Á L V A R E Z C A R R A S C O M A Y R A J A N E T .

TRABAJO FINALCONSTRUCCIÓN V

UNIVERSISDAD NACIONAL AUTÒNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ARQUITECTURA TALLER “JOSÉ REVUELTAS” ING. J. MANUEL DIAZ.

NOVIEMBRE2013 21

MECÁNICA DE SUELOS

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS SUELOS.

El objetivo principal de la Mecánica de Suelos es estudiarel comportamiento del suelo para ser usado como material deconstrucción o como base de sustentación de las obras deingeniería.

La importancia de los estudios de la mecánica de suelosradica en el hecho de que si se sobrepasan los límites de lacapacidad resistente del suelo o si, aún sin llegar a ellos,las deformaciones son considerables, se pueden produciresfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizásno tomados en consideración en el diseño, produciendo a suvez deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo odesplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapsode la obra o su inutilización y abandono.Las propiedades mecánicas de un suelo permiten al ingenierode cimentaciones llegar a un diseño de la obra civil en laetapa de estudio, considerando los tres grandes problemas alos que él comúnmente se enfrentar como son: 1) los estados límite de falla (que trata sobre laestabilidad de las estructuras)2) los estados límite de servicio (que se refiere a loshundimientos totales y diferenciales que sufrirá lacimentación y la superestructura)

3) el flujo de agua a través de los suelos que influye en elcomportamiento de los mismos. Para analizar estos problemasse emplean modelos que se alimentan de los parámetrosobtenidos ya sea de pruebas de campo o ensayes delaboratorio de permeabilidad, deformabilidad, resistencia ypropiedades dinámicas, en muestras lo menos alteradasposible, o al menos tratando de reproducir en el laboratoriosu grado de compacidad en estado natural.

ESFUERZOS EN LOS SUELOS.Esta resistencia del suelo determina factores como laestabilidad de un talud, la capacidad de carga admisiblepara una cimentación y el empuje de un suelo contra un murode contención. Los esfuerzos en el interior de un suelos están producidospor las cargas exteriores aplicadas al mismo y r el peso

propio del suelo. El sistema de esfuerzos debido a lascargas suele ser bastante complicado. El sistema deesfuerzos corresponde al peso propio del suelo que tambiénpuede ser complicado. Sin embargo existe un caso habitual enel que el peso propio da lugar a un sistema de esfuerzos muysencillo: cuando la superficie del terreno es horizontal ycuando la naturaleza del suelo varia muy poco en direcciónhorizontal. Este caso se presenta frecuentemente en especialen los suelos sedimentarios. En tal caso los esfuerzos sedenominan geostáticos.

PROCEDIMIENTOS Y EQUIPOS.-Prueba de consolidación: Cuando se somete un suelo cohesivosaturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso deesta carga desde el agua a la estructura de suelo en eltiempo. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incrementode carga exterior lo toma integralmente el agua debido a quepor una parte es incompresible, y por otra, el suelo del queestamos hablando presenta una baja permeabilidad. Esteincremento de carga tomado por el agua produce excesos en lapresión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. Alcabo de un tiempo, parte de este exceso de presión neutra esdisipado, transfiriéndose esa parte de la carga a laestructura de suelo, resultando en un incremento detensiones efectivas. El resultado de este incremento gradualde tensiones verticales efectivas produce asentamientos enel terreno.Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelogranular, o cuando la carga se aplica a un suelo fino seco(o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación

con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en unperiodo tan corto que es posible considerar el proceso comoinstantáneo. En estos casos existe una deformación verticalprácticamente inmediata, pero no se reconoce comoconsolidación.La consolidación de un suelo tiene tres fases, las cuales semencionan a continuación:↔ Consolidación inicial.- Reducción de vacíos poreliminación de aire.↔ Consolidación primaria.- Reducción de vacíos poreliminación de agua.↔ Consolidación secundaria.- Reacomodo de las partículassolidas.

Material y equipo:

Aparato de carga: Un aparto apropiado para aplicar una carga vertical o esfuerzos al espécimen.

Consolidómetro: Con los componentes mostrados en la figura, en donde el anillo tendrá́ las dimensiones mínimas, que serán, una altura mínima de 12 mm y un diámetro mínimo de 45 mm.

