DISEÑO CIMENTACIÓN BIBLIOTECA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
Se diseñará la cimentación para la Biblioteca de la Universidad de Antioquia como si esta edificación se construyera en la zona de estudio.
Según los estudios realizados en el sector, la zona presenta la estratigrafía y propiedades geotécnicas que se muestran en la TABLA 1.
TABLA 1. Estratigrafía y Propiedades Geotécnicas del suelo
En los ensayos realizados se encontró que la C = 50 Kpa en el depósito aluvial fino. Sin embargo se debe tener en cuenta que las muestras se tomaron en un solo lugar, por ello no representa una descripción global de la cohesión en el sector.
La biblioteca posee un área aproximada de 13000 m2. Se diseñará la cimentación considerando que la biblioteca posee un total de 64 columnas cuadradas, separadas a una distancia de 8 m, como se muestra en la siguiente Figura:
FIGURA 1. Distribución columnas
De acuerdo a lo estipulado en la NSR 10 se calculó la carga total que transmitirá esta estrutura al suelo. En la TABLA 2. Se muestra el cálculo de las cargas muertas de la estructura:
Tabla 2. Estimación cargas muertas.
1ρ concreto reforzado = 2400 Kg/m3 = 24 KN/m3.Carga = ρ concreto reforzado * Espesor losa = 24 KN/m3 * 0,3 m = 7,2 KN/m2 (Se supone un espesor de losa de 30 cm)
1ρ concreto reforzado = 2400 Kg/m3 = 24 KN/m3.Carga = ρ concreto reforzado * Espesor losa = 24 KN/m3 * 0,3 m = 7,2 KN/m2 (Se supone un espesor de losa de 30 cm)
2 Carga Ventana, vidrio, entramado y marco: 0,45 KN/m2. Las puertas y ventanas de la biblioteca son en vidrio. Por piso se estiman de 12 ventanales y 3 puertas, por tanto la carga = 0,45 KN/m2 *15 = 5,4 KN/m2.
El calculo para la carga muerta originada por el techo se muestra en la TABLA 3.
Tabla 3: Estimación cargas muertas techo
TOTAL CARGA MUERTA = Carga Muerta por piso * 5 pisos + Carga Techo
TOTAL CARGA MUERTA = 16,45 KN/m2 * 5 + 1,2 KN/m2 = 83,45 KN/m2
ESTIMACIÓN CARGAS VIVAS
Según la Tabla B.4.2.1-1 (Cargas vivas mínimas uniformemente distribuidas) de la NSR 10, para bibliotecas corresponde:
· Salones de Lectura: 2 KN/m2
· Estanterías: 7 KN/m2
Según la Tabla B.4.2.1-2 (Cargas vivas mínimas en cubiertas) de la NSR 10, corresponde:
· Para cubiertas inclinadas con mas de 15 grados de pendiente en estructura metálica o madera con imposibilidad física de verse sometida a cargas superiores a la aquí estipulada: 0,5 KN/m2
TOTAL CARGAS VIVAS: 9,5 KN/m2
TOTAL CARGAS (Cargas muertas + Cargas Vivas) =83,45 KN/m2 +9,5 KN/m2 = 92,95 KN /m2
En la TABLA 4. se muestra la carga transmitida por cada columna al suelo
METODO A EMPLEAR PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD PORTANTE
Se calculó la capacidad de carga última de la cimentación con la ecuación de Terzaghi para cimiento largo:
q ult = CNc + qNq + 0,5 BγNγ (1)
Los factores de capacidad de carga Nc, Nq, y N�� se estimaron por la tabla para factores de capacidad de carga modificados de Terzaghi (Tabla 3.2 Principios de Ingeniería de cimentaciones de Braja Das, pág 160) .
Se estudió los siguientes casos:
1. Considerando suelo homogéneo saturado: Se trabajó con las propiedades del Depósito Aluvial fino ya que es el menos resistente (Tabla 1 y Tabla 2), de esta manera se diseña con mayor seguridad.
