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Cátedra de Fundaciones - UNSA

Universidad Nacional de Salta Facultad de Ingeniería

Materia: Fundaciones Carrera de Ingeniería Civil

Ejemplos de Trabajos Prácticos

Ing. Carlos Bellagio

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Cátedra de Fundaciones - UNSA 1 - Fundación combinada para columnas de un sistema aporticado Introducción El caso mostrado se corresponde con un problema real de fundaciones no profundas. Se pueden plantear distintas alternativas en el diseño como es el caso de la configuración de la superficie de apoyo. Se deberán adaptar con criterio las expresiones de capacidad del suelo a superficies irregulares y tensiones del suelo no uniformes. Es necesario decidir si se considera a la fundación combinada como infinitamente rígida frente al suelo; caso contrario si existen dudas sobre este comportamiento se debe elegir la constante elástica del suelo. Plantear la discusión y decisión de los resultados para ambos casos. Se desarrolla el caso de una viga apoyada sobre el terreno y las zapatas correspondientes para la fundación combinada de columnas con solicitación axial, flexión y corte (Fig. 1a y 1b). Este caso se corresponde con fundaciones no profundas para sistemas aporticados solicitados a acciones verticales y horizontales, estas últimas debidas generalmente al efecto del viento o del sismo sobre la estructura. Se presentan de inmediato distintas alternativas geométricas para la resolución de la fundación combinada (Fig. 1c). Desarrollo En primer lugar es conveniente elegir las dimensiones de las columnas en función de las acciones indicadas como datos del problema. Según la normativa argentina el Reglamento CIRSOC 201, 9.2 establece la resistencia requerida en función de los coeficientes de mayoración de acciones. Luego es necesario definir la forma y dimensiones en planta de la fundación. Con los parámetros del suelo, aportados como datos del problema, se determina su capacidad última utilizando las expresiones existentes en la bibliografía. Dentro de las más completas se cita la expresión general de Meyerhof desarrollada en texto “Cimentaciones” de Das, capítulo 3.

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Cátedra de Fundaciones - UNSA Utilizando las diversas combinaciones de acciones en servicio, por ejemplo: permanentes + sobrecargas + viento ó sismo, se determinan los valores de axial, momento y corte reducidos al nivel del baricentro de la superficie de apoyo. Se comprueba la seguridad del suelo como la relación entre su capacidad última, y los máximos valores de tensiones obtenidos. En general se considera aceptable una seguridad de 3 para acciones permanentes y 2.5 para acciones permanentes más instantáneas. Definida la geometría de la fundación se realiza el dimensionado y detallado de sus elementos componentes. Se repiten los pasos indicados en el párrafo anterior utilizando ahora las combinaciones de acciones mayoradas según CIRSOC 201 9.2. En la (Fig. 1d) se muestra el modelo de resolución de la viga de fundación y el diagrama de presiones obtenido (Fig. 1e). Estas tensiones en el suelo resultan ficticias, ya que resultan del equilibrio necesario del sistema bajo acciones mayoradas. En (Fig. 1f y 1g) se muestran los diagramas de solicitaciones de la viga de fundación. Además se agrega un detalle típico de armadura de la sección transversal de la fundación (Fig. 1h).

Comentarios El ejemplo que se muestra corresponde al caso de una base combinada para un sistema aporticado con acciones horizontales y flexión, más completo y real frente a los ejemplos encontrados en los textos. En los mismos se observan en general casos de fundaciones con acciones verticales solamente.

