Performance Asentamientos Diferenciales 1

5/26/2018 Performance Asentamientos Diferenciales 1

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Requisitos de Performance 64

GEOTECNIA VIAL

PARTE II

REVISION DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES

CAPITULO XI: REQUISITOS DE PERFORMANCE

11.1 INTRODUCCION

11.2 FUNCION DE SOPORTE DE LA SUPERESTRUCTURA

a. CARGAS DE DISEOb. ASENTAMIENTOS TOLERABLES

11.3 EL ASENTAMIENTO TOTAL

11.4 EL ASENTAMIENTO DIFERENCIAL

a. PREDICCION DE LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALESb. ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES ADMISIBLES


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CAPITULO XI: REQUISITOS DE PERFORMANCE

11.1 INTRODUCCIONUno de los primeros pasos en cualquier proceso de diseo es definir los

requisitos de performance o de servicio. Qu funciones se esperan que el productofinal (estructura) alcance o brinde?, Cules son los criterios de diseo apropiados?qu constituira una performance aceptable y qu una performance o servicioinaceptable?.

Un malentendido comn, an entre algunos ingenieros, es que lascimentaciones o son perfectamente rgidas y no ceden nada en absoluto soncompletamente incapaces de soportar las cargas necesarias y fallancatastrficamente. Esta mentalidad de blanco o negro es comprensible pero no

correcta. Todos los productos de ingeniera, incluyendo las cimentaciones, tienendiversos grados de performance comportamiento que nos hacen pensar en diferentestonalidades de gris (no todo es blanco o negro).

El ingeniero deber entonces determinar cuales son aceptables y cules no. Porejemplo Leonards (1982) defini la falla como una inaceptable diferencia entre laperformance esperada y la observada. Es decir si un ingeniero dise unacimentacin que no debiera asentarse mas de 1 pulgada cuando est cargada y estaresulta asentndose 1.1 pulgadas, el ingeniero probablemente considerara que no hafallado, pues la diferencia entre lo esperado y lo observado es poca y cae dentro delfactor de seguridad. Sin embargo, un asentamiento de 10 pulgadas resultarainaceptable y por tanto se le clasificara como una falla.

11.2 FUNCION DE SOPORTE DE LA SUPERESTRUCTURA

El requisito fundamental de una cimentacin es que cargue o sirvade soporte a la superestructura.Este requisito simple introduce dos cuestionesimportantes:

Qu cargas han de ser soportadas?

Cunto puede asentarse la cimentacin en respuesta a estas cargas?

a. CARGAS DE DISEO

Para disear una cimentacin, el ingeniero deber conocer el tipo,direccin y magnitud de cada carga aplicada. Los tipos de carga semuestran en la figura 2.1 y son:


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Cargas normales, designadas por la variable P

Cargas cortantes, designadas por la variable V

Momentos, designados por la variable M

Cargas de torsin, designadas por la variable T.

Consideraremos cargas normales aquellas que actan paralelas al ejede la cimentacin. Usualmente el eje es vertical, por tanto la carga normalser la componente vertical de la carga aplicada. Esta podr ser hacia abajo ohacia arriba.

Las cargas cortantes, son aquellas que actan perpendicular al eje dela cimentacin. Ellas podrn estar expresadas como dos componentesperpendiculares, Vx y Vy . Los momentos pueden tambin expresarseusando dos componentes perpendiculares, Mx y My. Las cargas de torsinson usualmente insignificantes y pueden ignorarse en muchos diseos decimentaciones.

