Diseño de muros de sostenimiento

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales Ingeniería Civil

PRÁCTICA PROFESIONAL SUPERVISADA Informe Técnico Final DISEÑO DE MUROS DE SOSTEMINIENTO RUTA PROVINCIAL Nº34 PROVINCIA DE CÓRDOBA

Alumno: Docente Tutor: Tutor Externo: Empresa Receptora: Año: Año:

Pablo Esteban Zeballos Ing. Roberto E. Terzariol Ing. Diego Oscar Zuin Chediack S.A. 2012

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba

ÍNDICE AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... 5 RESUMEN......................................................................................................................... 7 1.

MARCO DEL DESARROLLO DESARROLLO DE LAS ACTIVIDADES ACTIVIDADES .......................................... 10 1.1. Ámbito del desarrollo desarrollo de la Práctica Práctica Supervisada. Supervisada. ............................................. 10 1.2.

Objetivo de la Práctica Supervisada. Supervisada. ................................................................. 10

1.3. Actividades Actividades desarrolladas desarrolladas durante durante la Práctica Práctica Supervisada. Supervisada. .............................. 11 1.4. Aplicación de materias cursadas en la carrera de Ingeniería Ingeniería Civil en la Práctica Supervisada. Supervisada. ................................................................................................................ 11 2. MARCO TEÓRICO DE LOS MUROS DE SOSTENIMIENTO................................... 14 2.1.

Muro de sostenimiento: sostenimiento: conceptos generales .................................................... 14

2.1.1.

3.

Estabilidad Estabilidad de taludes y estructuras estructuras de sostenimiento................................ 14

2.2.

Tipologías de muros de hormigón ...................................................................... 16

2.3.

Muros de suelo mecánicamente estabilizado..................................................... 17

2.3.1.

Evolución histórica de los MSME ................................................................ 17

2.3.2.

Tipologías Tipologías de MSME .................................................................................. 19

2.3.3.

Tecnología de estructuras de suelo mecánicamente reforzado .................. 22

2.3.4.

Mecanismo de las estructuras de suelo mecánicamente reforzado ............ 24

2.3.5.

Rotura de la interfase suelo-inclusión ......................................................... 25

2.3.6.

Mecanismo interacción suelo-inclusión suelo-inclusión ....................................................... 26

2.3.7. Diferencias de comportamiento respecto de los muros rígidos ................... 28 DESCRIPCIÓN DE LA OBRA .................................................................................. 31 3.1.

Ubicación y objetivos de la obra ........................................................................ 31

3.2.

Marco geológico ................................................................................................ 34

3.2.1.

Introducción Introducción regional r egional .................................................................................. 34

3.2.2.

Reseña geológica de la Sierra Chica .......................................................... 34

3.3.

Características Características viales......................................................................................... 37

3.3.1.

Diseño Geométrico ..................................................................................... 37

3.3.2.

Diseño Estructural ...................................................................................... 40

3.3.3.

Puentes y Viaductos Viaductos ................................................................................... 42

3.3.4.

Alternativas Alternativas evaluadas evaluadas................................................................................ 43

3.4. Perfiles tipos de terraplén y excavación excavación ............................................................. 46 4. METODOLOGÍA DE CÁLCULO .............................................................................. 47

Pablo Esteban Zeballos

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ÍNDICE AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... 5 RESUMEN......................................................................................................................... 7 1.

MARCO DEL DESARROLLO DESARROLLO DE LAS ACTIVIDADES ACTIVIDADES .......................................... 10 1.1. Ámbito del desarrollo desarrollo de la Práctica Práctica Supervisada. Supervisada. ............................................. 10 1.2.

Objetivo de la Práctica Supervisada. Supervisada. ................................................................. 10

1.3. Actividades Actividades desarrolladas desarrolladas durante durante la Práctica Práctica Supervisada. Supervisada. .............................. 11 1.4. Aplicación de materias cursadas en la carrera de Ingeniería Ingeniería Civil en la Práctica Supervisada. Supervisada. ................................................................................................................ 11 2. MARCO TEÓRICO DE LOS MUROS DE SOSTENIMIENTO................................... 14 2.1.

Muro de sostenimiento: sostenimiento: conceptos generales .................................................... 14

2.1.1.

3.

Estabilidad Estabilidad de taludes y estructuras estructuras de sostenimiento................................ 14

2.2.

Tipologías de muros de hormigón ...................................................................... 16

2.3.

Muros de suelo mecánicamente estabilizado..................................................... 17

2.3.1.

Evolución histórica de los MSME ................................................................ 17

2.3.2.

Tipologías Tipologías de MSME .................................................................................. 19

2.3.3.

Tecnología de estructuras de suelo mecánicamente reforzado .................. 22

2.3.4.

Mecanismo de las estructuras de suelo mecánicamente reforzado ............ 24

2.3.5.

Rotura de la interfase suelo-inclusión ......................................................... 25

2.3.6.

Mecanismo interacción suelo-inclusión suelo-inclusión ....................................................... 26

2.3.7. Diferencias de comportamiento respecto de los muros rígidos ................... 28 DESCRIPCIÓN DE LA OBRA .................................................................................. 31 3.1.

Ubicación y objetivos de la obra ........................................................................ 31

3.2.

Marco geológico ................................................................................................ 34

3.2.1.

Introducción Introducción regional r egional .................................................................................. 34

3.2.2.

Reseña geológica de la Sierra Chica .......................................................... 34

3.3.

Características Características viales......................................................................................... 37

3.3.1.

Diseño Geométrico ..................................................................................... 37

3.3.2.

Diseño Estructural ...................................................................................... 40

3.3.3.

Puentes y Viaductos Viaductos ................................................................................... 42

3.3.4.

Alternativas Alternativas evaluadas evaluadas................................................................................ 43

3.4. Perfiles tipos de terraplén y excavación excavación ............................................................. 46 4. METODOLOGÍA DE CÁLCULO .............................................................................. 47


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5.

4.1.

Conceptos generales ......................................................................................... 47

4.2.

Secuencia de cálculo de muro de suelo mecánicamente estabilizados ............. 48

4.3.

Cálculo de muros de hormigón en masa ............................................................ 54

4.4.

Efecto sísmico ................................................................................................... 57

4.5.

Modelos de cálculo desarrollado........................................................................ 61

4.6.

Modelos tenso-deformaciona tenso-deformacionales les ........................................................................ 67

ANÁLISIS REALIZADOS ......................................................................................... 68 5.1.

5.1.1

Materiales ................................................................................................... 68

5.1.2

Estados de carga........................................................................................ 70

5.1.3

Sismo de diseño ......................................................................................... 70

5.1.4

Factores de Seguridad Seguridad ............................................................................... 74

5.2.

6.

Datos del problema............................................................................................ 68

Ejemplo de resultados resultados obtenidos obtenidos ....................................................................... 74

5.2.1.

Caso particular de muro de hormigón en masa .......................................... 74

5.2.2.

Caso particular de muro de MSME ............................................................. 80

CONCLUSIONES ..................................................................................................... 85 6.1.

Conclusiones Conclusiones de las tareas realizadas............................................................... 85

6.2. Conclusiones Conclusiones de la Práctica Profesional Supervisada ....................................... 87 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 89 ANEXO A ........................................................................................................................ 90 ANEXO B ...................................................................................................................... 107


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AGRADECIMIENTOS Por su participación, colaboración y presencia en distintos momento de la carrera, el alumno agradece a: -

Dios, Mónica y Marcelo, mis padres, por acompañarme a lo largo de todo el proceso incondicionalmente.

-

Camila, mi hermana, por su apoyo constante.

-

Ing. Diego Zuin e Ing. Javier Chasco, por brindarme la oportunidad de tener esta experiencia laboral en el campo de la ingeniería, al tiempo de servir como Práctica Profesional.

-

Tutor interno Ing. Roberto Terzariol.

-

Santiago, Joaquín, Valentino y Christian, amigos y compañeros de trabajo.

-

Gabriel Rodríguez, amigo y compañero de estudio a lo largo de toda la carrera.

-

María Luz, Paloma, Emilia, Nicolás y demás compañeros de facultad.

-

Mis primos Matías y Paula por su apoyo y alegría con mis logros.

-

Mis amigos de siempre por su preocupación y tolerancia en todo momento.

-

Profesores y ayudantes que formaron parte del aprendizaje durante estos años.


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RESUMEN El presente es el informe técnico final correspondiente a la Práctica Profesional Supervisada del alumno Pablo Esteban Zeballos. La misma ha sido realizada en la empresa Chediack S.A. bajo la supervisión externa del Ingeniero Diego Oscar Zuin, y con el Ingeniero Roberto Terzariol como tutor interno designado por la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. La Práctica Profesional Supervisada ha sido llevada a cabo entre los meses de Septiembre y Diciembre del año 2011, en el marco de la materia que lleva el mismo nombre. La misma ha consistido en el análisis de distintas alternativas de diseño de muros de sostenimiento del anteproyecto correspondiente a la obra “Pavimentación de la Ruta Provincial Nº 34”, a partir del proyecto propuesto por la Dirección Provincial de Vialidad de Córdoba. La obra mencionada ha sido licitada en el año 2009 por la Provincia de Córdoba, Comitente, y adjudicada a la Unión Transitoria de Empresas (U.T.E.) conformada por las empresas Chediack S.A. y Britos S.A. Este informe consta de tres partes principales. En primer lugar se presenta el encuadre del desarrollo de la Practica Supervisada. Ésta capítulo compuesto por la descripción del ámbito de la obra, los objetivos planteados, las actividades realizadas, entre los puntos principales. En el siguiente capítulo se expone el marco teórico en el cual se han basado los trabajos realizados durante la Práctica Profesional, mencionando la bibliografía a que ha sido utilizada y los conceptos fundamentales para el diseño de estas estructuras necesarias en la obra. Se describen además las dos grandes alternativas de solución propuestas, los muros de hormigón en masa y los muros de suelo mecánicamente estabilizado. Dentro de estos últimos se halla una gran gama de posibilidades en función del tipo de inclusión utilizada. La tercer parte del informe presenta el proceso de diseño de cada una de las dos tipologías de los muros de sostenimiento, como así también la evaluación de las alternativas propuestas para casos puntuales dentro de la obra lineal, atendiendo a los condicionantes particulares de cada uno. Se ha establecido como criterio de solución la asignación de tipologías en función de la altura del muro. Atiende esta diferenciación a la intención de disponer de muros de sostenimiento con alta capacidad de deformación (desplazamientos horizontales y verticales) en los sectores de mayor altura y por consiguiente mayor empuje. Para el caso de muros de menor altura, que requieren menor nivel de desplazamiento para la absorción de los esfuerzos de empuje se han adoptado soluciones de muros de hormigón en masa, siguiendo las especificaciones del Pliego de Licitación. En función del actual estado de conocimiento de los sitios de emplazamiento previsto para los muros indicados, se ha efectuado una revisión de los requerimientos de composición de las secciones tipo. Esta definición permite el establecimiento de las características medias de las secciones para la posterior aplicación en el cómputo de la solución. Se ha


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considerado que tanto las condiciones básicas de apoyo del muro, como los materiales a utilizar para relleno, serán verificados en forma previa al inicio de su ejecución. Las evaluaciones realizadas sobre los dos tipos de soluciones valoradas comprenden reconocimientos de aplicación clásicos en la Geotecnia y en la Mecánica de las Estructuras, principalmente. Finalmente se presentan las conclusiones de los trabajos desarrollados durante el transcurso de la Práctica Profesional Supervisada, con la evaluación técnico-económica de las alternativas y la decisión de la U.T.E. como la más indicada para llevar a cabo en los 13 muros a ejecutarse en la obra. Para concluir se presentan las consideraciones finales respecto a los objetivos personales alcanzados en el ejercicio de la profesión.


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PARTE I ENCUADRE DEL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA PROFESIONAL SUPERVISADA


1. MARCO DEL DESARROLLO DE LAS ACTIVIDADES 1.1.

Ámbito del desarrollo de la Práctica Supervisada.

La Práctica Profesional Supervisada se ha llevado a cabo por el alumno en el marco de la material del mismo nombre. Para ello ha desarrollado distintas actividades relacionadas con la actividad profesional de la Ingeniería Civil, en la empresa Chediack S.A. Las tareas llevadas a cabo responden al diseño de estructuras de sostenimiento de suelos para la obra vial “Pavimentación de la Ruta Provincial Nº 34 – Empalme Ruta Provincial E-96 – Empalme Ruta Provincial C-45”. La misma se adjudicó a la U.T.E. Chediack S.A. – Britos S.A. en el año 2009 y en la actualidad se encuentra en proceso de construcción. Esta obra lineal se encuentra al Sud-Oeste de la Ciudad de Córdoba Capital, atravesando en su recorrido las Sierras Chicas de Córdoba. El objetivo principal de dicha obra es completar de esta manera los más de 90 kilómetros ya construidos, conectando a Córdoba con el Valle de Traslasierra y de allí con las provincias de San Luís, Mendoza y San Juan. Los trabajos realizados por el alumno para la presentación de este informe corresponden a la etapa de anteproyecto, como parte de las alternativas propuestas a ciertos puntos del proyecto propuesto por la DNV. Esto significa que han abarcado desde el reconocimiento de la obra, a partir de sus pliegos de especificaciones y memoria descriptiva, hasta el diseño de las estructuras de sostenimiento y planteo de soluciones, atendiendo a la limitada información disponible en el momento. Este último condicionante responde a que durante el proceso de diseño y verificación, se contaba sólo con material de informes externos. Por tal motivo, las soluciones que se han planteado no son las definitivas, sino que a medida que la obra se desarrolle se deberán corroborar los parámetros adoptados a fin de realizar las modificaciones pertinentes a tiempo.

1.2.

Objetivo de la Práctica Supervisada.

Entre los objetivos del desarrollo de la Práctica Profesional Supervisada pueden distinguirse objetivos personales y profesionales. Como parte de los objetivos personales se tiene: -

Interacción y relación constante con grupos de trabajo, tanto de pares como de ingenieros profesionales. Experiencia en el campo de las obras públicas, en este caso a nivel provincial. Conciencia sobre los plazos de obra y conceptos técnico-económicos que se manejan en esta clase de obras. Aplicación y profundización en diversos temas estudiados a lo largo de la carrera de Ingeniería Civil en la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Desarrollo de criterio para la solución de diversos problemas propios de la actividad profesional.


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Respecto al campo profesional, los objetivos fundamentales que se esperan son: -

1.3.

Comprender el proyecto de manera global a partir del análisis e interpretación de planos, pliegos generales y particulares de especificaciones técnicas, etc. Entender el lugar que ocupa el problema en particular a resolver dentro del entorno global de la obra y como se relaciona éste con los demás componentes de la misma. Seleccionar con criterio el material bibliográfico a consultar durante la ejecución de las tareas correspondientes. Llevar a cabo un correcto análisis de las acciones que componen las combinaciones de carga que afectarán a la estructura, exigidas por la reglamentación vigente. Aprender y afianzar el conocimiento en software necesario para desarrollar modelos útiles en el análisis estructural y saber interpretar los resultados coherentemente. Comprender los costos de las alternativas propuestas a un determinado planteo y las posibilidades constructivas de cada una. Elaborar documentos técnicos e informes que permitan transmitir las conclusiones obtenidas de manera clara y completa. Adquirir las herramientas profesionales para discutir sobre cuestiones particulares del proyecto, explicar las hipótesis adoptadas y los resultados obtenidos luego del análisis. Actividades desarrolladas durante la Práctica Supervisada.

Durante el desarrollo de la Practica Profesional se han encomendado al alumno las siguientes tareas: -

1.4.

Revisión de características generales del proyecto a partir de los pliegos de especificaciones técnicas generales y particulares, planos, imágenes satelitales, entre otros materiales. Revisión bibliográfica acerca de la situación planteada: diseño de muros de sostenimiento. Este punto comprende la búsqueda de información sobre el diseño y sobre los materiales a emplear en libros, publicaciones, folletos de proveedores y reglamentos vigentes. Elaboración de modelos de estabilidad de muros de hormigón en masa. Elaboración de modelos de estabilidad de muros de suelo mecánicamente estabilizado. Evaluación de casos puntuales en la obra lineal y análisis paramétrico. Cómputo de soluciones y evaluación técnico-económica. Aplicación de materias cursadas en la carrera de Ingeniería Civil en la Práctica Supervisada.

Para llevar a cabo las tareas requeridas por la empresa Chediack S.A. en el marco de la Práctica Supervisada, el alumno ha utilizado los conocimientos adquiridos en diversas materias cursadas a lo largo de la carrera. Para la interpretación y manejo de los planos digitales con los que se trabajó, el alumno ha recurrido al software AutoCad. El mismo se aprendió a utilizar en el dictado de Representación Asistida.


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También para la interpretación de la obra de manera global se han tomado los conocimientos brindados en las materias Transporte II y III, para comprender el diseño geométrico y estructural de la obra vial. Por otro lado, para la comprensión de reglamentos internacionales en lo que respecta al diseño de muros de sostenimiento se ha utilizado lo visto en el Módulo de Inglés, fundamentalmente lo referido a conceptos técnicos de la ingeniería. Se ha empleado los conocimientos adquiridos en la materia de Geotecnia I para la interpretación de la información brindada por los antecedentes geológicos con los que se cuenta. En tanto que se ha utilizado lo aprendido en Geotecnia II y III, tanto para la determinación de los parámetros geotécnicos de los materiales intervinientes en las alternativas como para diseñar y comprender el comportamiento de la cimentación de los muros. Los conceptos incorporados en Tecnología de los Materiales de Construcción, han sido útiles al momento de estudiar las características y los parámetros resistentes de los materiales a utilizar para la ejecución de las estructuras de sostenimiento. Para el estudio del comportamiento de los materiales y de los elementos estructurales sometidos a las combinaciones de carga planteadas, han sido necesarios los conceptos estudiados en Mecánica de las Estructuras II, Hormigón Armado y Pretensado. Finalmente, para la interpretación y la aplicación de la información acerca del sismo de diseño se ha recurrido a lo incorporado en las materias Análisis Estructural y Diseño de Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado.


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PARTE II MARCO TEÓRICO


2. MARCO TEÓRICO DE LOS MUROS DE SOSTENIMIENTO 2.1.

Muro de sostenimiento: conceptos generales

Las estructuras de sostenimiento de tierras se pueden clasificar en dos grandes grupos: -

Muros: se ejecutan al aire libre y no en el interior del terreno. A su vez, este grupo se clasifica en tres subgrupos:

Muros de sostenimiento, cuando se construyen separados del terreno natural y luego se

rellenan con tierra. (Fig. 2.1.a) Muros de contención, cuando se construyen para contener tierras que se caerían, en un

plazo más o menos largo, si se dejasen sin apoyo. (Fig. 2.1.b) Muros de revestimiento, cuando su misión es, esencialmente, proteger el terreno de la

erosión y de la meteorización. (Fig. 2.1.c)

Figura 2.1. Tipos de muros: (a) Muro de sostenimiento, (b) Muro de contención, (c) Muro de revestimiento. -

Pantallas: se ejecutan en el interior del terreno.

Este trabajo trata sobre los muros de sostenimiento, los cuales se dividen en dos grandes categorías: -

Los muros convencionales, entre los que encontramos los muros de gravedad, de semigravedad, en voladizo y con contrafuertes. Los muros de tierra estabilizados mecánicamente.

