Diseño de estructuras geotécnicas según el Eurocode 7 y otras normas internacionales

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(1)DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. DISEÑO DE ESTRUCTURAS GEOTÉCNICAS SEGÚN EL EUROCODE 7 Y OTRAS NORMAS INTERNACIONALES. DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2003.

(2) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. DISEÑO DE ESTRUCTURAS GEOTÉCNICAS SEGÚN EL EUROCODE 7 Y OTRAS NORMAS INTERNACIONALES. DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. PROYECTO DE GRADO PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL. ASESOR: Ing. ARCESIO LIZCANO PELÁEZ Ph. D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2003.

(3) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. CONTENIDO. pág. RESUMEN ............................................................................................................................10 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................12 1. EVOLUCIÓN DE LOS CÓDIGOS, NORMAS Y MANUALES EN LA INGENIERÍA CIVIL ....................................................................................................................................14 1.1 ASPECTOS HISTÓRICOS ............................................................................................14 2. CONCEPTOS Y DEFINICIONES IMPORTANTES ......................................................18 2.1 EL CONCEPTO DEL ESTADO LÍMITE......................................................................18 2.1.1 El Estado Límite Último ..............................................................................................22 2.1.2 El Estado Límite de Servicibilidad...............................................................................22 2.2 VALORES CARACTERÍSTICOS.................................................................................23 2.3 FACTOR DE SEGURIDAD PARCIAL........................................................................24 2.4 VALORES DE DISEÑO ................................................................................................27 2.5 METODOLOGÍAS DE DISEÑO ...................................................................................27 2.5.1 Método del Estado Límite............................................................................................27 2.5.2 Método de los Esfuerzos Permisibles...........................................................................28 2.5.3 Método del Factor de Carga .........................................................................................28 2.5.4 Método del Factor de Seguridad Parcial ......................................................................28.

(4) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 2.5.5 Diseño Por Factor de Carga y Resistencia (LRFD) .....................................................29 2.5.6 Diseño Probabilístico ...................................................................................................29 2.6 ACCIONES .....................................................................................................................30 2.7 PRINCIPIOS ...................................................................................................................35 2.8. REGLAS DE APLICACIÓN.........................................................................................35 3. LOS EUROCÓDIGOS ESTRUCTURALES ...................................................................37 3.1 DESARROLLO DE LOS EUROCÓDIGOS..................................................................37 3.2 OBJETIVO DE LOS EUROCÓDIGOS .........................................................................43 3.3. CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS EUROCÓDIGOS .............................................46 4. EN 1990 - BASES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL......................................................47 4.1 REQUERIMIENTOS GENERALES Y NIVELES DE CONFIABILIDAD .................49 4.1.1 Requerimiento de Servicibilidad ..................................................................................49 4.1.2 Requerimiento de Seguridad ........................................................................................49 4.1.3 Requerimiento de robustez...........................................................................................49 5. (EN1997) EL EUROCÓDIGO 7 – PROYECTO GEOTÉCNICO...................................54 5.1. ESTADOS LÍMITE QUE DEBEN CONSIDERARSE EN EL EUROCÓDIGO 7......58 5.2 VERIFICACIÓN DE LOS ESTADOS LÍMITE ............................................................63 5.2.1 Estados límite últimos ..................................................................................................63 5.2.2 Estados límite de servicio ............................................................................................67 6. CIMENTACIONES SUPERFICIALES ..........................................................................70 6.1. MARCO TEÓRICO..................................................................................................70. 6.2. ACLARACIONES PRELIMINARES ......................................................................71. Caso A...................................................................................................................................72.

(5) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Caso B ...................................................................................................................................72 Caso C ...................................................................................................................................72 6.3. EJEMPLO DE CÁLCULO .......................................................................................73. 6.3.1. Ejemplo según la norma DIN 1054 (1976) ...........................................................74. 6.3.2. Cálculo según la norma ENV 1997-1 Parte 1 .......................................................76. 6.3.3. Cálculo según la norma DIN 1054-100.................................................................80. 6.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS......................................................................85. 7. CIMENTACIONES PROFUNDAS (PILOTES)..............................................................86 7.2 7.2.1. PRINCIPIOS DE SEGURIDAD...............................................................................86 Condiciones de estado límite y ecuaciones de estado límite.................................86. 7.2.2 Acciones para cimentaciones sobre pilotes ..................................................................88 7.2.3 Resistencias en cimentaciones sobre pilotes ................................................................90 7.3 RESISTENCIA AXIAL EN PILOTES..........................................................................91 7.3.1 Procedimiento fundamental..........................................................................................91 7.3.2 Determinación ENV 1997-1 (EC 7).............................................................................92 7.3.2.1 Prueba de la capacidad portante................................................................................92 7.3.2.2 Capacidad portante última calculada a partir de ensayos de carga en pilotes ...........93 7.3.2.3 Valores empíricos de las resistencias por presión en pilotes ....................................95 7.3.2.4 Prueba del estado límite de servicibilidad y de la capacidad portante en unidades por construirse .............................................................................................................................96 7.3.2.5 Uso de valores empíricos para el cálculo de la capacidad portante en pilotes..........96 7.3.3 Determinación según DIN V 1054-100 .......................................................................97 7.3.3.1 Prueba de la capcidad portante ..................................................................................97.

(6) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 7.3.3.2 Resistencia de pilotes simples cargados axialmente a partir de pruebas de carga ....98 7.3.3.3 Resistencia axial de pilotes a partir de valores empíricos .......................................100 7.3.3.4 Prueba del estado límite de servicibilidad y capacidad portante en unidades por construirse. ..........................................................................................................................106 7.4 Resistencia del pilote transversal al eje del pilote.........................................................109 7.5 Cálculo comparativo de un pilote preexcavado basado en valores empíricos para carga última y resistencia por fricción..........................................................................................110 7.5.2 Capacidad portante de pilotes preexcavados con carga axial según el método tradicional (vieja DIN 4014) ...............................................................................................113 7.5.2.1 Capacidad portante del pilote simple ......................................................................113 7.5.2.1.1 Resistencia por fuste del pilote.............................................................................113 7.2.1.2 Resistencia por punta ..............................................................................................114 7.5.2.1.4 Pruebas de soporte y servicibilidad ......................................................................115 7.5.2.2 Número de pilotes ...................................................................................................116 7.5.3 Capacidad portante axial y número de pilotes según ENV 1997-1 (EC 7)...............116 7.5.3.1 Estado límite de capacidad portante de pilotes simples según el caso 1C ..............116 7.5.3.2 Prueba de seguridad contra seguridad portante en unidades por construirse según el caso 1B ................................................................................................................................117 7.5.3.3 Prueba del estado límite de servicibilidad según el caso 2 .....................................119 7.5.3.4 Número de pilotes ...................................................................................................120 7.5.4 Prueba de seguridad de capacidad portante en pilotes preexcavados y número de pilotes según la norma DIN V 1054-100 ...........................................................................121 7.5.4.1 Estado límite de la capacidad portante en pilotes simples según el caso GZ 1B....121.

