37549_7000001840_04-07-2019_162144_pm_muros_de_contencion.docx

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Muros de contención Análisis y diseño I.Generalidades Los muros de contención son estructuras que sirven para contener terreno u otro material en desnivel. Los muros de sostenimiento son de varios tipos.      

Muros de gravedad Muros en voladizo Muros con contrafuertes posteriores Muros con contrafuertes anteriores Muros de sótano Estribos de puentes

Para proyectar muros de sostenimiento es necesario determinar la magnitud, dirección y punto de aplicación de las presiones que el suelo ejercerá sobre el muro. El proyecto de los muros de contención consiste en: a) Selección del tipo de muro y dimensiones. b) Análisis de la estabilidad del muro frente a las fuerzas que lo solicitan. En caso que la estructura seleccionada no sea satisfactoria, se modifican las dimensiones y se efectúan nuevos cálculos hasta lograr la estabilidad y resistencia según las condiciones mínimas establecidas. c) Diseño de los elementos o partes del muro. El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierras, peso propio, peso de la tierra, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento, deslizamiento, presiones de contacto suelo-muro y resistencia mínima requerida por los elementos que conforman el muro.

1

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

II.Consideraciones Fundamentales Un volumen de tierras, que suponemos sin cohesión alguna, derramado libremente sobre un plano horizontal, toma un perfil de equilibrio que nos define el ángulo de talud natural de las tierras o ángulo de fricción interna del suelo φ. Las partículas resbalan a lo largo del talud A-B, o talud natural de las tierras, que constituye la inclinación límite, más allá de la cual la partícula no puede mantenerse en equilibrio. En la figura se muestra un volumen de tierra derramado libremente y las fuerzas que origina una partícula sobre el talud. Considerando un elemento de peso P que reposa sobre el talud, la componente según el talud vale: P* Sen φ, y el equilibrio se establece entre dicha componente y la fricción que se desarrollaría por el efecto de la componente normal al talud: P* Cos φ, al ponerse en movimiento dicha partícula.

Si designamos f el coeficiente de fricción de las tierras consigo mismas, la fuerza de fricción originada por el peso de la partícula en la dirección del talud A-B es: f *P* Cos φ. En el equilibrio:

Por lo tanto la tangente del ángulo del talud natural es igual a la fricción interna de las tierras. El ángulo φ y el peso específico de los suelos y, son 2

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

variables y dependen del tipo de suelo y del estado de humedad, etc. En la tabla, se indican valores φ y 𝜸, correspondientes a distintos tipos de suelos que se consideran desprovistos de cohesión, valores pueden ser de interés para las aplicaciones prácticas. Valores de φ y 𝜸 para diferentes tipos de suelos

Si por cualquier circunstancia es preciso dar a las tierras un talud mayor que (φ), será necesario evitar su derrumbamiento, colocando un muro de sostenimiento o de contención, que constituye un soporte lateral para las masas de suelo, ver figuras. El tipo de empuje que se desarrolla sobre un muro está fuertemente condicionado por la deformabilidad del muro. En la interacción muroterreno, pueden ocurrir en el muro deformaciones que van desde prácticamente nulas, hasta desplazamientos que permiten que el suelo falle por corte.

3

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Si el muro de sostenimiento cede, el relleno de tierra se expande en dirección horizontal, originando esfuerzos de corte en el suelo.

Si se retira el muro lo suficiente y pierde el contacto con el talud, el empuje sobre él es nulo y todos los esfuerzos de corte los toma el suelo

Si el muro empuja en una dirección horizontal contra el relleno de tierra, como en el caso de los bloques de anclaje de un puente colgante, la tierra así comprimida en la dirección horizontal originan un aumento de su resistencia hasta alcanzar su valor límite superior llamado empuje pasivo de la tierra

4

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Si el muro de contención es tan rígido que no permite desplazamiento en ninguna dirección, las partículas de suelo no podrán desplazarse.

