documento básico se-c seguridad estructural...

Doctorado: El Requisito Básico de Seguridad Estructural en la Ley Orgánica de la Edificación: Código Técnico de la Edificación

Documento básico SE-CSeguridad estructural

Cimientos

José Luis de Justo Alpañés

Catedrático de Universidad

Área de Ingeniería del Terreno

Universidad de Sevilla

Tema 1:

Generalidades y bases de cálculo


ÍNDICE

ÁMBITO DE APLICACIÓN

BASES DE CÁLCULOGeneralidadesMétodo de los estados límites

• Estados límites últimos• Estados límites de servicio

COEFICIENTES DE SEGURIDAD

LA SEGURIDAD EN EL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

ESTABILIDAD A CORTO Y LARGO PLAZO

MÉTODOS DE LAS PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALES


ÁMBITO DE APLICACIÓN

El ámbito de aplicación de este documento básico es el

de la seguridad estructural, capacidad portante y aptitud

al servicio de los elementos de cimentación y, en su caso,

de contención de todo tipo de edificios, en relación con

el terreno, independientemente de lo que afecta al

elemento propiamente dicho, que se regula en los

Documentos Básicos relativos a la seguridad estructural

de los diferentes materiales o la instrucción EHE.


BASES DE CÁLCULO: Generalidades

El comportamiento debe comprobarse frente a:• Estados límite últimos: Colapso total o parcial del terreno o fallo

estructural de la cimentación• Estados límite de servicio: Requisitos de deformaciones del

terreno por razones estéticas y de servicio.Se tendrán en cuenta los efectos que, dependiendo del tiempo, puedan afectar a la capacidad portante o aptitud al servicio de la cimentación (acciones químicas, cargas variables repetidas, etc.)Las situaciones de dimensionado se clasifican en:

• Situaciones persistentes: Condiciones normales de uso• Situaciones transitorias: Aplicables durante un tiempo limitado

(sin drenaje o de corto plazo)• Situaciones extraordinarias o excepcionales (sismo)

Las condiciones que aseguren el buen comportamiento de los cimientos se deben mantener durante la vida útil del edificio


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS

Se consideran estados límites últimos todos aquellos considerados como tales en el apartado 3.2.1 del DB-SE:

Pérdida de la capacidad portante del terreno de apoyo (hundimiento, deslizamiento, vuelco, ...)

Pérdida de la estabilidad global en el entorno de la cimentación

Pérdida de la capacidad resistente por fallo estructural

Fallos efectos que dependen del tiempo (durabilidad, fatiga del terreno bajo cargas variables repetidas)


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO

Se consideran estados límites últimos todos aquellos considerados como tales en el apartado 3.2.2 del DB-SE:

Movimientos excesivos que puedan inducir esfuerzos y deformaciones anormales en la estructura

Vibraciones que puedan producir falta de confort o reducir la eficacia funcional de la estructura

Los daños o el deterioro que pueden afectar negativamente a la apariencia, a la durabilidad o a la funcionalidad de la obra


COMPROBACIONESMétodo de los coeficientes parciales:

Los estados límite se comprueban mediante modelosLas acciones y los parámetros del terreno se afectan por coeficientes parciales

Acciones:Acciones sobre el edificio (apartado 3.3.2.1 del DB-SE)Acciones del edificio sobre la cimentación (apartados 3.3.2.2 y 3.3.2.3 del DB-SE)Acciones geotécnicas sobre la cimentación

• Acciones que actúan directamente sobre el terreno y que por proximidad pueden afectar a la cimentación.

• Cargas y empujes debidos al peso propio del terreno• Acciones del agua existente en el terreno

Parámetros del terreno:Valor característico: Estimación prudente de su valorDepende del estado límite que se considereSi se utilizan métodos estadísticos se asocia al cuantil del 95%, por encima o por debajo según sean desfavorables o favorables.


