DIAGNOSTICO GEOTÉCNICO Y SIMULACIÓN NUMÉRICA DE ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES – CASO DE ESTUDIO: CENTRO DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN AGROTECNOLÓGICA “LA BARRANCA”

Declaración de originalidad y derechos de autor III Dedicatoria V Agradecimientos VII Contenido IX Lista de figuras XIV Lista de tablas XIX Resumen XXIII Abstract XXIV 1. Introducción 1 1.1. Antecedentes 1 1.2. Problema de investigación 3 1.3. Justificación 4 1.4 Pregunta de investigación 5 1.5 Objetivos 6 1.5.1 Objetivo general 6 1.5.2 Objetivos específicos 6 1.6 Hipótesis de la investigación 6 1.7 Contribución al estado del conocimiento 7 2. Marco teórico 9 2.1. Patologías Estructurales por Asentamientos Diferenciales 9 2.1.1. Definición de asentamiento 9 2.1.1.1 Factores de los asentamientos 10 2.2. Asentamientos Diferenciales 12 2.3. Causas de Asentamientos Diferenciales 13 2.4. Propiedades Geotécnicas Relevantes 14 2.4.1. Densidades Unitarias 14 2.4.1.1. La densidad unitaria o peso unitario (γ) 14 2.4.1.2. Peso Unitario Seco (γd) 15 2.4.1.3. Peso Unitario Saturado (γsat) 16 2.4.1.4. Importancia geotécnica 16 2.4.2. Contenido de agua (ω) y porosidad (n) 17 2.4.2.1. Contenido de agua o humedad gravimétrica (ω) 17 2.4.2.2. Porosidad (n) 18 2.4.2.3. Relación entre contenido de agua y porosidad 19 2.4.3. Límites de Atterberg (LL, LP) 20 2.4.3.1. Límite líquido (LL) 20 2.4.3.2. Límite Plástico (PL) 21 2.4.3.3. Índice de plasticidad (IP) 21 2.4.4. Propiedades mecánicas 22 2.4.4.1. Cohesión (c) 26 2.4.4.2. Ángulo de Fricción Interna (ϕ) 27 2.4.5. Módulos elásticos y relación esfuerzo – deformación 28 2.4.5.1. Módulo de elasticidad (E) 29 2.4.5.2. Módulo secante (Eₛ) 30 2.4.5.3. Módulo de corte (G) 30 2.4.6. Permeabilidad (k): 32 2.4.6.1. Coeficiente de Permeabilidad (k) 33 2.4.6.2. Coeficiente de Permeabilidad en función del Caudal (Q) 33 2.4.7. Coeficientes de consolidación cv y compresibilidad (mv, Cc,Cs) 34 2.4.7.1. Coeficientes de consolidación cv 35 2.4.7.1.1. Interpretación del coeficiente de consolidación (cv) 36 2.4.7.2. Coeficiente de Compresibilidad Volumétrica (mv) 39 2.5. Patologías Estructurales Asociadas 42 2.5.1. Criterios de Asentamiento Tolerable 43 2.5.1.1. Asentamiento Total Máximo (δmax ó Stotal max) 43 2.5.1.1.1. Método clásico de consolidación unidimensional (Terzaghi) 44 2.5.1.2. Asentamiento Diferencial Máximo (Δ máx) 46 2.5.1.3. Distorsión Angular (β): 46 2.5.2. Manifestaciones Típicas de Fallas por Asentamiento 48 2.5.2.1. Fisuras y Grietas 48 2.5.3.1. Evaluación del sistema porticado como unidad estructural 53 2.5.3.1.2. Grietas inclinadas 55 2.5.3.1.3. Grietas en elementos con vacíos 57 2.5.3.1.4. Grietas en muros con asentamientos diferenciales 58 2.5.3.1.6. Grietas por suelos expansivos en estructuras livianas 59 3. Marco metodológico 61 3.1. Ubicación del caso del estudio 61 3.2. Metodología Aplicada 63 3.2.1. Inspección Visual de la Estructura 63 3.2.1.1. Clasificación de grietas 63 3.2.1.1.1. Nomenclatura 64 3.2.1.2. Otros tipos de clasificaciones 66 3.2.1.2.1 Tendencia de la discontinuidad 66 3.2.1.2.2. Probabilidad de aparición 66 3.2.1.2.3. Probabilidad de aparición 67 3.3. Ensayos Geotécnicos 74 3.3.1. Ensayo de Penetración Estándar (SPT) Según (AASHTO T 2006 – ASTM D 1586 ) 74 3.3.1.1. Características del Equipo 78 3.3.1.2. Procedimiento en Campo 78 3.3.1.3. Correcciones del Valor NSPT 80 3.3.1.3.1. Corrección