Artículo Científico Capacidad Portante 1

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA

CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO

AUTORES: ALTAMIRANO PAULINA FIALLOS ÁLVARO SÁNCHEZ CELSO SANI FERNANDO

MARZO, 2017

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA RESUMEN La capacidad de carga es una característica de cada sistema de suelo y cimentación, y no solo una cualidad intrínseca del suelo. Los distintos tipos de suelo difieren en capacidad de carga, pero también ocurre que en un suelo específico dicha capacidad varía con el tipo, forma, tamaño y profundidad del elemento de cimentación que aplica la presión, puede ser determinado utilizándose una teoría en la cual postula un mecanismo de falla y se determina la capacidad de carga última en términos de resistencia al corte del suelo movilizado en la falla y de la geometría del problema En cimentaciones se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él, es decir es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzca un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Una cimentación con insuficiente capacidad de apoyo también se asienta excesivamente pero lo mismo puede sucederle a una cimentación con capacidad adecuada. Por tanto los dos factores, capacidad de carga o apoyo y el asentamiento deben ser revisados para basar el diseño de los cimientos en la condición que resulte crítica. Palabras claves: cimentación, esfuerzo, compresión, resistencia, capacidad de carga, factor de seguridad.

Abstract

The load capacity is a characteristic of each soil and foundation system, and not just an intrinsic quality of the soil. The different soil types differ in load capacity, but it also happens that in a specific soil this capacity varies with the type, shape, size and depth of the foundation element that applies the pressure, can be determined using a theory in which it postulates A failure mechanism and the ultimate load capacity is determined in terms of shear strength mobilized at the fault and the geometry of the problem In foundations capacity is called the capacity of the terrain to withstand the loads applied on it, that is to say it is the maximum average contact pressure between the foundation and the ground so that there is no failure by shearing of the ground or an excessive differential settlement . A foundation with insufficient bearing capacity also settles excessively but the same can happen to a foundation with adequate capacity. Therefore, the two factors, bearing capacity and settlement and settlement must be reviewed to base the design of the foundations in the condition that is critical.

Altamirano Paulina, Fiallos Álvaro, Sánchez Celso, Sani Fernando  Octavo A 2


INTRODUCCIÓN El estudio de la capacidad portante del suelo es de vital importante para poder diseñar adecuadas cimentaciones que garanticen la estabilidad y seguridad de la estructura. El presente documento analiza cómo calcular la capacidad última de carga, capacidad neta y la capacidad admisible del suelo, tomando como referencia la teoría empírica de Terzaghi en contraste con las normativas y parámetros que se establecen el Norma Ecuatoriana de la Construcción en su capítulo de Geotécnica y Cimentaciones.

2. METODOLOGÍA 2.1 Libros Se seleccionaron varias fuentes de información, entre libros y artículos de páginas web. 

La primera fuente bibliográfica es el libro: “MECÁNICA DE SUELOS II” de PÉREZ, L, CAPÍTULO III, donde trata sobre la capacidad de carga de los suelos.



La segunda fuente bibliográfica es el libro: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMIENTOS” del autor: TOMLINSON, M.J. Capítulo II, donde nos menciona sobre principios generales en el proyecto de cimentaciones.



La tercera fuente bibliográfica es la NEC 2015, CAPÍTULO IX, “GEOTECNIA Y CIMENTACIONES”

2.2 Páginas web Conceptos y definiciones fueron tomados también del documento web Capacidad portante del suelo, descargados de: http://www.academia.edu/4403901/ CAPACIDAD_PORTANTE_DE_LOS_SUELOS._BEARING_CAPACITY_OF_SOI LS



RESULTADOS CAPACIDAD PORTANTE DE CARGA La capacidad de carga del suelo no es más que la resistencia que ofrece el suelo a deformarse, debido a la fuerza de fricción y cohesión entre sus partículas. En cimentaciones se denomina capacidad portante del suelo a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto, la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales: - Si la función del terreno de cimentación es soportar una determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento. -

Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.

Dependiendo de la capacidad de carga que posea el terreno, se pude diferenciar 2 tipos de fallas bajo las cimentaciones:

FALLA POR CORTE GENERAL (Terzagui, 1943) Esta falla se puede presentar en arenas densas y arcillas rígidas, donde se hace notoria la presencia de una superficie de deslizamiento continuo dentro del terreno, el cual inicia en el borde de la cimentación y el cual avanza hasta la superficie del terreno. FALLA POR PUNZONAMIENTO. (De Beer y Vesic, 1958; Vesic, 1963) En esta falla ocurre un movimiento vertical de la cimentación, generado por la compresión del suelo que se encuentra inmediatamente debajo de ella. La rotura ocurre alrededor de la cimentación por lo cual casi no se observan movimientos junto a la cimentación, lo cual permite el equilibrio tanto vertical como horizontal. FALLA POR CORTE LOCAL (Terzagui, 1943; De Beer y Vesic,1958) Este tipo de falla representa una combinación de las dos fallas anteriores, debido a que posee características de ambas. Lo que caracteriza a esta falla es que se presenta en un lugar muy específico de la cimentación y puede haber tanto desplazamiento del terreno natural como asentamiento vertical.


