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MODULO DE BALASTO A USAR?????????

Habla aqui sobre temas de mecanica de suelos e Ingenieria Geologica.
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MODULO DE BALASTO A USAR?????????

Notapor gmtxx » Mar Abr 24, 2007 8:12 pm

Que modulo de Balasto uso para idealizar la presion del suelo.

Alguien que me recomiende que valores se deben usar para valores verticales y horizontales, que libro puedo buscar????, encuantro valores de K30, ETC, ETC...

Favor alguien que tenga las ideas claras.

Saludos.
gmtxx
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Notapor fergoz » Vie Jul 20, 2007 11:13 am

ref. Geotecnia-01_19/11/06



Módulo de balasto (Modulus of Subgrade Reaction)





MÉTODO DE WINKLER:



Uno de los métodos de cálculo más utilizado para modelizar la interacción entre estructuras de cimentación y terreno es el que supone el suelo equivalente a un número infinito de resortes elásticos -muelles o bielas biarticuladas- cuya rigidez, denominada módulo o coeficiente de balasto (Ks), se corresponde con el cociente entre la presión de contacto (q) y el desplazamiento -en su caso asiento- (δ):

ks=q/δ



El nombre balasto le viene, como seguramente sabréis, de que fue precisamente en el análisis de las traviesas del ferrocarril donde se utilizó por primera vez esta teoría. El balasto es la capa de grava que se tiende sobre la explanación de los ferrocarriles para asentar y sujetar las traviesas. A este modelo de interacción se le conoce generalmente como modelo de Winkler debido al nombre de su creador, y tiene múltiples aplicaciones, no sólo en el campo de las cimentaciones, sino en cualquiera problema que pudiese adaptarse a este modelo, véase el ejemplo tomado de J. Hahn [1] en el que mediante la teoría del balasto se calcula la carga P que es capaz de soportar una espiga de acero anclada en una masa de hormigón:




La aplicación de la teoría del módulo de balasto ha ganado aceptación en los últimos tiempos, en cuanto que permite una fácil asimilación del modelo de la interacción suelo-estructura utilizando los métodos matriciales de cálculo. Bastará con incluir bielas biarticuladas (muelles) en los nudos en con la rigidez correspondiente al balasto (en elementos lineales mediante su discretización en varias barras cuyos nudos incluyen bielas, en elementos superficiales mediante un emparrillado de barras con las bielas en los nudos).

En la práctica habitual del cálculo de cimentaciones veremos aplicar la teoría de Winkler al calculo de elementos tales como vigas flotantes o de cimentación y losas de cimentación que trabajan sobre un corte horizontal de terreno, pero también para elementos tales como pantallas para excavaciones o tablestacas que trabajan sobre un corte vertical. Se habla, por tanto, de módulo de balasto vertical y de módulo de balasto horizontal, si bien el concepto es el mismo.

Incluimos aquí, como ejemplo, la ecuación diferencial que gobierna el comportamiento de la clásica solución de viga flotante o viga sobre fundación elástica (beam on elastic fountation):

q - k.w(x)= (E.I) d4w/dx4

siendo (se dan unidades de ejemplo en m y kN):

w(x): el asiento de la viga [m].

x: coordenada [m].

k: el módulo de balasto [kN/m3]

q: la carga por unidad de longitud [kN/m]

E: el módulo de elasticidad de la losa [kN/m2]

I: la inercia de la viga respecto al eje que pasa por su centro de gravedad [m4]

B: ancho de la viga [m]



En el caso de la losa la ecuación tiene la forma:



d4w/dx4 + 2 d4/dx2dy2 + d4w/dy4 + (k . w - q) 12(1-v2)/(E.t3) = 0,



siendo (se dan unidades de ejemplo en m y kN):

w(x,y): el asiento de la losa [m].

x, y: las coordenadas [m].

k: el módulo de balasto [kN/m3]

q: la carga por unidad de área [kN/m2]

v: el coeficiente de Poisson [-]