Figura 11.1 Tipos de cargaaplicada actuando sobre unacimentacin


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Cada una de estas cargas pueden incluir componentes de cargamuerta, viva, y especial (viento, sismo, etc.), algunas de las cuales puedenvariar en magnitud y direccin durante la vida de la estructura. El ingenieroestructural usualmente determina estas cargas de diseo como parte delanlisis y diseo de la superestructura. Ellas son tpicamente

informacin dada para el ingeniero de cimentaciones. Sin embargo,debemos entender como se desarrollan y tener un conocimiento y sensacin(percepcin) de los niveles apropiados de inseguridad.

b. ASENTAMIENTOS TOLERABLES

Los esfuerzos estn siempre acompaados de deformaciones, portanto la aplicacin de una carga vertical a una cimentacin siempre causarun asentamiento. La pregunta que encara el ingeniero de cimentacionesno es si la cimentacin se asienta, sino si el asentamiento es tolerable.

Las cimentaciones pueden asentarse de varias formas, y cada

asentamiento afecta diferentemente la performance de la estructura. La figura11.2 muestra esta interaccin. El modo ms sencillo consiste en elasentamiento uniforme de toda la estructura. Se ve que no haydistorsinde la estructura y cualquier dao estar, mas bien, relacionado ala interface entre la estructura y el suelo estructura adyacente.

Figura 11.2 Modos de asentamiento:(a) uniforme; (b) inclinado sin ninguna distorsin; (c) con distorsin.


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Las lneas de servicios comunes o compartidas podran tambin ser unproblema, pero esto puede resolverse usando conexiones flexibles yextensibles segn se muestra en la figura siguiente. Por ejemplo unaconexin de 8 pulgadas (203 mm) de dimetro podr soportar asentamientosdiferenciales de hasta 15 pulgadas (380 mm).

Otra posibilidad es que un lado de la estructura se asiente muchomas que otro y que las zonas intermedias lo hagan proporcionalmentesegn se muestra en la figura 11.2b. Esto causar que la estructura seincline, pero que no se distorsione.Una inclinacin nominal no afectar laperformance de la estructura, sin embargo podra crear problemas estticos yde confianza pblica. Sin embargo, si la inclinacin llega a ser muy grande, laestructura podra estar en peligro de colapso, especialmente si es muy alta.

Finalmente un modo mucho mas comn ocurre cuando la estructura seasienta y distorsiona, segn muestra la figura 11.2 c. Aqu se inducirnesfuerzos adicionales en la estructura que causarn grietas en losmuros y pisos, descuadre en las puertas y ventanas y en casos extremos,sobrecarga de los miembros estructurales.

Diferentes tipos de estructuras tienen diferentes grados de toleranciaante asentamientos y distorsiones. Estas variaciones dependen de muchosfactores, entre los cuales podemos sealar los siguientes:

Figura 11.3 Esta tubera flexible tiene billas en las juntas en cada extremoy una seccin telescpica en el centro. Estos acoples pueden instalarsedonde las lneas de servicios ingresan en las estructuras, logrando unacomodo frente a los asentamientos diferenciales, a los movimientoslaterales y a las extensiones o compresiones. (Cortesa de EBAA Iron

Sales, Inc.)


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El tipo de construccin.-Por ejemplo las edificaciones de madera sonmucho ms tolerantes que aquellas de albailera no reforzada.

El uso de la estructura.-An pequeas grietas en una casa puedenser inaceptables, mientras que grietas mucho mas grandes podran an

no notarse en una edificacin industrial. La presencia de acabados sensibles.- Los acabados sensibles son

mucho menos tolerantes a los movimientos.

La rigidez de la estructura.- Una estructura rgida tendr menosasentamientos diferenciales que una estructura flexible.

La tabla 11.1 da una indicacin genrica de los lmites de servicialidadde diferentes tipos de estructuras basados en el ancho de grietas en paredesu otros miembros estructurales.

