ACTUALIZACIÓN DEL TÍTULO H ESTUDIOS GEOTÉCNICOS
-DEL REGLAMENTO DE CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE
COLOMBIANO
COLOMBIAN SEISMIC RESISTANT CONSTRUCTION CODE-
UPDATING OF CHAPTER H - GEOTECHNICAL STUDIES
JORGE ALBERTO RODRIGUEZ
1; Álvaro Jaime Gonzalez
2; Ana María Parra Bastidas
31Jeoprobe SAS; 2Sociedad Colombiana de Geotecnia; 3Carlos H. Parra & Asociados
jorge.rodriguez@jeoprobe.com
Resumen
Se presenta un contexto histórico del desarrollo del Título H del Reglamento de Construcción Sismo Resistente Colombiano (NSR10), su relación con el Código Colombiano de Diseño de Puentes (CCP14), y los elementos que se han tenido en cuenta para la propuesta de actualización que se está elaborando. Es una versión extendida del artículo presentado en la revista Anales de Ingeniería 133-951, páginas 10-13 de la Sociedad Colombiana de Ingenieros. De los cambios del Título H actualizado descritos en este documento, se puede concluir que todos ellos se han realizado en aras de mejorar tanto el nivel de la práctica profesional como de la enseñanza de la Geotecnia en el país. Esto con el fin de lograr diseños geotécnicos óptimos, más seguros y con menores costos y riesgos emergentes.
Abstract
1 HISTORIA DEL TÍTULO H
El Título H surgió como la respuesta a la necesidad de tener algún tipo de norma geotécnica en el país. En la primera versión de normatividad sismo resistente colombiana de 1984, no había ningún requisito geotécnico salvo por la clasificación sísmica del perfil del suelo y unas vagas condiciones para algunos tipos de edificaciones. Cuando se elaboraba la segunda versión de la norma sismo resistente, de 1996 a 1997, se pensó incorporar un capítulo que tratara aspectos básicos de Geotecnia que sirviera como referente mínimo para regular la práctica de la ingeniería geotécnica para edificios en el país.
Esta fue una iniciativa que estuvo en cabeza de muy pocas personas y por lo tanto resultó en un conjunto de requisitos mínimos básicos. Sin embargo, esta loable iniciativa no estuvo exenta de limitaciones. En particular, su alcance correspondía inicialmente a un conjunto de requisitos mínimos y un listado de consideraciones básicas que se debían tener en cuenta para la realización de los estudios geotécnicos para edificios. También marcaba los parámetros de referencia mínimos que buscaban asegurar que las obras geotécnicas para edificios pudieran tener un adecuado comportamiento y un nivel de seguridad aceptable. No obstante, este intento no se plasmó en una norma.
La primera versión del Título H de la Norma NSR 98 (AIS, 1998), con 56 páginas, quiso incorporar una serie de fórmulas para el cálculo de algunos aspectos básicos de capacidad y deformaciones, pero con un alcance limitado para poder ser de un uso suficientemente generalizado y con el problema que, siendo una norma, habría que utilizarlas aun cuando en varios casos, las fórmulas no eran aplicables. Esta primera versión también tuvo un sesgo marcado, especialmente en exploración, hacia las condiciones geotécnicas de la zona blanda de la Sabana de Bogotá; las cuales son muy particulares, casi únicas a nivel mundial, y por lo tanto muy diferentes a las condiciones que se tienen en el resto del país. Sin embargo, fue realmente la primera norma geotécnica colombiana
y además incorporó, la clasificación de perfiles de suelos de la NEHRP como método alterno, la cual también se encuentra actualmente incorporada al Reglamento NSR10 y al Código de Puentes CCP14 (AIS, 2014).
2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL TÍTULO H ACTUALIZADO
El Título H del Reglamento NSR10 (AIS, 2010) tuvo 66 páginas. La nueva propuesta que se ha elaborado entre 2018-2021, tiene 130 páginas aproximadamente; es decir que casi se duplicó su extensión. Sin embargo, si se compara con otras normas se encuentra que tiene una extensión similar a la del Eurocódigo 7 - Criterios de Diseño, de 128 páginas (European Union, 2004). Esta norma como su nombre lo indica, está constituida sólo por criterios de diseño. El Manual de Diseño Geotécnico de la Institución de Ingenieros Civiles inglesa (ICE 2012), tiene 1537 páginas; es decir casi 10 veces la extensión de normas que son sólo criterios de diseño como la NSR10 o el Eurocódigo 7. El Manual de Ingeniería de Cimentaciones Profundas de México (Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos 2001) tiene 742 páginas y es un manual de ingeniería detallada para el diseño, construcción y control únicamente de cimentaciones profundas. Estas comparaciones son útiles para entender cuál es el carácter del Título H de la NSR10, el cual ha sido conservado en la actual versión. Mientras los demás capítulos de la NSR10 constituyen un manual de diseño, el Título H es únicamente un referente de criterios básicos mínimos que se deben cumplir.