E: el módulo de elasticidad de la losa [kN/m2]

t: el espesor de la losa [m]





OBJECCIONES Y MEJORAS AL MÉTODO:



En general, el método de Winkler se puede aplicar al cálculo de cimentaciones rígidas y flexibles, si bien en el caso de cimentaciones rígidas las normas suelen permitir la utilización de leyes de tensiones lineales del terreno más simplificadas, dejándose la obligatoriedad del método del balasto para el cálculo de elementos flexibles en los que la distribución de tensiones es irregular. (El criterio de clasificación de la rigidez de los elementos de cimentación es complicado y trataremos de ampliarlo en un futuro. Se pueden consultar las referencias [2])

Sin embargo, existen varias objeciones al modelo que le hacen poco fiable:

- ¡El valor del módulo de balasto no es función exclusiva del terreno! sino que depende también de las características geométricas de la cimentación e incluso de la estructura que ésta sostiene, lo cual hace compleja la extrapolación de los resultados de los ensayos, pensemos por ejemplo en el de placa de carga, a las cimentaciones reales.

- La precisión del modelo dependerá de la rigidez relativa del conjunto estructura-cimentación respecto a la del suelo [2].

- Supone que cada punto del suelo se comporta independientemente de las cargas existentes en sus alrededores, lo cual no ocurre en la realidad (ver figura inferior, a la izquierda comportamiento según el método de Winkler, a la derecha una aproximación más cercana a la realidad -en terrenos reales el suelo en los bordes también se deforma-).



Por ello, algunos autores recomiendan hacer un estudio de su sensibilidad. El ACI (1993), por ejemplo, sugiere [3] variar el valor de k desde la mitad hasta cinco o diez veces del calculado y basar el diseño estructural en el peor de los resultados obtenidos de ésta manera.

Métodos como el Acoplado (Coupled method), que usa muelles que conectan los nudos adyacentes, permiten que los movimientos de cada nudo sea dependientes del resto y obtienen resultados más cercanos a la realidad, pero suponen un aumento considerable en el tiempo de cálculo, además de requerir una implementación específica en los programas de cálculo generales (que, sin embargo, se adaptan fácilmente al método de Winkler).

Mejora esta última cuestión el denominado Método Pseudoacoplado (Pseudo-Coupled Method) que divide el elemento de cimentación en distintas zonas a las que varía su módulo de balasto. El balasto se hace mayor en las zonas extremas, por ejemplo, el doble del valor en el contorno que en la zona central. También el ancho de las zonas se hace disminuir al acercarse a los extremos, todo ello con el objeto de aumentar las tensiones en los bordes de las cimentaciones ya que se comprobó que el modelo de Winkler obtiene tensiones más bajas que las constatadas con otros métodos en dichos puntos.







OBTENCIÓN DEL MÓDULO DE BALASTO:



A) El módulo de balasto vertical para una zapata o una losa se puede definir de tres maneras:

1. A partir de ensayo de Placa de Carga realizado sobre el terreno, siendo habitual que dicha placa sea cuadrada de 30x30cm (1 pié x 1 pié), o bien circular de diámetros 30, 60 y 76,2 cm. Así el coeficiente que aparece referenciado en el estudio geotécnico viene generalmente representado por una k -letra adoptada en la bibliografía para el módulo- y el correspondiente subíndice que identifica a la placa con que se realizó el ensayo -k30, k60, etc.-

El tamaño de la placa influye en la profundidad afectada y de la que se podrán extraer conclusiones. A menor tamaño de placa menor bulbo de presiones y con ello menor profundidad de los estratos estudiados. En el caso de losas la profundidad de influencia de la placa es mucho menor que la de la losa real (bulbo de presiones en función del ancho de la cimentación), con lo que se puede inducir a errores debidos a bajadas de rigidez de estratos inferiores pero activos. En el caso de rocas las pruebas realizadas con una placa grande estarán más afectadas por la fisuración que las hechas con placa pequeña.