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2 - Cisterna con comportamiento como solera elástica de fundación Introducción En este ejemplo se muestra un caso real de ingeniería estructural. Corresponde a una estructura metálica elevada del terreno que se utiliza como soporte de tanques, equipos u otro componente de una planta industrial, apoyada en una cisterna por debajo del nivel del terreno que además de funcionar como recinto de contención actúa como solera elástica de fundación de la estructura metálica. En (Fig. 2a a 2c) se muestra la estructura en su conjunto. Desarrollo Como ejercicio de Fundaciones las acciones de la estructura metálica son datos del problema. El paso siguiente es el predimensionado de las losas y paredes de la cisterna. Con los parámetros del suelo, aportados como datos del problema, se determina su capacidad última utilizando las expresiones existentes en la bibliografía. Dentro de las más completas se cita la expresión general de Meyerhof desarrollada en texto “Cimentaciones” de Das, capítulo 3. Utilizando las diversas combinaciones de acciones en servicio, por ejemplo: permanentes + sobrecargas + viento ó sismo, más el peso estimado de la cisterna, se determinan las tensiones del suelo. Elegido y resuelto el modelo de resolución (Fig. 2d), dentro de las alternativas ya mencionadas, se comprueba la seguridad del suelo como la relación entre su capacidad última, y los máximos valores de tensiones obtenidos. En general se considera aceptable una seguridad de 3 para acciones permanentes y 2.5 para acciones permanentes más instantáneas. Para ubicar los puntos de máximas tensiones resulta útil el diagrama de la elástica de deformación de la solera (Fig. 2e). Luego se realiza el dimensionado y detallado de los elementos componentes de la fundación. Se repiten los pasos indicados en el párrafo anterior

utilizando ahora las combinaciones de acciones

mayoradas según CIRSOC 201 9.2. Se adjuntan diagramas de

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Cátedra de Fundaciones - UNSA momentos (Fig. 2f) y esfuerzo de corte (Fig. 2g) y detalles de armaduras (Fig. 2h). También es necesario analizar el comportamiento de la cisterna debido a las presiones exteriores del suelo e interiores del líquido contenido. Este tema se trata en el ejercicio Nº 5 de conductos enterrados. Comentarios Como referencia para la elección de la constante elástica se recomienda la utilización de los coeficientes para distintos suelos, tamaño y forma de la base del texto “Cimentaciones” de Das, capítulo 5. Se debe mencionar, aunque sobrepase el alcance de la materia, la tendencia actual de resolver la totalidad del sistema mediante programas de computación, logrando así la compatibilidad estática y cinemática entre estructura elevada, fundaciones y suelo.

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Cátedra de Fundaciones - UNSA 3 - Cabezal de pilotes como fundación de una columna de pórtico Introducción Se desarrolla el caso de un cabezal y los pilotes correspondientes para la fundación de una columna con solicitación axial, flexión y corte. En las figuras del Anexo 3A se muestra el caso de 8 pilotes (Fig. 3a), aunque el ejercicio se puede adaptar a distintas cantidades y disposiciones de pilotes según las propiedades del suelo adoptado. Desarrollo En primer lugar es recomendable elegir las dimensiones de la columna en función de las acciones indicadas que corresponden a los datos del problema. Según la normativa argentina el Reglamento CIRSOC 201, 9.2 establece la resistencia requerida en función de los coeficientes de mayoración de acciones. El paso siguiente es la elección del tipo de pilote a utilizar dentro del rango de los hincados o colados in situ. Con los parámetros del suelo, aportados como datos del problema, se determina la carga última de los pilotes a tracción y compresión utilizando las fórmulas de capacidad existentes en la bibliografía. Como ejemplo se citan las del texto “Mecánica de Suelos” de Berry-Reid, capítulo 8. De esta referencia bibliográfica se puede considerar además la modificación de la resistencia última por el efecto de grupo de pilotes. Resulta ahora necesario adoptar la cantidad de pilotes y la forma del cabezal, teniendo presente que con los cálculos posteriores quedarán confirmadas o requerirán algún ajuste, llegando incluso a modificar el tipo de pilote elegido. Utilizando las diversas combinaciones de acciones en servicio, por ejemplo: permanentes + sobrecargas + viento ó sismo, más el peso estimado del cabezal se determinan los valores de axial, momento y corte reducidos al nivel del fondo del cabezal. La combinación de acción vertical y momento produce reacciones normales sobre los pilotes, cuyo cálculo se realiza con la expresión (3b). Con los máximos valores obtenidos en servicio se comprueba la seguridad de los pilotes respecto a su capacidad última. En general se considera aceptable una seguridad de 3 para acciones permanentes y 2.5 para acciones permanentes más instantáneas.

