DISEÑO Y CALCULO DE UN SISTEMA DE FUNCACIÓN CORRESPONDIENTE A ESTRUCTURA TIPO GALPON

Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Ingeniería Civil en Obras Civiles

DISEÑO Y  DISEÑO Y CALCULO CALCULO DE UN SISTEMA  DE FUNCACIÓN CORRESPONDIENTE A  CORRESPONDIENTE A  ESTRUCTURA TIPO ESTRUCTURA TIPO GALPON

 Autores: Carlos Fuentes Isla Carlos Jara Medina Docente: Ingeniero José Soto Miranda  Asignatura: Taller de Fundaciones Fecha: 01 de julio de 2013

I.

i.

Especificaciones técnicas generales

Respecto al diseño del galpón El galpón está constituido por una estructuración en base a marcos metálicos de 26 metros de luz, con una distancia entre ellos de 6 metros. La estructura tiene un sistema de arriostramientos de techumbre y

lateralmente. Los extremos del galpón están formados por frontones.

ii.

Respecto al acero El acero de refuerzo de los hormigones en obra serán de calidad A37-24ES. En general, deberán respetarse todas las disposiciones contenidas en la norma NCh204 para las barras de refuerzo con resalte. Las barras de acero se cortaran y doblaran en frio a velocidad limitada con maquina dobladora. Las barras que han sido dobladas no serán enderezadas. Queda estrictamente prohibido grifar fierros. La tendencia de rectificación de las barras con curvatura dispuestas en zona de tracción, serán evitadas mediante estribos. Las armaduras deben colocarse limpias, exentas de polvo, barro, escamas de óxido, grasas, aceites, pinturas y toda otra sustancia capaz de reducir la adherencia con el hormigón. Las armaduras que estuviesen cubiertas por mortero o pasta de cemento y hormigón endurecido, se limpiaran hasta eliminar todo resto en contacto con las

 barras. Deberán respetarse completamente los largos y las disposiciones de las armaduras indicadas en los planos de cálculo. Todas las armaduras se colocaran en las posiciones precisas que se indican en los planos. Durante la colocación de fraguado del hormigón las armaduras deberán mantenerse en las posiciones indicadas en los planos, evitando los desplazamientos o vibraciones enérgicas. Para sostener o separar las armaduras se emplearan espaciadores metálicos, de mortero (pastillas) o de material plástico. No podrán emplearse trozos de ladrillo, piedras ni trozos de madera.

Cualquier modificación en los diámetros, separación o posición de las barras deber ser autorizada por el ingeniero calculista o el I.T.O. El recubrimiento de la enfierradura será de 5 cm. Las uniones de las armaduras serán por simple traslapo. No se podrán usar uniones soldadas o dispositivos mecánicos de unión.

iii.

Respecto al hormigón El hormigón tendrá un



, será de grado H-30 con 90% nivel de

confianza según norma NCh170 of.85.

La mezcla, colocación en obra y curado del hormigón se hará según la norma I.N.N. NCh 170. El hormigón debe ser vertido de una altura que no supere los dos metros como máximo, procurando que su dirección sea vertical y evitando desplazamientos horizontales de la masa. El hormigón debe ir dirigido durante el  vertido, mediante canaletas u otros dispositivos que impidan su choque libre contra el encofrado o las armaduras. No se permitirá la colocación del hormigón en superficies directamente expuestas al sol, cuando la temperatura sea superior a los 30°C. No se arrojara el hormigón con pala a gran distancia, ni se distribuirá con rastrillos para no disgregarlo, ni se hará avanzar más de un metro dentro de los encofrados. Se admite un cono de asentamiento de 8-10 cm. Si el hormigón acusa algún principio de fraguado o ha sido contaminado con sustancias extrañas no será colocado. El hormigón será compactado hasta alcanzar su máxima densidad posible. La operación se hará preferentemente mediante vibración mecánica suplementada por apisonado y compactación manual. El tiempo de aplicación de la vibración dependerá de la consistencia del hormigón, de su composición y de la potencia del vibrador.

iv.

Respecto al suelo El suelo es un limo arcilloso, con una desidad de 1,7 [gr/cm 3], un ángulo de fricción del suelo de 25° y un C a de 1,0. Además la tensión admisible del suelo es 15 [Ton/m2]

 v.