A partir del ensayo de Placa de Carga y mediante formulación que contempla las dimensiones de la zapata (el caso de losas es más complejo y se debe estudiar la rigidez de la estructura-cimentación) se puede obtener el módulo de balasto siguiendo el procedimiento siguiente debido a Terzaghi:




Se define a continuación un:

Método simplificado para el cálculo del módulo de balasto de una losa de cimentación rectangular a partir del ensayo de placa de carga de 30x30cm.



Dada una losa rectangular y un coeficiente de balasto obtenido mediante ensayo de placa de carga de 30x30cm definimos:



-b: ancho equivalente de la zapata (m). Es un parámetro que depende de la rigidez de la estructura, y de la rigidez de la cimentación. En el caso de losas un valor aproximado para b puede ser la luz media entre pilares. Una referencia para profundizar en el valor del ancho equivalente es la [4], en ella se pueden consultar los apartados de losas semiflexibles, con grandes luces entre pilares y con pequeñas luces entre pilares (es precisamente para este caso cuando es adecuado tomar como ancho equivalente la luz media entre pilares). El tomar b como ancho de la losa conduce a módulos de balasto excesivamente bajos.

-l: lado mayor o longitud de la losa (m)

-ks,30: coeficiente de balasto obtenido en placa de 30x30cm (kN/m3).

-ks,cuadrada: coeficiente de balasto de la zapata cuadrada (kN/m3).

-ks,rectangular: coeficiente de balasto de la zapata rectangular (kN/m3).



Para el cálculo del coeficiente o módulo de balasto de la zapata rectangular será necesario primero calcular el de la cuadrada.

El módulo de balasto de la zapata rectangular (l y b en m) en función del de la losa cuadrada se define por (Terzaghi 1955):


ks, rectangular= (2/3) ks, cuadrado [ 1+ b/(2l) ]



donde ks, cuadrada se determina en función del tipo de suelo y del ensayo de placa de carga de 30x30:


-Suelos cohesivos (arcillas):

ks, cuadrado cohesivo= ks,30 [0,30/b]


-Suelos arenosos o granulares:

ks, cuadrado arenoso= ks,30 [(b+0,30)/(2b)]2




Aclaración 1:

En el caso de tener una mezcla de suelos, una solución puede ser el hacer una interpolación a partir de los valores anteriores (ks, cuadrada cohesivo y ks, cuadrada arenoso) y la proporción existente de dichos suelos. No deja de ser una aproximación algo burda, ya que es difícil conocer con exactitud dicha proporción así como que el reparto sea homogéneo.

Ej- Para un suelo con una composición en una proporción estimada del 70% de arcillas y del 30% de arenas tendríamos:

ks,cuadrado= 0,70 ks,cuadrado cohesivo + 0,30 ks,cuadrado arenoso



Aclaración 2:
En el caso de trabajar en cm, basta con cambiar el coeficiente 0,30 por 30 para que sean válidas las fórmulas.



Se incluye aquí un formulario Web que realiza los cálculos anteriores:


Formulario Web Balasto







Simplemente a título orientativo, dada las frecuentes consultas que recibo al respecto, damos aquí los valores estimados del módulo de balasto para Placa de Carga de 30x30 (k30) tomados de la referencia [4], recordamos que lo correcto sería obtener estos datos a partir del terreno en cuestión:



VALORES DE K30 PROPUESTOS POR TERZAGHI

Suelo
k30 (kp/cm3)

Arena seca o húmeda:

-Suelta
0,64-1,92 (1,3)*

-Media
1,92-9,60 (4,0)

-Compacta
9,60-32 (16,0)

Arena sumergida:

-Suelta
(0,8)

-Media
(2,50)

-Compacta
(10,0)

Arcilla:

qu=1-2 kp/cm2
1,6-3,2 (2,5)

qu=2-4 kp/cm2
3,2-6,4 (5,0)

qu>4 kp/cm2
>6,4 (10)

*Entre paréntesis los valores medios propuestos





VALORES DE K30 PROPUESTOS POR DIVERSOS AUTORES

Suelo
k30 (kp/cm3)