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Cátedra de Fundaciones - UNSA Definida la geometría de la fundación resta el dimensionado y detallado de sus elementos componentes. Se repiten los pasos indicados en el párrafo anterior utilizando ahora las combinaciones de acciones mayoradas según CIRSOC 201 9.2. Las reacciones sobre los pilotes son ficticias, obtenidas del equilibrio necesario del sistema con acciones mayoradas. El dimensionado del cabezal se realiza según el modelo de bielas planteado en el Apéndice A del Reglamento CIRSOC 201, cumpliendo además con las indicaciones del capítulo 15 del citado Reglamento (Fig. 3c). Se plantea además como caso singular a resolver la aplicación del modelo de bielas cuando algunos pilotes se encuentran traccionados (Fig. 3d). Para la acción horizontal producto del esfuerzo de corte en la columna consideramos los pilotes empotrados rígidamente en el cabezal y con un comportamiento de solera elástica sobre el suelo. Si se adopta un valor uniforme para la constante horizontal del suelo, recomendable para arcillas, la resolución de cada pilote como solera elástica se encuadra dentro de las tablas existentes en la bibliografía, como las T6 a T16 del texto “…Vigas flotantes sobre lecho elástico” de Hahn. En cambio si la constante elástica horizontal es variable con la profundidad, como en el caso de las arenas, se propone considerar el pilote como un sistema discreto de nudos y barras (Fig. 3e). Del texto “Cimentaciones” de Das, Capítulo 9 se obtienen valores estimados de la constante elástica horizontal. Los pilotes deben ser dimensionados utilizando los diagramas de interacción para secciones de hormigón armado. Se muestran detalles de armaduras de los distintos componentes del caso planteado (Fig. 3f y 3g). Comentarios El ejemplo que se muestra corresponde al caso de la fundación profunda para un sistema aporticado con acciones horizontales y flexión, más completo y real frente a los ejemplos encontrados generalmente en los textos, de cabezales con acciones verticales solamente. También se puede adaptar al caso de flexión oblicua en la columna.

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4 - Muro de contención con contrafuertes y fundación profunda Introducción En este ejercicio se plantea la resolución de un sistema de contención compuesto por pantalla vertical, vigas horizontales y contrafuertes apoyados sobre cabezales de pilotes. En el Anexo 4A (Fig. 4a y 4b) se muestran la disposición general de los elementos componentes. En las figuras anexas se muestra el caso de 2 pilotes por cabezal, uno de ellos inclinado, aunque el ejercicio se puede adaptar a distintas cantidades y disposiciones de pilotes según el tipo adoptado y las propiedades del suelo. Desarrollo En primer lugar se deben determinar las acciones del suelo sobre el muro. En la (Fig. 4a) se muestran los casos más corrientes de empujes activos debidos al suelo, una sobrecarga superior y la acción sísmica del suelo. Para la definición de esta última se pueden utilizar las expresiones indicadas en la normativa argentina NAA 80, parte III. Muros de contención. También las especificaciones AASHTO, Capítulo 3 de Estados Unidos contienen una amplia gama de diagramas de empuje sobre estructuras de contención. A continuación debemos analizar el comportamiento de lo pilotes, por lo que resulta necesario predimensionar todos los elementos de la estructura de contención. Se debe elegir el tipo de pilote a utilizar dentro del rango de los hincados o colados in situ. Con los parámetros del suelo, aportados como datos del problema, se determina la carga última de los pilotes a tracción y compresión utilizando las fórmulas de capacidad existentes en la bibliografía. Como ejemplo se citan las del texto “Mecánica de Suelos” de Berry-Reid, capítulo 8. Según las diversas combinaciones de acciones en servicio, por ejemplo: permanentes + sobrecargas + sismo, más el peso estimado de la estructura se determinan los valores de axial, momento y corte reducidos al nivel del fondo del cabezal. La combinación de acción vertical y momento produce reacciones normales sobre los pilotes, y la fuerza resultante horizontal se equilibra con la componente respectiva generada por la inclinación de los pilotes. Resta comprobar la