Adaptado de Thorburn y Hutchinson, 1985

Tabla 11.1 Lmites de Servicialidad

Burland y Wroth (1974) describieron el asentamiento y distorsin deedificaciones usando los parmetros mostrados en la figura 11.4, los cualesse definen a continuacin:

ViviendaEdificio comercial

o PblicoEdificio

Industrial

>= 0.1 insignificante insignificante insignificante ninguno

0.1 - 0.3 muy leve muy leve insignificante ninguno

0.3 - 1.0 leve leve muy leve slo esttico

1 - 2leve a

moderadaleve a moderada muy leve meteorizacin acelerada

2 - 5 moderada moderada leveservicialidad afectadaestabilidad en riesgo

5 - 15moderada a

severamoderada a

severamoderada idem

15 - 25severa a muy

severamoderada a

severamoderada a

severariesgo y peligro

crecientes

> 25muy severa a

peligrosasevera a peligrosa

severa apeligrosa

idem

Anchogrieta (mm)

Efecto sobre laestructura

Grado de dao


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El asentamiento total,, es el movimiento vertical absoluto de unacimentacin particular desde su posicin apenas fue construida a suposicin de carga servicio.

El asentamiento diferencial, D, es la diferencia de asentamientos

totales de dos zapatas ( cimentaciones).

La inclinacin giro, ,es la rotacin de la superestructura entera, al menos de una parte bien definida. La torre de Pisa es ejemplo de ungiro excesivo.

Figura 11.4 Definiciones de los parmetros que describenel movimiento de las cimentaciones de una edificacin.

(Adaptado de Burland y Wroth, 1974).


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La rotacin,,es el ngulo entre la horizontal y la lnea que une doscimentaciones dos puntos de una misma cimentacin.

La rotacin relativa (tambin conocida como distorsin angular), ,es el ngulo entre la inclinacin total de una estructura y la inclinacin

de una porcin especfica de ella. La deformacin angular, , es el cambio en .

La deflexin relativa, ,es el asentamiento de un punto relativo a unalnea que conecte dos puntos referencia. Un valor positivo de indicauna deformacin que es cncava hacia arriba, mientras que un valornegativo indica una concavidad hacia abajo.

La razn de deflexin es /L1.

Para algunas estructuras, tales como puentes, el ingeniero podra

determinar los lmites tolerables de estos parmetros a partir de un anlisisestructural.

Sin embargo los lmites tolerables en muchas estructuras,especialmente en edificaciones, estarn gobernadas por requerimientosestticos y de servicio y no por requerimientos estructurales. Grietasimperceptibles en muros, descuadres en puertas y ventanas, y otrosproblemas similares se desarrollarn mucho antes que la integridad de laestructura est en peligro. Desgraciadamente, es muy difcil calcular losasentamientos que causan estos problemas. Dicho tipo de clculos requerirasegn Wahls (1981) un anlisis indeterminado complejo. Se necesitaraconsiderar el tipo y tamao de la estructura, las propiedades de ingeniera delos materiales estructurales y el suelo, y la tasa y uniformidad de losasentamientos. Por ello se concluye que el problema es demasiadocomplicado y que los ingenieros debern confiar en las correlacionesempricas de Burland y Wroth.

11.3 EL ASENTAMIENTO TOTAL

Algunas estructuras a pesar de haber sufrido grandes asentamientostotales todava estn en servicio. Por ejemplo, muchos edificios han tenido unpequeo o ningn efecto preocupante an despus de haberse asentado 10pulgadas (250 mm). Otros han experimentado algunos esfuerzos, pero continan

siendo usados y prosiguen an deformndose. Algunos de los ms dramticosejemplos estn ubicados en la ciudad de Mxico, donde las edificaciones se hanasentado ms de 2m (7 pies) y an estn en uso. Los puentes, tanques y otrasestructuras pueden tambin ser tolerantes a grandes asentamientos.

Por tanto al disear una cimentacin, el ingeniero debe determinar elasentamiento total admisible, a. Este -a su vez- puede estar gobernado por losiguiente:


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Conexiones con estructuras existentes.- Por ejemplo, los pisos enuna ampliacin debern estar al mismo nivel que los de la edificacinoriginal.

Movimientos excesivos o cortantes de lneas de servicio.-Esto es

especialmente cierto en las lneas o tuberas de desage. Drenaje superficial.-Los asentamientos excesivos pueden causar que

el agua de lluvias ingrese a la estructura.