Algunos casos prácticos en que se necesitan muros de contención son los siguientes:

5

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

III.Tipos De Muros De Contención Los muros de contención de uso más frecuente son: a) Muros De Gravedad Los muros de gravedad, basan su estabilidad en su peso propio. El primer paso del diseño es establecer un dimensionamiento preliminar de la estructura para luego verificar que se satisfagan las condiciones de estabilidad y resistencia. A partir de esta información y haciendo uso de la Tabla (A) se estima una primera dimensión para la base. Tabla (A)

La Relación B/(H+hs) para diferentes tipos de relleno

En la figura se muestran Criterios para el predimensionamiento de muros de gravedad 6

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

b) MUROS EN VOLADIZO Los muros en voladizo son siempre de concreto armado pues los esfuerzos a los cuales están sometidos no pueden ser resistidos por el concreto simple. En la siguiente figura se muestran algunos criterios para el dimensionamiento preliminar de este tipo de estructuras. La base se estima haciendo uso de la Tabla A, al igual que para los muros de gravedad.

Criterios para el predimensionamiento muros en voladizo

El código define un refuerzo mínimo en muros para controlar el agrietamiento de la estructura (ACI-14.3). El refuerzo mínimo vertical en muros es igual a: -

Para varillas menores o iguales que la #5 y fy>4200 kg/cm2 A.vmín =O.O1O2 bh

-

Para cualquier otro tipo de varilla A.vmín=0.0015bh

7

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

El refuerzo mínimo horizontal será: -

Para varillas menores o iguales que la #5 y fy>4200 kg/cm2 Ahmin =0.0020bh

-

Para cualquier otro tipo de varilla Ahmín =0.0025bh

En la figura se muestran algunos criterios para el detallado final del refuerzo del muro en voladizo.

Criterios para el detallado del refuerzo en muros en voladizo

Es necesario construir juntas de contracción y dilatación, cada cierta distancia a lo largo del muro.

Tipos de juntas de contracción en muros

8

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

c) MUROS CON CONTRAFUERTES En forma, los muros con contrafuertes son muy similares a los muros en voladizo, siendo la única diferencia la presencia de los apoyos verticales o contrafuertes como se muestra en la figura

Muro con contrafuertes

El predimensionamiento y la verificación de la estabilidad del muro son similares al del muro en voladizo. Si es necesario se coloca un diente debajo de la base para evitar el deslizamiento. La distribución de los momentos en ella se aprecia en la figura. Puesto que el empuje va variando con la altura, se deben analizar varias secciones para distribuir el refuerzo requerido en cada nivel.

9

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Distribución de momentos sobre la pantalla vertical en muros con contrafuertes

Donde: S': Distancia entre contrafuertes. H: Altura de la pantalla vertical. p: Reacción del suelo en la base de la pantalla vertical, igual a CawH.

10

ING. CIVIL IV.

HIDRÁULICA APLICADA

CARGAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS MUROS DE CONTENCIÓN Los muros de contención están sometidos al empuje activo y pasivo del suelo, a su peso propio y del relleno, a la reacción vertical del terreno, a la fricción en la base y, eventualmente, a sobrecarga en el relleno y subpresión. 4.1.

Empuje del suelo

El empuje del suelo es un parámetro difícil de estimar. Existen muchas teorías en Mecánica de Suelos para su determinación, cada una con limitaciones para su aplicación. En el presente trabajo sólo se presentará la teoría de Rankine, la cual es válida para suelos granulares, incompresibles y homogéneos.

Según Rankine, la resultante del empuje activo es igual a:

Donde: w: Peso específico del suelo. Ø: Ángulo de fricción interna del suelo. H: Altura del relleno que ejerce el empuje activo. 11

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

La resultante del empuje pasivo es:

En la Tabla (B) se muestra algunos valores referenciales del peso específico y ángulo de fricción interna para algunos tipos de terrenos. Tabla (B)

Tabla B Peso específico y ángulo de fricción interna de algunos tipos de suelo Si el relleno tiene cierta pendiente, entonces los coeficientes Ca y Cp están dados por:

12

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Donde: δ: Pendiente del relleno. En este caso, la resultante tiene una inclinación similar a la pendiente del relleno, como se muestra en la figura

Empuje del terreno inclinado sobre muros de contención

13

ING. CIVIL 4.2.