3 CRITERIOS MÍNIMOS PARA LOS ESTUDIOS GEOTÉCNICOS
han surgido problemas; el argumento, incluso legal, ha sido que el cumplimiento de estos requisitos mínimos es necesario y suficiente para respaldar los diseños geotécnicos. Éste no es el caso, y a pesar de que la norma lo dice, la apreciación generalizada que dichos requisitos son necesarios y suficientes para garantizar la idoneidad de los estudios es equivocada. Esta interpretación errónea es delicada, en particular porque en ausencia de otras normas más completas o específicas, el Título H de la NSR10, a pesar de que la Norma NSR10 especifica que es solamente para edificaciones, usualmente se especifica para muchos otros tipos de obras geotécnicas diferentes a edificios en las que las condiciones y los aspectos que se deben considerar pueden ser muy diferentes.
La práctica estándar de la Ingeniería Geotécnica se basa en los principios básicos de esta disciplina que se formularon a mediados del siglo pasado y que siguen siendo el referente de la enseñanza y la práctica de la Geotecnia, no solamente en nuestro país sino la mayor parte del mundo. Estos principios son válidos, pero hoy en día se conocen muchos más aspectos que se deben tener en cuenta en la práctica geotécnica para un adecuado manejo de los proyectos con suelos y rocas naturales en condiciones específicas. Todos estos avances no se han incorporado a la enseñanza y la práctica de la Geotecnia de forma oportuna y completa. Éste es un tema recurrente en los foros técnicos internacionales de la disciplina en donde se buscan estrategias para cerrar la brecha que se ha venido abriendo entre el estado del conocimiento y de la práctica.
Por otra parte, los desarrollos tecnológicos en temas como la medición de propiedades y comportamientos del terreno en campo mediante instrumentación electrónica, el desarrollo de nuevos y poderosos métodos geofísicos, el abaratamiento de la tecnología de sensores, instrumentación, comunicaciones y computación, aunados al desarrollo de software de capacidades impensables hace apenas unos años cuando se formuló la primera versión de la norma, hace que la actualización del Título H sea un desafío muy
grande en el que necesariamente se tienen que tomar compromisos.
Por otra parte, dado que los problemas geotécnicos tratan con el terreno natural que es producto de largos y complejos procesos geológicos y morfológicos, muchas veces matizados además por actividades antrópicas; esto hace que prácticamente no existan dos problemas geotécnicos iguales. Adicionalmente siempre existirá una variabilidad intrínseca de las propiedades de materiales naturales mucho mayor que la que se puede esperar en materiales fabricados que obedecen especificaciones técnicas precisas tales como el acero, el concreto y los ladrillos, que son los que se utilizan para el diseño estructural. Para complicar aún más la situación, la Mecánica de Suelos es una disciplina muy joven y la Mecánica de Rocas es aún más reciente, en continua evolución y desarrollo, pero que aún están lejos de cubrir de forma exhaustiva el entendimiento del comportamiento de la infinidad de materiales naturales que se encuentran en la Naturaleza.
resultado de la presencia, en el perfil del subsuelo estudiado para un determinado proyecto, de materiales con comportamiento geotécnico especial, tales como: expansión/contracción, dispersividad y/o alta erodabilidad, colapso o alterabilidad alta, solubilidad y desleimiento en algunos macizos rocosos, comportamientos que en conjunción con la influencia que en ellos pueda tener la vegetación, existente o por implantar, habrán de tenerse tener en cuenta en el diseño de las cimentaciones y recomendaciones de construcción desarrolladas en cumplimiento de las pautas fijadas en este Reglamento. Estos fenómenos y situaciones adquieren aún mayor importancia ante las nuevas realidades impuestas por el cambio climático.” (Comisión de Normatividad Sociedad Colombiana de Geotecnia, 2021).
