311806410-Practica-9-Diseno-de-Muros-de-Contencion.docx

CARRETERAS II – CIV325

DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN

1. Introducción En el capítulo anterior se desarrollaron los procedimientos usados para la determinación de los esfuerzos laterales que actúan sobre las estructuras de retención. Las estructuras de retención, más específicamente los muros de contención, tienen como principal función la de proporcionar soporte lateral permanent e al terreno, que dependiendo el propósito de la construcción puede tratarse de terreno natural o de rellenos artificiales. En el presente capítulo se lleva a cabo el diseño de muros de contención basado en la verificación de la estabilidad externa del muro.

2. Tipos de mu ros de co ntención. Entre los tipos más generales de muros de contención se destacan los siguientes • !uros de contención tipo gravedad. • !uros de contención tipo m"nsula #voladizo$. • !uros de contención con contrafuertes. • !uros de contención tipo bande%a. • !uros de contención tipo criba.

2.1.

Muros de contención tipo gravedad.

&on muros que se constru'en de concreto o de mampostería, en los que la resistencia es conseguida a trav"s de su propio peso, (ig. ).*#a$. Este tipo de construcción no es económica para muros altos, pero puede ser interesante para muros de altura moderada siempre ' cuando su longitud no sea mu' grande. Los muros tipo gravedad no resultan ser mu' económicos debido a que al no utilizarse armadura, por lo general se traba%a con grandes volúmenes de concreto. &on aconse%ab les cuando el anc+o de la base tiene una dimensión de a de la altura total del muro. Los muros de semigravedad son aquellos muros de gravedad a los que se incorpora armadura con el ob%etivo de disminuir la sección del muro, (ig. ).*#b$.

rmadura

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DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN

(a) ( b) Figura 1. !uros de contención (a) -ipo gravedad (b) -ipo semigravedad.

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2.2.

DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN

Muros de contención tipo ménsula (voladizo).

&on muros que se constru'en de +ormigón armado ' consisten de un tallo o cuerpo delgado ' una losa de base. &on los más usados actualmente/ ' pueden tener la forma de una L o una - invertida, (ig. ).0. &on usados generalmente a partir de una altura de ) m. ' se considera que son económicos +asta una altura de 1 a *2 m. &u aplicación depende de los costes relativos de excavación, +ormigón, acero, encofrados ' relleno, así como tambi"n de la apariencia ' durabilidad de la obra, sobre todo en áreas urbanas.

rmadura

Figura 2. !uro de contención tipo m"nsula. 2.3.

Muros de contención con contrauertes.

Este tipo de muros constitu'e una solución evolucionada a los muros tipo m"nsula, cu'a concepción nace debido a la necesidad de aligerar las piezas en aquellos muros de gran altura en los que se requerirían, por consiguiente, grandes espesores. La geometría de estos muros, (ig.).3, es similar a la del muro m"nsula con la diferencia de que a intervalos regulares de longitud se tienen losas verticales delgadas de concreto, denominadas contrafuertes, que se +allan uniendo la cara posterior del muro con la base. Estas losas se constitu'en en rigidizadores de tensión que disminu'en tanto los esfuerzos de flexión como los esfuerzos cortantes. Los muros de contención con contrafuertes son aconse%ables a partir de los *0 m o cuando el relleno se +alla mu' sobrecargado.

2.!.

Muros de contención tipo bande"a.

El concepto de funcionamiento de estos muros es mu' diferente al de los muros con contrafuertes. En este tipo de muro no se trata de resistir el momento flector aumentando el canto ' aligerando la sección, sino que se trata de reducir los momentos flectores debidos al relleno mediante los momentos producidos por la carga del propio relleno sobre las bande%as, (ig. ).4. &u principal desventa%a radica en la comple%idad de la construcción, pero puede ser una buena alternativa al muro con contrafuertes para grandes alturas.

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5ontrafuertes

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Figura 3. !uro de contención con contrafuertes.