HIDRÁULICA APLICADA

Peso del relleno

El peso del relleno puede estimarse con los valores presentados en la Tabla B. 4.3.

Reacción del terreno

Cada tipo de terreno tiene sus características propias y reacciona ante cargas externas de distintos modos.

Distribución de la reacción del suelo en terrenos granulares y cohesivos

4.4.

Fricción en la base

La fricción en la base es igual a la reacción del suelo multiplicada por el coeficiente de fricción entre el suelo y el concreto. Los coeficientes de fricción son, aproximadamente: •Concreto o mampostería contra arena limosa media a gruesa, grava limosa……….µ=0.55 •Concreto o mampostería contra grava limpia, arena gruesa……..µ=0.45 •Limo no plástico...............µ=0.35 •Roca sólida sana................µ=0.60 5.5. Sobrecarga en el relleno El efecto de la sobrecarga en el relleno produce un efecto similar al generado por un incremento hs, en la altura de relleno, donde:

14

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Siendo: ws: Sobrecarga en el relleno w: Peso específico del suelo Esta expresión es válida sólo si la sobrecarga es uniforme en todo el relleno (ver figura).

Sobrecarga uniforme sobre todo el relleno

Sobrecarga aplicada en parte del relleno 4.6.

Subpresión

Si el nivel freático es elevado entonces se genera subpresión en la base. Esta fuerza puede atentar contra la estabilidad de la estructura. Si el líquido no fluye de un lado a otro del muro, la subpresión del agua puede estimarse por las leyes de la hidrostática.

15

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

V.CRITERIOS DE ESTABILIDAD

Para que el muro de contención sea estable, deben garantizarse que: 1. El muro no se voltee. 2. El muro no se deslice. 3. La reacción del suelo generada por las cargas aplicadas sobre el muro no exceda el esfuerzo admisible del mismo. 4. El talud no pierda estabilidad y el muro se deslice conjuntamente con el relleno. La primera condición se garantiza considerando un factor de seguridad al volteo de, por lo menos, 2. Este factor de seguridad se define como:

El deslizamiento del muro se garantiza con un factor de seguridad dado por:

16

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

VI.DRENAJE

La acumulación de agua debe prevenirse para que el muro no sea sometido a cargas de empuje mayores que las que se empleó para el diseño la estructura. Por ello, es necesario habilitar un sistema de drenaje que impida que el agua haga presión sobre el muro.

Por lo general se disponen barbacanes o tubos de diámetro mayor que 4" espaciados a 1.50 m. tanto horizontal como verticalmente.

17

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

PROTECCIÓN ROCOSA PROTECCIÓN CONTRA LA EROSIÓN I.

Generalidades

Las finalidades de este tipo de obra son: - Proteger las márgenes contra erosiones. - Recuperar terrenos ribereños. - Controlar el transporte de sólidos. - Almacenar o derivar agua. - Laminar las crecidas, etc. Siendo que el río es un organismo vivo y natural, es indispensable que cualquier tipo de intervención tenga bajo impacto ambiental y se integre rápida y eficientemente, con el medio circundante. Las obras fluviales pueden ser diferenciadas básicamente en dos tipos: Defensas ribereñas y obras transversales. Las defensas ribereñas, a su vez, se dividen en dos sub-tipos, obras longitudinales y obras deflectoras. Las obras longitudinales son generalmente usadas: - Para delimitar el cauce y aprovechar los terrenos en las márgenes. - Para proteger las orillas contra erosiones o inundaciones. - Para recuperar terrenos ribereños. - Y en obras de toma. Dependiendo de la situación local y de su finalidad, pueden ser diversificadas en estructura gruesa y estructura delgada. La primera protege la orilla contra la erosión y actúa como contención, confiriendo estabilidad al talud natural. La segunda es usada para revestir la orilla, natural o artificial, ya estable, oportunamente perfilada, protegiéndola contra la erosión.

