PUENTES Rafael A. Torres B.
Análisis y Diseño de
Muros de Contención de
Concreto Armado Rafael Ángel Torres Belandria
Análisis y Diseño de
Muros de Contención de
Concreto Armado Rafael Ángel Torres Belandria
Muro de Berlín, 13 ago 1961. R.D.A. Más de 144 Km
Muro Frontera México - Estados Unidos 595 Km + 800 Km Barreras
Muro Frontera Israel - Palestina 638 Km 8 m de altura de Concreto Armado 3 Millardos de $
Puede definirse como muros de contención, a las estructuras capaces de contener o soportar las presiones laterales o empujes de tierra generadas por terrenos naturales o rellenos artificiales.
El proyecto de los M uros de Contenci ó n contem pla:
Seleccionar el tipo de Muro y sus dimensiones
Análisis de la estabilidad del Muro
Diseño de los elementos o partes de Muro
Fuerzas que origina una partí cula cula sobre un talud natural de tierra
B f.P. COS P.SEN P. COS
A
P
p ⋅ Senφ = f ( p ⋅ Cosφ ) f
= Tanφ
C
Muro de Contención
A
B
Valores de
y
para diferentes tipos de suelos
Clase de Material
Tierra de terraplenes, seca Tierra de terraplenes, húmeda Tierra de terraplenes, saturada Arena seca Arena húmeda Arena saturada Gravilla seca Gravilla húmeda Grava de cantos vivos Cantos rodados
(º)
35 a 40 45 27 35 40 25 35 a 40 25 45 30
(T/m3)
1.400 1.600 1.800 1.600 1.800 2.000 1.850 1.860 1.800 1.800
CLASI FI CACI ON DE LA P R ESI ON DE TI ER R A
1. Presión Estática 2. Presión Forzada 3. Incremento de presión Dinámica por efectos sísmicos
PPR R ESI ON ESTATI CA Estos empujes estan fuertemente condicionados a la deformabilidad del Muro
1. Empuje de Reposo 2. Empuje Activo En ambos casos la tierra empuja al muro
EM P UJE DE R EP OSO C
Muro de Contención Rígido y sin Desplazamiento
A
Empuje de Reposo
B
EM P UJE ACTI VO C
Muro de Contención
C'
Empuje Activo
A A'
B B'
C
C'
Muro de Contención
E m p u je = 0
A'
A
B’
B
PRESION FORZADA
• Empuje de Pasivo En este caso el muro empuja en dirección horizontal contra la tierra
EM P UJE P ASIVO C
C´
Muro de Contención Empuje Pasivo
A
A´
B
B´
TIPOS DE MUROS DE CONTENCIÓN
M UR OS DE GRAVEDAD Son estructuras donde el peso propio es responsable por soportar el empuje del macizo a contener. MAMPOSTERIA DE PIEDRA
CONCRETO CICLOPEO
GAVIONES
M UROS DE M AM POSTERI A DE PI EDRA
M UR OS DE CONCRETO CI CLOP EO:
40 % Piedra+60 % Concreto
M UR OS DE CONCRETO CI CLOP EO: Son sensibles a los asentam ientos
GAVIONES
GAVI ONES : Flex ibilidad Se deforman sin perder funcionalidad
GAVI ONES : Perm eabilidad Son estructuras altam ente perm eables, lo que im pide que se generen presiones hidrost á ticas.
GAVI ONES : Durabilidad EL ALAM BR E: de acero con bajo contenido de carbono, revestido con GALM AC (aleaci ó n zinc / aluminio) y recubierto con PVC.
ALAMBRE BCC
GALMAC
PVC
GAVI ONES R EVESTI DOS: Pierden ibilidad y son sensibles a P ierden Flex Flexibilidad los asentam ientos
TABLESTACADOS
MURO PANTALLA
Tablestacas HOESCH
Muros Prefabricados
Pantallas o M uro uros ur oss Anclados
Geomallas
Tierra Arm ada ( 196 9)
Estribos de Tierra Armada
Estribos de Tierra Armada
TER R AM ESH SYSTEM Maccaferri 1979
Madera
Reciclaje de Cauchos
Geomuros : Elem entos de concreto armad o entramado arm ado
M UR OS EN VOLADI ZO DE CONCRETO AR M ADO Están básicamente compuestos por dos losas de concreto dispuestas en forma de "L" o "T " invertida de concreto armado.