Respeto a los estados y métodos de diseño Se deben considerar los siguientes valores y estados de carga. 

Sobrecarga de techo



 Acción del viento

  

Estados de carga: 

D+L



D+0,75 L+0,75 W

Donde 

D: Carga muerta



L: Carga viva debido a ocupación



 vi.

 W: Carga de viento

Sobre las fundaciones Estas fundaciones tipo A serán cuadradas y las tipo B serán rectangulares, con vigas de amarre.

 vii.

Sobre la normativa Las normas a utilizar para los cálculos y ejecución del proyecto son : 1. Cemento Nch148.of.68 Nch158 of.67 Nch162.of.77 Nch152 of.71

Cemento-terminología. Clasificación y especificaciones generales. Cemento-Ensayos de flexión compresión de morteros en cemento Cemento-Extracción de muestras Cemento-Método de determinación del tiempo de fraguado

2.  Áridos Nch163 of.79 Áridos para morteros y hormigones. Requisitos generales. Nch164 of.76 Áridos-Extracción y preparación de muestras. Nch165 of.77 Áridos-Tamizado y determinación de la granulometría. Nch1328 of.77 Áridos-Determinación de la desintegración. Nch1369 of.78 Áridos-Determinación del desgaste de gravas. Método de la máquina de los Ángeles. Nch1444/1of.180 Áridos para mortero y hormigones. Determinación de cloruros y sulfatos. Nch1511 of.80 Áridos para morteros y hormigones. Determinación del coeficiente volumétrico medio de las gravas.

3. Hormigón Nch170 of.85 Hormigón-Requisitos generales. Nch171 of.75 Hormigón- Extracción de muestras del hormigón fresco. Nch1017 of.75 Hormigón-Confección y curado en obra de probetas para ensayos de compresión y tracción. Nch1019 of.74 Hormigón-Determinación de la docilidad. Método del cono de Abrams. Nch1037 of.77 Hormigón-Ensayo de compresión de probetas cúbicas y cilíndricas. Nch1038 of.77 Hormigón-Ensayo de tracción por flexión. Nch1443 of.78 Hormigón-Agua de amasado-Muestreo. Nch1498 of.82 Hormigón-Agua de amasado-Requisitos. Nch430 of.61 Hormigón armado, requisito de diseño y cálculo.

II.

i.

Bases de cálculo

Diseño de zapatas rectangulares Hipótesis de cálculo: Fundación rígida, no existe influencia de la napa de agua, se conoce la tensión admisible del suelo (qadm), dimensiones de la base (B,L) y las solicitaciones (V,N,M).

Para este tipo de zapatas tenemos tres casos de cálculo. 4. Diagrama trapecial de esfuerzos (Carga en el trapecio central) Tenemos que:

Como

                             se debe verificar que

Sabiendo que

y

 (modulo resistente se sección en

contacto con el suelo)

Entonces las expresiones de q máximo y mínimo quedan:

   [ ]    [ ] Con

 

Para que el diagrama de tensiones sea trapecial en el suelo, se debe verificar que:

  5. Diagrama triangular de esfuerzos (q 2 nulo) Nos vemos frente a este caso cuando:

  Por lo tanto las expresiones de q máximo y mínimo quedan de la siguiente manera:

     6. Carga fuera del tercio central, Ley del triangulo Para este caso

   Y el valor de q2  también es nulo, pero aparece un valor de x, que es la longitud del triángulo de esfuerzos.

  ( ) ii.

Seguridad al volcamiento y deslizamiento La verificación de capacidad soportante del suelo implica la condición:

  7. Factor de seguridad al volcamiento Se define como el cociente entre el momento resistente o estabilizante y el momento volcante, con respecto al borde de la zapata (punto “0”)

         

Si la carga está en el tercio central, entonces se puede concluir

8. Factor de seguridad al deslizamiento El factor de seguridad al deslizamiento (



  de la fundación se evalúa

comparando la solicitación de corte V con la resistencia al deslizamiento  base de la fundación:



 en la

   Donde  A: Área de contacto (BL) : Ángulo de fricción del suelo (



  

= Es la adherencia entre la fundación y el suelo y que puede tomarse igual

a la resistencia al corte no drenado del suelo. Los suelos no cohesivos como la arena solo ofrecen resistencia por fricción

 

. En los suelos puramente cohesivos (arcilla) sólo ofrecen resistencia por

adherencia



Por lo tanto el factor al deslizamiento es y debe cumple que:

      En el caso que la carga N este fuera del tercio central, se tiene las siguientes consideraciones. No solo disminuye la seguridad al volcamiento y al deslizamiento, sino también aumenta la tendencia al giro de la función. La condición de la ley del triángulo se acepta solo si el factor de seguridad al  volcamiento es a lo menos igual a 2, lo que implica limitar la excentricidad a:

   

III.

i.

