La seguridad en la estructura de sostenimiento de excavaciones Ing

Transcripción

La seguridad en la estructura de
sostenimiento de excavaciones
SEMINARIO DE PROMOCIÓ
PROMOCIÓN DE LA
NORMATIVIDAD PARA EL DISEÑ
DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓ
CONSTRUCCIÓN DE EDIFICACIONES SEGURAS
LA SEGURIDAD EN LA ESTRUCTURA DE
SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES
Manuel A. Olcese Franzero
Ing. Civil CIP, M. ASCE,
Profesor Principal PUCP
[email protected]
ICA, 17 DE FEBRERO DEL 2012
LA SEGURIDAD EN LA ESTRUCTURA
DE SOSTENIMIENTO DE
EXCAVACIONES – M. Olcese 1
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
Ing. Manuel A. Olcese Franzero
1
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
2
VARIABILIDAD NATURAL
DEL SUELO EN
TRES OBRAS CERCANAS
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
Miraflores 12 de junio 2007
Chorrillos 13 de junio del 2007
DE SOSTENIMIENTO DE
3
La victoria, 12 diciembre 2007
(7 fallecidos)
Calle Porta, profundidad 15 m,
enero 1996
DE SOSTENIMIENTO DE
Las Casuarinas – Santiago de Surco,
28 de octubre del 2008
DE SOSTENIMIENTO DE
ARTÍCULO 33.1 NORMA E.050
“Las excavaciones verticales de má
más de 2,00 m
de profundidad requeridas para alcanzar los
niveles de los sótanos y sus cimentaciones, no
deben permanecer sin sostenimiento, salvo
que el estudio realizado por el PR determine
que no es necesario efectuar obras de
sostenimiento.
La necesidad de construir obras de
sostenimiento, su diseñ
diseño y construcció
construcción
son responsabilidad del contratista de la
obra”
obra”.
DE SOSTENIMIENTO DE
4
NORMA OSHA (Ocuppational & Safety and Health Administration, USA)
Si la profundidad de la excavación es mayor de
1.20 m, según la OSHA (Ocuppational & Safety
and Health Administration, USA) debe
entibarse si los operarios trabajaran dentro de
la zanja,
Según la NTE E.050 si es mayor a 2.00 m y así
así
lo indica el PR como resultado del EMS.
DE SOSTENIMIENTO DE
SOLUCIONES PARA UNA EXCAVACIÓ
EXCAVACIÓN SEGURA
DE SOSTENIMIENTO DE
ARTÍCULO 33.3 NORMA E.050
“El informe del EMS deberá
deberá incluir los
pará
parámetros de suelos requeridos para el
diseñ
diseño de las obras de sostenimiento de
las edificaciones, muros perimetrales,
pistas y terrenos vecinos, considerando
que estos puedan ser desestabilizados
como consecuencia directa
de las
excavaciones que se ejecuten para la
construcció
construcción de los só
sótanos.”
tanos.”
DE SOSTENIMIENTO DE
5
EJEMPLO DE LOS DATOS EXIGIDOS POR LA NORMA E.050 Y
REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE
SOSTENIMIENTO
Nombre
Símbolo
Profundidad
Valor
Valor
0.00 a 6.00 m
6.00 a 12.00 m
Peso unitario