por eficiencia de energía: N₆₀ 80 3.3.1.3. Determinación de la Humedad Higroscópica 82 3.3.1.3.1. Procedimiento 82 3.3.1.3.2. Cálculo Esencial 83 3.3.1.4. Determinación de límites de consistencia (Atterberg) 86 3.3.1.4.1. Límite Líquido (LL) 87 3.3.1.4.2. Límite Líquido (LP) 87 3.3.1.4.3. Índice de Plasticidad (IP) 88 3.3.2. Ensayo Geofísico 95 3.3.2.1. Características del equipo utilizado: 96 3.3.2.2. Procedimiento: 97 3.3.2.3. Fundamento y ecuaciones 99 3.3.2.3.1. Ondas sísmicas — velocidad y tiempos 99 3.3.2.3.2. Velocidad electromagnética GPR 100 3.3.2.3.3. Adquisición de datos 100 4. Análisis y discusión de resultados 114 4.1. Parámetros iniciales de los materiales obtenidos de los documentos anteriores (Proceso constructivo). 114 4.1.1. Estudio de Suelos inicial 115 4.2. Modelación Numérica para verificación de Esfuerzos y Asentamientos 117 4.2.1. Parámetros de compresibilidad del suelo (Spring) 118 4.3. Modelación bidimensional de zapatas 125 4.3.1. Modelación geotécnica para una zapata. ¡Error! Marcador no definido. 4.3.2. Modelación numérica geotécnica para dos zapatas 127 5. Conclusiones y recomendaciones 135 5.1 Conclusiones 135 Recomendaciones 137 Referencias bibliográficas 138 A. PLANILLA DE INSPECCION VISUAL EN OBRA 145 B. ENSAYO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS SPT 202 C. ENSAYO GEOFÍSICO 217 D. PLANOS 227 Lista de figuras Página Figura 2.1. Figura 2.1. Asentamiento total (δ) en una fundación superficial aislada.. 9 Figura 2.2. Método gráfico de Casagrande (Método del Logaritmo del Tiempo) para determinar el coeficiente de consolidación (cv). (Lambe y Whitman). 31 Figura 2.3. Curva Deformación versus Logaritmo Tiempo Determinación Gráfica según Casagrande de t_50.. 32 Figura 2.4. Curva Deformación Versus Raíz de Tiempo Determinación Gráfica según Taylor de t_90.. 33 Figura 2.5. Curva de Compresibilidad utilizada para calcular el Índice de Compresión Cc (Lambe y Whitman). 36 Figura 2.6. Pendientes de compresibilidad y recompresión en la relación e – log σ′ (Lambe y Whitman). 37 Figura 2.7. Asentamiento total y diferencial. (a) para Losa de Fundación, (b) Para Fundaciones Aisladas, zapatas continuas y cuadradas. (Skempton y MacDonald (1956) y Grant et al. (1972)). 40 Figura 2.8. Fisuraciones por asentamientos relativos en los apoyos. (fuente: de Guía de patologías constructivas, estructurales y no estructurales)... 47 Figura 2.9. Distribución de esfuerzos por asentamiento de columna 3-4. Fuente: (F. López et al., 2004) 48 Figura 2.10. Esfuerzos adicionales por asentamientos de cimentaciones. (F. López et al., 2004). 49 Figura 2.11. Deformación de los marcos. Fuente: (F. López et al., 2004).. 49 Figura 2.12. Fenómeno de agrietamientos por asentamientos en esquinas. Fuente:(López et al., 2004). 50 Figura 2.13. Asentamiento en esquina debido a una carga puntual. (López et al., 2004). 50 Figura 2.14. Esfuerzos en grietas inclinadas (López et al., 2004). 51 Figura 2.15. Grietas inclinadas por diferentes casos de asentamientos. (López et al.,2004). 51 Figura 2.16. Curva de Compresibilidad utilizada para calcular el Índice de Compresión Cc (Lambe y Whitman). 52 Figura 2.17. Agrietamientos por cedencia de dos elementos centrales contiguos. (López et al., 2004). 52 Figura 2.18. Distorsión por huecos en pórticos. (Fathy et al., 2024). 53 Figura 2.19. Grietas en mampostería. (López et al., 2004). 