Fundaciones Cargas 2

Una vez que las cargas han sido definidas, necesitamos diseñar una fundación que satisfaga los requerimientos de rendimiento, esfuerzo y geotecnia.

La capacidad defalla del cojín se

REQUERIMIENTOS DE ESFUERZOREQUERIMIENTOS DE ESFUERZO

falla del cojín se acerca al pie deLa fundación.El suelo falla porcorte, causandoque la fundacióncolapse

Esta dirigido a la integridad y la habilidad de cargar de forma segura todas las solicitaciones en la fundación. Las fundaciones que son cargadas por

REQUERIMIENTOS DE ESFUERZOREQUERIMIENTOS DE ESFUERZO

son cargadas por encima de su capacidad suelen fallar de forma catastrófica.

Las fundaciones que satisfagan las resistencias del terreno no colapsaran, pero así y todo podría no tener un rendimiento adecuado. Por ejemplo, podría experimentar excesivo asentamiento, por lo tanto se deberán tener nuevos requerimientos como.1. Asentamiento.- La mayoría de las fundaciones experimentan algo de movimiento hacia abajo por las cargas aplicadas, este movimiento se

REQUERIMIENTOS DE SERVICIOREQUERIMIENTOS DE SERVICIO

por las cargas aplicadas, este movimiento se llama asentamiento. Mantener los asentamientos dentro de los márgenes tolerables son importantes para la vida de servicio de la estructura.

2. Levante.- Algunas fundaciones suelen moverse hacia arriba en vez de hacia abajo, a este movimiento le llamamos levante. La forma mas común es la hinchazón de suelos expansivos.3. Inclinación.- Cuando el asentamiento o el levante ocurre en un solo lado de la estructura. La inclinación de la torre de Pisa en un ejemplo de esto.4. Movimiento Lateral.- Son las fundaciones


4. Movimiento Lateral.- Son las fundaciones sometidas a cargas laterales de corte o de momento. Este movimiento lateral debe permanecer dentro de los limites aceptables para evitar el agotamiento de la fundación.

5. Vibración.- Algunas fundaciones, particularmente las que soportan cierto tipo de maquinaria pesada, tienen que ser diseñadas para aliviar problemas de resonancia. En muchos casos estas tienen fundaciones independientes.6. Durabilidad.- Las fundaciones deben ser diseñadas conforma a requerimientos físicos,


diseñadas conforma a requerimientos físicos, químicos, orgánicos, etc. Pero particularmente casos de estructuras sometidas al principal efecto (agua), Puertos o pilas por ejemplo.

Las cargas verticales son las que generalmente predominan en la fundación. El movimiento que produce la carga vertical es el mas importante en la fundación. Los efectos que produce este asentamiento es una consolidación.

La pregunta que enfrenta cualquier ingeniero no

ASENTAMIENTOASENTAMIENTO

La pregunta que enfrenta cualquier ingeniero no es si la fundación se va ha asentar, si no mas bien cuanto va ha ser el asentamiento máximo tolerable de la estructura.

Los asentamientos deberían ser uniformes y mover la estructura como un todo. Figura .a. Los asentamientos que se producen a través de la estructura generan inclinación de toda la estructura, siendo asentamientos lineales de lado a lado de forma lineal (inclinación). Figura .b. Y por ultimo los asentamientos irregulares que pueden deformar la estructura de una forma

RESPUESTA ESTRUCTURAL AL RESPUESTA ESTRUCTURAL AL ASENTAMIENTOASENTAMIENTO

pueden deformar la estructura de una forma errática. Figura .c.

a) Uniformeb) Inclinación.c) Distorsionado.


