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METODOLOGÍA DE DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD
INGENIERÍA GEOTÉCNICA
Prof.: Ing. Wilfredo Gutiérrez Lazares
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD
CONTENIDO
• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA
CAPACIDAD DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE
ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD CONTENIDO
• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA
Se analiza hasta 1.5 b
CASO I
El NF debajo del nivel de cimentación a una profundidad
menor que 1.5b.
CASO II
El NF por encima del nivel de cimentación.
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INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA
CASO I
El nivel freático debajo del nivel de cimentación a una
profundidad menor que 1.5b.
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INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA
CASO II
El nivel freático por encima del nivel de cimentación.
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CONTENIDO
• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD
DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE
ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
Se analiza hasta 1.5 b
I - Aparece un solo suelo.
II- Existan dos estratos de suelos diferentes.
III- El suelo está muy estratificado.
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DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD A N Á L I S I S D E C I M E N T A C I O N E S E N B A S E S
E S T R A T I G R Á F I C A S .
Se analiza hasta 1.5 b
CASO I : Aparece un solo suelo
Para el primer caso, la capacidad de carga del suelo se
determina mediante la expresión de capacidad de carga
utilizando las características físico-mecánicas de cálculo
del suelo que aparece.
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ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
Se analiza hasta 1.5 b
CASO II : Existan dos estratos de suelo diferentes
El segundo estrato situado a una profundidad z, sea más
débil que el que soporta directamente la cimentación.
Luego: la capacidad de carga de la base de la
cimentación se obtendrá a partir de las características
físico-mecánicas de ese segundo estrato.
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ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
Se analiza hasta 1.5 b
Nz* ≤ Qbtz*
Qbtz* : Carga bruta de trabajo resistente a la estabilidad de la
base a la profundidad z, determinada por las características
físico – mecánicas de cálculo del segundo estrato.
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Se analiza hasta 1.5 b
Nz* : Componente vertical de la resultante de todas las solicitaciones de cálculo a l
a profundidad z analizada.
2I* : Peso específico del primer estrato por debajo del nivel de cimentación. Si
está por debajo del nivel freático se toma saturado
HI : Espesor del primer estrato.
(b+HI) (I + HI) : Dimensiones de la cimentación ficticia a profundidad de
cimentación (d+ HI ) = z.
Nz* = N´* + QCIM. + QRELL + γ2I* . H I
. (b+H I) (I + H I)
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ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
Se analiza hasta 1.5 b
De no cumplirse la condición de diseño deben de aumentarse las
dimensiones del cimiento hasta cumplirla.
•Si de los dos estratos el más débil es el primero, se tomarán las
características físico-mecánicas de éste, en caso que su espesor sea
muy pequeño, puede tomarse la solución de excavar hasta llegar al
segundo estrato y diseñar para este último.
•Si las características físico-mecánicas de ambos estratos son
similares y evidencian que sus capacidades de carga también lo son,
se tomarán las características físico-mecánicas del primero para
realizar el diseño.
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ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
Se analiza hasta 1.5 b
CASO III : El suelo está muy estratificado.
Para los casos de bases de cimentaciones muy
estratificadas, en las que a una profundidad de 1.5b
existan más de dos estratos de suelos diferentes, hay que
utilizar el Método Gráfico Analítico para el cálculo de la
capacidad de carga de la base de la cimentación.
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• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE
CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES
ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA
CAPACIDAD DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO
DE ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA.
Base de las cimentaciones muy heterogéneas con presencia de más de
dos tipos de suelo en la zona de trabajo de dicha base (1.5b).
Cuando la sobrecarga a nivel de cimentación a ambos lados de ella, es
mayor del 50% de la capacidad resistente de dicha base.
Cimentación en taludes, cerca o debajo de ellos.
Posibilidad de un estrato no estable de los suelos de las bases (Excepto
en los casos para los cuales se desarrollan por métodos analíticos de
calculo).
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MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA.
F.S. =
..
..
desestMtos
estabMtos≥1,2
Donde:
F.S.: Es el coeficiente de seguridad de una superficie de falla circular propuesta,
en la cual todos los análisis están hechos para un metro de largo de la
cimentación.