2.1.1. Estabilidad de taludes y estructuras de sostenimiento Cuando tenemos una superficie inclinada respecto a la horizontal que, el suelo adopta en forma permanente, la llamamos talud. En estas conformaciones del terreno tenemos un conjunto de fuerzas actuantes, dentro de las que se destacan el peso propio, sobrecargas, presiones de poros y acciones sísmicas. Para conservar la estabilidad,


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dentro de los taludes se generan fuerzas resistentes que dependen de las características del suelo que los conforman tales como el peso propio, granulometría, contenido de humedad, cohesión, ángulo de fricción interna, entre otras. Existen muchas teorías y métodos de cálculo de estabilidad que se basan en proponer diferentes superficies de falla y formas de colapso, tales como el método Sueco, el método de Bishop y de cuñas deslizantes. Por otro lado, estamos en presencia de una estructura de sostenimiento cuando interponemos una estructura vertical capaz de soportar las presiones que el suelo ejerce debido a la diferencia de niveles del terreno entre las caras de dicha estructura. Existe una gran cantidad de estructuras diseñadas con este fin; muros de sostenimiento, tablestacados y entibados, entre otras. Alguna de las acciones (Figura 2.1.1) que intervienen más frecuentemente en el problema son: 1. Peso propio del muro “G”. 2. Empuje del suelo “Ea” (empuje activo) . 3. Reacción de la fundación “N”. 4. Resistencia pasiva del terreno “Rp” (empuje pasivo). 5. Sobrecargas sobre el relleno “Eq”. 6. Fuerzas horizontales “H” y verticales “V” de estructuras de la cual el muro es parte (por ejemplo: peso puente, fuerzas térmicas, sísmicas, de operación, etc.). 7. Presiones hidrostáticas “Ph”. 8. Subpresiones por debajo de la fundación “Sh”, “Ua y Ub”. 9. Resistencia al deslizamiento “T” (friccional y cohesiva). 10. Acciones dinámicas (vibraciones, sismo Ea y Ga).


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q

H V

Nivel freatico

Ea sismo

Eq

Ea

G

Ga

Ph

Rp Ub1 Ub1=Ub2 Ub2

Ua1

T N

Sh

Ua1=Ua2 Ua2

Figura 2.1.1: Solicitaciones sobre muro de sostenimiento 2.2.

Tipologías de muros de hormigón

Los muros de hormigón son los del tipo “convencional”, entre los que se hallan: -

-

Los muros de sostenimiento de gravedad (Fig. 2.2.a) se construyen con concreto simple o con mampostería. Dependen de su peso propio y de cualquier suelo que descanse sobre la mampostería o el hormigón para su estabilidad. Este tipo de construcción no es económico para muros altos. En muchos casos una pequeña cantidad de acero se utiliza para la construcción de muros de gravedad, minimizando así el tamaño de las secciones del muro, denominados generalmente muros de semigravedad . (Fig. 2.2.b) Los muros de sostenimiento en voladizo (Fig. 2.2.c) están hechos de concreto reforzado y constan de un tallo delgado y un losa de base. Este tipo es económico hasta una altura aproximada de 8 m. Los muros de sostenimiento con contrafuertes (Fig. 2.2.d) son similares a los muros en voladizo. Sin embargo, a intervalos regulares éstos tienen losas delgadas de concreto conocidas como contrafuertes que conectan entre sí el muro con la losa de la base. El propósito de los contrafuertes es reducir la fuerza cortante y los momentos flexionantes.


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Figura 2.2. Tipos de muros de sostenimiento 2.3.

Muros de suelo mecánicamente estabilizado

Los muros de sostenimiento mecánicamente estabilizados son aquellos que tienen sus rellenos estabilizados por elementos de refuerzo tales como fajas metálicas, mallas de alambre soldado, geotextiles o geomalla. Estos muros son relativamente flexibles y soportan grandes desplazamientos verticales y horizontales sin mucho daño. De aquí en adelante se denomina MSME a los Muros de Suelo Mecánicamente Estabilizado. 2.3.1. Evolución histórica de los MSME El reforzar o armar un suelo para hacerlo más resistente a la tracción y al corte no es una idea nueva. El adobe es, posiblemente, el primer material compuesto fabricado por el hombre. Su antigüedad se remonta a las civilizaciones mesopotámicas que lo utilizaron, entre otras cosas, para construir sus zigurats. Posteriormente, otros métodos han sido utilizados, siendo en general ramas o troncos los materiales de refuerzo.


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En los últimos años han surgido muchos métodos, entre los que se destaca la “Tierra Armada”, nombre comercial de la tecnología de muro de suelo mecánicamente estabilizado (MSME) con el empleo de flejes metálicos y paramentos de escamas de hormigón premoldeados. La primer estructura tipo MSME en los tiempos modernos fue el muro de contención de Pragniéres, Francia, cuya construcción está fechada en 1965. Poco después de esta, en 1968-69 se realiza un importante proyecto que requería la construcción de 10 muros de contención cerca de Nice, Francia, que dio impulso a importantes programas de estudios y desarrollo de tecnología. El programa de estudios incluía, pruebas de laboratorio hechas con arena mecánicamente reforzada en el LCPC (Laboratorio Central de Puentes y Carreteras) en Francia entre los años 1969-77, y modelos a escala reducida, ambos en dos y tres dimensiones. Además, se realizaron veinte experiencias en escala real, llevadas a cabo en varios países desde 1968. Sirvieron para extraer datos y proponer el primer modelo de diseño, el cual pudo ser verificado mediante el empleo del método de elemento finito, usado para mejorar el modelo de comportamiento de la estructura tipo y desarrollar nuevos métodos de diseño para aplicaciones especiales. Los MSME se desarrollan por la concurrencia de tres factores: primero, la posibilidad de utilizar acero galvanizado en la construcción de flejes y paramentos, después del fracaso de algunas experiencias con fibra de vidrio cubiertas con poliéster, acero inoxidable y aluminio, estos últimos de elevados costos. El segundo hecho fue el desarrollo en 1971 de un panel cruciforme tipo para el paramento, en reemplazo del original elemento metálico en forma de U. En 1975, la empresa Tierra Armada patentó el fleje friccional. Estas nuevas tecnologías incrementaron la cantidad de estudios tendientes a describir la interacción del suelo con el refuerzo. La incorporación de la inclusión produce una restricción de la dilatancia, menor deformación del suelo bajo carga, o mayor confinamiento, ya que las deformaciones en un plano normal a la dirección de la carga se ven restringidas por la presencia refuerzo. Como consecuencia de esta limitación de deformaciones se logra un mayor coeficiente de fricción aparente. Después del desarrollo del concepto de MSMR por Henri Vidal en 1965, las técnicas de refuerzo de suelos, para la construcción de muros de contención o de taludes con pendiente superior a la estable, han tenido un desarrollo considerable. En la actualidad, las diferentes técnicas pueden ser clasificadas según el tipo de refuerzos (lineales, bidimensionales, tridimensionales), el modo de interacción entre el suelo y la inclusión (fricción lateral, muro de contención) y el grado de extensibilidad de la inclusión para mejorar el suelo (extensibles, inextensibles). En el transcurso de los últimos diez años, los refuerzos con geotextil y más genéricamente con materiales geosintéticos fueron tomando gran importancia, aun cuando el comportamiento mecánico (fluencia, extensibilidad) es mejor en las inclusiones metálicas, que representa un material alternativo a los sintéticos. El fenómeno más importante que se presenta entre el suelo y la inclusión es la “fricción lateral”. Dicha fricción transfiere a la inclusión, que es un material más rígid o que el


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material a reforzar, las cargas que producen la deformación del suelo y en consecuencia este ultimo presenta una dilatancia menor (Schlosser y Elias, 1978; Plumelle, 1986). La necesidad económica de emplear los suelos productos del desmonte, aunque estos posean características que los hacen poco aptos para usarlos como relleno, ha llevado a estudiar y desarrollar una segunda clase de interacción suelo-inclusión. Esta interacción tiene en cuenta el efecto de la resistencia pasiva (Schlosser y otros, 1983, 1985; Palmeira y Milligan, 1989), que fue comprobada cuando los valores de la fricción generalizada superaron los correspondientes valores de la fricción lateral simple. Sintéticamente, se trata de evaluar cual es el aporte del empuje pasivo cuando la inclusión lo moviliza. Esto se ve claramente en el caso de las inclusiones conformadas que presentan relieves, o en las geogrillas. Con relación al presente trabajo, el empuje del suelo es la solicitación sobre la cual se debe focalizar el estudio, ya que al introducir los elementos de refuerzo se logra un mejoramiento de sus características friccionales “fricción aparente” que resiste el empuje, favoreciendo así la estabilidad de muros y taludes. El equilibrio plástico del suelo fue estudiado por Rankine y Coulomb, quienes derivaron en teorías similares, que relacionan las tensiones verticales, con las horizontales o empuje, mediante un coeficiente. Este coeficiente se discrimina para los dos estados en los cuales el suelo puede incidir sobre el muro; activo y pasivo. Se define así el coeficiente de empuje activo y el coeficiente de empuje pasivo. Estos coeficientes, llamados también coeficientes de Rankine, son función del ángulo de fricción interna del suelo, de su cohesión, de la geometría del paramento y del terreno contenido, así también como de la magnitud de los desplazamientos que se desarrollan en el suelo. 2.3.2. Tipologías de MSME Las tipologías de MSME varían en una amplia gama en función del material del cual están constituidas las inclusiones. Las inclusiones como parte del suelo reforzado cumplen una función determinante dentro de las cualidades que se quieren obtener del suelo. Las características más importantes que influyen en la interacción suelo-refuerzo son sin duda la extensibilidad del refuerzo, su resistencia a la tracción, la fricción que es capaz de generar con el suelo y el empuje pasivo desarrollado por la conformación superficial de las inclusiones. Pero no menos importantes son la resistencia de la inclusión a las acciones químicas, climáticas, ataque de animales, cargas continuas en el tiempo, etc. La variedad de inclusiones que el mercado tiene en la actualidad es muy grande, siendo la clasificación básica la que las distingue por materiales. Así tenemos: inclusiones metálicas y sintéticas. Esta clasificación comprende también una serie de clasificaciones de las inclusiones debidas a las propiedades mecánicas y químicas de los materiales constitutivos. Por ejemplo, clasificarlos según la rigidez axial, en tal caso las inclusiones metálicas son más rígidas que las sintéticas, esta propiedad esta directamente ligada a la interacción con el suelo. Otra clasificación sería según su resistencia a la acción de los agentes exteriores como el agua o los sulfatos, donde los materiales sintéticos son más aptos que los metales.


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En el primer grupo tenemos mallas de alambre, de flejes y flejes longitudinales conformados. En todos los casos cuentan con un recubrimiento anticorrosivo. Estos refuerzos tienen una rigidez axial que favorece su comportamiento, además de poseer una resistencia a la tracción elevada. También son capaces de desarrollar resistencia a la extracción tanto por fricción como por empuje pasivo del suelo circundante.

Figura 2.3.2.a: Conformación de las mallas para gaviones.

Figura 2.3.2.b: Gavión en malla de alambre. En el segundo grupo podemos encontrar refuerzos bidimensionales en forma de malla y continuos, tales como las geogrillas y los geotextiles respectivamente. Estos dos productos sintéticos poseen características de resistencia a tracción, extensibilidad y durabilidad similares, aunque presentan una diferencia muy importante en el comportamiento como componente del suelo reforzado: las geogrillas desarrollan una resistencia muy notable a la extracción por empuje pasivo, mientras que en los geotextiles esta resistencia es despreciable, debido a su estructura continua.


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Figura 2.3.2.c: Geotextil no tejido Bidim (izquierda), Geotextil tejido Hate (derecha) Los geotextiles son porosos, fabricados con polímeros flexibles, hechos para cumplir una o más funciones simultáneamente, tales como separación, filtración, refuerzo, drenaje y barrera de humedad. En su mayoría están compuestos de polipropileno o poliéster, pero pueden, en situaciones especiales, ser de otros polímeros, por ejemplo, polietileno o poliamidas. La resina básica está reforzada, normalmente, por antidegradantes (tal como el carbono) y otros agregados y/o aditivos. Además, las técnicas constructivas de las fibras, ya sea el tejido o el punzonado, para el caso de los goetextiles no tejidos, le confiere al material base una resistencia adecuada. Las consideraciones hechas arriba, tratan de dar una idea para seleccionar el geotextil en el diseño. No hay dos geotextiles realmente iguales y el cálculo y la elección deben ser hechos teniendo en cuenta la situación de la obra y las características del suelo. Por ejemplo no todas las obras tienen la misma importancia, tampoco es posible utilizar cualquier geotextil con cualquier suelo, etc. Estos parámetros de diseño están considerados en el concepto de diseño por función. En esencia este concepto consiste en el planteo de un factor de seguridad, expresado como:

FS 

valor .admisible valor .requerido

donde FS debe ser mayor que la unidad. Con respecto al valor requerido o solicitante, en la ecuación del factor de seguridad serán utilizadas metodologías de cálculo geotécnicas. En problemas de refuerzos serán necesarios análisis de tensiones y deformaciones, mientras en problemas hidráulicos serán necesarias estimaciones de flujo y consideraciones de permeabilidad de suelos. Considerando diferentes intensidades de tracción los geotextiles pueden ser usados para reforzar suelos que poseen generalmente baja resistencia. Algunos refuerzos con geotextiles en caminos sin pavimentar sobre subrasantes poco resistentes, por ejemplo con CBR<2, han mostrado un comportamiento bastante bueno (Hausmann, 1986). Otra


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área con considerable desarrollo son los muros de suelo mecánicamente reforzado (Yako y Cristopher, 1987) y la estabilidad de taludes (Koerner y Robins, 1986). La U.S. Army Corps of Engeneers también ha realizado estudios en la construcción de terraplenes reforzados con geosintéticos que han dado importantes resultados (Fowler y Koerner, 1987). Por otro lado se debe considerar el fenómeno de fluencia lenta a carga constante del geotextil. Para ello se reduce la tensión última de rotura de la inclusión minorándola a través de un factor de seguridad. Considerando la tracción desarrollada por el suelo subyacente a la fundación en el geosintético, sector de mayor solicitación en la inclusión, generalmente se obtienen factores de seguridad por fluencia lenta de 1,5 a 2,5 que resultan adecuados. Otras consideraciones importantes a tener en cuenta en el cálculo son las necesidades de empalme entre láminas de geosintético o en los orificios practicados en los geotextiles (por ejemplo, donde el filtro de drenaje vertical está instalado), forma de disponer el relleno y módulo de elasticidad necesario del geotextil (Fowler y Koerner, 1987; Koerner 1988).

2.3.3. Tecnología de estructuras de suelo mecánicamente reforzado En la actualidad en el mercado encontramos muchas alternativas tecnológicas para la construcción de taludes y muros de sostenimiento. Estas tienen en cuenta los materiales de refuerzo o inclusiones y paramentos del muro. Es el caso de los suelos mecánicamente reforzados que emplean flejes metálicos como inclusión, y cuyos paramentos son bloques premoldeados de hormigón. En los últimos años, con el empleo de los geotextiles, se construyeron taludes y muros que estaban íntegramente compuestos por geosintéticos, donde este material actuaba como refuerzo y como paramento. Para lograr este resultado se disponen capas sucesivas de refuerzo y relleno perfectamente compactado, y una vez terminada la compactación, en coincidencia con el paramento, se envuelve el relleno con el geosintético, quedando éste a la vista. Posteriormente se aplica una nueva capa de geosintético y se repite el proceso hasta llegar a la altura deseada. Este paramento se suele terminar con el sembrado de especies vegetales o con placas premoldeadas de hormigón sin función estructural alguna.


22


Figura 2.3.3.a: Muro de contención con goetextiles Otra alternativa tecnológica son los Sistemas Celulares de Confinamiento, que consiste en desplegar por capas sucesivas cilindros abiertos, sin tapa ni fondo, vinculados entre sí con los cuatro cilindros perimetrales. Los cilindros son rellenados con suelo lográndose grandes masas que dan al muro características similares, estructuralmente hablando, a los muros de gravedad. Las capas de cilindros se van escalonando con forma aproximada de media circunferencia e incluso, si es necesario, se dispone una capa de geosintético para proveerle mayor estabilidad a la construcción. También existe la posibilidad de sembrar especies vegetales en los escalones para lograr una mejor integración en el medio.

Figura 2.3.3.b: Geocelda Geoweb


23


Paramentos de gaviones conformados con alambre y rellenos con roca es una tecnología actualmente usada. Su funcionamiento estructural es similar al de los muros de sostenimiento de gravedad, con la ventaja de que a su menor costo se le adiciona la posibilidad de incorporar inclusiones entre los diferentes niveles de las capas de gaviones.

Figura 2.3.3.c: Muro construido con gaviones 2.3.4. Mecanismo de las estructuras de suelo mecánicamente reforzado Como se observó mediante ensayos triaxiales (F. Schlosser y otros 1972) en probetas de arena reforzada, la tracción a lo largo del refuerzo no es constante y presenta máximos. Para un determinado estado de carga la ubicación de las tracciones máximas, para las diferentes capas de refuerzo, define una curva de tensiones máximas. Generalmente, la línea de tracciones máximas divide las masas de suelo reforzado en dos zonas, una activa y otra resistente (Figura 2.3.4): -

-

Zona activa: donde el suelo tiende a deslizarse sobre la estructura pero es

resistido por la fricción a lo largo de la inclusión. La tensión de corte ejercida se dirige hacia afuera y se equilibra por la tracción en los refuerzos. Esta tracción decrece hacia el paramento de la estructura (Zona 1, Fig. 2.3.4). Zona resistente: donde la resistencia al corte movilizada evita el deslizamiento de los refuerzos. Dicha tensión se dirige hacia el interior de la masa de suelo reforzado, hasta el extremo libre de las inclusiones (Zona 2, Fig. 2.3.4).

La unión entre las dos zonas se logra gracias a los refuerzos, produciendo una “cohesión aparente”, la en el suelo reforzado. F. Schlosser menciona una “cohesión aparente” , esto se debe a que el efecto es similar a suponer que el suelo posee más o algo de cohesión, pero las causas son debidas a un mejor comportamiento friccional dado por la inclusión. La línea límite entre las dos zonas (línea de máxima tracción) representa una potencial superficie de falla de la estructura. Su posición depende de varios factores, tales como la geometría del muro o del talud, cargas aplicadas, y efectos dinámicos. Esto también


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puede depender de la deformación longitudinal de las inclusiones. En situaciones complejas pueden presentarse varias de estas líneas “máximas relativas” (F. Schlosser y M. Bastick 1991).