53 Figura 2.20. Esquema de agrietamientos por asentamiento en esquinas y en zona central de edificio (López et al., 2004). 54 Figura 2.21. Esquema de agrietamientos por giros. (F. López et al., 2004). 54 Figura 2.22. Daños por suelos expansivos. (F. López et al., 2004). 55 Figura 2.23. Daños por empujes horizontales de suelos expansivos. Fuente: (F. López et al., 2004). 55 Figura 3.1. Distribución territorial del área en Sucre (All Rights Reserved). 57 Figura 2.18. Distorsión por huecos en pórticos. (Fathy et al., 2024). 53 Figura 2.19. Grietas en mampostería. (López et al., 2004). 53 Figura 2.20. Esquema de agrietamientos por asentamiento en esquinas y en zona central de edificio (López et al., 2004). 54 Figura 2.21. Esquema de agrietamientos por giros. (F. López et al., 2004). 54 Figura 2.22. Daños por suelos expansivos. (F. López et al., 2004). 55 Figura 2.23. Daños por empujes horizontales de suelos expansivos. Fuente: (F. López et al., 2004). 55 Figura 3.1. Distribución territorial del área en Sucre (All Rights Reserved). 57 Figura 3.2. Centro de Investigación e Innovación Agrotecnológica “La Barranca”. 58 Figura 2.19. Grietas en mampostería. (López et al., 2004). 53 Figura 2.20. Esquema de agrietamientos por asentamiento en esquinas y en zona central de edificio (López et al., 2004). 54 Figura 2.21. Esquema de agrietamientos por giros. (F. López et al., 2004). 54 Figura 2.22. Daños por suelos expansivos. (F. López et al., 2004). 55 Figura 2.23. Daños por empujes horizontales de suelos expansivos. Fuente: (F. López et al., 2004). 55 Figura 3.1. Distribución territorial del área en Sucre (All Rights Reserved). 57 Figura 3.2. Centro de Investigación e Innovación Agrotecnológica “La Barranca” 58 Figura 3.3. Muro externo Planta Baja Eje: D3-D4. 64 Figura 3.4. Muro externo nivel 1: Eje: D2-D3 64 Figura 3.5. Muro externo PB: Eje: D2-D3. 65 Figura 3.6. Muro externo PB: Eje: D2-D3 65 Figura 3.7. Muro externo (N1) y Muro externo (PB) Eje E1-E2 66 Figura 3.8. Muro interno (N1) y Muro interno (N1) Eje E1-E2 67 Figura 3.9. Piso interno (N2) Eje D3-D2 . 68 Figura 3.10. Piso interno - columna (N2) Eje D3-D2 68 Figura 3.11. Piso interno - columna (N2) Eje E´5 68 Figura 3.12. Muro Externo (PB) E1-D1 12.28 69 Figura 3.13. Muro Externo (PB) - (N2) Eje E1 69 Figura 3.14. Ubicación del caso de estudio 71 Figura 3.15. Talud de transición con muro de contención y estancamiento hídrico en superficie. . 71 Figura 3.16. Mapa de ubicación de los sondeos del ensayo SPT realizados. 73 Figura 3.17. Ensayo de Penetración Estándar (SPT) 73 Figura 3.18. Extracción de muestras 73 Figura 3.19. Ensayo de Limite Liquido 82 Figura 3.20. Ensayo de Limite Plástico 82 Figura 3.21. Ensayo SPT – Sondeo 1 84 Figura 3.22. Ensayo SPT – Sondeo 2 . 85 Figura 3.23. Ubicación del Ensayo Geofísico. 91 Figura 3.24. Ensayo de Limite Plástico 82 Figura 3.25. a) sección transversal de corte del eje D. b) sección transversal de corte del eje 1. 100 Figura 3.26. Resultado final del análisis MASW: En un corte transversal 2D de velocidades de onda de corte (Vs) versus profundidad a los 10 m. . 101 Figura 3.27. Resultado final del análisis MASW: En un corte transversal 2D de velocidades de onda de corte (Vs) versus profundidad a los 34 m. 105 Figura 4.1. Georeferenciación del Emplazamiento del Edificio de la Barranca y la ubicación del bloque N°4 – Caso de Estudio. (Google Earth 2024).. . 