El asentamiento total, d, es el cambio de la elevación de la fundación de la posición original a la posición final de carga. Estructuras que han experimentado el asentamiento máximo total han presentado los siguientes problemas

ASENTAMIENTO TOTALASENTAMIENTO TOTAL

presentado los siguientes problemas estructurales:

ANTES DE CARGAR


ANTES DE CARGARDESPUES DE CARGAR

ASENTAMIENTOS TOTALES DISTRIBUIDOS EN LAS ZAPATASDE FUNDACION

Conexiones con estructuras existentes.- Algunas veces las conexiones de los pisos de los edificios tienen las mismas elevaciones, si existiera un asentamiento en una de las estructuras podrían generar problemas serios de usabilidad. Líneas de Utilidad.- Edificios, Tanques, y muchas otras estructuras están conectadas a utilitarios (escaleras, tuberías, etc), muchas de ellas que están ubicadas en el subsuelo. Si la estructura se


están ubicadas en el subsuelo. Si la estructura se asienta de forma excesiva, el utilitario podría cortarse o deformarse. Este problema es mas común en líneas de flujo gravitacionales tales como alcantarillas.

Líneas de flujo superficiales.- Generalmente el piso de la estructura debe ser superior al nivel donde se ubica el terreno, ya que un asentamiento que quede por debajo de la línea del terreno puede provocar que la lluvia entre a la estructura. Accesos.- Vehículos y peatones tienen lugares de acceso, asentamientos excesivos pueden impedir


acceso, asentamientos excesivos pueden impedir que esto ocurra convirtiendo al piso de acceso en NO usable. Estética.- Asentamientos puede provocar problemas estéticos antes que los de usabilidad.

La siguiente tabla, nos da valores de asentamientos máximos permitidos.Asentamientos típicos permitidos, d

Tipo de Estructura (Pulgadas) (mm)Edificios de oficinas. 0.5-2.0 (1.0 valor mas común) 12-50(25 el valor mas común)Edificios industriales pesados. 1.0-3.0 25-75


Puentes. 2.0 50

diseño). (De permitido toAsentamien fundacion. la de totaltoAsentamien

d

d

dd

dd

Si el asentamiento predicho, d, es mayor que da, se consideraran los siguientes puntos:1. Ajustar el diseño de la fundación: Ajustar el diseño de la fundación puede resolver asentamientos excesivos. Por ejemplo se pueden compartir asentamientos entre todas las fundaciones.


las fundaciones.2. Usar fundaciones mas elaboradas: Por ejemplo se puede usar pilotes en vez de zapatas de fundación.

3. Mejorar las condiciones del suelo: En algunos casos, se hacen cambios de material, con el fin de mejorar las propiedades del terreno, al compactar dichos materiales en espesores que sean adecuados a su ángulo de reposo, se redistribuyen los esfuerzos.4. Rediseñar la estructura para que esta tolere


Rediseñar la estructura para que esta tolere mayores asentamientos: Por ejemplo juntas flexibles se instalaran en los servicios como se muestra en la siguiente figura.

Este acoplador tipo tubo de bolas extremas, de composición telescópica en su centro. Estos acopladores son instalados en estructuras que están prediseñadas para asentamientos


para asentamientos grandes o movimientos laterales de las estructuras.

Esta discrepancia entre la predicción del comportamiento y comportamiento actual tiene muchas causas, incluyendo las siguientes: El suelo no seria uniforme a lo largo del terreno: Esto es cercanamente la realidad, no importa cuan uniforme pueda aparentar ser esta. La diferencia de cargas entre columnas y diseños de fundaciones serian diferentes entre estas: Así,

ASENTAMIENTOS DIFERENCIALESASENTAMIENTOS DIFERENCIALES

de fundaciones serian diferentes entre estas: Así, la columna con la menor carga supuestamente se asentaría menos que la que tiene mayor carga.

El rango de carga permanente y de sobrecarga podría ser diferente en cada columna: Los asentamientos computados generalmente están basados entre en la suma de las cargas permanentes y las sobrecargas, y las fundaciones están diseñadas acordemente. Sin embargo las fundaciones en las que predomina la sobrecarga, raramente asentaran mas que las que predomina la carga permanente, esto debido


que predomina la carga permanente, esto debido a movilidad de la sobrecarga. Las dimensiones de construcción, podrían ser diferentes a las de plano: Esto provocaría asentamientos no previstos por calculo.

