los 5 metros, aunque en casos extremos puede alcanzar los 10 metros de profundidad.

Técnicas de Reconocimiento

Ejemplo de Calicata

Debe evitarse este método cuando puede deteriorarse el terreno de apoyo a las futuras cimentaciones o se creen problemas de inestabilidad para estructuras próximas.

Técnicas de Reconocimiento b) Sondeos

Son perforaciones de pequeño diámetro que permiten reconocer la naturaleza y localización de las diferentes capas del terreno así como extraer muestras del mismo y, eventualmente realizar ensayos in situ.

b.1) Sondeos ManualesLos sondeos manuales son generalmente

utilizados ante suelos cohesivos o no cohesivos, aunque presentan limitaciones en cuanto a profundidad y dureza, no siendo aplicables ante suelos rocosos o excesivamente pedregosos.

Técnicas de Reconocimiento

Equipo de exploración y muestreo utilizado

Técnicas de Reconocimiento b.2) Sondeos mecánicos

Son perforaciones realizadas a presión (suelos blandos), percusión (gravas, materiales cementados) o rotación (rocas, suelos duros), con diámetros habituales entre 65 y 140 mm. Y que sirven para la extracción y reconocimiento del terreno (testigos), para la obtención de muestras del terreno mediante útiles apropiados (toma muestras) y para la realización de algunos ensayos in situ.

Técnicas de Reconocimiento Los sondeos mecánicos deben utilizarse cuando

el estudio geotécnico requiera: Llegar a profundidades superiores a las

alcanzables con catas o sondeos manuales. Reconocer el terreno bajo el nivel freático. Atravesar capas rocosas, o de alta resistencia Extraer muestras inalteradas profundas. Realizar pruebas de deformabilidad o

resistencia de tipo presiométrico, molinete, penetración estándar, etc.

Tomar muestras de acuíferos profundos a realizar ensayos de permeabilidad in situ.

Técnicas de Reconocimiento 1.- Perforación con la barrena 2.- Extracción del cuerpo central 3.- Toma de muestras

Técnicas de Reconocimiento Sondeos a Percusión

Son preferibles por su calidad, siempre que el terreno pueda atravesarse con la energía disponible y no haya lugar a reclamaciones por el ruido asociado al golpeo. Este método está especialmente indicado para reconocer suelos granulares gruesos, adaptando el diámetro del sondeo al tamaño de las gravas o bolos a atravesar. Normalmente se emplea tubería de hinca o toma muestras a percusión. En el caso de suelos granulares finos se utilizan cucharas con cierre inferior de clapeta.

Técnicas de Reconocimiento Sondeos a Rotación

Es el método de perforación más desarrollado de los existentes y el que se utiliza actualmente con mayor frecuencia durante el desarrollo de campañas de perforación y muestreo. El fundamento de avance consiste en la transmisión de un movimiento de avance y giro a un útil de corte por medio del varillaje. Existen diversos métodos de rotación que podríamos clasificar en función de los siguientes aspectos:

Tipo de útil de corte. Utilización o no de fluidos de perforación y tipo de

fluido Método de circulación de fluidos.

Técnicas de Reconocimiento b.3) Ensayos en Sondeos Pueden citarse como más frecuentes los

siguientes: El de penetración estándar (SPT), con cuchara

bipartida (Di = 35 mm.) o puntaza (gravas). Masa de 63.5 kg. Cayendo a 76 cm.

Técnicas de Reconocimiento Muestra de Arena Limosa

Técnicas de Reconocimiento Cargas Permisibles del suelo obtenidas por

SPT

Técnicas de Reconocimiento c) Pruebas de Penetración

Consisten en hacer penetrar en el terreno una puntaza de dimensiones normalizadas por aplicación de una energía de impacto fija a una presión estática controlada. Se tienen así las pruebas de penetración:

Dinámica, como por ejemplo el Borro (puntaza de 16 cm2, maza de 65 kg, cayendo desde 50 cm. El Stump, el DIN ligero (10 cm2 y 10 x 50 kg. cm), el DIN pesado (15 cm2 y 50 x 50 kg. cm).