Muro de Contención en voladizo Corona
Relleno de material granular
Pantalla
Zapata
Puntera
Sub-drenaje
Talón
M uros con contrafuertes
Corona Pantalla
Contrafuertes
P rofundidad de Fundaci ó n: D f AASTHO 96: Suelos Sólidos, Sanos y Seguros Df ≥ 60 cm (2 pies) D f
Otros casos y suelos inclinados Df ≥ 120 cm (4 pies)
Fundar a mayores profundidades donde los estratos de suelo tengan capacidad de soporte adecuada, evitando arcillas expansivas y suelos licuables
Drenajes : Dren de Pie > 30 cm
Dren de Grava Tubo de drenaje de pie
Drenajes: Barbacanas
Tubo de drenaje Barbacanas Diámetro 4" cada 2 m² Dren de Grava
Juntas de Construcci ó n
Juntas de Construcción
Junta de Construcción
Juntas de Dilataci ó n L< 25 m Juntas de Dilatación J > 2,5 cm
J = α ⋅ Δt ⋅ L
≥ 2,5 cm
ESTABILIDAD El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierra, peso propio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad del muro de contención.
ESTABILIDAD Para garantizar la estabilidad se debe verificar: • • • •
Seguridad al Volcamiento Seguridad al Deslizamiento Presiones de Contacto Seguridad adecuada de los elementos que conforman el Muro (Corte y Momento) • Estabilidad Global
ESTABILIDAD Estabilidad Global Presiones de Contacto
Deslizamiento
Volcamiento
Seguridad de los Elementos del Muro
EM P UJE DE TI ER R AS Empuje Pasivo Empuje en Reposo
Empuje Activo
Deformaciones
M é todos para estudiar la Estabilidad •M é todo de los Esfuerzos Adm isibles
Rs
≤ Radm =
Rn F .S .
•M é todo del Estado L í m ite de Agotamiento Resistente
Ru
≤ Φ ⋅ Rn
Factores de Reducción de Resistencia Tipo de Solicitación
Ф
Flexión sin carga axial Flexión en Ménsulas Tracción axial
0,90 0,75 0,90
Corte y Torsión
0,75
Aplastamiento del concreto
0,65
Flexión de concreto sin armar
0,55
Compresión axial con o sin flexión: Columnas zunchadas Columnas con estribos
0,70 0,65
Ф
M é todo de los Esfuerzos Adm isibles Seguridad al Volcamiento
FS v
Seguridad al Deslizamiento FS d Presiones de Contacto
=
M e M v
=
σ adm ≤
F r E h
≥ 1,5
≥ 1,5
qult FScap. por tante
Seguridad al Volcam iento c
2
3
H
4
H-e
ψ
Df
o
1
P
F
FS v
=
M e M v
e T
≥ 1,5
Seguridad al Deslizam iento c
FS d Rv
o P
F r
=
μ =
e F
Rv + E a v
E h
≥ 1,5
H-e
H Df
=
F r
tan δ
T
+ c'⋅ B + E p
c' = (0,5
a
2 ⎞ ⎛ δ = ⎜ φ ⎟ ⎝ 3 ⎠
0,7 ) ⋅ c
P resiones de Contacto ≤
σ adm ex < B / 6
σ max B
D f
R v
σ max
Xr
ex
FS cap.portante
Rv B
⎛ 1 ± 6 ⋅ e x ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ B ⎠
M e
− M v
X r
=
e x
B ⎛ ⎞ = ⎜ − X r ⎟ ⎝ 2 ⎠
σ min
B/2
=
qult
Rv
P resiones de Contacto B/ 6
σ adm ≤
eex x > L B/6 /2
B ’ = 3 (B / 2 - ex )
R v
FScap.portante
