Diseño de muros
Un
diseño adecuado para un muro de contención debe considerar los siguientes
aspectos:
a. Los
componentes estructurales del muro deben ser capaces de resistir los esfuerzos
de corte y momento internos generados por las presiones del suelo y demás
cargas.
b. El
muro debe ser seguro contra un posible volcamiento.
c. El
muro debe ser seguro contra un desplazamiento lateral.
d. Las
presiones no deben sobrepasar la capacidad de soporte del piso de fundación.
e. Los
asentamientos y distorsiones deben limitarse a valores tolerables.
f.
Debe impedirse la erosión del suelo por debajo y adelante del muro bien sea por
la presencia de cuerpos de agua o de la escorrentía de las lluvias.
g.
Debe eliminarse la posibilidad de presencia de presiones de agua detrás del
muro.
El
muro debe ser estable a deslizamientos de todo tipo.
Procedimiento
Para
proceder al diseño una vez conocida la topografía del sitio y la altura
necesaria del muro debe procederse a:
a.
Escoger el tipo de muro a emplearse.
b.
Dibujar a escala la topografía en perfil de la sección típica del muro.
c.
Sobre la topografía dibujar un diagrama "tentativo" supuesto del
posible muro.
d.
Conocidas las propiedades de resistencia del suelo y escogida la teoría de
presiones a emplearse, calcular las
fuerzas activa y pasiva y su punto de aplicación y dirección de 1/2 a 2/3, de
acuerdo al ángulo de fricción del suelo y la topografía arriba del muro. Para
paredes posteriores inclinadas se recomienda en todos los casos calcular las
presiones con la teoría de Coulomb.
e.
Calcular los factores de seguridad así:
-
Factor de seguridad contra volcamiento.
-
Factor de seguridad contra deslizamiento de la cimentación
f. Si
los factores de seguridad no satisfacen los requerimientos deben variarse las
dimensiones supuestas y repetir los pasos de a hasta e. Si son satisfactorios
se procederá con el diseño.
g.
Calcular las presiones sobre el piso y el factor seguridad contra capacidad de
soporte. Si es necesario debe ampliarse el ancho de la base del muro.
h. Calcular
los asentamientos generados y si es necesario ampliar la base del muro.
i.
Diseñar los sistemas de protección contra:
-
Socavación o erosión en el pie.
-
Presencia de presiones de agua detrás del muro.
j.
Finalmente deben calcularse los valores de los esfuerzos y momentos internos
para proceder a reforzar o ampliar las secciones del muro, de acuerdo a los
procedimientos estandarizados de la Ingeniería estructural.
Recomendaciones para el diseño
de muros
a.
Deseablemente la carga en la base debe estar concentrada dentro del tercio
medio para evitar esfuerzos de tracción.
b.
Para volcamiento en muros permanentes debe especificarse un factor de seguridad
de 2.0 o mayor.
c.
Para deslizamiento debe especificarse un factor de seguridad de 1.5 o mayor.
d. El
análisis estructural es similar al de una viga con cargas repartidas.
e.
Debe conocerse previamente al diseño, el tipo de suelo que se empleará en el
relleno detrás del muro. En ningún caso se deben emplear suelos expansivos.
Aspectos constructivos
Para
los muros de concreto deben construirse juntas a intervalos a lo largo del
muro. El espaciamiento de estas juntas depende de los cambios de temperatura
esperados en el sitio. También deben construirse juntas en todos los sitios de
cambio brusco de sección o del nivel de cimentación.
Los
muros criba deben construirse siguiendo las normas para estructuras de hormigón
armado prefabricadas y los gaviones siguiendo las instrucciones de los manuales
de obras en gaviones.
Recomendaciones
para muros de concreto armado
El
diseño de muros en voladizo difiere del de muros de gravedad en los siguientes
factores:
a. La
fricción suelo - muro en su parte posterior no se tiene en cuenta por no
existir desplazamiento a lo largo de este plano. Se considera que el suelo se desplaza
solidariamente con el muro.
b. El
peso del suelo sobre el cimiento se considera como parte integral de la masa
del muro en el cálculo de fuerzas.
c. Se
supone que el plano de aplicación de las presiones activas es el plano vertical
tomado en el extremo posterior del cimiento del muro.
d. El
diseño estructural interno requiere de especial cuidado. En ocasiones en
necesario colocar un dentellón para mejorar la resistencia al deslizamiento. En
los demás aspectos el diseño debe realizarse en la misma forma que el de un
muro de gravedad.
MUROS FLEXIBLES
Los
muros flexibles son estructuras que se deforman fácilmente por las presiones de
la tierra sobre ellas o que se acomodan a los movimientos del suelo. Los muros
flexibles se diseñan generalmente, para resistir presiones activas en lo que se
refiere a su estabilidad intrínseca y actúan como masas de gravedad para la
estabilización de deslizamientos de tierra.
Existen
varios tipos de muros flexibles y entre ellos los más populares son:
1.
