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METODOLOGÍA DE DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD

INGENIERÍA GEOTÉCNICA

Prof.: Ing. Wilfredo Gutiérrez Lazares

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA

DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD

CONTENIDO

• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA.

• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.

• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA

CAPACIDAD DE CARGA.

• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.

• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE

ESTABILIDAD.

• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.




DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD CONTENIDO



• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA.


• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE ESTABILIDAD.






INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA

Se analiza hasta 1.5 b

CASO I

El NF debajo del nivel de cimentación a una profundidad

menor que 1.5b.

CASO II

El NF por encima del nivel de cimentación.






CASO I

El nivel freático debajo del nivel de cimentación a una

profundidad menor que 1.5b.






CASO II

El nivel freático por encima del nivel de cimentación.





CONTENIDO



• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD

DE CARGA.



ESTABILIDAD.






ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.


I - Aparece un solo suelo.

II- Existan dos estratos de suelos diferentes.

III- El suelo está muy estratificado.




DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD A N Á L I S I S D E C I M E N T A C I O N E S E N B A S E S

E S T R A T I G R Á F I C A S .


CASO I : Aparece un solo suelo

Para el primer caso, la capacidad de carga del suelo se

determina mediante la expresión de capacidad de carga

utilizando las características físico-mecánicas de cálculo

del suelo que aparece.







CASO II : Existan dos estratos de suelo diferentes

El segundo estrato situado a una profundidad z, sea más

débil que el que soporta directamente la cimentación.

Luego: la capacidad de carga de la base de la

cimentación se obtendrá a partir de las características

físico-mecánicas de ese segundo estrato.







Nz* ≤ Qbtz*

Qbtz* : Carga bruta de trabajo resistente a la estabilidad de la

base a la profundidad z, determinada por las características

físico – mecánicas de cálculo del segundo estrato.





A N Á L I S I S D E C I M E N T A C I O N E S E N B A S E S E S T R A T I G R Á F I C A S .


Nz* : Componente vertical de la resultante de todas las solicitaciones de cálculo a l

a profundidad z analizada.

2I* : Peso específico del primer estrato por debajo del nivel de cimentación. Si

está por debajo del nivel freático se toma saturado

HI : Espesor del primer estrato.

(b+HI) (I + HI) : Dimensiones de la cimentación ficticia a profundidad de

cimentación (d+ HI ) = z.

Nz* = N´* + QCIM. + QRELL + γ2I* . H I

. (b+H I) (I + H I)







De no cumplirse la condición de diseño deben de aumentarse las

dimensiones del cimiento hasta cumplirla.

•Si de los dos estratos el más débil es el primero, se tomarán las

características físico-mecánicas de éste, en caso que su espesor sea

muy pequeño, puede tomarse la solución de excavar hasta llegar al

segundo estrato y diseñar para este último.

•Si las características físico-mecánicas de ambos estratos son

similares y evidencian que sus capacidades de carga también lo son,

se tomarán las características físico-mecánicas del primero para

realizar el diseño.







CASO III : El suelo está muy estratificado.

Para los casos de bases de cimentaciones muy

estratificadas, en las que a una profundidad de 1.5b

existan más de dos estratos de suelos diferentes, hay que

utilizar el Método Gráfico Analítico para el cálculo de la

capacidad de carga de la base de la cimentación.





CONTENIDO

• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE

CARGA.

• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES

ESTRATIGRÁFICAS.


CAPACIDAD DE CARGA.


• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO

DE ESTABILIDAD.






MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA.

Base de las cimentaciones muy heterogéneas con presencia de más de

dos tipos de suelo en la zona de trabajo de dicha base (1.5b).

Cuando la sobrecarga a nivel de cimentación a ambos lados de ella, es

mayor del 50% de la capacidad resistente de dicha base.

Cimentación en taludes, cerca o debajo de ellos.

Posibilidad de un estrato no estable de los suelos de las bases (Excepto

en los casos para los cuales se desarrollan por métodos analíticos de

calculo).






F.S. =

..

..

desestMtos

estabMtos≥1,2

Donde:

F.S.: Es el coeficiente de seguridad de una superficie de falla circular propuesta,

en la cual todos los análisis están hechos para un metro de largo de la

cimentación.

