Presentacin de PowerPoint

CAPACIDAD DE CARGAS

3.1TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA EN LOS SUELOS Gran parte de las teoras desarrolladas tienen sus bases en hiptesis simplificatorias del comportamiento de los suelos y en desarrollos matemticos a partir de tales hiptesis.TODAS LAS TEORAS MATEMTICAS TIENEN COMO PUNTO DE PARTIDA LA SOLUCIN DE PRANDTL AL PROBLEMA DE LA IDENTIFICACIN DE UN SLIDO RGIDO EN UN MEDIO CONTINUO, SEMI- INFINITO, HOMOGNEO E ISTROPO BAJO CONDICIONES DE DEFORMACION PLANA.ANLISIS LMITE AL PROBLEMA DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS PURAMENTE COHESIVOSLa teora de la elasticidad permite establecer la solucin para el estado de esfuerzos en un medio con las caractersticas antes mencionadas cuando sobre l acta una carga uniformemente distribuida,sobre una banda de ancho 2B y de longitud infinita

En efecto, puede demostrarse que para la condicin de carga mostrada los mximos esfuerzos cortantes inducidos en el medio vale q/ y ocurren en puntos cuyo lugar geomtrico es el semi-circulo mostrado cuyo dimetro es 2B.IMPORTANTE: por ser una solucin obtenida por la teora de la elasticidad puede garantizarse que ese estado de esfuerzos satisface las condiciones de equilibrio y de frontera por lo que la solucin ser un estado de esfuerzos estticamente admisible, siempre y cuando el valor del esfuerzo mximo no sobrepase el valor de la resistencia del material,supuesta igual a C.Esfuerzo mximo = C = q/Entonces,Qmx = CPara a completar la aplicacin del anlisis limite a los problemas de capacidad de carga en suelos puramente cohesivos se necesitaencontrar una cota superior para el valor de la carga ultima, q. Para lograr tal fin considrese un anlisis de capacidad realizado segn los linchamientos de la fig. VII--2 que, bsicamente, consiste en una aplicacin del Mtodo Sueco al problema de Capacidad de Carga.En efecto consideramos una superficie de falla circular, con centro en 0. extremo del rea cargada y radio 2b, igual al ancho del cimiento. El MOMENTO MOTOR que tiende a producir el giro del terreno de cimentaciones como cuerpo rgido sobre la superficie de deslizamiento,vale:

SOLUCION DE PRANDTL Estudio en 1920 el problema considerando que el contacto entre el elemento y el medio era perfectamente liso, propuso el mecanismo de falla siguiente:

Se trata, naturalmente, de calcular la mxima presin que se puede dar al elemento rgido sin que penetre en el medio semi-infinito; a este valor particular de la presin se le denomina carga lmite.

expuesto parece indicar que en el momento del flujo plstico incipiente, el elemento rgido ejerce una presin uniforme igual a (1 1 + 2 ) 0 sobre el slido plstico semi-infinito.

Prandtl logr esto considerando que la regin ABH se incrusta como cuerpo rgido, movindose verticalmente como si formara parte del elemento rgido. En la regin AEH las lneas de deslizamiento son crculos_con centro en A y con velocidad tangente a tales lneas igual a y/2 / 2 , constante en toda la regin, supuesto que el elemento rgido desciende con velocidad unitaria. Finalmente, la regin ACE se mueve como cuerpo rgido con la velocidad \/2/2, en la direccin de EC. La anterior solucin, debida a Prandtl, es la base de todas las Teoras de Capacidad de Carga que s'e han desarrollado para aplicacin especfica a suelos.

