Capacidad de carga

Capacidad del suelo para soportar cargas

En ingeniería geotécnica , la capacidad de carga es la capacidad del suelo para soportar las cargas aplicadas al suelo. La capacidad de carga del suelo es la presión de contacto promedio máxima entre la cimentación y el suelo que no debe producir falla por corte en el suelo. La capacidad de carga máxima es la presión máxima teórica que se puede soportar sin falla; la capacidad de carga admisible es la capacidad de carga máxima dividida por un factor de seguridad. A veces, en sitios de suelo blando, pueden ocurrir grandes asentamientos debajo de cimientos cargados sin que ocurra una falla por corte real; en tales casos, la capacidad de carga admisible se basa en el asentamiento máximo admisible. La presión de carga admisible es la presión máxima que se puede aplicar al suelo sin causar falla. La capacidad de carga máxima, por otro lado, es la presión máxima que se puede aplicar al suelo antes de que falle.

Existen tres modos de falla que limitan la capacidad de carga: falla por corte general, falla por corte local y falla por corte por punzonamiento. Depende de la resistencia al corte del suelo, así como de la forma, el tamaño, la profundidad y el tipo de cimentación.

Introducción

Una cimentación es la parte de una estructura que transmite el peso de la estructura al suelo. Todas las estructuras construidas sobre tierra se apoyan sobre cimentaciones. Una cimentación es un vínculo de conexión entre la estructura propiamente dicha y el suelo que la soporta. Las características de resistencia portante del suelo de cimentación son un criterio de diseño importante para las estructuras de ingeniería civil. En ingeniería no técnica, la capacidad portante es la capacidad del suelo para soportar las cargas aplicadas al suelo. La capacidad portante del suelo es la presión de contacto media máxima entre la cimentación y el suelo que no debe producir una falla por corte en el suelo. La capacidad portante máxima es la presión máxima teórica que se puede soportar sin fallar; la capacidad portante admisible es la capacidad portante máxima dividida por un factor de seguridad. A veces, en sitios con suelo blando, pueden producirse grandes asentamientos bajo cimentaciones cargadas sin que se produzca una falla por corte real; en tales casos, la capacidad portante admisible se basa en el asentamiento máximo admisible. ^[1]

Falla general del cojinete

Una falla de apoyo general ocurre cuando la carga sobre la zapata causa un gran movimiento del suelo en una superficie de falla de corte que se extiende desde la zapata hasta la superficie del suelo. El cálculo de la capacidad de la zapata en apoyo general se basa en el tamaño de la zapata y las propiedades del suelo. El método básico fue desarrollado por Terzaghi, con modificaciones y factores adicionales por Meyerhof y Vesić. . El caso de falla de corte general es el que se analiza normalmente. La prevención contra otros modos de falla se tiene en cuenta implícitamente en los cálculos de asentamiento. ^[2] Ludwig Föppl (1941) y Gerhard Schubert (1942) encontraron la distribución de tensiones en suelos elásticos bajo cimientos en una forma cerrada. ^[3] Hay muchos métodos diferentes para calcular cuándo ocurrirá esta falla.

Teoría de la capacidad de carga de Terzaghi

Karl von Terzaghi fue el primero en presentar una teoría integral para la evaluación de la capacidad portante última de cimentaciones superficiales rugosas. Esta teoría establece que una cimentación es superficial si su profundidad es menor o igual a su ancho. ^[4] Sin embargo, investigaciones posteriores han sugerido que las cimentaciones con una profundidad, medida desde la superficie del terreno, igual a 3 o 4 veces su ancho pueden definirse como cimentaciones superficiales. ^[4]

En 1943, Terzaghi desarrolló un método para determinar la capacidad de carga para el caso general de falla por corte. Las ecuaciones, que tienen en cuenta la cohesión del suelo, la fricción del suelo, el empotramiento, la sobrecarga y el peso propio, se detallan a continuación. ^[4]

Para cimientos cuadrados:

${\displaystyle q_{ult}=1.3c'N_{c}+\sigma '_{zD}N_{q}+0.4\gamma 'BN_{\gamma }\ }$

Para cimentaciones continuas:

${\displaystyle q_{ult}=c'N_{c}+\sigma '_{zD}N_{q}+0.5\gamma 'BN_{\gamma }\ }$

Para cimentaciones circulares:

${\displaystyle q_{ult}=1.3c'N_{c}+\sigma '_{zD}N_{q}+0.3\gamma 'BN_{\gamma }\ }$

dónde

${\displaystyle N_{q}={\frac {e^{2\pi \left(0.75-\phi '/360\right)\tan \phi '}}{2\cos ^{2}\left(45+\phi '/2\right)}}}$

${\displaystyle N_{c}=5.14\ }$para φ' = 0 [Nota: 5,14 es el valor de Meyerhof; véase más abajo. El valor de Terzaghi es 5,7.]

