TÍTULO 1.º BASES DE PROYECTO CAPÍTULO II CRITERIOS DE SEGURIDAD Y BASES DE CÁLCULO Artículo 6º 6.1 Criterios de seguridad Principios Los requisitos básicos de seguridad estructural y aptitud al servicio pueden ser expresados en términos de la probabilidad global de fallo, que está ligada al índice de fiabilidad, tal como se indica en 5.1. En la presente Instrucción se asegura la fiabilidad requerida adoptando el Método de los Estados Límite (Artículo 8º). Este método permite tener en cuenta de manera sencilla el carácter aleatorio de las variables de solicitación, de resistencia y dimensionales que intervienen en el cálculo. El valor de cálculo de una variable se obtiene a partir de su principal valor representativo, ponderándolo mediante su correspondiente coeficiente parcial de seguridad. Los coeficientes parciales de seguridad no tienen en cuenta la influencia de posibles errores humanos groseros. Estos fallos deben ser evitados mediante mecanismos adecuados de control de calidad que deberán abarcar todas las actividades relacionadas con el proyecto, la ejecución, el uso y el mantenimiento de una estructura. COMENTARIOS El procedimiento de los Estados Límite, basado en la determinación previa de unos coeficientes parciales de seguridad, corresponde a un método de fiabilidad de nivel I. Para la determinación de los coeficientes parciales de seguridad, básicamente existen dos procedimientos: a) Por medio de una calibración con los valores de cálculo de las variables empleadas en el cálculo de estructuras existentes. b) Por medio de una evaluación estadística de datos experimentales, en el marco de la aplicación de métodos probabilistas. Los coeficientes parciales de seguridad de la presente Instrucción están basados en el método a), con algunas excepciones basadas en el método b). 6.2 Comprobación estructural mediante cálculo La comprobación estructural mediante cálculo representa una de las posibles medidas para garantizar la seguridad de una estructura y es el sistema que se propone en esta Instrucción. II - 1 6.3 Comprobación estructural mediante ensayos En casos donde las reglas de la presente Instrucción no sean suficientes o donde los resultados de ensayos pueden llevar a una economía significativa de una estructura, existe también la posibilidad de abordar el dimensionamiento estructural mediante ensayos. Este procedimiento no está desarrollado explícitamente en esta Instrucción y por lo tanto deberá consultarse en la bibliografía especializada. Artículo 7º Situaciones de proyecto Las situaciones de proyecto a considerar son las que se indican a continuación: Situaciones persistentes, que corresponden a las condiciones de uso normal de la estructura. Situaciones transitorias, como son las que se producen durante la construcción o reparación de la estructura. Situaciones accidentales, que corresponden a condiciones excepcionales aplicables a la estructura. Artículo 8º 8.1 Bases de cálculo El método de los Estados Límite 8.1.1 Estados Límite Se definen como Estados Límite aquellas situaciones para las que, de ser superadas, puede considerarse que la estructura no cumple alguna de las funciones para las que ha sido proyectada. Generalmente, los Estados Límite se clasifican en: - Estados Límite Últimos Estados Límite de Servicio Debe comprobarse que una estructura no supere ninguno de los Estados Límite anteriormente definidos en cualquiera de las situaciones de proyecto indicadas en el Artículo 7º, considerando los valores de cálculo de las acciones, de las características de los materiales y de los datos geométricos. El procedimiento de comprobación, para un cierto Estado Límite, consiste en deducir, por una parte, el efecto de las acciones aplicadas a la estructura o a parte de ella y, por otra, la respuesta de la estructura para la situación límite en estudio. El Estado Límite quedará garantizado si se verifica, con una fiabilidad aceptable, que la respuesta estructural no es inferior que el efecto de las acciones aplicadas. Para la determinación del efecto de las acciones deben considerarse las acciones de cálculo combinadas según los criterios expuestos en el Capítulo III y los datos geométricos según se definen en el Artículo 16º y debe realizarse un