Técnicas de Reconocimiento Pruebas de Penetración Dinámica

Técnicas de Reconocimiento Técnicas de Penetración

Estática (Holandés, Gouda) Existen modelos de 6, 10 y 20 toneladas. Punta de 10 cm2 y cono de 60⁰. Velocidad de penetración del orden de 3 cm/seg.

Presiones de punta hasta de unos 300 kp/cm2

Técnicas de Reconocimientoc) Métodos Geofísicos Los métodos geofísicos de exploración son métodos

indirectos para investigar la estructura de la Tierra a diferentes escalas. Los contrastes laterales de propiedades físicas de materiales en el subsuelo se identifican como anomalías cuya geometría permite determinar por métodos geofísicos la distribución profunda de distintos tipos de suelos.

En la obra civil son utilizados en

casos en los que se necesita cubrir

grandes áreas.

Técnicas de ReconocimientoPodemos agrupar los distintos métodos geofísicos

utilizados en 4 ramas:

Gravimetría Magnetometría Sismología Métodos eléctricos y electromagnéticos

No es recomendable en proyectos de construcción únicamente utilizar métodos geofísicos, se deben de confrontar con catas o sondeos.

Técnicas de Reconocimiento

Técnicas de ReconocimientoMétodo sísmico: velocidad de las ondas.

Método de resistividad eléctrica: distingue y caracteriza el subsuelo.

Métodos magnéticos y gravimétricos: detección de cavidades y modelización del substrato rocoso.

Refracción/Reflexión: Permite distinguir entre tipos de materiales.

Sondeos eléctricos verticales (SEV): Variación en vertical y horizontal de la resistividad eléctrica de las distintas capas del terreno.

Tomografías Geoeléctricas: Permite obtener un perfil o pseudosección en 2D (longitud x profundidad).

Electromagnetismo: detección de objetos metálicos.

Georadar o GPR: permite obtener una imagen del subsuelo pudiendo localizar servicios enterrados, estructuras geológicas, problemas relacionados con la geotecnia, vestigios arqueológicos, y contaminación de suelos y aguas subterráneas

El PID (Photo Ionization Detector) y el IR (Infra Red Analyzer)

Técnicas de Reconocimiento

Técnicas de Reconocimientoe) Pruebas in situComo complemento siempre que no sea

suficiente la información anterior se debe de realizar toda prueba in situ necesaria para determinar las propiedades del terreno.

Prueba de carga terrenos blandos. Ensayo sobre prototipo de cimentaciones. Prueba de permeabilidad.

Toma de muestrasSegún el proceso se califican en: Muestras alteradasLaboratorios: Estratigrafía, granulometría, plasticidad, peso específico de

partículas. Contenido de sulfatos, carbonatos, materia orgánica.

Muestras inalteradas En bloque MB Laboratorios: Peso específico aparente, resistencia al

corte, compresibilidad, permeabilidad y las de las MA.

Para determinación de humedad MH. Laboratorios: Humedad natural.

Para determinación de propiedades geotécnias MI

PLANIFICACION DE LOS RECONOCIMIENTOS

PLANIFICACION DE LOS RECONOCIMIENTOS

Para poder planear como serán los reconocimientos debemos tomar en cuenta: topografía, urbanización, datos del edificio, como

alturas, el tipo de uso, el sistema estructural, etc.

datos previos de reconocimiento que se hayan realizado tanto en el terreno que estamos analizando como en terrenos aledaños.

Estudios previos de la zona.

Qué es lo que necesito saber en cuanto a los reconocimientos?

El nivel del detalle que deberán tener estos estudios de evaluación de acuerdo a la normas de construcción, es decir, definir:

las técnicas de reconocimiento que se emplearan,

el número de puntos de reconocimiento y su localización,

la profundidad de investigación, y el muestreo y ensayos in situ a

analizar.

Cantidad - Debido a que realizar cada uno de estos

reconocimientos sale caro, hay que ubicarlos en lugares estratégicos para que sea eficiente. De acuerdo a bibliografía encontrada la cantidad de sondeos se puede determinar así:

1 sondeo ≈ 1.8 penetrómetros ≈ a 2.5 catas

Densidad - La densidad de los reconocimientos depende

de: Del tipo de edificio

De la variabilidad y la naturaleza del terreno,

CURSO APLICADO DE CIMENTACIONES. Rodriguez, Jose Maria. Serra, Jesus. Oteo Carlos. Servicio de Publicaciones del Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid (COAM). Cuarta Edición, noviembre 1989

Mientras mas información se tenga en cuanto al uso y el tipo de estructura del edificio → mejor criterio para poder clasificar el tipo de edificio.

