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Universidad Técnica de Ambato. Cañizares, Carrasco, Garzón, Ruiz; Valarezo.

MUROS DE SÓTANO BASEMENT WALL

C añiz ñi zar es Ja J avier; C ar r asco Xavi Xavi er ; G ar zón Ja J avier; R uiz ui z N i colá colás; s; V alar lar ezo P aola Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica

Ambato, Ecuador

[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

R esume sumen: El propósito de este documento es definir un muro de sótano al igual que su diferenciación principal con los demás muros, analizar el comportamiento de los muros de sótano, cargas que actúan en él y variaciones en su resolución al estar en diferentes estratos de suelo; además se explica una breve resolución basado en las normas NEC (Norma Ecuatoriana de la Construcción) y ACI 318 -2014. Se da una explicación de los principales pasos que se debe seguir en su construcción y recomendaciones para un correcto cálculo.

P alabras alabras clave clave: Comportamiento, resolución, estratos de suelo, ACI and NEC. AB A B STR ST R A CT : The purpose of this paper is to define a basement wall; the principal differences will be analized within other walls; perhaps we analyze it’s behavior, loads acting in the basement walls and the way to solve it if we have different soil caps; a quick resolution based on NEC and ACI will be developed with an explanation about the principal steps to follow to construct and solve in a good way.

K eywords: ywords: Behavior, solve, soil caps, ACI and NEC.


MUROS DE SÓTANO Son elementos constructivos cuya principal misión es servir de contención, generalmente de un terreno natural o de un relleno artificial, tienen forma de cajones cerrados y están destinados a recibir cargas verticales, generalmente transmitidas por pilares de la estructura y frecuentemente también por algún forjado, además de recibir cargas horizontales producidas por el empuje de tierras. [1]

El caso más frecuente es que sobre el muro se apoyen pilares que le transmiten cargas de las plantas superiores, pudiendo existir varios sótanos. (Fig. 2) [1]

Los forjados son elementos estructurales superficiales capaces de transmitir las cargas que soporta y su peso propio a los elementos verticales que lo sostienen. Se emplea para conformar las cubiertas y las diferentes plantas de las edificaciones. [1]

TIPOLOGÍA DE MUROS DE SÓTANO Existen dos tipos elementales de muros de sótano, de un nivel y de varios niveles. Para estructuras de pequeña magnitud se construye generalmente sólo un nivel de sótano, donde aparte del peso propio, recibe como única carga vertical la reacción del apoyo muro-losa (fig.1). [1]

Las variaciones que puede tener cualquiera de los tipos de sótanos dependen de que el terreno contenido sea o no de propiedad ajena y, de la relación entre empujes y cargas verticales, para determinar si es posible que el cimiento vaya centrado respecto al muro. [1] La ejecución de este tipo de muros puede ser con encofrados o mediante el procedimiento de muros pantalla. [2]

FUNCIÓN DE LOS MUROS DE SÓTANO Las funciones más comunes que desempeñan los muros de sótano pueden ser: a) Retener el empuje horizontal que ejerce la masa de suelo sobre el muro.


b) Transmitir las cargas provenientes de las plantas superiores si hubiere, o bien, de otras cargas existentes sobre el relleno más el peso propio del muro al cimiento.

DIFERENCIAS DE FUNCIONAMIENTO ENTRE MUROS DE SÓTANO Y MUROS DE CONTENCIÓN Los principios de funcionamiento de los muros de contención y los muros de sótano son diferentes; dado que, un muro de contención se comporta básicamente como un voladizo empotrado en el cimiento y, su fin primordial es el de retener un terreno o relleno (fig. 3a). Mientras que, un muro de sótano se comporta generalmente como una losa de uno o varios vanos, donde el tipo de apoyo depende de la clase de muro requerido de acuerdo al diseño. [1] En la situación anterior, el cuerpo del muro trabaja esencialmente a flexión y la comprensión vertical debida a su peso propio es generalmente despreciable. [2]