(7) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 7.5.4.2 Prueba de la seguridad por capacidad portante en unidades por construirse según el caso GZ 1B..........................................................................................................................122 7.5.4.3 Prueba del estado límite de servicibilidad según GZ 2 ..........................................122 7.5.4.4 Número de pilotes ...................................................................................................122 7.5.5 Resumen del número de pilotes necesarios para obtener la capacidad portante ........123 7.5.6 Acciones y resistencias del suelos de soporte como bases para el cálculo de pilotes de la unidad constructiva ..........................................................................................................123 7.5.7 Determinación del momento de cálculo para un pilote sencillo debido a la aplicación de una carga horizontal para el cálculo del pilote. ..............................................................125 7.6 Cálculo comparativo de un pilote preexcavado basado en pruebas de carga ................129 7.6.1 Procedimiento y resultados ........................................................................................129 7.6.2.1 Capacidad portante del pilote sencillo ....................................................................130 7.6.2.2 Número de pilotes ...................................................................................................131 7.6.3 Capacidad portante axial y número de pilotes según ENV 1997-1 (EC 7)...............131 7.6.3.1 Capacidad portante del pilo te sencillo según el caso 1B ........................................131 7.6.3.2 Prueba del estado límite de la capacidad portante en unidades por construirse según el caso 1B............................................................................................................................132 7.6.3.3 Prueba del estado límite de servicibilidad según el caso 2 .....................................133 7.6.3.4 Número de pilotes ...................................................................................................133 7.6.4 Capacidad portante axial y número de pilotes según la norma DIN V 1054 -100.....134 7.6.4.1 Estado límite de la capcidad portante según el caso GZ 1B ..................................134 7.6.4.2 Estado límite de la capacidad portante de la unidad constructiva según el caso GZ 1B ........................................................................................................................................134.

(8) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 7.6.4.3 Prueba del estado límite de servicibilidad según el caso GZ 2 ...............................135 7.6.4.4 Número de pilotes ...................................................................................................135 7.6.5 Resumen del número de pilotes necesarios según las diferentes normas ..................136 7.7 Conclusiones .................................................................................................................136 8. ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN – TABLESTACAS ...........................................138 8.1. MARCO TEÓRICO................................................................................................138. 8.1.1. Empuje de tierras en reposo ................................................................................138. 8.1.2. Empuje activo de tierras ......................................................................................139. 8.1.3. Empuje pasivo de tierras .....................................................................................139. 8.2. CÁLCULO DE LOS EMPUJES LATERALES .....................................................140. 8.2.1. Teoría de Coulomb ..............................................................................................140. 8.2.1.1. Suelos Sin Cohesión............................................................................................140. 8.2.1.1.1. Empuje activo de Coulomb .............................................................................140. 8.2.1.1.2. Suelos Cohesivos.............................................................................................143. 8.2.2. TEORÍA DE RANKINE.....................................................................................146. 8.2.2.1. Suelos Friccionantes (Sin cohesión) ...................................................................146. 8.2.2.1.1. Empuje activo de Rankine ...............................................................................146. 8.2.2.1.2. Empuje pasivo de Rankine ..............................................................................148. 8.3 DISEÑO DE TABLESTACAS SEGÚN EL EUROCODE 7.......................................148 8.3.1. Cálculo de la presión lateral de tierras ................................................................148. 8.3.2. Descripción del proceso de diseño ......................................................................151. 8.3.3. Cálculo de la profundidad de empotramiento y las fuerzas de los anclajes ........152. 8.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................154.

(9) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 8.5. GENERALIDADES ................................................................................................155. 8.6. CÁLCULO DE LAS FUERZAS DE LOS APOYOS ............................................158. 8.6.1 8.7 8.7.1. Consideraciones Generales .................................................................................158 CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE TIERRAS........................................................159 Presión de tierras según las normas antiguas (DIN) y las recomendaciones EAB. 159. 8.7.2. Cálculo según la norma DIN V 1054-100...........................................................163. 8.7.3. Presión de tierras según el Eurocode 7................................................................167. 8.8. CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE EMPOTRAMIENTO Y DE LAS. FUERZAS DE LOS ANCLAJES .......................................................................................175 8.8.1. Profundidad de empotramiento y fuerzas de los anclajes según las normas. antiguas (DIN) y las recomendaciones EAB. ......................................................................175 8.3.2. Profundidad de empotramiento y fuerzas de los anclajes según la norma DIN V 1054-100..............................................................................................................................181 8.3.3 Profundidad de empotramiento y fuerzas de los anclajes según el EC 7 Caso C ......188 8.4. Resumen de resultados.................................................................................................192 9. CONCLUSIONES ..........................................................................................................193 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................196.

(10) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. RESUMEN. El trabajo esta basado en la comparación de normas internacionales, principalmente el Eurocódigo 7 (EN1997-1), norma que corresponde a lo relacionado con los proyectos geotécnicos, que hace parte de un conjunto de códigos que buscan la estandarización de especificaciones y técnicas en los países miembros de la Comunidad Económica Europea. Dicho código reúne conceptos y metodologías que aunque han sido práctica común en el ámbito de la ingeniería estructural, nunca habían sido practicados formalmente por la geotecnia.. El trabajo discute las bondades y desventajas de la metodología propuesta en el EC 7, correspondiente a la combinación de las metodologías del estado límite y factores de seguridad parcial. Lo anterior se logra mediante la resolución de ejemplos de cálculo de cimentaciones superficiales, profundas y muros de contención (tablestacas), a partir de las variables y especificaciones suministradas por diferentes normas internacionales, buscando destacar la importancia de la calibración de los factores de seguridad parcial y su efecto sobre los diseños resultantes.. Los resultados de esta investigación, además de servir como guía para la utilización de una metodología de diseño que nunca se ha utilizado en Colombia, sirve de fundamento para investigaciones posteriores relacionadas con el diseño probabilístico de estructuras.

(11) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. geotécnicas, que deben estar encaminadas a establecer dicha metodología como el procedimiento más adecuado para el diseño de este tipo de estructuras, esto con el fin de avanzar de acuerdo a las tendencias mundiales en campos que el país poco ha desarrollado..

(12) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. INTRODUCCIÓN. Este trabajo se origina principalmente, de las discusiones que han sido generadas en los últimos años concernientes al desarrollo de nuevas normativas y estándares de diseño relacionados con las estructuras geotécnicas, la mayoría de ellas tienen que ver con la implementación del Eurocódigo 7, lo anterior como un intento de armonizar el diseño geotécnico con el análisis estructural.. Al inicio del trabajo se hace una descripción minuciosa y se definen todos los conceptos fundamentales para el buen entendimiento del proyecto. Posterior a esto, basado en las discusiones internacionales previas al respecto, principalmente las correspondientes a la academia alemana (Smoltczyk, Kempfert, etc), se desarrollan comparaciones entre las normas alemanas y la norma ENV 1997-1 (Eurocódigo 7) correspondientes al diseño de estructuras geotécnicas. Las comparaciones están dirigidas a concluir sobre los efectos, principalmente económicos que tienen los factores de seguridad parcial escogidos por las diferentes metodologías de diseño.. La importancia de este trabajo radica en que además de ser algo novedoso en el país, es el inicio de un camino que finalmente llevará a introducir metodologías de diseño geotécnico probabilística, esto con el fin de diseñar basándose en los principios de la confiabilidad y economía estructural, poder diseñar y construir estructuras económicas y confiables es el.

(13) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. objetivo primordial de la ingeniería civil, el desarrollo de este trabajo está acorde con ese noble objetivo que nuestro país tanto necesita..