El Título H vigente quedó como un capítulo en un Reglamento de Construcciones Sismo Resistentes pero que ha tenido muy poco contenido específico y actualizado de Geotecnia Sísmica. Esta es una especialidad de la Geotecnia que ha tenido una evolución particular propia y rápida, en temas tales como la caracterización de los movimientos sísmicos para análisis de ingeniería, el entendimiento de la rigidez y de la resistencia de los suelos en condiciones dinámicas, condiciones particulares tales como la licuación de suelos granulares y el ablandamiento cíclico de suelos finos, la respuesta dinámica de perfiles de suelos y la naturaleza variable de los factores de seguridad durante cargas sísmicas en taludes y cimentaciones, aspectos de interacción suelo estructura por compatibilidad de deformaciones del terreno y estructuras enterradas, métodos de caracterización sísmica del terreno mediante geofísica en campo y mediante ensayos de laboratorio, etc.
Sin embargo, la formación en los posgrados de Geotecnia en el país no es lo suficientemente intensiva para abordar todos estos temas de la ingeniería sísmica geotécnica. Por lo tanto, las exigencias del Capítulo H.7 de la versión vigente del Título H son quizás las menos aplicadas de todo el Título por los profesionales. Es por eso que en la
versión actualizada del mismo se ha tratado de describir los conceptos básicos de la Ingeniería Sísmica Geotécnica. También se incluyen dos alcances diferentes para todas las evaluaciones descritas en el Capítulo H.7: una simplificada y una detallada. En el borrador del Capítulo H.7 actualizado, la evaluación simplificada se propone “con base en información secundaria o correlaciones empíricas debidamente actualizadas y comprobadas que abarquen el alcance para cada efecto” para los casos más sencillos; mientras que la detallada “requiere realizar análisis detallados por métodos numéricos o metodologías aceptadas que logren cubrir el alcance mínimo que se especifica para cada efecto sísmico”, en los casos especificados en la Tabla H.7-1. (Comisión de Normatividad Sociedad Colombiana de Geotecnia, 2021),
Adicionalmente, la caracterización y clasificación de perfiles de suelos para efectos de tener en cuenta la amplificación de los suelos superficiales en el movimiento sísmico es un tema de gran importancia que se ha venido manejando con métodos y criterios que han mostrado sus limitaciones con los resultados observados del efecto de sismos en muchas partes del mundo. Esto ha hecho que en muchos sitios sísmicamente activos del mundo se esté considerando la revaluación de los métodos y criterios de clasificación, y que muestran la necesidad o conveniencia de realizar estudios particulares de respuesta sísmica para muchos casos más que los que se han considerado tradicionalmente. Por lo tanto, la versión actualizada de los Capítulos A.2 y del H.7 consideran estos aspectos.
de dichas cimentaciones están contemplados en el
nuevo Numeral H.4.8.6. Además, la
caracterización de las rocas con comportamiento especial existentes en el país se trata en la versión actualizada del Capítulo H.9, en donde se incluyen rocas lodosas, solubles, salinas, yesíferas, kársticas y cuarzosas pseudo – kársticas.