Los asentamientos diferenciales, dD, se dan entre 2 fundaciones.Por lo tanto, definiremos el asentamiento diferencial máximo


diferencial máximo permitido, dDa, y diseñar la fundación para que cumpla:ESTA CASA FUE CONSTRUIDA ENUN LUGAR POCO APROPIADO YMAL COMPACTADO, EXPERIMENTOASENTAMIENTOS EXCESIVOS.DaD dd

ASENTAMIENTOS DIFERENCIALESASENTAMIENTOS DIFERENCIALESEste edifico experimento excesivos asentamientos diferenciales, como evidencia las grietas diagonales de la pared exterior

La siguiente tabla presenta una síntesis de estudios hechos, expresada en términos de distorsión permitida angular, qa, estos valores ya incluyen un valor de factor de seguridad de 1.5, que son denominados «Permitidos» usamos para este calculo:SaDa qd


Donde:SaDa qd

l)(horizonta columnas entre ntoEspaciamie )(ver tabla permitidaangular Distorcion

permitido. ldiferencia toAsentamien

SaDaq

d

Edificios típicos generalmente tienen un daño arquitectónico cuando las deformaciones angulares llegan hasta:

Edificios típicos generalmente tienen un dañoestructural cuando las deformaciones angulares

3001q


estructural cuando las deformaciones angularesllegan hasta:

1501q

Tipo de Estructura qaTanques de acero 1/25Puentes isostáticos 1/125Puentes continuos 1/250Edificios que toleran asentamientos diferenciales, como edificios industriales conformados de acero corrugado, y libres de materiales que puedan ser afectados.

1/250

Edificios comerciales y residenciales 1/500Puentes grúas. 1/500Edificios que tienen sensibilidad a asentamientos 1/1000

TABLA DE ASENTAMIENTOS PERMISIBLES TABLA DE ASENTAMIENTOS PERMISIBLES (DISTORCION ANGULAR (SEGÚN AASHTO 1996 Y (DISTORCION ANGULAR (SEGÚN AASHTO 1996 Y OTRAS FUENTES).OTRAS FUENTES).

Edificios que tienen sensibilidad a asentamientos diferenciales entre pisos y materiales sensibles a asentamientos.1/1000

Maquinaria 1/1500Edificios con muros portantesLongitud/altura < 3 1/2500Longitud/altura > 5 1/1250

Algunos ingenieros ajustan sus asentamientos y/o análisis de asentamientos a las ecuaciones dadas a continuación, esto por que los eventos extremos como vientos y terremoto representan eventos extremos que en adición son de muy corta duración, y los asentamientos representados son a lo largo de la vida útil de la estructura.

CARGAS DE DISEÑOCARGAS DE DISEÑO

estructura.

) ( RoSoLTHFLDD

r

Un marco de un edificio tiene una espaciamiento entre columnas de 6m. Debe ser soportado por zapatas que están sobre arcilla. ¿Cuáles son los asentamientos máximos admisibles?.SOLUCION:Usando la tabla de asentamientos y de distorsión angular se tiene:

mm25d

EJEMPLO 4EJEMPLO 4mmom

mm

DaDa

a

a

12 012.065001

5001

25

ddqd

La arena se asienta de forma mas rápida, simplemente a la aplicación de cargas, incluso que las arcillas saturadas, ya que estas se asientan de forma mas lenta. Sin embargo, algunas estructuras recién generan la carga máxima de diseño después de haber

RANGO DE ASENTAMIENTORANGO DE ASENTAMIENTO

la carga máxima de diseño después de haber sido terminadas, por ejemplo los tanques de agua subterráneos o elevados. La mayor proporción de carga de estos es con su llenado.