2 discos porosos micrómetro con una capacidad de lectura de 0.01 mm equipo para labrar la muestra cronometro capsulas de porcelana homo capaz de mantener una temperatura de 105+/- 5ºC. Balanza con aproximación a 0.1 gr. Termómetro Filtros

PRUEBAS DE LABORATORIO.

En el laboratorio de Mecánica de suelos, realiza las pruebaspara determinar propiedades físicas e índice de suelos.

Se realizan las prácticas de: peso volumétrico, contenido de

humedad, granulometría por mallas y por sedimentación, gravedad específica de sólidos, límites de Atterberg, clasificación de suelos por el SUCS, compactación Proctor y CBR.

CIMENTACIONES

La cimentación es la parte estructural del edificio,encargada de transmitir las cargas al terreno , el cual es elúnico elemento que no podemos elegir , por lo que lacimentación la realizaremos en función del mismo . Al mismotiempo este no se encuentra todo a la misma profundidad porlo que eso será otro motivo que nos influye en la decisión dela elección de la cimentación adecuada.

el tipo más común es la cimentación corrida, es decir, la queestá formada por una viga de concreto reforzado (arenalavada, cemento gris, grava y agua, más refuerzo de hierro),cuya función es amarrar la vivienda y servir de apoyo paracada uno de los muros.

En casos de terreno blando se mejora el suelo donde se va acimentar la vivienda, mediante un lleno de concreto ciclópeo(concreto simple, o sea sin refuerzo, y piedras grandes)sobre el cual se coloca la viga de cimentación. Esta viga esun elemento horizontal continuo de concreto reforzado, quesirve como apoyo a todos los muros de la vivienda y está almismo nivel formando un recuadro completo.

Una vez terminada la viga de cimentación viene elsobrecimiento, es decir, una hilada de bloques entre la vigade cimentación y el nivel de piso terminado. El sobrecimientotiene como función principal aislar el muro de la humedad delterreno, y esto se logra, mediante un proceso deimpermeabilización, el cual se puede hacer por medio de unmortero impermeable (mezcla de cemento, arena, agua más unimpermeabilizante líquido), o por medio de una telaasfáltica.

En el proceso de cimentación es poca la utilización deequipos y maquinaria, debido a que por ser ésta de pocaprofundidad, la limpieza de terreno, las excavaciones yllenos, se hacen generalmente a mano, es decir, sóloutilizando herramientas menores (picas, palas, buguis, etc.).

Los tipos de cimentación mas utilizados son:

CIMENTACIONES COMPENSADAS.Las cimentaciones compensadas, son aquellas que compensan lacantidad de peso de la estructura con la cantidad quesoporta el suelo, es decir, esta seria una cimentacioncompensada.Los cimientos compensados pueden ser todos aquellos que sehacden con cimentacion tipo cajon.Son adecuadas en suelos de mediana y alta compresibilidad, ybaja capacidad de carga.

Este tipo de cimentación requiere una caja de concretomonolítico. Cuando el nivel de aguas freáticas se localiza

cerca de la superficie del suelo, es necesario contar conuna cimentación impermeable y tener en cuenta el fenómeno deflotación.

En el diseño de las cimentaciones compensadas debe tenersepresente que el suelo debe considerarse como una faseliquida y sólida. Por lo que, la compensación se haceteniendo en cuenta dos efectos:

• Substitución de peso sumergido del sólido.• Efecto de flotación debido al líquido desalojado.Ambos efectos son utilizados para igualar el peso total deledificio. La cimentación se diseña como una losa decimentación, resultando una cimentación bastante rígida, porlo que los asentamientos diferenciales son controladosfácilmente.

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PILAS Y PILOTES, Y PILOTES DECONTROL.

Las cimentaciones por pilotaje se utilizan cuando sucedealguna de las siguientes condiciones:

El estrato o estratos superiores del suelo sonaltamente compresibles y demasiado débiles parasoportar la carga transmitida por la superestructura.

Se quieren reducir o limitar los asientos del edificio. Existe peligro inminente de licuación de suelos, es

decir, presencia de arenas sueltas y nivel freáticoalto.