Se supuso:
∆f = 4 m, B = 4 m
Como todo el estrato de suelo se encuentra saturado, la ecuación (1) se modifica de la siguiente manera:
q = Sobrecarga efectiva = ∆f (γsat-γw)
Además el valor de γ en el segundo término se reemplaza por: γ´= (γsat-γw)
Aplicando la ecuación (1) con la modificación se obtuvo:
q ult = 40* 17,13 + 4*(21,8-10)*7,07 + 0,5*4 * (21,8-10)*3,29 = 1096,55 KPa
Se calculó la carga admisible (qadm)
q adm = q ult / FS (2)
Donde FS = 3 y se obtuvo
q adm = 391,4 KPa
2. Considerando suelo estratificado sin nivel freático:
Se supuso al igual que en el caso del suelo homogéneo saturado: ∆f = 4 m B = 4 m
Ya que el depósito aluvial grueso posee mejores características de resistencia que el depósito aluvial fino, se trabajó con la siguiente expresión para capacidad portante para suelo estratificado, según la condición mencionada:
qo =Cu1KcNc + q (3)
Donde:
Cu1 = Cohesión no drenada del suelo 1
Kc: Se obtiene a partir de la Tabla 3.4 del Libro Ingenieria de Fundaciones de Manuel Delgado Vargas, pág 210.
H1 = 6m – 4 m = 2 m
Nc = 5,14
Ya que se diseña para las condiciones más críticas, se considera que el suelo es puramente cohesivo, es decir Φ= 0.
q = γ∆f
B/H1 =4/2 = 2
Cu2/ Cu1 = 95,2/62 = 1,54
Interpolando se obtiene que Kc = 1
Por tanto reemplazando en la ecuación (3) se obtiene:
qo =Cu1KcNc + q
qo = 62 KPa *1*5,14 + 18*4= 390,68 KPa
Reemplazando este valor en (2)
q adm = 130,23 KPa
CONSIDERACIONES
·
Como el q adm obtenido para suelo homogéneo saturado es 3 veces más grande que el obtenido por suelo estratificado, los cálculos para esta cimentación se realizarán considerando suelo homogéneo saturado.
Se trabajará con las propiedades del suelo 1 ya que es el que tiene menor resistencia. De esta mayor se puede garantizar una cimentación mas segura.
Para el cálculo de las cargas se utilizó la ecuación (1) modificada considerando el nivel freático y la ecuación (2).
ANÁLISIS
Algunos autores consideran que una cimentación se considera superficial cuando el plano de desplante de la cimentación se encuentra cerca de la superficie, a una profundidad aproximadamente menor de 3 o 4 m. Otros autores consideran cimentación superficial aquella que tiene entre 0,5 m y 4 m de profundidad.
El análisis se inició con un ∆f = 4m y suponiendo un ancho de zapata (B).
Este valor de B se variaba hasta que se cumpliera la siguiente relación:
B = Carga columna mas cargada / q adm (4)
La columna más cargada corresponde a las columnas centrales.
En la Tabla 5 se puede observar los resultados obtenidos.
Tabla 5. Resultados obtenidos para ∆f = 4m
Según lo anterior la biblioteca puede estar cimentada sobre zapatas. Sin embargo es necesario realizar el análisis por asentamientos y verificar que:
∆ max = L / 300 Según la NSR 10
Donde L es la separación entre columnas.
Se realizó el método de Boussinesq en el centro de la zapatas para los anchos (B) encontrados y se calculó el asentamiento por consolidación.
Los resultados obtenidos se muestran en las Tablas 6 a 8.
Tabla 6. Cálculo de asentamientos para las columnas centrales
Tabla 7. Cálculo de asentamientos para las columnas perimetrales
Tabla 8. Cálculo de asentamientos para las columnas de
esquina
Verificando los cambios de los asentamientos entre las columnas 20(colum.central) con asentamiento de 18cm, y la 9(colum.perimetral) con asentamiento de 4,8cm se obtuvo que:
∆ asentamiento=18 - 4,8 = 13,2 cm
En general el anterior diferencial se da entre las columnas perimetrales y las columnas centrales.
Por norma se debe cumplir que el ∆max= L/300 = 8/300 = 2,67cm NO SE CUMPLE.
Por lo anterior y teniendo en cuenta el gran peso de la edificación, se recomienda diseñar y construir una cimentacion profunda.