2 ⋅ Rv σ max = B ⎛ ⎞ 3 ⋅ ⎜ − e x ⎟ ⎝ 2 ⎠
B’ σ max
qult
σ min = 0
σ min B ’/ 3
ex
B/ 2
=0
U = 1, 4CP
Estado L í m ite de Agotamiento Resistente 1753 - 2006 (TABLA 9.3) Capitulo 9 1756 - 2001 (TABLA 11.1) Capitulo 11
U = 1, 2CP
+ 1,6CV U = 1, 2CP + 1,6CV + 1,6CE U =
0,90 CP ± 1,6CE
U = 1,1CP
U
+ CV ± ED ± S
= 0 ,90 CP ± ED ± S
CP
=
Carga Permanente o Muerta
CV
=
Carga Variable o Viva
CE
=
Efecto Estático del Empuje de Tierra
ED
=
Efecto Dinámico del Empuje de Tierra
S
=
Carga Sísmica
M é todo del Estado L í m ite de Agotam iento Resistente Seguridad al Volcamiento
∑ M
u
≤ 0,70 ∑ M n
Seguridad al Deslizamiento V u ≤ 0,80⋅ (μ ⋅ N u +c⋅ A) Presiones de Contacto
qu
≤ 0,6 ⋅ qult
VER I FI CACI ON DE LA R ESI STEN CIA FICACI DE LOS ELEM ENTOS ESTR UCTUR ALES Por :
•Flexión •Corte
Elementos de Concreto:
Flexión
Flexión en Vigas: equilibrio de fuerzas con Diagrama de Whitney 0,85 . f’c C= 0,85 . f’c . b . a
a
c d
z As
E.N. T= As . Fy
b
2 ⋅ M u ⋅ ñ As = ñ ⋅ d − (ñ ⋅ d ) − Φ ⋅ F y 2
ñ=
0,85 ⋅ f ' c ⋅b F y
Características del Ambiente
Concreto colado en contacto con el suelo y permanentemente expuesto a él Concreto expuesto al suelo o a la acción del clima: Varillas del # 6 al 18 Varillas del # 5 o 1 y menores Concreto no expuesto a la acción del clima ni en contacto con el suelo: Losas, Muros, Nervaduras: Varillas del # 14 al 18 Varillas del # 11 o menores Vigas, columnas Refuerzo principal, estribos y espirales
Recubrimiento neto mínimo r (cm)
7,5
5 4
4 2 4
Verificaci ó n de la Resistencia d e l o s Elementos Estructurales Por Flexión:
Φ ⋅ M n ≥ M u
Zona no no Sísmica d ≥
M u
0,263 ⋅ Φ ⋅ f 'c ⋅ b
Zona Sísmica d ≥
M u
0,189 ⋅ Φ ⋅ f 'c ⋅ b
Espe Es peso sorr To Tota tall = d+ r
Verificaci ó n de la Resistencia d e l o s Elementos Estructurales Por Corte: V n
Φ ⋅ V n ≥ V u
= V c + V s = V c d ≥
V c
= 0,53 ⋅
V u
Φ ⋅ 0,53 ⋅
f 'c ⋅ bw
Espe Es peso sorr To Tota tall = d+ r
f ' c ⋅ bw ⋅ d
INCUMPLIMIENT INCUMPLIMIENTO O DE INCUMPLIMIENTO LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD
En caso de no cumplir con la estabilidad al volcamiento y/o con las presiones de contacto, se debe redimensionar el muro, aumentando el tamaño de la base.
Si no se cumple con la estabilidad al deslizamiento, debe modificarse el proyecto del muro, para ello hay varias alternativas: 1.Colocar dentellón o diente que se incruste en el suelo, de tal manera que la fricción suelo–muro cambie en parte por fricción suelo-suelo, generando empuje pasivo frente al dentellón. 2.Aumentar el tamaño de la base, para de esta manera incrementar el peso del muro y la fricción suelo de fundación–muro.