18

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Al existir la necesidad de dirigir o centralizar el flujo de la corriente para recuperar las márgenes de la erosión, se recurre a estructuras deflectoras, denominadas espigones.

Como en el caso anterior, las características principales de estas obras son la facilidad y rapidez de construcción, la posibilidad de construcción en presencia de agua e flexibilidad. Las soluciones recomendadas por Macafferri, como los gaviones caja, gaviones saco y colchones Reno suman a las anteriores cualidades un excelente relación costo/beneficio, las estructuras en gaviones son una excelente solución para la construcción de espigones. Se recurre a obras transversales, como diques y soleras, con la finalidad de: - Fijar o modificar la pendiente del río. - Controlar el transporte de sólidos. - Almacenar agua o laminar las crecidas. - Construir obras de toma. Estas obras, por su propia naturaleza funcional, adicionalmente deben ser mecánicamente resistentes y, en los casos de sistematizaciones, permitir la utilización de materiales que puedan ser fácilmente transportados o disponibles a pequeña distancia. Las soluciones recomendadas por Maccaferri, 19

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

en este caso gaviones caja, gaviones saco y colchones Reno, se adaptan perfectamente a estas necesidades, permitiendo además la construcción por etapas, frecuentemente necesario en estos tipos de intervenciones.

Las soluciones indicadas por Maccaferri para obras fluviales presentan características técnicas, funcionales y constructivas que las vuelven ventajosas, inclusive en el aspecto económico, en relación a las soluciones tradicionales. En términos generales podemos destacar que:  En los cauces de ríos, difícilmente el terreno es de buena calidad. En estas condiciones las soluciones tradicionales requieren onerosas fundaciones profundas con consiguientes complejas excavaciones, ataguías y operaciones de bombeo. En estas situaciones las soluciones flexibles, que permiten a la estructura acompañar pequeños asentamientos diferenciales sin perder eficiencia, son las que presentan la mejor relación costo/beneficio inicial y el menor costo de mantenimiento.  En muchos casos el río es una extensión de la napa freática. No es aconsejable interferir en el equilibrio existente ya que esto podría tener graves consecuencias en la región. Para evitar este problema es aconsejable usar soluciones altamente permeables y drenantes, que permitan el libre flujo de las aguas de percolación e infiltración, aliviando también el empuje hidrostático actuante sobre las estructuras.  Las obras en los ríos en general requieren grandes inversiones y revisten gran importancia para los habitantes locales. Por esta razón deben ser resistentes y de larga vida útil. Las soluciones en malla hexagonal de doble torsión cumplen con estos requisitos al tener gran resistencia mecánica y al ser monolíticas. La durabilidad de los elementos metálicos está garantizada por el formato de la red y por el revestimiento de sus alambres con la aleación de Zn/Al (Galfan®), o por la protección adicional de materiales plásticos, en los casos en que la obra esté en contacto con ambientes agresivos.

Obras Longitudinales: 20

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Los gaviones: Los gaviones caja son elementos en forma de prisma rectangular, ideales para la construcción de estructuras de protección, defensa y contención de márgenes. Funcionan por gravedad y su comportamiento técnico-funcional es excelente al permitir la construcción de estructuras monolíticas, flexibles, permeables, resistentes y de larga vida útil. Esta es garantizada por el revestimiento Galfan® y recubrimiento adicional plástico

Cuando la fundación tiene que ser construida en agua, son usados los gaviones saco, elementos de forma cilíndrica, producidos en malla hexagonal de doble torsión. Estos gaviones son extremamente versátiles debido su método de construcción y fundamentales en obras sumergidas, ya que permiten trabajar sin la necesidad de ataguías o desvíos y son colocados fácilmente con el auxilio de equipos mecánicos (Foto 10A).