(14) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 1. EVOLUCIÓN DE LOS CÓDIGOS, NORMAS Y MANUALES EN LA INGENIERÍA CIVIL. Para comprender mejor los objetivos de este trabajo se hace necesario comentar un poco sobre lo que ha sido la formación y evolución histórica de la ingeniería civil, todo desde el punto de vista de las metodologías de diseño y las normas, códigos y manuales que estas generan. Dicha descripción ayudará a contextualizar la existencia actual de códigos estructurales basados en métodos como los del estado límite y los factores de seguridad parcial.. 1.1 ASPECTOS HISTÓRICOS En la antigüedad lo único que garantizaba que cualquier tipo de estructura fuese segura era la experiencia de sus diseñadores y constructores, muchas catedrales europeas desarrolladas durante la edad media (1220-1280) son un ejemplo de esto, las cuales fueron concebidas a partir de lo planteado por el gran constructor romano Vitruvio cerca del año 30 a.C. De este modo, el libro escrito por Vitruvio puede ser considerado como el manual de diseño medieval, cuyos métodos se siguieron utilizando durante varios siglos.. Con el advenimiento de la revolución industrial en el siglo XIX se generaron nuevos materiales y aplicaciones que obligaron a los constructores a un cambio en su filosofía de diseño. Desde la introducción del hierro utilizado en puentes y edificaciones con fines. 14.

(15) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. industriales, los ingenieros han desarrollado nuevas técnicas para diseñar por medio de cálculos. Uno de los pioneros en este desarrollo fue Navier, quien formuló los principios básicos de la teoría de la elasticidad, pero más importante aún, fue su intento por aplicar dicha teoría a la ingeniería práctica desarrollando diseños para puentes de suspensión.. En el siglo XX, con el desarrollo del acero, el concreto reforzado, el aluminio y los materiales reforzados con fibras se lograron avances significativos en el diseño, adquiriendo nuevos métodos de cálculo que se pueden relacionar con la introducción del concepto del factor de seguridad.. El factor de seguridad tiene en cuenta la incertidumbre que se tiene en relación a las cargas y resistencias. El desarrollo de las ideas demuestra que la seguridad esta totalmente relacionada al método de diseño. A principios del siglo XIX el diseño basado en la carga última se introdujo para su utilización en estructuras metálicas. Bajo esta aproximación la carga es aumentada por un factor de seguridad de 4 a 6, y el valor obtenido se compara con la resistencia obtenida en forma experimental para vigas y columnas de hierro. Sin embargo, en la segunda mitad del mismo siglo, la teoría de la elasticidad ya se entendía perfectamente y se realizó una conexión directa con los esfuerzos permisibles. Con este concepto el esfuerzo del material es limitado a una fracción de su esfuerzo de falla, y dicho valor es comparado con el esfuerzo calculado bajo condiciones específicas de carga. El método de diseño bajo esfuerzos permisibles fue muy aceptado hacia fines del siglo XIX y se usó de manera extensa durante todo el siglo XX. Sin embargo, las cargas especificadas y los esfuerzos permisibles estaban basados en la práctica, y estaban fuertemente. 15.

(16) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. relacionados al campo de aplicación. Las inconsistencias que esto producía y la probabilidad de falla desconocida, fueron las principales razones para que los ingenieros estructurales no estuviesen completamente satisfechos con el método, de este modo, en el período de la Segunda Guerra Mundial se discutieron conceptos más consistentes de seguridad basados en una aproximación estadística.. La posibilidad de diseñar una estructura para una probabilidad de falla a lo largo de su vida útil se investigó por primera vez en la industria aeronáutica en la Segunda Guerra Mundial, los intentos más serios para aplicar dichos conceptos probabilísticos fueron realizados diez años después. Desde ese entonces se han desarrollado e implementado conceptos de confiabilidad probabilística en el diseño. Los métodos exactos tienen en cuenta la distribución estadística de todas las variables, mientras que métodos aproximados más aceptados hacen algunas simplificaciones. A pesar de todo, una desventaja de los métodos probabilísticos basados en la confiabilidad es que sus cálculos solo pueden ser realizados por expertos y son lo suficientemente extensos para la práctica del diseño cotidiano.. Al mismo tiempo se desarrolló un concepto de seguridad mucho más consistente, conocido como el concepto del factor de seguridad parcial, el cual combina el diseño bajo carga última y el diseño bajo esfuerzos permisibles y tiene sus orígenes en los materiales compuestos como el hormigón. Los principios generales de dicho método fueron adoptados por el CEB (Comité Européen du Béton) en 1964 y el objetivo del método es “alcanzar una seguridad más uniforme sobre toda la estructura que los métodos tradicionales”. Lo anterior se logra utilizando factores de seguridad específicos para cada tipo de carga y factores de. 16.

(17) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. seguridad dependientes del material. Una de las ventajas de esta concepción es la posibilidad de trabajar con diferentes niveles de incertidumbre para cargas y materiales. Existe pues, una relación directa entre el método de los factores de seguridad parcial y los métodos probabilísticos. Los códigos de diseño estructural actuales hacen uso de estos métodos y están basados en el concepto de estado límite, el cual se define posteriormente.. 17.

(18) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 2. CONCEPTOS Y DEFINICIONES IMPORTANTES. El desarrollo de los códigos geotécnicos dependientes. del. país. que. tiende a cumplir con muchos objetivos. los desarrolla, pero fundamentalmente, la comunidad. internacional apunta a una armonización de las normas, que consiste principalmente, en darle a los ingenieros geotecnistas el mismo lenguaje que por tanto tiempo han utilizado los ingenieros estructurales.. En el capítulo anterior se introdujeron los métodos en los cuales están basados los códigos y normas geotécnicas objeto de este trabajo. Sin embargo, para una mejor comprensión de este trabajo se hace necesario definir una serie de términos y explicar con más detalle las metodologías de diseño enunciadas. En el desarrollo de las normas mencionadas se han llevado a cabo numerosas discusiones, pero por lo general, estas se deben a la confusión de términos que han sido utilizados indistintamente, provocando confusiones en los campos de la consultoría, construcción y academia de la ingeniería civil.. 2.1 EL CONCEPTO DEL ESTADO LÍMITE En la época de las discusiones de la Segunda Guerra Mundial autores como Van Den Broek y Freudenthal plantearon la necesidad de tener en cuenta el comportamiento post-elástico de los materiales estructurales y la posibilidad de utilizar técnicas estadísticas para. 18.

(19) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. cuantificar el factor de seguridad bajo el concepto de los esfuerzos permisibles. Estos fueron los primeros pasos en el desarrollo de un nuevo concepto de diseño, hoy conocido como el concepto del estado límite.. El estado límite se define como la condición en la que una estructura no es capaz de cumplir con sus funciones bajo acciones dadas. En términos más claros, esto significa que la estructura colapsa o que no puede ser utilizada normalmente. Matemáticamente se puede definir la función del estado límite como la diferencia entre la resistencia (R) y los efectos de las acciones (S), así:. Z = R−S. (2.1). Mientras que Z > 0 es obvio que la estructura no falla, si Z < 0 la estructura colapsa; el estado límite se alcanza cuando Z = 0 . Los valores de la resistencia y de las acciones son variables estocásticas, que pueden ser representadas por su función de densidad de probabilidad. f R (r ). y. f S (s ) , respectivamente. Por conceptos básicos de la teoría. probabilística se sabe que si las resistencias y los efectos de las acciones son independientes, entonces su función de probabilidad combinada se define como f R ( r ) ⋅ f S ( s ) . Dicha función se representa gráficamente como se muestra en la figura 2.1. La probabilidad de falla es igual a la capacidad de la función de probabilidad combinada para la cual Z < 0 . Lo que matemáticamente se expresa como:. 19.