2.20
Cohesión
c
0.00 kg/cm2
ton/m3
2.20 ton/m3
0.20 kg/cm2
Angulo de fricción

30°
35°
Coeficiente Activo Estático
Ka
0.32
0.27
Coeficiente en Reposo Estático
Ko
0.50
0.43
Coeficiente Pasivo Estático
Kp
6.65
10.43
Factor de Reducción del Empuje Pasivo para /=0
R
0.47
0.37
Coeficiente Activo Dinámico
Kas
0.51
0.46
Coeficiente en Reposo Dinámico
Kos
0.70
0.62
Coeficiente Pasivo Dinámico
Kps
5.65
8.87
tan δ
0.55
0.55
Coeficiente de fricción bajo la cimentación.
DE SOSTENIMIENTO DE
ESTUDIOS DE MECÁNICA DE SUELOS
(EMS)
NORMA E.050
DE SOSTENIMIENTO DE
Publicado el 9 de junio del 2006
NORMA E.050
DE SOSTENIMIENTO DE
6
Norma actual
(2006)
DE SOSTENIMIENTO DE
OBJETIVO DE LA NORMA E-050
DE SOSTENIMIENTO DE
ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA NORMA E-050
DE SOSTENIMIENTO DE
7
OBLIGATORIEDAD DE LOS ESTUDIOS
3.1 Casos donde existe obligatoriedad
Es obligatorio efectuar el EMS en los siguientes casos:
a)Edificaciones que presten servicios de educación, servicios a la salud o
servicios públicos y en general locales que alojen gran cantidad de personas,
equipos costosos o peligrosos, tal es el caso de:
- colegios,
- universidades,
- hospitales y clínicas,
- estadios,
- cárceles,
- auditorios,
- templos
- salas de espectáculos,
- museos,
- centrales telefónicas,
- estaciones de radio y televisión,
- estaciones de bomberos,
- centrales de generación de electricidad,
- sub-estaciones eléctricas,
- silos,
- tanques de agua y reservorios,
- archivos y registros públicos.
DE SOSTENIMIENTO DE
b)
Edificaciones de uno a tres pisos, que
ocupen individual o conjuntamente más de 500 m2
en planta.
c)
Edificaciones de cuatro o mas pisos de
altura, cualquiera que sea su área.
d)
Estructuras
talleres, o similares.
industriales,
fábricas,
DE SOSTENIMIENTO DE
e)
Edificaciones especiales cuya falla,
además del propio colapso, representen peligros
adicionales importantes, tales como: reactores
atómicos, grandes hornos, depósitos de materiales
inflamables, corrosivos o combustibles, paneles de
publicidad de grandes dimensiones y otros de
similar riesgo.
f)
Cualquier edificación que requiera
uso de pilotes, pilares o plateas de fundación.
el
g)
Cualquier edificación adyacente a
taludes o suelos que puedan poner en peligro su
estabilidad.
DE SOSTENIMIENTO DE
8
CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS,
NÚMERO "n" DE PUNTOS A
INVESTIGAR Y PROFUNDIDAD
z = 6,00 metros, en el
80 % de los sondeos y
1,5 B, en el 20 % de los
sondeos, siendo B el
ancho
de
la
cimentación, delimitada
por los puntos de
todos los pilotes o las
bases de todos los
pilares.
z = 1,5 B; siendo B el
ancho de la cimentación
prevista de mayor área.
DE SOSTENIMIENTO DE
POZOS O CALICATAS, BARRENO
Las calicatas y trincheras serán realizadas según la NTP
339.162 (ASTM D 420). El PR deberá tomar las
precauciones necesarias a fin de evitar accidentes.
DE SOSTENIMIENTO DE
EXPLORACION EN ARENABarreno manual con SPT
SPT
CONO TIPO PECK
DPSH
DE SOSTENIMIENTO DE
9
Densidad de campo: cono de arena, baló
balón o nuclear
NO PERMITIDO PARA DISEÑ
DISEÑO
Artículo 10.1
DE SOSTENIMIENTO DE
Densidad relativa (Dr
(Dr)) en suelos granulares
De acuerdo a Joseph Bowles (1988) la
densidad relativa (Dr) de los suelos granulares
se puede calcular empleando la siguiente
relación propuesta inicialmente por Meyerhof
(1957) y modificada por Skempton (1986) :
DE SOSTENIMIENTO DE
Cálculo de la densidad relativa (Dr
(Dr)) vs N60 y ´0
en suelos granulares
N 60
 '0
100
32  28.24  '0
0.847
Dr 
Dr
= Densidad relativa (%)
= N60 promedio número de golpes del ensayo
estándar de penetración.
’o = Presión efectiva vertical (kg/ cm2)
N 60
DE SOSTENIMIENTO DE
10
Relación SUCS, Dr,  y  (NAVFAC DM7)
DE SOSTENIMIENTO DE
Contenido del
Informe del
Estudio de Mecánica de Suelos
DE SOSTENIMIENTO DE
CONTENIDO DEL INFORME DEL ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Resumen de las Condiciones de
Cimentación
Información Previa
Exploración de Campo
Ensayos de Laboratorio
Perfil del Suelo
Nivel de la Napa Freática
Análisis de la Cimentación
Plano de ubicación
Perfiles del suelo
DE SOSTENIMIENTO DE
11
RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓN
En los casos en que es obligatorio efectuar un
EMS, de acuerdo a lo indicado en esta Sección,
el informe del EMS correspondiente deberá ser
firmado por un Profesional Responsable (PR)
(Ingeniero Civil registrado en el Colegio de