análisis estructural de acuerdo con los criterios expuestos en el Capítulo V. II - 2 Para la determinación de la respuesta estructural deben considerarse los distintos criterios definidos en el Título 4º, teniendo en cuenta los valores de cálculo de los materiales y de los datos geométricos, de acuerdo con lo expuesto en el Capítulo IV. COMENTARIOS Una estructura pasa a lo largo del tiempo, por diversas fases caracterizadas por el tipo y valor de las cargas que ha de soportar y, eventualmente, por el esquema estructural (estático y seccional) que la estructura adopta (Artículo 7º). Las fases se refieren, por tanto, a un determinado estado de la estructura, incluidos los de construcción. Será necesario realizar las comprobaciones de los diferentes Estados Límite, en cada fase, considerando, como mínimo, las siguientes: 1) Fase de construcción a) Diversas fases de construcción. b) En el caso de hormigón pretensado, serán de especial interés la fase o fases de aplicación de la fuerza de pretensado. 2) Fases de servicio En situación de servicio de la estructura puede resultar necesario analizar distintas fases si, por ejemplo, su puesta en servicio se realiza antes de que ciertas acciones dependientes del tiempo hayan alcanzado su valor final. 8.1.2 Estados Límite Últimos La denominación de Estados Límite Últimos engloba todos aquellos que producen una puesta fuera de servicio de la estructura, por colapso o rotura de la misma o de una parte de ella. Como Estados Límite Últimos deben considerarse los debidos a: - fallo por deformaciones plásticas excesivas, rotura o pérdida de la estabilidad de la estructura o parte de ella; pérdida del equilibrio de la estructura o parte de ella, considerada como un sólido rígido; fallo por acumulación de deformaciones o fisuración progresiva bajo cargas repetidas. En la comprobación de los Estados Límite Últimos que consideran la rotura de una sección o elemento, se debe satisfacer la condición: Rd ≥ S d donde: Rd Valor de cálculo de la respuesta estructural. Sd Valor de cálculo del efecto de las acciones. Para la evaluación del Estado Límite de Equilibrio (Artículo 41º) se debe satisfacer la condición: E d, estab ≥ E d, desestab donde: Ed, estab Ed, desestab Valor de cálculo de los efectos de las acciones estabilizadoras. Valor de cálculo de los efectos de las acciones desestabilizadoras. II - 3 El Estado Límite de Fatiga (Artículo 48º) está relacionado con los daños que puede sufrir una estructura como consecuencia de solicitaciones variables repetidas. En la comprobación del Estado Límite de Fatiga se debe satisfacer la condición: RF ≥ S F donde: RF Valor de cálculo de la resistencia a fatiga. SF Valor de cálculo del efecto de las acciones de fatiga. COMENTARIOS Los Estados Límite Últimos incluidos en esta Instrucción son los siguientes: - Estado Límite de Equilibrio. Se estudia a nivel de estructura o elemento estructural. - Estados Límite de Agotamiento (se estudian a nivel de sección): - por solicitaciones normales - por cortante - por torsión - por punzonamiento - por rasante - Estado Límite de Inestabilidad. Se estudia a nivel de estructura o elemento estructural. - Estado Límite de Fatiga. Se estudia a nivel de sección. 8.1.3 Estados Límite de Servicio Se incluyen bajo la denominación de Estados Límite de Servicio todas aquellas situaciones de la estructura para las que no se cumplen los requisitos de funcionalidad, de comodidad, de durabilidad o de aspecto requeridos. En la comprobación de los Estados Límite de Servicio se debe satisfacer la condición: Cd ≥ Ed donde: Cd Valor límite admisible para el Estado Límite a comprobar (deformaciones, vibraciones, abertura de fisura, etc.). Ed Valor de cálculo del efecto de las acciones (tensiones, nivel de vibración, abertura de fisura, etc.). COMENTARIOS Los Estados Límite de Servicio incluidos en esta Instrucción son: - Estado Límite de Deformación. Es el producido por deformaciones que pueden afectar a las acciones aplicadas o a la apariencia o al uso de la estructura o causar daños en elementos no estructurales. - Estado Límite de Vibraciones. Es el producido por vibraciones que pueden ser desagradables o causar inquietud a los usuarios, o provocar daños en la estructura o equipos. - Estado Límite de Fisuración. Se produce cuando la fisuración del hormigón por tracción puede afectar la durabilidad, la impermeabilidad o el aspecto de la estructura. La microfisuración del hormigón por compresión excesiva puede afectar, también, la durabilidad. 