Dentell ó n en la Base
Ep
Fricció n suelo-sue lo
Dentellón o diente en base
Fricció n sue lo-muro
EVALUACION DEL EMPUJE DE TIERRAS
Empuje de Tierras M étodo del fluído Equivalente
1 ⎛ 2 ⎞ E = ⎜ γ H ⎟ K ⎝ 2 ⎠ K =
σ h σ v
CLASI FI CACI ON DE LA P R ESI ON DE TI ER R A
1. Presión Estática 2. Presión Forzada 3. Incremento de presión Dinámica por efectos sísmicos
PPR R ESI ON ESTATI CA Estos empujes estan fuertemente condicionados a la deformabilidad del Muro
1. Empuje de Reposo 2. Empuje Activo En ambos casos la tierra empuja al muro
Em puje de Reposo
H
Eo H/3
1 ⎛ 2 ⎞ E 0 = ⎜ γ H ⎟ K 0 ⎝ 2 ⎠
K 0
= 1 − Sen φ
K 0
=
ν
1 − ν
Em puje de Reposo X
εx
=
1 {σx − ν (σy + σz )} E
z
σ z
Y
σ x Z
εy
=
1 {σ − ν (σx + σz )} E y
εz
=
1 {σz − ν (σx + σy )} E
σ y
σx
= σy
ν ⎞ ⎛ =⎜ ⎟ σz ⎝ 1 − ν ⎠
K 0 =
ν
1 − ν
σz
= −γ z
εx =εy = 0
M ó dulo de Poisson aproxim aprox im ado para diferentes tipos de suelos Tipo de Suelo
Arena Suelta Arena Densa Arena Fina Arena Gruesa Arcilla Arenosa Arcilla Húmeda Arcilla Saturada Limo Limo Saturado
0,20 a 0,35 0,30 a 0,40 0,25 0,15 0,20 a 0,35 0,10 a 0,30 0,45 a 0,50 0,30 a 0,35 0,45 a 0,50
Valores de K 0 para varios tipos de suelos Tipo de Suelo
Ko
Arena Suelta
0.4
Arena Densa
0.6
Arena Compactada en Capas
0.8
Arcilla Blanda
0.6
Arcilla Dura
0.5
Em puje de Activo
Ea
H
ψ
H/3
E a
1 ⎛ 2 ⎞ = ⎜ γ H ⎟ K a ⎝ 2 ⎠
Coeficiente de Em puje de Activo
K a 1.
Teoría de Coulom b
2.
Teoría de Rank ine
Teor í a de Coulomb (177 3) La teoría de Coulomb se fundamenta en una serie de hipótesis que se enuncian a continuación: 1.El suelo es una masa homogénea e isotrópica y se encuentra adecuadamente drenado como para no considerar presiones intersticiales en él. 2.La superficie de falla es planar. Ф el ángulo de fricción interna del suelo, la 3.El suelo posee fricción, siendo φ fricción interna se distribuye uniformemente a lo largo del plano de falla. 4.La cuña de falla se comporta como un cuerpo rígido. 5.La falla es un problema de deformación plana (bidimensional), y se considera una longitud unitaria de un muro infinitamente largo. 6.La cuña de falla se mueve a lo largo de la pared interna del muro, produciendo fricción entre éste y el suelo, δ es el ángulo de fricción entre el suelo y el muro. 7.La reacción Ea de la pared interna del muro sobre el terreno, formará un ángulo δ con la normal al muro, que es el ángulo de rozamiento entre el muro y el terreno, si la pared interna del muro es muy lisa ( δ = 0°), el empuje activo actúa perpendicular a ella. 8.La reacción de la masa de suelo sobre la cuña forma un ángulo φ con la normal al plano de falla.
K a K a
=
seg ú n Coulomb 2
Sen (ψ + φ )
⎡ Sen ψ ⋅ Sen (ψ − δ ) ⎢1 + ⎣ 2
= ψ = = =
⎤ ⎥ Sen(ψ − δ ) ⋅ Sen(ψ + β ) ⎦ Sen(φ + δ ) ⋅ Sen(φ − β )
2
Angulo de fricción interna del suelo Angulo de la cara interna del muro con la horizontal. Angulo del relleno con la horizontal. ⎛ δ = 2 φ ⎞ Angulo de fricción suelo-muro. ⎜ ⎟
⎝
3 ⎠
Para valores de: ψ = 90 º
=
0º
=
0º
1 − Sen φ φ ⎞ 2 ⎛ = Tan ⎜ 45 − ⎟ K a = 1 + Sen φ 2 ⎠ ⎝ o
Teor í a de R ankine (1857 ) Rankine realizó una serie de investigaciones y propuso una expresión mucho mas sencilla que la de Coulomb. Su teoría se basó en las siguientes hipótesis: 1.El suelo es una masa homogénea e isotrópica. 2.No existe fricción entre el suelo y el muro. 3.La cara interna del muro es vertical (ψ = 90 ). 4.La resultante del empuje de tierras está ubicada en el extremo del tercio inferior de la altura. 5.El empuje de tierras es paralelo a la inclinación de la superficie del terreno, es decir, forma un ángulo con la horizontal. ˚
K a K a
seg ú n Rankine
= Cos β
2
2
2
2
Cos β − Cos β − Cos φ Cos β + Cos β − Cos φ
= Angulo de fricción interna del suelo =
Angulo del relleno con la horizontal.