Memoria explicativa

Determinación de reacciones en los apoyos Para él cálculo de reacciones, se modeló el galpón en el Software SAP2000 (Ver Fig.1), se le asignaron las cargas y se obtuvieron los valores para ciertos estados de carga, descritos a continuación.

Fig. 1 Galpón Modelado en SAP2000

1. DETERMINACIÓN DE ESTADOS DE CARGA. D+L  D+0,75*(L+W1)  D+0,75*(L+W2) 

Donde: o

o o o

D: Peso Propio = 15 [Kg/m²]. L: Sobrecarga de uso = 30 [Kg/m ²].  W1: Carga de viento, situación 1 (Ver Fig. 2).  W2: Carga de viento, situación 2 (Ver Fig. 3).

Situaciones de Carga de Viento o

Situación 1 de Carga de Viento, según NCh432, aplicando un q = 50 [Kg/m²].

20

40

20 J Fig. 2 . Carga de Viento, Situación 1.

o

Situación 2 de Carga de Viento, según NCh432, aplicando un q = 50 [Kg/m²].

15,39

20

40

Fig. 3 Carga de Viento, Situación 2

Una vez asignadas las cargas y hecho el análisis, el software, arroja los siguientes valores, de diseño para la zapata. TABLE: Joint Reactions Joint Text 1 1 1 3 3 3

OutputCase Text D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L

CaseType Text Combination Combination Combination Combination Combination Combination

F1 F2 F3 M1 M2 Kgf Kgf Kgf Kgf-m Kgf-m 373,34 920,11 1248,51 -77,33 -160,28 365,64 -238,23 -527,08 -167 -114,11 251,64 513,45 1008,94 -153,8 131,61 -57,38 383,23 988,72 -584,59 -18,44 -53,53 -262,88 2222,12 -58,94 13,02 541,3 241,72 1775,68 -590,32 52,8

M3 Kgf-m 250,12 121,92 124,45 129,88 273,79 259,72

5 5 5 7 7 7 9 9 9 11 11 11 13 13 13 2 2 2 4 4 4 6 6 6 8 8 8 10 10 10 12 12 12 14 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17 17 18 18 18 19 19 19 20 20

D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2

Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination

-144,03 -241,72 231,76 -346,49 -346,49 3,8E-10 -616,55 -518,86 -231,76 -924,09 -927,94 -541,3 -6,52 1,17 -251,64 123,52 701,3 125,06 -363,55 183,04 489,46 -391,69 -84,54 216,87 -381,01 -381,01 1,43E-11 -412,27 -719,42 -216,87 -567,54 -1114,14 -489,46 525,56 -52,22 -125,06 -788,11 -236,53 528,93 -689,82 -197,71 829,37 -702,74 -465,2 620,14 -161,66 -685,1 128,6 -783,49 -1335,07 -528,93 -1132,77 -1624,8

575,62 -118,19 501,09 623,71 3,37 607,02 575,23 -118,58 501,09 379,55 -266,56 241,72 1053,5 -104,84 513,45 427,81 -797,19 -360,27 510,07 -466,61 -157,2 671,24 -778,81 -332,45 667,48 -886,41 -415,12 672,09 -777,96 -332,45 513,11 -463,58 -157,2 352,16 -872,84 -360,27 997,29 -426,9 173,8 1097,02 -1031,0 -48,67 778,4 -1202,8 -276,78 316,81 -894,62 -350,65 720,08 -704,1 173,8 1077,61 -1050,4