(20) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ P( Z < 0) =. ∫∫ f. R. ICIV 2003 II 01. ( r ) ⋅ f S ( s ) ⋅ dr ⋅ ds. (2.2). R< S. La integral anterior puede ser aplicada a funciones de estado límite dependientes del tiempo y para resolverla se han desarrollado varios métodos, pero la descripción y aplicación de estos va más allá de los alcances de este trabajo. Con el uso de estos métodos probabilísticos se ha hecho posible cuantificar la seguridad de una estructura, pero lo más importante es que los resultados pueden utilizarse para calibrar reglas de diseño seguras para la ingeniería práctica cotidiana. Figura 2.1. El Concepto del Estado Límite. STRAALEN, IJ. J.. “Development of Design Rules” 1999. 20.

(21) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. En algunos métodos se utiliza el nivel de confiabilidad (β), esto en lugar de presentar los resultados de los métodos de confiabilidad probabilística en términos de probabilidad de falla. La relación que existe entre la probabilidad de falla P(Z<0) y el índice de confiabilidad β esta dada por:. P( Z < 0) = Φ( − β ). (2.3). donde Φ es la función de la distribución normal estándar. En el Eurocode 1 (del que se hablara posteriormente) se indican valores del índice de confiabilidad objetivo β para tres estados límites. Dichos valores están dados para una vida útil de 50 años.. El método de confiabilidad estructural más conveniente para el diseño práctico es el método de los factores de seguridad parcial, también conocido como el método de nivel I. La confiabilidad de una estructura o componente con respecto a la falla es chequeada con base a la función de estado límite en combinación con valores de diseño para las acciones y resistencias. Los valores de diseño provienen de los denominados valores característicos combinados con factores de seguridad parcial adecuados.. La norma EN 1990 en su sección 3 estipula que los Eurocódigos están basados en el concepto del estado límite utilizado en conjunción con el método del factor parcial. Por eso más allá de definir el concepto en una forma matemática como se ha hecho hasta ahora, es. 21.

(22) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. importante resaltar que existen para el Eurocódigo 7 dos tipos de estado límite; el estado límite último, y el estado límite de servicibilidad. 2.1.1 El Estado Límite Último El estado límite último corresponde a la seguridad de las personas y a la seguridad de la estructura, esta relacionado con el colapso de la estructura o con otras formas de falla estructural. Este estado se verifica llevando a cabo modelos estructurales y de carga para estados relevantes considerados en varias situaciones de diseño y casos de carga.. 2.1.2 El Estado Límite de Servicibilidad El estado límite de servicio corresponde al funcionamiento de la estructura, la comodidad de la gente y la apariencia de la estructura. La norma recomienda que los requerimientos de servicibilidad deben ser especificados en el diseño o los contratos. Existe una distinción entre estados límite de servicibilidad reversibles e irreversibles y proporciona tres expresiones para el diseño basado en servicibilidad, estas son: característico, frecuente y cuasi-permanente. La verificación de este estado límite debe ser basado en el criterio considerando las deformaciones que afectan la apariencia, y la comodidad de los usuarios.. Los diseñadores deben verificar los diferentes estados límites utilizando los valores de las acciones, propiedades de materiales y los datos geométricos en un modelo. A propósito de. 22.

(23) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. lo anterior, se añade a este trabajo en un numeral posterior, una breve explicación teórica sobre la verificación de los diferentes estados límite.. 2.2 VALORES CARACTERÍSTICOS. El Eurocódigo 7 (EC 7) que corresponde a la norma de estudio y objeto de comparación en este trabajo estipula que el valor característico de un parámetro geotécnico puede ser seleccionado como un estimativo prudente del valor que produce la ocurrencia del estado límite.. Por otra parte, aclara que si se utilizan modelos estadísticos, el valor característico debería ser obtenido, de tal modo que la probabilidad de un valor peor que controla la ocurrencia de un estado límite no sea mayor al 5%. En este caso, un estimativo cuidadoso del valor medio es una selección del valor medio de un conjunto limitado de valores de parámetros geotécnicos, con un nivel de confianza del 95%; un estimativo cuidadoso del valor inferior es el fractil del 5%.. Es importante aclarar aquí que los geotecnistas rara vez cuentan con resultados de ensayos suficientes en cada estrato de suelo para justificar el uso de la estadística, y, en caso de existir suficientes ensayos, se está lejos de saber si los resultados tienen una distribución normal o si realmente dichos resultados representan las cualidades del suelo estudiado. Sin embargo, la aclaración del fractil del 5% es una muestra de las medidas conservadoras del EC 7.. 23.

(24) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Los valores característicos pueden ser basados en promedios estadísticos. Por ejemplo, en el caso de la acción producida por el viento el valor característico debe ser equivalente a la fuerza que ocurre una vez en un período de 50 años.. Definiciones comparables son dadas para los valores característicos de las resistencias, en cuyo caso pueden ser descritos por una distribución normal con media µR y desviación estándar σR, de esta forma, el valor característico esta dado por:. Rk = µ R − k ⋅ σ R. (2.4). donde k es la constante de la distribución normal. En el caso de una probabilidad menor al 5% el valor de k es igual a 1.64.. 2.3 FACTOR DE SEGURIDAD PARCIAL La seguridad de una estructura debe ser validada por comparación de los valores característicos de la acción Sk y la resistencia Rk, teniendo en cuenta las definiciones dadas en el numeral anterior para los valores característicos, así,. γ S ⋅ Sk ≤. Rk γR. (2.5). 24.

(25) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. donde γS y γR son los factores de seguridad parcial para las acciones y al s resistencias, respectivamente. Dichos valores para los factores de seguridad parcial tienen que ser determinados por calibración. Por el momento es clave darse cuenta que en la anterior ecuación los valores de las acciones son aumentados por el valor del factor de seguridad parcial, mientras que el valor para las resistencias es disminuido (en los casos en que dichos factores son mayores que 1).. Desde el punto de vista práctico los factores de seguridad parcial tienen en cuenta los efectos de la naturaleza estocástica de las acciones y resistencias. El factor de seguridad parcial de la acción, que se denomina factor de carga, cubre por lo general, lo siguiente:. -. La posibilidad de desviaciones desfavorables de la acción con respecto al valor característico.. -. La incertidumbre del modelo. -. La incertidumbre en la evaluación de los efectos de las acciones. Por otra parte, el factor de seguridad parcial de la resistencia, reconocido como el factor de material tiene en cuenta:. -. La posibilidad de desviaciones desfavorables de la acción con respecto al valor característico.. -. La incertidumbre del modelo, incluyendo propiedades geométricas y del material. 25.

(26) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Por tal razón, dichos aspectos deben ser tenidos en cuenta en una calibración de factores de seguridad parcial.. Todo lo anterior permite afirmar que el método de los factores de seguridad parcial abre la posibilidad de desarrollar un conjunto coherente de reglas de diseño. En lugar de determinar los factores de seguridad parcial para cada aplicación posible, los investigadores han concordado reglas de diseño para campos más amplios de aplicación.. Con extensos estudios probabilísticos han encontrado valores consistentes para los factores de seguridad parcial. La ventaja que esto trae, en términos prácticos, es que se puede utilizar un conjunto consistente de normas de diseño con un número limitado de factores de seguridad parcial.. El diseño por estado límite y factores de seguridad fue introducido al diseño estructural para permitir la evaluación de la confiabilidad estructural y para dar consistencia a las normas de diseño.. Entre las innumerables discusiones generadas con la introducción de los Eurocódigos Estructurales, de los cuales hace parte el Eurocódigo 7, es que contrario a los principios básicos explicados anteriormente, los factores de seguridad parcial de resistencia límite no están basados en la confiabilidad y teoría probabilística, sino en comparación con otros métodos previamente establecidos.. 26.