∑ Mtos. estab., ∑ Mtos. desest.: Sumatoria de los momentos estabilizadores y
desestabilizadores con respecto al centro de giro.
Para el cálculo del coeficiente de seguridad se puede
utilizar cualquier método que trabaje con una superficie de
falla circular (Fellenius, Bishop simplificado, etc.)
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CONTENIDO
• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE
CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA
CAPACIDAD DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE
ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
Capacidad de carga: Debe de cumplirse que la presión actuante sobre
el terreno debido a las cargas impuestas por la estructura sea menor
que la capacidad de carga del suelo donde se desplantó la misma.
Vuelco: Se debe chequear que la combinación sea segura al posible
vuelco garantizando que:
∑ Momentos estabilizantes >1.5 ∑Momentos desestabilizantes.
Deslizamiento: El tercero deberá ser capaz de equilibrar la
componente horizontal de la resultante de los esfuerzos transmitidos al
terreno oblicuamente sobre la superficie de contacto del cimiento y el
terreno.
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COMBINACIÓN DE CARGA PARA EL DISEÑO POR ESTABILIDAD.
LAS COMBINACIONES DE CARGA FUNDAMENTALES
CONSIDERADAS EN EL DISEÑO GEOTÉCNICO DE
CIMENTACIONES SUPERFICIALES SON:
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
1) 1,5D + 1,8L
2) 1,25(D+L+E)
3) 0,9D + 1,25E
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DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-
MECÁNICAS DE CÁLCULO DE LOS DIFERENTES ESTRATOS.
LA CAPACIDAD RESISTENTE DE LA BASE DE UNA
CIMENTACIÓN ESTÁ EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICO-MECÁNICAS DE CÁLCULO DEL SUELO QUE SE
DETERMINAN PARA UNA PROBABILIDAD DE DISEÑO DE:
Α = 95% PARA OBRAS DONDE EL FALLO SE CLASIFIQUEN
COMO: MUY GRAVE, GRAVE O LEVE.
Α = 99% PARA OBRAS DE CATEGORÍA ESPECIAL. :
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
C*=
gc
C φ*=tg
-1
gtg
tg
g
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•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
TIPOS DE SUELOS
Suelos C y C-φ (Φ<25º) Suelos φ (Φ>25)
Coeficientes de variación de las características mecánicas del
suelo
Valores degtgφ
máximos a utilizar
Coeficientes de variación de las características
mecánicas del suelo
Valores degtgφ
máximos a utilizar
Vtgφ ≤ 0.2 gtgφ = 1.20 Vtgφ ≤ 0.07 gtgφ = 1.10
Vc ≤ 0.26 gc = 1.40φ ≤ 30º
Vtgφ > 0.07 gtgφ = 1.15
Vtgφ > 0.2 gtgφ = 1.25
Vc > 0.26 gc = 1.45φ > 30º Vtgφ ≤ 0.08 gtgφ = 1.10
Tabla 2.1- Valores máximos de los coeficientes de minoración de las características
mecánicas del suelo
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SI LOS VALORES NORMATIVOS DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÁNICAS DEL
SUELO SON OBTENIDAS DE TABLAS, O NO ES POSIBLE REALIZAR EL ANÁLISIS
ESTADÍSTICO, ENTONCES SE TOMARÁN PARA UNA PROBABILIDAD DE DISEÑO DE Α =
95%, LOS VALORES ΓGY, ΓGC Y ΓGTGΦ QUE APARECEN EN LA TABLA 2.2.
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
TIPOS DE SUELOS
Coeficiente de minoración
(g)
Suelos cohesivos (C>0, φ ≤ 25º)
Suelos C-φ (φ > 25º)
Suelos φ (φ ≤ 30º)
Suelos φ (φ > 30º)
gy 1.05 10.5 1.03 1.03
gc 1.45 1.40 - -
gtgφ 1.25 1.20 1.15 1.10
Tabla 2.2- Valores de γgy, γgc y γgtgφ para una probabilidad del 95%.
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CHEQUEO DE LA SEGURIDAD DE VUELCO.