Muros en Gaviones
2.
Muros de elementos prefabricados (Muros Criba)
3.
Muros de Llantas Usadas
4.
Muros de Piedra
5.
Muros de Bolsacreto
Cada
uno de estos tipos de muros posee unas características especiales de
construcción, diseño y comportamiento.
Muros en Gaviones
Los
gaviones son cajones de malla de alambre galvanizado que se rellenan de cantos
de roca.
Algunas
de las ventajas de un muro en gaviones son las siguientes:
Simple
de construir y mantener y utiliza los cantos y piedras disponibles en el sitio.
Se puede construir sobre fundaciones débiles. Su estructura es flexible y puede
tolerar asentamientos diferenciales mayores que otro tipo de muros y es fácil
de demoler o reparar.
Se
emplean tres tipos de mallas diferentes, hexagonales o de triple torsión,
electrosoldada y elaborada simple. El principal problema consiste en que las
mallas pueden presentar corrosión en suelos ácidos (de PH menor 6).
Existen
una gran cantidad de tamaños de malla disponible para formar las cajas. Generalmente, se utilizan cajas de 2m. x 1m.
x 1m. La forma básica es trapezoidal. Las canastas de gavión se colocan unas
sobre otras tratando de traslapar lo mejor posible las unidades para darle
cierta rigidez que requiere el muro. Para muros muy anchos con secciones
superiores a cuatro metros se puede realizar cierta economía adoptando una
forma celular de construcción, lo cual equivale a eliminar algunas de las cajas
interiores donde los espacios se rellenan con piedra sin la colocación de
canastas de malla. El tamaño y la forma de estas celdas deben diseñarse en tal
forma que no se debilite la estabilidad interna general del muro.
En
ocasiones, los muros de gaviones contienen una serie de contrafuertes que los
hace trabajar como estructuras ancladas al suelo detrás del muro. El peso
unitario del gavión depende de la naturaleza y porosidad de la roca de relleno
y puede calcularse mediante la siguiente expresión:
γg =
(1-nr) Gsγw
Donde:
nr =
Porosidad del enrocado
Gs =
Gravedad Específica de la roca
γw =
Peso unitario del agua
Para
diseños preliminares Gs puede asumirse igual a 2.6 en el caso de rocas duras.
La porosidad del enrocado generalmente varía de 0.3 a 0.4 dependiendo de la
angulosidad de los bloques de roca. El diseño de un muro en gaviones debe
consistir de:
a.
Diseño de la masa del muro para estabilidad a volteo y deslizamiento y
estabilidad del talud. En el diseño debe tenerse en cuenta que para evitar
deformaciones excesivas relativas, el muro debe proporcionarse en tal forma que
la fuerza resultante actúa en el tercio medio de la sección volumétrica del
muro.
El
ángulo movilizado de fricción δ utilizado en el diseño no debe exceder φ´/2
donde:
φ´ es
el ángulo de fricción interna del relleno compactado detrás del muro.
En el
caso de que el muro se cimente sobre suelos compresibles δ igual a cero. No
existe un sistema de diseño universalmente aceptado para muros en gaviones y
debe tenerse en cuenta que la gran deformación del muro puede generar una falla
interna debida a su propia flexibilidad. Las deformaciones internas pueden ser
de tal magnitud que el muro no cumpla con el objetivo para el cual fue
diseñado.
b.
Diseño Interno de la Estructura del Gavión.
El
gavión debe tener un volumen o sección tal que internamente no se pueda
producir su falla o rotura a lo largo de cualquier plano. Es importante
analizar la estabilidad del muro independientemente nivel por nivel, suponiendo
en cada uno de los niveles que el muro es una estructura de gravedad apoyada
directamente sobre las unidades de gavión inmediatamente debajo de la sección
considerada. En resumen, se deben realizar un número de análisis igual al
número de niveles.
c.
Especificación del tipo de malla, calibre del alambre tamaño de las unidades,
tipo y número de uniones y calidad del galvanizado, tamaño y forma de los
cantos.
Se debe diseñar unión por unión la cantidad de alambre de amarre entre
unidades. Se debe definir si la malla es de doble torsión electro soldada o
eslabonada y el calibre de alambre de la malla, la escuadría del tejido de la
malla, el peso de zinc por metro cuadrado de superficie de alambre, el tipo de
uniones entre unidades.
Es
importante que en el diseño se incluya un dibujo de la forma como se amarran
las unidades entre sí, para facilitar su construcción en forma adecuada. El
tamaño máximo de los cantos debe ser superior a dos veces al ancho máximo de la
escuadría de la malla. Generalmente, se utilizan cantos de diámetro entre 15 y
30 centímetros.
d.
Despiece de las unidades de gavión nivel por nivel.
Se debe diseñar el traslape
entre unidades para darle rigidez al muro. Es importante dibujar planos de cada
uno de los niveles del muro en gaviones para facilitar su construcción, de
acuerdo al diseño
e.