Figura 2.3.4: Línea de tensiones máximas y zona activa y resistente en muros de suelo reforzado

2.3.5. Rotura de la interfase suelo-inclusión En el análisis del comportamiento de estructuras construidas con suelo reforzado, podemos distinguir dos aspectos muy diferentes, uno es el comportamiento global de la estructura, como un bloque de material con características propias otorgadas por el refuerzo, y el otro aspecto es como el suelo y los refuerzos se vinculan, para lograr la estabilidad interna del bloque estructural. Este último carácter del análisis está relacionado con la interacción que se genera entre el suelo y la inclusión. La interacción se puede ver alterada produciéndose la rotura localizada del suelo reforzado. Dependiendo de la presión de confinamiento ( s3), se observan dos formas de rotura que son la rotura propiamente dicha de la inclusión o el deslizamiento de la misma, como se describe más abajo (Fig. 2.3.5)


25


1 1 30

Rotura o t n e i m a z i l s e D

20



d a z a r o e f a r e n r A

r

10 cm



a a d o r z f e r i n a s n e A r

10

m c 0 2

3

2 cm Foil de aluminio

3 0

1

2

3

4

5

6

7

Figura 2.3.5: Curvas de falla en ensayo triaxial en arena reforzada y sin reforzar. (Schlosser y Otros, 1972)





. La falla ocurre por deslizamiento del refuerzo. La curva de falla tracción puede ser aproximadamente una línea recta que pasa por el origen (Haussmann, 1976). La resistencia de la arena reforzada puede ser representada por un ángulo de fricción global aparente r mayor que , ángulo de fricción interna de la arena. r depende directamente de la densidad de refuerzos. Valores altos de 3 . La falla de los ensayos se produce por rotura del refuerzo. La curva de falla, por tracción, es una línea recta paralela a la curva de falla de la arena sin refuerzo. Por lo tanto, la resistencia de la arena reforzada puede ser representada por el ángulo de fricción interna  y una cohesión anisotrópica C. El valor de C es directamente proporcional a la densidad de refuerzos y a su rigidez. Valores b ajos de

3

2.3.6. Mecanismo interacción suelo-inclusión La figura 2.3.6.I ilustra el mecanismo de interacción de suelo-inclusión en un suelo deformado. La tracción de la inclusión induce desplazamiento por corte en la zona de suelo circundante. El volumen de esta zona es significativamente incrementado por la presencia de barras ortogonales en el caso de las geogrillas o nervios en la superficie de los flejes para inclusiones metálicas, para los geotextiles este fenómeno no se manifiesta claramente. En un suelo granular compacto estas zonas de corte tienden a incrementarse. De cualquier modo, el hecho de que el correspondiente volumen varíe está restringido por


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el suelo circundante, produciendo un incremento (Dsv) en la presión de confinamiento aplicada sobre la inclusión. La importancia del efecto de alargamiento lleva a la consideración de un coeficiente de fricción aparente m* (también llamado *), el cual se define como la relación de la máxima tensión de corte a lo largo de la inclusión y la tensión normal inicial actuante so, la cual, para propósito de diseño, puede estimarse como la presión de tapada gz, siendo g el peso unitario del suelo de tapada y z la profundidad a la que se ubica el refuerzo. Este coeficiente de fricción aparente es función del comportamiento de la deformación en el suelo. Este puede alcanzar valores mayores que los del coeficiente de fricción suelometal tany, similares o superiores al del coeficiente de fricción suelo-suelo tan  siendo  el ángulo de fricción interna del suelo de relleno.  7

Tensión vertical Refuerzo estriado

6

e t n e r a p5 a n ó i c4 c i r f e d 3 e t n e i c i f 2 e o C

v h

Grava:  = 21kN/m³  = 46º (suelo-suelo)  = 27,5º (suelo-refuerzo)

Inclusión Volumen de suelo mobilizado por corte

*=/h > real=/v real

Refuerzo liso

tag

1

tag 0

1

2

3

4

5

6

H-(m)

Espesor de relleno sobre el resuerzo

Figura 2.3.6.I: Mecanismo de restricción de dilatancia. (Schlosser y Elias, 1978) Son múltiples los parámetros que afectan el valor del coeficiente de fricción aparente m*. Muchos estudios sobre estas variables han sido desarrolladas por Schlosser y Elias (1978), McKittrick (1979), Mitchell y Schlosser (1979), y Schlosser y Guilloux (1981). Dando aquí un listado y una pequeña explicación de los parámetros más importantes. -

Densidad del relleno. Características de la superficie de las inclusiones. Presión de sobrecarga. Tipo de relleno. Contenido de agua del relleno.

El factor de fricción, como se puede apreciar por lo expuesto más arriba, es función de la presión de tapada. Autores como F. Schlosser y M. Bastick, han encontrado que el coeficiente es constante e igual al ángulo de fricción interna del suelo, para profundidades mayores a los seis metros. En tanto que para profundidades menores a esta, el


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coeficiente tiende a aumentar en forma indirecta a la profundidad (figura 2.3.6.II), este comportamiento se debe al fenómeno de dilatancia. tang 0,00m

6,00m





Ka

0,00m

Kp

h v

6,00m

z

(a)

z

(b)

Figura 2.3.6.II: (a) Variación del coeficiente de fricción según Schlosser-Bastick. (b) Variación de la relación de tensiones según Jiménez Salas y otros. 2.3.7. Diferencias de comportamiento respecto de los muros rígidos Entre las dos clases muros de sostenimiento expuestos hasta el momento existen ciertas diferencias que son las que influyen en la elección de una de las dos alternativas. El principal aspecto en que difieren ambos sistemas, consiste en que los MSME no utilizan hormigón entre sus componentes estructurales. Aunque algunas marcas comerciales provean soluciones en las cuales se utiliza bloques premoldeados de hormigón, estos tienen una influencia ínfima o nula en la estabilidad interna o externa del muro. Los MSME, como se expuso anteriormente, requieren como elemento primordial de geosintéticos, geotextiles, geogrillas o geomallas, como inclusiones. Luego, según la solución adoptada, será el revestimiento exterior que se necesite para el muro. Por otro lado, los muros de gravedad únicamente requieren hormigón, a menos que se opte por alguna configuración estructural que implemente una pequeña cuantía de armadura. De este modo, al ser distintos los materiales utilizados en ambas tipologías de muro, también lo son sus métodos constructivos. El sistema de MSME requiere de mayor mano de obra capacitada, así como también un trabajo más meticuloso a la hora de la construcción respecto de los muros de gravedad. En estos últimos, la etapa de encofrado es la que representa mayores dificultades en el proceso constructivo. No sólo los materiales estructurales son distintos, sino que el relleno en ambas alternativas trabaja de manera diferente. En los MSME el relleno es compactado en capas a medida que se coloca, lo que mejora sensiblemente algunos parámetros resistentes al momento de evaluar la estabilidad interna de los mismos. A su vez, cabe aclarar, que muchos sistemas de MSME se encuentran patentados por distintas marcas encargadas de su comercialización. Por este motivo es que la empresa


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constructora debe plantear soluciones nuevas a las ya inscriptas o comprar el sistema a una empresa registrada. Estructuralmente el comportamiento interno de los muros de hormigón y de los MSME también difiere. Por un lado los muros de hormigón, al ser éste un material frágil, actúan como un bloque indeformable ante las acciones externas, hasta el momento de su rotura. En tanto que los MSME permiten mayores desplazamientos, lo que genera dos efectos: por un lado que las inclusiones desarrollen mayores tensiones resistentes y por otro lado que se alivianen los efectos de los empujes sobre la estructura del muro. Estos motivos llevan a que se incremente más rápidamente el volumen de hormigón a medida que se diseñan muros más altos, que lo que se incrementa la longitud de los refuerzos para la misma altura de MSME. Finalmente, el factor que tiene mayor influencia en la elección de la tipología de muro a ejecutar es el económico. Es decir, que aquella que genere los menores costos para el desarrollo de la obra, cumpliendo el mismo fin de manera adecuada, será finalmente la seleccionada. Obviamente, los costos estarán condicionados por cada uno los factores expuestos en los párrafos anteriores.


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PARTE III PRÁCTICA


3. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA 3.1.

Ubicación y objetivos de la obra

La obra en cuestión sobre la cual se ha trabajado durante el desarrollo de la Práctica Profesional Supervisada se denomina, según los pliegos de especificaciones técnicas: “PAVIMENTACIÓN RUTA PROVINCIAL Nº 34 (CAMINO DE LAS ALTAS CUMBRES) A) EMPALME RUTA PROVINCIAL E-96 – EMPALME RUTA PROVINCIAL C-45 B) ACCESOS A RUTA PROVINCIAL Nº 34 (DESDE SAN ANTONIO DE ARREDONDO Y LAS JARILLAS)”. La obra a construir contempla: -

-

La unión del tramo de la Ruta Provincial Nº 34 (“Camino de Las Altas Cumbres”) que actualmente termina en la intersección de la Ruta Provincial E-96 (ex Ruta Provincial S-180, camino a Bosque Alegre) con la Ruta Provincial C-45, a la altura de Falda del Cañete. Este tramo de 18,6 km, tendrá la misma tipología del actual Camino de las Altas Cumbres, completando de esta manera los más de 90 kilómetros ya construidos, conectando a Córdoba con el Valle de Traslasierra y de allí con las provincias de San Luís, Mendoza y San Juan. Éste es el denominado Tramo 1. El tramo 2 contempla la conexión del tramo anterior (Ruta Provincial Nº 34) con la Ruta Provincial 14 a la altura de San Antonio de Arredondo (Acceso San Antonio y Las Jarillas), generando la vinculación del Valle de Punilla con los Valles de Paravachasca y Calamuchita.

Todos estos tramos estarán interconectados entre sí a través de distribuidores de tránsito a nivel y distinto nivel que garantizarán que el flujo de tránsito que ingrese y egrese de los mismos sea dinámico evitando puntos de conflicto, contribuyendo de esta manera a la Seguridad Vial. Estos distribuidores son: -

-

-

La readecuación y conclusión de la intersección de la RP 34 (Camino de Altas Cumbres) con la RP E – 96 La intersección a distinto nivel de la Ruta Prov. Nº 34 con el tramo que une la Ruta Provincial 14 a la altura de San Antonio de Arredondo (conexión de Las Jarillas – San Antonio). La intersección a distinto nivel de la Ruta Prov. S-271 (Camino a San Antonio) con la Ruta Provincial 14 a la altura de San Antonio de Arredondo (conexión de Las Jarillas – San Antonio). El distribuidor a distinto nivel en el empalme de la RP 34 con la RP C- 45, a la altura del paraje denominado Falda del Cañete.


31


Intersección RP 34 – C 45

Intersección RP 34 – S 271

Intersección RP 34 – E 96

Figura 3.1.a. Planta general de la obra original.


32



Figura 3.1.b. Cruce del camino sobre las Sierras Chicas.


33


3.2.

Marco geológico

3.2.1. Introducción regional Las Sierras Pampeanas de Córdoba constituyen el grupo más oriental de la Provincia Geológica Sierras Pampeanas. Está conformada aquí por cuatro cordones mayores (Sierras de Guasapampa, Pocho y Altautina; Sierras Grande y de Comechingones; Sierras Chica y de las Peñas; Elevación Pampeana) y dos menores (Sierras de Ciénaga del Coro y del Tigre). Estos cordones, a su vez, emergen como un conjunto de la llanura Chaco-Pampeana. 3.2.2. Reseña geológica de la Sierra Chica La Sierra Chica es el cordón más oriental de las denominadas Sierras Pampeanas de Córdoba. Se extiende desde el extremo norte de las Sierras del Pajarillo, Copacabana y Maza (30º 36’ LS) hasta el sur de la Sierra de Las Peñas (32º 38’ LS), ocupando una franja meridional entre los 64º 38’ LO y 64º 13’ LO . La Sierra Chica está conformada por un bloque de basamento ígneo-metamórfico de sección asimétrica, con pendiente pronunciada al oeste y suave al este, siendo alargado


3.2.

Marco geológico

3.2.1. Introducción regional Las Sierras Pampeanas de Córdoba constituyen el grupo más oriental de la Provincia Geológica Sierras Pampeanas. Está conformada aquí por cuatro cordones mayores (Sierras de Guasapampa, Pocho y Altautina; Sierras Grande y de Comechingones; Sierras Chica y de las Peñas; Elevación Pampeana) y dos menores (Sierras de Ciénaga del Coro y del Tigre). Estos cordones, a su vez, emergen como un conjunto de la llanura Chaco-Pampeana. 3.2.2. Reseña geológica de la Sierra Chica La Sierra Chica es el cordón más oriental de las denominadas Sierras Pampeanas de Córdoba. Se extiende desde el extremo norte de las Sierras del Pajarillo, Copacabana y Maza (30º 36’ LS) hasta el sur de la Sierra de Las Peñas (32º 38’ LS), ocupando una franja meridional entre los 64º 38’ LO y 64º 13’ LO . La Sierra Chica está conformada por un bloque de basamento ígneo-metamórfico de sección asimétrica, con pendiente pronunciada al oeste y suave al este, siendo alargado en el sentido norte-sur. Dicho bloque está limitado al oeste por la Falla de Sierra Chica (Fig. 3.2.2.a), quien recibe distintos nombres a lo largo de ella, que lo levanta por encima del Valle de Punilla compuesto por rellenos sedimentarios del Terciario superior y Cuaternario. La secuencia estratigráfica se puede resumir en: (a) Metamorfitas del Proterozoico superior – Paleozoico inferior; (b) Granitoides del Paleozoico superior, (c) Un complejo sedimentario – volcánico del Cretácico, (d) Sedimentitas de piedemonte y relleno de valles Terciarios y Sedimentos limoarcillosos y loéssicos del Cuaternario.


34


Figura 3.2.2.a. Principales lineamientos con probable actividad tectónica. Marcada con una flecha 1) Falla El Molino, 2) Falla Comechingones, 3) Falla Las Lagunas y 4) Falla Sierra Chica. Con asteriscos se han ubicado los epicentros de sismos ocurridos en el Siglo XX. (Según Costa et, al 2001) La Falla de la Sierra Chica (FSC) es una de las fallas más importantes de las Sierras de Córdoba, extendiéndose su escarpa de falla por más de 200 kilómetros desde la localidad de Capilla del Monte, en el norte del Valle de Punilla, hasta la cercanía del Lineamiento Los Cóndores. El cruce con la traza de la ruta se observa en la Figura 3.2.2.b.


35


Figura 3.2.2.b. Posición de la traza (rojo) con relación a la FSC (verde). Los tramos rectos de FSC son de alto ángulo de buzamiento (50° - 60°), vinculándose a depósitos cretácicos interpretados como reactivación de fallas normales, mientras que los curvos, de bajo ángulo (≈ 30°), son de carácter inverso dominante y no se asocian a ningún depósito en particular. A lo largo de su recorrido, se observan afloramientos naturales o cortes artificiales donde es posible ver como la FSC se sobrepone a sedimentos más modernos que el basamento. Entre ellos se encuentran los conglomerados rojos Cretácicos en la zona de La Cumbre, los estratos Terciarios del Valle de Punilla en la zona de la Falda (Fig. 3.2.2.c)


36


y Cosquín, los fanglomerados Pleistocénicos en Bialet Massé y en Carlos Paz y los cenoglomerados cuaternarios en la zona de Santa Rosa.

Figura 3.2.2.c. Cruce de la Falla Sierra Chica en el Camino al Cuadrado La FSC no es una falla activa; sin embargo, en 1947 se registró el llamado “sismo de Villa Giardino”, que tuvo una intensidad VI-VII en la escala Mercalli modificada (Rocca el al. 1991). En su extremo norte, Sierras del Pajarillo, Copacabana y Maza, hay microsismicidad. También existen rasgos neotectónicos indicadores de paleosismicidad como la presencia de toscas desplazadas. 3.3.

Características viales

3.3.1. Diseño Geométrico TRAMO 1: RUTA PROVINCIAL Nº 34 (CAMINO DE LAS ALTAS CUMBRES) EMPALME RUTA PROVINCIAL E-96 – EMPALME RUTA PROVINCIAL C-45 Se ha previsto para este tramo dos perfiles transversales tipo: uno en desmonte y otro en pedraplén. Para el primero se ha fijado un ancho de coronamiento de 19,00 m., que prevé para el futuro dos calzadas separadas de 7,30 m.de ancho cada una, un cantero central de 1,00 y banquinas pavimentadas de 2,00 metros de ancho. Para el pedraplén se ha diseñado un ancho de coronamiento de 21,00 m. para dar lugar a la ubicación de las barreras de seguridad y las cunetas de hormigón previstas como obras de defensa del pedraplén y seguridad para el tránsito, con el mismo perfil estructural previsto en la sección anterior.


37


Cabe acotar que en esta primera etapa sólo se ha previsto pavimentar una calzada única de 7,30 m. de ancho con sus respectivas banquinas pavimentadas. Los parámetros principales de diseño son: -

Velocidad directriz: 70 Km/h. Radio mínimo absoluto: 200 m. Peralte máximo: 6 % Longitud mínima de transición: 90 m.

TRAMO 2: ACCESO A RUTA PROVINCIAL Nº 34 (DESDE SAN ANTONIO DE ARREDONDO Y LAS JARILLAS) Para este tramo, también se ha considerado dos perfiles transversales tipo: uno en desmonte y otro en terraplén. Para ambos se fijó un ancho de coronamiento de 13.30 m., calzadas de 7,30 m. de ancho, y banquinas de 3,00 metros de ancho. Los parámetros principales de diseño son: -

Velocidad directriz: 70 Km/h. Radio mínimo absoluto: 200 m. Peralte máximo: 6 % Longitud mínima de transición: 90 m.

A

2.50 5 2 . 0

0 0 . 0 1

2.50 5 2 . 0 0 0 . 8

19.00 9.50 5.85 5 1. 1 :

9.50 3.65

3.65

5.85 1 : 1 .5

0 9 . 0 . . n í m

1.00

Figura 3.3.1.a. Perfil Tipo Geométrico en desmonte (Tramo 1).


38


A 19.00 9.50

9.50 7.30 5.85

3.65

3.65

5.85

0.20 2.0%

4%

5 1. 1 :

2.0%

1:1.5

4%

Cuneta de Hº c/cordón ver plano detalle.

Figura 3.3.1.b. Perfil Tipo Geométrico en media ladera (Tramo 1).

A Zona de camino = 100,00 m. 21.00 10.50

10.50 7.30

0.20

6.85 4%

5 1. 1 :

3.65

3.65

2.0%

2.0%

6.85

0.20

4%

1 : 1 . 5

Figura 3.3.1.c. Perfil Tipo Geométrico en terraplén (Tramo 1).


39


3.3.2. Diseño Estructural TRAMO 1: RUTA PROVINCIAL Nº 34 (CAMINO DE LAS ALTAS CUMBRES) EMPALME RUTA PROVINCIAL E-96 – EMPALME RUTA PROVINCIAL C-45 Para este tramo se ha diseñado el siguiente paquete estructural: -

Carpeta de rodamiento de concreto asfáltico en caliente de 0,05 m de espesor y 7,30 m de ancho. Base Negra de concreto asfáltico en caliente de 0,07 m de espesor y 7,50 m de ancho. Base Granular de 0,18 m de espesor y 7,90 m de ancho. Sub-base Granular de 0,20 m de espesor y 8,30 m de ancho. Pavimentación de las banquinas con una capa de concreto asfáltico en caliente de 0,03 m de espesor y 2,00 metro de ancho y una base granular de 0,18 m de espesor y 2,15 m de ancho.

TRAMO 2: ACCESO A RUTA PROVINCIAL Nº 34 (DESDE SAN ANTONIO DE ARREDONDO Y LAS JARILLAS) Para este tramo se ha diseñado el siguiente paquete estructural: -

Carpeta de rodamiento de concreto asfáltico en caliente de 0,05 m de espesor y 7,30 m de ancho. Base Negra de concreto asfáltico en caliente de 0,07 m de espesor y 7,50 m de ancho. Base Granular de 0,18 m de espesor y 7,90 m de ancho. Sub-base Granular de 0,20 m de espesor y 8,30 m de ancho. Pavimentación de las banquinas con una capa de concreto asfáltico en caliente de 0,03 m de espesor y 2,00 metro de ancho cada una y una base granular de 0,18 m de espesor y 2,15 m de ancho.


40

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba Zona de camino = 100,00 m.

3

7

5

4

1

8

2

6

3

5

7

Figura 3.3.2.a. Perfil Tipo Estructural en desmonte.


41


A 3

4

1

5

8

2

5

3

5

Figura 3.3.2.b. Perfil Tipo Estructural en terraplén. 3.3.3. Puentes y Viaductos El proyecto contempla la construcción de puentes en las siguientes intersecciones: -

Altonivel Intersección R.P. Nº 34 (Altas Cumbres) y R.P. C-45 Altonivel Intersección R.P. Nº 14 y R.P. S – 271 (Camino San Antonio – Las Jarillas) Altonivel Intersección R.P. Nº 34 (Altas Cumbres) y R.P. S – 271 (Camino San Antonio – Las Jarillas)

Las características resistentes de los puentes proyectados, son de Categoría I, con carga de tránsito correspondiente a aplanadora A-30, por cada faja de circulación. Son de cumplimiento las normativas del Reglamento CIRSOC, en lo que corresponda. En todos los casos se contempla la ejecución del tablero e infraestructura en hormigón armado, y las vigas principales pretensadas. En cuanto a las fundaciones se prevén directas con bases corridas e indirectas mediante pilotes pre-excavados, según sean los resultados de los estudios geotécnicos a realizar en cada lugar. El gálibo mínimo previsto es de 5.20m. Se contempla la colocación de defensas metálicas en correspondencia con los guardarruedas o veredas previstas.