Para valores de: =
0º
1 − Sen φ φ ⎞ 2 ⎛ = Tan ⎜ 45 − ⎟ K a = 1 + Sen φ 2 ⎠ ⎝ o
Ecuación similar a la de Coulomb
PRESION FORZADA
• Empuje de Pasivo En este caso el muro empuja en dirección horizontal contra la tierra
Empuje Pasivo
El muro empuja H
contra la tierra
La tierra reacciona con empuje pasivo cuyo valor máximo es Ep H/3
E p
1 ⎛ 2 ⎞ = ⎜ γ H ⎟ K p ⎝ 2 ⎠
Coeficiente de Em puje de Pasivo
K p 1.
Teoría de Coulom b
2.
Teoría de Rank ine
K p K p
=
adecuado seg ú n Coulomb 2
Sen (ψ − φ )
⎡ Sen ψ ⋅ Sen(ψ + δ ) ⎢1 − ⎣ 2
= ψ = = =
⎤ ⎥ Sen(ψ + δ ) ⋅ Sen(ψ + β ) ⎦ Sen(φ + δ ) ⋅ Sen(φ + β )
2
Angulo de fricción interna del suelo Angulo de la cara interna del muro con la horizontal. Angulo del relleno con la horizontal. Angulo de fricción suelo-muro.
Para valores de: ψ = 90 º
=
0º
=
0º
1 + Sen φ φ ⎞ 2 ⎛ K p = = Tan ⎜ 45 + ⎟ 1 − Sen φ 2 ⎠ ⎝ o
K p
seg ú n Rankine
1 + Sen φ φ ⎞ 2 ⎛ K p = = Tan ⎜ 45 + ⎟ 1 − Sen φ 2 ⎠ ⎝ o
Ecuación similar a la de Coulomb
Valores de movimiento relativo /H para alcanzar la condición mínima activa y máxima pasiva de presión de tierras Tipo de suelo
Valores de /H Activa
Pasiva
Arena densa
0,001
0,01
Arena medianamente densa
0,002
0,02
Arena suelta
0,004
0,04
Limo compacto
0,002
0,02
Arcilla compacta
0,010
0,05
INCREMENTO DE PRESION DINAMICA POR EL EFECTO SISMICO •
Incremento Dinámico del Empuje de Reposo
•
Incremento Dinámico del Empuje Activo
•
Incremento Dinámico del Empuje Pasivo
Mapa de Zonificación Sí smica smica de Venezuela COVENIN 1756-98 (Rev. 2001)
Incremento Din á mico del Empuje de Reposo
xs
H
DEo = Ao H
Eo
0,60 H H/3
Δ DE 0 = A0 γ H
xi
σ xs
= 1,5 A0 γ H
σ xi
= 0,5 A0 γ H
Incremento Din á mico del Empuje de Activo
H
Ea H/3
Δ DE a
DEa 2/3 H
1 ⎛ 2 ⎞ = ⎜ γ H ⎟(K as − K a )(1 − C sv ) ⎝ 2 ⎠
β<
-θ 2
K as
=
Sen (ψ + φ − θ )
⎡ Cosθ ⋅ Sen ψ ⋅ Sen(ψ − δ − θ ) ⎢1 + ⎣ 2
β>
K as
=
⎤ ⎥ Sen(ψ − δ − θ ) ⋅ Sen(ψ + β ) ⎦ Sen(φ + δ ) ⋅ Sen(φ − β − θ )
-θ 2
Sen (ψ + φ − θ ) 2
Cosθ ⋅ Sen ψ ⋅ Sen(ψ − δ − θ )
⎛ C sh ⎞ ⎟⎟ θ = arctan⎜⎜ ⎝ 1 − C sv ⎠
C sh
= 0,50 ⋅ A0
C sv
= 0,70 ⋅ C sh
2
Incremento Din á mico del Empuje de Activo
Incremento Din á mico del Empuje Pasivo
El muro empuja H
contra la tierra
Δ DE p
Ep