Ingenieros del Perú
Perú y há
hábil)
bil).
En estos mismos casos deberá incluirse en los
planos de cimentación una trascripción literal
del “Resumen de las Condiciones de
Cimentación” del EMS (Ver Sección 2.4.1.a).
DE SOSTENIMIENTO DE
EJEMPLO DE RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓ
CIMENTACIÓN
De acuerdo con la Norma Técnica de Edificaciones E-050 “Suelos y
Cimentaciones”, la siguiente información deberá transcribirse en los
planos de cimentación. Esta información no es limitativa, y deberá
cumplirse con todo lo especificado en el presente Estudio de Suelos y
en el Reglamento Nacional de Construcciones.
Tipo de Cimentación: zapatas aisladas o continuas, de concreto armado.
Estrato de apoyo de la cimentación: Grava arenosa medianamente densa
Parámetros de Diseño de la Cimentación:
Profundidad de Cimentación: 1.50 m o hasta penetrar 0.20 m en la grava
Presión Admisible: 5.00 kg/cm².
Factor de Seguridad por Corte (estático, dinámico): Mayor a 3 y 2,50
Asentamiento Diferencial Máximo Aceptable: 0.80 cm
Agresividad del Suelo a la Cimentación: No detectada
Recomendaciones Adicionales: No debe cimentarse sobre turba, suelo
orgánico, tierra vegetal, desmonte, relleno sanitario o relleno artificial y
estos materiales inadecuados deberán ser removidos en su totalidad,
antes de construir la edificación y ser reemplazados con materiales
adecuados debidamente compactados.
DE SOSTENIMIENTO DE
ANÁLISIS DE LA CIMENTACIÓN EN EL EMS
En esta sección se incluirá una memoria de cálculo
que contendrá como mínimo:
•
•
•
•
•
•
Tipo de cimentación y otras soluciones si las hubiera.
Profundidad de cimentación (Df ).
Determinación de la carga de rotura al corte y factor de seguridad (FS).
Estimación de los asentamientos que sufriría la estructura con la carga
aplicada (diferenciales y/o totales).
Presión admisible del terreno.
Indicación de las precauciones especiales que deberá tomar el diseñador o
el constructor de la obra, como consecuencia de las características
particulares del terreno investigado (efecto de la Napa Freática, contenido
de sales agresivas al concreto, etc.)
•
Pará
Parámetros para el diseñ
diseño de muros de
contenció
contención y/o calzadura.
calzadura.
•
Otros parámetros que se requieran para el diseño o construcción de las
estructuras y cuyo valor dependa directamente del suelo.
DE SOSTENIMIENTO DE
12
Profundidad mí
mínima
de cimentació
cimentación 0.80 m
DE SOSTENIMIENTO DE
Rellenos Artificiales
o
Rellenos no controlados
DE SOSTENIMIENTO DE
RELLENOS NO CONTROLADOS
Los rellenos no controlados son aquellos que
no cumplen con la Secció
Sección 4.4.1. Las
cimentaciones superficiales no se podrá
podrán
construir sobre estos rellenos ni sobre tierra
de cultivo, suelos orgánicos, turba, o mezclas
de ellos, los cuales deberán ser removidos en
su totalidad y reemplazados por suelos
seleccionados, antes de iniciar la construcción
de la cimentación.
DE SOSTENIMIENTO DE
13
Artículo 19 Profundidad de cimentación
“No debe cimentarse sobre turba, suelo orgánico,
tierra vegetal, relleno de desmonte o rellenos sanitario
o industrial, ni rellenos No Controlados. Estos
materiales inadecuados deberá
deberán ser removidos en su
totalidad, antes de construir la edificació
edificación y ser
reemplazados con materiales que cumplan con lo
indicado en la Artí
Artículo 21 (21.1)”
(21.1)”
DE SOSTENIMIENTO DE
ANALISIS DE LAS CONDICIONES DE
CIMENTACION QUE PUEDEN
PRESENTARSE
DE SOSTENIMIENTO DE
ASENTAMIENTOS TOLERABLES
DE SOSTENIMIENTO DE
14
ARTÍCULO 15.- CAPACIDAD DE CARGA
“La capacidad de carga es la presión última o de
falla por corte del suelo y se determina
utilizando las fórmulas aceptadas por la mecánica
de suelos.
En suelos cohesivos (arcilla, arcilla limosa y limoarcillosa), se empleará
empleará un ángulo de fricció
fricción
interna () igual a cero.
En suelos friccionantes (gravas, arenas y gravasarenosas), se empleará
empleará una cohesió
cohesión
(c) igual a cero.”
cero.”
DE SOSTENIMIENTO DE
CIMENTACIÓN SOBRE ARCILLAS Y LIMOS
En el caso de los suelos finos (arcillas y limos),
generalmente el diseñ
diseño de la cimentació
cimentación resulta
controlado por corte (con ´ = 0).
0).
Por esto, el procedimiento usual consiste en:
1ro. Dimensionar primero la cimentación por corte.
2do. Verificar el asentamiento.
DE SOSTENIMIENTO DE
ARCILLA PRE CONSOLIDADA (´0 +  > ´P)
h 
h
1  e0
´