6 Figura !. !uro de contención tipo bande%a.

1.# Muros de contención tipo criba. El sistema de este tipo de muros emplea piezas prefabricada s de +ormigón de mu' diversos tipos que forman una red espacial que se rellena con el propio suelo, (ig. ).7. La concepción de estos muros tiene su srcen en la de muros análogos que se realizaban antiguamente con troncos de árboles.

Figura #. !uro de contención tipo criba.

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8esarrolladas las características de los principales tipos de muros de contención, a continuación se presenta para un caso general de muro, la notación utilizada a lo largo del capítulo, (ig. ).). 9elleno 5ara anterior

5ara posterior

-allo -alón :ie -acón

Losa de base o zapata

Figura $. 5omponentes de un muro de contención. 3. %re dimensionamiento de mu ros de cont ención. 5uando se diseña muros de contención, con ob%eto de realizar la primera verificación de estabilidad se debe realizar un pre dimensionamiento o proporciona miento de las dimensiones iniciales del muro. En caso de que la primera revisión de estabilidad no de buenos resultados, las secciones se cambian ' deben volver a revisarse. Esta secuencia se sigue +asta conseguir las dimensiones óptimas del muro.  trav"s del tiempo ' basándose en la experiencia acumulada de la observación de muros estables para la condición de 9an;ine/ se +a logrado estimar las proporciones generales tanto para muros de gravedad como para muros tipo m"nsula. Estas proporciones son utilizadas para realizar la primera verificación de estabilidad. La (igura ).< presenta las citadas proporciones. En tal (igura la dimensión mínima de D debe ser 2.) m. Es común, por lo general, que el anc+o de la base sea de aproximadamente . :or otra parte, el espesor de la parte superior del tallo debe ser tal que permita el adecuado vaciado del concreto. (inalmente, para muros de contención con contrafuertes, la separación de las losas de contrafuerte debe ser de a

' el espesor de las losas de 2.3 m.

!. Fuerzas actuantes en un m uro de contención. 5uando se considera un muro de contención, 'a sea de tipo gravedad o de tipo m"nsula, las fuerzas actuantes en "ste son calculadas, por lo general, en t"rminos de componentes +orizontales ' verticales. Las fuerzas verticales inclu'en el peso del suelo, el posible empu%e vertical del agua, la componente vertical de la resultante de la presión del terreno, que sólo se presenta cuando la cara posterior del muro no es vertical, cuando el relleno es inclinado o cuando se considera la fricción suelomuro, o finalmente cualquier otra fuerza vertical que pudiera presentarse.

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DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN 2.3 m min

2.3 m min

!in 2.20 =

!in 2.20 =

*

*

=

=

-allo

8

-alón 2.*0 = a 2.*< =

:ie

8

2.* =

2.* =

2.* =

2.*0 = a 2.*< =

2.7 = a 2.< = 2.7 = a 2.< =

Figura &. 8imensiones aproximadas para varias componentes de un muro de contención para revisiones iniciales de estabilidad (a) !uro tipo gravedad (b) !uro tipo m"nsula #8as, 022*$. Las fuerzas +orizontales inclu'en la componente +orizontal de la resultante de la presión del terreno ' cualquier otro tipo de fuerza +orizontal. Es necesario recordar, que en la resultante de la presión del terreno deben estar incluidos los efectos causados por una posible sobrecarga en la superficie, la carga debida a compactación o cualquier otro tipo de fuerza +orizontal. La determinación de la fuerza activa que actúa sobre la car a posterior del mur o debe ser realizada considerando una superficie o cara de soporte virtual. Esta cara de soporte virtual es definida realizando las siguientes consideraciones •

&i se aplica la teoría de la presión de tierra de 9an;ing, la cara virtual de soporte es definida trazando una línea vertical a trav"s del punto

que está localizado en la esquina inferior del talón de la losa de

base, (ig. ).1. Luego, se asume que en el plano existe la condición activa de 9an;ine ' pueden utilizarse entonces todas las ecuaciones de 9an;ine desarrolladas en el capítulo 7. Las fuerzas actuantes a considerarse para este caso son el peso del concreto encuentra sobre el talón

, el peso del suelo que se

' la fuerza activa de 9an;ine Pa .