Algunas veces las fundaciones se mueven hacia arriba en vez de hacia abajo. Este tipo de movimiento se llama «levante». A veces se presenta con cargas externas, pero principalmente con suelos expansivos. Los diseños que se hacen en levante son los mismos que se consideran en asentamientos. Sin embargo si algunas fundaciones se mueven hacia

RANGO DE RANGO DE ASENTAMIENTO ASENTAMIENTO (Levante)(Levante)

embargo si algunas fundaciones se mueven hacia arriba mientras otras se están asentando, se debe considerar la suma relativa de ambos para cuantificar la distorsión.

Asentamiento de inclinación es muy importante, principalmente en edificios y/o construcciones altas, tales como chimeneas, silos y torres de agua. Para preservar estética, la inclinación q, de la vertical nunca debe pasar 1/500 (7 minutos de Angulo). Inclinaciones mayores se podrían notar muy fácilmente, particularmente en edificios altos y aquellos que están en estructuras

RANGO DE ASENTAMIENTO RANGO DE ASENTAMIENTO (Inclinación)(Inclinación)

altos y aquellos que están en estructuras cercanas unas de otras. Se deben estudiar los efectos de estas deformaciones, en comparación la torre de Pisa tiene una relación de 1/10

Las fundaciones que están sujetas a cargas laterales se mueven lateralmente o se desplazan. Estos movimientos laterales también tienen un limite máximo. Para fundaciones de puentes según Bozozuk (1978) el máximo recomendable es de 25mm. Las fundaciones que toleran maquinaria grande o

RANGO DE ASENTAMIENTO RANGO DE ASENTAMIENTO (Movimiento lateral, Vibración)(Movimiento lateral, Vibración)

Las fundaciones que toleran maquinaria grande o están sometidas a cargas vibratorias, deben ser diseñadas para eliminar problemas de asentamiento pero principalmente resonancia.

El suelo es y puede ser generalmente un ambiente muy hostil para cualquier tipo de fundación, ya sea esta de concreto, madera y/o acero, ya que estas generalmente se someten a ataques químicos, biológicos, etc. Que pueden afectar el rendimiento de las fundaciones y provocar el colapso de las mismas si no se controlan estos aspectos, traduciéndose

RANGO DE ASENTAMIENTO RANGO DE ASENTAMIENTO (Durabilidad)(Durabilidad)

controlan estos aspectos, traduciéndose directamente en una menor durabilidad de las estructuras.

La corrosión del acero puede ser monitoreada y controlada si esta esta por encima del suelo, pero se imposibilita este trabajo si la fundación se ve en la parte inferior del suelo. Para identificar la corrosión en el acero cabe hacer notar que se definen 2 tipos de ambientes como se muestra en la siguiente figura, el primero en corrientes de agua y el segundo debajo del suelo en si.

CORROSION DEL ACEROCORROSION DEL ACERO

si. Fundaciones de acero en ambientes marinos se ven afectadas a un promedio de desgaste de 0.075 a 0.175 mm/año. Estas estructuras también se someten a abrasión por el movimiento de las olas que mueven la arena y esta a su vez produce fricción al chocar con la estructura.

Ambientes marinos incluidos muelles plataformas de perforación. Expuestas al aguaAmbiente terrestre, edificios directamente expuestos al terreno y fundación enterrada.

CORROSION DEL CORROSION DEL ACERO ACERO «FIGURAS»«FIGURAS»

La corrosión del acero no se presentara o será muy pobre principalmente en los siguientes casos:1. Bajo contenido de humedad del suelo.2. Ambientes pobremente oxigenados.3. Granos Finos.4. Color plomo o negro del acero.5. Poca resistividad eléctrica.6. Poca o ningún potencial redox.7. Material orgánico pobre.


7. Material orgánico pobre.8. Bajo contenido químico.9. Suelos no ácidos o no salinos.10. Pocos sulfatos presentes.11. Microorganismos anaeróbicos presentes.