 C R log ´ P  C C log


v0

´
v0
   ´v 

´

vP


DE SOSTENIMIENTO DE
15
CIMENTACIÓN SOBRE ARENAS Y GRAVAS
En el caso de los suelos granulares (arenas y gravas),
generalmente el diseñ
diseño de la cimentació
cimentación resulta
controlado por asentamientos (con c = 0).
Por esto, el procedimiento usual consiste en:
1ro. Dimensionar primero la cimentació
cimentación por
asentamiento.
2do. Verificar el factor de seguridad por corte.
DE SOSTENIMIENTO DE
ASENTAMIENTOS CONO DINÁMICO VS S P T
DE SOSTENIMIENTO DE
ASENTAMIENTO CALCULADO VS REAL
S c  16.67
fF 
B´ 0.75 q 1
 N 60 1.4 fF
S c  L´/ B´ 1
S c L´/ B´ 1
si L´/ B´  1 f F 
si L´/ B´  
1
 1.25 L´/ B´  
 L´/ B´   0.25 


2
f F  0.64
DE SOSTENIMIENTO DE
16
ZAPATA EFECTIVA
DE SOSTENIMIENTO DE
RESUMEN
SUELO COHESIVO
(presión admisible controlada por corte)
qa 
1
sc i c c N c
FS
SUELO GRANULAR
(presión admisible controlada por asentamiento)
qa
1.4

N 60 
 0.096
B´ 0.75
f f NF f F
DE SOSTENIMIENTO DE
Empuje de suelos en reposo.
DE SOSTENIMIENTO DE
17
Tensiones en reposo
DE SOSTENIMIENTO DE
Tensiones en reposo
DE SOSTENIMIENTO DE
Tensiones en reposo
DE SOSTENIMIENTO DE
18
Tensiones al excavar
DE SOSTENIMIENTO DE
Tensiones al excavar => inestabilidad
DE SOSTENIMIENTO DE
Tensiones al excavar => inestabilidad
DE SOSTENIMIENTO DE
19
Tensiones al excavar => inestabilidad => colapso
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad: aumento de la profundidad
DE SOSTENIMIENTO DE
20
Causas de inestabilidad: saturación del suelo
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad: elevación del Nivel Freático,
filtraciones etc.
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad: colocación de cargas cerca al corte
DE SOSTENIMIENTO DE
21
Causas de inestabilidad: cercanía de vehículos o maquinaria
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad: presencia de vibraciones
DE SOSTENIMIENTO DE
Causas de inestabilidad: efecto de las heladas
DE SOSTENIMIENTO DE
22
ESTADOS DE EQUILIBRIO PLASTICO

La relación entre los estados activo y pasivos
pueden mostrarse gráficamente empleando los
círculos de Mohr
c tan 
h min
v
h max
Estado activo
Estado elástico inicial

