Estudio comparativo en el dimensionamiento de cimentaciones

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(1)Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos Máster de Estructuras, Cimentaciones y Materiales. Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones Trabajo Fin de Máster Juan Antonio López Martínez Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Tutores:. Francisco Millanes Mato Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Juan C. Mosquera Feijóo Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Madrid, Julio 2013.

(2) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. -2-.

(3) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. ÍNDICE.. RESUMEN. ................................................................................................................................. - 7 ABSTRACT. ................................................................................................................................ - 8 AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. - 9 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES GENERALES. ................................................................. - 9 2. OBJETIVOS........................................................................................................................... - 10 3. ESTADO DEL ARTE Y ANTECEDENTES EXISTENTES. ........................................................... - 11 3.1. MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITE .................................................................................. - 11 3.1.2 Introducción y planteamiento ....................................................................................... - 11 3.1.3. Método de los coeficientes globales de seguridad. ..................................................... - 13 3.1.4. Método de los coeficientes parciales de seguridad. .................................................... - 14 3.4 TRADICIÓN ESPAÑOLA DEL CÁLCULO GEOTÉCNICO. ...................................................... - 14 3.4.1. Introducción. ................................................................................................................. - 14 3.4.2. GUIA DE CIMENTACIONES PARA OBRAS DE CARRETERA.............................................. - 15 3.4.2.1. Introducción. .............................................................................................................. - 15 3.4.2.2. Filosofía de diseño...................................................................................................... - 15 3.4.2.3. Conclusiones. ............................................................................................................. - 17 3.4.3. RECOMENDACIONES PARA OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS 2005. ....................... - 18 3.4.3.1. Introducción. .............................................................................................................. - 18 3.4.3.2. Filosofía de diseño...................................................................................................... - 18 3.4.3.3 Conclusiones ............................................................................................................... - 20 3.4.4 Resumen y conclusiones de la tradición española en cálculo geotécnico. .................. - 20 3.5. EUROCÓDIGO 7 (UNE-EN 1997-1). PROYECTO GEOTÉCNICO. ....................................... - 21 3.5.1. Introducción. ................................................................................................................. - 21 3.5.2. Filosofía de diseño del Eurocódigo-7. ........................................................................... - 21 3.5.2.1. Método de los estados límite..................................................................................... - 21 3.5.2.1.1 Modos de fallo correspondientes con ELU. ............................................................. - 22 3.5.2.1.2 Modos de fallo correspondientes con ELS ............................................................... - 26 3.5.3 Procedimientos para verificar los estados límite. ......................................................... - 27 3.5.3.1 Introducción. .............................................................................................................. - 27 3.5.3.2 Verificación mediante cálculos................................................................................... - 27 -3-.

(4) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.5.3.3 Verificación mediante medidas prescriptivas. ............................................................ - 28 3.5.3.4 Verificación mediante ensayos de carga y modelos experimentales. ........................ - 29 3.5.3.5 Verificación mediante el método observacional ....................................................... - 29 3.5.4 Enfoque de proyecto. .................................................................................................... - 30 3.5.4.1 Introducción. .............................................................................................................. - 30 3.5.4.2 Enfoque de proyecto 2 ............................................................................................... - 32 3.5.5 Obtención del valor de cálculo del efecto de las acciones. ........................................... - 32 3.5.6 Obtención del valor de cálculo de la resistencia del terreno......................................... - 33 3.5.7 Combinación de las acciones. ........................................................................................ - 34 3.5.7.1. Introducción. .............................................................................................................. - 34 3.5.7.2 Combinaciones para comprobaciones en ELU ............................................................ - 34 3.5.7.3 Combinaiones para comprobaciones en ELS .............................................................. - 36 4. DESARROLLO DEL TRABAJO. CARGA DE HUNDIMIENTO EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES. ....................................................................................................................... - 38 4.1 Introducción. ..................................................................................................................... - 38 4.2 EVOLUCIÓN DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO. ................................................................. - 38 4.2.1 Introducción ................................................................................................................... - 38 4.2.2 Prandtl (1920)................................................................................................................. - 39 4.2.3 Terzaghi (1943)............................................................................................................... - 40 4.2.4 Meyerhof (1951,1963) ................................................................................................... - 42 4.2.4 Brinch-hansen (1961, 1970) .......................................................................................... - 47 4.2.4.1. Brinch-hansen 1961 ................................................................................................... - 47 4.2.4.2 Brinch-hansen 1970 .................................................................................................... - 51 4.2.5 Vesic (1973) .................................................................................................................... - 58 4.3 DIFERENCIAS ENTRE LOS DIVERSOS AUTORES. ................................................................. - 62 4.4 FORMULACIONES EMPLEADAS EN DIVERSAS PUBLICACIONES. ....................................... - 67 4.4.1 Geotecnia y Cimientos II ................................................................................................ - 67 4.4.2 Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera. ............................................................. - 75 4.4.3 R.O.M 0.5-05 .................................................................................................................. - 78 4.4.4. UNE-EN 1997-1 .............................................................................................................. - 80 4.4.5 NF P 94-261 Cimentaciones Superficiales ...................................................................... - 82 4.4.6 Principles of Foundation Engineering (Braja Das) .......................................................... - 82 4.4.7. Canadian Foundation Engineering Manual ................................................... - 85 4.4.8 CAN/CSA-S6-06. Canadian Highway Bridge Desing Code .............................................. - 87 -4-.

(5) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 4.4.9 AASHTO .......................................................................................................................... - 88 4.5 RESUMEN DE LA EVOLUCIÓN DE LA FORMULACIÓN DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO .. - 93 4.6 FORMULACIONES EMPLEADAS EN DIVERSOS PAISES EUROPEOS. ................................... - 94 4.7. FACTORES CORRECTORES.COMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES AUTORES. .............. - 98 4.7.1. FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA (Nc, Nq y Nγ) ..................................................... - 98 4.7.2 FACTORES DE FORMA (sc, sq y sγ) ............................................................................... - 105 4.7.2.1.Comparación de los factores de forma para distintos autores y publicaciones. ...... - 107 4.7.2.2. Influencia de la inclinación de la carga y su orientación en los factores de forma según Brinch-Hansen. ...................................................................................................................... - 111 4.7.3. FACTORES DE PROFUNDIDAD (dc, dq y dγ) ................................................................. - 116 4.7.4 FACTORES DE INCLINACIÓN DE LA CARGA................................................................... - 119 4.7.4.1. Analisis de la influencia de la orientación de la carga y forma de la zapata en los factores de inclinación empleados en el eurocódigo 7......................................................... - 122 4.7.4.2 Comparación de los factores de inclinación de la carga del eurocódigo 7 con los propuestos por Brinch-Hansen (1970), Guía de Cimentaciones y R.O.M.0.5-0.5 ................. - 125 4.7.5. FACTORES DE INCLINACIÓN DE LA BASE DE LA ZAPATA. ............................................ - 132 4.7.6. FACTORES DE INCLINACIÓN DEL TERRENO. ................................................................ - 137 4.8. RESUMEN Y CONCLUSIONES. ......................................................................................... - 139 4.8.1. Resumen de la evolución de la carga de hundimiento. .............................................. - 139 4.8.2.Resumen crítico y conclusiones de a formulación del Eurocódigo 7. ......................... - 141 4.8.3 Conclusiones................................................................................................................ - 143 5. ASPECTOS DEL DISEÑO EN ELU SEGÚN UNE-EN 1997-1. ............................................ - 144 5.1. INTRODUCCIÓN Y ASPECTOS GENERALES...................................................................... - 144 5.2. VUELCO PLÁSTICO. ......................................................................................................... - 144 5.2.1 Introducción. ................................................................................................................ - 144 5.2.2 Vuelco plástico según R.O.M.0.5-0.5 ........................................................................... - 145 5.2.3. Estados límite últimos en estructuras de contención según UNE-EN 1997-1. ........... - 146 5.2.4. Verificaciones en ELU: GEO de hundimiento y EQU de vuelco rígido. ....................... - 149 5.2.4.1. Verificación de la resistencia última frente al hundimiento (GEO).......................... - 149 5.2.4.2 Verificación de la resistencia última frente a la pérdida del equilibrio estático. vuelco rígido. .................................................................................................................................... - 150 5.2.4.3. Coeficientes parciales de las acciones para las verificaciones EQU y GEO de hundimiento. ......................................................................................................................... - 151 5.2.5. Motivos por los cuales el vuelco plástico no puede condicionar frente a la verificación ELU GEO de la UNE-EN 1997-1 .............................................................................................. - 153 -5-.