Presencia de suelos colapsables. La permeabilidad u otras condiciones del terreno

impiden la ejecución de cimentaciones superficiales. Las cargas son muy fuertes y concentradas. Hay presencia de suelos expansivos, las cimentaciones

con pilotes se consideran como una alternativa cuandoestos se extienden más allá́ de la zona activa deexpansión y contracción.

Las cimentaciones de algunas estructuras estánsometidas a fuerzas de levantamiento.

Hay presencia de fuerzas horizontales, lascimentaciones con pilotes resisten por flexión mientrassoportan aún la carga vertical transmitida por lasuperestructura.

Se quiere evitar los daños que puede sufrir una futuraexcavación a la cimentación de una edificaciónadyacente; en este caso el pilote lleva la carga de lacimentación debajo del nivel de excavación esperado.

Se desea proteger estructuras marinas como muelles,atracaderos contra impactos de barcos u objetosflotantes.

Pilotes de acero

Los pilotes de acero son generalmente a base de tubos o deperfiles H laminados. Los pilotes de tubo se hincan en elterreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas deacero de patín ancho y de sección I también se usan; sinembargo se prefieren los perfiles H porque los espesores desus almas y patines son iguales.

Debido a su alta resistencia y ductilidad, los pilotes deacero pueden hincarse en suelos duros y soportar grandescargas. También su resistencia en tracción es más alta quecualquier otro tipo de pilote, por ello, son esencialmenteapropiados para aplicaciones con grandes cargas de tracción.

Los pilotes de acero son sencillos de unir, porconsiguiente, constituyen una buena opción cuando lalongitud requerida es mayor que 18m. El constructorsimplemente hinca la primera sección, luego suelda con lasiguiente sección y continúa hincando. Existen ciertosempalmes especiales de acero que agilizan esta operación.

Los pilotes de acero tienen la desventaja de que soncostosos y ruidosos cuando se hincan. En ciertos medios,pueden estar sujetos a corrosión.

Pilotes de concreto

Los pilotes de concreto son elementos de concreto reforzadoprefabricado o vaciados in situ. Usualmente tienen unasección transversal cuadrada u octogonal y soportan cargasaxiales de trabajo de 450 a 3500 KN.

Actualmente los pilotes pretensados son una buenaalternativa, estos tiene mayor resistencia en flexión y sonconsecuentemente menos susceptibles a dañarse durante sumanipuleo e hincado. Usualmente, el pretensado es una mejoropción que el postensado porque permite el corte de lospilotes, si fuera necesario, sin afectar la fuerza delpretensado.

Los pilotes de concreto no toleran condiciones difíciles dehincado como los de acero, y tienen una mayor probabilidadde dañarse. Sin embargo, los pilotes de concreto son muypopulares porque son más baratos que los pilotes de acero ysu capacidad de carga es importante.

Pilotes de madera

Los pilotes de madera son troncos de árboles cuyas ramas ycorteza fueron cuidadosamente recortadas. La longitud máximade la mayoría de pilotes de madera es de entre 10 y 20 m.Para calificar como pilote, la madera debe ser recta, sana ysin defectos.

Los pilotes de madera no resisten altos esfuerzos alhincarse; por lo tanto, su capacidad se limita aaproximadamente 25 – 30 ton. Se deben usar elementos deacero para evitar daños en la punta del pilote. La partesuperior de los pilotes de madera también podría dañarse alser hincados, para evitarlo se usa una banda metálica o uncapuchón o cabezal.

Los pilotes de madera permanecerán indefinidamente sin dañosi están rodeados de suelo saturado. Sin embargo, en unambiente marino, están sometidos al ataque de variosorganismos y pueden ser dañados considerablemente en pocosmeses. Cuando se localizan arriba del nivel freático, los

pilotes son atacados por insectos. Su vida se incrementarátratándolos con preservadores como la creosota.

Pilotes compuestos

Las porciones superior e inferior de los pilotes compuestosestán hechos de diferentes materiales, por ejemplo; sefabrican de acero y concreto o de madera y concreto. Lospilotes de acero y concreto consisten en una porcióninferior de acero y en una porción superior de concretocolado en el lugar. Este tipo es el usado cuando la longituddel pilote requerido para un apoyo adecuado, excede lacapacidad de los pilotes simples de concreto colados en ellugar. Los de madera y concreto consisten en una porcióninferior de pilote de madera debajo del nivel permanente deagua y en una porción superior de concreto. En cualquiercaso, la formación de juntas apropiadas entre dos materialeses difícil y por eso, los pilotes compuestos no son muyusados.