42


Las longitudes, anchos de calzada, pendiente longitudinal, como el ángulo de esviaje, serán ajustados durante la etapa de ejecución. 3.3.4. Alternativas evaluadas El presente diseño de trazado del Tramo 1 ha sido realizado sobre la base de los siguientes elementos directores del estudio: -

-

-

-

-

Tipología de infraestructural prevista. La tipología de estructura prevista para esta obra, si bien se encuentra contratada para la materialización de una única calzada, dispone de un coronamiento que posibilite albergar, en un futuro, una estructura del tipo calzada doble. De esta forma se encuentran plantadas, igualmente, las soluciones correspondientes a los anchos de puentes y viaductos. En virtud de este criterio, y empleando los parámetros de diseño de la Dirección Nacional de Vialidad, la presente obra se inscribe en la denominada Categoría I (es la menor de las categorías que posibilitan la disposición de un sistema de doble calzada). Para esta categoría, considerando una topografía de montaña, la velocidad directriz de la vía debe ser de 80 km/hr. Se entiende que el criterio de inversión previsto en relación con este aspecto es: si bien no se construye la estructura de la propia calzada en la forma requerida, se materializa la infraestructura necesaria para su posterior ejecución. Se logra de esta forma un adecuado aprovechamiento de los recursos invertidos, evitando en el futuro costosas obras de readecuación de infraestructura. Proyecto de la infraestructura adaptada a la categoría definida. Se han aplicado conceptos de diseño geométrico considerando los lineamientos básicos de los Manuales de Diseño de la Dirección Nacional de Vialidad (ed. 1980) y del AASHTO (ed 2004). En particular, la funcionalidad de la traza definida ha sido verificada analizando la velocidad de circulación del vehículo de diseño, y verificando las reducciones de velocidad que el mismo sufre por efectos de curvas horizontales y pendientes. Adecuación de la traza por aspectos de afectación local de construcciones y puntos de provisión de agua. En el sector de la localidad de Las Jarillas (progresivas 06+000 a 07+000), la traza prevista se encuentra afectando en forma total los sistemas de provisión de agua de la propia población. En tal sentido, la Dirección Provincial de Vialidad ha requerido se analice la modificación de la disposición de la traza en el sector, con una relocalización de la misma hacia el Este de la actual posición. Adecuación de la localización de la traza a la disponibilidad de tierras. En particular en el sector de la progresiva 06+500, se ha recibido la instrucción de establecer una modificación en la localización de la traza debido a la existencia de severas complicaciones en la disponibilidad de los terrenos afectados por la traza original prevista. Esta situación ha condicionado en la necesidad de relocalizar la nueva traza hacia el Este de la inicialmente proyecta por la DPV. Relocalización de la intersección de la RP34 y S271. Los dos aspectos antes mencionados, así como la importancia que reviste el trazado de ascenso por la ladera occidental de las Sierras Chicas, ha determinado la conveniencia de relocalización de la intersección mencionada. Los estudios preliminares efectuados sobre la solución original prevista muestra que algunos de sus componentes presentan criterios de diseño con un alto condicionamiento de la seguridad de


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circulación (especialmente debido a la presencia de radios de giro reducidos en carriles de salida de la RP34), e importante complejidades en la materialización de algunos componentes de esa intersección, los cuales demandaría costos no contemplados inicialmente en el anteproyecto de licitación. La intersección ha sido ubicada en la progresiva 05+500, permitiendo que el “ascenso a la ladera occidental de la Sierra” se inicie unos 1.000 metros antes de lo previsto en el anteproyecto de licitación. De esta forma se logra disponer mayor longitud de desarrollo del ascenso. -

Parámetros de diseño geométrico empleados. En función de la anterior definición se ha desarrollado la geometría del trazado de este Anteproyecto. Se encuentran condicionado, entre otros parámetros, los radios de curva, los peraltes, las pendientes longitudinales, etc.

El Anteproyecto que se ha presentado, se encuentra compuesto por un desarrollo aproximado de 18 km. Para su mejor revisión ha sido divido en dos sectores: -

-

Sector A .

Comprendido entre progresiva 00+000 y 08+100. Afecta el tramo desde la conexión con el actual camino de Altas Cumbres, en el intercambiador con la ruta E96 hasta la cumbre del trazado sobre las Sierras Chicas. Adicionalmente, dentro del sector se localiza la intersección entre la RP34 y la S271, la cual se resuelve con una solución de intercambiador a desnivel. Finalmente, en progresivas 06+500, se ubica una solución de viaducto, con una longitud aproximada de 230 metros. Sector B . El mismo comprende la solución desde el punto más elevado del recorrido, hasta la intersección con la ruta C45. En virtud de las potencialidades de las soluciones y de su operatividad, se han planteado dos variantes para este sector. La variante B1 (Fig 3.3.4.a), se desarrolla de forma tal que el final del tramo se localiza sobre la C45, al sur de los terrenos correspondientes de la CONAE. La variante B2 (Fig. 3.3.4.b), mantiene el mismo trazado anterior, desde el inicio del sector, hasta la progresiva 10+500, aproximadamente. Esta variante concluye en la C45, al norte de los terrenos de la CONAE. La variante finalmente seleccionada ha sido la B1.


44


CONAE

Figura 3.3.4.a. Variante B1

CONAE

Figura 3.3.4.b. Variante B2


45


De esta manera se ha buscado cumplir con las siguientes características para el trazado geométrico de la obra, que en ciertos tramos del proyecto original no se cumplían:

Características Básicas

Parámetro

Unidad

Cat I Montaña

Vol. Tránsito

veh/día

500 a 1500

Control de accesos

Total o Parcial

Número de trochas

2

Velocidad

Directriz

km/hr

80

Peralte

Máximo

%

10%

Deseable

mts

350

Absoluto

mts

220

%

4

Long Pendiente Deseable

mts

330

Pendiente Límite

%

6

Calzada

mts

7,30

Banquina

mts

3,00

Total coronamiento

mts

19,00 a 21,00

Zona de camino

mts

100,00

Radio Mínimo

Pendiente Máxima

Ancho de Coronamiento

Taludes

Pendiente Deseable

Terraplén sin baranda h < 3 m

1:4

Con baranda 3m < h < 5m

1:2

Con baranda

h>5m

1:1 ½

Tabla 2.1. Resumen de parámetros característicos en montaña. 3.4.

Perfiles tipos de terraplén y excavación

En las figuras 3.3.1.a y 3.3.1.b se presentaron los perfiles tipos propuestos por la Dirección Provincial de Vialidad de Córdoba en el proyecto original de la obra “PAVIMENTACIÓN RUTA PROVINCIAL Nº 34 (CAMINO DE LAS ALTAS CUMBRES)”. Tal como se observa en los perfiles tipo para terraplén, a partir de cierta altura (no especificada exactamente), se propone la ejecución de muros de sostenimiento para evitar cantidades inconvenientes de suelo utilizado en el terraplén o por conveniencias constructivas, al momento de la compactación del suelo principalmente. La altura y la posición final del muro se han evaluado en la etapa de anteproyecto para cada caso en particular. El criterio general tomado para un primer diseño de estas estructuras de sostenimiento es el de permitir una altura máxima de terraplén de 20 m. Si el mismo supera dicha altura se ha dispuesto la ejecución de un muro de sostenimiento a su pie. En el proyecto original, en los planos que acompañan al pliego de especificaciones técnicas de la obra, se han propuesto únicamente muros de gravedad en dos


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configuraciones geométricas distintas según se trate muros de más o menos de 10 m de altura. (Figura 3.4.a)

5 1. 1 :

5 1. 1 :

0.80

. m 0 0 . 2 a . m 0 5 . 1

0.80

. m 0 0 . 2 a . m 0 5 . 1

1 : 4 0.60

0. 6 0 5 : 1

1 : 4

a e l b a i r a V

a

e l b a i r a V

Figura 3.4.a. Muros de Hormigón propuesto en el pliego de especificaciones técnicas. El contratista, como parte de las modificaciones propuestas al proyecto original, ha evaluado la posibilidad que algunas de estas estructuras sean muros de suelo mecánicamente estabilizados. Esto es debido a que, por razones económicas, en algunos casos puede resultar conveniente por sobre la solución de muros de hormigón en masa. A lo largo de la traza definitiva de la carretera han sido evaluados 13 sectores particulares donde debería efectuarse la construcción de muros de sostenimiento.

4. METODOLOGÍA DE CÁLCULO 4.1.

Conceptos generales

En primer lugar, para poder diseñar una estructura de sostenimiento es necesario conocer las acciones externas que actúan sobre ésta. Una vez que quedan determinadas, es posible evaluar la estabilidad externa e interna de la estructura y de esta forma verificar el predimensionamiento propuesto. Las acciones actuantes en este análisis son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Peso propio del muro. Empuje activo del suelo. Empuje pasivo del terreno. Sobrecargas sobre el relleno. Resistencia al deslizamiento (friccional y cohesiva). Acciones dinámicas producto del sismo.


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Otras acciones que pueden llegar a ser de importancia en otro tipo de estructuras son: -

Fuerzas horizontales y verticales de estructuras de la cual el muro es parte (por ejemplo: peso puente, fuerzas térmicas, sísmicas, de operación, etc.). Presiones hidrostáticas. Subpresiones por debajo de la fundación.

Estas no han sido incluidas en este análisis por considerarse de menor orden respecto a las anteriores, debido a las condiciones particulares de ubicación en la obra de los muros de sostenimiento estudiados. Luego de determinarse las acciones externas puede evaluarse si el predimensionamiento geométrico y los materiales propuestos para el muro cumplen con las condiciones resistentes mínimas. La estabilidad externa comprende la resistencia al vuelco (el momento que intenta volcar la estructura debe ser menor al que trata de estabilizarlo), la resistencia al deslizamiento (las fuerzas que tratan de desplazar al muro de sus cimientos deben ser menor a las que intentan de resistirlo), la capacidad de carga (el material sobre el que se efectúa la cimentación debe resistir las tensiones provocadas por la estructura durante su vida útil) y la estabilidad global muro-talud (evitar que se genere una superficie de deslizamiento que desestabilice el conjunto). Por otro lado, la estabilidad interna alcanza: 4.2.

Verificación del estado de tensión interna en los muros de Hº, es decir, que no se produzcan tracción en planos horizontales. En los casos que inevitablemente este tipo de tensiones se produzca, tener una longitud de fisura controlada. Verificación de arrancamiento en inclusiones en los MSME por superarse las fuerzas de fricción que se generan sobre las mismas. Verificación de rotura de inclusiones en los MSME por superarse la resistencia a la tracción del material de los refuerzos. Secuencia de cálculo de muro de suelo mecánicamente estabilizados

Si bien el diseño de los muros de hormigón en masa ha sido el primero en realizarse durante el desarrollo de la Práctica Supervisada, debido a que es la tipología propuesta por los pliegos de especificaciones técnicas de la obra, se presenta en primer lugar la secuencia de cálculo de los MSME. La razón por la cual se toma esta medida es la siguiente: los MSME presentan las mayores particularidades en el cálculo, principalmente en lo referente a la estabilidad interna. De esta manera resulta más sencilla y clara la exposición del cálculo para este tipo de estructuras, explicándose luego las modificaciones que deben realizarse a dicha secuencia de pasos para la verificación de los muros de gravedad. La secuencia que se ha adoptado para es la recomendada por la Federal Highway para el diseño de muros de tierra armada. Los pasos de cálculos detallados se exponen en el Anexo A. Etapa 1.

Establecer los requerimientos de proyecto


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1.1.

Geometría: altura libre del muro, profundidad del cimiento, pendiente de la superficie del relleno, pendiente del suelo de cimentación.

Figura 4.2.I. Diseño geométrico del muro de sostenimiento. 1.2. 1.3.

Condiciones de carga: sobrecarga externa, coeficiente de aceleración horizontal, coeficiente de aceleración vertical, coeficiente de reducción de desplazamiento. Criterio de desempeño del sistema de flejes: tensión de rotura del fleje, ancho del fleje, altura del fleje, pérdida de espesor del fleje durante la vida útil, factores de reducción de resistencia.

Etapa 2. 2.1. 2.2.

Establecer parámetros de proyecto

Condiciones de subsuelo en el sitio: densidad, ángulo de fricción, cohesión, ángulo de fricción entre el bloque y el cimiento. Material de relleno del muro: densidad, ángulo de fricción, cohesión.

Etapa 3.

Estimación de la altura del muro y la longitud de refuerzo

El cálculo para la verificación de estabilidad externa de los muros de tierra armada se efectúa tomando 1 metro de longitud de muro, en tanto que para la estabilidad interna se toma el ancho de la malla rigidizadora utilizada (a m). Por lo tanto, se deben tomar determinadas alturas características en función de la ubicación del sistema de inclusión, para realizar los cálculos. Por esta razón debe plantearse la altura del muro para el cálculo y la longitud de inclusión en los distintos niveles. Etapa 4.

Definir las cargas nominales


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Existen determinadas cargas nominales que se desarrollan en el escenario estático, a las que se le agregan otras para analizar la situación dinámica. Cargas nominales estáticas: peso propio del bloque, pero propio del relleno superior, sobrecarga, empuje activo del suelo y de la sobrecarga (ambos descompuestos en sus componentes verticales y horizontales) Cargas nominales dinámicas: inicialmente se define el coeficiente de empuje activo dinámico y con él se obtiene el empuje dinámico en sus 2 componentes ortogonales. Adicionalmente se tiene la inercia del bloque. Dependiendo del escenario analizado, se toma en sentido ascendente o descendente la componente vertical de las cargas dinámicas, según el caso más desfavorable. La Figura 4.2.II muestra la distribución combinada de los esfuerzos externos considerados.

Figura 4.2.II. Cargas actuantes sobre el muro de sostenimiento. Etapa 5.

Resumir las combinaciones de carga, factores de carga y factores de

resistencia Tanto para la verificación de la estabilidad interna como externa, se ha utilizado el método LRFD (resistencia minorada y cargas mayoradas). Por lo que se han determinado factores de mayoración y minoración para los escenarios estáticos y dinámicos para el cálculo de las estabilidades externas. Estos han sido obtenidos del reglamento de la Federal Highway. Por otro lado, para la estabilidad interna, se han tenido en cuenta factores de minoración de la resistencia del material empleado, extrayendo dichos valores del encarte técnico de Maccaferri para estructuras en suelo reforzado.


50


Etapa 6.

Evaluar Estabilidad Externa (Estado Estático)

6.1.

Deslizamiento 6.1.1. Calcular el empuje nominal, por unidad de longitud, que actúa sobre la parte posterior de la zona reforzada, con los factores de carga correspondientes. 6.1.2. Calcular los componentes nominales de las fuerzas de resistencia en la superficie de deslizamiento y los factores correspondientes, por unidad de longitud de muro. 6.1.3. Comparación de la resistencia al deslizamiento. 6.2. Vuelco 6.2.1. Criterio de FS al vuelco (comparación de momento de vuelco y momento estabilizante). 6.2.2. Criterio de Excentricidad (relación entre la excentricidad producida por la resultante de las fuerzas actuantes y la longitud de la base del muro). 6.3. Capacidad de Carga 6.3.1. Calcular excentricidad (eb). 6.3.2. Calcular las tensiones verticales mayoradas. 6.3.3. Determinar la capacidad de carga nominal del suelo. 6.3.4. Comparación capacidad de carga – tensiones mayoradas. Etapa 7.

Consideraciones adicionales para el escenario dinámico.

En todos los casos verificados anteriormente debe adicionarse el efecto producido por el sismo, tanto en los esfuerzos horizontales que genera, como en los verticales descendentes o ascendentes, según el caso más desfavorable, además de cambiar los factores de mayoración y minoración del escenario estático por el del dinámico. Luego, la verificación de la estabilidad externa al deslizamiento, vuelco y capacidad de carga, se lleva a cabo de la misma manera que para el escenario estático. Etapa 8. 8.1.

Evaluar Estabilidad Interna

Establecer el diseño vertical de los refuerzos de suelo. Debe prediseñarse en primer lugar cómo será la distribución vertical de los refuerzos en la masa de suelo que conforma el muro, es decir, definir la separación entre los distintos niveles. La distribución horizontal, por ejemplo en el caso de utilizar flejes metálicos como inclusiones, se lleva a cabo repartiendo uniformemente la cantidad de flejes adoptados en la longitud de la malla rigidizadora utilizada por bloque.

8.2.

Seleccionar tipo de refuerzo del suelo. Una vez definida la distribución vertical de los refuerzos, se selecciona el material de los mismos, de modo de conocer si se trata de un refuerzo extensible o inextensible, ya que esto determina la superficie de separación entre la zona activa (no ayuda a resistir las cargas propias del suelo) y la zona resistente (trabaja en el desarrollo de las fuerzas resistentes internas del muro). En las Figuras 4.2.III.a y 4.2.III.b se observa como determinar la longitud de la zona activa tanto para el caso de refuerzos inextensibles como extensibles.


51


Figura 4.2.III.a. Zona activa y zona resistente en muros con refuerzos inextensibles.

Figura 4.2.III.b. Zona activa y zona resistente en muros con refuerzos extensibles.


52


8.3.

8.4.

Definir la superficie de deslizamiento crítico. Cada uno de los niveles donde se encuentran los refuerzos es una superficie de deslizamiento crítico para la estabilidad interna, por lo que deben verificarse cada uno de dichos niveles a la rotura y al arrancamiento de la inclusión. Definir las cargas mayoradas. Inicialmente debe definirse la presión vertical que genera la porción de terreno (P vs) que se encuentra sobre el nivel superior de refuerzos. Ésta se considera como el 70% de la carga que produce ese volumen de suelo. Con este valor se calcula la fuerza horizontal (F Hi) que deben resistir los refuerzos del nivel “i”, denominada fuera de tiro. tiro .

8.5.

Calcular la resistencia del refuerzo de suelo. La resistencia a la rotura ( r ) de cada tipo de refuerzo depende del material utilizado para el mismo y del factor de reducción que le corresponde. Debe tenerse en cuenta que el factor de resistencia al arrancamiento que interviene en el cálculo varía de la siguiente manera:

Flejes metálicos

Figura 4.2.IV. Variación del coeficiente de relación de esfuerzos laterales (Kr / Ka) con la profundidad en un MSME.


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8.6.

8.7. 8.8.

Seleccionar grado y/o número de elementos de refuerzo en cada nivel. En función de la resistencia al arrancamiento y a la rotura, se procede a predimensionar la altura de los niveles y la longitud de las inclusiones en el muro, a ser verificadas en los pasos siguientes. Verificar la estabilidad interna con respecto al arrancamiento Verificar estabilidad interna con respecto a la rotura del refuerzo

Etapa 9. 9.1.

9.2. 9.3.

Consideraciones Consideracio nes adicionales para el escenario dinámico

Incremento de tiro. Debido al movimiento sísmico se produce un empuje adicional del suelo que se encuentra en la zona activa del muro. De esta forma el valor de dicha fuerza total se calcula con el volumen de suelo en la zona activa para una longitud unitaria de muro. Este incremento de empuje se distribuye en proporciones iguales entre todos los niveles que conforman el muro. Resistencia a rotura. La resistencia a la rotura se determina de manera idéntica a como se calcula para el escenario estático, sólo que debe reemplazarse el factor de minoración de resistencia estático por el dinámico. Resistencia a arrancamiento. El cálculo de esta resistencia se realiza de la misma forma que para la situación estática disminuyendo la presión vertical debido a la componente vertical ascendente del sismo.