Tienen también un excelente comportamiento cuando la estructura esté apoyada sobre suelos de baja capacidad soporte. En este caso, al distribuir las tensiones en el terreno, evitan asentamientos excesivos de la estructura. Los gaviones saco, debido al contacto constante con el agua, son producidos con alambres con revestimiento Galfan® y protección adicional en material plástico. Para la protección contra la socavación de las estructuras longitudinales, son utilizadas plataformas de deformación en colchones Reno, elementos estos en forma de prisma rectangular, producidos en malla hexagonal de doble torsión, que son caracterizados por su gran superficie, pequeño espesor y gran flexibilidad. Son construidas directamente sobre el terreno perfilado, a lo largo de la estructura a ser protegida, aún en presencia de pequeños tirantes de agua, evitando así fundaciones profundas. 21

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Debido al contacto constante con el agua, son fabricados con alambres con revestimiento Galfan® y protección adicional en material plástico.

Los colchones Reno son también usados con gran eficacia para revestir márgenes y diques longitudinales. La gran flexibilidad de estos elementos y la monoliticidad de la estructura resultante, permiten construir revestimientos económicos y resistentes para proteger contra la erosión. Debido a la facilidad de desarrollo de la vegetación entre las piedras de relleno, los revestimientos en colchones Reno son ideales cuando se desee integrar rápidamente la obra con el medio ambiente. En las defensas longitudinales, donde sea necesaria la contención de las márgenes, en algunas situaciones la solución en suelo reforzado puede ser más ventajosa que las estructuras a gravedad. En estos casos, la solución ideal es el Terramesh® System, formado por elementos producidos a partir de un único paño de red en malla hexagonal de doble torsión, fabricada con alambres con revestimiento Galfan® y protección adicional en material plástico.

Estos elementos forman el paramento frontal de la estructura y el elemento de refuerzo del suelo proporcionando estabilidad al conjunto. El Terramesh® System mantiene las características de flexibilidad, permeabilidad y monoliticidad de los gaviones caja y, adicionalmente, gran economía en lugares 22

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

donde el costo de la piedra es elevado. Cuando se desee que la orilla sea revestida con vegetación natural es utilizado el Terramesh® Verde, solución técnicamente parecida a la anterior, que no requiere piedras y cuyo paramento frontal es inclinado (Foto 12C). La parte interna del paramento frontal es formada por una geomanta y una red electrosoldada. La geomanta tiene la función de retener los finos del suelo y favorecer el crecimiento de la vegetación, la red electrosoldada garantiza un talud prolijo. La correcta inclinación del paramento es garantizada por elementos triangulares de hierro. Los sistemas de suelo reforzado Terramesh® son los únicos que no requieren encofrados durante la construcción.

II.

PAUTAS PARA EL DISEÑO DE DEFENSAS RIBEREÑAS CON GAVIONES:

1er Paso:

B𝐵 ≥ 𝐻/2 H/2. 2do Paso:

Verificaciones: - Vuelco. - Deslizamiento. 23

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

- Presión en la Base. - Presión en los diferentes Niveles. 3er Paso:

𝐿 ≥ 1.5 𝑎 2.0(𝑃𝑒) Profundidad máxima de erosión (Pe). Funcionamiento de la plataforma de Deformación.

4to Paso:

24

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Colchón Reno con su respectico espesor. “S” Necesidad de un Filtro entre el Suelo y el Colchón Reno. Tener Cuidado: -

Agresividad del Agua. Abrasión. Material de Arrastre. Compactación del Terreno. Agua de Filtración.

Espigones: Son usados para proteger y recuperar orillas erosionadas. Los espigones desvían el flujo principal de la corriente del curso de agua centralizándolo, evitando que la fuerza del agua alcance las márgenes. En general son utilizados en conjunto, para crear entre ellos zonas de remanso y consecuentemente de sedimentación del material en suspensión, reconstituyendo así la margen erosionada.