Sistema de filtro.
En el contacto entre el suelo y el gavión se recomienda
colocar un geotextil no tejido como elemento de filtro, y en la cimentación del
muro se recomienda construir un dren colector para recoger el agua recolectada
por el muro. Debe tenerse en cuenta que el muro en gaviones es una estructura
permeable, la cual permite la infiltración de prácticamente el 100% de la
lluvia y la escorrentía que pase por encima del muro.
Para
el diseño de muros en gaviones se recomienda consultar la publicación “Manual
de
Ingeniería
para el Control de Erosión” (Suarez, 1993).
“H.6.3 — CONSIDERACIONES DE DISEÑO “
“En el diseño de estructuras de
contención se deben tener en cuenta las condiciones externas a que puede estar
sometida, tales como las sobrecargas por otras estructuras, los procesos de
construcción, las presiones hidrostáticas, las cargas de anclaje, las cargas de
tráfico, las características del relleno, el sistema de drenaje, procesos de
socavación o de oleaje (en vecindad de cuerpos de agua), efectos sísmicos y
efectos de temperatura. También debe tenerse en cuenta el tiempo de
servicio esperado de la estructura.
Las fuerzas actuantes sobre un muro de
contención se considerarán por unidad de longitud. Las acciones que se deben
tomar en cuenta, según el tipo de muro serán: el peso propio del muro, el
empuje de tierras, la fricción entre muro y suelo que contiene, el empuje
hidrostático o las fuerzas de filtración en su caso, las sobrecargas en la
superficie del relleno y las fuerzas sísmicas. Los empujes desarrollados en
condiciones sísmicas se evaluarán en la forma indicada en H.5
Estas estructuras deberán diseñarse de
tal forma que no se rebasen los siguientes estados límite de falla: volteo,
desplazamiento del muro, falla de la cimentación del mismo o del talud que lo
soporta, o bien rotura estructural. Además, se revisarán los estados límite de
servicio, como asentamiento, giro o deformación excesiva del muro. Los empujes
se estimarán tomando en cuenta la flexibilidad del muro, el tipo de material
por contener y el método de colocación del mismo.”
Tomado de la norma sismo resistente 2010, titulo H numeral 6.3.
ESTRUCTURAS ANCLADAS
El uso
de anclajes de acero en la estabilización de taludes se ha vuelto muy popular
en los últimos años. Las estructuras ancladas incluyen los pernos metálicos
utilizados para sostener bloques de roca, las estructuras con tendones
pretensionados, anclados en el suelo y los tendones pasivos no pretensionados.
Los
anclajes en roca pueden realizarse de muchas formas:
1.
Dovela de concreto reforzada para prevenir que se suelte un bloque de roca en
la cresta de un talud. Estos pernos son comúnmente varillas de acero colocadas
en huecos preperforados, inyectando una resina epóxica o cemento, las varillas
generalmente, no son tensionadas debido a que la roca puede moverse al colocar
la tensión, se utiliza hierro de alta resistencia en diámetros que varían desde
½ a 1.5 pulgadas.
2.
Mallas exteriores de alambre galvanizado ancladas con pernos para evitar la ocurrencia
de desprendimientos de bloques de roca o material. Debe tenerse en cuenta que
los anclajes de mallas protegen de la caída de bloques superficiales, pero no
representan estabilidad para el caso de fallas de bloques grandes o movimientos
de grandes masas de suelo o roca.
3.
Anclajes tensionados para impedir el deslizamiento de bloques de roca a lo
largo de un plano de estratificación o fractura. Estos anclajes, generalmente
utilizan cable de acero, los cuales se colocan en huecos preperforados e
inyectados. La fuerza de tensionamiento depende de la longitud y
características del anclaje y no es raro utilizar fuerzas hasta de 50 toneladas
por ancla.
4.
Muro anclado para prevenir el deslizamiento de una zona suelta. Los muros anclados
generalmente, incluyen el concreto lanzado para prevenir el movimiento de bloques
en una zona fracturada y drenaje de penetración para impedir la presión de agua.
Estos
muros anclados pueden ser pasivos o activos dependiendo de si son pretensionados
o no.
Diseño de Anclajes
En un
anclaje deben tenerse en cuenta varias condiciones de falla:
a.
Falla del tendón o varilla. El esfuerzo de diseño para el acero debe limitarse
al 50% del esfuerzo último (Department of the Navy, 1983).
b.
Falla de la unión entre el refuerzo y el cementante. La capacidad de la unión
entre el acero y la mezcla cementante depende en el número y longitud de los
tendones o varillas y otra serie de factores. (Littlejohn and Bruce, 1977).
c.
Falla de la unión cementante-roca o cementante-suelo. Esta capacidad puede ser
determinada por la fórmula siguiente: Pu = π x Ds x Resistencia de la unión
Donde
la resistencia de la unión depende del tipo de roca o suelo.
TIPO DE ESTRUCTURAS DE CONTENCION A DISEÑAR