Etapa 10.

Verificar estabilidad estabilidad global.

La estabilidad global del muro, considerando el suelo o roca de fundación, puede realizarse con distintos softwares a tal fin, con cualquiera de los métodos conocidos de rotura por superficie de falla, como por ejemplo Bishop. 4.3.

Cálculo de muros de hormigón en masa

Para el cálculo de los muros de gravedad es necesario hacer algunas salvedades respecto a los muros de suelo mecánicamente estabilizado. En primer lugar debe predimensionarse la geometría de la sección transversal del muro en función de los requerimientos del proyecto, para luego verificar tanto su comportamiento global como interno. Cabe aclarar que la geometría en esta tipología de muros es determinante en el aspecto económico al momento de su comparación con otros métodos, ya que el mismo está conformado íntegramente por hormigón. De la misma manera que para los MSME, es necesario establecer los parámetros de los materiales intervinientes, para poder determinar con ellos las cargas nominales actuantes sobre el bloque. Éstas son las mismas que para la tipología de estructura explicada anteriormente. En lo que respecta a la estabilidad externa, se utilizan idénticas combinaciones de carga, factores de carga y factores de resistencia que para los MSME, ya sea para el análisis estático o para el análisis dinámico. Es necesario aclarar que, tal como se expone en los planos de perfiles tipos de muros de hormigón, éstos pueden presentar una base escalonada cuando se lo considere


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necesario, lo que significa que puede tomarse un cierto valor de pendiente media para la cimentación de los mismos. Por lo tanto, al momento de la evaluación de la capacidad de carga deben utilizarse los ábacos de Meyerhof para superficies de apoyo con pendiente distinta a la nula, para determinarse el factor de capacidad de carga N cq para suelos cohesivos (Fig. 4.3.a) y el factor de capacidad de apoyo N q (Fig. 4.3.b), para suelos puramente granulares. Siendo  en ambos gráficos la inclinación del terreno. El análisis de capacidad de carga se efectúa con el criterio de la tensión máxima y con el de la tensión media. Para ambas formas de estudiar la capacidad del material de cimentación se determina un Factor de Seguridad que debe superar el límite mínimo.

Figura 4.3.a. Factor de capacidad de carga Ncq de Meyerhof para suelo puramente cohesivo.


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Figura 4.3.b. Factor de capacidad de apoyo N q de Meyerhof para suelo granular (c=0).

La diferencia sustancial radica en la verificación de la estabilidad interna, ya que esta tipología de solución no posee inclusiones y suelo compactado, sino que está conformada por un bloque macizo de hormigón. En este caso, la verificación se realiza tomando distintos planos posibles de rotura del muro. En cada uno de ellos se calcula la distribución de tensiones producto de la flexocompresión producida por las cargas gravitatorias y las cargas de empujes de suelo estáticos y dinámicos. Para ello se utiliza la fórmula de Navier: =

 

±

 

Tomando como válidas todas las hipótesis del mismo autor. Lo que se intenta respecto a este punto, en el diseño geométrico de la sección del muro, es que no se produzcan tracciones en ningún punto la superficie de rotura evaluada. En el caso en que sea excesiva la cantidad de hormigón que se requiere para conseguir esta premisa, puede admitirse que se produzcan fisuras en la sección, controlando la longitud de las mismas para que éstas no sean exageradas, poniendo en peligro la estabilidad interna de la estructura. Lo que se hace de modo práctico para el cálculo, es tomar una cierta cantidad de planos horizontales que atraviesen el muro, tratando de cubrir toda su altura, y realizar este análisis. Finalmente, en cuanto a la estabilidad global del conjunto muro-talud, se verifica de la misma manera que para los MSME, buscando no quedar por debajo del factor de seguridad mínimo propuesto para cada escenario de estudio.


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4.4.

Efecto sísmico

La evaluación del empuje activo dinámico de suelo requiere de un análisis complejo que considera la interacción suelo-estructura. Para ello, algunos autores han adoptado hipótesis simplificativas, considerando el relleno como material granular no saturado, fundación indeformable, admitiendo que la cuña de suelo es un cuerpo rígido y que los desplazamientos laterales son despreciables. Con estas limitaciones Okabe (1926) y luego Mononobe (1929), formularon una teoría sobre el comportamiento de una cuña que se desliza sobre un plano de falla actuando sobre un muro de contención (Coulomb, 1776). La formulación consiste en introducir fuerzas de inercia generadas en la cuña deslizante con una serie de hipótesis (Tabla 4.4.I) a través de coeficientes sísmico horizontal y vertical, representativo del terremoto, que multiplicados por el peso de la cuña dan como resultado dos acciones adicionales a las consideradas por la teoría estática de Coulomb.

Tabla 4.4.I. Hipótesis simplificativas de Mononobe y Okabe Este método pseudo-estático consiste en determinar el empuje activo dinámico (Kad), planteando el problema como se muestra en la Figura 4.4.a.

Figura 4.4.a. Análisis de Mononobe y Okabe


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Los resultados de este método pueden considerarse conservadores si se tiene en cuenta que estructuras de contención que no verifican según este método, no han volcado durante sismos severos. Ello se debe a que se produjeron desplazamientos en los muros sin que los mismos salieran de servicio. La magnitud del empuje es función directa del coeficiente de empuje activo dinámico K ad, el que a su vez depende de una serie de factores incluidos en la formulación de Mononobe y Okabe. Estos factores son, i: pendiente del relleno, φ: ángulo de fricción interna, Kh: coeficiente sísmico horizontal, β: inclinación del muro de contención, δ: ángulo de rozamiento muro-suelo. Seed (1970) y Terzariol et al. (1987) estudiaron la influencia de alguno de estos parámetros, como la pendiente de relleno, el ángulo de rozamiento suelo-muro y el ángulo de fricción interna del suelo con el coeficiente sísmico. De esos estudios puede concluirse que el ángulo δ no tiene prácticamente influencia, mientras que el ángulo de fricción interna φ es la variable más significativa. La pendiente del relleno i debe estar limitada para que la fórmula no sea indeterminada. En la Figura 4.4.b se ha graficado la variación del coeficiente de empuje Kad en función del ángulo de fricción, el componente sísmico y la inclinación del muro β.

Figura 4.4.b. Variación de Kad en función de Kh para i=0, Kv=0 Como se aprecia, la incidencia de estos parámetros es significativa en especial a medida que aumenta el coeficiente sísmico horizontal Kh. Terzariol et al. (1987) demostraron que no existen variaciones significativas si en lugar de considerar dos empujes (Ead y ∆Ead), se considera el empuje total actuando a 0.5 H. La fórmula de Mononobe y Okabe, pese a que su planteo parece muy general, al considerar tantas variables en juego, presenta una serie de limitaciones. Las variables no son independientes entre sí, tienen diferente influencia y se encuentran acotadas por ciertos límites. A estas consideraciones debe sumarse el hecho de que muchos de estos parámetros provienen de ensayos geotécnicos con sus correspondientes incertidumbres, y otros son características del terremoto, con su aleatoriedad. Todo esto justifica el


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empleo de expresiones simplificadas para determinar los empujes activos dinámicos, que puestas al alcance del ingeniero proyectista, permitan su uso en forma rápida y sencilla.

Figura 4.4.c: Parámetros de calibración para la formulación propuesta. La formulación presentada se obtiene a partir de aproximaciones exponenciales para las curvas resultantes del modelo de Mononobe y Okabe. En forma general la misma puede expresarse con la siguiente expresión:  = .  .ℎ

donde ρ y  son funciones de φ y de β, son parámetros de calibración. La Figura 4.4.c muestra la relación entre parámetros de calibración para el modelo propuesto en función del ángulo de fricción φ. La Figura 4.4.d muestra el ajuste del modelo propuesto para diferentes condiciones de las variables. A esta formulación puede adicionarse una simplificación en la metodología de verificación al vuelco y desplazamiento, considerando que la resultante del empuje dinámico Ead, actúa a 1/2 H. Estas formulaciones pueden combinarse con los desplazamientos controlados dando lugar a una metodología de diseño que puede resumirse de la siguiente manera: -

Con el ángulo de fricción del suelo ingresar a la Figura 4.4.c, y obtener los valores de ρ y τ. Con los resultados del punto anterior y la ecuación calcular K ad. Obtener el empuje activo dinámico total con la ecuación correspondiente. (Ver coeficiente de empuje activo dinámico en “Método de cálculo desarrollado para el diseño de MSME”, Anexo A)


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Figura 4.4.d. Ajuste de la formulación propuesta respecto de Mononobe y Okabe El resultado de la formulación propuesta también se encuentra en nomogramas. La Figura 4.4.e muestra la forma general de un nomograma típico, y un esquema para su uso. La utilización de los nomogramas presentados permite evaluar el empuje de manera práctica, sin la necesidad de emplear fórmulas complejas.

Figura 4.4.e. Esquema representativo de los nomogramas. Debido a este análisis presentado respecto a la evaluación del sismo en esta clase de estructuras, es que se propone, a modo práctico, la utilización de un coeficiente de aceleración sísmica reducido equivalente, respecto a los utilizados en la verificación de los muros de gravedad. Se entiende de esta manera, ya que los muros de suelo mecánicamente estabilizados admiten desplazamientos mayores sin perder funcionalidad ni significativa resistencia a las acciones externas. Se admite este tipo de simplifacación debido a la etapa de la obra en que se ha realizado este estudio y a que se han adoptado características geométricas promedio para el mismo.


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4.5.

Modelos de cálculo desarrollado

Para el cálculo y verificación del dimensionamiento de los muros de sostenimiento en cualquiera de las tipologías planteadas para este proyecto, el alumno ha confeccionado modelos de cálculo utilizando una planilla de cálculo del tipo Excel. En el caso de los muros de hormigón en masa, la planilla consta de un sector donde se completa con los datos de geometría del bloque de hormigón que conforma la estructura, la geometría y pendientes del terreno y el relleno, las características de los materiales y las características del sismo para la evaluación dinámica (Tablas 4.5.a y 4.5.b). Ésta brinda como salidas en otra parte de la pantalla: -

Un gráfico esquemático de la situación planteada, que permite corroborar con criterio si las proporciones geométricas son adecuadas o exageradas en algún sentido. (Fig. 4.5.I) Cuadros resúmenes de los factores de seguridad tanto para el escenario estático como para el escenario dinámico. (Tabla 4.5.c) Estado tensional interno del muro de hormigón en 5 planos horizontales equidistantes distribuidos en toda la altura del mismo, incluyendo el porcentaje de fisuración en el caso en que se produzcan tracciones. (Tabla 4.5.d) GEOMETRÍA DEL MURO H (m) Altura total h1 (m) Enterrado Trasdós h2 (m) Enterrado Intradós h3 (m) h4 (m) b1 (m) b3 (m) b4 (m)

Altura 1º escalón Altura 2º escalón Coronamiento 1º escalón 2º escalón

X X X X X X X X

Pendientes Intradós xv:1h Intradós Trasdós yv:1h Trasdós Terreno 1v:zh Terreno

X X X

Coeficientes Sísmicos kv kh

X X

Sobrec. (t/m2) Sobrecarga

X

Tabla 4.5.a. Cuadro de ingreso de datos de geometría del muro, coeficientes sísmicos y sobrecarga.


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Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba PARÁMETROS DE MATERIALES Hormigón  º (t/m3)

X

Relleno  (t/m3)  (º)

X X X

Ka

CÁLCULO

δ (Hº-rell)

X CÁLCULO

c (t/m2)

Áng. Desproy

Empotr. Muro (Intrasdos)  (t/m3)

c1 (t/m2)  (º)

X X X

Kp CÁLCULO Empotr. Muro (Trasdos)



X X X

Ka (roca)

CÁLCULO



c2

Base de Apoyo c (tn/m2)  (º)

X X X

Nc Nq N

CÁLCULO CÁLCULO CÁLCULO

δ (Hº-apo)

X X X

base

Ncq Nq

Tabla 4.5.b. Cuadro de datos de parámetros de materiales. Las celdas con la letra “X” son las que se completan con los datos pertinentes del problema. Aquellas con la inscripción “CÁLCULO”, otorgan directamente el valor obtenido a partir de cálculos realizados con datos de otras celdas.


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Figura 4.5.I. Ejemplo de esquema del muro otorgado por el modelo. FACTORES DE SEGURIDAD - ESTADO ESTÁTICO FS v

Vuelco

CÁLCULO

FS d

Deslizamiento

CÁLCULO

FS t1

Presión Contacto Máxima

CÁLCULO

FS t2

Presión Contacto Media

CÁLCULO

RESULTADO

APRUEBA/NO APRUEBA

FACTORES DE SEGURIDAD - ESTADO DINÁMICO FS v

Vuelco

CÁLCULO

FS d

Deslizamiento

CÁLCULO

FS t1

Presión Contacto Máxima

CÁLCULO

FS t2

Presión Contacto Media

CÁLCULO

RESULTADO

APRUEBA/NO APRUEBA

Tabla 4.5.c. Cuadro de resultados de estabilidad externa.


63

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba Altura

Base

q máx. [tn/m2]

q mín. [tn/m2]

Condición

q máx. correg. [tn/m2]

Long. Fis. [m]

% fisurado

corte

4/5 H 3/5 H 2/5 H 1/5 H

Tabla 4.5.d. Cuadro de resultados del estado tensional interno del muro. Siendo: -

-

Altura: la altura del muro por sobre el plano horizontal de análisis. Base: el ancho del muro en la superficie de análisis por unidad de longitud. q máx: la máxima tensión de compresión desarrollada en el plano. q mín: la mínima tensión de compresión o la máxima teórica de tracción presente en el plano. Condición: “Fisurado” o “Comprimido completamente”. q máx. corregido: la tensión de compresión máxima desarrollada en el caso que se produzca la fisura, debido a que el hormigón no tomará esfuerzos de tracción, modificándose de este modo el diagrama de tensiones a uno triangular puramente de compresión. Long. Fis.: longitud de la fisura esperada. % fisurado: relación entre la longitud de la fisura esperada y el ancho del plano de análisis.  corte: tensión de corte desarrollada por el hormigón en la superficie de estudio.

De este modo, de manera sencilla pueden evaluarse distintas configuraciones geométricas de la estructura, del terreno de apoyo y del relleno de manera rápida y mecanizada. Así como también es posible realizar correcciones en corto tiempo ante variaciones en los parámetros supuestos producto de un seguimiento más detallado de los materiales encontrados en obra al momento de la ejecución de los muros. Por otro lado, para los MSME se ha creado otro modelo en planillas de cálculo tipo Excel con el mismo propósito: evaluar la estabilidad interna y externa de los mismos de manera rápida y sencilla. Para ello, el alumno ha confeccionado un cuadro de entrada de datos como el siguiente: Geometría del muro Altura Libre

X

m

Material

X

Prof Cimiento

X

m

Ancho Frente

X

m

Pend. Relleno

X

h: 1v

Base de Bloque

CÁLCULO

m

Áng. Terreno

CÁLCULO

º

Inclusión Sup.

CÁLCULO

m

Altura Intradós

CÁLCULO

m

Prof. Media

CÁLCULO

m

Altura Trasdós

CÁLCULO

m

Áng. Trasdós

CÁLCULO

º


64

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba Parámetros de Suelos Relleno

Parámetros de Cimiento

Dens. Relleno

X

tn/m3

Densidad

X

tn/m3

Fricción 

X

º

Fricción 

X

º

Cohesión

X

tn/m2

Cohesión

X

tn/m2

 relleno-incl)

X

 bloq-cim)e

X

 bloq-cim)d

X

Nc

CÁLCULO

Nq

CÁLCULO

N

CÁLCULO

Cálculo Coef Empuje Activo

Cáculo Coef Empuje Dinámico

Angulos Característicos del Trasdos

CÁLCULO

rad

Coeficientes de Aceleración X kh

de Pendiente

CÁLCULO

rad

Kv

X

de Fricción

CÁLCULO

rad

Coef. Red. Despl.

X

Rozam. muro

CÁLCULO

º

Kh

X

CÁLCULO

rad

Ψ

CÁLCULO

Par Intermed

CÁLCULO

Ang. de Fzas.

CÁLCULO

ka estático

CÁLCULO

ka dinámico

CÁLCULO

g g g

º

Sobrecarga Sobrec. (tn/m2)

X

Sistema de Inclusiones Componente

A

B

Tipo: Tensión Rotura

X X

X X

tn/m2

Ancho

X

X

m

Altura

X

X

m

Pérdida Espesor

X

X

m

Sección Efectiva

CÁLCULO

CÁLCULO


C

D

cm2

65


Factores reducción fcreep

X

Control Calidad de Producto

f111

X

Confianza en Tolerancia de Prod Industrial

f112

X

Confianza en Datos Iniciales

f121

X

Extrapolación de Comport a Período de VU

f122

X

Daños Instalación

f211

X

Daños Instalación elementos Complem (PVC)

f212

X

Degradación quím, biológica y UV

f22

X

FACTOR DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA

ft

CÁLCULO

F Dinámico

X

Creep

Resistencia a Tracción

F. Estático

Estático

CÁLCULO

tn

Dinámico

CÁLCULO

tn

X

tn

Tabla 4.5.e. Cuadro de entrada de datos generales para cálculo de MSME. El cuadro de datos referido al sistema de inclusiones, mostrado en la figura anterior, corresponde a los muros del tipo Terratrel, que utilizan una cierta cantidad de flejes metálicos por unidad de superficie frontal de muro. En tanto que para la tipología de muros que utiliza malla metálica y refuerzos de geogrilla (Terramesh), debería cambiarse dicho cuadro por el siguiente: Sistema de Inclusiones Componente Tipo: Tensión Rotura

A Malla X

B

C

Geogrilla

Geogrilla

“X” KN/m

“Y” KN/m

X

X

tn/m

Tabla 4.5.f. Cuadro de entrada para sistema de inclusiones en MSME del tipo Terramesh. Cabe recordar que dependiendo del material utilizado como inclusión, los factores de reducción de resistencia cambiarán. Una vez seleccionados los parámetros generales de materiales a utilizar para el diseño del muro, se procede a plantear una disposición horizontal y vertical de flejes (Tabla 4.5.g) que satisfaga los factores de seguridad mínimos tanto para la estabilidad interna como externa, a través de los siguientes cuadros de salida:


66

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba LOCALIZACION DE INCLUSIONES Refuerzo Espesor Cantidad Longitud Tipo de Ponderación Nro. Capa (#/3m) Inclusión Inclusión de longitud (mts) (mts) Empleada de Inclusión 1 Σ

X

X

X

CÁLCULO Cantidad de capas

X

CÁLCULO

CÁLCULO

CÁLCULO

Figura 4.5.g. Cuadro de localización de inclusiones en el muro. Refuerzo Inclusión Nro. Empleada

Factores de Seguridad Internos Estático Estático Dinámico Dinámico Tracción

Arranque

Tracción Arranque

1

Tabla 4.5.h. Cuadro de salida de factores de seguridad para estabilidad interna. Estabilidad al deslizamiento

Estabilidad al vuelco

Capacidad de carga

Factores Mayoración



Empuje

X

Empuje

X

Empuje

X

Carga Vert

X

Carga Vertical

X

Carga Vertical

X

Sobrecarga

X

Sobrecarga

X

Sobrecarga

X

Factores Minoración

Factor Minoración

Factor Minoración

Resistencia

X

Estabilizante

X

Resistencia

X

Empuje (tn)

CÁLC.

M Emp. Suelo

CÁLC.

eb (m)

CÁLC.

F sobrec. (tn)

CÁLC.

M Emp. Sobrecarga

CÁLC.

e adm. (m)

CÁLC.

F Horiz. Mayorada (tn)

CÁLC.