DONDE:
∑ MOMENTOS ESTABILIZANTES: SUMATORIA DE LOS MOMENTOS DE TODAS LAS
FUERZAS, CON SUS VALORES NORMATIVOS, QUE SE OPONEN AL VUELCO DE LA
CIMENTACIÓN CON RESPECTO A LA ESQUINA DEL CIMIENTO.
∑ MOMENTOS DESESTABILIZANTES: SUMATORIA DE TODAS LAS FUERZAS, CON SUS
VALORES NORMATIVOS, QUE TIENDEN A PROVOCAR EL VUELCO DE LAS CIMENTACIONES
CON RESPECTO A LA ESQUINA DEL MISMO.
CON SUS VALORES NORMATIVOS, PUES EL FACTOR DE SEGURIDAD 1.5, YA POSEE LA
SEGURIDAD ADECUADA PARA ESTE CHEQUEO.
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
F.S.V. =
izantesdesestabilMomentos
ntesestabilizaMomentos≥ 1.05 1.5
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CIMIENTO CON PEDESTAL CÉNTRICO.
PARA LOS CASOS DE CIMIENTOS RECTANGULARES CON PEDESTAL CÉNTRICO (FIG. 2.1.), BASTA CHEQUEAR QUE LA EXCENTRICIDAD SEA MENOR O IGUAL QUE UN
TERCIO DEL ANCHO O LARGO DE LA BASE SEGÚN EL LADO QUE SE ANALICE, SI
ESTO SE CUMPLE, SE GARANTIZA TAMBIÉN EL CUMPLIMIENTO DE LA CONDICIÓN
DE VUELCO.
EL ≤ L /3
EB ≤ B /3
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
Fig. 2.1- Cimiento con pedestal céntrico
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E N E L C A S O D E N O C U M P L I R S E A L G U N A D E L A S C O N D I C I O N E S P L A N T E A D A S A N T E R I O R M E N T E , D E B E N D E A U M E N T A R S E L A S D I M E N S I O N E S D E L A B A S E , V A R I A R L A F O R M A O E L T I P O D E C I M E N T A C I Ó N
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
Cimiento con pedestal excéntrico.
Para un cimiento con pedestal excéntrico (Fig. 2.2), la expresión del F.S.V. queda:
Fig. 2.2- Cimiento con pedestal excéntrico.
F.S.V. = dHM
blddN
L
l
.'
..' 2/20
≥ 1.5
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CHEQUEO DEL DESLIZAMIENTO.
EL CIMIENTO NO TENDRÁ PELIGRO DE DESLIZAMIENTO; SI LAS FUERZAS
HORIZONTALES ACTUANTES SE COMPENSEN CON LAS FUERZAS RESISTENTES
QUE APORTA EL SUELO.
QUE LLEVADO AL CASO ESPECÍFICO DEL SUELO, SE ESCRIBE COMO:
SIEMPRE QUE NO SE CUMPLA ESTA CONDICIÓN SE INCREMENTA EL ÁREA DE LA
BASE, HASTA SATISFACER DICHA EXPRESIÓN.
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
F* actuantes ≤ F* resistentes
H* ≤ N* tgφ* + 0.75 b ́l ́C*
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C A P A C I D A D D E C A R G A
P A R A S U E L O S C - Φ
P A R A S U E L O S C
D O N D E :
•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
qbr* = 0.52*.B’
.N
.S
.i
.d
.g + C*
.Nc
.Scicdcgc + q´* NqSqiqdqgq
qbr* = 5.14C*(1+Sc’+ dc’-ic’-gc’)+q´*
2* : Peso específico minorado por debajo del nivel de cimentación.
B’ : Lado menor entre l’ y b’.
q’* : Presión efectiva a nivel de solera alrededor del cimiento.
N, Nc, Nq : Factores de Capacidad de carga.
S, Sc, Sq, i, ic, iq, d, dc, dq, g, gc, gq : Factores de influencia.
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•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
Condición de diseño para el criterio de estabilidad.
La condición de diseño en este caso queda como:
NC*≤ Qbt*
'
'' q
K
qqbrQbt = b´.
Para cimientos rectangulares.