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR SPT Es el ensayo más empleado en la realización de sondeos, y se lleva a cabo en el fondo de la perforación. Consiste en medir el número de golpes necesario para que se introduzca una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a 100), que le permite tomar una muestra en su interior, naturalmente alterada. El peso de la maza y la altura de la caída libre, están normalizados, siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente. APLICACIONES Este ensayo SPT es de uso extendido, muy útil en la caracterización de suelos granulares (arenas o gravas arenosas), donde es difícil obtener muestras inalteradas para los ensayos de laboratorio. Por otra parte existen correlaciones en el caso de los terrenos cohesivos, pero al ser un ensayo prácticamente instantáneo, no se produce la disipación de los incrementos de presiones intersticiales producidos en estos suelos arcillosos por efecto del golpeo, lo que por cierto debe influir en el resultado de la prueba. Por esta razón, los resultados del ensayo SPT (y por extensión, los de todos los penetrómetros dinámicos) en ensayos cohesivos no son muy fiables para la aplicación de correlaciones. Actualmente este criterio está cuestionado, siendo cada vez más aceptado que las pruebas penetrométricas pueden dar resultados igualmente válidos en todo tipo de suelo. En cualquier caso, al margen de la validez o existencia de correlaciones, el valor del golpeo obtenido en ensayo de penetración simple es un dato indicativo de la consistencia de un terreno susceptible de su utilización para la caracterización o el diseño geotécnicos. Cuando se intenta atravesar un terreno de grava, la cuchara normal no puede hincarse, pues su zapata se dobla. Con frecuencia se sustituye por una puntaza maciza de la misma sección (no normalizada). El ensayo SPT no proporciona entonces muestra. El golpeo así obtenido debe corregirse dividiendo por un factor que se considera del orden de 1'5. CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO En cimentaciones se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él, es decir es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzca un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. El método para diseñar cimentaciones superficiales se basa en el cálculo de la capacidad admisible del suelo, la cual se refiere a la capacidad que tiene el suelo de soportar una estructura y las presiones que este genere, para determinar este valor primero calculamos la capacidad de carga última, la cual es la carga por unidad de área que ocasionara la falla por cortante del suelo

Capacidad de Carga Límite (qu) Es la máxima presión que se puede aplicar a la cimentación, sin que esta penetre en el suelo.


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA LA TEORÍA DE TERZAGHI La Teoría cubre el caso más general de suelos con "cohesión y fricción" y su impacto en la Mecánica de los Suelos ha sido de tal trascendencia que aún hoy, es posiblemente la teoría más usada para el cálculo de capacidad de carga en los proyectos prácticos, especialmente en el caso de cimientos poco profundos. La expresión cimientos poco profundo se aplica a aquel 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, Df). En estas condiciones Terzaghi despreció la resistencia al esfuerzo cortante arriba del nivel de desplante del cimiento, considerándola solo de dicho nivel hacia abajo.

Factores de capacidad de carga para aplicación de la teoría de Terzaghi. La Teoría de Terzaghi y permite calcular en principio la capacidad de carga última de un cimiento poco profundo de longitud infinita. La condición para su aplicación a un problema específico es el conocer los calores de Nc, Nq y N ɣ en ese problema. Estos factores, como ya se dijo, son sólo funciones de  y Terzaghi los presenta en forma gráfica:



f

Nc

Nq

Ng

Nc´

Nq´

Ng'

0 5 10 15 20 25 30 33,5 40

5,70 7,20 9,30 12,70 17,70 24,20 35,70 56,40 85,40

1,00 1,30 2,60 4,90 8,00 12,30 22,20 41,80 65,00

0,00 0,10 0,20 1,80 4,40 9,80 21,00 40,20 63,00

5,70 6,90 8,00 9,80 11,70 14,40 18,40 23,80 40,00

1,00 1,80 2,40 3,20 4,00 5,70 8,80 12,80 32,06

0,00 0,03 0,07 0,13 0,83 2,50 5,00 9,80 26,00

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA A LA FALLA GENERAL

40 35 a30 n r e t n25 i n ó i c20 c i r f e15 d o l u10 g n Á

5 0

0

10

20

30

40

50

60

Valor de los Factores

Nc

Nq

Ng


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA A LA FALLA LOCAL

40 35 a n30 r e t n25 i n ó i c20 c i r f 15 e d o10 l u g n A 5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

VALOR DE LOS FACTORES

Nc' Ng'

Nq´

A continuación se presenta en la lámina MSII115 un cuadro de resumen de las expresiones y fórmulas anteriormente analizadas.


