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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERAESCUELA ACADMICA PROFESIONAL DE INGENIERA GEOLGICAGEOTECNIA I FACTORES DE SEGURIDADDocente: ING. REINALDO RODRIGUEZ C.Cajamarca, Setiembre 20121El Coeficiente de Seguridaden Geotecnia2El concepto del coeficiente de seguridad en geotecnia fue utilizado por Blidor en el siglo XVIII.23INTRODUCCINTodo debate, respecto a coeficientes de seguridad, parte de la concepcin ideal :Son Estructuras con excelentes caractersticas, obtenidas al ms bajo costo y con el mnimo de inseguridad.4El proyecto adecuado de una estructura, exige que sus componentes soporten las mximas fuerzas que tienen una probabilidad razonable de presentarse durante un periodo de vida tambin razonable.Adems que cumpla una funcin adecuada, dentro de la mxima economa.Qu se espera de un proyecto, en cuanto a sus caractersticas?Para obtener el proyecto con esas caractersticas, que debemos emplear?Los Coeficientes de Seguridad.6Los valores calculados de las variables, difieren de los reales?SI !Coeficiente de Seguridad = Factor de Seguridad?Definimos entoncesCOEFICIENTERelaciona las causas que producen efectos

FACTORCualquiera de los elementos que contribuyen a un resultado.SIQu significado tiene el coeficiente de seguridad en la practica?8La magnitud del coeficiente de seguridad depender de la confianza que se tenga

*En los datos del proyecto y su interpretacin*En especial en los datos de resistencia y las cargas previstas*En la exactitud del anlisis estructural*En la calidad de la construccin y de la conservacin, y*En los efectos dainos de una rotura.Como han sido determinados los coeficientes de seguridad ?89La resistencia y la deformacin del terreno ante las cargas aplicadas requiere un reconocimiento y ensayos de dicho terreno.

Como el reconocimiento del terreno puede no revelar las condiciones mas desfavorables del subsuelo, se requiere un margen de seguridad para tener en cuenta la existencia de posibles zonas inestables y sus variaciones con el tiempo.910Existen diferentes definiciones de coeficientes de seguridad pero especialmente se da mayor importancia a problemas de rotura y deformacin ocasionados por las tensiones .

En terrenos de rotura mas o menos dctiles suelen producirse deformaciones importantes antes de llegar a una rotura total.1011En proyectos de taludes, Muros de Contencin y Cimentaciones suelen haber mas incertidumbres, debido a la complejidad del comportamiento del terreno y al conocimiento incompleto de las condiciones del subsuelo

El Coeficiente de Seguridad debe cubrir las diferencias con la realidad.1112Definimos deformacin como cualquier cambio en la posicin o en las relacionesgeomtricas internas sufridas por un cuerpo como consecuencia de la aplicacin de un campo de esfuerzos.DEFORMACIN1213Una deformacin puede constar de hasta cuatro componentes:

Translacin.

Rotacin.

Dilatacin.

Distorsin.

1314Es necesario indicar que los esfuerzos se definen y se analizan para un instante dado, mientras que las deformaciones miden cambios producidos en un intervalo de tiempo y se analizan comparando un estado final con un estado inicial.1415Un criterio que se utiliza para clasificar la deformacin interna es el de los resultados fsicos, segn esto se clasifican en frgil y dctil.La primera es la que produce rotura, mientras que la segunda se realiza sin que el cuerpo se fracture.1516

Es obvio que la deformacin frgil es discontinua y que la dctil es continua. La deformacin dctil puede subdividirse en elstica y permanente.

1617 Deformacin elstica: el material se deforma, pero cuando cesa el esfuerzo, la deformacin desaparece (por ejemplo una goma elstica). Es, por tanto, una deformacin reversible.

Deformacin plstica: la deformacin se mantiene aunque el esfuerzo desaparezca (como ocurre con la plastilina). La deformacin es irreversible.

Deformacin frgil: el material se fractura como respuesta al esfuerzo (sera el caso de un vidrio roto). Al igual que la anterior, tambin es irreversible.1718

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Curva esfuerzo-deformacin20

21El valor mnimo del coeficiente de seguridad para edificaciones suele hacerse variar entre 1.5 y 6, dependiendo del grado de confianza del valor obtenido de la carga de rotura, entre otras cosas.

En problemas de deslizamiento de taludes o de la base de cimientos, el valor mnimo del coeficiente de seguridad definido de este modo suele hacerse variar entre 1,1 y 1,5.