1436,7 3793,23 3201,7 1559,94 4263,08 3668,69 1297,53 3654,06 3201,7 624,39 1857,79 1775,68 2245,85 470,26 1008,94 -950,62 1387,79 886,92 1040,76 1967,61 1715,59 1733,77 3247,84 3062,21 1925,16 3648,39 3507,18 1619,99 3134,05 3062,21 761,67 1688,52 1715,59 -149,25 2189,15 886,92 1022,28 1263,11 1577,75 1078,07 1827,19 1743,5 879,51 1600,64 1559,68 -483,49 1408,31 958,22 1306,15 1546,99 1577,75 981,57 1730,68

-971,78 -482,57 -1174,7 -1081,1 -741,81 -1407,3 -970,89 -481,68 -1174,7 -578,29 -52,64 -590,32 -71,26 -160,93 -153,8 73,42 178,53 160,51 -548,58 948,23 502,24 -775,89 1744,03 1016,78 -743,3 2030,12 1244,93 -777,94 1741,98 1016,78 -554,98 941,83 502,24 70,28 175,39 160,51 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

-20,31 18,41 56,93 -43,93 -43,93 2,4E-11 -66,71 -105,43 -56,93 -62,34 -93,8 -52,8 -268,53 -314,71 -131,61 -313,44 -204,59 97,59 -40,27 -12,05 46,78 -36,69 -9,58 50,67 -61,58 -61,58 -3,2E-11 -85,73 -112,84 -50,67 -78,82 -107,04 -46,78 -303,58 -412,44 -97,59 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

81,11 178,2 166,07 -0,38 -0,38 3,5E-11 -81,6 -178,69 -166,07 -131,33 -275,24 -259,72 -61,11 67,09 -124,45 -6,72 -155,11 -117,74 -90,79 -231,36 -208,33 -59,61 -146,68 -132,94 0,27 0,27 -1,15E-11 59,95 147,02 132,94 91,75 232,32 208,33 0,69 149,08 117,74 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20 21 21 21 22 22 22

D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L D+0,75*L+0,75*W1 D+0,75L+0,75W2 D+L

Combination Combination Combination Combination Combination Combination Combination

-829,37 -1090,6 -1328,2 -620,14 -822,03 -298,59 -128,6

-48,67 923,97 -1057,3 -276,78 479,04 -732,38 -350,65

1743,5 903,83 1624,96 1559,68 23,51 1915,31 958,22

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

Donde se puede observar que las reacciones máximas son las siguientes: Para la Fundación Tipo a Max

Min

Absoluto

Max F1 [Kg]

701,3

-1114,14

1114,14

Max F2 [Kg]

672,09

-886,41

886,41

Max F3 [Kg]

3648,39

-950,62

3648,39

Max M1 [Kg*m]

2030,12

-777,94

2030,12

Max M2 [Kg*m]

97,59

-412,44

412,44

Max M3 [Kg*m]

232,32

-231,36

232,32

Para la Fundación tipo b Max

Min

Absoluto

Max F1 [Kg]

541,3

-927,94

927,94

Max F2 [Kg]

1053,5

-266,56

1053,5

Max F3 [Kg]

4263,08 -527,08

4263,08

Max M1 [Kg*m]

-52,64

-1407,3

1407,3

Max M2 [Kg*m]

131,61

-314,71

314,71

Max M3 [Kg*m]

273,79

-275,24

275,24

Para la zapata del Frontón (Consideradas como apoyo Fijo):

Max F1 [Kg] Max F2 [Kg] Max F3 [Kg] Max M1 [Kg*m] Max M2 [Kg*m] Max M3 [Kg*m]

Max Min Absoluto 829,37 -1624,88 1624,88 1097,02 -1202,89 1202,89 1915,31 -483,49 1915,31 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

ii.

Dimensionamiento para fundaciones tipo A 1. Dimensiones

hb hp a b L B H

0,6 0,4 0,5 0,5 2 2 1,0

[m] [m] [m] [m] [m] [m] [m]

2. Solicitaciones: Max

Min

Max F1 [Kg]

701,3

-1114,14

1114,14

Max F2 [Kg]

672,09

-886,41

886,41

Max F3 [Kg]

3648,39

-950,62

3648,39

Max M1 [Kg*m]

2030,12

-777,94

2030,12

Max M2 [Kg*m]

97,59

-412,44

412,44

Max M3 [Kg*m]

232,32

-231,36

232,32

3.  Verificación de dimensionamiento 3.1

En sentido de L

Pesos de fundaciones y Suelo

      

Absoluto

Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

             Ahora

      Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos.