(6) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 5.2.6. Conclusiones ............................................................................................................... - 154 5.3. CARGA DE HUNDIMIENTO EN ELU Y ELS. ....................................................................... - 155 5.3.1. Introducción. ............................................................................................................... - 155 5.3.2. Diferencias en la comprobación del hundimiento en ELS y ELU. ................................ - 155 5.3.2.1.Introducción. ............................................................................................................. - 155 5.3.2.2. Comprobación del hundimiento. UNE-EN 1997-1. .................................................. - 156 5.3.2.3. Comprobación del hundimiento según tradición española. .................................... - 158 5.3.3. Presión de hundimiento. ............................................................................................. - 158 5.3.4. Presión solicitante. area efectiva. ............................................................................... - 159 5.3.5 ESTUDIO DE UNA ZAPATA REAL EN ELU Y ELS. ........................................................... - 161 5.3.5.1 Introducción y objetivos............................................................................................ - 161 5.3.5.2. Zapata correspondiente a pila corta. ....................................................................... - 162 5.3.5.2.1. Generalidades. ...................................................................................................... - 162 5.3.5.2.2. Análisis con formulación de Brinch- Hansen. ........................................................ - 163 5.3.5.2.3. Análisis con formulación de R.O.M.0.5-0.5 .......................................................... - 167 5.3.5.2.4. Comparación de seguridades en ambas formulaciones ....................................... - 170 5.3.5.3. Zapata correspondiente a pila alta. ......................................................................... - 171 5.3.5.3.1 Generalidades. ....................................................................................................... - 171 5.3.5.3.2. Análisis con formulación de brinch hansen. ......................................................... - 172 5.3.5.3.3. Análisis con formulación de R.O.M.0.5-0.5 ......................................................... - 175 5.3.5.3.4. Comparación de seguridades en ambas formulaciones ....................................... - 178 5.3.6. Resumen y conclusiones. ........................................................................................... - 179 6. RESUMEN Y CONCLUSIONES. .......................................................................................... - 180 6.1. Resumen genral.............................................................................................................. - 180 6.2 Resumen y conclusiones sobre el estuio de las filosofiás de diseño de cimentaciones actuales y las propuestas en los Eurocódigos. ...................................................................... - 181 6.3. Resumen y conclusiones sobre las forumulaciones analíticas del cálculo de la carga de hundimiento de un terreno................................................................................................... - 181 6.4. Resumen y conclusiónes sobre las consecuencias del diseño de las cimentaciones superficiales en ELU .............................................................................................................. - 183 ANEJO 1. CALCULO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO EN ELS Y ELU ................................... - 184 BIBLIOGRAFÍA. ...................................................................................................................... - 219 -. -6-.

(7) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. RESUMEN.. El presente documento es el resultado de la participación de forma activa del autor en el equipo de la oficina de proyectos IDEAM S.A. encarga de realizar en U.T.E. con F.H.E.C.O.R. un manual de aplicación del Eurocódigo 7 a petición de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento. El trabajo se ha centrado en la comparación entre las diversas formulaciones existentes para obtener la carga de hundimiento en cimentaciones superficiales, comparando los resultados de los distintos factores que participan en la formulación de los diferentes autores. De este modo el estudio ha servido para detectar algunas incongruencias entre las formulaciones clásicas de Brinch-Hansen y la formulación propuesta en el anexo D del Eurocódigo 7 (UNE-EN 1997-1) A sí mismo la investigación también se centra en las implicaciones que supone realizar el diseño de las cimentaciones superficiales utilizando para ello el método de los coeficientes parciales de seguridad y combinaciones de acciones mayoradas tal y como plantea el Eurocódigo 7 en lugar de realizar dicho diseño mediante el método de los coeficientes globales de seguridad y combinaciones características de acciones en la forma en que la tradición geotécnica española ha venido haciendo hasta la fecha.. -7-.

(8) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. ABSTRACT. This document is the result of the active participation of the author in IDEAM SA, responsible for compiling a guide for the Eurocode 7 as a request by General Director of Hihways of the Fomento Ministry The work primarily focuses on the comparison between the different theories used to obtain the bearing capacity of shallow foundations and comparing the results of the multpile factors involved in the formulas designed by different authors Thereby, the present study has helped identify inconsistencies between the classical formulations of Brinch-Hansen and the proposed formulation in the Annex D of the Eurocode 7 (UNE- EN 1997-1) The investigation additionally focuses on the implications of shallow foundations desing by using the method of partial safety factors and the ULS combinations of actions instead of employing the design by the global safety factor method and SLS combinations of the actions.. -8-.

(9) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. AGRADECIMIENTOS. En primer lugar quisiera agradecer a Francisco Millanes la oportunidad que me ha dado de colaborar con el equipo de IDEAM y aprender de los grandes profesionales que lo integran. Quiero agradecer con especial atención a los compañeros Miguel Ortega y Marta Fernández por su inestimable ayuda a lo largo del desarrollo de este proyecto que es parte de ellos. Finalmente acordarme con todo el cariño y admiración del mundo de mis padres, que con su esfuerzo titánico han permitido que yo haya podido realizar mis metas y adquirir la formación que ellos nunca tuvieron la oportunidad de tener. Papa, Mama nunca podré pagaros lo que me habéis dado.. -9-.

(10) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES GENERALES. El presente estudio corresponde al trabajo fin de máster de Juan Antonio López Martínez para la obtención del título de Máster en Estructuras, Materiales y Cimentaciones impartido por la Universidad Politécnica de Madrid siendo los tutores del mismo el profesor Francisco Millanes Mato (IDEAM) y el profesor Juan Carlos Mosquera Feijoo (Escuela de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos, UPM). En los últimos años se ha producido un hecho de gran relevancia en el panorama normativo relativo a las estructuras: la redacción de los Eurocódigos estructurales basados en los estados límites y su paulatina adopción por diversos países europeos como los únicos códigos técnicos válidos para el proyecto de estructuras en el ámbito de la ingeniería civil. En este marco, aparece el Eurocódigo 7 (UNE-EN 1997-1), que trata de cambiar la filosofía de diseño en las cimentaciones y adaptar el diseño de las mismas al enfoque de los estados límites y así unificar la metodología de cálculo de las cimentaciones y estructuras. La realización del presente trabajo fin de máster ha consistido en la colaboración activa en la redacción de un manual de aplicación de la normativa europea UNE-EN 1997-1 que la Dirección de Carreteras ha encargado a la oficina de proyectos IDEAM. S.A.. 2. OBJETIVOS. Debido a la necesidad de acercar el cálculo geotécnico y el estructural, y ante la ausencia de normativa Española que cubra esta necesidad, la Dirección General de Carreteras ha decidido establecer una normativa amparándose en los principios generales de diseño de la Normativa UNE-EN 1997-1. Con dicho objetivo y tratando de clarificar el procedimiento que establece la normativa UNE-EN 1997-1 la Dirección General de Carreteras ha propuesto la realización de un manual de utilización de la normativa UNE-EN 1997-1, encargando dicha tarea a la oficina de proyectos IDEAM. El objetivo de mi participación con IDEAM ha sido estudiar las diferentes formulaciones existentes para obtener la carga de hundimiento en una cimentación superficial, para someterlas posteriormente a un análisis que permita determinar que formulación se adapta mejor a las problemáticas reales que pueden surgir a la hora de diseñar una cimentación superficial. También se han analizado las diferencias que surgen al realizar el cálculo de una cimentación superficial en Estado Límite Último y utilizando coeficientes parciales de seguridad tal y como propone la normativa UNE-EN 1997-1, en comparación con realizar dicho cálculo en Estado Límite de Servicio y mediante coeficientes globales de seguridad como la tradición geotécnica Española venía haciendo hasta ahora.. - 10 -.