21El Coeficiente de Seguridaden Geotecnia22

F = Coeficiente de Seguridad.Qr= Carga de rotura.Q = Carga real.Cuando se estudia la carga de rotura de una cimentacin.22El Coeficiente de Seguridaden Geotecnia23 = Factor de seguridad con respecto a la resistencia. = Resistencia cortante promedio del suelo

= Esfuerzo cortante promedio Desarrollado a lo largo de la superficie Potencial de falla.

Cuando se estudia la Estabilidad de taludes.

23El Coeficiente de Seguridaden Geotecnia24

= Cohesin.= Esfuerzo normal efectivo sobre la superficie potencial de Falla.= ngulo de friccin drenada.Resistencia cortantepromedio del suelo24El Coeficiente de Seguridaden Geotecnia25

= Cohesin efectiva. = ngulo de friccin que se desarrolla a lo largo de la superficie potencial de falla.Esfuerzo cortante promedioDesarrollado a lo largo de la superficie Potencial de falla2526Como los componentes de la resistencia del terreno y las cargas aplicadas son hasta cierto punto independientes, es evidente que se conseguir un margen de seguridad ms uniforme aplicando coeficientes de seguridad parciales. 2627Dichos coeficientes se definen del siguiente modo:

Siendo Ca y a los valores minorados de la cohesin y del ngulo de rozamiento interno que conducen a la situacin de rotura.2728VALORES FRECUENTES DE LOS COEFICIENTES DE SEGURIDAD PARCIALES MINIMOSTipo de obra.Parmetro de laResistencia al corteCoeficiente de seguridad.TALUDES.Cohesin1.5 2.0ngulo de rozamiento Interno.1.2 1.5Resistencia al corte.1.3 1.5CIMENTACIONESCohesin.2.0 2.5ngulo de rozamiento Interno.1.2 1.3EMPUJE DE TIERRASCohesin1.0 1.5ngulo de rozamiento Interno.1.0 1.2Resistencia al corte.1.0 1.5PRESIONES DE AGUA1 1.2SOBRECARGAS MOVILES1.2 1.52829En definitiva, un factor de seguridad es un concepto probabilstico. COEFICIENTE DE SEGURIDAD2930El coeficiente de seguridad debera definirse de manera que el coste probable de una estructura sea mnimo. Este coste probable es la suma del coste inicial y del factor que supondra asegurar la obra a todo riesgo:Cp = Ci + Pr . DCi = coste inicialPr = probabilidad de roturaD = daos ocasionados por la rotura, indemnizaciones, vidas humanas, valores morales, etc.Ref. Eduardo Torroja3031Cuanto mayor sea el coeficiente de seguridad, menor ser la probabilidad de rotura.

En cualquier caso, esta probabilidad de rotura debera ser fijada por las autoridades ms que por los proyectistas.3132La probabilidad de que se produzca la rotura es igual a la probabilidad de que R sea menor o igual que Q, es decir:

3233Se deduce de lo anterior que los coeficientes de seguridad no suponen una seguridad absoluta de la estructura, sino que incluyen un pequeo riesgo de accidente o probabilidad de rotura de la estructura durante su vida de servicio. 3334Relacin entre el coeficiente de seguridad calculado y la probabilidad de deslizamiento de excavaciones en arcilla.

Ref : Wu y Kraft 19703435ESTABILIDAD3536

B. PilotesD. Losa ContinuaTIPOS DE ESTRUCTURAS DE CIMENTACION3637La rotura ocurrir si la magnitud de los esfuerzos resultantes excede a la que el terreno puede sostener.

Es decir, que al introducir un cambio en el estado de tensiones del terreno, debido a la construccin de una obra, se llega como resultado a nuevas condiciones de equilibrio.

3738 CONSIDERACIONES GENERALES QUE SE DEBEN DE TENER EN CUENTA PARA HABLAR DE ESTABILIDAD 3839A veces el tipo de suelo sobre el que se proyecta construir vara tanto a lo largo de toda la superficie prevista que no resulta viable desde el punto de vista econmico o no es posible edificar con seguridad.

3940Por tanto, los anlisis geolgicos-geotcnicos, del suelo o roca, son necesarios para saber si una edificacin proyectada se puede mantener adecuadamente y luego hallar los mtodos ms eficaces y econmicos.4041Si hay una capa rocosa firme a corta distancia bajo la superficie de la obra, la resistencia de la roca permitir que la extensin sobre la que descanse el peso de la construccin no tenga que ser demasiado grande.