108 Figura 4.2 Captura obtenida del estudio de suelos inicial, en el cual se muestra los datos de capacidad portante para el diseño de las zapatas. (Documentos proporcionados del Proyecto Inicial).. 109 Figura 4.3. Sección Transversal del análisis Estructural y de fundaciones, con sus respectivas cotas y dimensiones. (Elaboración propia).. . 110 Figura 4.4. a)Esfuerzos Máximos de flexión M33, b) Cortantes máximas V22 (Elaboración propia). 113 Figura 4.5. a)Modelo MT2 con su deformación final para las cargas aplicadas y parámetros del suelo, b) Geometría y dimensiones del eje crítico para el análisis de asentamientos (Elaboración propia). . 114 Figura 4.6 . a)Esfuerzos Máximos de flexión M33, b) Cortantes máximas V22 (Elaboración propia). 115 Figura 4.7. a)Modelo MT3 con su deformación final para las cargas aplicadas y parámetros del suelo, b) Geometría y dimensiones del eje crítico para el análisis de asentamientos (Elaboración propia). 116 Figura 4.8 Verificación de Distorsiones angulares en la estructura, del Eje transversal. (Elaboración propia). 116 Figura 4.8. a)Deformación con fisuras entre el sobrecimiento encima de la viga de arriostre +0.00 Eje 1, b) Fisuras transversales debido a los asentamientos diferenciales con fisuras en las vigas de los otros niveles (Elaboración propia). 115 Figura 4.9. Modelo constitutivo elástico lineal Mohr-Coulomb (Al-Taie, Al-Ansari & Knutsson, 2016.) 118 Figura 4.10. Generación del Mallado más densificado en la parte central y donde se tienen el contacto entre elementos. (Elaboración propia). 119 Figura 4.11. Deformación Direccional debido a la carga que provoca la deformación mayor en la fundación. (Elaboración propia). 120 Figura 4.13. Proceso final del esfuerzo de Von Misses para arcillas plásticas (Elaboración propia).. 121 Figura 4.14. Identificación y sobreposición de los niveles de fundación en base a los ensayos geofísicos para la modelación numérica (Elaboración propia). 118 Figura 4.15. Deformación para verificación de asentamientos en modelo numérico 2D (Elaboración propia)... 123 Figura 4.16. Deformación para verificación de asentamientos en modelo numérico 2D (Elaboración propia).. 124 Figura 4.17. Daños localizados por asentamientos según el Anexo A, de la columna E-1 (Elaboración propia)... 126 Lista de tablas Página Tabla 2.1. Valores Típicos de Resistencia al Corte Efectiva (c y ϕ) según el Tipo y Estado del Suelo. 24 Tabla 2.2. Rangos típicos de módulos elásticos según tipo de suelo. 212 Tabla 2.3. Clasificación típica del coeficiente de permeabilidad en suelos. 30 Tabla 2.4. Parámetros típicos (Adaptado de FAO). 38 Tabla 2.5. Tipos de Asentamiento y su Impacto. ¡Error! Marcador no definido. Tabla 2.6. Valores admisibles de asentamiento total según tipo de diferentes fuentes 41 Tabla 2.7. Límites de Distorsión Angular. 43 Tabla 2.8. Criterios de Asentamiento Diferencial Admisible 43 Tabla 2.9. T Clasificación de fisuras y grado de repercusión en la estructura. 45 Tabla 2.10. Clasificación de grietas y grado de repercusión en la estructura 46 Tabla 3.1. Clasificación de discontinuidades según su separación.. 60 Tabla 3.2. Clasificación de discontinuidades según su textura 60 Tabla 3.3. Dirección de propagación en muros. 61 Tabla 3.4. Dirección de propagación en Pisos. 61 Tabla 3.5. Tendencia de la discontinuidad.. 62 Tabla 3.6 Probabilidad de aparición. 62 Tabla 3.7. Grado de discontinuidad... 63 Tabla 3.9. Muestra 1: Profundidad: 0.45 - 0.90 (m) 72 Tabla 3.10. Muestra 2: Profundidad: 1.65 - 2.10 (m). 