Existen también los pilotes compuestos de acero y plástico,consisten en un corazón tubular de acero rodeado por unacubierta de plástico. La cubierta de plástico estáconformada por material reciclado. Este tipo de pilote hasido usado exitosamente en aplicaciones en contacto con elagua, donde su resistencia a la acción de organismosmarinos, putrefacción y abrasión, además de su mayorresistencia, los convierte en pilotes superiores que los demadera. Aunque el costo de los materiales de estos piloteses mayor, su largo período de vida útil y buen estado deconservación los convierte en una alternativa más atractivaque los pilotes de madera.

TEORIA DE LA VIGA ISOSTATICA EQUIVALENTE.

Las estructuras se dividen, desde el punto de vista de losmétodos de análisis, en isostáticas o estáticamentedeterminadas, y en hiperestáticas o estáticamenteindeterminadas. Las primeras son aquellas que puedenanalizarse utilizando únicamente las ecuaciones de

equilibrio de la estática. Es decir que pueden encontrarselas fuerzas cortantes, momentos flexionantes, fuerzasnormales y momentos de torsionantes, a partir decondicionantes de equilibrio solamente. Por el contrario,para analizar estructuras hiperestáticas es necesarioplanear, además de las ecuaciones de equilibrio, ecuacionesde compatibilidad de deformaciones entre los miembros de laestructura o entre los miembros de apoyo.

Una forma para definir las condiciones necesarias pararesolver el problema del calculo de viga, hiperestáticaconsiste en determinar los puntos de inflexión de laconfiguración deformada de la estructura.

Los puntos de inflexión son aquellos que la curvatura de laconfiguración deformada cambia de signo y en ello el momentoflexiónante es nulo.

Como articulaciones en una estructura equivalente que esisostática se puede establecer el equilibrio de cada puntode flexión en porción y determinar la distribución defuerzas internas.

El procedimiento mas común para la localización de lospuntos de inflexión consiste en el trazo aproximado de laelástica. A partir de la geometría de la estructura.

UNIONES ENTRE VIGAS DE ACERO.

UNIONES Y CONEXIONES

La construcción en estructuras metálicas debe entendersecomo prefabricada por excelencia, lo que significa que losdiferentes elementos que componen una estructura debenensamblarse o unirse de alguna manera que garantice elcomportamiento de la estructura según fuera diseñada. Elproyecto y detalle de las conexiones puede incidir en formasignificativa en el costo final de la estructura. Laselección del tipo de conexiones debe tomar en consideraciónel comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por

contacto, por fricción, etc.), las limitacionesconstructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad desoldadura, uso de equipos automáticos, repetición deelementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos demontaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno,equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectosrelacionados con clima en el lugar de montaje, tiempodisponible, etc.).

Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializarlas uniones entre los elementos de una estructura metálica:las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas.

SoldaduraLa soldadura es la forma más común de conexióndel acero estructural y consiste en unir dos piezas deacero mediante la fusión superficial de las caras aunir en presencia de calor y con o sin aporte dematerial agregado. Cuando se trabaja a bajastemperaturas y con aporte de un material distinto al delas partes que se están uniendo, como por ejemplo elestaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizadaen el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicaciónen la confección de estructuras.Cuando el material deaporte es el mismo o similar al material de loselementos que se deben unir conservando la continuidaddel material y sus propiedades mecánicas y químicas elcalor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a launión. De esta forma se pueden lograr soldaduras demayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos quecon frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajasde las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidezen las conexiones, eventuales menores costos porreducción de perforaciones, menor cantidad de aceropara materializarlas logrando una mayor limpieza yacabado en las estructuras.Sin embargo, tienen algunaslimitaciones importantes que se relacionan con laposibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlascorrectamente en obra lo que debe ser evaluado en sumomento (condiciones ergonométricas del trabajo delsoldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una

tendencia ampliamente recomendada es concentrar lasuniones soldadas en trabajos en el taller y hacerconexiones apernadas en obra.Las posiciones desoldadura típicas son: plana, vertical, horizontal ysobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultadesde la soldadura en terreno.

Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical,horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente lasdificultades de la soldadura en terreno.

Los tipos de conexiones de perfiles y plantas porsoldadurason lassiguientes:

Entre losvariadostipos de soldadura se pueden mencionar:

• Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se lograencendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno enel soplete capaz de fundir los bordes de las planchas aunir a la que se le agrega el material de aporteproveniente de una varilla con la que se rellena el bordea soldar. El principio de la soldadura con mezcla deoxígeno y acetileno se emplea también en el corte deplanchas.

• Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son lasoldadura por arco eléctrico en que se genera un arcovoltaico entre la pieza a soldar y la varilla delelectrodo que maneja el operador que produce temperaturasde hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodose funden con retardo, generando una protección gaseosa yneutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación

del material fundido a tan alta temperatura. Este procesopuede ser manual, con electrodo revestido o automática conarco sumergido.

CONEXIONES APERNADAS.Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementosde una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, eldesarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos dealta Resistencia, por lo que estas logran excelentesresultados.

Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las unionessoldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puedetrabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada(soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con losoperadores en posiciones suficientemente cómodas paragarantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en talleres mucho más factible el someter las soldaduras a unexigente control de calidad, que incluye la certificaciónmediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que enterreno frecuentemente es costoso y a veces imposible derealizar.En concordancia con lo anterior, la tendenciaactual y creciente es a realizar las uniones apernadas enterreno (cuya inspección y control de obra es mucho másfácil y económica de hacer) y las uniones soldadas entaller. Aún así, la construcción y materialización de estasuniones apernadas requiere de un cuidadoso y detalladoplaneamiento en los planos de fabricación, cuya precisiónmilimétrica debe ser estrictamente respetada en lamaestranza a fin de evitar descalces o problemas en el

montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas secuenta con que existe una amplia gama de dimensiones yresistencia, no se necesita una especial capacitación, noexige un ambiente especial para el montaje e implica losprocesos de reciclado de los elementos.

TornillosLos tornillos son conexiones rápidas utilizadas enestructuras de acero livianas, para fijar chapas o paraperfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Lasfuerzas que transfieren este tipo de conexiones soncomparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen queinsertar una cantidad mayor de tornillos (hay que tenerpresente que los tornillos deben ser utilizadospreferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillospueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan deperforación guía y se pueden utilizar para metales máspesados). Entre las ventajas de estas conexiones hay quedestacar que son fáciles de transportar, existe una granvariedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; yfinalmente, que son fáciles de remover, factor importantepara el montaje y desmontaje de los componentes de laestructura.

DISEÑO DE UNIONES

Diseño de UnionesUn aspecto importante en el diseño deuniones y conexiones es la determinación, que se debe haceren la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexiónque se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Sellaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulode los ejes entre las barras que se están conectando, entanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitanuna rotación entre los elementos conectados (aunque en la

realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100%flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura oapernadas, pero será determinante el diseño, el uso deelementos complementarios (ángulos, barras de conexión,nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementosde conexión y las holguras y/o los elementos que permitan larotación relativa de un elemento respecto del otro.

CONEXIONES RIGIDAZ

CONEXIÓN VIGA-COLUMNALas conexiones entre las vigas y las columnas son una de lasconexiones más frecuentes en las estructuras de acero yconcebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo auna decisión de cálculo estructural sino de manera muysignificativa, a una decisión del proyecto y la

construcción. La conexión entre vigas ycolumnas se puede resaltar expresivamenteen el edificio, dependiendo de suvisibilidad.• Los ángulos son apernados al alma de

la viga en taller.• Posteriormente, en obra, los ángulos

son apernados al alma de la columna (ode la viga principal, segúncorresponda).

Si la altura de la viga principal y de laviga secundaria coincide, se deben rebajarambas alas de la viga secundaria parapermitir la nivelación superior de las

alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar lasalas superiores de la viga secundaria.

• Las perforaciones paralos pernos se puedendesfasar o desplazar afin de no quedarenfrentadas parafacilitar la instalación.• Existe una ciertarotación debido a laseparación entre las alasde la viga y el alma dela columna debido a laflexibilidad del materialde la conexión (ala sobresaliente del ángulo).