Arena fina de playa
1,0-1,5

Arena floja, seca o húmeda
1,0-3,0

Arena media, seca o húmeda
3,0-9,0

Arena compacta, seca o húmeda
9,0-20,0

Gravilla arenosa floja
4,0-8,0

Gravilla arenosa compacta
9,0-25,0

Grava arenosa floja
7,0-12,0

Grava arenosa compacta
12,0-30,0

Margas arcillosas
20,0-40,0

Rocas blandas o algo alteradas
30,0-500

Rocas sanas
800-30.000


NOTA: 1kp corresponde aproximadamente a 9,81N



2. A partir de la determinación de parámetros característicos del suelo (módulo de deformación, tensión admisible, etc.) que se relacionan con el módulo de balasto mediante fórmulas dadas por varios autores.

2.1 Es conocida, por ejemplo, la fórmula de Vesic en función del módulo de deformación o elasticidad (Es) y coeficiente de Poisson (νs) el terreno, que en su forma reducida tiene la siguiente expresión:

ks = Es/[B (1-νs2)]


donde B es el ancho de la cimentación.

2.2 La fórmula de klepikov [5]:

ks = Es/[ωA(1/2) (1-νs2)]


con (A) el área de la base de la cimentación y (ω) un coeficiente de forma de la cimentación que para zapatas o losas se puede obtener de la tabla en función del largo (L) y del ancho (b) de la cimentación:

L/b 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
ω 0,88 0,87 0,86 0,83 0,80 0,77 0,74 0,73 0,71 0,69 0,67



2.3 También la fórmula de Bowles [6], basada en la tensión admisible de la cimentación:

ks (kN/m3) = 40*(Factor de Seguridad)*σa (kPa)


donde el factor de seguridad es el empleado para minorar la tensión admisible (2-3).



2.4 Tablas, como esta [7] que relaciona el módulo de balasto en placa circular de 30'' y el índice CBR para diferentes tipos de suelo:



- A partir del cálculo del problema en un programa que contemple la posibilidad de modelizar el terreno (usualmente mediante elementos finitos). De esta manera se introducirán sobre el terreno las acciones consideradas y se analizaran los desplazamientos (asientos) que resultan. El módulo de balasto se hallará directamente de su formulación teórica: ks=q/s.



B) Todo lo anterior está referido a módulos de balasto verticales. Para módulos de balasto horizontales de aplicación, por ejemplo, en pantallas, se puede utilizar el siguiente ábaco, debido a Chadeisson [8], que obtiene el módulo de balasto horizontal (kh), a partir del ángulo de rozamiento interno y la cohesión del terreno







EJEMPLO de cálculo de módulo de balasto:



La losa de cimentación de la figura, de 27,30 m de largo, 18,30 m de ancho y 0,50 m de espesor, se asienta sobre un terreno esencialmente arenoso, al que se le ha realizado un ensayo de placa de carga que ha dado como resultado un coeficiente de balasto de ks,30=13000 kN/m3. Calcular el módulo de balasto para utilizar en el posterior análisis estructural de la losa.



Solución:

Tenemos para la losa cuadrada en terreno arenoso:



ks, cuadrado, arenoso= k30 [(b+0,30)/(2b)]2= 13000*[(18,50+0,30)/(2*18,5)]2=3356,3 kN/m3 (*)



y para la losa rectangular:



ks, rectangular= (2/3) ks, cuadrado [1+b/(2l)]=(2/3)*3356,3*[1+18,5/(2*24,0)]= 3100,0 kN/m3




Se ha utilizado aquí el valor del ancho de la losa para b, como se ha discutido anteriormente dicho este valor conduce a un balasto menor que el real.








NOTAS:

[1] J. HAHN. <<Vigas>>. Editorial Gustavo Gili. (1982). Tercera edición.