(27) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Los Eurocódigos utilizan este concepto para aplicaciones de construcción, sin embargo, otros códigos y normas tienen otro formato, esto debido a la distinta interpretación del factor de seguridad parcial. 2.4 VALORES DE DISEÑO Los valores de diseño se obtienen utilizando los valores característicos o representativos en combinación con factores parciales. Es decir, multiplicándose o dividiéndose, según el caso, los valores característicos por el factor de seguridad parcial correspondiente.. 2.5 METODOLOGÍAS DE DISEÑO El objetivo del diseño es proveer una estructura que sea durable, útil y que tenga adecuada resistencia durante todo su período de diseño. Diferentes aproximaciones al diseño se han desarrollado para asegurar que las estructuras cumplen con ese objetivo, las cuales se describen de manera resumida a continuación 2.5.1 Método del Estado Límite Es una aproximación formal para que cada uno de los criterios de diseño o requerimientos de. funcionamiento. necesarios. sean. considerados.. Estos. requerimientos. son. los. denominados estados límite porque definen los límites de varios aspectos de respuesta. Algunos estados límite típicos son la servicibilidad, resistencia, estabilidad, durabilidad y fatiga.. 27.

(28) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 2.5.2 Método de los Esfuerzos Permisibles Consiste en asegurar que los esfuerzos en la estructura son menores a un valor permisible. Este es uno de los métodos más tradicionales y usados mundialmente. Se aplica un factor de seguridad a la resistencia de los materiales para obtener su valor permisible. Las cargas y otros parámetros son considerados como aquellos con mayor probabilidad de ocurrencia. Este método produce resultados razonables en casos donde la resistencia de materiales es significativa considerando la seguridad de la estructura, por ejemplo, para el cálculo de la estabilidad de un talud en un suelo sin cohesión. 2.5.3 Método del Factor de Carga Este método aumenta las cargas nominales por un factor de seguridad. La estructura se diseña entonces para fallar cuando la carga aumentada es alcanzada. Este método se utilizó mucho para el diseño de cimentaciones en Australia, el Reino Unido y los Estados Unidos. Obviamente, los resultados más razonables se dan cuando la carga juega un papel muy importante en la seguridad de la estructura. 2.5.4 Método del Factor de Seguridad Parcial En este caso se aplican factores a muchas partes diferentes del proceso de cálculo. Por ejemplo, en el caso de concreto reforzado se aplican diferentes factores a la resistencia del acero, la resistencia del concreto y a las cargas aplicadas. En el diseño geotécnico pueden aplicarse factores a la resistencia cortante, la cohesión, la densidad y las cargas. Los cálculos de diseño para este método se concentran en las condiciones de colapso y es muy común en los países europeos.. 28.

(29) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 2.5.5 Diseño Por Factor de Carga y Resistencia (LRFD) Este es un caso especial del método de factor de seguridad parcial. Se utilizan varios factores para aumentar las cargas aplicadas y reducir la resistencia estructural. Sin embargo, en el método LRFD un factor sencillo (factor de reducción de capacidad) se aplica a la resistencia calculada en lugar de aplicarlo a partes diferentes del cálculo de la resistencia. 2.5.6 Diseño Probabilístico En este método todas las variables envueltas en el funcionamiento de la estructura poseen cierto grado de variabilidad. La evaluación de las distribuciones de probabilidad de las variables permite el cálculo de una probabilidad de falla. Esto es, la probabilidad para que cada criterio de diseño (o estado límite) sea excedido. El nivel de riesgo aceptable puede ser escogido explícitamente, y puede ser independiente del tipo de problema y de la combinación de variables. Este método no utiliza ningún factor de reducción o factor de carga. El diseño se basa únicamente en las distribuciones de probabilidad de las cargas y resistencias. La norma (Eurocódigo 7) por otra parte, permite diseños basados en métodos probabilísticos y contiene un anexo con las recomendaciones al respecto.. Dado que la introducción del concepto de estado límite es necesaria para hacer la transición de los métodos tradicionales al método probabilístico, hace que uno de los objetivos de las normas en desarrollo como los Eurocódigos Estructurales sea hacer parte de una transición hacia métodos de diseño probabilístico.. 29.

(30) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 2.6 ACCIONES Un punto que ha sido atacado constantemente para la introducción de los Eurocódigos, pero que para muchos representa una fortaleza, es la definición del concepto de las acciones sobre las estructuras, el cual se da en la norma EN 1991: Acciones sobre las estructuras.. Una acción se define en la norma como la carga o fuerza directa aplicada a una estructura, o como una deformación restringida o aceleración impuesta (indirecta) causada por cambios de temperatura, etc. Las acciones son descritas por un modelo y su magnitud es representada en la mayoría de los casos por un escalar. Las acciones son clasificadas en tres tipos: permanentes, variables y accidentales.. Una “acción simple” es un término para denotar una acción que es estáticamente independiente en el tiempo y el espacio de cualquier otra acción actuando en la estructura. La tabla 2.1 deja ver los diferentes tipos de clasificación de acciones.. Tabla 2.1 Acciones clasificadas como permanentes, variables o accidentales. Accion permanente. Acción variable. Peso propio de las. Cargas. estructuras,. impuestas. accesorios. de. y. equipamiento fijo. 30. piso. Acción accidental Explosiones.

(31) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ Fuerza. de. ICIV 2003 II 01. Cargas de nieve. Fuego. Cargas de viento. Impactos de vehículos. pretensionamiento. Presiones de suelo e hidrostáticas. Acciones. indirectas. Accion indirecta (i.e.. (i.e. asentamiento de. efectos. de. soportes). temperatura). Acciones debidas al tráfico. El peso propio de una estructura puede ser representado por un valor característico simple (Gk), esto si la variabilidad es pequeña, y puede ser calculado basado en las dimensiones nominales y el peso unitario del material. Si la variabilidad es mayor y la distribución estadística se conoce, se utilizan dos valores, uno superior (Gk, sup) y uno inferior (Gk, inf).. En la norma se específica que una acción variable tiene cuatro valores representativos, en orden decreciente de magnitud estos son:. -. Valor característico (Qk). -. Valor combinatorio (? 0 Qk). -. Valor frecuente (? 1 Qk). 31.

(32) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ -. ICIV 2003 II 01. Valor cuasi-permanente (? 2 Qk). Una representación gráfica (figura 2.2) de las anteriores definiciones se puede observar en la siguiente página para un mayor entendimiento.. El valor combinatorio (? 0 Qk) tiene en cuenta la reducida probabilidad de ocurrencia simultánea de los valores más desfavorables de varias acciones variables independientes. Se utiliza para la verificación de los estados límite últimos y de servicibilidad.. Figura 2.2. Definición de las Acciones Variables. 32.