Estado pasivo
DE SOSTENIMIENTO DE
EMPUJES Y MOVIMIENTO DEL MURO
DE SOSTENIMIENTO DE
Ko para suelos granulares
K 0  1  sen '
Ko para suelos cohesivos
DE SOSTENIMIENTO DE
23
PRESIONES GENERADAS POR LAS ENTIBACIONES
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
24
Entibaciones para zanjas o
excavaciones masivas
DE SOSTENIMIENTO DE
Si el ancho de la excavació
excavación es menor o igual a 3.60
m, la excavació
excavación se considera como una zanja.
zanja.
ENTIBACIONES EN ZANJAS
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
25
DE SOSTENIMIENTO DE
Si el ancho de la excavació
excavación es mayor de 3.60 m la
excavació
excavación se considera como masiva
DE SOSTENIMIENTO DE
ENTIBACIONES EN
EXCAVACIONES MASIVAS
DE SOSTENIMIENTO DE
26
Calzaduras
DE SOSTENIMIENTO DE
CALZADURA CONVENCIONAL
Transmiten bien las cargas
verticales.
No soportan
adecuadamente los
empujes horizontales
Varillas corrugadas
DE SOSTENIMIENTO DE
Av. Basadre San Isidro
Profundidad de la
excavación 3.00 m
Falla por empujes
horizontales
DE SOSTENIMIENTO DE
27
CALZADURA CONVENCIONAL
Carga
Varillas corrugadas
Empuje
Tan  =
¿?
0.55 % #200 <5%
0.45 5% <% #200 <12%
0.35 % #200 > 12%
Fricción
DE SOSTENIMIENTO DE
Muros pantalla
o
Pantallas ancladas
DE SOSTENIMIENTO DE
MURO PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
28
MUROS PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
ANCLAJE
DE SOSTENIMIENTO DE
DISEÑO DEL MURO PANTALLA
NAVFAC DM7
DE SOSTENIMIENTO DE
29
CAPACIDAD DE CARGA DE LOS ANCLAJES SEGÚN EL
NAVFAC DM7
DE SOSTENIMIENTO DE
DISEÑO DE UN MURO
PANTALLA
L
Método de Kranz
a) Carga de anclaje y longitud libre
1.- Se eligen las longitudes L de las filas de anclajes
2.- Se define el mecanismo de rotura de la figura
3.- Se calculan las cargas en los anclajes A’i que equilibran
la cuña de terreno
4.- Si las cargas calculadas son superiores a las cargas límites de los
anclajes (ver puntos b) y c)), se cambian las longitudes de los anclajes
y se vuelven a calcular las cargas.
DE SOSTENIMIENTO DE
DISEÑO DE UN MURO PANTALLA
b) Secció
Sección de acero
Método de Kranz
Q l 
0,9 f ys
y
Aacero
Aacero: sección de acero
Q:
carga del anclaje
coeficiente de seguridad como mayoración de la carga aplicada
 l:
sobre el anclaje
coeficiente de seguridad como minoración de la resistencia del acero
y:
resistencia del acero (típicamente entre 800-1100 MPa para barras y
fys:
entre 1800-2000 MPa para cables)
Q no suele superar, en servicio, el 60% del límite elástico de elemento de
acero (fys Aacero)
DE SOSTENIMIENTO DE
30
Q
c) Longitud del bulbo
Método de Kranz
Q l 

A
t l
Al: área lateral del bulbo
Al
Q: carga del anclaje
:
resistencia al corte unitaria en el contacto bulbo-terreno
l: coeficiente de seguridad como mayoración de la carga aplicada sobre
el anclaje
t: coeficiente de seguridad como minoración de la resistencia al corte
límite en el contacto bulbo-terreno
Temporales
(según Norma Española de anclajes)
Permanentes
Nivel de riesgo creciente
DE SOSTENIMIENTO DE
Valores de la resistencia al corte unitaria en el contacto bulbo-terreno ():
Se obtienen de ensayos de arrancamiento en condiciones reales o en el
laboratorio
Valores orientativos de  (pre-diseño)
Método de Kranz
(según Norma Española de anclajes)
DE SOSTENIMIENTO DE
Método de Kranz
Valores orientativos de  (pre-diseño)
(según Ostermayer & Scheele, 1977)
DE SOSTENIMIENTO DE
31
Método CAD
DE SOSTENIMIENTO DE
Método CAD
DE SOSTENIMIENTO DE
Método CAD
ETAPAS DEL ANÁLISIS
DE SOSTENIMIENTO DE
32
Método CAD
DE SOSTENIMIENTO DE
PLANO DE PLANTA DE LOS ANCLAJES
DE SOSTENIMIENTO DE
CONSTRUCCIÓN DEL
MURO PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
33
CONSTRUCCIÓN DEL
MURO PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
CONSTRUCCIÓN DEL MURO PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
CONSTRUCCIÓN DEL
MURO PANTALLA
DE SOSTENIMIENTO DE
34
MURO PANTALLA TERMINADO
DE SOSTENIMIENTO DE
Factor de Seguridad frente al
levantamiento del fondo
DE SOSTENIMIENTO DE
NAVFAC DM7
DE SOSTENIMIENTO DE
35
NAVFAC DM7
DE SOSTENIMIENTO DE
NAVFAC DM7
VALORES DE NCD Y NCR
DE SOSTENIMIENTO DE
DE SOSTENIMIENTO DE
36
“En mecá
mecánica de suelos la exactitud de los
resultados calculados nunca exede al de una
estimació
estimación cruda, y la funció
función principal de la
teorí
teoría consiste en el enseñ
enseñar de que y como
observar en el campo.
campo.”
Karl Terzaghi, 1936
DE SOSTENIMIENTO DE
VELEMOS POR QUE SE CUMPLAN LAS NORMAS DE
NOSOTROS DEPENDE QUE ESTO NO OCURRA NUEVAMENTE
DE SOSTENIMIENTO DE
Muchas gracias
[email protected]
DE SOSTENIMIENTO DE
37

La seguridad en la estructura de sostenimiento de excavaciones Ing

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Agradezco su amable carta y su proyecto educativo global. La