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COLEGIO OFICIAL DE ARQUITECTOS DE CADIZ

TALLER 2. ESTRUCTURASEstudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C

UNIDAD 4

SELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACION YSELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACION Y BASES PARA EL PROYECTO

EXCAVACIONES Y ELEMENTOS DE CONTENCION

Nicolás Calero DíazDept. Técnico Altozano Ingeniería

TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. EXCAVACIONES Y ELEMENTOS DE CONTENCION

Importancia de los cimientos, como base de la superestructura.G dif i t l i i t d l t i t d l

SINGULARIDAD DE LA GEOTECNÍA

Gran diferencia entre el conocimiento del comportamiento de los materiales que intervienen en la estructura, en comparación con los datos del terreno.Incertidumbre en la determinación de los parámetros geotécnicos.Incertidumbre en la determinación de los parámetros geotécnicos.Problema del choque entre dos partículas en un medio elástico (física),

interacción de n partículas en un medio, elástico-visco-pastico.Distintos estratos interaccionando, comportamiento heterogéneo del suelo.

I t i d l t ñ d l tí l I fl i d l t t b Importancia del tamaño de las partículas. Influencia de la estructura sobre el terreno, propiedades del suelo cambia dependiendo de la estructura.Propiedades del suelo, propiedades físicas y mecánicas. Físicas (granulometría, los pesos específicos, porosidad, humedad, s cas (g a u o e a, os pesos espec cos, po os dad, u edad,

consistencia, permeabilidad y capilaridad)Mecánicas (compresibilidad, resistencia al corte, y resistencia a compresión

triaxial, cohesión, “Balasto”)Ú i di d i i t l d l b t i l Único medio de conocimiento son los ensayos de laboratorio, en las

campañas geotécnicas, muchas veces insuficientes y a veces mal interpretadas por un técnico de laboratorio.

TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

Escala del problema hasta donde merece la pena afinar

CARACTERISTICAS DE LAS EXCAVACIONES EN EDIFICACION

Escala del problema, hasta donde merece la pena afinar.Diferencias entre obra civil y edificación (coste/m2), escalar campaña de ensayos.Efectos entre nuestra obra y las existentes o futuras.

Existencia de medianeras.Dificultad de acceso maquinariaDificultad de acceso maquinaria.

Cimentaciones existentes (invasión de nuestro solar, tensiones a tener en cuenta)Previsión de cimentaciones futuras (propiedad del subsuelo)Afecciones al Nivel freático (cambios de la capacidad portante del los suelos formación de cavernas en los portante del los suelos, formación de cavernas en los bombeos)Servidumbres (servicios urbanos, etc.) aspectos legales, existencia de restos arqueológicos.


COMENTARIOS SOBRE EL CODIGO TECNICO

-Esquema de apuntes de geotecnia. -No obliga ni prohíbe ningún otro método de cálculo.-Si hace algunas valoraciones importantes:g p

Datos geometricos: terrenos extabilizante tanto en muros como en pantallas serán de 0,5 m como máximo.

Valores de minoración del coeficiente de rozamiento tirras-muro.

MURO RUGOSO (Encofrado contra

el terreno)

MURO POCO RUGOSO (Encofrado

a doble cara)

EMPUJE ACTIVO δ ≤ 2/3 φ’ δ ≤ 1/3 φ’

EMPUJE PASIVO δ ≤ 1/3 φ’/ φ



Si existen cimentaciones de edificios o servicios sensibles a los movimientos, situados a pocaprofundidad, a una distancia de la coronación del elemento de contención inferior a la mitad desu altura, se considerará el empuje en reposo, K0 en el dimensionado del elemento de contenciónpor procedimientos de equilibrio límite. Si la distancia está comprendida entre la mitad dela altura y la altura del elemento de contención, debe considerarse al menos un coeficiente K =(K0 + KA)/2(K0 + KA)/2.Estos valores podrán modificarse si se efectúa un estudio de detalle para el cálculo de los movimientos;En cualquier caso la presión de tierras considerada sobre el elemento de contención no seráEn cualquier caso, la presión de tierras considerada sobre el elemento de contención no será

inferior a 0,25 veces la tensión efectiva vertical;El empuje pasivo estará afectado por un coeficiente de seguridad γE no superior a 0,6Pantallas de pilotes: Separación entre pilotes inferiores al doble del diámetro salvoPantallas de pilotes: Separación entre pilotes inferiores al doble del diámetro salvo

justificación.