SOLUCION DE HILLLos esfuerzos en estas regiones son los mismos que se presentan en las correspondientes del mecanismo de Prandtl, pero las velocidades de desplazamiento son diferentes. Suponiendo tambin que el elemento rgido desciende con velocidad unitaria, puede demostrarse que la zona ACG debe desplazarse como cuerpo rgido con velocidad y/ 2 en la direccin de CG; anlogamente los puntos de la regin AFD se mueven con la misma velocidad x/2-en la direccin FD; la zona radial se mueve en todos sus puntos con la misma velocidad (\/2), tangente a los crculos de deslizamiento. Con base en su mecanismo de falla, Hill pudo tambin calcular la presin lmite que el elemento rgido puede trasmitir sin identarse en el medio, obteniendo el mismo valor que proporciona la solucin de Prandtl.Suma es interesante notar que si la superficie del medio semi-infinito no fuese horizontal,sino que adoptase la forma que aparece en la figura, la presin lmite toma el valor:

TEORIA DE TERZAGHI La teora cubre el caso ms general de suelos con cohesin y friccin y su impacto en la Mecnica de Suelos ha sido de tal trascendencia que an hoy, es posiblemente la teora ms usada para el clculo de capacidad de carga en los proyectos prcticos, especialmente en el caso de cimientos poco profundos.La expresin cimiento poco profundo se aplica a aqul en el que el ancho B es igual o mayor que la distancia vertical entre el terreno natural y la base del cimiento (profundidad de desplante, D).En estas condiciones Terzaghi despreci la resistencia al esfuerzo cortante arriba del nivel de desplante del cimiento, considerndola slo de dicho nivel hacia abajo. El terreno sobre la base del cimiento se supone que slo produce un efecto que puede representarse por una sobrecarga, q = y D, actuante precisamente en un plano horizontal que pase por la base del cimiento, en donde y es el peso especfico del suelo.

Teoera de skemptonTerzaghi en su Teora aplicada a suelos puramente cohesivos no toma en cuenta para fijar el valor de Nc la profundidad de desplante del cimiento en el estrato de apoyo, D. As, en la fig. VII-10, los dos cimientos tendran la misma capacidad, en lo referente a la influencia de la cohesin, es decir, al valor de Nc

En efecto si se piensa en trminos de superficies de falla, el cimiento ms profundo tendra una superficie de mayor desarrollo, en la cual la cohesin trabajar ms, a lo que deber corresponder un mayor valor de Nc Skempton realiz experiencias tratando de cuantificar estas ideas y encontr, en efecto, que el valor de Nc no es independiente de la profundidad de desplante; tambin encontr, de acuerdo con la intuicin, que Nc crece al aumentar la profundidad de desplante del cimiento, si bien este crecimiento no es ilimitado, de manera que Nc permanece ya constante de una cierta profundidad de desplante en adelante.

la presin del suelo al nivel de desplante y que, por lo tanto deber calcularse tomando en cuenta los diferentes espesores de los estratos con sus respectivos pesos especficos, en la condicin de suelo de que se trate, ms cualquier sobrecarga distribuida en la superficie del suelo. Lo anterior vale tambin, por supuesto, para la Teora de Terzaghi.

Teora de meyerhofEn la Teora de Terzaghi, no se toman en cuenta los esfuerzos cortantes desarrollados en el suelo arriba del nivel de desplante del cimiento.Meyerhof trat de cubrir esta deficiencia en una Teora de Capacidad de Carga que ha alcanzado amplia difusin en pocas recientes. Desde luego, la Teora de Meyerhof tampoco resuelve el problema con completo rigor cientfico y est sujeta a hiptesis de importancia, que se expondrn en lo que sigue.

En esta Teora y para el caso de cimientos largos, se supone que la superficie de deslizamiento con la que falla el cimiento tiene la forma que se muestra en la fig. VII-13.