TIPOS DE ACCIONES

Permanentes para condicionales normales (actúan siempre):Pesos propios y cargas muertasEmpujes del terrenoEmpujes, presiones y subpresiones del agua permanentes

Variables para un tiempo limitado (puede actuar o no):Acciones específicas del proceso constructivoSituaciones sin drenaje (a corto plazo)Cargas de uso o explotaciónAcciones climáticas (lluvia, viento, nieve, cambios térmicos, etc.)Aumento transitorio del empuje, presión y subpresión del agua

Accidentales, o excepcionales (por su rareza, tienen una escasa probabilidad de ocurrencia):

Inundaciones o avenidas extraordinariasAumento accidental del empuje, presión o subpresión del aguaChoques o impactosSismos


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS: Verificación de la estabilidad

La estabilidad frente al vuelco o la subpresión quedaráverificada si:

Ed, dst≤ Ed, stb

siendo:Ed, dst el valor de cálculo del efecto de las acciones desestabilizadorasEd, stb el valor de cálculo del efecto de las acciones estabilizadorasEstos valores se determinarán más adelante


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS: Verificación de la resistencia

Se distingue entre resistencia local y resistencia global

Resistencia local: hundimiento y deslizamiento

Resistencia global: estabilidad de la cimentación frente a posibles deslizamientos a lo largo de superficies pésimas que la engloben.

Resistencia local:Ed≤ Rd

siendo:Ed el valor de cálculo del efecto de las accionesRd el valor de cálculo de la resistencia del terrenoEstos valores se determinarán más adelante


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS: Verificación de la capacidad estructural de la cimentación

La resistencia quedará verificada si el valor de cálculo del efecto de las acciones del edificio y del terreno sobre la cimentación no supera el valor de cálculo de la resistencia de la cimentación como elemento estructural.

El valor de cálculo del efecto de las acciones del edificio y del terreno sobre la cimentación se determinará más adelante.

El valor de cálculo de la resistencia de la cimentación como elemento estructural se determinará según el apartado 4.2.4 del DB-SE y según la reglas de los Documentos Básicos relativos a la seguridad estructural de los diferentes materiales o la instrucción EHE.


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS: Valores de cálculo del efecto de las acciones

Para la combinación de acciones que se deban considerar simultáneas.

Valor de cálculo del efecto de las acciones:Ed =γE. E (γF .Frepr; XK/ γM; ad)siendo: Frepr el valor representativo de las acciones que intervienen en la situación de dimensionado consideradaXK el valor característico de los materialesad el valor de cálculo de los datos geométricosγE el coeficiente parcial para el efecto de las accionesγF el coeficiente parcial para las accionesγM el coeficiente parcial para las propiedades de los

materiales


ESTADOS LÍMITES ÚLTIMOS: Valores de cálculo de la resistencia del terreno

Valor de cálculo de la resistencia del terreno:

);;(1d

M

KrepF

Rd aXFRR

γγ

γ⋅=

siendo:

γR el coeficiente parcial de resistencia

La utilización conjunta de γF = 1, γM = 1 y γR= 1 en la expresión anterior proporciona, para cada tipo de cimentación y estado límite último, el valor característico de la resistencia del terreno


COEFICIENTES DE SEGURIDAD: Razones para su uso

Una estructura debe:Soportar las máximas fuerzas que tienen una probabilidad razonable de presentarse durante un período de vida también razonable.Cumplir adecuadamente su funciónY esto debe conseguirse dentro de la máxima economía

La probabilidad de fallo:En estructuras de contención sometidas al empuje de tierras es de 1/1000 (y suele ocurrir cuando el relleno es arcilloso)En cimentaciones es de 1 entre 5000 a 10000

La confianza en este cumplimiento se mide con los “coeficientes de seguridad”

En los problemas geotécnicos hay más incertidumbres que en los estructurales por:

La complejidad del comportamiento del terrenoEl reconocimiento del terreno puede no detectar anomalías puntuales (zonas blandas, discontinuidades, etc.)También hay incertidumbres en la geometría y en las acciones consideradas


COEFICIENTES DE SEGURIDAD: Enfoque tradicional

En el enfoque tradicional, el COEFICIENTE DE SEGURIDAD es la relación entre la magnitud que produce un fallo y la real:

En terrenos de rotura frágil se aplicará a la carga que produce la rotura, usualmente repentinaEn terrenos de rotura dúctil, se aplicará a la deformación máxima admisible (no es usual)

Aplicado a las cargas se definirá como:

Otra definición es la que cifra por la que hay que dividir la resistencia a cortante del terreno para que se produzca la rotura

En Geotecnia se ha empleado un coeficiente de seguridad global aplicado al final del proceso:

Varía entre 1,5 – 6Según el mecanismo de fallo y proceso de cálculo

realacroturadeac

QQF r

argarg

==


COEFICIENTES DE SEGURIDAD: coeficientes de seguridad parciales

Si se aplicaran COEFICIENTES DE SEGURIDAD PARCIALESse obtendría una confianza más uniforme en cada parámetro:

VALORES PROPUESTOS POR BRINCH HANSEN Y LUNDGREN, 1960

1,2 – 1,5SOBRECARGAS MÓVILES

1,0 – 1,2PRESIONES DE AGUA

1,0PESO PROPIO Y CARGAS PERMANENTES

1,0 – 1,5RESISTENCIA AL CORTE

1,0 – 1,2ÁNGULO DE ROZAMENTO INTERNO

1,0 – 1,5COHESIÓN

EMPUJE DE TIERRAS

1,2 – 1,3ÁNGULO DE ROZAMIENTO INTERNO

2,0 – 2,5COHESIÓNCIMENTACIONES

1,3 – 1,5RESISTENCIA AL CORTE

1,2 – 1,5ÁNGULO DE ROZAMENTO INTERNO

1,5 – 2,0COHESIÓN

TALUDES

COEFICIENTE DE SEGURIDADPARÁMETRO DE RESISTENCIA AL CORTETIPO DE OBRA

aac tg

tgF

cc

Fφφ

== φφ

φ⋅σ+=τ

Ftg

Fc

c


Notas a la tabla 2.1:

Coeficientes de seguridad parciales:γE = para el efecto de las accionesγF = para las accionesγM = para las propiedades de los materialesγR = de la resistencia


ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO: Verificaciones a efectuar

El comportamiento adecuado de la cimentación, para un determinado criterio, queda verificado si:

Eser≤ Clim

siendo:Eser el efecto de las acciones para una determinada situación de dimensionado Clim el valor límite para el mismo efecto


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO: DesplazamientosASIENTO (s): Descenso de un punto de la cimentaciónASIENTO DIFERENCIAL (Δs): Diferencia entre dos puntosDISTORSIÓN ANGULAR (β): Asiento diferencial entre dos puntos dividido por la distancia que les separa, referido a la línea A’-D’.

• Giro relativo: Referido a la línea de inclinación mediaINCLINACIÓN O GIRO (ω): Ángulo girado con respecto a la vertical según la línea media de deformadaDESPLAZAMIENTO HORIZONTAL (x)DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DIFERENCIAL (Δx)DISTORSIÓN HORIZONTAL (ε): Desplazamiento horizontal diferencial dividido por la distancia entre los puntos


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO : Desplazamientos


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO: Vibraciones

Vibraciones estacionarias:

Medidas verticales centro forjados o techos < 10 mm/s

Vibraciones horizontales medidas en el piso más alto <5 mm/s


Vibraciones de corta duración: Mayor componente del valor de pico vibración del terreno

200,0424Edificios

sensibles a vibraciones

450,0959Viviendas

1000,21220

Naves industriales ligeras con

estructura HA o metálica

Frecuencia principal (Hz)