Si el edificio es mas alto, os estudios deberán ser mas profundos, intensos y detallados.

Debido a que la tabla de clasificación de edificio es bastante aproximada, se debe tener criterio para poder saber si de acuerdo a los resultados obtenidos de las primeras muestras, es necesario obtener más muestras, sin embargo, ese criterio son pocas las personas que lo tienen, por lo que la tabla siguiente es la que le da a uno una idea de más o menos cual debería ser la densidad de los reconocimientos.

Cuando no se tiene información de el edificio que se hará:regla general de la densidad: 1 reconocimiento por cada 400 m²

Cuando si se tiene información del edificio, se ve la densidad en la tabla en la que se determina de acuerdo a la distancia máxima de implantación de los reconocimientos.

do es la distancia media a adoptar entre reconocimientos cuando no se tiene conocimiento del tipo de suelo

Profundidad - La profundidad de prospección de los

reconocimientos está limitado por el tipo de reconocimiento que se haga, las catas tienen un alcance limitado debido al tipo de excavadora, o si es de otro tipo, está limitado al tipo de maquinaria a utilizar.

Pero se utilizara como regla general la siguiente fórmula: dsf ≥ 2+0.3 p (en metros)

En la cual p es el número de plantas del edificio. En caso de tener substrato rocoso, será suficiente penetrar dsf en el 30% de los sondeos y un mínimo de 2 metros en el 70% restante.

Cuando los dos primeros sondeos realizados de una determinada zona indiquen que se trata de depósitos muy potentes, en los que no se alcanza el substrato firme antes de los 30 metros de profundidad, los sondeos restantes pueden terminarse a la mayor de las profundidades indicadas en el cuadro siguiente.

Distribución - Geometría rectangular o cuadrada:

Geometría rectangular alargada:

Geometría en forma de L:

Geometría en forma irregular:

DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES GEOTECNICAS

DETERMINACION DE PROPIEDADES GEOTECNICAS

El terreno quedara caracterizado cuando, además de la naturaleza y espesor de las distintas capas que lo componen, se conozcan las propiedades geotécnicas de las misma, necesarias para utilizar lso correspondientes modelos y teorías de cálculo de cimentaciones

Existen dos caminos para establecer estas propiedades:

1. Estimándolas a partir de datos existentes para el mismo terreno, o terreno comparables

2. Determinándolas a partir de ensayos de laboratorio o pruebas in situ bien directamente o a través de correlaciones entre parámetros geotécnicos.

PROPIEDADES A DETERMINAR O ESTIMAR EN EL ESTUDIO GEOTECNICO

EL INFORME GEOTECNICO

Es la descripción y resumen de la prospección realizada y la justificación geotécnica de las recomendaciones de cimentación y constructivas que deben constituir las conclusiones del mismo.

El grado de definición y la naturaleza del terreno y de las condiciones de cimentación dependerán lógicamente del tipo de estudio y del nivel de reconocimiento alcanzado.

PARÁMETROS GEOTÉCNICOS QUE DEBEN DEFINIRSE EN UN ESTUDIO

 Cimentaciones superficiales

A.-        Tipo de sueloB.-        Tipo de cimentaciónC.-        Profundidad de desplanteD.-        Capacidad de carga admisibleE.-        Asentamientos totales y diferenciales.F.-        Análisis de deformaciones

 .Esfuerzos de contacto estático y sísmico para el sistema de cimentación propuesto:

A.-        Proceso constructivo recomendableB.-        Nivel freático ó presencia de agua

Cimentaciones profundas.A.-        Tipo de sueloB.-        Tipo de cimentaciónC.-        Profundidad de desplanteD.-        Capacidad de carga axial admisibleF.-        Capacidad de carga lateralG.-        Análisis de deformacionesH.-        Proceso constructivo recomendableI.-         Nivel freático en presencia de agua

 Excavaciones en suelo ó roca A.-        Análisis de estabilidadB.-        Recomendación de taludes establesC.-        Proceso constructivo recomendableD.-        Control de voladuras y explosivos