Acceso.- Los vehculos y peatones pueden necesitar acceso a laestructura y los asentamientos excesivos podran impedrselos.

Esttica.- Los asentamientos excesivos pueden causar problemasestticos mucho antes que hayan daos estructurales de servicio.

El asentamiento diferencial admisible.- Grandes asentamientostotales tienden a generar grandes asentamientos diferenciales. Por

tanto, el asentamiento diferencial admisible puede determinar elasentamiento total admisible.

La palabra admisible significa que los valores de diseo de adeban incluir un factor de seguridad. La seleccin de un factor de seguridadapropiado depende de la precisin en los clculos que predicen elasentamiento.Tpicamente los edificios sobre zapatas aisladas estn diseadospara a= 0.5 - 1.5 pulgadas (10 - 40 mm). Por otro lado las losas de cimentacintienen mas rigidez y por tanto son menos propensas a los asentamientosdiferenciales, ellas podrn disearse para a = 2 - 4 pulgadas (50 - 100 mm).Finalmente segn estudios de Bozozuk (1978) los estribos de puentes pueden

usar valores de

a= 1.6 pulgadas (40 mm). Sin embargo es comn usar lmitesms estrictos de a para as mantener bajo control los asentamientosdiferenciales.

Si el asentamiento predicho es mayor que apuede considerarse una otodas las medidas siguientes:

Uso de una cimentacin ms elaborada. Por ejemplo, podramosusar pilotes en vez de zapatas aisladas, reducindose as losasentamientos.

Mejora de las propiedades del suelo.Muchas de estas tcnicas estndisponibles y sern discutidas mas tarde.

Rediseo de la estructura para que sea mas tolerante aasentamientos. Por ejemplo, juntas flexibles podran instalarse entuberas segn se mostr en la f igura 11.3.


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11.4 EL ASENTAMIENTO DIFERENCIAL

Los ingenieros disean normalmente las cimentaciones de unaestructura de tal forma que todas tengan el mismo asentamiento calculado. Portanto, en teora, el asentamiento diferencial sera cero. Desgraciadamente, la

performance real de las cimentaciones no es exactamente igual a la que sepredice, por tanto algunos asentamientos diferenciales ocurrirninevitablemente. Esta discrepancia entre el comportamiento observado y elpredicho tiene muchas causas, que incluyen las siguientes:

El perfil del suelo del sitio puede no ser uniforme. Esto casi siemprees cierto, a pesar de cuan uniforme parezca ser.

La razn de carga real a carga de diseo puede ser diferente encada columna. Por ello, la columna con menor razn de carga seasentar menos.

La razn de carga muerta a viva puede ser diferente en cadacolumna.Por tanto si los clculos de asentamiento estn basados en lacarga total, el asentamiento real bajo carga muerta variar slocorrespondientemente. Por ejemplo, un porcentaje mayor de la cargasobre las columnas exteriores es carga muerta, por tanto ellas puedenasentarse mas que las columnas interiores con la misma carga total.

Las dimensiones construidas de las cimentaciones pueden diferirde las diseadas. Esto causar que los asentamientos reales seandiferentes correspondientemente.

Los asentamientos diferenciales son generalmente msproblemticos que los asentamientos totales pues ellos distorsionan la

estructura segn ya fue mostrado. Esto causa agrietamiento en los muros yotros miembros, descuadres en puertas y ventanas, una pobre esttica, y otrosproblemas. Si se permite que progresen extremadamente, los asentamientosdiferenciales podran daar la integridad de la estructura.

a. PREDICCION DE LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES

Es muy difcil predecir la magnitud de los asentamientos diferenciales.Adems de evaluar las causas descritas anteriormente, el ingeniero debeconsiderar la interaccin suelo - estructura, segn se muestra en lafigura 11.5. Las cimentaciones individuales estn conectadas a la

superestructura, por tanto ellas no actan independientemente.