(33) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. El valor frecuente (? 1 Qk) es utilizado para verificación de los estados últimos relacionados con acciones accidentales y estados límites reversibles.. Los valores recomendados de ? 0 Qk, ? 1 Qk y ? 2 Qk para edificaciones reproducidos de la norma se muestran en la siguiente tabla.. Tabla 2.2. Factores de Reducción para Acciones Variables en Edificaciones. Acción Variable. Combinado (? 0 ). Frecuente (? 1 ). Cuasi-permanente (? 2 ). Cargas impuestas en edificaciones Domésticas, 0.7. 0.5. 0.3. 0.7. 0.5. 0.3. 0.7. 0.7. 0.6. Comercial. 0.7. 0.7. 0.6. Almacenamiento. 1.0. 0.9. 0.8. 0.6. 0.2. 0.0. residenciales. Oficinas. Areas. de. congregación. Techo (incluyendo nieve). 33.

(34) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Acciones de tráfico en edificaciones. ≤. Peso vehicular. 0.7. 0.7. 0.6. 0.7. 0.5. 0.3. 0.0. 0.0. 0.0. 0.6. 0.5. 0.0. 0.7. 0.5. 0.2. 0.7. 0.5. 0.2. 0.5. 0.2. 0.0. 30 kN. ≤. Peso vehicular 160 kN. Techos. Cargas de viento en edificaciones. Cargas de nieve en. edificaciones. en. Finlandia,. Islandia, Noruega y Suecia. Factor países. de. los. miembros. de CEN para sitios a altitud < 1000. Factor países. de. los. miembros. de CEN para sitios. 34.

(35) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. a altitud < 1000. Temperatura fuego). (no en. 0.6. 0.5. 0.0. edificaciones. Las acciones se combinan de forma que produzcan el efecto más desfavorable en la estructura para el estado límite considerado. Las acciones que no pueden ocurrir simultáneamente, por ejemplo por razones físicas, no deberían ser consideradas al tiempo en combinación.. Los datos geométricos también se representan por un valor característico, o en el caso de imperfecciones, por su valor de diseño.. 2.7 PRINCIPIOS Los principios comprenden estamentos generales y definiciones, así como requerimientos y modelos analíticos para las cuales no hay alternativa permitida a menos que se especifique lo contrario.. 2.8. REGLAS DE APLICACIÓN Las reglas de aplicación son reglas generalmente reconocidas que siguen los principios especificados en el código y satisfacen los requerimientos definidos. En los Eurocódigos es. 35.

(36) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. permitido el uso de reglas de diseño alternativas diferentes a las dadas, siempre y cuando se demuestre que dichas reglas están en concordancia con los principios relevantes y que son equivalentes como mínimo en relación a la resistencia y la estabilidad. Debe tenerse en mente el comentario citado por Krebs Oyesen: “(…) el código no es “científico” por naturaleza, este representa una herramienta con la cual se pueden tomar decisiones relevantes al diseño”.. 36.

(37) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 3. LOS EUROCÓDIGOS ESTRUCTURALES. Dado que el Eurocódigo 7 es la norma principal de este trabajo, y hace parte de una serie de normas que deben tratarse en forma conjunta, que como ya se ha visto en otras partes de este documento,. que se denominan los Eurocódigos Estructurales, se hace evidente la. necesidad de tratar este tema para después entrar de lleno en los objetivos de este proyecto. 3.1 DESARROLLO DE LOS EUROCÓDIGOS La práctica del diseño estructural varía sustancialmente alrededor del mundo. Las diferentes cargas de diseño, métodos de diseño, métodos de fabricación y construcción han evolucionado basadas en las circunstancias y tradiciones locales. Algunos países tienen códigos estructurales sofisticados mientras que otros no tienen códigos para ciertos tipos de estructura y utilizan los códigos nacionales de otros países. El objetivo principal del programa de los Eurocódigos es ir en contra de este problema.. En 1975 la CEC. (Comission of the European Comunities) decidió implementar un. programa en el campo de la construcción basándose en el artículo 95 del Tratado de Roma. El objetivo del programa era la eliminación de los obstáculos técnicos para el comercio y la armonización de las especificaciones técnicas. Dentro de este objetivo la Comisión tomó la iniciativa de establecer un conjunto de reglas técnicas armonizadas para el diseño. 37.

(38) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. estructural de obras de construcción con el objetivo final de reemplazar las distintas normativas presentes en los países miembros.. Durante 15 años, la Comisión, con la ayuda de un comité compuesto de representantes de los países miembros de la Unión Europea, desarrolló el programa de los Eurocódigos, que condujo a la publicación de la primera generación del conjunto de los códigos europeos en 1980. Hasta esta época la norma EN 1990 era conocida como Eurocódigo 1 y consistía únicamente de los requerimientos de seguridad y de los principios y reglas de aplicación comunes a todos los Eurocódigos que se encuentran en fase de implementación en la actualidad.. En 1989 un acuerdo especial entre el CEN (Commitée Europeén de Normalisation) y la CEC, transfirió la preparación y la publicación de los Eurocódigos al CEN, dando a estos un status futuro de Norma Europea (EN).. Cada uno de los Eurocódigos Estructurales es producido por sub-comités separados, dirigidos y coordinados por un comité técnico (CEN/TC 250). Los documentos y sus partes son elaborados por equipos de aproximadamente 6 expertos que representan su sub-comité respectivo. Delegados de los 19 países miembros se encuentran en el TC 250 y los subcomités correspondientes a cada uno de los Eurocódigos.. 38.

(39) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Para la elaboración de los documentos, la CEN estableció 9 subcomités para cubrir todos los aspectos del diseño estructural, con diferentes materiales y bajo diferentes condiciones ambientales y de carga. Los subcomités son los siguientes:. -. Eurocódigo: Bases del diseño estructural (EN 1990). -. SC 1: Eurocode 1 – Acciones en las estructuras (EN 1991). -. SC 2: Eurocode 2 – Diseño de estructuras de concreto (EN 1992). -. SC 3: Eurocode 3 – Diseño de estructuras metálicas (EN 1993). -. SC 4: Eurocode 4 – Diseño de estructuras compuestas de concreto y acero (EN 1994). -. SC 5: Eurocode 5 – Diseño de estructuras en madera (EN 1995). -. SC 6: Eurocode 6 – Diseño de estructuras en mampostería (EN 1996). -. SC 7: Eurocode 7 – Diseño geotécnico (EN 1997). -. SC 8: Eurocode 8 – Diseño sísmico de estructuras (EN 1998). -. SC 9: Eurocode 9 – Diseño de estructuras de aluminio (EN 1999). Aprovechando que se acaban de nombrar todos los Eurocódigos se puede dejar clara la relación existente entre estos, la que se puede ver claramente en la figura 3.1. 39.

(40) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Figura 3.1. Relación Entre los Diferentes Eurocódigos. Cada uno de estos subcomités ha desarrollado una norma específica con su título, en diferentes años y en forma progresiva.. La Comisión reconociendo la importancia de las regulaciones nacionales existentes en cada estado pidió la participación y cooperación de las diferentes entidades nacionales. Así mismo contó con el apoyo de académicos, consultores y constructores por medio de participación directa, consultoría, aplicación experimental y comentarios.. 40.