ACCIONES EN LOS MUROS DE SOTANO Las acciones que se deben considerar en el proyecto de un muro de sótano son:

Acciones Por Su Naturaleza -Acciones Directas.- son aquellas que se aplican directamente sobre la estructura. En este grupo se incluyen, el peso propio de la estructura, las restantes cargas permanentes, las sobrecargas de uso.

son aquellas -Acciones I ndirectas deformaciones o aceleraciones impuestas capaces de dar lugar, de un modo indirecto a fuerzas. En este grupo se incluyen los efectos debidos a la temperatura, asientos de la cimentación, acciones reologicas, acciones sísmicas, empujes de suelo, empujes estáticos y

Donde: N1 = Carga proveniente del apoyo muro-losa N2 = Carga del peso de la superestructura dinámicos.


Notas: 





Para el peso propio del muro se deberá tomar en cuenta el peso propio del muro de sótano, de acuerdo con el material provisto para su ejecución. Las sobrecargas sobre el terreno son aquellas que se dan o bien sobre la estructura de contención, o bien sobre el terreno de trasdós. Los efectos sísmicos son efectos a tener en cuenta dependiendo de la zona sísmica, de emplazamiento del muro de sótano.

CARGAS ESTÁTICAS

′  1  = ∅ ∗ {2 ∗ +2( ∗ℎ) ∗∅ ∗∅  [4 ∗  ∅] + 4 + ( ∗ℎ ) ∗ ∅ +8( ∗ℎ ) ∗ ∗∅ ∗ ∅} 1 En caso de no tener inclinación del talud utilizamos la ecuación 3.1.1 Para el segundo estrato se lo determina con la siguiente ecuación:

     √      =  ∗  + √    Donde:

Ø= Ángulo de fricción interna del suelo

El estudio de la presión ejercida en un terreno a una profundidad H, es de suma importancia para el diseño de muros de sótano, ya que, prescindir de dichos estudios o analizarlos a la ligera, podría repercutir en el desempeño adecuado de tales elementos, provocando así posiblemente hasta la falla de la estructura total.



ɣ = Peso específico del suelo h= Altura del estrato

Presión del suelo

Coeficiente estático



Suelos cohesivos



Suelos friccionantes

sedimentada debido a procesos geológicos y situada a una profundidad h, tenderá a deformarse verticalmente por efecto de las cargas provenientes de los estaros superiores y posiblemente otras cargas externas. El esfuerzo vertical a cualquier profundidad h es:

 = 11  +

 =  ∗ (45°  2)

Vertical

Una molécula de suelo con peso unitario γ,

Para un estrato: 

= Ángulo de inclinación del terraplén

Ec. 3.1.1

En el caso de tener dos estratos se determina el coeficiente estático con la siguiente fórmula:

  ℎ

Donde:

 =  ∗ℎ ∗

= Sobre carga del talud = Peso específico del suelo = Altura del muro




CARGAS DINÁMICAS

Horizontal

Si se supone que la capa donde está la molécula es indefinida, entonces ésta no podrá dilatarse horizontalmente porque el suelo de la capa en estudio la mantendrá confinada bajo el mismo régimen de compresión. La tendencia impedida de la molécula que debe dilatarse, originará una fuerza de compresión horizontal uniforme en todas las direcciones del plano (fig.8). A esto se le conoce como presión lateral en reposo definida en la siguiente ecuación:

 

Donde:

 =  ∗  + 

= Coeficiente estático

= Presión del poro de agua =

 ∗ ℎ

El empuje resultante es igual al área de la aplicación de la carga horizontal, en los terrenos compuestos por estratos de diversas características se determina el empuje total obteniendo la resultante de los empujes parciales correspondientes a cada uno de los estratos. La línea de acción del empuje resultante activo es: Z



= ∑  ∗  

Donde:

= Empuje resultante

Coeficiente de empuje dinámico

  ó = ó  ℎ ℎ ó = ó 

ℎ =

Donde:

Aceleración horizontal de la masa de suelo en unidades de gravedad de acuerdo con el tipo de sismo que se esté analizando y, con el mapa de microzonificación sísmica del Ecuador.