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Cátedra de Fundaciones - UNSA seguridad de los pilotes como la relación entre su carga última y los máximos valores obtenidos en servicio. En general se considera aceptable una seguridad de 3 para acciones permanentes y 2.5 para acciones permanentes más instantáneas. En el caso del pilote inclinado se deberá controlar su seguridad con respecto a sus componentes vertical y horizontal. Definida la geometría de la fundación resta el dimensionado y detallado de sus elementos componentes. Se repiten los pasos indicados en el párrafo anterior utilizando ahora las combinaciones de acciones mayoradas según CIRSOC 201 9.2. Las reacciones sobre los pilotes son ficticias, obtenidas del equilibrio necesario bajo acciones mayoradas. El dimensionado del cabezal se realiza según el modelo de bielas planteado en el Apéndice A del Reglamento CIRSOC 201, cumpliendo además con las indicaciones del capítulo 15 del citado Reglamento (Fig 4e). Se adjuntan diagramas de solicitaciones y detalles de armaduras de los distintos componentes (Fig. 4b, 4c y 4f).

Comentarios Puede darse el caso de que existan acciones aplicadas en el extremo superior de los contrafuertes como son los debidos al apoyo de las columnas de una nave industrial. Para los estribos de puentes se presentan situaciones similares a las planteadas en este ejercicio.

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Cátedra de Fundaciones - UNSA 5 - Conducto subterráneo – Entibación Introducción El caso mostrado corresponde con un problema real de ingeniería civil en la que se combina el diseño de un conducto enterrado utilizado para agua potable, agua residual o pluvial con la obra de ingeniería necesaria para su ejecución. Ver Anexo 5a (Fig. 5a). Desarrollo En primer lugar realizamos del diseño de la obra provisoria necesaria en la etapa constructiva del conducto. Se deben determinar las acciones del suelo sobre el sistema de contención. En la bibliografía se indican distintos diagramas para cortes entibados según el tipo de suelo, como los del texto “Ingeniería de Cimentaciones” de PeckHanson-Thornburn, capítulo 27. Con las acciones en servicio y adoptada la ficha del tablestacado se verifica su seguridad frente al empuje pasivo del suelo en su apoyo inferior. Se recomienda establecer un coeficiente de seguridad del orden de 1.5. En la (Fig. 5a) se indica el diagrama de presiones laterales sobre la entibación correspondiente a suelos arcillosos. Con las acciones del suelo mayoradas según A.4 del Reglamento Cirsoc 301 para estructuras de acero se realiza el dimensionado a flexión de tablestacas (Fig. 5c y 5d) y vigas horizontales (Fig. 5e), y a compresión de los puntales controlando su inestabilidad. Es importante la propuesta y resolución de los detalles de uniones entre los distintos componentes estructurales de acero (Fig. 5b). El conducto de hormigón armado deberá soportar las presiones exteriores del suelo y las interiores debidas al líquido contenido. Las presiones exteriores sobre la tapa del conducto se deben a la tapada del suelo y eventualmente a la sobrecarga que pueda existir sobre la superficie del terreno. Si la relación entre el ancho del conducto y la tapada del suelo es reducida es conveniente tener en cuenta la disminución de la presión vertical sobre la losa superior por el efecto de arco, analizado con la teoría de Marston. Entre la bibliografía que trata este tema se encuentra el texto “Mecánica del Suelo” de Tschebotarioff, capítulos 10 y 16. En el Anexo 5A se muestra el diagrama de variación de las presiones verticales con la profundidad

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Cátedra de Fundaciones - UNSA (Fig. 5a). Con las presiones laterales del suelo y las de fondo se plantea la resolución del sistema auto equilibrado de acciones exteriores aplicadas sobre un marco cerrado de ancho unitario (Fig. 5f). De la misma manera se analizan las presiones interiores (Fig. 5g). Para la resolución del marco cerrado se pueden utilizar en el caso de secciones rectangulares o circulares las expresiones del texto “Formulario del Ingeniero” de Grekow-Isnard-Mrozowicz, capítulo X; o bien realizar la resolución mediante la discretización con un sistema plano de barras. Este último procedimiento permite encontrar los resultados para distintas geometrías de secciones transversales en el conducto (Fig. 5k). Finalmente,

con

las

solicitaciones

mayoradas

realizamos

el

dimensionado del conducto según las indicaciones del Reglamento CIRSOC 201. Las secciones están solicitadas a flexo compresión para las acciones exteriores, y a flexo tracción para las interiores. En (Fig. 5j) se muestra un detalle típico de armado de las secciones.

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