Mv (tnm)

CÁLC.

σv (tn/m2)

CÁLC.

Σ V (tn)

CÁLC.

M estabilizador

CÁLC.

Área Apoyo

CÁLC.

Rr (tn)

CÁLC.

M estab. red (tnm)

CÁLC.

qu (tn/m2)

CÁLC.

FS deslizamiento

CÁLC.

FS vuelco

CÁLC.

FS capac. carga

CÁLC.

Tabla 4.5.i. Cuadro de salida de factores de seguridad para estabilidad externa. Posteriormente, tanto para los muros de hormigón como para los de suelo mecánicamente estabilizado, además de los cálculos realizados por los modelos generados por el alumno, deben someterse a un análisis de estabilidad global muro-talud. Éste puede ser llevado a cabo por cualquier software diseñado a tal fin. Debe adoptarse un método de análisis para el estudio y el factor de seguridad pretendido para cada uno de los escenarios. De esta manera se verifica que éstos se satisfagan para la configuración geométrica planteada. 4.6.

Modelos tenso-deformacionales

Finalmente, para conocer ciertos parámetros del funcionamiento de la estructura y verificar comportamientos, pueden utilizarse métodos de elementos finitos, a través de software adecuados.


67


Con ellos es posible evaluar desplazamientos o tensiones en lugares puntuales, que puedan resultar de particular interés en distintas etapas de la obra. Éstas pueden ser, por ejemplo, luego de la construcción del muro, luego de la colocación del suelo de relleno sobre la estructura, etc.

5. ANÁLISIS REALIZADOS A modo de presentación se expone el análisis realizado sobre 2 muros, uno con muro de hormigón en masa como solución adoptada y el otro con MSME del tipo Terratrel (con flejes metálicos como inclusiones). Se presentan sólo estos casos, ya que para los 13 sectores de la obra que requieren muros se llevó a cabo el mismo análisis y no resulta de interés los resultados de cada uno de ellos a los fines de este Informe Técnico Final de la Práctica Supervisada. 5.1.

Datos del problema

5.1.1 Materiales Los valores que se han utilizado para el diseño de los muros de suelo mecánicamente estabilizado, con el actual nivel de conocimiento geotécnico del sitio de emplazamiento de la obra, considerando el uso de elementos inextensibles, se resumen en la Tabla 5.1.1.a Parámetros Resistentes

Material

Cimiento Terraplén Relleno en SME (sin inclusión) Relleno en SME (con inclusión) Hormigón Pie de muro

c kPa 0* 0 0 100**

(º) 40 45 45 45

0

50

Módulo Elasticidad

Modelo de Aplicación

kPa 65.000 65.000 55.000 55.000 45.000 45.000 20.000.000 25.000

Mohr Coulomb Mohr Coulomb Mohr Coulomb Mohr Coulomb Elasto – Elasto – Plástico Plástico Mohr Coulomb

Tabla 5.1.1.a. Características de Materiales Empleados. *En las modelaciones de estabilidad de talud se ha incluido un componente de cohesión, **En las modelaciones de estabilidad de talud se ha incluido un componente de cohesión de 100 k Pa para el material suelo – suelo – inclusión inclusión en Terratrel

En función de la instancia en la cual se ha efectuado el análisis y diseño de las estructuras de sostenimiento, con carencia de los resultados de los correspondientes estudios geotécnicos específicos, se han efectuado un conjunto de estimaciones sobre los parámetros de aplicación. Para adoptar los parámetros del material de cimentación y teniendo en cuenta que siempre se llevará a cabo sobre roca, las estimaciones se han realizado en función de los antecedentes geológicos disponibles y expuestos en el capítulo “Descripción de la obra”. obra” . En tanto que para el material de relleno se ha evaluado, a través de visitas a obra en épocas de las primeras excavaciones y limpieza de terreno, el material extraído para utilizarse a tal fin. Dicho material se ha considerado como arenas medias densas angulares, con contenido de gravas.


68


Se presenta en la tabla 5.1.1.b., un cuadro extraído de “ Braja M. Das. Advance Soil Mechanics. 3 Edition. 2008”, que muestra la consistencia de los valores adoptados para el material de relleno. Las propiedades se han fijado en función de parámetros medios. Se han adoptado parámetros de resistencia y deformación que pueden considerarse medios, desde el punto de valores de uso en problemas geotécnicos similares. Se considera que estos parámetros serán verificados en la etapa de ejecución de cada solución, a fin de confirmar las hipótesis de trabajo aplicadas, y con estas la solución geométrica de aplicación.

Tabla 5.1.1.b. Valores típicos de fricción y fricción residual para suelos granulares. En el caso de los MSME, y para algunas de las formas de análisis es necesario valorar el comportamiento individual de cada elemento que actúa a modo de inclusión en la masa que conforma el muro. En este caso, los elementos empleados son los indicados en las Tablas 5.1.1.c. y 5.1.1.d. Material

Sección

Fleje Metálico 50x4 Rectangular

Superf. Efectiva Módulo Elast. Cant. media [cm]

[kPa]

por metro

1,47

210.000.000

1,33

E.A 41.160

Tabla 5.1.1.c. Características de los Elementos de Inclusión.


69

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba Factores de reducción f creep

1.00

f 111

1.05

f 112

1.05

f 121

1.00

f 122

1.05

f 211

1.12

f 212

1.00

f 22

1.05

(Crd)

0.85

Tabla 5.1.1.d. Factores de reducción de resistencia de las Inclusiones. 5.1.2 Estados de carga Los estados de carga analizados se conforman en función de los elementos componentes del sistema muro – terreno. En este sentido, se han valorado dos estados de carga: -

-

Est ado Est áti co . Sólo

actúan los componentes de peso propio del sistema muro – terreno. En la conformación geométrica del sitio de localización del muro, se ha considerado que el mismo actúa como muro de pie de un terraplén, con una diferencia de altura entre el coronamiento del muro y el de calzada del orden de los 20 metros. La pendiente del talud ha sido adoptada con un valor de 1v:1,5h. Est ado Din ám ico . Comprende la aplicación de condiciones sísmicas sobre el sistema anterior. Los factores de aceleración sísmica (ah y av), han sido objeto de una revisión por parte de Consultores reconocidos en el medio (Dr. Carlos Prato e Ing. Geol. Ricardo Rocca), a fin de valorar la incidencia de la proximidad de la falla de las Sierras Chicas en la fijación de parámetros de cálculo en el sector.

5.1.3 Sismo de diseño La traza Las Jarillas-Falda del Cañete atraviesa la Sierra Chica que está constituida por un bloque metamórfico rotado basculado a lo largo de la Falla del mismo nombre. Por las características geométricas, la parte oeste de la ruta, hasta la falla, estará en posición foot wall, mientras que la parte oeste, estará hanging wall. Es por ello que en caso de movimiento debido a la falla, las consecuencias serán diferentes en ambos sectores.


70


Figur a 5.1.3.I. Mapa de aceleracion es co n ri esgo sísm ico cor respo ndien te a un p er íod o d e r eto rn o T d e 475 añ os (extractado del Mapa por el USGS en

sus

informes). Zona Centro-Sur de Argentina.

Figur a 5.1.3.II. Mapa de aceleracion es co n r iesgo sísm ico cor respo ndien te a un p er íod o d e r eto rn o T d e 475 añ os (extractado del Mapa por el

USGS en sus

informes). En celeste, el sector de la obra vial.


71


Se ha establecido, en función de los estudios realizados, un conjunto de parámetros de aplicación, en función de la zona de localización de cada componente de obra (a fin de establecer las características del espectro de base) y en función del tipo de estructura que se considere (a fin de identificar la influencia de los efectos de disipación de energía propia de cada elemento). Las Tablas 5.1.3.a establecen una síntesis de los valores empleados en los cálculos. La Figura 5.1.3.III muestra los acelerogramas resultantes para cada sector de la obra. Se aprecia en la Tabla la inclusión de una columna denominada CIRSOC, la misma se presenta a modo de comparación, incluyendo los datos correspondientes a la aplicación en forma estricta de las recomendaciones de la norma para la zona 1, suelo 1. Por comparación, se puede evaluar la incidencia de la proximidad a la falla, en relación con el uso de la norma en zonas más alejadas. En función de los valores antes obtenidos, se han corregido las correspondientes aceleraciones en función de las características de los muros como componentes de la obra y de sus rigideces (capacidad de disipación de energía). El factor de tipo de obra empleado ha sido igual a 1,0. En tanto que los valores de ductilidad de referencia se han fijado en 1,5 para el caso de los muros de hormigón y 2,5, para los MSME-T. Sector

1A

1B

2A

2B

Progresiva Inicial

0

5000

8500

13500

Progresiva Final

5000

8500

13500

18500

Longitud (m)

5000

3500

5000

5000

ZONA SISMICA

1

1++

1++

1

TIPO DE SUELOS

1

1

1

2

Vel. onda de corte

> 700

> 700

> 700

rocas o

rocas o

rocas o

suelos rígidos

suelos rígidos

suelos rígidos

Identificación suelo

Suelos

Tabla 5.1.3.a. Resumen de parámetros sísmicos empleados. Fuente: Adaptado a partir de CIRSOC 103. PARAMETROS DE ESPECTRO CIRSOC Aceleración basal 0,080 Plafón 0,240 Período inicio plafón 0,200 Período fin plafón 0,600 Factor de Ac Vertical 0,400

1A 0,100 0,240 0,200 0,600 0,400

1B 0,130 0,240 0,075 0,600 0,400

2A 0,110 0,240 0,125 0,600 0,400

2B 0,110 0,270 0,300 0,800 0,400

Tabla 5.13.b. Resumen de composición del acelerograma de base. Fuente: Adaptado a partir de CIRSOC 103.


72

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba 0,30

) g / a (

0,25

N0,20 O I C A R E 0,15 L E C A O D 0,10 E U S P

1A 1B

2A 2B

0,05

0,00 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

PERIODO (seg)

Figura 5.1.3.III. Acelerogramas de base para aplicación en distintos sectores de la obra. Para tener en cuenta el efecto de restricción de movimiento del muro de hormigón, sobre los factores de reducción antes indicados se le ha aplicado un factor de 1,0 como multiplicador. En el caso de los MSME-T, al tener permitido un cierto desplazamiento, se le ha aplicado un factor multiplicación de 1,2. Si estos multiplicadores actúan en forma directa sobre la ductilidad global, el valor a emplear es igual a 1,0 en los muros de hormigón y de 3,0 en los MSME. Los valores de ductilidad han sido corregidos en función de las relaciones entre el período propio de la estructura y el correspondiente al inicio del plafón del acelerograma. Los valores obtenidos son los indicados en las Tablas 5.1.3.c y 5.1.3.d.

Muro de Hormigón Altura Período (s) 5 0,02 10 0,03

1 0,09 0,10

Aceleraciones de aplicación (Horizontal) 1A 1B 2A 2B 0,11 0,14 0,12 0,12 0,11 0,15 0,13 0,12

Tabla 5.1.3.c. Aceleraciones horizontales para muros de hormigón. Muro SME Altura 5 10

Aceleraciones de aplicación (Horizontal) Período (s) 0,02 0,03

1 0,08 0,08

1A 0,09 0,09

1B 0,09 0,08

2A 0,09 0,08

2B 0,10 0,10

Tabla 5.1.3.d. Aceleraciones horizontales para MSME.


73


5.1.4 Factores de Seguridad Los factores de seguridad aplicados resultan dependientes de la verificación que se realiza en cada caso. En términos generales, estos valores pueden referirse en la siguiente forma: -

Para condiciones estáticas, el factor de seguridad aplicado es igual a 1,50. Para condiciones dinámicas, el factor de seguridad aplicado es igual a 1,10.

Estos valores resultan consistentes con parámetros similares recomendados en distintos normativas de uso frecuente en este tipo de problemas. Cabe agregar que, en el caso de las verificaciones de estados de equilibrio interno y condiciones de estabilidad global para los MSME, siguiendo las recomendaciones del FHWA-NHI-10-024, FHWA GEC 011 (2009) 1, se ha aplicado el método de mayoración de cargas y minoración de resistencia (sistema LFRD) como metodología de cálculo y verificación. 5.2.

Ejemplo de resultados obtenidos

5.2.1. Caso particular de muro de hormigón en masa Sobre los muros de sostenimiento de hormigón se han tomado en consideración las especificaciones contenidas en el Pliego de Licitación. Las mismas, entre otros elementos, establecen: Consiste este Ítem en todos los trabajos necesarios para la ejecución de los muros de sostenimiento a gravedad y las cabeceras de alcantarillas que figuran en la documentación gráfica del proyecto, así como las modificaciones, desplazamientos, eliminación y/o incremento que de esos muros ordenara la Inspección. Estabilidad Local y Tensiones en el Muro. A partir de las especificaciones anteriores se han analizado soluciones que verifican las condiciones de estabilidad antes señaladas (deslizamiento, vuelco y capacidad de carga en el cimiento). La Tabla 5.2.1.a resume los resultados obtenidos. Junto con los análisis de estabilidad externa del elemento se han efectuado determinaciones de los estados tensionales en el cuerpo del muro. Las condiciones de diseño aplicadas han sido las siguientes: -

Bajo solicitaciones estáticas, las tensiones generadas (máximas y mínimas) en cualquier sección horizontal del muro deben ser de compresión. Estas tensiones no deben superar el tercio de la tensión característica mínima fijada para el hormigón, es decir 30 kg/cm 2 (300 tn/m 2).

Bajo solicitaciones sísmicas, y considerando el carácter temporal y eventual de las mismas, se admite que se produzca la fisuración de la sección plana analizada. En este caso, el requerimiento comprende que la extensión de la zona fisurada no supere el 50%


74


de la sección disponible, y que las tensiones de compresión que actúan en el sector no fisurado, requerida para el equilibrio de los esfuerzos sean inferiores al tercio de la tensión característica mínima. En la tabla 5.2.1.b se plasman los resultados obtenidos en un muro de 7,50 m de altura libre, en el análisis de las tensiones internas. Muros Hormigón ALTURA NETA (m) VOLUMEN Hº / m

4,50 10,80

5,50 14,88

6,50 19,60

7,50 24,98

8,50 34,00

9,50 41,53

DIMENSIONES H (m)

Altura total

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

h1 (m)

Enterrado Trasdós

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

h2 (m)

Enterrado Intradós

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

b1 (m)

Coronamiento

1,05

1,25

1,45

1,65

2,15

2,40

Intradós xv:1h

Intradós

4,00

4,00

4,00

4,00

4,00

4,00

Trasdós yv:1h

Trasdós

Vertical

Vertical

Vertical

Vertical

Vertical

Vertical

Terreno 1v:zh

Terreno

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

1,50

0,12

0,12

0,12

0,12

0,13

0,13

Pendientes

kh ESTADO ESTÁTICO FS v

Vuelco

4,05

3,91

3,85

3,81

4,32

4,35

FS d

Deslizamiento

4,20

3,64

3,29

3,04

3,05

2,93

FS t1

Presión Contac. Máx.

32,41

35,99

38,03

39,09

38,34

38,27

FS t2

Presión Contac. Media

40,11

38,05

36,50

35,31

35,61

34,92

RESULTADO

APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA

ESTADO DINAMICO FS v

Vuelco

1,61

1,56

1,53

1,52

1,56

1,57

FS d

Deslizamiento

2,07

1,80

1,62

1,50

1,39

1,34

FS t1

Presión Contac. Máx.

20,05

16,24

14,22

13,02

13,65

13,34

FS t2

Presión Contac. Media

32,09

25,99

22,76

20,83

21,84

21,34

RESULTADO

APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA APRUEBA

Tabla 5.2.1.a. Resumen de algunos de los resultados del análisis de estabilidad en muros de hormigón en masa.


75


RESUMEN DE RESULTADOS ALTURA NETA (m) VOLUMEN Hº / m DIMENSIONES

7,50 24,98

Altura

Base

q max [tn/m2]

q min [tn/m2]

Condición

7,2

2,10

5,24

2,84

COMPRIMIDO

q max correg. Long. Fis. [m] % fisurado 4,91

0,00

5,4

2,55

10,09

5,37

COMPRIMIDO

9,35

0,00

0,00%

3,6 1,8

3,00 3,45

13,59 15,82

8,84 13,34

COMPRIMIDO COMPRIMIDO

13,97 18,91

0,00 0,00

0,00% 0,00%

0,00%

H (m) h1 (m)

Altura total Enterrado Trasdos

9,00

h2 (m)

Enterrado Intrados

1,50

h3 (m)

Altura 1º escalón

0,00

Altura

Base

q max [tn/m2]

q min [tn/m2]

Condición

h4 (m)

Altura 2º escalón

0,00

7,2

2,10

10,22

-1,65

FISURADO

10,61

0,41

19,30%

b1 (m) b3 (m) b4 (m)

Coronamiento 1º escalón 2º escalón

1,65 0,00 0,00

5,4 3,6 1,8

2,55 3,00 3,45

23,53 35,41 45,12

-7,23 -11,84 -14,56

FISURADO FISURADO FISURADO

29,30 47,38 58,38

1,13 1,51 1,64

44,40% 50,27% 47,66%

1,50

q max correg. Long. Fis. [m] % fisurado

t corte 15,78

13,57 8,23 3,25

Pendientes Intrados xv:1h

Intrados

4,00

Altura

Base

q max [tn/m2]

q min [tn/m2]

Condición

Trasdos yv:1h Terreno 1v:zh

Trasdos Terreno

100000,00 1,50

7,2 5,4

2,10 2,55

9,08 20,89

-1,46 -6,26

FISURADO FISURADO

9,43 25,57

0,40 1,09

kv

0,12

3,6

3,00

31,74

-10,43

FISURADO

41,74

1,47

kh

0,05

1,8

3,45

45,89

-15,65

FISURADO

62,66

1,78

Sobrec (t/m2) Sobrecarga

q max correg. Long. Fis. [m] % fisurado

t corte

19,17% 42,78%

15,75 13,18

48,94%

51,74%

8,02

3,53

0,00

FACTORES DE SEGURIDAD - ESTADO ESTÁTICO FS v

Vuelco

FS d FSt1

Deslizamiento P re si ón C on ta c M áx im a

FSt2

P re si ón C on ta c M ed ia

RESULTADO

3,81 3,04 39,09 35,31 APRUEBA

FACTORES DE SEGURIDAD - ESTADO DINÁMICO FS v

Vuelco

FS d FSt1

Deslizamiento P re si ón C on ta c M áx im a

FSt2

P re si ón C on ta c M ed ia

RESULTADO

1,52 1,50 13,02 20,83 APRUEBA

Tabla 5.2.1.b. Resultados de análisis de estabilidad interna en muros de hormigón en masa de 7,50 m de altura libre.


76


Estabilidad Global Muro Terraplén Complementariamente con los análisis anteriores, se ha efectuado una verificación de la estabilidad global, bajo condiciones de equilibrio límite, del conjunto formado por cimiento – muro – terraplén, para el caso de un muro de 10 metros de altura. Sobre el sistema se ha aplicado una sobrecarga sobre el coronamiento (en función de que la superficie crítica alcanza este sector) del orden de los 40 kPa (2 metros adicionales de terraplén). Para éste análisis se ha utilizado el software Slide 5.0 para análisis de equilibrio límite y se tomó el método Bishop como criterio. Los resultados obtenidos son los indicados en la Tabla 5.2.1.c. Los esquemas críticos se presentan en las Figuras 5.2.1.I y 5.2.1.II.