 =

Aceleración vertical de la masa de suelo en unidades de gravedad, en caso de no poseer registros de acelerogramas el valor es de 0.

′ = − ∗ 1 ℎ

′

Donde:

= Coeficiente de empuje dinámico

Coeficiente Pseudoestático del suelo

 ∅+   ′ =  ′  ∅ +∅   ′  ′       1 +    ′ +  Donde:

Ka = Coeficiente Pseudoestático ∅Est= uÁngul o def r i c ci ó ni n t e rna dio desuelos


β = Ángulo queformaelmuroensu parte posteriorconsuhorizontal α = Ángulo deinclinacióndel terraplenEstudio desuelos δ = Ángulo defricciónsuelo  muro 

Incremento dinámico

Donde:

, Depende del Angulo de rozamiento interno del suelo, el contenido de humedad y la rugosidad del muro. o

o

δ= δ=

Para caso de terrenos desfavorables,

0° ∅ δ =  ∅ 

En caso de tener una superficie del muro muy rugosa se toma en cuenta para el caso de empujes se le considera

Empuje dinámico Mononobe-Okabe)

total

(Ecuación

 = 12 ℎ1  ∗   = Empuje dinámicototal  = Pesoespecíficodelsuelo  = Aceleraciónverticaldela masadesuelo enunidadesdegravedad  = Coeficiente Pseudoestático ℎ = Alturatotaldelmuro Donde:

∆ =     = Presiónactiva ∆

de

En caso de tener varios estratos se asume el valor de es aproximadamente del 10-20% del peso del muro (peso de la pantalla + peso de la cimentación).

Línea de acción del incremento dinámico y del empuje dinámico La línea de acción de Pae estará a una altura Zae con respecto al fondo del muro, y la de ΔPae a

2/3H ó 0.6H

∆ = 23 ℎ  = ∆ ∗ ∆ +  ∗ 

MODELOS MATEMATICOS El tipo de cálculo para un muro de sótano depende de los apoyos:

Muro en Volado Cuando el muro trabaja en forma individual a la superestructura, y por sus características se le puede considerar como muro de contención ya que su único apoyo será su propio cimiento.


Se analizará contra volteo, deslizamiento, capacidad de carga etc.

Muro Empotrado-Apoyado Este tipo de muro va apoyado en un extremo superior sobre las vigas, por medio de juntas especiales entre el muro y la viga, y empotrado en su cimiento inferior.

Muro doblemente empotrado Este muro se diseña como parte de la superestructura, es decir, empotrado en las vigas y en su propio cimiento, además puede estar apoyado en las columnas del edificio, en este caso funcionaria como una losa en 2 direcciones con 4 apoyos. Sin embargo, cabe recordar que la carga será uniformemente variada y no uniformemente distribuida como en una losa común.

SEGÚN ACI 318 Y NEC 2014 Cálculo del Muro como Viga de cimentación El muro, en dirección longitudinal, funciona como una viga de cimentación. Un cálculo preciso puede ser estudiado en el libro de la referencia. Si la estructura es flexible el cálculo del muro puede hacerse como viga flotante, que es el método más correcto. Como simplificación, si la estructura es flexible y en todo caso si es rígida, puede aplicarse el siguiente método simplificado: a) Se considera el muro como un cuerpo rígido, sometido a las cargas N, de los pilares (y forjado en su coronación) y a su peso propio. b) Se halla la resultante CN de todas estas cargas y su distancia e. c) Con e y CN se obtiene la distribución lineal de presiones, variando de g/ ars?. (En la mayoría de los casos, la distribución resultará sensiblemente uniforme.) d) Conocidas las acciones y reacciones sobre la viga, se calculan los momentos flectores y esfuerzos cortantes. (Este método es conservador). e) Aunque en sentido estricto el muro suele ser una viga pared y debería por tanto ser calculado de acuerdo con ello, en general las armaduras mínimas de retracción y temperatura son importantes y reducen la armadura necesaria para resistir los momentos flectores resultantes.


