Capacidad de carga

Capacidad del suelo para soportar cargas.

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

Hay 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 base.

Introducción

Una cimentación es la parte de una estructura que transmite el peso de la estructura al suelo. Todas las estructuras construidas en tierra se apoyan en cimientos. Una cimentación es un vínculo de conexión entre la estructura propiamente dicha y el terreno que la sostiene. 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 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 base y el suelo que no debería producir falla por corte en el suelo. La capacidad de carga última es la presión máxima teórica que se puede soportar sin fallar; La capacidad de carga permitida es la capacidad de carga máxima dividida por un factor de seguridad. A veces, en sitios de suelo blando, pueden ocurrir grandes asentamientos bajo cimientos cargados sin que ocurra una falla por corte real; en tales casos, la capacidad de carga permitida se basa en el asentamiento máximo permitido. ^[1]

Fallo general del rodamiento

Una falla de soporte general ocurre cuando la carga sobre la zapata causa un gran movimiento del suelo sobre una superficie de falla por corte que se extiende desde la zapata hasta la superficie del suelo. El cálculo de la capacidad de carga de la zapata en 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 de Meyerhof y Vesić. . El caso general de falla por corte es el que normalmente se analiza. La prevención contra otros modos de falla se tiene en cuenta implícitamente en los cálculos de liquidación. ^[2] Ludwig Föppl (1941) y Gerhard Schubert (1942) encontraron la distribución de tensiones en suelos elásticos bajo cimientos en forma cerrada. ^[3] Existen 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 poco profundas y rugosas. Esta teoría establece que una cimentación es poco profunda 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 suelo, igual a 3 o 4 veces su ancho pueden definirse como cimentaciones poco profundas. ^[4]

Terzaghi desarrolló un método para determinar la capacidad de carga para el caso general de falla por corte en 1943. Las ecuaciones, que toman en cuenta la cohesión del suelo, la fricción del suelo, el empotramiento, la sobrecarga y el peso propio, se dan 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; ver más abajo. El valor de Terzaghi es 5,7.]

${\displaystyle N_{c}={\frac {N_{q}-1}{\tan \phi '}}}$para φ' > 0 [Nota: Cuando phi' va a cero, N_c va 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 colocan los cimientos.

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 base.

φ ′ es el ángulo de fricción interno efectivo .

K _pγ se obtiene gráficamente. Se han realizado simplificaciones para eliminar la necesidad de K _pγ . Coduto realizó uno de ellos, que se detalla 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 cimentaciones que exhiben el modo de falla por corte local en suelos, Terzaghi sugirió las siguientes modificaciones a las ecuaciones anteriores. ^[5] Las ecuaciones se dan 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 la 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 una suposición diferente de Terzaghi y encontró N_q = (1 + sin phi) exp (pi tan phi) / (1 - sin phi). Entonces N_c es la misma ecuación que Terzaghi: N_c = (N_q - 1) / tan phi. Para phi = 0, 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

El cálculo de la capacidad de carga bruta permitida de cimientos poco profundos requiere la aplicación de un factor de seguridad (FS) a la capacidad de carga máxima bruta , o;

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

Ver también

• Mecánica de suelos
• Capacidad de carga del suelo

Referencias

1. "BHM Geotécnica". www.bhmgeo.com.au .
2. Coduto, Donald P. (2001). Diseño de cimientos: principios y prácticas (2ª ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey: 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 (6ª 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 portante y asentamiento . Boca Ratón, FL: CRC Press. ISBN 0849311357. OCLC  41137730.