Estado de Carga

Factor de Seguridad


Estabilidad Global Muro Terraplén Complementariamente con los análisis anteriores, se ha efectuado una verificación de la estabilidad global, bajo condiciones de equilibrio límite, del conjunto formado por cimiento – muro – terraplén, para el caso de un muro de 10 metros de altura. Sobre el sistema se ha aplicado una sobrecarga sobre el coronamiento (en función de que la superficie crítica alcanza este sector) del orden de los 40 kPa (2 metros adicionales de terraplén). Para éste análisis se ha utilizado el software Slide 5.0 para análisis de equilibrio límite y se tomó el método Bishop como criterio. Los resultados obtenidos son los indicados en la Tabla 5.2.1.c. Los esquemas críticos se presentan en las Figuras 5.2.1.I y 5.2.1.II.

Estado de Carga

Factor de Seguridad

Estático

1,77

Sísmico

1,40

Tabla 5.2.1.c. Factores de Seguridad a la Inestabilidad del Conjunto Cimiento-MuroTerraplén. Cabe aclarar que el cumplimiento de las condiciones estáticas simuladas en el esquema anterior depende del adecuado sistema de drenaje localizado en el trasdós del muro y de la limpieza de las barbacanas.

Figura 5.2.1.I. Superficie crítica en estado estático.


77


Figura 5.2.1.II. Superficie crítica en estado con sismo. Estado Tenso Deformacional. Para la revisión de los estados tensiones generales, así como la visualización de los desplazamientos esperados de este tipo de solución se ha conformado un modelo de elementos finitos de un caso representativo. En particular, se ha modelado con una altura del orden de los 10 metros. Para ello se empleo el software Plaxis 7.2 Professional versión. La Figura 5.2.1.III muestra el esquema de la malla deformada obtenida. Los estados de carga modelados se corresponden con el final de la construcción del muro (con el terraplén a la altura del coronamiento del muro) y el estado al final de la construcción del terraplén.


78

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba 2 .0 00

4 .0 00

6 .0 00

8 .0 00

1 0. 00 0

1 2. 00 0

1 4. 00 0

1 6. 00 0

1 8. 00 0

2 0. 00 0

2 2. 00 0

2 4. 00 0

2 6. 00 0

2 8. 00 0

3 0. 00 0

3 2. 00 0

16.000

14.000

12.000

10.000

8.000

6.000

4.000

2.000

-0.000

-2.000

-4.000

-6.000

Deformed Mesh -3

Extreme total displacement 90.50*10 m (displacements scaled up 50.00 times)

Figura 5.2.1.III. Modelo de elemento finito para muro de hormigón en masa. 0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

2

kN/m 15.000 20.000

0.000

-20.000 10.000 -40.000

-60.000

-80.000

-100.000

5.000

-120.000

-140.000

-160.000 0.000 -180.000

-200.000

-220.000 -5.000

-240.000

Mean stresses

Extreme mean stress -225.81 kN/m

2

Figura 5.2.1.IV. Gráfico de tensiones producidas en el sistema muro-terraplen.


79


Los resultados obtenidos permiten las siguientes observaciones: -

-

A nivel de la presiones de contacto se aprecia el desarrollo de valores máximos, en el pie del trasdós del muro, del orden de los 500 kPa. Este resulta un dato de importancia para la definición de las condiciones de fundación requeridas para este tipo de estructuras. Las presiones del intradós del muro son compatibles con los valores determinados a partir de los modelos de equilibrio elaborados en el apartado anterior. En relación con los desplazamientos, los valores esperados se encuentran comprendidos, en el coronamiento, entre los 2,5 y 3,0 cm, en condiciones estáticas. Estos valores se desarrollan especialmente durante la etapa constructiva del muro. Es de esperar, para la situación modelada, entre la condición de fin de construcción del muro y fin de construcción del terraplén un desplazamiento del coronamiento del orden de los 2 cm. Estos valores pueden emplearse como referencias para la auscultación del comportamiento de esta estructura durante el período de construcción.

5.2.2. Caso particular de muro de MSME En el sistema tipo Terratrel se han empleado como elemento de inclusión flejes metálicos. Los mismos tienen una sección nominal de 5cm x 4mm. En este tipo de soluciones los flejes se han dispuesto en niveles horizontales separados, sentido vertical, a 0,75 metros entre cada capa. Estabilidad General e Interna. Para llegar al diseño geométrico definitivo del muro y determinar la ubicación final de los flejes tanto en altura como a lo ancho de la estructura, se ha partido de un predimensionamiento. En este sentido, se ha supuesto distribución y longitud de inclusiones para cada nivel. Luego se ha verificado y corregido hasta conseguir que los factores de seguridad sean satisfactorios en todos los puntos a estudiar sin resultar excesiva la cantidad de material. Para ello se han utilizado las tablas expuestas en “modelos de cálculo desarrollado” para los MSME, que utilizan la secuencia de cálculo explicitada en el Anexo A. Las soluciones obtenidas para ciertas alturas se presentan en la Tabla 5.2.2.a.


80

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba Refuerzo Nro

Espesor Capa (mts)

1

0,75

4

7,0

4

7,0

3

7,0

4

6,0

4

5,0

2

0,75

3

7,0

3

7,0

3

7,0

2

6,0

2

5,0

3

0,75

2

7,0

3

7,0

2

7,0

3

6,0

3

5,0

4

0,75

3

7,0

2

7,0

3

7,0

3

5,0

2

5,0

5

0,75

2

6,0

3

6,0

3

5,0

3

5,0

3

5,0

6

0,75

3

6,0

2

6,0

3

5,0

3

5,0

3

4,5

7

0,75

3

6,0

3

6,0

3

5,0

3

5,0

3

4,5

8

0,75

3

6,0

3

6,0

3

5,0

4

4,0

3

4,5

9

0,75

3

6,0

4

6,0

4

4,0

4

4,0

3

4,5

10

0,75

4

5,0

3

5,0

5

4,0

4

4,0

3

4,5

11

0,75

4

5,0

4

5,0

5

4,0

3

4,0

12

0,75

5

5,0

5

5,0

3

4,0

13

0,75

6

5,0

3

5,0

14

0,75

3

5,0

Altura Total

Cantidad Longitud Cantidad Longitud Cantidad Longitud Cantidad Longitud Cantidad Longitud (#/3m) inclusión (#/3m) inclusión (#/3m) inclusión (#/3m) inclusión (#/3m) inclusión (mts) (mts) (mts) (mts) (mts)

10,50

9,75

9,00

8,25

7,50

Tabla 5.2.2.a. Solución terratrel para una altura total entre 10,50 m y 6,75 m.


81


Estabilidad Global Al igual que en el caso anterior, se ha verificado la estabilidad de conjunto para un muro representativo de 10 metro de altura, encontrando los valores indicados en la Tabla 5.2.2.b, y mostrados en la Figuras 5.2.2.I y 5.2.2.II Estado de Carga

Factor de Seguridad

Estático

1,50

Sísmico

1,23

Tabla 5.2.2.b. Factores de Seguridad a la Inestabilidad del Conjunto Cimiento-MuroTerraplén.


Estabilidad Global Al igual que en el caso anterior, se ha verificado la estabilidad de conjunto para un muro representativo de 10 metro de altura, encontrando los valores indicados en la Tabla 5.2.2.b, y mostrados en la Figuras 5.2.2.I y 5.2.2.II Estado de Carga

Factor de Seguridad

Estático

1,50

Sísmico

1,23

Tabla 5.2.2.b. Factores de Seguridad a la Inestabilidad del Conjunto Cimiento-MuroTerraplén.

Figura 5.2.2.I. Estabilidad del conjunto. Estado estático.


82


Figura 5.2.2.II. Estabilidad del conjunto. Estado con sismo. Estado Tenso Deformacional. Para la revisión de los estados tensiones generales, así como la visualización de los desplazamientos esperados en cada tipo de solución se ha conformado un modelo de elementos finitos en cada caso, al igual que en el estudio del muro de gravedad. La Figura 5.2.2.III muestra el esquema de la malla deformada obtenida. Los estados de carga modelados se corresponden con el final de la construcción del muro (con el terraplén a la altura del coronamiento del muro) y el estado al final de la construcción del terraplén.


83

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba 0.000

2.500

5.000

7.500

10.000

12.500

15.000

17.500

20.000

22.500

25.000

27.500

30.000

32.500

35.000

17.500

15.000

12.500

10.000

7.500

5.000

2.500

0.000

-2.500

-5.000

-7.500 Deformed Mesh -3

Extreme total displacement 93.01*10 m (displacements scaled up 50.00 times)

Figura 5.2.2.III. Modelo de elemento finito para MSME-Terratrel. 5.000

7.500

10.000

12.500

15.000

17.500

20.000

22.500

25.000

27.500

30.000

32.500

35.000

17.500

kN/m

2

15.000 20.000

0.000

12.500

-20.000 10.000

-40.000

-60.000 7.500 -80.000

-100.000

5.000

-120.000 2.500

-140.000

-160.000 0.000 -180.000

-200.000

-2.500

-220.000 -5.000

-240.000

-7.500 Mean stresses

2

Extreme mean stress -224.65 kN/m

Figura 5.2.2.IV. Gráfico de tensiones producidas en el sistema muro-terraplen.


84


Los resultados obtenidos permiten las siguientes observaciones: -

-

A nivel de la presiones de contacto se aprecia el desarrollo de valores máximos, en el pie del trasdós del muro, del orden de los 300 kPa. Este resulta un dato de importancia para la definición de las condiciones de fundación requeridas para este tipo de estructuras. No debe olvidarse que estos valores han sido establecidos para un muro del orden de los 10 metros de altura. Las presiones del intradós del muro son compatibles con los valores determinados a partir de los modelos de equilibrio elaborados en el apartado anterior. En relación con los desplazamientos, los valores esperados se encuentran comprendidos, en el coronamiento, entre los 4 y 5 cm, en condiciones estáticas. Estos valores se desarrollan especialmente durante la etapa constructiva del muro. Es de esperar, para la situación modelada, entre la condición de fin de construcción del muro y fin de construcción del terraplén un desplazamiento del coronamiento del orden de los 2 a 3 cm. Estos valores pueden emplearse como referencias para la auscultación del comportamiento de esta estructura durante el período de construcción.

6. CONCLUSIONES 6.1.

Conclusiones de las tareas realizadas

Debido al abanico de soluciones existentes, se han estudiado diferentes opciones técnicoeconómicas en cuanto a la tipología de muros y a su ubicación respecto del hombro del talud. A continuación se exponen los resultados que motivaron la elección de las diferentes tipologías de muros. De manera general se han analizado tres alternativas para posicionar el muro respecto del hombro del talud, adoptando como diferencias de cota entre ambos 0m, 13m y 20m. La diferencia de costo para uno de los muros (Nº 12), tanto en solución flexible como rígida se presenta en la tabla 6.1. En función de esto se ha adoptado una diferencia de cota de 20m entre hombro de talud y coronamiento de muro para laderas relativamente tendidas. En las algunas situaciones particulares (muros N° 7 y 8), ésta diferencia de cota se ha disminuido a 7m por tratarse de laderas muy escarpadas.


85

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba COMPARATIVA DE COSTOS DE MOVIMIENTO DE SUELO Y MUROS DE SOSTENIMIENTO PARA DISTINTAS ALTURAS DE CORONAMIENTO DE MURO RESPECTO DEL HOMBRO DE TALUD A - MUROS DE HORMIGON EN MASA ITEM DENOMINACION

UNIDAD

P. UNIT.

H = 20 m

CANTIDADES H = 13 m

H=0m

H = 20 m

PRECIOS H = 13 m

H=0m

11 MURO DE HORMIGÓN EN MASA

m3

900

1,792.74

3,675.07

51,198.90

1,613,468.56 3,307,560.21 46,079,008.62

21 PEDRAPLEN Y TERRAPLEN COMPACTADO

m3

26

181,390.00

172,619.00

93,610.00

4,716,140.00 4,488,094.00 2,433,860.00

TOTALES, $

B - MUROS DE SUELO MECÁNICAMENTE REFORZADO ITEM DENOMINACION

UNIDAD

P. UNIT.

H = 20 m

CANTIDADES H = 13 m

H=0m

15 PROVISIÓN Y COLOCACIÓN DE GEOTEXTIL DE 200 GR/M2

m2

12

1,191.30

3,800.00

18,692.20

21 PEDRAPLEN Y TERRAPLEN COMPACTADO

m3

26

177,001.00

158,619.00

24,744.00

22 TERRAPLEN REFORZADO

6,329,608.56 7,795,654.21 48,512,868.62

H = 20 m

14, 295. 60

PRECIOS H = 13 m

H=0m

45, 600. 00

224, 306. 40

4,602,026.00 4,124,094.00

643,344.00

m3

70

4,389.00

14,000.00

68,866. 00

307,230.00

980,000.00 4,820,620.00

MUROS DE SOSTENIMIENTO DE RELLENOS MECÁNICA MENTE 73 A REFORZADOS A) Altura menor o igual a 6 m

m2

1939.0738

200.83

142.00

124.00

389,424.20

275,348.49

MUROS DE SOSTENIMIENTO DE RELLENOS MECÁNICA MENTE 73 B REFORZA DOS B) Al tura may or que 6m y me nor o i gual a 12 m

m2

2223.1513

426.17

1,118.00

2,051.00

MUROS DE SOSTENIMIENTO DE RELLENOS MECÁNICA MENTE 73 C REFORZA DOS C) Al tura may or que 12 m y me nor o igual a 18 m

m2

2507.2288

0.00

740.00

7,663.00 TOTALES, $


240,445.16

947,440.39 2,485,483.17 4,559,683.34 0.00 1,855,349.30 19,212,894.13 6,260,416.20 9,765,874.95 29,701,293.03

86


Para la definición de la tipología de muros flexibles finalmente adoptada primeramente se han evaluado las secciones de muros con gaviones previstas en el pliego, donde se comprobó que las mismas no verificaban. A partir de éstos resultados se ha solicitado al fabricante una revisión de las secciones propuestas, dando como resultado muros con refuerzos de inclusiones considerablemente más onerosos que los previstos en el pliego y en las cantidades de la licitación. Paralelamente se ha analizado la solución alternativa de muros de sostenimiento de rellenos mecánicamente estabilizados tipo Terratrel. El balance económico entre las dos alternativas de muros flexibles, para los muros 1, 2 y 8 a 12, se presenta en las tablas siguientes:

12

MURO DE GAVIONES ANCLADOS

m3

8,353.00

1,100.00

9,188,300.00

13

PROVISIÓN Y COLOCACIÓN DE GEOGRILLA 60 kN/m

m2

132,706.00

35.00

4,644,710.00

14


m2

17,040.00

40.00

681,600.00


Para la definición de la tipología de muros flexibles finalmente adoptada primeramente se han evaluado las secciones de muros con gaviones previstas en el pliego, donde se comprobó que las mismas no verificaban. A partir de éstos resultados se ha solicitado al fabricante una revisión de las secciones propuestas, dando como resultado muros con refuerzos de inclusiones considerablemente más onerosos que los previstos en el pliego y en las cantidades de la licitación. Paralelamente se ha analizado la solución alternativa de muros de sostenimiento de rellenos mecánicamente estabilizados tipo Terratrel. El balance económico entre las dos alternativas de muros flexibles, para los muros 1, 2 y 8 a 12, se presenta en las tablas siguientes:

12

MURO DE GAVIONES ANCLADOS

m3

8,353.00

1,100.00

9,188,300.00

13


m2

132,706.00

35.00

4,644,710.00

14


m2

17,040.00

40.00

681,600.00

15

PROVISIÓN Y COLOCACIÓN DE GEOTEXTIL DE 200 GR/M2

m2

19,495.50

12.00

233,946.00

22

TERRAPLEN REFORZADO

m3

112,638.00

70.00

7,884,660.00

23

EXCAVACIONES

m3

39,423.30

65.00

2,562,514.50

11

MURO DE HORMIGON EN MASA

m3

500.00

900.00

450,000.00

15

PROVISIÓN Y COLOCACIÓN DE GEOTEXTIL DE 200 GR/M2

m2

12,000.00

12.00

144,000.00

22

TERRAPLEN REFORZADO

m3

41,000.00

70.00

2,870,000.00

23

EXCAVACIONES

m3

8,200.00

65.00

533,000.00

73 A MUROS DE SOST. MEC. REF. A) Altura menor o igual a 6 m

m2

1,840.00

1,939.07

3,567,895.88

73 B MUROS DE SOST. MEC. REF. B) Altura mayor que 6 m y menor o igual a 12 m

m2

3,750.00

2,223.15

8,336,817.42

73 C MUROS DE SOST. MEC. REF. B) Altura mayor que 12 m y menor o igual a 18 m

m2

2,270.00

2,507.23

5,691,409.33

Por lo expuesto precedentemente y las reuniones mantenidas con la Jefatura de la DPV se ha optado por utilizar la solución de muros de hormigón en masa para los muros de alturas inferiores a los 9 m (muros Nº 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 13) y la solución de muros de sostenimiento con rellenos mecánicamente reforzados (tipo Terratrel) para el resto. 6.2.

Conclusiones de la Práctica Profesional Supervisada

Durante el desarrollo de la Práctica Supervisada por parte del alumno en la empresa Chediack S.A. se ha podido obtener, como elemento fundamental, la experiencia del trabajo a la par de profesionales y el trato diario con los mismos, dentro del marco que engloba una obra vial de semejante magnitud. Por otra parte, se ha logrado crecer en la visualización global de una obra, más allá de los componentes individuales con los que se ha trabajado, entendiendo y participando en la intima relación entre dichos elementos. La recolección de información complementaria y


87


antecedentes, ha provisto el marco sobre el cual comenzar a trabajar para tener un conocimiento global sobre las cuestiones a tener en cuenta y los factores condicionantes del diseño. De esta manera se han afianzado conocimientos adquiridos durante la carrera de grado de Ingeniería Civil, herramientas fundamentales que permiten ahondar en determinados temas con gran entendimiento a través de bibliografía adecuada, consulta a profesionales experimentados y estudio de manuales de proveedores y de reglamentos. Finalmente, se ha aprendido sobre el diseño de componentes de la obra que requieren un seguimiento de campo constante, como es el caso de los muros de sostenimiento, para verificar constantemente las hipótesis adoptadas y realizar las correcciones pertinentes a fin de desempeñarse adecuada y responsablemente. Para ello ha sido necesario la conformación de modelos que permitan tomar decisiones en plazos cortos de tiempo y la utilización e interpretación de software de equilibrio límite y de elementos finitos.


88


BIBLIOGRAFÍA -

Das B. M. (1999). “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”. Cuarta Edición. Universidad del Estado de California, Sacramento.

-

D.P.V. (2009) “Pliego de Especificaciones Técnicas obra PAVIMENTACIÓN RUTA PROVINCIAL Nº 34 (CAMINO DE LAS ALTAS CUMBRES) - A) EMPALME RUTA PROVINCIAL E-96 – EMPALME RUTA PROVINCIAL C-45 - B) ACCESOS A RUTA PROVINCIAL Nº 34 (DESDE SAN ANTONIO DE ARREDONDO Y LAS JARILLAS)”. Córdoba.

-

Jiménez Salas J. A., De Justo Alpañes J.L., Serrano González A. A. (1981) “Geotecnia y Cimientos II. Mecánica del Suelo y de las Rocas ”. Segunda Edición. Madrid.

-

Rocca R., Pratto C., (2010) “Consideraciones Sísmicas”. Informe Geotécnico para el Proyecto Pavimentación Ruta Provincial 34. Córdoba.

-

Terzariol, R. E., Zeballos M. E., Cadars J. (2006) “Parámetros Geotécnicos de Geotextiles en Suelos Loessicos” XVIII Congreso Argentino de Mecánica de Suelo e Ingeniería Geotécnica (CAMSIG). San Juan 2006.

-

Terzariol R. E., Aiassa G. M., Arrúa P. A., “Método Simplificado de Diseño para Muros de Contención bajo acciones sísmicas”. Córdoba.

-

U. S. Department of Transportation Federal Highway Administration (2009) “Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes – Volume I”.