Cuantías de acero para muros de sótano, ACI Armadura vertical 0,0012 para barras corrugadas de diámetro no superior a 16 mm. 0,00 15 para barras corrugadas de diámetro superior a 16 mm. 0,0012 para mallas soldadas.

Armadura horizontal 0,0020 para barras corrugadas de diámetro no superior a 16 mm. 0,0025 para barras corrugadas de diámetro superior a 16 mm. 0,0020 para mallas electrosoldadas.

Detalles constructivos Columnas embebidas en muros Las columnas son elementos estructurales que nacen conjuntamente con los cimientos.

Esquemas de armado de muros de sótano Como se puede observar en la imagen podemos tener las siguientes posibilidades para cimentar como son : muros con plintos de lindero, muros con plintos central.


ACI: La longitud horizontal de un muro considerada como efectiva no debe exceder la menor de las distancias centro a centro de la carga y el ancho del área más 4 veces el espesor del muro. Los muros deben anclarse a los elementos que los intersecan: pisos, cubiertas, pilastras, columnas, contrafuertes y zapatas. Se permiten muros más delgados cuando el análisis estructural demuestre que el muro posee resistencia y estabilidad adecuadas. En muros exteriores y de sótano el espesor mínimo es 190 mm y se pueden emplear muros más delgados cuando se demuestren sus características de diseño estructuralmente. Se debe aplicar las combinaciones de carga considerando que las combinaciones de carga son las cargas mayoreadas multiplicandas por el factor apropiado; debemos considerar las diversas combinaciones de carga con el fin de encontrarse la más crítica. Los muros deben diseñarse para cargas axiales excéntricas y cualquier carga lateral o de otro tipo a las que se encuentre sometida. El refuerzo mínimo para muros de sótano será horizontalmente y verticalmente .

 = 0. 0 012  = 0.0020

El refuerzo longitudinal deberá tener un espaciamiento máximo que sea el menor entre: 3*espesor del muro y 45 cm; en caso que se requiera refuerzo para el cortante el espaciamiento del refuerzo longitudinal será

menor o igual a la longitud del muro dividido para 3. El refuerzo transversal deberá tener un espaciamiento máximo que sea el menor entre: 3*espesor del muro y 45 cm; en caso que se requiera refuerzo para el cortante el espaciamiento del refuerzo longitudinal será menor o igual a la longitud del muro dividido para 5.

NEC: 





El espaciamiento máximo entre refuerzos: 250mm El refuerzo requerido por las fuerzas cortantes se debe disminuir uniformemente. Se debe usar al menos doble malla de refuerzo en cualquier en cualquier muros estructural de hormigón de más de 150mm de espesor.

Refuerzo transversal: De los muros estructurales debe anclarse al elemento de borde, de tal manera que sea capaz de desarrollar los esfuerzos de fluencia. Refuerzo longitudinal: Todo refuerzo longitudinal de muros estructurales, pórticos con diagonales, elementos confinantes de muros de mampostería confinada y cabezales. Se debe anclar de acuerdo con las especificaciones para refuerzo en tracción Se recomienda la construcción de muros pantalla cuando el sótano es de más de dos niveles, debido al coste que generaría, construir un muro con el espesor y áreas de acero producido por el momento flector generado.