3.2 INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

DEFINICION- La respuesta ssmica de la estructura esta ntimamente ligada a la forma como las movimientos ssmicos del terreno afectan la estructura a travs de su cimentacin. Las caractersticas dinmicas del suelo subyacente. la rigidez y disposicin de la cimentacin y el tipo de sistema estructural de a edificacin Interactan entre si para caracterizar los efectos ssmicos sobre ella. E! hecho de que no Se tome en cuenta la rigidez de la cimentacin y las caractersticas dinmicas del suelo Subyacente en el anlisis ssmico de la edificacin puede conducir a variaciones apreciables entre la respuesta ssmica estimada y la respuesta real de la estructura. Por las razones anotadas es conveniente Incluir tos efectos de la interaccin Su estructura en el anlisis ssmico de la edificacin

EFECTOS:Dependiendo de las caractersticas de la estructura, de su cimentacin y del suelo subyacente, la respuesta de la estructura ante solicitaciones estticas verticales y dinmicas (sismo) puede variar con respecto al estimativo que se realiza sin tener en cuenta la interaccin suelo-estructura en los siguientes aspectos. -La presencia de suelos blandos y compresibles en las distribucin de esfuerzos y deformaciones bajo losas de fundacin, tanto ante solicitaciones de cargas verticales como de fuerzas horizontales.-Variaciones en los perodos de vibracin de la edificacin.-Aumento del amortiguamiento viscoso equivalente del sistema estructura-cimentacin-suelo.-Aumento de las derivas de la estructura ante solicitaciones ssmicas.

-Variacin en la distribucin de las fuerzas cortantes horizontales producidas por los movimientos ssmicos. entre los diferentes elementas del sistema de resistencia ssmica, espectralmente cuando se combinan sistemas de apoyo en la cimentaci0n diferentes. Como puede ser el caso de combinacin de prticos y muos estructurales. y otros - Los efectos de Interaccin suelo-estructura no deben confundirse con efectos de suelo, causados por la amplificacin de la onda ssmica al viajar desde la roca hasta la superficie.

INFORMACION GEOTECNICAA continuacin se describe el alcance mnimo de la exploracin, interpretacin y recomendaciones que debe contener el estudio geotcnico EXPLORACION - Los procedimientos de exploracin deben ser consistentes con el tipo de propiedades que deban estudiarse, ya sea por procedimientos de campo o de laboratorio Debe tenerse especial cuidado respecto a los niveles de deformacin a que se expresen las propiedades del suelo, los cuales deben ser compatibles con os niveles de deformacin que le imponen los movimientos ssmicos.

LABORATORIO - Los procedimientos de laboratorio deben cuantificar, directa o Indirectamente. las caractersticas del material bajo condiciones dinmicas y a los niveles de deformacin esperados durante los movimientos ssmicos INTERPRETACION : La informacin de campo y de laboratorio debe combinarse en un conjunto de recomendaciones que describan las caractersticas que debe emplear el ingeniero estructural en modelos matemticos del fenmeno. Las recomendaciones deben fijar limitaciones y rangos de aplicabilidad, fcil de identificar, con el fin de evitar el peligro que entraa la utilizacin de los parmetros recomendados, fuera de contexto balo el cual se expresaron REVISION Y EVALUACION DE LOS RESULTADOS El Ingeniero geo-tecnista debe revisar y avalar resultados obtenidos por el ingeniero estructural, en lo concerniente a las recomendaciones para interaccin estructura del estudio geotcnico y a la validez de los resultados de interaccin suelo-estructura obtenidos con en sus propias recomendaciones. ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURALTIPO DE MODELO - Los modelos matemticos pueden ser estticos 0 dinmicos y deben describir las caractersticas de rigidez de la estructura, la cimentacin y el suelo, a niveles compatibles Con las deformaciones esperadas En los modelos estructurales utilizados en el anlisis de la estructura deben introducirse condiciones de apoyo elstico de los muros, columnas y elementos del sistema de resistencia ssmica al nivel de la cimentacin. FUERZAS DE DISEO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES - El modelo matemtico empleado debe utilizarse en la evaluacin de las caractersticas propias de la respuesta de la estructura ante las diferentes Solicitaciones. La distribucin de las fuerzas internas de la estructura que se utilice en el diseo de la misma debe ser la que se obtiene a travs del anlisis que Incluye los efectos de Interaccin suelo-estructura A. DERIVAS - Las derivas Obtenidas at utilizar los procedimientos de interaccin suelo-estructura deben cumplir con los lintes establecidos. En la gran mayora de los casos deben esperarse derivas mayores que las que se obtendran al suponer la estructura empotrada en su base. CORTANTE SISMICO EN LA BASE - En aquellos casos en los cuales se presente un aumenta en el cortante ssmico en la base, el diseo debe realizarse para el cortante obtenido utilizand0 la interaccin suelo- estructura