25

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

La forma y la geometría de los espigones son definidas en función de las características hidráulicas del río y de la finalidad de la intervención. Siendo que este tipo de obra modifica el régimen del curso de agua, la intervención es realizada por etapas, hasta alcanzar el nuevo equilibrio deseado. Los gaviones se adecuan perfectamente a esta necesidad al permitir alteraciones y/o ampliaciones de las estructuras iniciales, siendo suficiente para esto agregar nuevos elementos.

Mecanismo de Erosión en Curvas:

Proceso de Erosión en Tramos Rectos:

Clasificación de los Espigones:  Dirección: - En contra la corriente. Son los espigones más usados. Suárez Díaz citando a Richardson señala que son los que producen mejor efecto en lo que respecta a sedimentación de sólidos y a desvío de la corriente. Los ángulos más recomendados están entre 100° y 120°. 26

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

- Normales a la corriente: Se usan generalmente como espigones impermeables para favorecer la formación de un canal central de navegación en un río. Pueden ser normales a la orilla o a la dirección de la corriente.

- En favor a la corriente: Respecto a esta orientación para los espigones hay muchas opiniones que están bastante divididas. Para algunos autores como Przedwojski, citado por Suárez Díaz, los espigones inclinados hacia aguas abajo: “atraen el flujo hacia la orilla y por lo tanto nunca deben colocarse en la parte cóncava de las orillas”. Es por eso que se afirma que los espigones inclinados h acia aguas abajo deben estar más próximos porque pondrían en peligro la orilla.

27

ING. CIVIL

III.

HIDRÁULICA APLICADA

CRITERIOS DE DISEÑO DE ESPIGONES:

- UBICACIÓN EN PLANTA: Tramos de Erosión.

- SEPARACIÓN: Tramos Rectos:

Tramos Curvos:

28

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

- PERFIL LONGITUDINAL:

Lt: Longitud de Trabajo (< 1/3 Ancho del río). Le: Longitud de Empotramiento (1/4 L en el primero, 1/8 L en los siguientes)

- PLATAFORMA ANTISOCAVANTE: Función: Alejar el fenómeno erosivo del cuerpo del espigón. Longitud: De 1.5 a 2 veces la profundidad de erosión prevista. Flexibilidad: Poco espesor de los colchones. 29

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Diques: Los gaviones caja representan una alternativa de excelente resultado técnico y funcional en la construcción de diques. En la sistematización de las cuencas y en el control del transporte del material de arrastre, ofrecen la ventaja de ser altamente permeables y permitir la ampliación de la estructura en etapas. También en estos casos, la piedra para el llenado de los gaviones está disponible en el proprio cauce del río, lo cual se transforma en un relevante factor económico.

Para evitar que el material arrastrado pueda, por efecto de la abrasión, afectar los gaviones del vertedero, los mismos deben ser protegidos con hormigón o con otros materiales. 30

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

Cuando es necesario almacenar el agua, por ejemplo para derivarla o controlar las crecidas, los diques en gaviones pueden ser fácilmente impermeabilizados y acoplados a estructuras de hormigón para la instalación de compuertas, permitiendo así el control del flujo del agua y el nivel en la represa.

SUGERENCIAS PARA EL DISEÑO DE DIQUES HIPOTESIS INICIAL

1° PASO: T>1m

2° PASO: h>0.5m

31

ING. CIVIL 3° PASO:

HIDRÁULICA APLICADA

g≥1m

4° PASO: Tener cuidado con la abrasión.

5° PASO:

Rodeos

6° PASO: Erosión al pie.

7° PASO: B≥2/3H

32

ING. CIVIL

HIDRÁULICA APLICADA

8° PASO: U=1.5m

9° PASO: Verificaciones estáticas: 1. Vuelco 2. Deslizamiento 3. Presión en la base 4. Presión en los diferentes niveles 5. Estabilidad global Verificaciones hidráulicas: 1. Dimensiones del vertedero 2. Tirante en la vertedero 3. Distancia de caída 4. Profundidad de erosión al pie 5. Sifonamiento

33