4 COMPARACIÓN ENTRE EL CAPÍTULO 10 DE LA CCP14 Y EL TÍTULO H ACTUALIZADO DE LA NSR
El Código de Puentes CCP14, que corresponde a una traducción, no siempre exitosa, de la Guía AASHTO para Diseño de Puentes por el Método de Factores de Carga y Resistencia ha surgido como otra norma que cubre aspectos geotécnicos de cimentaciones (Sección 10, 181 páginas), muros, estribos y pilas de puentes (Sección 11, 126 páginas) y estructuras enterradas y de drenaje (Sección 12, 107 páginas). Esta norma se acerca más a ser un manual de diseño con aplicación específica para cimentaciones y obras complementarias para puentes. El método de diseño basado en confiabilidad, que es el método prevaleciente para el diseño de estructuras que utiliza el CCP14 es diferente al enfoque del Título H que utiliza factores de seguridad. En esto surge una necesidad de compatibilizar las dos normas y el método de diseño geotécnico con el estructural, con la dificultad de que los métodos de confiabilidad requieren gestión de conocimiento sobre una suficiente cantidad de información confiable que permita establecer criterios ciertos de confiabilidad para los materiales y las obras geotécnicas localmente, conocimiento cuya compilación para este propósito actualmente no está disponible en Colombia, como se ha insistido ante el INVIAS por diferentes entidades y autores 5 ACTUALIZACIÓN DEL TÍTULO H
Todos estos son temas que requieren una revaluación periódica con fines de hacer actualizaciones a los requisitos de la Norma. Para afrontar este reto la Junta Directiva de la Asociación de Ingeniería Sísmica habilitó a la
Sociedad Colombiana de Geotecnia (SCG) para participar en el proceso a través de su Comisión de Normatividad, siguiendo los mismos procedimientos formales de votación y documentación utilizados en AIS para la formulación de las propuestas de los demás capítulos. El Autor principal del presente artículo ha trabajado como Subdirector del Comité AIS 100 para el Título H y al mismo tiempo ha participado del proceso en la Comisión de Normatividad de la SCG desde 2018. Éste ha sido un proceso con amplia participación de ingenieros geotécnicos no sólo de Bogotá sino de otras ciudades como Medellín, Cali, Pasto, Barranquilla y Bucaramanga, y de los ámbitos geotécnicos del diseño, la construcción, la academia y la investigación. Se han realizado sesiones de trabajo desde el 2018 hasta la fecha. En el 2019 se realizaron 22 sesiones, en el 2020, 19, y en el 2021 se han realizado 20 sesiones. En las sesiones han participado más de 20 ingenieros especialistas de Geotecnia con experiencia profesional de entre 10 y 60 años y con títulos de posgrado de especialización, maestría y doctorado. Estos Ingenieros tienen experiencia con proyectos ubicados en zonas de diferente nivel de amenaza sísmica y tratando con diferentes tipos de suelos y rocas presentes en el país. La primera versión de los diez (10) Capítulos del Título H actualizado, producto de las sesiones de discusión, fue enviada a AIS en Diciembre de 2020 y la segunda en Julio de 2021.
También se hizo la actualización de los criterios para el diseño geotécnico de cimentaciones incluyendo requisitos aplicables para pruebas de campo de cimentaciones profundas. Se establece un periodo de transición para pasar de la forma alterna al inicio del uso del método de factores de carga y resistencia incluyendo los factores correspondientes que se deberán utilizar mientras se desarrollan estudios de confiabilidad localmente.
Teniendo en cuenta que la cantidad, la profundidad y la complejidad de las excavaciones ha crecido en todas las zonas urbanas e involucrando diferentes tipos de suelos presentes en el país; se hizo la revisión de los capítulos de excavaciones y estabilidad de taludes (H.5 y H.8) incluyendo el procedimiento alterno para calcular el coeficiente sísmico teniendo en cuenta los desarrollos recientes en este tema que consideran la variabilidad de las fuerzas inerciales en el talud y el efecto no solamente sobre la estabilidad en un momento del tiempo sino la deformación permanente que puede ocurrir en el talud por efecto del sismo. También se han incluido en el capítulo H.8 los requisitos mínimos para tener en cuenta durante el diseño del proceso constructivo de las excavaciones, para elaborar planes de contingencia y para diseñar los procesos de monitoreo y control con instrumentación geotécnica.
Algunas de las grandes ciudades del país también han crecido hacia las laderas, y por ende los requerimientos mínimos de los análisis geotécnicos para los proyectos que van a construirse dentro del área de influencia de estas, se han incrementado en la versión actualizada de los capítulos H.5 y H.8. El H.4 actualizado describe los requerimientos mínimos que deben tener los análisis de la cimentación en laderas. El nuevo Numeral H.5.2 incluye los requerimientos mínimos que deben tener los análisis de la estabilidad de laderas ya sean naturales o intervenidas, en donde se prevea el desarrollo de edificaciones. Las disposiciones del Capítulo H.8 para los planes de contingencia y para diseñar el monitoreo y control de deformaciones con instrumentación de
excavaciones, también son aplicables a los casos del monitoreo de laderas que podrían representar un riesgo para las edificaciones en su área de influencia.
Se presenta la actualización de la evaluación geotécnica de efectos sísmicos entrando en más detalle en los aspectos específicos que tienen que ver con este tema de acuerdo con el estado internacional de la práctica y el conocimiento. Se incluyó la revisión del capítulo de sistemas constructivos, y el de condiciones geotécnicas especiales con una actualización teniendo en cuenta desarrollos recientes en el estado del conocimiento en estos temas, y la revisión del capítulo de rehabilitación sísmica de edificios. Se hicieron aportes sobre los temas de respuesta sísmica local y microzonificación sísmica que junto con los criterios de clasificación de los perfiles sísmicos están cubiertos en el Título A.