(11) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3. ESTADO DEL ARTE Y ANTECEDENTES EXISTENTES. 3.1. MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITE 3.1.2 INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO. Tal y como se ha adelantado en la introducción la normativa UNE-EN 1997-1 propone realizar el cálculo geotécnico utilizando el método de los estados límite, ¿pero en qué consiste dicho método? Cuando se afronta el diseño de una estructura o en el caso del objeto de este estudio una cimentación, el ingeniero proyectista debe asegurar un determinado nivel de seguridad a lo largo de toda la vida del proyecto. En este punto cabe explicar en qué consiste la seguridad, pues es un término que se puede interpretar de diversas maneras. En el ámbito de un proyecto de ingeniería cuando hablamos de seguridad, conviene diferenciar tres términos: Fiabilidad. Seguridad frente a fallos del proyecto graves, cuya ocurrencia provocaría la ruina del mismo. Funcionalidad. Seguridad frente a fallos, que si bien su ocurrencia no provocarían lo ruina del proyecto, sí que afectarían a la funcionalidad. Operatividad. Seguridad frente a posibles paradas operativas o garantía de uso de la obra. La diferencia con el fallo de funcionalidad radica en la causa que provoca la pérdida de seguridad. En el caso del fallo de funcionalidad, este persiste hasta que se acomete la reparación de la obra, mientras que los fallos de operatividad cesan al cesar el agente que los provoca. Por lo tanto el ingeniero proyectista debe ser capaz de comprobar la seguridad de la obra en términos de Fiabilidad, Funcionalidad y Operatividad. Acorde con esto surgen los métodos de diseño basados en los Estados Límite, que consisten en verificar que una obra o un tramo de la misma en cada una de sus Fases de proyecto satisface los requisitos mínimos de seguridad (servicio uso y explotación) exigidos. Así un estado límite es aquel más allá del cual la estructura deja de satisfacer los criterios de proyecto correspondientes pues alcanzaría una situación no deseada que afecta a la seguridad o a la funcionalidad de la misma.Para ello deberá verificarse el proyecto para todos los modos de fallo que puedan presentarse en cada Estado Límite, evaluar la probabilidad de ocurrencia de cada uno de ellos en la Fase analizada y la probabilidad conjunta de presentación de todos los modos principales, de forma que no se superen los valores recomendados. El Método de los Estados Límite establece dos estados límite: Estado Límite Último, (ELU), asociado a la fiabilidad, es decir, se dirá que se ha alcanzado dicho estado cuando se produzca un fallo que da lugar a la ruina de la obra. Estado Límite de Servicio, (ELS), asociado a la funcionalidad y operatividad. Se dirá que se ha alcanzado dicho estado cuando el fallo que se produce si bien no provoca la ruina de la obra, afecta a su funcionalidad, en cuyo caso requiere de medidas correctoras, o a su operatividad, lo que no implica medidas correctoras sino a esperar que remita el agente que da lugar a dicho estado. - 11 -.

(12) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Por lo tanto lo que el Método de los Estados Límite hace, es establecer todos los modos de fallo posibles de la cimentación y clasificarlos dentro de los dos Estados Límite mencionados anteriormente, con el objetivo de imponer el nivel de seguridad deseado a cada uno de los modos de fallo, en función del Estado Límite al que pertenezca, y asignando una mayor seguridad a aquellos modos de fallo asociados a estados Límite Últimos (puesto que su ocurrencia ocasionaría la ruina) que a los modos de fallo asociados a Estados Límite de Servicio, pues su ocurrencia supondría la pérdida de funcionalidad u operatividad del proyecto, pero no la ruina. Con lo explicado hasta ahora, parece claro que el ingeniero proyectista debe de diseñar la obra de forma que esta consiga un nivel de seguridad determinado para cada modo de fallo posible. Por lo tanto la pregunta que cabe esperar en este punto es cómo puede el ingeniero proyectista justificar que una obra es suficientemente segura desde un punto de vista fiable, funcional y operativo. Existen diferentes caminos para ello que como pueden ser: a) b) c) d) e). Comparación con experiencias similares. Disposiciones constructivas bien probadas. Modelos de laboratorio y/o ensayos de campo a gran escala. Método observacional Cálculos justificativos.. Salvo algunos casos lo más normal es que en la mayoría de los proyectos se realicen cálculos justificativos para determinar la seguridad disponible. Para abordar el estudio de un modo de fallo lo primero que debe el ingeniero proyectista preguntarse es si existe un procedimiento de cálculo justificativo que permita establecer la condición de fallo o si por el contrario tiene que recurrir a otros métodos mencionados anteriormente. Si el modo de fallo es verificable, el siguiente paso es establecer una ecuación de verificación, esto es, una ecuación que define la condición de fallo teniendo en cuenta todas las variables que intervienen en el cálculo, así como el nivel de seguridad aceptable para dicho modo de fallo. El ingeniero proyectista tendrá por lo tanto que hacer frente a una serie de incertidumbres tanto de las cargas que actúan, como de las resistencias del terreno. En este punto se abren dos opciones ante la forma de abordar dichas incertidumbres, la forma tradicional, en la cual la ecuación de verificación se expresa con un formato de “coeficientes Globales de Seguridad”, o la tendencia actual basada en “coeficientes Parciales de Seguridad”, en la que se basa la normativa UNE-EN 1997-1. A modo de resumen y sin la intención de extenderse todo lo que este tema necesitaría para desarrollar una descripción completamente detallada, se comentan a continuación los principales puntos de las dos filosofías de diseño mencionadas anteriormente, y que en el caso del método de los coeficientes parciales se desarrollará más formalmente ya desde la perspectiva que la normativa UNE-EN 1997-1 impone.. - 12 -.