A medida que se van encontrando rocas y suelos ms dbiles, la extensin sobre la que se distribuir el peso deber ser mayor.

4142ESTABILIDADA CORTO PLAZO4243Se denomina calculo de estabilidad a corto plazo a la determinacin del coeficiente de seguridad al cabo de un periodo de tiempo lo suficientemente corto, con relacin a la permeabilidad del terreno para que no haya prcticamente drenaje producido por el cambio de tensiones.4344Dentro de los problemas de estabilidad a corto plazo distinguiremos dos posibilidades:

Primero: El suelo no ha sufrido drenaje entre la toma de muestras y el instante cuando necesitamos conocer la estabilidad: tal es el caso de una construccin ejecutada con gran rapidez en arcilla saturada.

Segundo: Se produce el drenaje total correspondiente a unas determinadas cargas, pero luego se produce un cambio en el estado de tensiones con gran rapidez; es el caso de un desembalse rpido en una presa.4445ESTABILIDADA LARGO PLAZO4546La aplicacin de las cargas sobre un terreno no es instantnea, sino que se va haciendo paulatinamente al ir progresando el proceso de construccin.

Al llegar a actuar la carga mxima, es decir cuando la construccin se ha terminado, ha transcurrido un cierto tiempo, y pudo existir un drenaje parcial.4647A medida que transcurre el tiempo, las condiciones de equilibrio van variando, pueden cambiar las tensiones intersticiales, que tienden a las de una red de corriente en equilibrio con las nuevas condiciones en los limites o a una situacin hidrosttica, denominndose estabilidad a largo plazo.Se manifiesta cuando las presiones intersticiales y la resistencia han llegado a estabilizarse o a un estado de equilibrio.

4748METODO DE LASPRESIONES EFECTIVAS Y LAS PRESIONES TOTALES 4849En el mtodo de las presiones efectivas se emplea un criterio de rotura en funcin de las presiones efectivas.

Por el contrario, en el mtodo de las presiones totales se emplea una lnea de resistencia en tensiones totales.4950El estudio de la estabilidad a largo plazo se suele realizar por el mtodo de las presiones efectivas, introduciendo las presiones intersticiales obtenidas a partir de una red de corriente o bien medidas in situ .Lo mismo se puede decir respecto a la consideracin de un estado intermedio; en tal caso habra que calcular las presiones intersticiales inducidas y su disipacin, o bien habra que recurrir a su medicin.

5051PRESIN TOTALSon todas las presiones que actan en una determinada estructura.

Se relaciona directamente con la presin efectiva y con la presin del fluido.

5152PRESIN EFECTIVALa fraccin del esfuerzo normal a una profundidad dada en una masa de suelo o roca, es tomada por el agua en los espacios vacos (poropresin o presin de poros) y la otra fraccin es tomada por el esqueleto del suelo en los puntos de contacto de las partculas del suelo (presin efectiva).

5253ESFUERZOS TRANSMITIDOS POR LOS GRANOSY PRESIN DE FLUIDOS.

Terzaghi propuso, y despus se ha comprobado experimentalmente, que la presin que es til para fracturar los materiales, es de hecho, la presin efectiva.5354

Sean P1, P2, P3, ... Pn las presiones que actan en los puntos de contacto delas partculas del suelo.

La suma de las componentes verticales de todas aquellaspresiones sobre el rea de la seccin transversal unitaria es igual a la presin efectiva.

AabP1P2P35455

La presin normal efectiva en una direccin se denota como:

Y es igual a la presin normal real, en esa direccin menos la presin de Fluidos.

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57ESTABILIDAD DE OBRAS CONSTRUIDAS SOBRE ARCILLAS BLANDAS Y MEDIASAl cargar estas arcillas suelen originarse presiones intersticiales; por consiguiente, el momento mas critico para la estabilidad suele ser el momento de aplicar la totalidad de la carga de modo rpido, es decir, a corto plazo.

5758Si del clculo resulta un coeficiente de seguridad adecuado, el problema puede darse por terminado, ya que al ir pasando el tiempo las presiones intersticiales irn disipndose.5859Si el coeficiente de seguridad de este modo fuera inadecuado, ya no fuese fcil o econmico el mejorarlo, se puede intentar la disipacin de las presiones intersticiales durante la fase de construccin mediante los mtodos apropiados, para ello la estabilidad a largo plazo ser el ms adecuado.