FALTA POR DEFINIR:

Desplazamientos tolerables en pantallas.

Definición correcta de anclajes, longitudes de cable, bulbo, y tensiones admisibles de aplicación.p

Métodos para determinar el Modulo de balasto horizontal.


PROPIEDADES Y EMPUJES DEL TERRENO

LEY DE TERZAGHI: (Equilibrio entre partículas de suelo en presencia de agua.)

sNi

N )( sSuNiN −+=

)1(Ssu

SNi

SN

−+= Como s<<<S s/S=0

u

SSSu+= 'σσ

Siendo: ‘ la tensión efectivaσ

Sla tensión totalσ

u la tensión neutra

EMPUJES:TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

Empuje en reposo:

σvσhσv solo depende de la profundidad

σvdependerá de σh

El empuje en reposo es el que se produce cuando un terreno empuja sobre una estructura que no puede desplazarse al estar coaccionada. pEsta situación es sumamente frecuente en edificación al

ser la que se produce en los muros de sotano.

EMPUJES: MuroTALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

Empuje activo: σvσh

σv solo depende de la profundidad

σvdependerá de σh vp

El empuje activo se produce cuando el terreno empuja sobre una estructura que es capaz de un ligero sobre una estructura que es capaz de un ligero desplazamiento.

RELACIÓN ENTRE EMPUJES MOVIMIENTO:EMPUJES:


RELACIÓN ENTRE EMPUJES-MOVIMIENTO:

TEORIA DE RANKINE:EMPUJES:


TEORIA DE RANKINE:La teoría de Rankine trata de explicar el fenómeno del empuje

activo por rotura a cortante del terreno.

El terreno al separarse se afloja, la tensión horizontal disminuye hasta que se alcanza rotura del terreno pordisminuye hasta que se alcanza rotura del terreno por esfuerzo cortante (circulo de Mohr)

'senOBAB φ⋅=2

AB vh σ−σ=

2OB hv σ+σ

=

'sen)()( hvvh φ⋅σ+σ=σ−σ

⎞⎛)

2'

º45(tg'sen1'sen1

K 2pr

φ+=

φ−φ+

=⇒σ⋅⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ φ+=σ

φ−φ+

=σ v2

vh 2'

º45tg'sen1'sen1



TEORIA DE RANKINE:

τLínea de rotura

Arotura En el caso del empuje pasivo las

tensiones aumentan hasta alcanzar la recta de coulomb, produciendo se d

σh →σv σ

φ’

BO

denuevo la rotura.

'senOBAB φ⋅=2

AB vh σ−σ=

2OB hv σ+σ

=

)'

º45(tg'sen1

K 2 φ+=

φ+=

'sen)()( hvvh φ⋅σ+σ=σ−σ

⇒σ⋅⎟⎞

⎜⎛ φ

+=σφ+

=σ v2

vh'

º45tg'sen1

)2

45(tg'sen1

Kpr +=φ−

=⇒σ⎟⎠

⎜⎝

+σφ−

σ vvh 245tg

'sen1



TEORIA DE RANKINE:

En el caso de terrenos cohesivos (Caquot)

’τ’ τ

φ

c . cotg φ

c

σ

En este caso se desplaza la recta un valor , y se siguen aplicando los supuestos para suelos sin cohesión.

c . cotg φ



TEORIA DE RANKINE:

En el caso de sobrecargas:

Si ha sobrecargas se añade n • Si no hay sobrecargas, el diagrama de empujes es triangular:

Su resultante se sitúa a H/3

• Si hay sobrecargas, se añade un término constante y el diagrama de empujes se hace trapezoidal

- Se puede sumar un termino – Su resultante se sitúa a H/3 desde la base del muro

– Es perpendicular al trasdós (por haber considerado que

Se puede sumar un termino rectangular, s·ka·H cuya resultante esta a H/2

(por haber considerado que no existe rozamiento muro-terreno δ=0)



TEORIA DE RANKINE:

Reducción del empuje activo debido a la cohesión:

Kc2zKqK γ+σ zo“tracción”arararhr Kc2zKqK ⋅⋅−⋅γ⋅+⋅=σ

γ⋅

⋅−⋅⋅= arar

o KqKKc2

z

o

empuje

γarK

NOTA: Como se comento con anterioridad en el CTE no existen valores inferiores a 0,25·σv’

Z0: Se sigue utilizando en terrenos cohesivos para g pestimar la escavabilidad a corto plazo.



TEORIA DE RANKINE:

Con Nivel Freático:

El empuje bajo el nivel freático se

z’N F

grieta

p j jcalcula con el peso específico sumergidoHay que sumar el empuje del aguaEn suelos cohesivos es posible plantear N.F.

situaciones de comprobación a CORTO, Y LARGO PLAZO.

• CORTO PLAZO: • LARGO PLAZO: – Se trabaja en presiones totales

• Arcilla saturada φu = 0• Bajo el nivel freático ⇒ γsat ⇒

– Se trabaja en presiones efectivas•Con ea = 0 se obtiene el punto donde empieza la ley de empujes (z0)

γ−⋅

=qc2

z uo

Bajo el nivel freático ⇒ γsat ⇒kar = 1

• cu = ½ qu

•Además se considera el empuje hidrostático

[ ] ararar'ha Kc2')'zz('zKqKe ⋅⋅−γ⋅−+γ⋅⋅+⋅=σ= [ ] arararha )(q γγ

EMPUJES:TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

TEORIA DE COULOMB:Es anterior a Rankine, y más exacta, permite calcular estratos inclinados, sobrecargas, rozamientos tierra-muro, pero es mucho mas compleja, solo tiene utilidad para los muros de gravedad (soluciones más economicas)tiene utilidad para los muros de gravedad (soluciones más economicas)

Supongamos la rotura del terreno siguiendo un plano, los esfuerzos que actúan son:que actúan son:

El peso de la cuña, WLa reacción del terreno en el plano, F

La inclinación de F será menor o igual que φ’La inclinación de F será menor o igual que φEl empuje del trasdós sobre el terreno, E, inclinado un ángulo δ con la normal al muro, que depende de:

El material que constituye el muroEl material que constituye el muroEl ángulo de rozamiento del terreno φ’ (δ<φ’)Se obtiene con un ensayo similar al de corte directo

Del equilibrio de fuerzas se obtiene el empuje EDel equilibrio de fuerzas se obtiene el empuje ERepitiendo con distintas cuñas, el máximo valor de E es el EMPUJE ACTIVO DE COULOMB


• Método:– Conocemos W en magnitud y dirección

Conocemos la dirección de E y la de F (ángulos δ y φ’)– Conocemos la dirección de E y la de F (ángulos δ y φ )– Con el polígono de fuerzas, considerando equilibrio de

fuerzas, se pueden obtener E y F

B

W

E

z

W

EH

δ

F

FE φ’

A


• Hay que ir probando con distintas cuñas, el problema de máximos fue resuelto graficamente por Culmann y matematicamente por Kreycuya formulación es:

– Para una profundidad dada, z, el empuje unitario será:

El j t t l á

β

αE

zKe aa ⋅γ⋅=

– El empuje total será: z

H

Ea

ea

2aa HK2

1E ⋅γ⋅⋅=2

⎥⎤

⎢⎡

δα

Ea( )( )a

)cos('sen)'(sen)cos(

'cossecK

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢⎢⎢

⎣ α−ββ−φ⋅δ+φ

+δ+α

α−φ⋅α=

– Estará situado a una distancia de la base igual a 1/3 de la altura– Tendrá una inclinación con la perpendicular al trasdós igual a δ

CRITERIOS PARA ELECCION DE ELEMENTOS


CRITERIOS PARA ELECCION DE ELEMENTOS DE CONTENCIÓN

Excavaciones: (c ando tiene poca reperc sión Excavaciones: (cuando tiene poca repercusión su ruina, o buen conocimiento del terreno, tanto en roca

como en suelo)

d

Muros: (altura oscila entre 1 a 6 metros, no le afecta N.F., buenas medianeras, afecta al plazo de ejecución

temporales permanentes

ompl

ejid

ad

p jdel vaciado y cimentación)

Gravedad Mensula Contrafuertes bataches

co + económico necesita relleno.

+ economico, mayor expecializacion

+ lento, sin limite de altura, para que salga rentable mucha superficie.

Pantallas: (Sin limite de altura, buena para

Depende de la economía y de las condiciones del entorno, y su localización permanente

medianeras complicadas, se pierde espacio de solar m.guia)

Continuas Pilotes, micros, t bl t localización permanenteContinuas tablaestacas


EXCAVACIONES

Excavaciones: Son desniveles de terreno autoportates, sin ningún medio de retención más que las características mecánicas del terreno. Según CTE en el proyecto, en relación con la excavación, se considerarán los siguientes aspectos:) bl d bilid d ió fi i l d l d d d h ió fi ia) problemas de estabilidad o reptación superficial de suelos dotados de cohesión cuya superficie

natural está inclinada respecto de la horizontal;

b) problemas de inestabilidad global en suelos sin cohesión y en rocas fracturadas cuando el taludl li i i l á l d i i i l d l ique los limita se aproxima al ángulo de rozamiento interno equivalente de los mismos;

c) problemas derivados de procesos de erosión superficial por acción de lluvia y viento y posiblesciclos de hielo y deshielo. Se tendrá en cuenta que la helada puede impedir el drenaje a travésd l fi d i li it d t l d t ide las fisuras de un macizo rocoso limitado por un talud exterior;

d) cualquier proceso que incremente el contenido de humedad natural del terreno pues contribuiráa reducir su resistencia e incrementar su deformabilidad;

e) problemas de desecación en terrenos expansivos.

El código técnico no da ningún orden de magnitud, es importante sin son efímeras (replanteo de batachest b pl d p t it h b d d b p t i )contar en obra con un plano de proyecto, quita muchos quebraderos de cabeza posteriores)


En España tabla altura crítica para taludes provisionales (NTE-CCT)En España tabla altura crítica para taludes provisionales (NTE-CCT)


MUROS

Muros: Sostenimiento de excavaciones, suelen ser generalmente autoestables sin contribución de la estructura salvo el caso particular de los muros de sótano, son estructuras en las que el espesor juega un papel importante.q p j g p p p


Criterios de diseño CTE:

Las acciones principales a considerar son:a) el peso propio del elemento de contención, de acuerdo con el material previsto para su ejecución;b) el empuje y peso del terreno circundante, teniendo en cuenta la posición del nivel ) p j y p , pfreático;c) los empujes debidos al agua, bien en forma de presión intersticial, subpresión o presión de filtración;d) las sobrecargas sobre la estructura de contención o sobre el terreno de trasdós;) g ;e) los efectos sísmicos, cuando sea necesaria su previsión por la zona de emplazamiento de laestructura de contención;f) excepcionalmente, los empujes de terrenos expansivos, los debidos a la congelación ) p , p j p , gdel aguaen el suelo, los inducidos por la compactación del relleno o las incidencias constructivas previsibles.