Áreas donde la elevación de las crecidas de agua fluctúe, mareas, son particularmente complicadas ya que el escenario en el que se presentan existe un intercambio permanente de agua con oxigeno que se aplica directamente a la pila. Al igual en suelos contaminados por alcantarillas, aguas residuales también tienen este efecto altamente corrosivo.


este efecto altamente corrosivo. El ingeniero especialista en efectos corrosivos, aplicara muchos ensayos para verificar el efecto corrosivo según el tipo de suelo. Con estos ensayos podrá definir lo siguiente:

Usar otro tipo de materiales tales como concreto o madera. Aumentar espesores de diseño a la estructura para determinar un tiempo de vida útil de la estructura. Proteger el acero con aislantes como un epoxypara alejar del suelo al acero. Esto se usa con éxito principalmente en tanques y tuberías y


éxito principalmente en tanques y tuberías y también con éxito en pilotes, pero también se debe considerar que en ciertos lugares el aislante puede ser removido por la abrasión.

Proveer un sistema de protección catódica. Este sistema consiste en suministrar una fuente potencial de corriente continua entre la fundación que llamaremos «Cátodo» y el metal de sacrificio enterrado «Ánodo». Esto causa la corrosión únicamente al ánodo y protege el cátodo. En algunos casos la cantidad de energía que se


algunos casos la cantidad de energía que se requiere es tan poca que se pueden instalar fuentes auto generadoras de energía. Ver siguiente figura)

PILOTE(Cátodo)

ANODOS de sacrifico Flujo de iones

cable


ANODOS de sacrifico (Oxidación ocurre acá en vez de el pilote)

Los hormigones enterrados generalmente son muy resistentes a la corrosión. Sin embargo desgaste excesivo se suele presentar en hormigón que están sometidos a sulfatos (SO4). Estos pueden reaccionar químicamente con algunos compuestos del hormigón como son el sulfoaluminato de calcio, (intrínsecos) cristales. Suelos con los siguientes formaciones son los mas adversos al concreto.

ATAQUES DE SULFATOS EN ATAQUES DE SULFATOS EN HORMIGONHORMIGON

mas adversos al concreto.Humedad.Grano fino.Negro o color plomo.Alto contenido de material orgánico.Altamente alcalino o acido.

Si el laboratorio determina que el suelo tiene un alto contenido de sulfatos o sulfuros, se debe diseñar la fundación usando los siguientes métodos.oReducir el agua de mezclado: Esto reduce la permeabilidad del cemento, esto retrasa la reacciones químicas. Este es uno de los métodos mas efectivos para resistir el ataque de sulfatos.


resistir el ataque de sulfatos.o Incrementar el contenido de cemento: Esto también reduce la permeabilidad. Por lo tanto, suelos que están expuestos, el promedio de contenido debe ser superior a 335 Kg/m3.

◦ Usar cemento resistente a sulfatos: Tipo II, bajo contenido de álcalis y tipo V contenido de puzolana, son formulados especialmente para resistir estos ataques.◦ Abrigar el hormigón con una emulsión asfáltica: Esta es una solución atractiva y barata principalmente para muros de contención y tubos enterrados de hormigón.


muros de contención y tubos enterrados de hormigón. Pero no para fundaciones.

Solubles en aguaSulfatos en suelo(% en peso)

Sulfatos en agua(ppm)Peligro de ataque de los sulfatos Tipo deCemento

Contenido máximo de agua.0.00-0.10 0-150 Despreciable --- ---0.10-0.20 150-1500 Moderado II 0.500.20-2.00 1500-10000 Severo V 0.45

TABLA (Uso de cemento e TABLA (Uso de cemento e indicesindicesde contenido).de contenido).

>2.00 >10000 Muy Severo V + mayor contenido puzolana0.45

Se presenta en la incorporación de agua y aire permanente en la estructura. Fuera del agua la madera se somete a los siguientes ataques:◦ Pudrimiento: Causado por el crecimiento de hongos. Este proceso requiere humedad, oxigeno y temperaturas adecuadas. Estas condiciones se dan en la parte superior por encima de los 2m del suelo. Si la madera es continuamente secada y mojada, la putrefacción será

PUDRIMIENTO DE LA MADERAPUDRIMIENTO DE LA MADERA

continuamente secada y mojada, la putrefacción será incluida por la humedad.◦ Ataques de insectos: Termitas, escarabajos y taladradores marinos.◦ Fuego: Especialmente en estructuras marinas.