Estructuras de retención.  A.-        Tipo de material de relleno B.-        Consideraciones de empujes de tierra C.-        Diagramas de empuje de tierras,

considerando en . su caso efectos hidrodinámicos y sísmicos

D.-        Condiciones de drenaje de las estructuras de . retención y recomendaciones constructivas . correspondientes

E.-        Recomendaciones de compactación de los . rellenos por utilizar

F.-        Proceso constructivo recomendable

Los estudios geotécnicos para los caminos comprenden:A.-       La estratigrafía a lo largo del camino,

indicando espesor de los estratos, clasificación según SCT, tratamiento, coeficiente de variación volumétrica, clasificación para presupuesto y su utilización en la sección estructural del camino.

B.-        El tipo de material por excavar, en el caso de cortes.

C.-        La utilización del material de excavación para terraplenes.

D.-        Determinar el grado de compactación actual

TIPOS DE ESTUDIOS

ESTUDIOS DE EVALUACION

En los estudios de evaluación el informe puede concretarse en una cartografía geotécnica esta cartográfica constituye básicamente una zonificación del área de acuerdo con los factores de mayor interés como son:

Capacidad portante o calidad como cimentación Problemas de deformabilidad y asiento Condiciones de drenaje y relieve- pendientes Estabilidad de laderas Suelos y rocas aprovechables como materiales, etc. Habitualmente el mapa de síntesis va a acompañado de una sucinta

memoria donde se enumeran los trabajos realizados, se hace un encuadre geológico del área y se describen los aspectos geotécnicos de mayor interés, Como anexos se incluyen fotografías, los eventuales ensayos de laboratorio y los resultados de la prospección

ESTUDIO PARA CONSTRUCCIONEn ellos el informe debe ser mas explicito y detallado, llegando a los niveles de

definición necesarios para proyectar y realizar obras de cimentación.  Definición y Localización

Antecedentes e información previa

Trabajos realizados

Encuadre Geológico

Estratigrafía y naturaleza del terreno

Evaluación de propiedades geotécnicas

Recomendaciones sobre el tipo de cimentación

Otras indicaciones

Anexos

EL ESTUDIO GEOTECNICO

ANALIS GEOTECNICO PARACIMENTACIONES

Los tipos de sistemas de cimentación más comunes se clasifican de la siguiente manera:

Profundos Superficiales

Los sistemas superficiales se encuentran a poca distancia bajo la base de la estructura y podemos englobar a las zapatas y osas de cimentación. Los cimientos profundos se extienden varios metros bajo el edificio y podemos mencionar Pilotes y Pozos de cimentación.

DETERMINACION DE CIMIENTOS

La elección de los cimientos a utilizar en una estructura dependerá de:

La fortaleza de la roca y el suelo.

Magnitud de las cargas estructurales.

Profundidad del nivel de las aguas subterráneas.

Naturaleza y estratigrafía del terreno.

PROPIEDADES DEL SUELO

Se deben tomar en cuenta las siguientes características de los suelos:

a) Suelos arcillosos y limosos, cohesivos

- Peso específico ( seco o saturado ).

- Humedad natural. - Resistencia al corte sin drenaje. - Resistencia al corte con drenaje. - Deformabilidad Eu (Vu =0.5), E´ , V

´.

Suelos arenosos no cohesivos.

- Peso específico correspondiente a la humedad natural.

- Grado de compactación y/o ángulo de rozamiento interno.

- Deformabilidad E´, V´.La utilización de uno u otro parámetro depende del tipo de carga y de los métodos teóricos o semiempíricos recomendables en cada caso.

VALORES EMPIRICOS DE PRESIONES DE TRABAJO

Hasta hace algún tiempo las cimentaciones se diseñaban con presiones de trabajo deducidas de la experiencia local, dichas presiones eran muy conservadoras y por ello no eran muy frecuentes los fracasos, pero debido al aumento de la altura de las estructuras se desarrollaron nuevas bases científicas de proyectos.

A continuación se dan valores de presiones admisibles para diversos suelos, según diversas normas o códogos de construcción.

PRESIONES ADMISIBLES (Kp/cm²)

SUELOS NO COHESIVOS

SUELOS COHESIVOS