∑ Mtos. estab., ∑ Mtos. desest.: Sumatoria de los momentos estabilizadores y

desestabilizadores con respecto al centro de giro.

Para el cálculo del coeficiente de seguridad se puede

utilizar cualquier método que trabaje con una superficie de

falla circular (Fellenius, Bishop simplificado, etc.)





CONTENIDO


CARGA.



CAPACIDAD DE CARGA.



ESTABILIDAD.






•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.

Capacidad de carga: Debe de cumplirse que la presión actuante sobre

el terreno debido a las cargas impuestas por la estructura sea menor

que la capacidad de carga del suelo donde se desplantó la misma.

Vuelco: Se debe chequear que la combinación sea segura al posible

vuelco garantizando que:

∑ Momentos estabilizantes >1.5 ∑Momentos desestabilizantes.

Deslizamiento: El tercero deberá ser capaz de equilibrar la

componente horizontal de la resultante de los esfuerzos transmitidos al

terreno oblicuamente sobre la superficie de contacto del cimiento y el

terreno.





COMBINACIÓN DE CARGA PARA EL DISEÑO POR ESTABILIDAD.

LAS COMBINACIONES DE CARGA FUNDAMENTALES

CONSIDERADAS EN EL DISEÑO GEOTÉCNICO DE

CIMENTACIONES SUPERFICIALES SON:


1) 1,5D + 1,8L

2) 1,25(D+L+E)

3) 0,9D + 1,25E





DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-

MECÁNICAS DE CÁLCULO DE LOS DIFERENTES ESTRATOS.

LA CAPACIDAD RESISTENTE DE LA BASE DE UNA

CIMENTACIÓN ESTÁ EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS

FÍSICO-MECÁNICAS DE CÁLCULO DEL SUELO QUE SE

DETERMINAN PARA UNA PROBABILIDAD DE DISEÑO DE:

Α = 95% PARA OBRAS DONDE EL FALLO SE CLASIFIQUEN

COMO: MUY GRAVE, GRAVE O LEVE.

Α = 99% PARA OBRAS DE CATEGORÍA ESPECIAL. :


C*=

gc

C φ*=tg

-1

gtg

tg

g






TIPOS DE SUELOS

Suelos C y C-φ (Φ<25º) Suelos φ (Φ>25)

Coeficientes de variación de las características mecánicas del

suelo

Valores degtgφ

máximos a utilizar

Coeficientes de variación de las características

mecánicas del suelo

Valores degtgφ

máximos a utilizar

Vtgφ ≤ 0.2 gtgφ = 1.20 Vtgφ ≤ 0.07 gtgφ = 1.10

Vc ≤ 0.26 gc = 1.40φ ≤ 30º

Vtgφ > 0.07 gtgφ = 1.15

Vtgφ > 0.2 gtgφ = 1.25

Vc > 0.26 gc = 1.45φ > 30º Vtgφ ≤ 0.08 gtgφ = 1.10

Tabla 2.1- Valores máximos de los coeficientes de minoración de las características

mecánicas del suelo





SI LOS VALORES NORMATIVOS DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÁNICAS DEL

SUELO SON OBTENIDAS DE TABLAS, O NO ES POSIBLE REALIZAR EL ANÁLISIS

ESTADÍSTICO, ENTONCES SE TOMARÁN PARA UNA PROBABILIDAD DE DISEÑO DE Α =

95%, LOS VALORES ΓGY, ΓGC Y ΓGTGΦ QUE APARECEN EN LA TABLA 2.2.


TIPOS DE SUELOS

Coeficiente de minoración

(g)

Suelos cohesivos (C>0, φ ≤ 25º)

Suelos C-φ (φ > 25º)

Suelos φ (φ ≤ 30º)

Suelos φ (φ > 30º)

gy 1.05 10.5 1.03 1.03

gc 1.45 1.40 - -

gtgφ 1.25 1.20 1.15 1.10

Tabla 2.2- Valores de γgy, γgc y γgtgφ para una probabilidad del 95%.





CHEQUEO DE LA SEGURIDAD DE VUELCO.

DONDE:

∑ MOMENTOS ESTABILIZANTES: SUMATORIA DE LOS MOMENTOS DE TODAS LAS

FUERZAS, CON SUS VALORES NORMATIVOS, QUE SE OPONEN AL VUELCO DE LA

CIMENTACIÓN CON RESPECTO A LA ESQUINA DEL CIMIENTO.