VALORES MAXIMOS Y MINIMOS DE LOS EFECTOS DE INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA - Debido a la incertidumbre que presenta la detentacin de los parmetros del suelo utilizadas en el anlisis de interaccin suelo-estructura, deben considerarse los valores mximos y mnimos esperados de tales parmetros y utilizarse aquellos que produzcan los efectos ms desfavorables. tanto en la determinacin de los cortantes ssmicos. como para el clculo de las derivas de piso y las de diseo de 'os elementos de la estructura y la cimentacin

3.4. Calculo de capacidad en cimentaciones profundasLa determinacin de la capacidad de carga de un pilote es uno de los puntos de la actual Mecnica de Suelos ms sujetos a las incertidumbres emanantes de lo imperfecto de Las teoras de que se dispone, de la dificultad de cuantificar La influencia dcl mtodo constructivo del pilote y del desconocimiento de como deben ser tomadas en cuenta Las caractersticas esfuerzo-deformacin de los suelos.Ahora bien, an supuesto que actualmente fuera posible calcular con suficiente aproximacin la capacidad de carga de un pilote debe tenerse en cuenta que en la construccin nunca se utiliza uno de estos elementos, sino un grupo de ellos. Aunque la investigacin actual sobre capacidad de carga o cualquier otro aspecto del comportamiento de un grupo de pilotes es sumamente limitada y escasa, existen ya suficientes elementos de juicio para afirmar que el comportamiento mecnico de un solo pilote es muy diferente del que exhibe un grupo.Esta no es ciertamente la menor incertidumbre que hoy rodea al campo de las cimentaciones piloteadas, ya que en la actualidad slo existen teoras o frmulas para calcular la capacidad de carga de pilotes aislados; el valor as obtenido se asigna al grupo. Ignorando la diferencia de comportamiento arriba sealada: el hecho de que la practica haya ido proporcionando algunas normas para tomar en cuenta el efecto de agrupamiento, poco aade todava al panorama antes expuesto. De hecho, han ocurrido con cierta Frecuencia fallas de grupos de pilotes en casos en que el conocimiento actual indicarla que un pilote considerado aislado habla sido juiciosamente proyectado.

Para calcular la capacidad de carga de pilotes de punta, que trabajan por apoyo directo en un estrato de resistencia garantizada. se han usado frmulas y criterios que pueden agruparse en tres clases principales:

Las llamadas frmulas dinmicas tratan de obtener la capacidad de carga del terreno a partir de la energa comunicada al pilote por el impacto del martillo de hinca. Su aplicacin est limitada por lo tanto a los pilotes de punta hincados al golpe.Las Formulas empricas en que la capacidad de carga del pilote se obtiene de experiencias localesLas frmulas estticas, en que la capacidad de carga del pilote se obtiene a partir de una teora que valu la capacidad de carga del suelo, a partir de sus parmetros de resistencia.La falacia fundamental de Las frmulas dinmicas estriba en suponer que la resistencia dinmica opuesta al pilote en su punta durante el hincado por impacto, es igual a la resistencia que el pilote encontrar en su punta en condiciones de carga esttica. Ello equivale a ignorar la diferencia de respuesta de los materiales a tipos de carga tan diferentes como la esttica puramente y el impacto.