(13) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.1.3. MÉTODO DE LOS COEFICIENTES GLOBALES DE SEGURIDAD. El Método de coeficientes globales de seguridad, fue el primer planteamiento que surgió ya desde principios del siglo XIX ante la imposibilidad de conocer con total precisión los valores de las acciones y resistencias que intervienen en el diseño. Este método se basa en englobar en un solo parámetro (coeficiente global de seguridad) la imprecisión que ha de considerarse tanto en las acciones como en las resistencias, en los modelos de cálculo o debida a cualquier otra causa de incertidumbre. Así, las cargas que actúan sobre la estructura o cimentación y que corresponden a su valor representativo, serán comparadas con las resistencias nominales a través de un coeficiente global de seguridad mediante la ecuación de verificación del Estado Límite en estudio. La forma que adquiere dicha ecuación de verificación es: = Siendo:. 1, 2, … . . 1, 2, . . …. 3.1. Tf y Td. Expresiones que agrupan las resistencias o términos favorables y las solicitaciones o términos desfavorables respectivamente. FS. Factor Global de seguridad. La seguridad por lo tanto será suficiente siempre que el factor de seguridad FS supere un valor que se deberá de disponer en cada circunstancia y que debe quedar definido sin ambigüedad en la normativa pertinente. Es importante tener en cuenta que el coeficiente de seguridad será diferente en función de la situación en la que se encuentre el proyecto, esto es, siempre debe ir asociado a un modo de fallo, a una situación de proyecto concreta, a un método de cálculo específico y a una combinación de acciones determinada. Por ejemplo, se podrá hablar de coeficiente de seguridad frente al hundimiento de una cimentación superficial, en situación de proyecto persistente, calculado de forma analítica, con una combinación de acciones casi permanente. A pesar de que el Método de coeficiente Global de Seguridad está bien implantado a la hora de diseñar cimentaciones (más adelante en este estudio se verá que es el planteamiento tradicional en España), debido al gran conservadurismo implícito en el método(pues no discierne entre las incertidumbres debidas a las acciones y las debidas a las resistencias), aparecen situaciones en las que se aleja mucho de exigencias del proyecto cada vez más importantes como la de optimizar recursos, al suplir la falta de conocimiento con un coeficiente global de seguridad que en muchos casos puede resultar excesivo desde un punto de vista económico. Es en este marco en el que las normativas comienzan a plantear un enfoque diferente ante la incertidumbre de acciones y cargas que permita una mayor aproximación y por lo tanto optimización de recursos, atendiendo siempre a los niveles de seguridad convenientes. Surge así la filosofía de cálculo basada en los “Coeficientes Parciales de Seguridad” que imponen los Eurocódigos Estructurales, concretamente en las bases de cálculo de los mismos contempladas en la normativa UNE-EN 1990.. - 13 -.

(14) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.1.4. MÉTODO DE LOS COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD.. La necesidad de realizar proyectos con unas exigencias económicas mayores, así como tratar de afinar en el conocimiento de las incertidumbres a las que se debe de enfrentar el ingeniero proyectista, aparece el “Método de los Coeficientes Parciales de seguridad”, cuya principal diferencia con respecto al “Método del Coeficiente Global de Seguridad “es que trata de diferenciar el origen de las diferentes incertidumbres presentes en el cálculo. La manera en el que esta filosofía de diseño discierne entre las incertidumbres que pueden aparecer (resistencias, cargas etc.) es aplicar unos coeficientes parciales de minoración de las resistencias y de mayoración de las cargas entre otros como pueden ser los coeficientes de minoración debidos al modelo de cálculo de tal forma que se consiga un nivel de seguridad determinado. Se pone de manifiesto en este punto la gran diferencia de esta filosofía con el planteamiento de los Coeficientes Globales de Seguridad, que envolvía todas las incertidumbres en un solo coeficiente independientemente del origen de las mismas. En cuanto a la ecuación de verificación, en el caso de los Coeficientes Parciales de Seguridad dependerá del planteamiento que cada normativa quiera adoptar, puesto que es más compleja que en el caso de los Coeficientes Globales de Seguridad. Sin embargo y con independencia de cómo se apliquen los coeficientes parciales, la ecuación de verificación se basa en la comprobación de que los valores de cálculo de las acciones o sus efectos (Ed) deben ser menores o iguales que las correspondientes a las resistencias de cálculo (Rd), esto es:. Ad ≤ Rd. (3.2). Al igual que ocurre con el Método de los Coeficientes Globales, los valores de los coeficientes parciales dependerán del modo de fallo en estudio, y la situación de cálculo.. 3.4 TRADICIÓN ESPAÑOLA DEL CÁLCULO GEOTÉCNICO.. 3.4.1. INTRODUCCIÓN.. En cuanto al diseño geotécnico, en el ámbito de la ingeniería civil, en España no existe una normativa como tal, aunque si existen una serie de guías de recomendaciones destacando “GUIA DE CIMENTACIONES EN OBRAS DE CARRETERA, 2003” perteneciente a la Dirección de Carreteras, y “RECOMENDACIONES PARA OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS, 2005” de ámbito portuario. Se ha realizado un estudio de las dos publicaciones mencionadas anteriormente con el objetivo de aclarar los principios de diseño geotécnico que se han venido utilizando en las publicaciones de carácter nacional a la hora de dimensionar cimentaciones.. - 14 -.

(15) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.4.2. GUIA DE CIMENTACIONES PARA OBRAS DE CARRETERA.. 3.4.2.1. INTRODUCCIÓN.. Aunque la Guía de Cimentaciones Para Obras de Carretera no tiene en principio un carácter obligatorio, sí que es un referente a la hora de diseñar las cimentaciones en obras de carretera. Esta guía nació en 2003, de la mano de la Dirección General de Carreteras, aunque su gestación es mucho anterior a dicha fecha, lo que hace que su filosofía diste de la que los Eurocódigos Estructurales han implantado, pues la aparición de estos es posterior a la redacción de la Guía de Cimentaciones para Obras de Carretera. 3.4.2.2. FILOSOFÍA DE DISEÑO.. Tal y como se describió al comienzo de este documento, el ingeniero proyectista debe diseñar de tal forma que su proyecto tenga una seguridad de fiabilidad, funcional y operativa. Para lograr este objetivo la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera utiliza la filosofía de los Estados Límite. Es decir, establece una serie de criterios de fallo y los clasifica como Estados Límite Últimos (aquellos que provocan la ruina) y Estados Límite de Servicio (provocan pérdida de funcionalidad). Establecido esto, el siguiente paso es definir si se sigue un método basado en los coeficientes parciales de seguridad o en los coeficientes globales. Pues bien la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera basa la comprobación de seguridad en el concepto de Coeficiente Único de Seguridad. Así establece que para cada modo de fallo y situación de proyecto dada, se debe estudiar el coeficiente de seguridad utilizando la ecuación de verificación correspondiente, y asegurarse que dicho coeficiente de seguridad global es superior a los coeficientes de seguridad dados para dicha situación de proyecto. Para terminar de establecer la seguridad es necesario introducir el concepto de situación de proyecto y combinación de las acciones. La Guía de Cimentaciones para Obras de Carretera, define la situación de proyecto como “una representación simplificada de la realidad de la obra que sea susceptible de análisis” Es importante decir, que todos los factores que afectan a la seguridad deben permanecer constantes en la situación de proyecto planteada. Establece así tres situaciones de proyecto: Situación persistente. Una situación es persistente, cuando la geometría, la configuración del terreno y las características geotécnicas representan la cimentación en cuestión durante un plazo similar al de la vida útil y, además las combinaciones de acciones consideradas representan las posibles solicitaciones que pueden ocurrir como consecuencia del uso normal de la estructura.. - 15 -.