8.1.4. Estado Límite de Durabilidad II - 4 Estado Límite de Durabilidad es el producido por acciones físicas y químicas, diferentes a las cargas y acciones del análisis estructural, que pueden degradar el hormigón o las armaduras. La comprobación del Estado Límite de Durabilidad consiste en verificar que se satisface la condición: tL ≥ td donde: Tiempo necesario para que el agente agresivo produzca un ataque o tL degradación significativa. td Valor de cálculo de la vida útil. 8.2 Bases de cálculo orientadas a la durabilidad Antes de comenzar el proyecto, se deberá identificar el tipo de ambiente que defina la agresividad a la que va a estar sometido cada elemento estructural. Para conseguir una durabilidad adecuada, se deberá establecer en el proyecto, y en función del tipo de ambiente, una estrategia acorde con los criterios expuestos en el Capítulo VII. 8.2.1 Definición del tipo de ambiente El tipo de ambiente al que está sometido un elemento estructural viene definido por el conjunto de condiciones físicas y químicas a las que está expuesto, y que puede llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a los de las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. El tipo de ambiente viene definido por la combinación de: una de las clases generales de exposición, frente a la corrosión de las armaduras, de acuerdo con 8.2.2. las clases específicas de exposición relativas a los otros procesos de degradación que procedan para cada caso, de entre las definidas en 8.2.3. En el caso de que un elemento estructural esté sometido a alguna clase específica de exposición, en la designación del tipo de ambiente se deberán reflejar todas las clases, unidas mediante el signo de adición "+". Cuando una estructura contenga elementos con diferentes tipos de ambiente, el proyectista deberá definir algunos grupos con los elementos estructurales que presenten características similares de exposición ambiental. Para ello, siempre que sea posible, se agruparán elementos del mismo tipo (por ejemplo, pilares, vigas de cubierta, cimentación, etc.), cuidando además que los criterios seguidos sean congruentes con los aspectos propios de la fase de ejecución. Para cada grupo, se identificará la clase o, en su caso, la combinación de clases, que definen la agresividad del ambiente al que se encuentran sometidos sus elementos. COMENTARIOS La metodología propuesta para la definición del tipo de ambiente distingue entre clases de exposición relativas a la II - 5 corrosión de armaduras y otras clases relativas a otros procesos de degradación. A las primeras las identifica como clases generales, mientras que define como específicas a las segundas. Esta circunstancia no pretende ser reflejo de ningún tipo de jerarquía entre los diferentes procesos que afectan a la durabilidad, sino únicamente un procedimiento para la definición de la metodología propuesta. En consecuencia, no debe entenderse en ningún caso que procesos como el hielo-deshielo, el ataque químico, etc. tengan menor trascendencia que la corrosión de armaduras en relación con la durabilidad del elemento estructural. 8.2.2 Clases generales de exposición ambiental en relación con la corrosión de armaduras Todo elemento estructural está sometido a una única clase o subclase general de exposición. A los efectos de esta Instrucción, se definen como clases generales de exposición las que se refieren exclusivamente a procesos relacionados con la corrosión de armaduras y se incluyen en la tabla 8.2.2. COMENTARIOS De acuerdo con la tabla 8.2.2 los elementos estructurales de hormigón en masa tienen siempre una clase general de exposición I (no agresiva), dado que la inexistencia de armaduras impide cualquier posibilidad de corrosión, pudiendo estar además, según el caso, sometidas a las clases específicas definidas en 8.2.3. La clase general normal, designada como II, corresponde básicamente a los problemas de corrosión que se pueden producir en las armaduras como