6 RELACIÓN ENTRE LA VERSIÓN ACTUALIZADA Y OTROS CAPÍTULOS DE LA NSR EN PROCESO DE ACTUALIZACIÓN
De acuerdo con la segunda versión del Título H actualizado, se han identificado algunos temas que requieren ser coordinados con los comités de los demás capítulos de la NSR. Los procesos pendientes identificados a la fecha son: • Se requiere la definición de los niveles de
amenaza de la versión actualizada del título A y de las aceleraciones en roca para para los análisis requeridos en el H.7 y H.10.
• Se deben establecer los requisitos para las edificaciones construidas antes de la vigencia del NSR y los requerimientos de reforzamiento estructural de estas edificaciones en la nueva versión del título A, y su relación con el H.7 y el H.10.
• Se deben definir las combinaciones de carga del Título B nuevo y si se utilizarán cargas de servicio o mayoradas para los análisis de la cimentación, y que esto podría tener influencia en el nuevo capítulo H.2 en donde se han propuesto factores de carga y resistencia a fin de hacer la transición de la filosofía de diseño ASD a la LRFD, para los elementos de cimentación; este requerimiento será exigido luego de 3 años a partir de la expedición de la nueva versión de la NSR.
7 CONCLUSIONES
La propuesta constituye una actualización en todos estos temas que pretenden que se logre un mejor nivel en la enseñanza y la práctica de la Geotecnia que tiene grandes implicaciones de costos y seguridad en los proyectos, aunque obviamente requieren una mayor inversión a nivel de los estudios de ingeniería. Los costos de Ingeniería Geotécnica, sin embargo, siempre son mucho menores que las ventajas que se pueden obtener de diseños geotécnicos seguros y optimizados, con menores riesgos de fallas o de comportamientos indeseados y sus costos emergentes. Adicionalmente, siempre se debe tener claro que los costos de los estudios geotécnicos generalmente son un porcentaje mínimo del costo total de las obras.
Los estudios geotécnicos acordes con las exigencias de la nueva versión del Título H, requieren del uso de equipos de campo y laboratorio de mayor complejidad que los utilizados en la práctica estándar de la Geotecnia actualmente en el país. Algunos de los análisis avanzados requeridos por el Título H requieren también del uso de software especializado. Esto deriva en diseños geotécnicos más seguros.
Estos equipos y análisis más avanzados, así como el rápido avance de la tecnología y de los conocimientos geotécnicos, requieren Ingenieros Civiles Geotecnistas con un nivel mayor de formación académica y experiencia profesional, y con una avidez por un constante proceso de
actualización profesional. Es por esto que en el nuevo Capítulo H.1 se establece que: “Los profesionales que realicen o dirijan estos estudios geotécnicos deben poseer una experiencia mayor de cinco (5) años en el diseño geotécnico de cimentaciones y las obras relacionadas en el Numeral H.1.1.1, contados a partir de la expedición de la tarjeta profesional, bajo la dirección de un profesional facultado para tal fin, o acreditar estudios de posgrado en el área de Geotecnia”.
Sin embargo, se va a requerir también una mayor oportunidad de cursos de actualización profesional ofrecidos por universidades, sociedades profesionales e instituciones privadas de formación. Ya que estas oportunidades de formación son menos frecuentes en las regiones, la educación virtual y/o digital será una herramienta fundamental para lograr la capacitación necesaria para la adecuada aplicación de los requerimientos del nuevo capítulo H. Esta actualización profesional no sólo la requerirán los Ingenieros Civiles Geotecnistas de diseño sino también los revisores independientes y los revisores de oficio de los estudios geotécnicos en las curadurías y oficinas de planeación.
8 REFERENCIAS
AIS (1998). Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente NSR-98.
AIS (2010). Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente NSR-10.
AIS (2014). Norma Colombiana de Diseño de Puentes – LRFD – CCP14.
Comisión de Normatividad Sociedad Colombiana de Geotecnia (2021). Borrador del Título H actualizado.
European Union (2004). EN 1997-1 (2004): Eurocode 7: Geotechnical Design.
ICE (2012). ICE Manual of Geotechnical Engineering.