[2] Para más información acerca de como evaluar la rigidez relativa de la estructura-cimentación se puede consultar:

-ACI, 336.2 R - 88. Suggested design procedures for combined footing and mats. American Concret Institute

-CALAVERA, JOSÉ. <<C>>, 4 Ed. Intemac, 2000

[3] CODUTO, DONALD P. - «Foundation Design. Principles and Practices». Pearson Prencice Hall.

[4] Curso aplicado de cimentaciones. José María Rodríguez Ortiz, Jesus Serra Gesta y Carlos Oteo Mazo. COAM

[5] Edward Tsudik, Ph. D., PE. <<Analysis>>. Trafford Publishing

[6] BOWLES, JOSEPH E. - "Foundation Analisis and Design". Mc Graw-Hill, 1997
[7] G. WINTER, A. H. NILSON. "Proyectos de Estructuras de Hormigón". Ed. Reverté, 1986
[8] El ábaco fue tomado de la comunicación del Simposio sobre Estructuras de Contención de Terrenos, <<Aplicaci>> de Marcos Arroyo y José P. Feijóo, publicada por la Sociedad Española de Mecánica del Suelo y Cimentaciones. A su vez, en ésta se hace referencia a la bibliografía: Monnet, A. (1994) <<Module>>, Rev. Franc. de Geotech. N 65 67-62.



PARA SABER MÁS:

- MUZAS LABAD, FERNANDO. <<Consideraciones>>. Revista de Obras Públicas Noviembre 2002. Nº 3427.

http://www.demecanica.com/Geotecnia/geo ... %20Balasto
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Coeficiente de Balasto

Notapor Ley_de_murphy » Jue Ago 02, 2007 10:20 am

Amigo:

Para todos los casos, considerar un coeficiente de Balasto de 1 tonf/m^3 es conservador en cuanto a las deformaciones del suelo. Por supuesto que esto depende de la estructura que estés calculando, pero si se trata del radier de una casita, usaría algo asi.


Saludos,


Lucho
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Notapor morfeo » Jue Ago 02, 2007 11:54 am

Bueno...al usar como modulo de reaccion del terreno 1 T/m3 .. y al aplicarlo en un área de 1 m2 ...estas diciendo que tu resorte tendra una deformacion de 1 m con la aplicacion de una carga de tan solo 1 tonelada. Creo que llegar a esta carga es demasiado facil por lo cual pienso que este valor ya se sale de lo conservador y utilizarlo sobredimensionara tu cimentacion !!

Saludos
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Notapor Ley_de_murphy » Jue Ago 02, 2007 1:26 pm

Por eso es que expliqué que para cosas pequeñas ESE PRORRATEO ME DARÍA. Para el caso de una estructura mayor usaría otro, pero no se donde vives, acá en Chile el asunto sísmico es muy importante en todos los aspectos, y entre colocar D 18 y D22 es preferible irse a la segura
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una tabla confiable de modulo de balasto

Notapor cuate » Jue Ago 02, 2007 2:27 pm

http://www.construaprende.com/csi/safe.html
en esta pagina que muestran del safe esta una pagina con los modulos de balasto contra los esfuerzos del suelo que es muy util.
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Re: MODULO DE BALASTO A USAR?????????

Notapor Athos » Mié Nov 11, 2009 9:39 am

Buenas compañeros soy un principiante y estoy intentando introducir en safe el módulo de Balasto pero no sé dónde introducirlo. Les pido por favor que me expliquen dónde introducirlo, tengo el safe 12.

un saludo compañeros!
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Re:

Notapor Bucanero » Vie May 14, 2010 3:36 am

morfeo escribió:Bueno...al usar como modulo de reaccion del terreno 1 T/m3 .. y al aplicarlo en un área de 1 m2 ...estas diciendo que tu resorte tendra una deformacion de 1 m con la aplicacion de una carga de tan solo 1 tonelada. Creo que llegar a esta carga es demasiado facil por lo cual pienso que este valor ya se sale de lo conservador y utilizarlo sobredimensionara tu cimentacion !!
Saludos


Los módulos de reacción de los terrenos (balastos) son del orden de 1000 T/m3, no de 1 T/m3
Saludos.

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