consecuencia de la carbonatación del hormigón, si bien incluye además el caso de cimentaciones enterradas. Por ello, se ha optado por indicar el tipo de proceso como Corrosión de origen diferente de los cloruros. El grado de humedad interna en el hormigón es un factor determinante en el desarrollo del proceso de difusión de anhídrido carbónico a través de su estructura porosa. Así cuando dicha humedad del hormigón es considerable (clase IIa), se dificultan y ralentizan los mecanismos de transporte de gases en su interior, resultando ser menos agresivas estas condiciones de exposición que en el caso de ambientes menos húmedos (clase IIb). La subclase marina aérea, designada como IIIa, se refiere exclusivamente a los elementos exteriores expuestos a la acción de los aerosoles y depósitos salinos a menos de 5 km de la línea costera. En el caso de elementos exteriores de hormigón, se pueden disponer revestimientos o protecciones superficiales, definitivos y permanentes, para cuya consideración el proyectista deberá garantizar documentalmente la efectividad del sistema empleado para proteger el hormigón. En tal caso, se podrá considerar, a todos los efectos relativos a la durabilidad (recubrimientos mínimos, etc) que el hormigón está sometido a la clase de exposición IIa. En este caso, el proyecto deberá tener en cuenta la duración previsible del revestimiento o protección, y deberá indicar el tipo y frecuencia de mantenimiento necesario del mismo. Dada su baja concentración de cloruros, las canalizaciones, por ejemplo las tuberías de agua potable, corresponden a la clase IIa. El criterio térmico-probabilístico fijado en el Articulado para la definición de la subclase específica de exposición H, de heladas sin sales fundentes, consistente en que exista una probabilidad superior al 50% de que se alcance la temperatura de –5ºC al menos una vez al año, puede suponerse, a los efectos de aplicar esta Instrucción, equivalente a que la temperatura media anual sea inferior a 12,5ºC. Para la aplicación de los criterios de naturaleza meteorológica, puede consultarse la publicación “Atlas Nacional de España. Sección II. Grupo 9. Climatología”, editado en 1992 por el Instituto Geográfico Nacional, del Ministerio de Fomento. 8.2.3 Clases específicas de exposición ambiental en relación con otros procesos II - 6 de degradación distintos de la corrosión. Además de las clases recogidas en 8.2.2, se establece otra serie de clases específicas de exposición que están relacionadas con otros procesos de deterioro del hormigón distintos de la corrosión de las armaduras (Tabla 8.2.3.a). Un elemento puede estar sometido a ninguna, a una o a varias clases específicas de exposición relativas a otros procesos de degradación del hormigón. Por el contrario, un elemento no podrá estar sometido simultáneamente a más de una de las subclases definidas para cada clase específica de exposición. En el caso de estructuras sometidas a ataque químico (clase Q), la agresividad se clasificará de acuerdo con los criterios recogidos en la Tabla 8.2.3.b. II - 7 Tabla 8.2.2 Clases generales de exposición relativas a la corrosión de las armaduras CLASE GENERAL DE EXPOSICIÓN Clase Subclase Designación Tipo de proceso DESCRIPCIÓN - no agresiva I interiores de edificios, no sometidos a Ninguno condensaciones - Normal Humedad IIa alta corrosión de origen interiores de edificios, incluido los forjados, que estén protegidos de la intemperie elementos de hormigón en masa - diferente de los cloruros EJEMPLOS - - interiores sometidos a humedades relativas - medias altas (> 65%) o a condensaciones - cimentaciones exteriores en ausencia de cloruros, y expuestos a - estribos, pilas y tableros de puentes en zonas, sin impermeabilizar con precipitación lluvia en zonas con precipitación media anual superior a 600 mm - sótanos no ventilados media anual superior a 600 mm - elementos enterrados o sumergidos Tableros de puentes impermeabilizados, en zonas con sales de deshielo y precipitación media anual superior a 600 mm - elementos de hormigón, que se encuentren a la intemperie o en las cubiertas de edificios en zonas con precipitación media anual superior a 600mm Humedad IIb media Marina Aérea IIIa corrosión de origen - exteriores