DEp
H/3
H/3
1 ⎛ 2 ⎞ = ⎜ γ H ⎟(K ps − K p )((1 − C sv ) ⎝ 2 ⎠
K ps
=
2 Sen (ψ + θ − φ )
⎡ Cosθ ⋅ Sen ψ ⋅ Sen(ψ + δ + θ ) ⎢1 − ⎣ 2
⎛ C sh ⎞ ⎟⎟ θ = arctan⎜⎜ ⎝ 1 − C sv ⎠
⎤ ⎥ Sen(ψ + δ + θ ) ⋅ Sen(ψ + β ) ⎦ Sen(φ + δ ) ⋅ Sen(φ + β − θ )
C sh
= 0,50 ⋅ A0
C sv
= 0,70 ⋅ C sh
2
M uros con Sobrecarga Uniforme q=
Hs
Es = q H K H E a =1/2
H² K
H /2
H /3 qK
H s
=
q
γ
E s
H K
1 ⎛ ⎞ = ⎜ γ H ⎟ ( H + 2 H s ) K ⎝ 2 ⎠
Altura de relleno equivalente a sobrecarga vehicular Hs AASHTO LRFD 94
Altura del muro
Hs
≤ 1,53 m ( 5 pies)
1,68 m ( 5,5 pies)
3,05 m ( 10 pies)
1,22 m ( 4 pies)
6,10 m ( 20 pies)
0,76 m (2,5 pies)
≥ 9,15 m (30 pies)
0,61 m ( 2 pies)
M uros con presencia de agua en el relleno
Ni vel de Ag ua
z
zo
H
p
γ s p
= γ sat − γ agua
= [γ ⋅ z 0 + γ s ⋅ ( z − z 0 )]⋅ K + γ agua ⋅ ( z − z 0 ) z
≤ z 0 .......... ........ z 0 = z
Peso Especifico sumergido de diferentes suelos granulares s
Material
Kg/m3
Gravas
960-1280
Arenas gruesas y medias
960-1280
Arenas finas y limosas
960-1280
Granitos y pizarras
960-1280
Basaltos
1120-1600
Calizas y areniscas
640-1280
Ladrillo partido
640-960
PREDIMENSIONADO
Predimensionado de un muro en voladizo c≥ 25 cm
H
B/4 ≤ P ≤B/3
T = B- F- P
F ≥ H / 10 0,4 H ≤ B ≤ 0,7 H
e ≥H / 10
•
Análisis
Casos de Carga 1. Empuje de Tierra + Sobrecarga 2. Empuje de Tierra + Sismo
•
•
Verificar Estabilidad Diseñar
Zonas que requieren Acero de Refuerzo
M pantalla
As pantalla
M puntera
As inferior zapata
M talón
As superior zapata
RELLENO CON MATERIAL GRANULAR 0.30
5.40
S A 2 N m A 2 C / A C B R 4 " A B Ø
6.00
1.20 0.60
0.10 PIEDRA PICADA
0.60
1.00 0.60 2.00 3.60 MATERIALES: 2 CONCRETO............................fc=210 kg/cm ACERO...................................Fy=4200 kg/cm2
SECCION TIPICA
Volumen de concreto: m 0 0 . 6 = L : m c 5 2 / C : " 8 / 3 Ø
5 2 / C " 8 / 3 Ø P E R
5 2 / C " 8 / 3 Ø P E R
4,95 m3/ml
m 0 0 . 6 = L : m c 0 2 / C : " 8 / 5 Ø
m 0 0 . 2 = L : m c 0 2 / C : " 8 / 5 Ø
RE P Ø 3/8" C/25
.20
.20 REP Ø 3/8" C /25 Ø 1 /2" : C/ 10 : L= 3.50m
Acero de Refuerzo:
217 Kg/ml
.20
.15
.15
1.10
1.1 0
Ø 1/2" : C/10 : L= 3.50 m .50 Ø 1/2": C/10 : L= 3.00m
DESPIECE MURO
Acero/Concreto:
43,84 Kg/m3
PROCESO CONSTRUCTIVO