La teoría de la presión de tierra de 9an;ine es correctamente utilizada s!" cuando la zona cortante limitada por la línea no es obstruida por el tallo del muro, es decir cuando la línea AC no cruza el tallo del muro/ pudiendo definirse como al ángulo que forma la línea a trav"s de la ecuación >).*? propuesta en 8as #022*$. UMRPSFXCH – FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

con la vertical.

es determinado analíticamente

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#C$ A

α

A

5

γ* φ*

γ* φ*

c* B 2

c* B 2

@s

= :a #9an;ine$

η

:a #9an;ine$ η

@s

γ0 φ0

= 3

@c

@c

γ0 φ0

c0

c0

,



(a)

(b)

Figura '. 5ara de soporte virtual aplicada para la teoría de 9an;ine (a) !uro tipo m"nsula (b) !uro tipo gravedad. •

&i se aplica la teoría de la presión de tierra de 5oulomb, el punto de aplicación de la fuerza activa de 5oulomb Pa se encuentra directamente en la cara posterior del muro/ por tanto las fuerzas actuant es a considerarse para este caso son solamente el peso del concreto

' la fuerza activa

, (ig.).D.

γ* φ*

c* B 2 :a #5oulomb$ δ

γ0 φ0

@c

c0



Figura . 5ara de soporte virtual aplicada para la teoría de 5oulomb. #. ise*o de mu ros de co ntención. En el diseño de muros de contención se consideran diferentes modos posibles de falla, debiendo los cálculos realizados proporcionar una adecuada seguridad contra estos tipos de fallas. 5uando se verifica la estabilidad externa de un muro, el muro es considerado como un monolito rígido donde se asume que no existe distorsión interna. UMRPSFXCH – FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

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:ara la verificación de la estabilidad externa de los tres primeros tipos de muros del apartado *, que son muros que dependen esencialmente de su propio peso, se deben realizar las siguientes verificaciones • erificación al volteo respecto a la punta del muro. • • • •

#.1.

erificación al deslizamiento a lo largo de la base. erificación a la falla por capacidad de carga de la base. erificación por asentamiento. erificación por estabilidad del con%unto.

+eriicación al volteo respecto a la punta del muro.

:ara realizar la verificación al volteo se considera un caso general, que toma en cuenta particularmente la existencia de flu%o de agua, (ig. ).*2. 5uando se presenta esta condición, la carga de presión en un cierto punto es determinada a partir del análisis de flu%o. -al análisis debe considerar el tipo de fundación, el material de relleno, el posible rango de permeabilidades +orizontales ' verticales, así como tambi"n la eficiencia de los drena%es. Existen varias t"cnicas aplicables al diseño de muros, entre las cuales se tiene la aplicación de m"todos num"ricos tal como el m"todo de elementos finitos ' el m"todo de fragmentos. :or simplicidad, cuando se presente esta condición, la fuerza de levante o empu%e producida por el flu%o en la base del muro es calculada mediante el procedimiento aprendido en cursos anteriores.



A

5

8

(

Estrato impermeable

Figura 1,. !uro de contención con presencia de flu%o. Entonces, para el caso específico de la (igura ).*2, la fuerza de levante las presiones en los puntos presiones.

, ,

'

es calculada como el promedio de

. El punto de aplicación es el centro de gravedad del diagrama de

Luego, las (iguras ).** ' ).*0 presentan las fuerzas que actúan en un muro de gravedad ' en un muro tipo m"nsula cuando se asumen las +ipótesis de 9an;ine ' 5oulomb respectivamente.

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0

0



α

γ* φ*

γ* φ*

c* B 2

c* B 2

*

*

=F

:v

=F

:v

:a

:a 4

7

8

:p

4

:+

3

3

8 :p

)

5

7 5

A

A

γ0 φ0

(

:+

γ0 φ0

c0

(

c0 (a) ( b) Figura 11. erificación al volteo- (uerzas que actúan en un muro para la teoría de 9an;ine (a) !uro tipo gravedad (b) !uro tipo m"nsula.