89

ANEXO A SECUENCIA DE CÁLCULO DE MURO DE SUELO MECÁNICAMENTE ESTABILIZADO


A.1. Secuencia de cálculo detallado para el diseño de los MSME. Etapa 1. Definir requerimientos de proyecto Se deben establecer los siguientes valores (entre paréntesis se presenta la nomenclatura de cada variable): 1.1. -

Geometría Altura libre del muro (H) Profundidad del cimiento (F) Pendiente de la superficie del relleno (x h : 1v) Pendiente del suelo de cimentación (z h : 1v) La Figura 3.1 muestra en forma esquemática, la geometría de estudio.

Figura A.1. Diseño geométrico del muro de sostenimiento. 1.2.

Condiciones de carga

Sobrecarga externa (Qs) Coeficiente de aceleración horizontal (k h) Coeficiente de aceleración vertical (k v) Coeficiente de reducción de desplazamiento (Crd) 1.3. Criterio de desempeño del sistema de flejes -

Tensión de rotura del fleje (  f ) Ancho de fleje (a f ) Altura de fleje (hf )


91

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba -

Pérdida de espesor de fleje durante la vida útil (pe) Factores de reducción por: o Fluencia (f creep) o Control de calidad (f 111) o Tolerancia en la industrialización (f 112) o Confianza en los datos disponibles (f 121) o Confianza en la extrapolación para el periodo de vida del proyecto (f 122) o Efecto a corto plazo para daños de instalación (f 211) o Efecto a corto plazo para daños de instalación de elementos complementarios (f 212) o Degradación química, biológica y ultravioleta (f 22)

Etapa 2. Establecer parámetros de proyecto Deben establecerse los parámetros geotécnicos necesarios para el cálculo. 2.1.

Condiciones de subsuelo en el sitio Densidad (c) Ángulo de fricción ( c) Cohesión (cc) Ángulo de fricción entre el bloque y el cimiento ( c) 2.2. Material de relleno del muro Densidad (r ) Ángulo de fricción ( r ) Cohesión (cr ) Etapa 3. Estimar la altura del muro y la longitud de refuerzo El cálculo para la verificación de estabilidad externa de los muros de tierra armada se efectúa tomando 1 metro de longitud de muro, en tanto que para la estabilidad interna se toma el ancho de la malla rigidizadora utilizada (a m). Por lo tanto, se deben tomar determinadas alturas características en función de la ubicación del sistema de inclusión, para realizar los cálculos. Por esta razón debe plantearse: -

Altura de muro para el cálculo (Ht). Longitud de la inclusión en los distintos niveles (Li).

Etapa 4. Definir las cargas nominales Existen determinadas cargas nominales que se desarrollan en el escenario estático, a las que se le agregan otra para analizar la situación dinámica. Cargas nominales estáticas -

Peso propio del bloque (Pm)


92


P m

  Li * hi * 

r

Siendo: Li = longitud de las inclusiones en el nivel i (m) hi = altura del nivel i (m) -

Peso propio del relleno superior (P rs) P rs

 Ln * ( Ln / x) *  r

Siendo: Ln = longitud de las inclusiones del nivel superior (m) -

Sobrecarga (Qs). La sobrecarga queda definida en los requerimientos del proyecto y se expresa en [tn/m 2] Empuje activo del suelo (Ea). Inicialmente debe definirse el coeficiente de empuje activo mediante la siguiente fórmula: cos 2 ( r   )

Ka 



sen(   r ) * sen( r   ) 



cos(   ) * cos(   )

cos 2  * cos(   ) * 1 

 

Siendo:  =

ángulo de inclinación del trasdós del muro

 =

ángulo de fricción entre el muro y el relleno (como el material del muro es el mismo que el del relleno, esta variable es igual a r  =

ángulo de la superficie del suelo de relleno

Con el coeficiente de empuje activo puede obtenerse la componente absoluta del empuje activo producido por el relleno de suelo: Ea 

 * H 2 * Ka

2

Este empuje obtenido resulta inclinado un ángulo a respecto del trasdós del muro, por lo tanto las componentes vertical y horizontal se obtienen proyectando dicho empuje. -

Componente horizontal (Ea h) Eah


 Ea * cos( )

93


-

Componente vertical (Eav) EaV

-

 Ea * sen( )

Empuje activo de la sobrecarga. Se refiere a la carga nominal de empuje producida por la sobrecarga sobre el terreno de relleno del muro. Eas  Qs * Ka o

o

Componente horizontal Eash

 Eas * cos( )

EasV

 Eas * sen( )

Componente vertical

Cargas nominales dinámicas Inicialmente debe definirse el coeficiente de empuje activo dinámico (Kae) del material de relleno mediante la siguiente fórmula: Kae

sen

 cos  '* sen

2

2

(     ' )

 (    ' ) * 1  

  ) * sen(   ' )   sen(      ' ) * sen(   )  sen(

2

Siendo:  =

ángulo del trasdós del muro respecto a la horizontal

 '  tg 

1

-

 kh     1  kv 

kh 

componente horizontal de la aceleración sísmica aceleración de la gravedad

kv 

componente vertical de la aceleración sísmica aceleración de la gravedad

Inercia del bloque o Componente horizontal Pdmh


 P * kh m

94

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba o

Componente vertical

 Pm * kv

Pdmv

Dependiendo del escenario analizado, se toma en sentido ascendente o descendente, según el caso más desfavorable. -

Empuje dinámico Ead 

 * H 2 * (1  kv) * Kae

2

 E  Ead  Ea o

Componente horizontal

 E   E * cos( ) h

o

Componente vertical

 E   E * sen( ) V

Dependiendo del escenario analizado, se toma en sentido ascendente o descendente, según el caso más desfavorable. La Figura 3.2 muestra la distribución combinada de los esfuerzos externos considerados.

Figura A.2. Cargas actuantes sobre el muro de sostenimiento.


95


Etapa 5. Resumir las combinaciones de carga, factores de carga y factores de resistencia Tanto para la verificación de la estabilidad interna como externa, se ha utilizado el método LRFD (resistencia minorada y cargas mayoradas). Para los cálculos de estabilidad externa en el escenario estático se han empleado los siguientes factores: -

Estabilidad al deslizamiento o Factores de mayoración

o

-

= 1,50

Cargas verticales (e21)

= 1,00

Sobrecarga (e31)

= 1,50

Factor de minoración de fuerzas estabilizantes (e41) = 1,00

Estabilidad al vuelco o Factores de mayoración

o

-

Empuje de suelo ( e11)


= 1,50


= 1,00

Sobrecarga (e32)

= 1,50

Factor de minoración de momentos estabilizantes ( e42) = 0,75

Capacidad de carga o Factores de mayoración

o


= 1,50


= 1,35

Sobrecarga (e33)

= 1,50

Factor de minoración de resistencia ( e43)

= 0,65

En tanto que para el escenario dinámico se han tomado los siguientes valores: -

Estabilidad al deslizamiento o Factores de mayoración Empuje de suelo ( d11)


= 1,25

96


Cargas verticales (d21)

= 1,00

Sobrecarga (d31)

= 1,25

Sismo (d51)

= 1,00

Factor de minoración de fuerzas estabilizantes (d41) = 1,00 Estabilidad al vuelco o Factores de mayoración o

-

o

-

Empuje de suelo ( d12)

= 1,25


= 1,00

Sobrecarga (d32)

= 1,25

Sismo (d52)

= 1,00

Factor de minoración de momentos estabilizantes ( d42) = 1,00

Capacidad de carga o Factores de mayoración

o

Empuje de suelo ( d13)

= 1,00


= 1,00

Sobrecarga (d33)

= 1,00

Factor de minoración de resistencia ( 43)

= 1,00

Por otro lado, para la estabilidad interna deben tenerse en cuenta factores de minoración de la resistencia del material empleado de la siguiente manera (extraído del encarte técnico de Maccaferri para estructuras en suelo reforzado): Factor de Reducción de Resistencia (ft) = f creep * f 111 * f 112 * f 121 * f 122 * f 211 * f 212 * f 22 Para el caso del estado dinámico, este valor se multiplica por un factor de 1,20. Respecto a la mayoración de cargas en esta verificación, se utilizan los siguientes factores: Estado estático ( int e) = 1,50 Estado dinámico (int d) = 1,20


97


Etapa 6. Evaluar Estabilidad Externa (Estado Estático) 6.1.

Deslizamiento

6.1.1. Calcular el empuje nominal, por unidad de longitud, que actúa sobre la parte posterior de la zona reforzada, con los factores de carga correspondientes El empuje total desestabilizante que actúa sobre el muro en el escenario estático se obtiene de la siguiente manera: Fuerza Horizontal M = (e11)*Eah + (e31)*Eash 6.1.2. Calcular los componentes nominales de las fuerzas de resistencia (Rd) en la superficie de deslizamiento y los factores correspondientes, por unidad de longitud de muro La resistencia al deslizamiento depende de las cargas normales a la superficie de deslizamiento y de las propiedades geotécticas del suelo de relleno y de fundación. La resistencia minorada se calcula: Rdm = (e41) * V * tg ( c) Siendo: V = (Pm + Prs + Qs*Ln + Eav + EasV) 6.1.3. Comparación de la resistencia al deslizamiento Para que el diseño del muro satisfaga la estabilidad al deslizamiento debe presentarse la siguiente situación: Rdm Fuerza Horizontal M

6.2.

1

Vuelco

6.2.1. Criterio de FS al vuelco Se calcula inicialmente el momento de vuelco mayorado respecto al pie externo del muro: MvM = (e12) * Eah * e1 + (e32) * Eash * e2 Se calcula el momento establilizante minorado: Mem = (e42) * (Pm*e3 + Prs*e4 + Qs*Ln*e5 + EaV*e6 + EasV*e7) Siendo ei la excentricidad de las respectivas fuerzas respecto al pie externo del muro.


98


Para que el diseño del muro satisfaga la estabilidad al vuelco debe darse la siguiente situación: Mem Mv M

1

6.2.2. Criterio de Excentricidad Para esta clase de muros se tiene las siguientes restricciones respecto a la excentricidad de la resultante de las fuerzas actuantes en el sistema del muro. Para fundaciones en suelo: e máx = L/4 Para fundaciones en roca: e máx = 3/8 L Siendo L la longitud de la base del muro, tomada como la longitud del nivel inferior de refuerzos, siempre que no sea abrupto el cambio de longitud de los refuerzos en los distintos niveles del muro. La excentricidad se calcula de la siguiente manera: eb



Mv  Me V

Siendo: Mv (Momento de vuelco)= Ea h * e1 + Eash * e2 Me (Momento estabilizante)= P m*e3 + Prs*e4 + Qs*Ln*e5 + EaV*e6 + EasV*e7 V (Sumatoria de cargas verticales) = P m + Prs + Qs*Ln + Eav + EasV 6.3.

Capacidad de Carga

6.3.1. Calcular excentricidad (eb) La excentricidad es la obtenida en el punto anterior. Debe cumplirse el criterio de e b < L/6, para que no se produzcan tracciones en el talón del muro. 6.3.2. Calcular las tensiones verticales mayoradas En el caso que la resultante de las fuerzas se ubique en el tercio central de la base, las máximas tensiones verticales de compresión desarrolladas en la fundación se obtienen de la siguiente manera:


99

Informe Técnico Final Diseño de muros de sostenimiento Ruta Provincial Nº34 - Provincia de Córdoba 6 * e  V   1   L  L  b

 V

Si la resultante se ubica fuera del núcleo central de inercia (tercio central de la base), las tensiones desarrolladas se calculan de la siguiente manera: V



 V

 L  e    2 

3* 

b

6.3.3. Determinar la capacidad de carga nominal del suelo La capacidad de carga del suelo de fundación se obtiene a partir de los parámetros geotécnicos del mismo. El valor de la capacidad (q u) se obtiene a partir de la fórmula de Terzaghi: qu

 c. Nc  q. Nq 

1 2

 . B.N 

La capacidad de carga minorada (q um) es: qum

 

e 43

* qu

6.3.4. Comparación capacidad de carga – tensiones mayoradas Para que el diseño del muro satisfaga el criterio de capacidad de carga debe darse la siguiente situación: qum  V

1

Etapa 7. Consideraciones adicionales para el escenario dinámico En todos los casos verificados anteriormente debe adicionarse el efecto producido por el sismo, tanto en los esfuerzos horizontales que genera, como en los verticales descendentes o ascendentes, según el caso más desfavorable. 7.1.

Deslizamiento

Debe adicionarse a la fuerza horizontal mayorada los siguientes términos (debiendo reemplazar los factores de mayoración de los demás términos por los factores de mayoración para la situación sísmica): [(d51) * (Pdmh + Eh)]

Pablo Esteban Zeballos 100


En la resistencia al deslizamiento debe considerarse la influencia de la inercia del bloque y de la componente vertical del empuje sísmico, cuando el sismo tiene sentido ascendente, por lo que a “V” deben adicionarse los siguientes términos: (PdmV + EV) El criterio de verificación de estabilidad al deslizamiento es el mismo que para la situación estática. 7.2.

Vuelco

Además de utilizar los factores de mayoración de la situación dinámica en lugar de los factores correspondientes al escenario estático, debe adicionarse al momento de vuelco mayorado los siguientes términos: [(d52) * (Pdmh * e8 + Eh + e9)] En tanto que, a los momentos estabilizantes sin mayorar deben incorporarse los términos correspondientes a la inercia del muro y al empuje dinámico: (Pdmv * e10 + Ev + e11) Siendo ei las excentricidades de las resultantes de fuerzas respecto al pie de muro. El criterio de verificación de estabilidad al vuelco es el mismo que para la situación estática. Respecto al criterio de excentricidad, la verificación es la misma que para el caso estático, sólo que deben incorporarse los términos ya mencionados al momento de vuelco (Mv), momento estabilizante (Me) y sumatoria de cargas verticales (V), para obtener la excentricidad de la situación sísmica. 7.3.

Capacidad de carga

El cálculo se realiza de manera idéntica a aquel descripto para el escenario estático, sólo que debe incorporarse el efecto de las fuerzas generadas por el sismo (Pdm v y Ev) a las cargas verticales, además de reemplazar los factores de mayoración y minoración del estad estático a los correspondientes para el caso sísmico. Etapa 8. Evaluar Estabilidad Interna 8.1.

Establecer el diseño vertical y horizontal de los refuerzos de suelo

Debe prediseñarse en primer lugar cómo será la distribución vertical de los refuerzos en la masa de suelo que conforma el muro, es decir, definir la separación entre los distintos niveles.



La distribución horizontal se lleva a cabo repartiendo uniformemente la cantidad de flejes metálicos inextensibles adoptados en la longitud de la malla rigidizadora utilizada por bloque. 8.2.

Seleccionar tipo de refuerzo del suelo

Una vez definida la distribución vertical de los refuerzos, se selecciona el material de los mismos, de modo de conocer si se trata de un refuerzo extensible o inextensible, ya que esto determina la superficie de separación entre la zona activa (no ayuda a resistir las cargas propias del suelo) y la zona resistente (trabaja en el desarrollo de las fuerzas resistentes internas del muro). En las Figuras A.3.a y A.3.b se observa como determinar la longitud de la zona activa tanto para el caso de refuerzos inextensibles como extensibles.

Figura A.3.a. Zona activa y zona resistente en muros con refuerzos inextensibles.



Figura A.3.b. Zona activa y zona resistente en muros con refuerzos extensibles. 8.3.

Definir la superficie de deslizamiento crítico

Cada uno de los niveles donde se encuentran los refuerzos es una superficie de deslizamiento crítico para la estabilidad interna, por lo que deben verificarse cada uno de dichos niveles a la rotura y al arrancamiento de la inclusión. 8.4.

Definir las cargas mayoradas

Inicialmente debe definirse la presión vertical que genera la porción de terreno (P vs) que se encuentra sobre el nivel superior de refuerzos. Ésta se considera como el 70% de la carga que produce ese volumen de suelo. P VS

 0.7 * 0.5 *

Ln x

* 

r

Con este valor se calcula la fuerza horizontal (F Hi) que deben resistir los refuerzos del nivel “i”, denominada fuera de tiro, de la siguiente manera: f Hi

 Ka * ( P VS  Q s   i ) * hi

Siendo: i (presión

vertical del nivel i) = r *  (hi * Li)



Finalmente, las cargas mayoradas son: FHi = (int e) * f Hi 8.5.

Calcular la resistencia del refuerzo de suelo

La resistencia a la rotura ( r ) de cada tipo de refuerzo depende del material utilizado para el mismo y del factor de reducción que le corresponde, se tiene así: r f = ft *  f

Estos valores obtenidos son las tensiones que resiste el material por unidad de área, por lo que deben multiplicarse por la sección y por la cantidad de flejes para obtenerse la fuerza resistente del conjunto. Por otro lado, la resistencia al arrancamiento (R a) de calcula de la siguiente forma: Rai = C * Lri * F * i * tg r * ni * (af – pe) Siendo: C = 2 para flejes, mallas y geomembranas. Lri = longitud de la inclusión del nivel “i” en la zona resistente. F = Factor de resistencia al arrancamiento, teniendo en cuenta la variación de Kr/Ka en altura (ver Figura A.4.). i =

Presión vertical ejercida por el suelo por sobre el nivel de la inclusión.

ni = cantidad de flejes utilizados en el nivel “i”.



Flejes metálicos

Figura A.4. Variación del coeficiente de relación de esfuerzos laterales (Kr / Ka) con la profundidad en un Muro de Suelo Mecánicamente Estabilizado.

8.6.

Seleccionar grado y/o número de elementos de refuerzo en cada nivel

En función de la resistencia al arrancamiento y a la rotura, se procede a predimensionar la altura de los niveles y la longitud de las inclusiones en el muro, a ser verificadas en los pasos siguientes. 8.7.

Verificar la estabilidad interna con respecto al arrancamiento

Se debe satisfacer la siguiente relación:

 Rai

F Hi

8.8.

Verificar estabilidad interna con respecto a la rotura del refuerzo

Se debe satisfacer la siguiente relación: F Hi

  * [(a  pe) * (h  pe)] * n rf

f

f

i



Siendo: rf =

tensión admisible reducida del material utilizado.

ni = cantidad de flejes utilizados en el nivel “i”. Etapa 9. Consideraciones adicionales para el escenario dinámico 9.1.

Incremento de tiro

Debido al movimiento sísmico se produce un empuje adicional del suelo que se encuentra en la zona activa del muro. De esta forma el valor de dicha fuerza total se calcula con el volumen de suelo en la zona activa para una longitud unitaria de muro: Empuje adicional = Vu * r * kh Siendo: Vu = volumen de suelo en zona activa para una longitud unitaria de muro. kh = aceleración sísmica en dirección horizontal. Este incremento de empuje se distribuye en proporciones iguales entre todos los niveles que conforman el muro. 9.2.

Resistencia a rotura

La resistencia a la rotura se determina de manera idéntica a como se calcula para el escenario estático, sólo que debe reemplazarse el factor de minoración de resistencia estático por el dinámico. 9.3.

Resistencia a arrancamiento

El cálculo de esta resistencia se realiza de la misma forma que para la situación estática disminuyendo la presión vertical ( i) debido a la componente vertical ascendente del sismo, esto significa que debe multiplicarse i por el factor (1-kv). Por lo tanto se tiene: Rai = C * Lri * F * [i * (1-kv)] * tg r * ni * (af – pe) Etapa 10. Verificar estabilidad global La estabilidad global del muro, considerando el suelo o roca de fundación, puede realizarse con distintos softwares a tal fin, con cualquiera de los métodos conocidos de rotura por superficie de falla, como por ejemplo Bishop. Para que el diseño del muro de sostenimiento de terratrel sea satisfactorio, el resultado obtenido del software debe ser un factor de seguridad de al menos 1,50.


Diseño de muros de sostenimiento

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