5960ESTABILIDAD A CORTO PLAZOEN ARCILLAS BLANDAS Y MEDIAS Si revisamos los deslizamientos ocurridos a corto plazo en cimentaciones o taludes en este tipo de arcillas, encontramos que, en un gran numero de casos, el coeficiente de seguridad en presiones totales ha estado comprendido entre 0.88 y 1.11, es decir, prximos a la unidad. 6061En la mayora de estos casos la resistencia de la arcilla se haba determinado en el laboratorio, en general mediante ensayos de compresin simple. En un caso descrito por Lambe (1973) el coeficiente de seguridad lleg a 0.73 sin que se produjera deslizamiento.6162ARCILLAS SOBRECONSOLIDADAS,LUTITAS Y ROCASEn todos estos terrenos las tensiones horizontales iniciales pueden ser muy fuertes, debido a la descarga de tensiones verticales y a la existencia de tensiones tectnicas.

Debido a cualquiera de ambas causas, el terreno puede haber llegado a un estado de rotura por empuje pasivo, y puede existir debilitamiento en las zonas de cizallamiento o de fracturacin en general, en las que se ha sobrepasado la resistencia de pico.

6263Adems estos terrenos estn cruzados, con frecuencia, por una red de fisuras o de diaclasas, a lo largo de las cuales la resistencia se encuentra disminuida.

6364Estos terrenos en los que existe una diferencia notable entre las resistencias de pico y residual (no es siempre as), presentan con frecuencia fenmenos de rotura progresiva.

Una excepcin notable esta constituida por las arcillas intactas no cementadas, en las que parece que los fenmenos de rotura progresiva tienen menos importancia.6465ESTABILIDAD DE OBRAS CONSTRUIDASSOBRE ARCILLAS FIRMES Y DURASEn estas arcillas se podran producir presiones intersticiales negativas durante el corte sin drenaje, por lo cual hay que comprobar tambin la estabilidad a largo plazo, que en zapatas pequeas y superficiales puede ser mas desfavorable.6566En arcillas y lutitas fisuradas conviene investigar la influencia del tamao de la muestra en la resistencia sin drenaje, que en general es muy importante, aunque en algn caso no influye.

La rotura progresiva hace que se produzca a veces deslizamientos bastante posteriores a la construccin.

6667TERRAPLENESFrente a la gran cantidad de datos existentes sobre el comportamiento de terrenos naturales, puede afirmarse que los datos sobre comportamientos de terraplenes son muy escasos.

6768Cuando se decide emplear como terrapln arcillas firmes y magras, es corriente que durante la fase de excavacin se obtenga terrones o bloques de estos materiales que los equipos de compactacin no suelen romper con facilidad. Ello hace que pueda infiltrarse agua que reblandezca el terrapln. En tal caso cuando se produzca el deslizamiento, el coeficiente de seguridad calculado a partir de la resistencia sin drenaje de las muestras compactadas puede ser superior a la de la unidad.6869Cualquier esfuerzo que se haga durante la excavacin para obtener una granulometra mas continua de los bloques y terrones, o durante la compactacin para obtener un terrapln mas denso, disminuir dicho reblandecimiento.

6970En diques de ros sometidos a inundaciones o a lluvias intensas, constituidos por mezcla de arenas y arcillas, parece ser que la cohesin efectiva desaparece automticamente al humedecerse.7071REFLEXIONESDesde el instante mismo que se planea, proyecta y ejecuta una estructura; debe tenerse en cuenta que los usuarios directos son seres vivientes. Es por ello que debe ponerse mucho nfasis en este criterio de seguridad.

7172En segundo lugar debe considerarse el costo econmico que representa la estructura, sin dejar de lado ensayos necesarios para determinar la durabilidad y seguridad de la obra garantizando as su estabilidad y buen desempeo.

7273En numerosos casos no existe la estabilidad a corto plazo, pues el drenaje es prcticamente instantneo; tal caso suele ocurrir en los terrenos permeables: suelos de grano grueso y roca diaclasada.

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CONSTRUCCIN DE UNA PRESA

PRESA DE CONTRAFUERTES

PUENTE DE TIRANTES

PUENTE DE TIRANTES79

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LO QUE EMPIEZA BIEN ACABA BIEN"80