∑ MOMENTOS DESESTABILIZANTES: SUMATORIA DE TODAS LAS FUERZAS, CON SUS

VALORES NORMATIVOS, QUE TIENDEN A PROVOCAR EL VUELCO DE LAS CIMENTACIONES

CON RESPECTO A LA ESQUINA DEL MISMO.

CON SUS VALORES NORMATIVOS, PUES EL FACTOR DE SEGURIDAD 1.5, YA POSEE LA

SEGURIDAD ADECUADA PARA ESTE CHEQUEO.


F.S.V. =

izantesdesestabilMomentos

ntesestabilizaMomentos≥ 1.05 1.5





CIMIENTO CON PEDESTAL CÉNTRICO.

PARA LOS CASOS DE CIMIENTOS RECTANGULARES CON PEDESTAL CÉNTRICO (FIG. 2.1.), BASTA CHEQUEAR QUE LA EXCENTRICIDAD SEA MENOR O IGUAL QUE UN

TERCIO DEL ANCHO O LARGO DE LA BASE SEGÚN EL LADO QUE SE ANALICE, SI

ESTO SE CUMPLE, SE GARANTIZA TAMBIÉN EL CUMPLIMIENTO DE LA CONDICIÓN

DE VUELCO.

EL ≤ L /3

EB ≤ B /3


Fig. 2.1- Cimiento con pedestal céntrico





E N E L C A S O D E N O C U M P L I R S E A L G U N A D E L A S C O N D I C I O N E S P L A N T E A D A S A N T E R I O R M E N T E , D E B E N D E A U M E N T A R S E L A S D I M E N S I O N E S D E L A B A S E , V A R I A R L A F O R M A O E L T I P O D E C I M E N T A C I Ó N


Cimiento con pedestal excéntrico.

Para un cimiento con pedestal excéntrico (Fig. 2.2), la expresión del F.S.V. queda:

Fig. 2.2- Cimiento con pedestal excéntrico.

F.S.V. = dHM

blddN

L

l

.'

..' 2/20

≥ 1.5





CHEQUEO DEL DESLIZAMIENTO.

EL CIMIENTO NO TENDRÁ PELIGRO DE DESLIZAMIENTO; SI LAS FUERZAS

HORIZONTALES ACTUANTES SE COMPENSEN CON LAS FUERZAS RESISTENTES

QUE APORTA EL SUELO.

QUE LLEVADO AL CASO ESPECÍFICO DEL SUELO, SE ESCRIBE COMO:

SIEMPRE QUE NO SE CUMPLA ESTA CONDICIÓN SE INCREMENTA EL ÁREA DE LA

BASE, HASTA SATISFACER DICHA EXPRESIÓN.


F* actuantes ≤ F* resistentes

H* ≤ N* tgφ* + 0.75 b ́l ́C*





C A P A C I D A D D E C A R G A

P A R A S U E L O S C - Φ

P A R A S U E L O S C

D O N D E :


qbr* = 0.52*.B’

.N

.S

.i

.d

.g + C*

.Nc

.Scicdcgc + q´* NqSqiqdqgq

qbr* = 5.14C*(1+Sc’+ dc’-ic’-gc’)+q´*

2* : Peso específico minorado por debajo del nivel de cimentación.

B’ : Lado menor entre l’ y b’.

q’* : Presión efectiva a nivel de solera alrededor del cimiento.

N, Nc, Nq : Factores de Capacidad de carga.

S, Sc, Sq, i, ic, iq, d, dc, dq, g, gc, gq : Factores de influencia.






Condición de diseño para el criterio de estabilidad.

La condición de diseño en este caso queda como:

NC*≤ Qbt*

'

'' q

K

qqbrQbt = b´.

Para cimientos rectangulares.

Qbt* = l´ b´

*

**q

qqbr

s

Para cimientos circulares. Cimiento con carga vertical centrada (ec = 0)

Qbt* =

*

**

4

2

0 qqqbrD

s






Condiciones de trabajo de

la base de la cimentación Tipo de fallo Valores de s

Favorables

Leve 1.10

Grave 1.15

Muy grave 1.20

Normales

Leve 1.15

Grave 1.20

Muy grave 1.25

Desfavorables

Leve 1.20

Grave 1.25

Muy grave 1.30






El cumplimiento de la condición de diseño debe lograrse

para una tolerancia del 3 5 %, garantizándose así un

diseño económico.