En vista de lo anterior ha de concluirse que las formulas dinmicas no representan un mtodo racional de enfrentarse al problema de capacidad de carga en pilotes y. por ello, no deben usarse en ningn caso.

Sin embargo, con vista en cl inters histrico que pudieran representar y por va de informacin, se analizan algunas de las formulas dinmicas que ganaron mayor popularidad en el pasado:

La primera frmula dinmica que gan popularidad por su simplicidad es la conocida con el nombre de frmula del Engineering News, presentada por Wellington en 1888. La frmula se present para ser usada en pilotes de madera hincados con martillos de calda libre y se modific ms tarde para su aplicacin a martillos de accin simple y doble. La frmula para martillos de calda libre y de accin simple proviene de igualar la energa del 1m pacto con el trabajo de penetracin. ms las prdidas de energa que tengan lugar

Otra de las frmulas dinmicas ms populares, inclusive hoy en da, es la debida a Hiley, en la que se trata de establecer las prdidas de energa durante el hincado de un modo ms detallado. En lo que sigue se dan los lineamientos bsicos para Ia deduccin de esta Frmula. En el momento del impacto. el martillo posee una energa que corresponde a una cantidad de movimiento igual a su masa por su velocidad en dicho instante. El primer efecto del martillo sobre el pilote es una compresin de ste y al final de este periodo de compresin la velocidad del martillo y la del pilote sern la misma. Si W es el peso del martillo, g la aceleracin debida a la gravedad y t la velocidad del. martillo en el momento del impacto, la cantidad del movimiento del martillo en ese momento vale

Generalmente el mejor mtodo para estimar la capacidad de carga de un pilote individual en un cierto lugar, es el realizar una prueba de carga a escala natural en ese lugar. El inconveniente de las pruebas de carga estriba en su costo y en el tiempo requerido para realizarlas; estas razones hacen que en numerosas obras de poca magnitud no se ejecuten. En obras de importancia, sin embargo, no es buen criterio evitar las pruebas de carga en nombre del costo o del tiempo y, por lo menos deben hacerse algunas pruebas en lugares representativos de las distintas condiciones prevalecientes; la eleccin correcta de tales lugares es, desde luego, de fundamental importancia, define el xito del programa de pruebas y suele requerir bastante experiencia. El lugar apropiado para efectuar una prueba de carga no siempre es aquel en que el terreno presenta condiciones ms crticas, pues debe contarse tambin con la magnitud de las cargas en cada pilote, con el nmero de pilotes que se colocarn en cada zona y con las consecuencias derivadas de la falla de un pilote.

Con una prueba de carga puede obtenerse informacin sobre los siguientes aspectosa) La capacidad de carga ltima por punta de un pilote.b) La capacidad de carga de un pilote por friccin lateral.c) El asentamiento total del pilote bajo la carga.PRUEBAS DE CARGA EN PILOTES

El dispositivo para dar la carga al pilote, una vez que ste est en la posicin de prueba, puede seguir alguna de las siguientes variantes:

Aplicacin directa de la carga, colocando un lastre sobre una plataforma que descanse directamente en la cabeza del pilote.Aplicacin de la presin de un gato hidrulico cuya reaccin la absorbe una plataforma lastrada, el peso de una estructura existente, una viga de acero anclada al terreno generalmente por medio de otros pilotes, etc.Aplicacin de una carga por mecanismo de palanca, usando una viga piloteada en un extremo a la que se carga en el otro extremo.