${\displaystyle N_{c}={\frac {N_{q}-1}{\tan \phi '}}}$para φ' > 0 [Nota: Cuando phi' tiende a cero, N_c tiende a 5,71...]

${\displaystyle N_{\gamma }={\frac {\tan \phi '}{2}}\left({\frac {K_{p\gamma }}{\cos ^{2}\phi '}}-1\right)}$

c ′ es la cohesión efectiva .

σ _zD ′ es la tensión vertical efectiva a la profundidad en la que se coloca la cimentación.

γ ′ es el peso unitario efectivo cuando está saturado o el peso unitario total cuando no está completamente saturado.

B es el ancho o el diámetro de la cimentación.

φ ′ es el ángulo de fricción interna efectivo .

K _pγ se obtiene gráficamente. Se han realizado simplificaciones para eliminar la necesidad de K _pγ . Una de ellas fue realizada por Coduto, que se muestra a continuación, y tiene una precisión del 10 %. ^[2]

${\displaystyle N_{\gamma }={\frac {2\left(N_{q}+1\right)\tan \phi '}{1+0.4\sin 4\phi '}}}$

Para las cimentaciones que presentan el modo de falla por corte local en suelos, Terzaghi sugirió las siguientes modificaciones a las ecuaciones anteriores. ^[5] Las ecuaciones se detallan a continuación.

Para cimientos cuadrados:

${\displaystyle q_{ult}=0.867c'N'_{c}+\sigma '_{zD}N'_{q}+0.4\gamma 'BN'_{\gamma }\ }$

Para cimentaciones continuas:

${\displaystyle q_{ult}={\frac {2}{3}}c'N'_{c}+\sigma '_{zD}N'_{q}+0.5\gamma 'BN'_{\gamma }\ }$

Para cimentaciones circulares:

${\displaystyle q_{ult}=0.867c'N'_{c}+\sigma '_{zD}N'_{q}+0.3\gamma 'BN'_{\gamma }\ }$

${\displaystyle N'_{c},N'_{q}andN'_{y}}$, los factores de capacidad de carga modificados, se pueden calcular utilizando las ecuaciones de factores de capacidad de carga (para , respectivamente) reemplazando el ángulo de fricción interno efectivo por un valor igual a ^[4] ${\displaystyle N_{c},N_{q},andN_{y}}$ ${\displaystyle (\phi ')}$ ${\displaystyle :tan^{-1}\,({\frac {2}{3}}tan\phi ')}$

Teoría de la capacidad de carga de Meyerhof

En 1951, Meyerhof publicó una teoría de capacidad de carga que podía aplicarse a cimentaciones superficiales y profundas. ^[6] Meyerhof (1951, 1963) propuso una ecuación de capacidad de carga similar a la de Terzaghi, pero incluía un factor de forma sq con el término de profundidad Nq. También incluyó factores de profundidad y factores de inclinación. [Nota: Meyerhof reevaluó N_q basándose en un supuesto diferente al de Terzaghi y encontró que N_q = ( 1 + sen phi) exp (pi tan phi ) / (1 - sen phi). Entonces N_c es la misma ecuación que Terzaghi: N_c = (N_q - 1) / tan phi. Para phi = 0, el N_c de Meyerhof converge a 2 + pi = 5,14.... Meyerhof también reevaluó N_gamma y obtuvo N_gamma = (N_q - 1) tan(1,4 phi).]

Factor de seguridad

Para calcular la capacidad de carga bruta admisible de cimentaciones superficiales es necesario aplicar un factor de seguridad (FS) a la capacidad de carga última bruta , o;

${\displaystyle q_{all}={\frac {q_{ult}}{FS}}}$ ^[4]

Véase también

• Mecánica de suelos
• Capacidad portante del suelo

Referencias

1. "BHM Geotécnico". www.bhmgeo.com.au .
2. Coduto, Donald P. (2001). Diseño de cimientos: principios y prácticas (2.ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0135897068.OCLC 43864336  .
3. Popova, Elena; Popov, Valentín L. (2020). "Ludwig Föppl y Gerhard Schubert: clásicos desconocidos de la mecánica de contacto". ZAMM - Revista de Mecánica y Matemáticas Aplicadas / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik . 100 (9): e202000203. Código Bib : 2020ZaMM..100E0203P. doi : 10.1002/zamm.202000203 .
4. Das, Braja M (2007). Principios de ingeniería de cimentaciones (6.ª ed.). Toronto, Ontario, Canadá: Thomson. ISBN 978-0495082460.OCLC 71226518  .
5. "Civils.ai | Capacidad de carga" www.civils.ai . Consultado el 4 de febrero de 2022 .
6. Das, Braja M (1999). Cimentaciones superficiales: capacidad de carga y asentamiento . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0849311357.OCLC 41137730  .