% tolerancia =

*

**

N

NQbt100 ≤ 3 5 %




DISEÑO DE CIMENTACIONES POR

ESTABILIDAD

Algoritmo General de

Diseño

N´ Qbt

Qbt = b´ ´

´q

´q*q

S

br

qbr.*

FIN

INC( b, )

INC( b, )

SI

SI

NOH 0

H* Ntg*+0.75b´ ´C*

Nq, Nc, N, Sq, Sc, S

iq , ic, i , dq, dc, d

gq, gc ,g

SI

e*, e

b´, ´

e*, e

NO

b´, ´

NO

Ni, Mi, Hi, Ci, i, i, hi, d, qsc, S

N*, H*, M*, C*, *, *, q´

b,

N´=N*+20·b· ·d

e*, e

INICIO

e / 3

INC( b, )

SI

b´, ´

NO

Chequeo del Vuelco

Chequeo de

Deslizamiento

Chequeo de

Capacidad de Carga




Aplicaciones Computacionales






CONTENIDO


CARGA.



CAPACIDAD DE CARGA.



ESTABILIDAD.






D I S E Ñ O P O R FA C T O R D E S E G U R I D A D G L O B A L .

C R I T E R I O D E E S TA B I L I D A D .

II. Diseño por factor de seguridad global o coeficiente único.

Criterio de Estabilidad.

Capacidad de carga

Vuelco

Deslizamiento

)( EóWLD

Combinaciones de carga para el diseño por estabilidad.

D + L

K donde K tiene que ser ≥ 0,75

D + (W ó E)





D I S E Ñ O P O R F A C T O R D E S E G U R I D A D G L O B A L . C R I T E R I O

D E E S T A B I L I D A D .

F.S. vuelco =

izantesdesestabilMomentos

ntesestabilizaMomentos≥ 1.5

Factuantes

esFresistentF.S. Deslizamiento =

∑ Fresistentes =

≥ 1.5

. . . .

. .

b c tg N

b c N.tg.Ф

a δ





Valores del coeficiente de fricción

Muro – Suelo

MATERIAL tg

Madera 22º 0,4

Concreto Rugoso Φ tg Φ

Concreto Liso 17º 0,3

Acero Limpio 11º 0,2

Acero Herrumbroso 22º 0,4

En general los valores de FSvuelco y FSDESLIZAMIENTO propuesto son los

más utilizados, aunque en función de las características de la obra se

podrían utilizar otros a criterios del proyectista.





D I S E Ñ O P O R F A C T O R D E S E G U R I D A D G L O B A L . C R I T E R I O

D E E S T A B I L I D A D .

'

'' q

K

qqbr

-Condición de diseño para el criterio de estabilidad.

La condición de diseño en este caso queda como:

N0 ≤ Qbt

El valor de la carga bruta resistente a la estabilidad se determina a partir

de:

Cimientos rectangulares

Qbt = b´.

.

a) K = 3,0 Para combinaciones donde activen cargas estáticas.

b) K = 2,5 Para combinaciones donde este presente el sismo o el viento, la que

sea más desfavorable.





C O N T E N I D O

• I N F L U E N C I A D E L N I V E L F R E Á T I C O E N L A C A P A C I D A D D E C A R G A .

• A N Á L I S I S D E C I M E N T A C I O N E S E N B A S E S E S T R A T I G R Á F I C A S .

• M É T O D O G R Á F I C O A N A L Í T I C O P A R A E L C Á L C U L O D E L A C A P A C I D A D D E C A R G A .

• D I S E Ñ O P O R E S T A D O S L Í M I T E S . 1 º E S T A D O L Í M I T E .

• D I S E Ñ O P O R F A C T O R D E S E G U R I D A D G L O B A L . C R I T E R I O D E E S T A B I L I D A D .

• D I S E Ñ O D E T E N S I O N E S A D M I S I B L E S .





D I S E Ñ O D E T E N S I O N E S A D M I S I B L E S .

Chequeo de la presión admisible (R’s)

El chequeo de la presión admisible, que en mucha literatura se conoce como

resistencia de suelo R’s, se realiza según:

* Para e = 0






* Para 0 < e ? /6 <