Los asentamientos de una cimentacin pueden influenciar la carga deuna cimentacin adyacente. La naturaleza de esta interaccin depende de larigidez de la estructura. Por ejemplo, una estructura muy flexible, como lamostrada en la figura 11.5a, podra tener grandes asentamientosdiferenciales pues cada zapata ( cimentacin) actuara casiindependiente de las otras.


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En contraste, una estructura ms rgida, como la mostrada en lafigura 11.5b, proveer una conexin mucho mas rgida entre las zapatasindividuales. Por tanto, si una cimentacin empezara a asentarseexcesivamente, la estructura redistribuira algo de su carga a otras zapatas (cimentaciones) reducindose el asentamiento diferencial. Muchas estructuras

tienen una rigidez que est entre estos dos extremos.

Debido a las dificultades en evaluar exactamente estos muchos factores, losingenieros usan mtodos empricos para predecir los asentamientosdiferenciales. Estos mtodos estn basados en observaciones de larazn proporcin de asentamientos diferenciales a totales enestructuras reales. Por ejemplo, Bjerrum (1963) compar el asentamientototal y diferencial de zapatas aisladas en arcillas y arenas.

Figura 11.5 Influencia de la interaccin suelo estructura sobre losasentamientos diferenciales: (a) una estructura muy flexible tiene una pequea

transferencia de carga, y por ello podra tener asentamientos diferencialesmayores; (b) una estructura ms rgida tiene una capacidad mayor paratransferir cargas, y por ello provee mas resistencia a los asentamientos

diferenciales excesivo


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Los datos para zapatas sobre arcillas se muestran en la figura 11.6 yaquellos sobre arenas en la figura 11.7. l consider solamente los datosde zapatas cargadas comparablemente sobre suelos de espesor uniforme. Encada caso, el asentamiento diferencial es aquel que ocurri entre zapatascomparables diseadas para el mismo asentamiento total.

EN ARCILLAS

Para arcillas, Bjerrum dividi los datos en dos categoras: aquellaspara estructuras relativamente rgidas y aquellas para estructurasrelativamente flexibles.Para este propsito, las estructuras rgidas incluanaquellas con muros de ladrillo o albailera portante, y las estructuras flexiblesincluan aquellas con prticos de acero o concreto.

Para estructuras que tienen asentamientos totales en el rango de 1pulgada (25 mm), el lmite superior de la razn D/ est en el orden de 0.8para estructuras flexibles y 0.5 para estructuras rgidas. Segn elasentamiento total se incrementa, lo cual usualmente corresponde a zapatasmas grandes que mobilizan un mayor volumen de suelo, estos ratios sereducen a 0.5 y 0.3 respectivamente.

Figura 11.6 Asentamientos total y diferencial de zapatas sobre arcillas(Adaptado de Bjerrum,1963)


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EN ARENAS

La figura 11.7 indica que la razn de asentamiento diferencial a total es amenudo mayor en arenas que en arcillas. Esto parece ser debido a la mayorheterogeneidad de los depsitos de arena natural. Estos asentamientos

diferenciales son mayores que aquellos que haban sido sugeridosantiguamente. El lmite superior en esta figura se acerca a una raznD/ = 1, lo cual es a menudo un buen valor para ser usado en el diseo.

En sitios con arenas excepcionalmente homogneas, tales comorellenos compactados en espesores uniformes, podramos usar una raznD/en el rango de 0.5 a 0.75. Las estructuras con cimentaciones profundaspodran tener razones de D/ms pequeos. Sin embargo, el asentamientono es generalmente el problema para muchas cimentaciones profundas.

Las estructuras basadas en losas de cimentacin son mucho masrgidas que aquellas sobre zapatas aisladas, por tanto la razn D/ deberser mas pequea. Podramos disearlas de tal forma que satisfagan el criteriode asentamiento total, y luego proveer suficiente rigidez flectora en la losapara controlar los asentamientos diferenciales. Algunas estructurassoportadas por losas de cimentacin podran estar controladas por el criteriode inclinacin.