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA Capacidad de Carga Admisible (qadm) Es la carga limite dividida entre el factor de seguridad, y este esfuerzo se lo llama capacidad portante

=  

Donde: qu = Carga Limite Fs = Factor de seguridad Factor de Seguridad El factor de seguridad varía dependiendo las consideraciones de carga que se hayan tomado para la estructura es decir se utilizara: fs =3,0; si se tomaron en cuenta solo cargas permanentes; fs =2,5-2,0; si se tomaron en cuenta también cargas vivas y fs =1,5; si en el análisis hasta intervinieron cargas sísmicas.

Esfuerzo NETO (qneta) Es el esfuerzo útil, que queda para la estructura después de quitarle el esfuerzo que va a utilizar el peso del relleno del suelo y la sobrecarga del piso.

=−∗−

Donde: qneta = Esfuerzo NETO qadm = Capacidad de carga Admisible ɣ = Peso específico del relleno Df = La profundidad de desplante Sp = Sobrecarga de piso

SEGÚN LA NEC 2015 Las cimentaciones superficiales se definen mediante la relación:



CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE  En el informe geotécnico deberá constar la capacidad de carga admisible  a la profundidad recomendada para el desplante de la cimentación, siendo este parámetro el menor valor entre:





FACTORES DE SEGURIDAD:

También se debe verificar que no se produzca un asentamiento no mayor al máximo tolerable por la estructura, así:

En el caso de realizar una excavación para las cimentaciones, la capacidad de carga admisible tomará en cuanta el esfuerzo geostático total removido a nivel del desplante de la cimentación, siendo igual a:



ESFUERZOS GEOSTÁTICOS

Esfuerzos en el elemento A están compuestos por las cargas externas y por el peso propio del suelo por sobre el elemento A. Ambos sistemas son complicados de cuantificar. Sin embargo, si tomamos el caso habitual en que la superficie del terreno es horizontal y el material es bastante homogéneo en la dirección horizontal, esfuerzos geostáticos. Esfuerzo geostático: esfuerzo asociado al peso propio del suelo. Podemos tener esfuerzos geostáticos verticales y horizontales. Esfuerzos geostáticos verticales: Equivalen al peso de una “columna” d e suelo de densidad g - Si g=cte -> v =zx g ->en este caso, el esfuerzo vertical variará linealmente con la profundidad, es decir a mayor profundidad mayor el esfuerzo vertical.


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA Si g=variable, entonces:





= ∫ gdz 0

En el caso de presentarse estratos se procede de la siguiente manera:

Esfuerzos geostáticos horizontales: Generalmente, σv  σh Llevar muestra de suelo al laboratorio y obtenemos Ko: coeficiente de transmisión lateral en reposo. Si tenemos Ko y σv podemos obtener σh, mediante la siguiente f ormula o relación.

σv  = σh – Suelo granular suelto: – Suelo granular denso: – Arcillas (blandas): – Arcillas (duras):

Valores típicos de Ko: 0.5 – 0.6 0.3 – 0.5 0.9 – 1.1 0.8 – 0.9


UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA CONCLUSIONES Para un cálculo más exacto, se hace necesario la determinación de la capacidad de carga neta pues ésta considera también las cargas que se encuentran encima del cimiento como es el peso del relleno. Al aplicar fórmulas empíricas y teóricas para determinar la capacidad de carga del suelo, resulta imprescindible tener en cuenta que no se puede confiar ciegamente en estos resultados para diseñar cimentaciones, por lo que, resulta menester aplicar factores de seguridad que garanticen que las estructuras sean confiables y seguras.

BIBLIOGRAFÍA 1. http://www.construmatica.com/construpedia/Ensayo_de_Penetraci%C3%B3n_Est%C 3%A1ndar 2. https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja &uact=8&ved=0ahUKEwiYy_nNzPnSAhUDfiYKHR2ZBDEQFggsMAI&url=http% 3A%2F%2Ftycho.escuelaing.edu.co%2Fcontenido%2Fencuentrossuelosyestructuras%2Fdocumentos%2Ftercer_ent%2Fcalculo_simplificado_capacidad _portante.pdf&usg=AFQjCNFgVCj95JF8n6i8huCs5d3CQ9cEmg&sig2=uGTvRG_Y1q54ZSu9ao4gA 3. https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja &uact=8&ved=0ahUKEwiYy_nNzPnSAhUDfiYKHR2ZBDEQFggaMAA&url=https %3A%2F%2Fes.slideshare.net%2Fkairope%2Fcapacidad-portante-desuelos&usg=AFQjCNEfE4nGwwIxImQTCmmJyPljIhP8g&sig2=39IQidVF1OIwZbyVlx1XLA


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