γ φ**

* φγ*

c* B 2

c* B 2 :v

:a

:v

:a

:+

:+

0 * :p

8

0

8 :p

4

5 (

*

3

γ0 φ0

A

3

5

c0

γ0 φ0

(

A

c0

Figura 12. erificación al volteo- (uerzas que actúan en un muro para la teoría de 5oulomb (a) !uro tipo gravedad (b) !uro tipo m"nsula. El factor de seguridad contra el volteo respecto al punto determinado a partir de la siguiente ecuación

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, ' despreciando la fuerza pasiva, es

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>0? 8ónde &umatoria de los momentos de las fuerzas que tienden a resistir el volteo en el punto

.

&umatoria de los momentos de las fuerzas que tienden a voltear el muro respecto al punto

.

La sumatoria de momentos resistentes , para el caso de un muro tipo gravedad en el que la presión activa es calculada a trav"s de la teoría de 9an;ine, es determinada a partir de la -abla *. :ara los demás casos, la sumatoria de momentos resistentes es calculada de manera análoga, a partir de las (iguras ).** ' ).*0. La forma más sencilla para la determinación de consiste en dividir el muro ' el suelo que se encuentra sobre el talón, cuando se toma la +ipótesis de 9an;ine, en triángulos ' rectángulos, facilitándose así el cálculo de las áreas ' la determinación del respectivo brazo de las fuerzas calculadas. 9ecordar que para un área rectangular el punto de aplicación de la fuerza se +alla ubicado a G de la altura/ mientras que para un área triangular este se encuentra a *H3 de la base

Tabla 1.8eterminación de la sumatoria de momentos resistentes para un muro de gravedad, asumiendo que la teoría de 9an;ine es válida. ección /rea %eso0longitud razodemomento Momento unitaria del muro medido a partir de . respecto a . * 0 3 4 7 )

:eso específico del relleno. :eso específico del concreto.

ota.

es la componente vertical de

nc+o de la fundación Arazos de los momentos medidos a partir de , siendo

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la fuerza activa total, es decir

. .

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:ara la determinación del momento de volteo o momento actuante , deben considerarse todas las fuerzas que tienden a volcar al muro. :ara este caso en especial, se tiene, a la componente +orizontal de la fuerza activa total para el cálculo de la

, ' a la fuerza de levante

ocasionada por el flu%o de agua. 8e la misma manera que

, aquí debe recordarse, que la fuerza total de empu%e activa

de empu%e efectiva más la presión de poros,

. Luego, la

es igual a la fuerza

es igual a

>3?

8ónde Arazos de momentos de las fuerzas

'

, respectivamente, medidos a partir del punto C.

 trav"s del tiempo se +a observado los modos de falla en un gran número de muros, en los cuales la falla por volteo es la que se presenta con menos frecuencia. (inalmente, se puede decir que cuando se realiza la verificación por volteo, el despreciar la fuerza pasiva +ace más conservador el diseño, 'a que el tomarla en cuenta incrementa el factor de seguridad.

#.2.

+eriicación al deslizamiento a lo largo de la base.

El factor de seguridad contra deslizami ento es definido como la razón entre la suma de las fuerzas resistentes +orizontales ' la suma de las fuerzas +orizontales de empu%e, como se indica en la siguiente expresión

>4? 8ónde &umatoria de fuerzas resistentes. &umatoria de fuerzas de empu%e. La fuerza resistente es la fuerza producida por la resistencia al cortante del suelo desarrollado inmediatamente deba%o de la base del muro. Esta resistencia está definida por la siguiente expresión >7? 8ónde Ingulo de fricción entre el suelo ' la losa de base. d+esión entre el suelo ' la losa de base.

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El ángulo casos

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puede ser tomado como

cuando el +ormigón es pobre comparado con el suelo, para los demás

es tomado de acuerdo a la -abla 7.7 presentada en el capítulo 7.

:or otra parte, la ad+esión entre el suelo ' el muro es determinada aplicando un factor de co+esión del suelo de fundación. Luego, la fuerza resistente a lo largo de la losa de base es

a la

>)? 9eemplazando >).7? en >).)? >