(16) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Situación transitoria y de corto plazo. El carácter transitorio lo pueden inducir el uso especial de la obra, las condiciones geométricas (fases de construcción) o incluso las características del terreno. Uno cualquiera de estos tres elementos puede motivar dicho carácter transitorio. Una situación de corto plazo también se puede presentar por la existencia de un exceso de presiones intersticiales.. Situación accidental. A efectos de cálculo geotécnico se consideran situaciones de proyecto accidentales aquellas que están sometidas a combinaciones de acciones accidentales con o sin sismo, o aquellas que pudiesen cambiar por accidente su geometría o el estado del agua en el terreno (inundaciones accidentales) o aquellas que, accidentalmente, pudieran modificar las características del terreno. Tal y como se estableció anteriormente, el factor de seguridad debe ir asociado entre otras cosas a una combinación de acciones determinada. La Guía plantea las siguientes combinaciones de acciones tanto para el estudio de Estados Límite Últimos como para el caso de Estados Límite de Servicio.. Casi permanente. Es aquella en la que concurren las acciones permanentes, y algunas acciones variables +. 2∗. 3.1. Siendo: Gk = acciones permanentes, valor característico. 2*Qk= acciones variables concomitantes, valor cuasi-permanente.. Característica Es aquella en la que concurren las acciones permanentes y una acción variable principal, junto con otras acciones variables concomitantes. Existe una combinación fundamental (o característica) por cada acción variable dominante que se elija. +. 0,∗. 3.2. Siendo: Gk= acciones permanentes, valor característico Qk =acción variable predominante, valor característico. Qk* 0, = otras acciones variables concomitantes, valor de combinación.. - 16 -.

(17) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Accidental (sin sismo) Es aquella en la que figura alguna acción accidental o extraordinaria (no sísmica) junto con las acciones permanentes, y las posibles acciones variables concomitantes con la situación accidental en cuestión. +. + 1∗. 2∗. 3.3. Siendo: Gk= acciones permanentes, valor característico. Ak = acción accidental, valor característico. 1*Ak= acción variable dominante, valor frecuente. 2*Qk= acciones variables concomitantes, valor cuasi-permanente. Sísmica Es aquella en la que concurre la acción sísmica con las acciones permanentes y algunas acciones variables. +. +. 2∗. 3.4. Siendo: Gk= acciones permanentes, valor característico. Ak = acción sísmica, valor característico. 1*Ak= acción variable dominante, valor frecuente. 2*Qk= acciones variables, valor cuasi-permanente.. Observando las combinaciones de acciones que plantea la Guía de Cimentaciones en Obras de carretera y concretamente los valores representativos de las acciones se observa una incongruencia en la filosofía propuesta por la Guía de Cimentaciones si la comparamos o la tratamos de adecuar al cálculo estructural. En el cálculo estructural que se basa en los coeficientes parciales de seguridad, se utilizan combinaciones de acciones que son diferentes en función si se está analizando un Estado Límite Último o un Estado Límite de Servicio. Sin embargo la Guía plantea que independientemente de si se está analizando una situación de ELU o ELS las combinaciones sean iguales. 3.4.2.3. CONCLUSIONES. Tras estudiar la filosofía de diseño que plantea la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera, se aprecia que además de la distancia que existe entre el diseño estructural y geotécnico debido a la utilización de coeficientes parciales y globales respectivamente, desde un punto de vista conceptual, también existe una diferencia de planteamiento respecto a los Estados Límite establecidos en ambos casos, pues en el cálculo estructural se utilizan combinaciones de acciones diferentes en función si se - 17 -.

(18) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. está estudiando un modo de fallo correspondiente a ELU o ELS mientras que en la Guía de Cimentaciones indistintamente del tipo de fallo utiliza siempre las mismas combinaciones es decir, no diferencia entre ELU y ELS a la hora de combinar acciones, utilizando el valor característico de la acción como valor representativo. 3.4.3. RECOMENDACIONES PARA OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS 2005.. 3.4.3.1. INTRODUCCIÓN. La R.O.M.0.5-0.5 es un manual de aplicación que se utiliza además de para otros diseños para el diseño de cimentaciones en la zonas portuarias. Aunque se trata de una publicación que solo es aplicable en las zonas de domino de la autoridad portuaria, debido a que en España no se dispone de normativa para el cálculo de cimentaciones en el ámbito de la ingeniería civil en otras facetas, esta recomendación es muy usada y por lo tanto se considera importante analizar su planteamiento a la hora de establecer la seguridad del proyecto de la mima manera que se ha hecho con la Guía de Cimentaciones de Obras de Carretera. 3.4.3.2. FILOSOFÍA DE DISEÑO.. Como la Guía de Cimentaciones, la R.O.M 0.5-0.5 establece que siempre que se utilicen métodos de cálculo para proyectar una cimentación se utilice el concepto de Estados Límite que ya se ha descrito con anterioridad. Así y en línea con lo expuesto cuando se ha hablado del método de los Estados Límite, la R.O.M. 0.5-0.5 establece que con el planteamiento de cálculo basado en los Estados Límite se deberá verificar la seguridad del proyecto en cada una de sus fases. Para ello se impondrá una ecuación de verificación que podrá plantearse de diferente manera en función de lo que la R.O.M. establece como Niveles de Cálculo, pues cambiaran las formas de establecer los parámetros, los agentes y acciones que entran en juego. La R.OM. 0.5-0.5 establece tres niveles de cálculo, sin embargo para el diseño geotécnico establece que se seguirá el Nivel I por lo que nos detendremos solo en dicho nivel. El Nivel de Cálculo I, engloba lo que llamábamos con anterioridad el Método de los coeficientes Parciales de Seguridad o Método del Coeficiente Global de Seguridad.. La R.O.M. 0.5-0.5 define el Nivel I como: “La seguridad o funcionalidad se introduce afectando a los valores representativos concretos de los factores de proyecto que intervienen en la ecuación de verificación por coeficientes adecuados a la fiabilidad o funcionalidad establecidas como objetivo de proyecto, que ponderan su simultaneidad y compatibilidad, así como el sentido (favorable o desfavorable) en la ocurrencia del modo, así como a través del coeficiente de seguridad o margen de seguridad mínimo exigido.”. - 18 -.

(19) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. “El cálculo justificativo queda concluido cuando el coeficiente de seguridad o el margen de seguridad obtenido es igual o mayor que el mínimo exigido, que en el método de los coeficientes parciales suele ser generalmente 1 y cero respectivamente” La R.O.M 0.5-0.5 no deja claro la forma en que se establecerá la ecuación de verificación, pues aunque comenta que en los cálculos geotécnicos se suele plantear dicha ecuación en el formato del método del Coeficiente Global deja la puerta abierta a la posibilidad de usar el formato de los Coeficientes Parciales de Seguridad. Otro factor importante a la hora de establecer la seguridad es la forma de combinar las acciones. En este punto la R.O.M.0.5-0.5 sí que marca una diferencia con la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera pues establece que las combinaciones para estudiar los Estados Límite Últimos serán las misma que en el cálculo estructural, si bien añade una combinación más que en el cálculo estructural se usa para verificar el Estado Límite de Servicio, que corresponde con la combinación Cuasi-Permanente. La R.O.M. 0.5-0.5 justifica el mantenimiento de dicha combinación por el peso de la tradición en el cual se diseña con carga admisible y con la combinación cuasipermanente de acciones. Así las combinaciones de acciones que establece para comprobar el Estado Límite Último son:. Combinación Cuasi-Permanente +. 2, ∗. 3.5. Siendo: G = acciones permanentes Qi = acciones variables de actuación simultánea 2, = coeficiente de combinación de compatibilidad cuasi-permanente Combinación fundamental o Característica. ∗. +. ,1 ∗ 1. 0, ∗. , ∗. 3.6. Siendo: G = acciones permanentes Q1 =acción variable predominante Qi= otras acciones variables concomitantes 0, = coeficiente de compatibilidad fundamental o característico , , = coeficientes de ponderación parciales. Combinaciones Accidentales. +. + 1∗ 1. 2, ∗. Siendo: G = acciones permanentes A = Acción extraordinaria Q1 =acción variable predominante Qi= otras acciones variables concomitantes 1 = coeficiente de compatibilidad frecuente 2, = coeficiente de compatibilidad cuasi-permanente. - 19 -. 3.7.