(41) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Para la elaboración de los respectivos Eurocódigos se lograron los siguientes acuerdos cronológicos, indicando las fechas límite de cada fase entre paréntesis. -. Período de traducción: Máximo 1 año (Enero 2004). -. Período de calibración nacional: Máximo 2 años (Asignar los parámetros determinados nacionalmente, adaptación de las normas nacionales y publicación del Eurocódigo con sus respectivos anexos nacionales) (2006). -. Período de coexistencia:. Primera parte: 6 – 7 años Segunda parte: 3 años. (Adaptación. de. normas. conflictivas. y. retiro. de. las. normas. nacionales. contradictorias) -. Implementación total: 2008 – 2010 (2009). Durante el período de calibración nacional, se nombran una serie de términos que puede ser confusos, para dar mayor claridad a lo anterior se anexa la siguiente figura.. Como se puede observar en la figura, los Eurocódigos en su versión final serán constituidos por un texto principal que será inalterable para todos los países, así como unos anexos normativos e informativos, el texto principal y dichos anexos deben ser traducidos al lenguaje oficial de cada país sin cambiar palabra alguna de su contenido.. Por otra parte, existen los anexos nacionales, el objetivo de estos es que cada país altere los valores susceptibles de modificación en el texto principal, como los valores de los factores. 41.

(42) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. de seguridad parcial, la profundidad de congelamiento en países con estaciones, etc. Debido a lo anterior, la seguridad se mantendrá a nivel nacional y no europeo.. Dentro de las guías entregadas a cada sub-comité para la elaboración de los códigos se estipula que: “las diferencias dadas por condiciones geográficas o climáticas y los niveles de protección que prevalecen a nivel nacional, regional o local serán tenidas en cuenta. La escogencia de valores, tipos, o métodos alternativos identificados en los códigos se dejarán abiertos para ser determinados nacionalmente, a través del anexo nacional, lo que permitirá a los miembros de la unión europea escoger el nivel de seguridad, incluyendo aspectos de durabilidad y economía aplicable a los trabajos en su territorio, de nuevo, a través de su anexo nacional”.. 42.

(43) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Figura 3.2. Implementación de los Eurocódigos. EUROCÓDIGO Texto Principal. Anexos Normativos. EC PARAMETROS DETERMINADOS NACIONALMENTE. -Valores. y/o clases cuando alternativas en el Eurocódigo. Anexos Informativos. se. dan. -Valores a utilizar cuando solo se suministra el símbolo en el Eurocódigo. -Información específica del país -El procedimiento a utilizar cuando se dan alternativas Eurocódigo.. ANEXO NACIONAL. de. procedimiento. en. el. -Decisiones en la aplicación de los anexos informativos. -Referencias a información complementaria no contradictoria para asistir al usuario en la aplicación del Eurocode. 3.2 OBJETIVO DE LOS EUROCÓDIGOS La elaboración de los Eurocódigos Estructurales, de los cuales hace parte el Eurocódigo 7, nace por la necesidad de obtener una estandarización en el campo del diseño estructural que contribuiría a una mayor divulgación de la experiencia de los países para lograr una armonización en el diseño en la ingeniería civil, tanto en los procesos de consultoría, como para los fabricantes de productos relacionados con el área.. 43.

(44) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. De este modo, el programa de los Eurocódigos Estructurales, como ya se dijo, fue iniciado por la CEN con el objetivo de establecer un conjunto común de reglas técnicas para el diseño en ingeniería civil que pudiese reemplazar las distintas normas presentes en los países miembros de la Unión Europea, lo que de paso contribuiría a eliminar barreras comerciales entre los países.. Los miembros de la CEE (Comunidad Ecónomica Europea) y EFTA (European Free Trade Asociation) reconocen que los Eurocódigos sirven como documentos de referencia para la especificación de contratos para obras de construcción y servicios de ingeniería.. Adicionalmente, los eurocódigos. sirven para mejorar el funcionamiento del mercado de. productos y servicios de ingeniería, esto por la remoción de obstáculos que nacen de prácticas codificadas en manera diferente en cada nación. Sirve además para mejorar la competitividad de la industria de la construcción europea y los profesionales e industrias relacionados con esta, así como en los países ajenos a la Unión Europea.. De acuerdo a lo anterior, el conjunto de Eurocódigos Estructurales es un intento para ayudar que los ingenieros civiles hablen el mismo idioma, convirtiéndose en una herramienta necesaria para el dialogo entre geotecnistas y estructurales. Sin embargo, los problemas de concepción y confusión no terminan ahí. Una de las principales discusiones en torno al Eurocódigo 7 es que los parámetros de resistencia de los materiales utilizados y las cargas en el diseño estructural son descriptibles en el sentido que es posible derivar la distribución estadística y modelos probabilísticas sobre la resistencia y comportamiento.. 44.

(45) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. Pero del otro lado tenemos la geotecnia, en donde los parámetros dependen de experimentación,. investigaciones. específicas,. correlaciones. empíricas. y. experiencia. adquirida, esto hace que los parámetros del suelo tengan distribuciones estadísticas que no se pueden encontrar. Para complicar las cosas, en geotecnia las cargas y su correspondiente efecto dependen de las propiedades del material. Lo anterior permite concluir que los factores de seguridad parcial utilizados en la ingeniería geotécnica no tiene base alguna en la teoría de la confiabilidad, y que en realidad están basados en la sabiduría del comité que elabora las normas y por la calibración de resultados de los métodos convencionales, esto hace que los resultados obtenidos de diseños por este método sean parecidos a los que indica la práctica y la experiencia, y en algunos casos, mucho más conservadores.. Finalmente, podemos resumir los beneficios obtenidos por la implementación de los Eurocódigos Estructurales así:. -. Proveer. un. entendimiento. común. concerniente. al. diseño. estructural. entre. propietarios, operadores, usuarios, diseñadores, contratistas y fabricantes de productos de construcción. -. Proveer criterios de diseño comunes y métodos para alcanzar los requerimientos para resistencia mecánica, estabilidad y resistencia al fuego, incluyendo aspectos de durabilidad y economía. -. Facilitar el mercadeo y uso de componentes estructurales en los países de la Unión Europea. 45.

(46) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ -. ICIV 2003 II 01. Ser una base común para investigación y desarrollo, dado que los Eurocódigos ofrecen la oportunidad de investigación pan-europea para sus futuras ediciones, conduciendo a ahorros significativos en el costo investigativo.. -. Permitir la preparación de ayudas especiales de diseño y software común. -. Beneficiar las firmas de ingeniería, los contratistas, diseñador y productores en sus actividades globalizadas, y aumentar su competitividad.. En el caso específico del EC 7 se podría decir que promueve la investigación y estimula el cuestionamiento de la práctica geotécnica actual desde la investigación del suelo hacia modelos de diseño. 3.3. CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS EUROCÓDIGOS Los códigos proveen principios y reglas de aplicación para el diseño de estructuras completas y sus productos componentes de naturaleza tradicional e innovadora. Sin embargo, las formas inusuales de construcción o condiciones extrañas de diseño no se cubren completamente, y se requerirá por tanto, el consejo experto en estas situaciones.. En los siguientes dos capítulos se hace una descripción de las normas EN1990 y EN1997. La primera consiste en los lineamientos necesarios. que se deben tener en cuenta para. mantener la filosofía de los Eurocódigos en cuanto servicibilidad, durabilidad y confiabilidad estructural. La norma EN1997 es por otro lado, la norma que dio origen a este trabajo y comprende todos los principios y reglas de aplicación que se deben tener en cuenta en los proyectos geotécnicos.. 46.