2-15 15-75 >75

Velocidad Desplazamiento Velocidad

(mm/s) (mm) (mm/s)

Clase de edificio

Para f =15-75Hz v=2πfd


Vibraciones de corta duración: Velocidad de vibración en cimentaciones y estructuras

88-103-83Edificios sensibles a vibraciones

1515-205-155

Viviendas20

4040-5020-4020Naves industriales ligeras con estructura

HA o metálica

Forjados o techos

Vibración vertical

Techo

Mayor componente horizontal

Cimientos (mayor componente)

Frecuencias

<10 Hz 10-15 Hz >50

Clase de edificio



Al analizar un cambio de tensiones en el terreno se puede analizar su equilibrio:

A corto plazo: Sin tiempo para el drenajeA largo plazo: Se alcanza una situación estable de

• Presiones intersticiales: Se produce el drenaje• Resistencia: Se alcanza el valor de equilibrio, tal vez el residual

El “tiempo” es relativo y depende de la permeabilidad del terreno

Estas situaciones suelen ser las más críticas:A veces una situación intermedia puede ser más crítica (porincrementos localizados de las presiones intersticiales, por la geometría, las cargas, etc.)En suelos permeables (granulares) “no existe el corto plazo” dado que el drenaje es instantáneo

Según la situación convendrá estudiar el problema en tensiones efectivas o totales

(LEY DE TERZAGHI: σ’= σ - u)



EL COEFICIENTE DE SEGURIDAD PUEDE CALCULARSE A:CORTO PLAZO:

• Al cabo de un tiempo lo suficientemente corto, con relación a la permeabilidad del terreno, para que no haya habido prácticamente drenaje producido por el cambio de tensiones

• Los suelos saturados experimentan un crecimiento de las presiones intersticiales al cargarlos (prácticamente sólo si k<10–6 m/s) : Se entiende que una situación es de «corto plazo» cuando el suelo, previamente cargado, no ha disipado las presiones intersticialesgeneradas por las cargas

LARGO PLAZO:• Al cabo de un tiempo lo suficientemente largo, con relación a la

permeabilidad del terreno, para que hayan llegado a situaciones de equilibrio las presiones intersticiales y la resistencia del terreno

• Las presiones intersticiales del terreno se encuentran en régimen estacionario tras haber disipado los excesos de presión inducidos por modificaciones tensionales previas


PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALESEn problemas a largo plazo:

Se emplea el método de las presiones efectivasHay que obtener las presiones efectivas y las intersticiales (estudiando la red de corrientes o midiéndolas in situ)

• Por encima del nivel freático: γ=γap

• Por debajo del nivel freático: γ=γ’=γsat-γw ; γw=9,81 kN/m3

Los parámetros resistentes del terreno son los obtenidos en ensayos de corte directo o triaxiales, con drenaje: c’ y φ’.

En problemas a corto plazo:El suelo está saturado y no ha drenado: Es más sencillo calcular en presiones totales sin considerar las presiones intersticiales (u).

• Por encima del nivel freático: γ=γap

• Por debajo del nivel freático: γ=γsat

Los parámetros resistentes del terreno obtenidos en ensayos de laboratorio son los correspondientes a ensayos de corte directo o triaxiales, sin consolidación y sin drenaje (o también en ensayos de compresión simple):

• cu=qu/2 ; φu=0


PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALES

Problemas habituales en Geotecnia:Cimentación directa sobre arcillas (edificio o terraplén):

• Más desfavorable a corto plazo– Cálculo en presiones totales– Parámetros de ensayos sin drenaje (cu=qu/2, φu)– φu=0– Peso específico bajo nivel freático: γsat

Muros y taludes (excavaciones):• Más desfavorable a largo plazo

– Cálculo en presiones efectivas + presiones intersticiales– Parámetros de ensayos drenados (c’, φ’)– Bajo el N.F. peso específico sumergido γ’

documento básico se-c seguridad estructural...

Documents