(20) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Combinación Sísmica. + +. 2, ∗. 3.8. Siendo: G = acciones permanentes S= acción sísmica Qi = acciones variables concomitantes 2, = coeficiente de compatibilidad cuasi-permanente. Por lo tanto y con independencia de los valores de los coeficientes de ponderación o mayoración de las acciones vemos que la filosofía en la combinación de las acciones es la misma que la que se utiliza en el cálculo estructural.. Con todo lo expuesto hasta ahora en lo que respecta a la filosofía de diseño de la R.O.M.0.5-0.5 se puede pensar que deja la posibilidad de realizar un cálculo basado en el Método de los Coeficientes Parciales y por lo tanto que la filosofía del cálculo estructural y geotécnico sea la misma. Sin embargo esto no es así ya que la R.O.M. 0.5-0.5 recomienda que debido a la falta de experiencia en la utilización del Método de los Coeficientes Parciales y al peso que tiene el diseño clásico basado en el Método de los Coeficientes Globales de Seguridad, se realice un cálculo basado en este último método y que por lo tanto no se minoren los Coeficientes Resistentes del Terreno. Además al igual que hace la Guía de Cimentaciones establece los coeficientes Globales de Seguridad que se deben cumplir en función de la situación de proyecto, la Combinación de Acciones y el modo de Fallo de forma exactamente igual que ocurría en la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera. 3.4.3.3 CONCLUSIONES Tras estudiar la filosofía de cálculo que propone la R.O.M. 05-05 se ha puesto de manifiesto que aunque hace un intento de adaptar el cálculo geotécnico al cálculo estructural, posiblemente debido a que apareció un poco más tarde que la Guía de Cimentaciones de Obras de Carretera, finalmente opta por recomendar que el cálculo se realice exactamente igual a como lo propone la Guía de Cimentaciones alejándose así de los códigos estructurales. 3.4.4 RESUMEN Y CONCLUSIONES DE LA TRADICIÓN ESPAÑOLA EN CÁLCULO GEOTÉCNICO. Tras realizar un breve estudio de la filosofía de cálculo que establecen dos de las Guías más importantes en nuestro país para el cálculo de cimentaciones, se ha observado un hecho claro, la falta de compatibilidad entre el cálculo estructural y el cálculo de cimentaciones. Se utilizan criterios de diseño totalmente diferentes, pues el diseño estructural se basa en el Método de los Coeficientes Parciales de Seguridad, mientras que el diseño geotécnico se basa en el Método de los Coeficientes Globales de Seguridad. Además encontramos una serie de - 20 -.

(21) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. incongruencias en las guías geotécnicas como es el caso de las combinaciones de acciones en la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera, o la falta de claridad ante como enfocar el diseño que plantea la R.O.M. 0.5-0.5, que hacen que el cálculo geotécnico no quede claramente definido y se aleje de la filosofía de cálculo estructural. Por lo tanto queda patente la necesidad de adecuar el cálculo geotécnico al cálculo estructural. 3.5. EUROCÓDIGO 7 (UNE-EN 1997-1). PROYECTO GEOTÉCNICO.. 3.5.1. INTRODUCCIÓN.. El Eurocódigo 7 surge con la idea de imponer en la geotecnia lo que ya se venía haciendo de forma paulatina en el campo de las estructuras, dotar a los a los ingenieros proyectistas de un manual de uso común en todo el ámbito europeo y acabar así con las discrepancias presentes en el cálculo geotécnico concretamente en el diseño de cimentaciones de puentes y obras de carretera. Además con el objetivo de asimilar el cálculo geotécnico al cálculo estructural se ha impuesto el diseño mediante el Método de los Estados Límite bajo la filosofía de los Coeficientes Parciales de Seguridad.. El Eurocódigo 7 establece las bases generales de cálculo comunes a todos los países europeos, pero deja la libertad de que cada país realice su Anejo nacional con el objetivo de adaptar en cierta medida la nueva legislación a las condiciones de cada país. Ante esta situación la Dirección General de Carreteras ha propuesto la realización de un manual de utilización del Eurocódigo 7 con el objetivo de salvar la distancia entre el cálculo estructural y geotécnico pues esta normativa europea es perfectamente congruente con el resto de Eurocódigos estructurales basados todos en el Método de los Coeficientes Parciales de Seguridad. 3.5.2. FILOSOFÍA DE DISEÑO DEL EUROCÓDIGO-7.. 3.5.2.1. MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITE. Al igual que ocurría para la normativa española estudiada con anterioridad el Eurocódigo 7 establece que se usará el método de los estados límite para asegurar que se cumple con el nivel de seguridad deseado a lo largo de toda la vida del proyecto. Sin intención de extenderse demasiado, (pues en el apartado 3.1 de este documento se explicó con detalle en qué consiste el método de los estados límite), se recuerda que un estado límite es aquel más allá del cual la estructura deja de satisfacer los criterios de proyecto correspondientes pues la cimentación alcanzaría una situación no deseada que afecta a la seguridad o a la funcionalidad de la misma y que por lo tanto debe evitarse.. - 21 -.

(22) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. El Eurocódigo 7 establece dos tipos de estados límite en función de las consecuencias que puede tener su ocurrencia:. ESTADO LÍMITE ÚLTIMO (ELU). Estados asociados al colapso o a otras formas similares de fallo estructural.. ESTADO LÍMITE DE SERVICIO (ELS). Estados que corresponden con condiciones más allá de las cuales no se cumplen los requisitos de aptitud al servicio especificados para una estructura o un elemento estructural aunque su aparición no produce la ruina de la misma. Dentro de los Estados Límite de Servicio, el Eurocódigo 7 diferencia dos grupos: Estados límite de servicio irreversibles: Estados límite de servicio en que algunas de las consecuencias de las acciones que exceden los requisitos de aptitud al servicio permanecen cuando desaparecen las acciones Estados límite de servicio reversibles: Estados límite de servicio en que ninguna consecuencia de las acciones que exceden los requisitos de aptitud al servicio permanece cuando desaparecen las acciones.. 3.5.2.1.1 MODOS DE FALLO CORRESPONDIENTES CON ELU. El Eurocódigo 7 establece que los modos de fallo correspondientes a ELU se pueden clasificar a su vez en cuatro subgrupos que se exponen a continuación: -EQU: Pérdida de equilibrio de la estructura o del terreno, considerado como un sólido rígido, en el que los materiales estructurales y el terreno proporcionan una resistencia despreciable. El ejemplo clásico de pérdida del equilibrio es el vuelco como sólido rígido de una estructura, considerando la estructura y el terreno indeformables, o sea que en este estado límite no fallan ni la estructura, ni el terreno propiamente dichos y sólo se considera la pérdida del equilibrio. Según el Eurocódigo 7, en el caso que se considere la resistencia del terreno, y por lo tanto no sea despreciable su aporte a la estabilidad, ya no se trataría de un estado límite último de pérdida de equilibrio (EQU) y pasaría a tratarse de otro estado límite último diferente. Este sería el caso de la seguridad frente al deslizamiento, ya que en las acciones estabilizadoras influye el rozamiento del terreno y por lo tanto interviene su resistencia. Por tanto el estado límite último de deslizamiento de una estructura no se trata de un estado límite último EQU sino de un estado límite último GEO como veremos más adelante.. - 22 -.