El tercer punto de requerimientos constructivos, debe ser que el contratista elabore la fundación sin tener los grandes requerimientos de tecnología o equipo.

Edificio existente de oficinas

Pilotes antisísmicos propuestos

REQUERIMIENTOS CONSTRUCTIVOSREQUERIMIENTOS CONSTRUCTIVOS

tecnología o equipo. Karl Terzaghi dijo: «No diseñes en papeles lo que deseas tener en el suelo»

El requerimiento de diseño deeste edificio para convertirlo enantisísmico es el colocar unamaquina de pilotes en el interiordel edificio «Supuestamenteimposible» por la altura de la torre.

REQUERIMIENTOS CONSTRUCTIVOSREQUERIMIENTOS CONSTRUCTIVOS

Las fundaciones deben ser diseñadas con las condiciones de confiabilidad del suelo o roca, esta evaluación contiene incertidumbre. Las fundaciones nunca son construidas con el mismo grado de precisión de la superestructura. En algunos casos las zapatas adquieren la forma con la que se excavo sin necesidad del uso de encofrados.

REQUERIMIENTOS ECONOMICOSREQUERIMIENTOS ECONOMICOS

encofrados. Los materiales de las estructuras pueden ser dañados al momento de ser emplazados, por ejemplo pilotes incados pueden ser rotos.

Existe incertidumbre en la distribución y transferencia entre las fundaciones y el suelo. Esto no ocurre en la superestructura. Las consecuencias de falla catastrófica son mayores. Un incremento de carga en un diseño conservador no tiene consecuencias. Es por esto

REQUERIMIENTOS ECONOMICOSREQUERIMIENTOS ECONOMICOS

conservador no tiene consecuencias. Es por esto que si se incrementan cargas en este tipo de diseños suelen ser hasta benéficos en caso de elementos que se levanten.

1. El ingeniero diseñador de la fundación debe determinar los requerimientos antes de fundar.2. Las fundaciones deben tolerar muchos tipo de cargas. Estas incluyen la carga normal, corte, momento y torsión. La variación de estas cargas puede variar durante la vida útil de la estructura.

Las cargas están designadas conforme al tipo

PUNTOS PRINCIPALES.PUNTOS PRINCIPALES.

3. Las cargas están designadas conforme al tipo de fuente. Estas incluyen, cargas de viento, nieve y terremoto según la zona y otras formas de carga.

4. Las cargas de diseño pueden ser expresadas usando la carga máxima permitida (ASD). O el método de Factor de carga de resistencia de diseño (LRFD). Es importante discriminar el método que se esta usando, por que el calculo debe ser ejecutado conforme al usado.5. Requerimientos de esfuerzo que están diseñados para evitar la catástrofe. Existen 2 tipos. 1) Geotécnico y 2) Estructurales.


Geotécnico y 2) Estructurales.6. Requerimientos de servicio son aquellos que en las fundaciones se comportan de forma adecuada con cargas de diseño. Estos requerimientos incorporan, Asentamiento, inclinación, levante, empuje lateral, vibración y durabilidad.

7. Asentamiento es generalmente el requerimiento mas importante. La respuesta a asentamientos es generalmente muy importante, es por esto que se debe simplificar este a solo 2 tipos (Total y diferencial). Asignamos valores máximos a cada uno de estos y después se diseña la fundación que los tolere.


fundación que los tolere.8. Durabilidad, es también importante, la fundación debe ser capaz de resistir agentes corrosivos como el tipo de suelo y agua.

9. Las fundaciones deben ser constructivas, así que estas se diseñan conforme al equipo y alcance de cada fundación.10. Las fundaciones deben ser económicas, por que diseños muy conservadores pueden ser


diseños muy conservadores pueden ser excesivamente caros.

Fundaciones Cargas 2

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