Figura 11.7 Asentamientos total y diferencial de zapatas sobrearenas (Adaptado de Bjerrum,1963)

Mximoasentamientodife

rencial,D

Pulg.

Mximo asentamiento, (mm)

Pulg.


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b. ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES ADMISIBLES

Es conveniente expresar el asentamiento diferencial admisible entrminos de la rotacin admisible y el espaciamiento entre columnas.:

Da = a S (2.1)

Donde:Da = asentamiento diferencial admisiblea = rotacin admisibleS = espaciamiento entre columnas (horizontal)

La rotacin admisible depende de muchos factores, entoncesdebemos regresar a un anlisis emprico basado en la performanceobservada en estructuras reales. Estudios extensos de los asentamientosdiferenciales en edificacin han realizado Skempton y MacDonald (1956),Polshin y Tokar (1957) y Grant y otros (1974). Skempton y MacDonaldtrabajaron en base a la performance de 98 edificios de varios tipos, 40 de loscuales tenan evidencia de dao debido a asentamientos excesivos. Polshin yTokar reportaron los resultados de 25 aos de observaciones deperformances de estructuras en la Unin Sovitica con lo cual armaron elcdigo de construccin sovitico.

El estudio de Grant y otros agrup datos de 95 edificios, 56 de loscuales tenan daos. La tabla 11.2 presenta una sntesis de estos datos,expresados en trminos de la distorsin angular admisible a. estos valoresincluyen un factor de seguridad de al menos 1.5.

Tipo de estructura aAlmacenes de prticos de acero de uno a dos pisos, con techo conectado aellos y lados de acero corrugado

1/200

Edificaciones de prticos de acero y concreto reforzadoSin tirantes diagonales 1/500Con tirantes diagonales 1/600

Estructuras altas de rieles de gra 1/500

Edificaciones con acabados sensibles 1/1000Maquinariasa 1/1500

Albailera no reforzada basada en muros portantesRelacin largo/alto 3 1/2500

Relacin largo/alto 5 1/1250a Las mquinas grandes, como turbinas o prensas perforadoras, a menudo tienen su propiacimentacin, separada de aquella de la edificacin que las alberga.

Tabla 11.2 Rotacin Admisible a


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En la prctica, la costumbre local y tradicional a menudodictaminan los valores de diseo de a y Da . Los ingenieros enalgunas reas disean rutinariamente las estructuras para aceptarasentamientos relativamente grandes, con lo cual estn aceptandocostos mantenimiento de largo plazo (reparacin de grietas menores,

reconstruccin de accesos, etc.) a cambio de costos reducidos deconstruccin. Sin embargo, en otras reas, an pequeosasentamientos provocan problemas an judiciales, por lo que lascimentaciones estn diseadas para cumplir estndares mas estrictos.

Ejemplo 11.1

Un edificio aporticado de acero sin tirantes diagonales tiene unespaciamiento de columna de 20 pies. Est soportado por unaszapatas aisladas cimentadas sobre un suelo arcilloso. Cules son losasentamientos diferencial y total admisibles?

Solucin

1. Calculemos Dabasado en el tipo de estructura y el espaciamientode columnas. Usemos la ecuacin 2.1:

Da = a S

= (1/500) (20)

= 0.04 pies = 0.5 pulgadas

2. Usando datos del grfico de Bjerrum (figura 2.9 y su discusin) paracalcular a:El asentamiento total,, estar probablemente en el orden de 1

pulgada, y esta es una estructura relativamente flexible. Por tanto, ellmite superior para la relacin D/ = 0.8 (de la figura 2.9).

a= Da ( / D ) = ( 0.5 ) ( 1 / 0.8 ) = 0.6 pulgadas

A pesar de que esta estructura podra acomodarse a unasentamiento total permisible de 1.5 pulgadas o mas, debemoslimitarla a 0.6 pulgadas o mantener el asentamiento diferencialdentro de los lmites tolerables.

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