(23) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Fig 3.1. “Fig. 2.1 Decoding Eurocode 7[13] ” Ejemplos de estado límite de pérdida de equilibrio EQU con el vuelco rígido de una estructura. -STR: Fallo interno o deformación excesiva de la estructura o los elementos estructurales, incluyendo zapatas, pilotes o muros en el que la resistencia de los materiales estructurales proporciona una resistencia significativa. Se trata de los estados límite último de rotura por, entre otros, flexión, cortante y punzonamiento, y son los que se emplean para verificar la resistencia de los elementos estructurales y su dimensionamiento. En el caso de elementos de hormigón se emplean para armar las cimentaciones. -GEO: Fallo o deformación excesiva del terreno, en el que el suelo o la roca proporcionan una resistencia significativa. Posibles fallos de rotura por GEO sería el deslizamiento de un muro o cimentación, el hundimiento de una cimentación, el fallo general por inestabilidad de la ladera, etc. Aclarar que el vuelco rígido considerando la estructura y el terreno como elementos rígidos indeformables se trata de un Estado Límite Último de Equilibrio EQU y no GEO.. - 23 -.

(24) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. FIG 3.2. (fig 2.2 “Decoding Eurocode 7 [13] ” Ejemplos de estado límite último STR y GEO). En la figura 3.2 se ilustran distintos tipos de fallo tipo GEO o STR. Así, en orden de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo se tiene: rotura estructural del alzado de un muro por flexión (STR); inestabilidad global de laderas (GEO); hundimiento de una zapata (GEO); rotura estructural de una pantalla por fallo del elemento de sujeción, por ejemplo de las entibaciones (STR); rotura rotacional de pantallas (GEO); hundimiento de un muro (GEO). UPL: Pérdida de equilibrio de la estructura o del terreno por levantamiento debido a la presión de agua u otras acciones verticales. Se trata de un estado límite último específico producido por fallos de subpresión.. - 24 -.

(25) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Fig3.3 (fig 2.3 “Decoding 7 [13] “Ejemplos de estado límite último UPL). HYD: Implica un fallo ocasionado por la filtración de agua en el terreno. Ejemplos de este tipo de ELU son la inestabilidad hidráulica por sifonamiento (flotación de partículas de suelo) y la erosión interna o tubificación (arrastre de partículas), provocadas por gradientes hidráulicos suficientemente elevados.. Fig. 3.4 (fig 2.4 “Decoding Eurocode 7” Ejemplos de situaciones HYD en las que la tubificación (izquierda) o el sifonamieno (derecha) pueden ser críticos). - 25 -.

(26) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.5.2.1.2 MODOS DE FALLO CORRESPONDIENTES CON ELS.. En general, los estados límite de servicio que se consideran habitualmente en los procesos de cálculo de las cimentaciones son los provocados por los movimientos o asientos excesivos. Otros estados límite de servicio, que no sean susceptibles de un cálculo específico, deben evitarse tomando medidas preventivas. En la siguiente figura se incluyen algunos ejemplos de estados límite de servicio: asientos por deformaciones excesivas del terreno, asientos diferenciales entre apoyos contiguos, deformaciones excesivas, vibraciones, capacidad insuficiente de bombeo, etc.. Fig 3.5 (fig 5.2 “ Decoding Eurocode 7”[13]) Ejemplos de estado límite de servicio ELS. - 26 -.

(27) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.5.3 PROCEDIMIENTOS PARA VERIFICAR LOS ESTADOS LÍMITE.. 3.5.3.1 INTRODUCCIÓN.. Una vez definidos los diferentes modos de fallo asociados a su correspondiente Estado Límite, el siguiente paso es establecer cómo se puede verificar que dichos estados límite no son sobrepasados a lo largo de la vida del proyecto. A este respecto el Eurocódigo 7 establece que las verificaciones de los diferentes estados límite en una cimentación pueden realizarse mediante uno o varios de los siguientes procedimientos: -. Mediante Cálculos (método directo) Mediante la adopción de Medidas Prescriptivas Mediante el empleo de Modelos experimentales y Ensayos de carga (método indirecto) Mediante un método Observacional (método indirecto.). Un método directo es aquel en el cual se llevan a cabo análisis separados para cada estado límite. Las resistencias del terreno se calculan a partir de los parámetros resistentes fundamentales del terreno (cohesión y ángulo de rozamiento en el modelo habitual de Mohr-Coulomb) por procedimientos analíticos o numéricos, o a partir de ciertos parámetros determinados con ensayos de campo (como la presión límite en ensayos presiométricos o la resistencia de punta en el penetrómetro estático) por procedimientos semiempíricos. Los asientos se calculan a partir de los parámetros elásticos fundamentales mediante modelos analíticos o numéricos, o a partir de otros parámetros determinados con ensayos de campo (como el módulo presiométrico, la resistencia de punta en el penetrómetro estático, el golpeo en el SPT, etc.) por procedimientos semiempíricos. Un método indirecto es aquel en el cual se utiliza experiencia comparable y resultados de ensayos de campo o laboratorio para efectuar una comprobación para cargas de servicio que permita asegurar simultáneamente el cumplimiento de todos los estados límite relevantes, sin necesidad de llevar a cabo cálculos específicos. Ejemplos de métodos indirectos son los cálculos de cimentaciones en roca en arenas utilizando el SPT. Los métodos indirectos no serán de aplicación en casos donde existan pendientes del terreno de más de 10% o existan un talud próximo a la cimentación. 3.5.3.2 VERIFICACIÓN MEDIANTE CÁLCULOS.. Los métodos de verificación mediante cálculos podrán ser directos o indirectos empelando modelos de cálculo que podrán ser analíticos, semi-empíricos, o modelos numéricos. En general será el método de aplicación para el proyecto de las estructuras habituales de cimentación en los casos en los que los exista suficiente información del terreno y se pueda caracterizar con unos parámetros geotécnicos suficientemente fiables.. - 27 -.

(28) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. El proyecto geotécnico mediante cálculos, debe incluir los siguientes aspectos: -. Acciones, que pueden ser tanto cargas como desplazamientos impuestos. -. Propiedades de los suelos y de las rocas. -. Datos geométricos. -. Valores límite de algunos parámetros como deformación, abertura de fisuras, vibraciones, etc.. -. Modelos de cálculo. Por lo tanto ya parece razonable que la verificación de la seguridad mediante modelos de cálculo será posible siempre que se disponga de un conocimiento adecuado de cada uno de los aspectos mencionados. En cuanto a la verificación de zapatas, más adelante en este documento se hablará de forma muy extendida pues es una de las bases principales del presente proyecto, concretamente podemos adelantar que se ha estudiado un método de cálculo analítico basado en la formulación de Brinch Hansen de 1970 y se ha propuesto como método de cálculo para la verificación de hundimiento. 3.5.3.3 VERIFICACIÓN MEDIANTE MEDIDAS PRESCRIPTIVAS.. La imposición de medidas prescriptivas puede utilizarse en los casos en los que no se disponga o no se necesiten modelos de cálculo y sin embargo se disponga de experiencia comparable que asegure que con las medidas establecidas no se van a superar los estados límites relevantes. El proyecto geotécnico mediante la imposición de medidas prescriptivas implica los siguientes aspectos: -. Reglas de proyecto clásicas y conservadoras. -. Atención a las especificaciones y controles de los materiales. -. Calidad de ejecución. -. Procedimientos de protección y mantenimiento. Generalmente conlleva la aplicación de tablas, gráficos y procedimientos que se hayan establecido a partir de una experiencia comparable, la cual suele incluir sus propios coeficientes parciales de seguridad implícitos. Este tipo de métodos suelen estar relacionados con los estados límite de servicio, considerando los estados límite últimos cubiertos en general por dichos estados límite de servicio.. - 28 -.