en ausencia de cloruros, sometidos a la diferente de los acción del agua de lluvia, en zonas con precipitación cloruros media anual inferior a 600 mm corrosión por - cloruros - Forjados en cámara sanitaria, o en interiores en cocinas y baños, o en cubierta no protegida - construcciones exteriores protegidas de la lluvia - tableros y pilas de puentes, en zonas de precipitación media anual inferior a 600 mm elementos de estructuras marinas, por encima - edificaciones en las proximidades de la costa del nivel de pleamar - puentes en las proximidades de la costa elemento exteriores de estructuras situadas en - zonas aéreas de diques, pantalanes y otras obras de las proximidades de la línea costera (a menos de - instalaciones portuarias elementos de estructuras marinas sumergidas - zonas sumergidas de diques, pantalanes y otras obras de defensa litoral permanentemente, por debajo del nivel mínimo - cimentaciones y zonas sumergidas de pilas de puentes en el mar elementos de estructuras marinas situadas en la - zonas situadas en el recorrido de marea de diques, pantalanes y otras obras de defensa zona de carrera de mareas litoral defensa litoral 5 km) Sumergida IIIb corrosión por - cloruros de bajamar en zona de IIIc carrera de corrosión por - cloruros mareas y en - zonas de pilas de puentes sobre el mar, situadas en el recorrido de marea piscinas e interiores de los edificios que las albergan. zonas de salpicaduras con cloruros de origen diferente del medio marino IV corrosión por - cloruros - instalaciones no impermeabilizadas en contacto - con agua que presente un contenido elevado de - pilas de pasos superiores o pasarelas en zonas de nieve cloruros, no relacionados con el ambiente marino - estaciones de tratamiento de agua. superficies expuestas a sales de deshielo no impermeabilizadas. II - 8 Tabla 8.2.3.a Clases específicas de exposición relativas a otros procesos de deterioro distintos de la corrosión CLASE ESPECÍFICA DE EXPOSICIÓN Clase Subclase Designación Tipo de proceso Química Débil Qa ataque químico Agresiva DESCRIPCIÓN - elementos situados en ambientes con contenidos de EJEMPLOS - sustancias químicas capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad lenta (ver tabla 8.2.3.b) instalaciones industriales, con sustancias débilmente agresivas según tabla 8.2.3.b - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad débil según tabla 8.2.3.b Qb ataque químico media - elementos en contacto con agua de mar - dolos, bloques y otros elementos para diques - elementos situados en ambientes con contenidos de - estructuras marinas, en general sustancias químicas capaces de provocar la alteración - del hormigón con velocidad media (ver tabla 8.2.3.b) instalaciones industriales con sustancias de agresividad media según tabla 8.2.3.b - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad media según tabla 8.2.3b - instalaciones de conducción y tratamiento de aguas residuales con sustancias de agresividad media según tabla 8.2.3.b Fuerte Qc ataque químico - elementos situados en ambientes con contenidos de - sustancias químicas capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad rápida (ver tabla 8.2.3.b) instalaciones industriales, con sustancias de agresividad alta de acuerdo con tabla 8.2.3.b - instalaciones de conducción y tratamiento de aguas residuales, con sustancias de agresividad alta de acuerdo con tabla 8.2.3.b. - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad fuerte según tabla 8.2.3b con heladas sin sales H fundentes ataque hielodeshielo - elementos situados en contacto frecuente con agua, o zonas con humedad relativa media ambiental en - construcciones en zonas de alta montaña. - estaciones invernales invierno superior al 75%, y que tengan una probabilidad anual superior al 50% de alcanzar al menos una vez temperaturas por debajo de -5ºC con sales F fundentes ataque por sales fundentes - elementos destinados al tráfico de vehículos o - peatones en zonas con más de 5 nevadas anuales o tableros de puentes o pasarelas en zonas de alta montaña, en las que se utilizan sales fundentes. con valor medio de la temperatura mínima en los meses de invierno inferior a 0ºC Erosión E abrasión cavitación - elementos sometidos a desgaste superficial - pilas de puente en cauces muy torrenciales - elementos de estructuras hidráulicas en los que la cota - elementos de diques, pantalanes y otras obras de defensa litoral piezométrica pueda descender por debajo de la presión de vapor del agua que se encuentren sometidos a fuertes oleajes - pavimentos de hormigón - tuberías de alta presión II - 9 Tabla 8.2.3.b Clasificación de la agresividad química TIPO DE MEDIO AGRESIVO AGUA SUELO PARÁMETROS TIPO DE EXPOSICIÓN Qa Qb Qc ATAQUE DÉBIL ATAQUE MEDIO ATAQUE FUERTE VALOR DEL pH 6,5 - 5,5 5,5 - 4,5 < 4,5 CO2 AGRESIVO (mg CO2/ l) 15 - 40 40 - 100 > 100 IÓN AMONIO (mg NH4+ / l) 15 - 30 30 - 60 > 60 IÓN MAGNESIO (mg Mg2+ / l) 300 - 1000 1000 - 3000 > 3000 IÓN SULFATO (mg SO42- / l) 200 - 600 600 - 3000 > 3000 RESIDUO SECO (mg / l) 75 - 150 50 - 75 < 50 GRADO DE ACIDEZ BAUMANNGULLY (ml/kg) > 200 (*) (*) IÓN SULFATO (mg SO42- / kg de suelo seco) 2000 - 3000 3000 - 12000 > 12000 (*) Estas condiciones no se dan en la práctica COMENTARIOS El ejemplo de la tabla 8.2.3.a correspondiente a la designación F se refiere al caso de tableros de puentes o pasarelas en zonas de alta montaña que no disponen de una impermeabilización adecuada. En el caso de que exista una impermeabilización adecuada (en términos de tipo de material de impermeabilización, espesor y puesta en obra de la misma) deberá considerarse que no existe la clase específica F. De acuerdo con el articulado, un elemento estructural estará sometido a un ambiente definido por la combinación de una serie de clases de exposición, una de ellas general y el resto específicas. A continuación se presentan varios ejemplos: - Pilas de un paso superior situado en zona de alta montaña. Clase general de exposición: Clases específicas de exposición: Tipo de ambiente: IV (con cloruros no marinos) F (con heladas y sales fundentes) IV+F - Pilares vistos formando soportales en un edificio en zona con clima benigno y lejos de zonas industriales. Clase general de exposición: Clases específicas de exposición: Tipo de ambiente: IIb (normal media) no hay IIb II - 10 - Tableros de puente, a 200 m de la costa en terrenos no yesíferos. Clase general de exposición: Clases específicas de exposición: Tipo de ambiente: IIIa (marina aérea) no hay IIIa - Cajones flotantes prefabricados de hormigón armado para la construcción de un dique portuario, que se trasladan flotando hasta su ubicación definitiva y posteriormente se hunden. Clase general de exposición: Clases específicas de exposición: Tipo de ambiente: IIIb (marina sumergida) Qb (química agresiva media) IIIb + Qb - Bloques de hormigón en masa para diques de protección de un puerto Clase general de exposición: Clases específicas de exposición: Tipo de ambiente: I (hormigón en masa, no agresiva) Qb (química agresiva media) + E (erosión) I + Qb + E La determinación de los parámetros establecidos en la tabla 8.2.3.b se llevará a cabo de acuerdo con los métodos definidos en las UNE 7234:71, UNE 7131:58, UNE 7130:58 y por el Anejo nº 5. En la tabla 8.2.3 b no se incluye la determinación de cloruros entre los parámetros a analizar en aguas, pero este análisis deberá ser llevado a cabo conforme a lo indicado en el artículo 37.4 en aquellas muestras cuya procedencia pueda resultar indicativa de que el contenido en cloruros sea elevado. El ensayo será efectuado según UNE 7178:60. Se recomienda la realización del ensayo de determinación de CO2 agresivo en las aguas muestreadas en terrenos en que sean elevados los niveles de sustancias orgánicas en descomposición por acción de microorganismos, o en áreas cercanas a zonas industriales con altos niveles de contaminación expuestas a los efectos de la lluvia ácida. Se debe realizar esta determinación in situ, inmediatamente después de finalizar las operaciones de muestreo. La realización del ensayo de determinación de ión amonio se recomienda en las aguas que puedan haber estado en contacto con vertidos residuales de origen industrial, como las de fertilizantes, o de origen urbano, como las aguas de estaciones depuradoras. Para la determinación de ión amonio la muestra de agua debe conservarse refrigerada desde que finalice el muestreo hasta la preparación de la alícuota para el inicio del ensayo. II - 11