        [ ] [ ]       [ ] [ ]

 Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:



Seguridad al volcamiento y deslizamiento o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

              3.2

En sentido de B

Pesos de fundaciones y Suelo

      Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

 Ahora

                 

Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos

        [ ] [ ]     [ ] [ ]

 Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:



Seguridad al volcamiento y deslizamiento: o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

              iii.

Dimensionamiento para fundaciones tipo B 1. Dimensiones

hb hp a b L B H

0,6 0,4 0,5 0,5 3 2 1,0

[m] [m] [m] [m] [m] [m] [m]

2. Solicitaciones: Max

Min

Absoluto

Max F1 [Kg]

541,3

-927,94

927,94

Max F2 [Kg]

1053,5

-266,56

1053,5

Max F3 [Kg]

4263,08 -527,08

4263,08

Max M1 [Kg*m]

-52,64

-1407,3

1407,3

Max M2 [Kg*m]

131,61

-314,71

314,71

Max M3 [Kg*m]

273,79

-275,24

275,24

3.  Verificación de dimensionamiento 3.1

En sentido de L

Pesos de fundaciones y Suelo

       Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

             Ahora

      Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos

         [ ] [ ]      [ ] [ ]

 Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:

Seguridad al volcamiento y deslizamiento



o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

              3.2

En sentido de B

Pesos de fundaciones y Suelo

       Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

                 

 Ahora

Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos

        [ ] [ ]     [ ] [ ]

 Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:



Seguridad al volcamiento y deslizamiento: o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

             

iv.

Dimensionamiento fundaciones de frontón 1. Dimensiones

hb hp a b L B H

0,6 0,4 0,5 0,5 2 2 1,0

[m] [m] [m] [m] [m] [m] [m]

2. Solicitaciones

Max F1 [Kg] Max F2 [Kg] Max F3 [Kg] Max M1 [Kg*m] Max M2 [Kg*m] Max M3 [Kg*m]

Max Min Absoluto 829,37 -1624,88 1624,88 1097,02 -1202,89 1202,89 1915,31 -483,49 1915,31 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3.  Verificación de dimensionamiento 3.1

En sentido de L

Pesos de fundaciones y Suelo

      Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

                 

 Ahora

Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos.

    Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:

     [ ] [ ]      [ ] [ ] 

Seguridad al volcamiento y deslizamiento o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

              3.2

En sentido de B

Pesos de fundaciones y Suelo

      Por lo tanto los valores para la verificación del diseño son:

           

 Ahora

      Luego, tenemos un diagrama trapecial de esfuerzos.

    Ahora el máximo y mínimo en el diagrama de tensiones es de:

      [ ] [ ]      [ ] [ ] 

Seguridad al volcamiento y deslizamiento o

 Volcamiento

       o

Deslizamiento

               v.

Cálculo de la armadura 1. Zapata “A”, diseño a flexión. Determinación del Momento de Balance.

    [  ]    [  ]     Determinación de Xb: Peralte de la sección = 55 [cm]

           

Cálculo de la fuerza Cb, debido a la sección de hormigón en compresión:

Luego el momento será:

  ( )( )   Comparamos con el momento mayor de los entre los dos ejes:

              

Determinación de As:

Distribuidas cada 20 cm. Tenemos

               Por lo que se ocuparan barras de acero estructural A37-24ES

  

.

Calculo de armadura, Diseño al Corte. Cálculo de Vc, estará determinado por el menor de los tres valores siguientes 





         √                √           √          Por lo tanto:

Cálculo de Av, para Vu máximo:

             [  ] Luego,

                          Por lo que se ocuparan Estribos de A37-24ES

  

, en ambos sentidos.

2. Zapata “B” diseño a flexión. Determinación del Momento de Balance. Es el mismo que para la zapata “a”.

Comparamos con el momento mayor entre los dos ejes:

    Determinación de As:

           Distribuidas cada 20 cm. Tenemos

            Por lo que se ocuparan barras de acero estructural A37-24ES

  

.

Calculo de armadura, Diseño al Corte. Cálculo de Vc, estará determinado por el menor de los tres valores siguientes 





          √                 √           √  

Por lo tanto:

  

Cálculo de Av:

             [  ] Luego,

                        

Por lo que se ocuparan Estribos de A37-24ES