(29) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.5.3.4 VERIFICACIÓN MEDIANTE ENSAYOS DE CARGA Y MODELOS EXPERIMENTALES.. El Eurocódigo 7 permite la justificación de un proyecto geotécnico basado en los resultados de ensayos de carga o mediante el empleo de modelos experimentales si se consideran los siguientes aspectos: -Las diferencias entre las condiciones del terreno en el ensayo y en la construcción real. -Los efectos del tiempo, especialmente si la duración del ensayo es mucho menor que la duración del proceso de carga de la construcción real. -Los efectos de la escala, especialmente si se han utilizado modelos reducidos. Debe considerarse el efecto de los niveles de tensiones, junto con los efectos del tamaño de las partículas. Los modelos pueden realizarse tanto con una muestra de la construcción real, como con modelos a escala real o reducida. 3.5.3.5 VERIFICACIÓN MEDIANTE EL MÉTODO OBSERVACIONAL. Esta alternativa es útil cuando sea difícil predecir con precisión el comportamiento geotécnico del terreno, por ejemplo en casos en los que las condiciones del terreno son complejas o no son suficientemente conocidas (por ejemplo, velocidad de asentamiento en una precarga), o donde se puede conseguir un ahorro de tiempo o coste mediante la reducción de obras temporales (como el apuntalamiento de estructuras de contención en excavaciones). Algunos aspectos del proyecto se revisan durante la ejecución, dependiendo de los resultados del control del comportamiento de la obra. Se deja abierto el modo de introducir la seguridad en los cálculos, según el grado de control y las consecuencias de fallo. Este método no es recomendable en situaciones en las que la estructura puede fallar repentinamente sin mostrar indicios previos de un posible fallo inminente. De acuerdo con el Eurocódigo 7, este método requiere que se cumplan los siguientes requisitos previos al inicio de la construcción: -Se deben establecer límites admisibles de comportamiento. -Se debe evaluar el rango de posibles comportamientos y se debe demostrar que existe una probabilidad aceptable de que el comportamiento real se encuentre dentro de los límites aceptables. -Se debe establecer un programa de instrumentación para comprobar que el comportamiento real se encuentra dentro de los límites aceptables. La instrumentación - 29 -.

(30) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. debe proporcionar la información adecuada en una fase suficientemente temprana, con unos intervalos suficientemente cortos que permitan adoptar con éxito las medidas de contingencia que pudieran requerirse. -El tiempo de respuesta de la instrumentación y los procedimientos de análisis de los resultados deben ser lo suficientemente rápidos en relación con la posible evolución del sistema. -Se debe establecer un plan de acciones de contingencia para el caso en que la instrumentación demuestre que el comportamiento se encuentra fuera de los límites aceptables. 3.5.4 ENFOQUE DE PROYECTO.. 3.5.4.1 INTRODUCCIÓN.. Si se decide realizar la verificación de la seguridad mediante métodos de cálculos justificativos, el siguiente paso será establecer una ecuación de verificación que recordemos que es una ecuación que define la condición de fallo teniendo en cuenta todas las variables que intervienen en el cálculo, así como el nivel de seguridad aceptable para dicho modo de fallo. Dicha ecuación nos proporciona la seguridad ante un modo de fallo, una situación de proyecto, una combinación de acciones y un método de cálculo determinado. Ante las diferentes formas de tener en cuenta las interacciones entre las acciones (o sus efectos) y las resistencias del terreno y los modos de aplicar los diferentes coeficientes parciales (o lo que es lo mismo, la manera de incluir el concepto de seguridad en el cálculo) con el fin de comprobar los estados limite últimos STR y GEO, han conducido al Eurocódio 7 a definir tres posibles enfoques de proyecto (en inglés “DesignApproach”) diferentes, para así dar cabida a la gran diversidad de tradiciones geotécnicas existentes en Europa. La potestad de elección del enfoque de proyecto para el proyecto geotécnico es una decisión abierta al Anejo Nacional, al tratarse de un Parámetro de Determinación Nacional. La decisión nacional adoptada en España a este respecto es el empleo del enfoque de proyecto 2, salvo para la inestabilidad global de taludes que se ha elegido el enfoque 3. Con el fin de ayudar a entender la manera de aplicar los diferentes coeficientes parciales en cada situación y enfoque de proyecto, el Eurocódigo 7 realiza una simplificación en la nomenclatura utilizando la siguiente simbología:. - 30 -.

(31) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. Se denomina combinación de conjunto de coeficientes parciales al conjunto de:. Ai “+”Mj“+”Rk. (3.9). Donde: -. El símbolo A representa los coeficientes parciales de las acciones γF(o de sus efectos γE). -. El símbolo M representa los coeficientes parciales de los parámetros del terreno γM. -. El símbolo R representa los coeficientes parciales de las resistencias γR. -. Los índices i (1 ó 2), j (1 ó 2) ó k (1,2,3 ó 4) corresponde con el número de alternativa definida en la UNE-EN 1997-1 para ese coeficiente parcial, definido en el Anexo A de la UNE-EN 1997-1.. -. El signo “+” se refiere a la expresión “combinado con” (o sea que se combinan los coeficientes parciales de las acciones (o de los efectos), con los de los coeficientes parciales del terreno y con los coeficientes parciales de las resistencias). Así: -. -. Una acción geotécnica involucrará los conjuntos de coeficientes parciales Ai“+” Mj Una resistencia geotécnica involucrará los conjuntos de coeficientes parciales Mj“+” Rk. En función del enfoque de proyecto, los coeficientes parciales de algún conjunto (A, M o R) podrán ser iguales a la unidad.. Los coeficientes parciales del Anejo A de la que propone el Eurocódigo 7 son informativos, ya que se trata de Parámetros de Determinación Nacional, y por lo tanto los que se deben aplicar para el proyecto de una obra de cimentación son los definidos en el Anejo Nacional.. - 31 -.

(32) Julio 2013 Estudio Comparativo en el Dimensionamiento de Cimentaciones. 3.5.4.2 ENFOQUE DE PROYECTO 2. Puesto que el enfoque de proyecto 2 es el que contempla el Anejo nacional, se expone a continuación el modo de combinar los coeficientes parciales de seguridad. Según el enfoque de proyecto 2 se debe verificar que no se producirá un estado límite de rotura o deformación excesiva con la siguiente comprobación: A1 “+” M1 “+” R2. (3.10). Los coeficientes parciales se aplican de la siguiente forma: -. Se aplicarán a los efectos de las acciones con γE≠1,0. -. Se mantendrán los parámetros del terreno de cálculo iguales a los característicos (Xd=Xk/γM=Xk al ser M1 γM= 1,00).. -. Se aplicarán coeficientes parciales a γR≠1,0).. las resistencias del terreno (R2,. Establecido el uso del enfoque de proyecto 2, el estudio de los estados límite último GEO y STR se basa en la comprobación de que los valores de cálculo de los efectos de las acciones (Ed) deben ser menores o iguales que las correspondientes resistencias de cálculo (Rd), es decir se cumplirá la ecuación: Ed ≤ Rd. (3.11). 3.5.5 OBTENCIÓN DEL VALOR DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LAS ACCIONES.. Los valores de cálculo de los efectos de las acciones son función de la propia acción, de las propiedades del terreno (en ocasiones) y de los datos geométricos. Utilizando el enfoque de proyecto 2 el valor de los efectos de las acciones se obtendrá como: Ed= γΕE{Frep; Xk/γΜ;ad }. (3.12). Siendo: γE , coeficiente parcial a aplicar a los efectos de las acciones según Anejo Nacional. Ed, valor de cálculo de los efectos de las acciones. Frep , valor representativo de las acciones. Xk, valores que representan las propiedades del terreno. - 32 -.