Cálculo de los coeficientes de empuje activo (KA) y pasivo (KP)

Empujes de coulomb con la componente de cohesión de Rankine.

E j i


γ’ el peso específico efectivo (aparente o sumergido) del terreno para terreno granular )

Empuje activo

sumergido) del terreno, para terreno granular.)

E l d i l h i lEn el caso de muro vertical, y terreno horizontal si δ=0, el valor de Ka=tg2(π/4-φ’/2); siendo φ’en radianes.

E j i


Empuje pasivo

En un terreno granular homogéneo el empuje pasivo

El j i P d fi l lt t d l j

En un terreno granular homogéneo, el empuje pasivo, Pp, debido exclusivamente al terreno, seráigual a: Pp = KP · γ’·H2 / 2

El empuje pasivo Pp se define como la resultante de los empujes unitarios σ’p, pueden determinarsemediante las siguientes fórmulas:

σ’v la tensión efectiva vertical de valor γ’·z siendo γ’ el peso específico efectivo del terreno y z laσ v la tensión efectiva vertical, de valor γ z, siendo γ el peso específico efectivo del terreno y z la altura del punto considerado respecto a la rasante del terreno en su acometida al muro.σ’ph la componente horizontal del empuje unitario pasivoφ’ y c’ el ángulo de rozamiento interno y la cohesión del terreno.β, i y δ los ángulos indicados en la Figura 6.4.

Recordar lo expuesto en comentarios al CTE sobre rozamiento Terreno-Muro


• ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO: – No es preciso comprobar si los empujes horizontales son > 10% de la carga

vertical totalvertical total– Efectos estabilizadores: Reacción del terreno:

• Adhesión (c*= 0,5. c’K < 0,05 MPa)• Rozamiento (φ*=2/3φ’):

**

EaEv

w

– Efectos desestabilizadores: Empujes– No debe considerarse el efecto favorable del Ep

• Coeficiente de seguridad:

**r tgc φ⋅σ+=τ

e1

Ehw

Rw1Ep

Rw3O

e2 ew3 ew1

• Coeficiente de seguridad: Rw2Oe3

ew2B( )

5,1RREE

tg)REW(BcF

BtgcFF *

2wv***

eR ≥

φ⋅−++⋅=

⋅φ⋅σ+==γ

• Se mejora:– Disponiendo material granular en la base

,RREEFF 3w1wphdd

R −+−γ

p g– Aumentando Ep con zarpas o inclinando la base


• ESTABILIDAD AL VUELCO:– En relación a un punto de giro O– Efectos estabilizadores:

• Peso: W• Empuje pasivo pie

Ea

Eh

Ev

w

(En general, no debe considerarse) • Presión agua intradós: Rw3

– Efectos desestabilizadores:

e1

Eh

Rw1Ep

R

e2 ew3 ew1

• Empuje trasdós: Ea… (Eh(+) y Ev(-))• Empuje agua trasdós: Rw1

• Subpresiones: Rw2

Rw3

Rw2O

e3

ew2w2

• Coeficiente de seguridad:

0,2eReRBEeE

eReEeW

MM

2w2w1w1wv1h

3w3w2p3

v

eR ≥

⋅+⋅+⋅−⋅

⋅+⋅+⋅==γ

B

• Ev debe considerarse como un “menor efecto desestabilizador”2w2w1w1wv1hv

CRITERIOS DE PREDIMENSIONADO


H/12≥30 cmc=0,20-0,30 m

H

H/16 – H/12

0,08-0,4 H

0,25 H ≤ B ≤ 0,4 H

H/8-H/6

0,25-1,25 m

0,5-1,25 m> 0,60 m

, ,

(Si existen sobrecargas importantes: aumentar B hasta un 50%)

H/32-H/8

0,4 - 0,9 H

≥ 20 cm

>2,5 m

H/3 – 2H/3H/3 2H/3

<H/2 si H>10 m

PANTALLAS


CRITERIOS DE DISEÑO:

DEBERAN CONSIDERARSE AL MENOS LOS SIGUIENTES ESTADOS LIMITE:Estados límite últimos1 En los elementos de contención deben considerarse al menos los siguientes estados límite:a) Estabilidadb) capacidad estructural) pc) fallo combinado del terreno y del elemento estructural.2 El cálculo de los estados límite últimos debe comprobar que se alcanzan las condiciones de estabilidady resistencia, expresiones (2.1) y (2.2), utilizando el valor de cálculo de las acciones o dely , p ( ) y ( ),efecto de las acciones y las resistencias de cálculo, con los coeficientes de seguridad parciales definidosen la tabla 2.1.3 Para la obtención de los valores de cálculo de la resistencia del terreno deben considerarse losvalores característicos superior o inferior, en función de si es desfavorable o favorable el incrementode resistencia, según se define en el DB-SE.4 Se recomienda emplear métodos de cálculo que tomen en consideración la interacción suelo -estructura.5 En suelos con un porcentaje de finos superior al 35%, deben efectuarse los estudios en condicionesno drenadas y drenadas.

Estados límite de servicio1 E l l d ió d b id l l i i d lí i


1 En los elementos de contención deben considerarse al menos los siguientes estados límite:a) movimientos o deformaciones de la estructura de contención o de sus elementos de sujeciónque puedan causar el colapso o afectar a la apariencia o al uso eficiente de la estructura, delas estructuras cercanas o de los servicios próximos

b) infiltración de agua no admisible a través o por debajo del elemento de contención

c) afección a la situación del agua freática en el entorno con repercusión sobre edificios o bienesó i b l i bpróximos o sobre la propia obra.

7 Los desplazamientos admisibles de las estructuras o servicios próximos ajenos a la obra, debendefinirse en función de sus características y estado, debiendo preverse en el proyecto las medidasa adoptar en caso de que estos valores sean superados.

8 Deberá efectuarse una estimación conservadora de las deformaciones y desplazamientos de loselementos de contención y de su efecto en estructuras y servicios próximos. Si los cálculos iniciales indican que no se cumple la condición anterior.

CALCULO:


CALCULO:

-Cálculos tradicionales (equilibrio limite,voladizo, base libre, base empotrada): No dependen de la rigidez de la pantalla, no dan información sobre deformaciones. Únicos para predimensionado.

-Métodos elasticos-plasticos (winkler). Dependen del modulo de balasto, conocimiento del método y con el terreno en cada problema particularterreno en cada problema particular.

-Métodos basados en elementos finitos o diferencias finitas. Al igual que el anterior depende mucho de la experiencia y confianza en los parámetros elegidos, hay mucha disparidad de resultados. (coeficiente de

i d l l dil i )poisson del suelo, dilatancia)


EMPUJESEMPUJES: EQUILIBRIO LIMITE

EMPUJE DEL AGUA Y TERRENO HORIZONTAL

SOBRECARGAS:TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

ESTABILIDAD:TALLER 2. ESTRUCTURAS: Estudios Geotécnicos y Cimentaciones DB SE-C. CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO

Fondo de la excavación:

siendoσ la tensión vertical total a nivel del fondo de la excavación.cu la resistencia al corte sin drenaje del terreno existente bajo el fondo de la excavación yNcb un factor de capacidad de carga que se define en la Figura en función de la anchura,B, la longitud, L, y la profundidad, H, de la excavación.γM en situaciones persistente o transitoria, 2,0 si no existen edificios o servicios sensibles a los movimientos en las proximidades de la pantalla, y a 2,5 en caso contrario.

Sifonamiento:Sifonamiento:La seguridad frente al sifonamiento se estudiará minorando el gradiente crítico del terreno, icr, porun factor, γM = 2.ir ≤ icr / γMsiendosiendoir el gradiente real en sentido vertical, en un determinado punto;icr el gradiente que anula la tensión efectiva vertical en dicho punto.

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