Qbt* = l´ b´
*
**q
qqbr
s
Para cimientos circulares. Cimiento con carga vertical centrada (ec = 0)
Qbt* =
*
**
4
2
0 qqqbrD
s
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•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
Condiciones de trabajo de
la base de la cimentación Tipo de fallo Valores de s
Favorables
Leve 1.10
Grave 1.15
Muy grave 1.20
Normales
Leve 1.15
Grave 1.20
Muy grave 1.25
Desfavorables
Leve 1.20
Grave 1.25
Muy grave 1.30
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•Diseño por estados límites. 1º Estado Límite.
El cumplimiento de la condición de diseño debe lograrse
para una tolerancia del 3 5 %, garantizándose así un
diseño económico.
% tolerancia =
*
**
N
NQbt100 ≤ 3 5 %
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DISEÑO DE CIMENTACIONES POR
ESTABILIDAD
Algoritmo General de
Diseño
N´ Qbt
Qbt = b´ ´
´q
´q*q
S
br
qbr.*
FIN
INC( b, )
INC( b, )
SI
SI
NOH 0
H* Ntg*+0.75b´ ´C*
Nq, Nc, N, Sq, Sc, S
iq , ic, i , dq, dc, d
gq, gc ,g
SI
e*, e
b´, ´
e*, e
NO
b´, ´
NO
Ni, Mi, Hi, Ci, i, i, hi, d, qsc, S
N*, H*, M*, C*, *, *, q´
b,
N´=N*+20·b· ·d
e*, e
INICIO
e / 3
INC( b, )
SI
b´, ´
NO
Chequeo del Vuelco
Chequeo de
Deslizamiento
Chequeo de
Capacidad de Carga
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Aplicaciones Computacionales
DISEÑO DE CIMENTACIONES POR ESTABILIDAD
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• INFLUENCIA DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD DE
CARGA.
• ANÁLISIS DE CIMENTACIONES EN BASES ESTRATIGRÁFICAS.
• MÉTODO GRÁFICO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA
CAPACIDAD DE CARGA.
• DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 1º ESTADO LÍMITE.
• DISEÑO POR FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL. CRITERIO DE
ESTABILIDAD.
• DISEÑO DE TENSIONES ADMISIBLES.
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C R I T E R I O D E E S TA B I L I D A D .
II. Diseño por factor de seguridad global o coeficiente único.
Criterio de Estabilidad.
Capacidad de carga
Vuelco
Deslizamiento
)( EóWLD
Combinaciones de carga para el diseño por estabilidad.
D + L
K donde K tiene que ser ≥ 0,75
D + (W ó E)
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F.S. vuelco =
izantesdesestabilMomentos
ntesestabilizaMomentos≥ 1.5
Factuantes
esFresistentF.S. Deslizamiento =
∑ Fresistentes =
≥ 1.5
. . . .
. .
b c tg N
b c N.tg.Ф
a δ
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Valores del coeficiente de fricción
Muro – Suelo
MATERIAL tg
Madera 22º 0,4
Concreto Rugoso Φ tg Φ
Concreto Liso 17º 0,3
Acero Limpio 11º 0,2
Acero Herrumbroso 22º 0,4
En general los valores de FSvuelco y FSDESLIZAMIENTO propuesto son los
más utilizados, aunque en función de las características de la obra se
podrían utilizar otros a criterios del proyectista.
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D E E S T A B I L I D A D .
'
'' q
K
qqbr
-Condición de diseño para el criterio de estabilidad.
La condición de diseño en este caso queda como:
N0 ≤ Qbt
El valor de la carga bruta resistente a la estabilidad se determina a partir
de:
Cimientos rectangulares
Qbt = b´.
.
a) K = 3,0 Para combinaciones donde activen cargas estáticas.
b) K = 2,5 Para combinaciones donde este presente el sismo o el viento, la que
sea más desfavorable.
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• D I S E Ñ O P O R E S T A D O S L Í M I T E S . 1 º E S T A D O L Í M I T E .
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Chequeo de la presión admisible (R’s)
El chequeo de la presión admisible, que en mucha literatura se conoce como
resistencia de suelo R’s, se realiza según:
* Para e = 0
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* Para 0 < e ? /6 <
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