En la parte a) de la figura se ilustra el proceso de cargar en incrementos, detallando los tiempos en que se colocaron y anotandolos asentamientos que produjeron. Cada incremento se dej un lapso de 6 h sobre el pilote, lo que se supone fue suficiente para que los asentamientos cesaran en todos los casos. La primera descarga se efectu cuando la carga haba llegado al valor de 35 ton; el asentamiento del pilote en dicha descarga se recuper totalmente lo que indica que era de naturaleza elstica. Al llegar, en el nuevoproceso de carga, a las 100 ton se descarg de nuevo, quedando ahora un asentamiento remanente de 0.4 cm. La tercera descarga ocurri al llegar el pilote a las 150 ton, con un asentamiento no recuperable de 1.75 cm.En la parte b) de la figura se ha dibujado la grfica carga-asentamiento total, con lnea llena; la grfica correspondiente a los asentamientos plsticos aparece con trazo de punto y raya. Esta ltima se obtuvo de los resultados de la parte a) de la figura, que permitieron trazar en forma aproximada las trayectorias de descarga (de las que slo se conocen el primero y el ltimo puntos). Con la deformacin permanente en carga cero y el valor de la carga a partir de la que se descarg el pilote se obtienen puntos sobre la curva deasentamientos plsticos.

Cada incremento de carga deber dejarse el tiempo necesario como para que el asentamiento prcticamente cese. El asentamiento de la cabeza del pilote se debe a deformaciones elsticas (recuperables al retirar la carga) tanto en el suelo como en el propio pilote y a deformaciones plsticas (que permanecen al retirar la carga) del suelo. Estas deformaciones son las que causan generalmente los asentamientos excesivos en las estructuras y son, por lo tanto, las que deben evitarse. En una prueba de carga deben deslindarse los dos tipos de deformacin, puesto que las deformaciones plsticas son las que realmente interesa definir en la prueba. Para esto es necesario efectuar procesos cclicos de carga y descarga, durante los cuales el pilote llegue a cargas mximas cada vez mayores.

Una vez obtenida la curva de asentamientos totales y plsticos contra la carga pueden suceder dos cosas. Primero, que en las curvas se defina el punto de falla por un quiebre tan evidente, que no haya duda respecto a la carga de falla. En este caso, lo nico que serequerir para determinar la carga de trabajo del pilote ser escoger un factor de seguridad adecuado para dividir por l la carga de falla: este factor de seguridad es frecuentemente del orden de 2.Existe un segundo caso ms frecuente, en el que no es fcil determinar el punto de falla, debido a lo gradual del cambio de pendiente de las curvas asentamiento-carga. En este caso es preciso definir lo que se considerar carga ltima del pilote por medio de algn criterio conveniente, y hasta cierto punto, arbitrario. Existen varias reglas de esta naturaleza: las menos estn elaboradas para aplicarse sobre la curva del asentamiento total, las ms se refieren a la curva de asentamientos plsticos. Algunas de las reglas de ma yor uso actual se mencionan a continuacin:

Determnese la carga para la cual, en 48 h corresponda un asentamiento permanente no mayor de 0.5 cm y divdase ese valor por un factor de seguridad de 2, obtenindose as la carga de proyecto. Hgase la prueba hasta aplicar una carga doble que la que se desee que soporte el pilote en la obra. La prueba se considerar satisfactoria cuando dicha carga no produzca un asentamiento total neto mayor de 0.025 cm por cada tonelada de carga aplicada, midiendo el asentamiento al retirar la carga, despus de 24 h de permanencia.Obtenida la curva carga-asentamientos plsticos, trcense tan gentes a sus tramos inicial y final; la carga correspondiente a la interseccin de los dos trazos, dividida entre un factor de seguridad de 1.5 2 ser la carga de proyecto.Obtngase el punto en el que el asentamiento total comience a exceder de 0.125 cm por cada tonelada de carga adicional o en el que el asentamiento plstico comience a exceder de 0.075 cm por cada tonelada de la misma carga. La carga correspondiente a cualquiera de esos puntos se considera la ltima del pilote; para obtener la carga de proyecto, su valor deber dividirse por 2, si el pilote trabaja bajo cargas estticas o por 3 si ha de estar sujeto a cargas dinmicas