(47) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 4. EN 1990 - BASES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL. Esta norma es la cabeza para el conjunto armonizado de normas estructurales conocidas como los Eurocódigos. Esta contiene información comprensible y los lineamientos sobre los principios y requerimientos para seguridad, servicibilidad y durabilidad que son normalmente necesarias en el diseño de cualquier estructura.. El trabajo inicial de esta norma no incluía desarrollo de reglas para las acciones (cargas). Un esquema de lo anterior fue aceptado en 1985. Hasta 1997, la norma EN 1990 era conocida como ENV 1991-1, lo que le daba el status de “pre-norma” (ENV significa EuroNorm Vornorm = pre – norma) y formó la primera de 10 partes de la norma ENV 1991: Bases del diseño y acciones en estructuras. Para su conversión en norma EN, se tomó una decisión en 1997 que era dividir dicho documento en dos partes: EN1990: Bases del diseño estructural y EN1991 - Acciones en las estructuras. Adicionalmente, se decidió que todas las cláusulas independientes del material solo serían incluidas en la norma EN 1990 convirtiendo dicha norma en la base de las demás.. La norma EN1990 establece para todos los Eurocódigos estructurales los principios y requerimientos para seguridad y servicibilidad. Este provee además las bases y principios generales para el diseño estructural y la verificación de edificaciones y obras civiles. 47.

(48) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. (incluyendo los aspectos geotécnicos) y da guías para los aspectos relacionados con confiabilidad y durabilidad.. Esta basada en el concepto del estado límite en conjunción con el método del factor de seguridad parcial.. Los posibles usuarios de dicha norma son los comités de realización de normas, clientes (para la formulación específica de requerimientos en nivel de confiabilidad y durabilidad), diseñadores y contratistas y las autoridades públicas.. Las siguientes suposiciones están asociadas con la validez de los principios de diseño de los Eurocódigos Estructurales:. -. Escogencia del sistema estructural y el diseño estructural hecho por personal calificado. -. Construcción hecha a cargo de personal con habilidades apropiadas y experiencia. -. Supervisión adecuada y control de calidad durante la ejecución de los trabajos.. -. Materiales y productos de construcción según se especifica en los códigos o en normas relevantes.. -. Mantenimiento adecuado de la estructura. -. Uso de la estructura de acuerdo a las suposiciones y parámetros para los que fue diseñada.. 48.

(49) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. 4.1 REQUERIMIENTOS GENERALES Y NIVELES DE CONFIABILIDAD Esta norma establece que las estructuras deben ser diseñadas y construidas de forma que cumplan los requerimientos fundamentales de servicibilidad, seguridad y robustez.. 4.1.1 Requerimiento de Servicibilidad La estructura deberá permanecer para su uso en el período de diseño con grados de confiabilidad apropiados de forma económica durante todo su período de servicio.. 4.1.2 Requerimiento de Seguridad La estructura debe soportar todas las acciones e influencias que puedan ocurrir durante su construcción y uso. En el caso de incendio, la resistencia estructural debe ser adecuada para el período requerido de tiempo.. 4.1.3 Requerimiento de robustez La estructura no debe ser dañada por eventos como explosiones, impactos o consecuencias por errores humanos. La norma da unos lineamientos para evitar o limitar el daño potencial como sigue:. -. Eliminando, evitando o reduciendo los peligros a los que puede estar sujeta la estructura.. 49.

(50) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ -. ICIV 2003 II 01. Seleccionando una forma estructural que tenga baja sensibilidad a los peligros considerados.. -. Seleccionando una forma estructural y diseño que pueda sobrevivir a la remoción accidental de un miembro o parte limitada de la estructura, o a la ocurrencia de daño localizado aceptable.. -. Evitando sistemas estructurales que puedan colapsar sin peligro relacionado.. La norma establece además los lineamientos para adoptar los diferentes niveles de confiabilidad para la seguridad estructural y servicibilidad considerando:. -. La causa y modo de falla. -. Las posibles consecuencias de la falla en términos de riesgo a la vida, daños, pérdidas económicas potenciales y el nivel de inconveniencia social.. -. El costo y procedimiento necesarios para reducir el riesgo de falla. -. Los diferentes grados de confiabilidad requeridos a nivel regional, local o nacional.. La. norma. especifica que el confiabilidad relacionada la seguridad estructural y. servicibilidad debe ser alcanzada por la adecuada combinación de:. -. Medidas relacionadas con el diseño: incluyen requerimientos de servicibilidad, los valores representativos de las acciones, la escogencia del factor parcial, la consideración de durabilidad, la consideración del grado de robustez, la cantidad y calidad de investigaciones preliminares del suelo y las posibles influencias. 50.

(51) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. ambientales; la exactitud de los modelos matemáticos y la severidad de las reglas detalladas. -. Medidas relacionadas con el manejo y control de calidad: para reducir el riesgo de peligro debidos a errores humanos, diseño y ejecución.. La misma norma estipula que una situación relevante de diseño se debe seleccionar teniendo en cuenta las circunstancias que la estructura va a tener que soportar. Clasifica las situaciones de diseño como: -. Permanentes. -. Variables. -. Accidentales. -. Sísmicas. La tabla 4.1., que se tomó de esta norma (EN1990) da una clasificación de lo anterior. El código estipula que la estructura debe ser diseñada para que el deterioro en su vida útil no afecte el funcionamiento de la misma.. Tabla 4.1. Clasificación Vida útil de diseño. Categoría. Vida útil indicativa de. Ejemplos. diseño (años) 1. 10. 2. 10-25. Estructuras temporales Partes estructurales reemplazables. 51.

(52) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ 3. 15-30. 4. 50. 5. 100. ICIV 2003 II 01 Edificaciones agrícolas y similares Edificaciones y otras estructuras comunes Edificaciones monumentales, puentes y otras estructuras civiles. La durabilidad de una estructura es su habilidad para permanecer en funcionamiento durante su período de diseño con mantenimiento apropiado. La estructura debe ser diseñada de tal modo que no ocurra deterioro significativo entre períodos de inspección. Del mismo modo, debe tenerse en cuenta en el diseño la disponibilidad o facilidad de acceso a las partes que requieren de mantenimiento frecuente. Otros factores interrelacionados que deben considerarse para asegurar una estructura durable son:. -. Intención y uso futuro de la estructura. -. Criterios de funcionamiento requeridos. -. Influencias ambientales esperadas. -. Composición, propiedades y funcionamiento de los materiales. -. Escogencia del sistema estructural. -. Forma de los miembros y detalle estructural, así como facilidad de construcción. -. Calidad de la mano de obra y control de calidad. -. Medidas particulares de protección. -. Mantenimiento durante el período de diseño. 52.

(53) DANIEL BARRETO GONZÁLEZ. ICIV 2003 II 01. La situación de diseño debe ser lo suficientemente severa y variada para tener en cuenta todas las condiciones que pueden ser razonablemente observadas, o que pueden ocurrir durante la construcción y uso de la estructura.. Donde las reglas de cálculo o las propiedades dadas en los eurocódigos 1-9. no son. suficientes, o donde resulte más económico realizar pruebas en prototipos, parte del procedimiento de diseño debe estar basado en ensayos. La norma EN 1990 requiere que los ensayos y pruebas se ajusten de manera tal que la estructura tenga el mismo nivel de confiabilidad para los estados límite y situaciones de diseño que se alcanzan por diseño basado en cálculos como se específica en los eurocódigos.. 53.