79 Tabla 3.11. Muestra 3: Profundidad: 2.55 - 3.00 (m) 79 Tabla 3.12. Muestra 4: Profundidad: 3.45 - 3.90 (m). 79 Tabla 3.13. Muestra 5: Profundidad: 4.65 - 5.10 (m) 80 Tabla 3.14. Muestra 1: Profundidad: 0.45 - 0.90 (m) 80 Tabla 3.15. Muestra 2: Profundidad: 1.65 – 2.10 (m) 80 Tabla 3.16. Muestra 3: Profundidad: 2.55 – 3.00 (m). 81 Tabla 3.17. Muestra 4: Profundidad 3.45 - 3.90 (m) 81 Tabla 3.18. Muestra 5: Profundidad 4.65 – 5.10 (m). 81 Tabla 3.19. Muestra 6: Profundidad 5.55 – 6.00 (m) 81 Tabla 3.20. Coordenadas del sondeo 2 87 Tabla 3.21. Granulometría y Límites de Atterberg 87 Tabla 3.22. Ensayo de Penetración Estándar. 1 88 Tabla 3.23. Ensayo de Penetración Estándar 2 88 Tabla 3.24. Datos geográficos de los sondeos 89 Tabla 3.25. Equipo de Refracción Sísmica 92 Tabla 3.26. Ensayo Geofísico. 93 Tabla 3.27. registro visual de las ondas sísmicas tal como fueron captadas por los geófonos en "La Barranca". 97 Tabla 3.28. Espectro de energía que indica cómo la velocidad de las ondas cambia con la frecuencia y por ende con la profundidad.. 98 Tabla 3.29. Estimación de rigidez del terreno según el resultado MASW 102 Tabla 3.30. Clasificación del suelo según la velocidad de onda - CNBDS. 103 Tabla 3.31. Estimación de rigidez del terreno según el resultado CNBDS. 104 Tabla 4.1. Documentos para la evaluación geotécnica estructural 107 Tabla 4.2. Parámetros de los estudios de suelos para la Modelación numérica.. 113 Tabla 4.3. Documentos para la evaluación geotécnica estructural 107 Tabla 3.31. Estimación de rigidez del terreno según el resultado CNBDS. 104 Tabla 4.1. Documentos para la evaluación geotécnica estructural 107 Tabla 4.2. Parámetros de la zapata y el suelo para la modelación numérica. 118 Tabla 4.1. Documentos para la evaluación geotécnica estructural 107

El propósito de esta investigación fue analizar los asentamientos diferenciales que afectan al edificio “La Barranca” en la ciudad de Sucre, relacionando las patologías estructurales observadas con las condiciones geotécnicas del terreno mediante técnicas de modelación numérica, con el fin de proponer soluciones técnicas para su rehabilitación. Las actividades desarrolladas incluyeron inspección visual de la estructura, clasificación de grietas, ensayos geotécnicos (SPT, humedad, límites de Atterberg), estudios geofísicos (ondas sísmicas, GPR), y modelación numérica bidimensional con software ANSYS especializado para simular esfuerzos y asentamientos. Se analizó la interacción suelo-estructura y se evaluaron medidas correctivas. Los resultados obtenidos confirmaron la presencia de suelos heterogéneos con capas sedimentarias irregulares y depósitos aluviales, lo que genera asentamientos diferenciales significativos que comprometen la estabilidad del edificio. La modelación numérica permitió reproducir los patrones de daño observados y validar las hipótesis planteadas. Entre los principales hallazgos se destaca que la variabilidad lateral del subsuelo en Sucre representa un factor crítico para la estabilidad estructural. La ausencia de estudios geotécnicos detallados en etapas de diseño incrementa el riesgo de fallas. La modelación numérica se consolida como una herramienta eficaz para predecir y mitigar asentamientos en suelos problemáticos, y se proponen medidas correctivas específicas para mejorar la seguridad y funcionalidad de la edificación.