Se utilizará la ecuación que nos arrogue la mayor

DISEÑO DE MUROS DE SÓTANO

Se debe pre dimensionar el muro, asumiendo un ancho de muro: según la norma deberá ser como mínimo 19 cm; aunque por lo general se utilizarán espesores entre 25 cm y 30 cm. Cuando la función del muro de sótano es también de carga ( y contención), puede considerarse como una losa apoyada entre columnas, o bien, como una losa con refuerzo vertical de tensión en las cuales las losas de sótano y de la planta baja sirven como apoyo contra la presión ejercida del sue lo hacia el muro. Acero vertical

 = 0.85∗ ′ ∗  ∗   =  ∗ 1  1  ∅∗2∗∗  ∅ = 0.9  =  ú Donde:

si el espesor del muro es mayor a 25 cm, se

debe utilizar dos capas de acero. Cuantía de acero

comprobar que no se sobrepase el área de acero máxima; como sigue:

Espesor del muro

Nota:

área de acero; posteriormente se deberá

. = 14 ∗  ∗  ′ 0 . 8 0∗  √ . =  ∗ ∗ 

 =  ∗  ∗  = 0.5′ ∗  6120   = 0.85∗ ∗  ∗ 6120+ ′   = 0.85 0.05∗  70280 ∅ =   = 0.53∗ √ ′ ∗ ∗   = ∅  =   = á     .  =     .  = á  .  =   á   . ∅ = 0.85  .

Acero horizontal

Donde:

Si el valor de Vs es negativo quiere decir que el

concreto será suficiente para absorber el cortante en el muro, si sale positivo se deberá calcular el área de acero requerida para el corte necesario; se debe tomar en cuenta que siempre se deberá colocar un área de acero igual o mayor a la mínima; como sigue:


    ∗   =  .í ∗ ′  √ 0.8∗  ∗  ∗ 14  ∗  ∗ 

ocasionar la abertura de la misma y el desacomodo del armado. Tampoco debe verterse a alturas mayores a 1.5 m.

Y el acero mínimo será el mayor entre:

Recomendaciones constructivo 







para

el





proceso

Durante el proceso de excavación y construcción de sótanos se debe asegurar totalmente la estabilidad de las paredes del talud, a fin de evitar deformaciones excesivas que afecten las estructuras vecinas (si hubiera), o que puedan poner en riesgo la vida de las personas dentro o cerca de la construcción.

Utilizar una varilla o vibrador con el fin de evitar la segregación de la materia y para que llegue a todos los espacios del armado. La soleta de concreto que servirá de piso en el sótano más profundo, deberá fundirse con una separación mayor a 2.5 cm del muro, ya que de no dejar esta junta se daría lugar a un punto crítico de agrietamiento en la estructura al momento de un movimiento sísmico o de otra naturaleza.

En la fase de armado se debe contar con una supervisión minuciosa en cuanto al tipo de acero a usar, el cual debe ser de la calidad, resistencia y tipo descritos en los planos de diseño. Los dobleces de las barras de acero deben hacerse obligatoriamente en frío. Cuando la fundición del muro se realiza con concreto hecho en obra, debe supervisarse estrictamente la elaboración, proporciones, calidad de agregados y demás componentes del concreto; asimismo, el mezclado, traslado y colocación. Al momento de verter la mezcla en la formaleta hacerlo con sumo cuidado y no de forma abrupta, lo cual podría

JUNTAS DE MUROS DE SÓTANO Es un pequeño espacio, llenado con elementos de diferentes materiales, como neopreno, poliestireno expandido, bandas elásticas etc., están situado entre elementos constructivos distintos o entre dos partes de un mismo elemento, haciendo que los mismos trabajen conjuntamente, sin que se afecten mutuamente,


por los movimientos entre sí, siendo indispensable que aparte brinden, impermeabilidad, resistencia a los agentes atmosféricos, alto grado de elasticidad, y capacidad de adherencia, siendo de 3 tipos:

rellenarla con material sellante con capacidad de absorber los movimientos del muro.

La primera junta de hormigonado es la existente entre el hormigón de limpieza y el hormigón de la zapata.

Juntas de Hormigonado Cimiento Alzado La segunda junta de hormigonado es la que existe entre la zapata y el alzado del muro, que debe prepararse para absorber fuertes momentos flectores y esfuerzos cortantes.

Junta situada en la peor posición posible, debido a que estará sometida al máximo esfuerzo flector y máximo esfuerzo cortante, a fin de evitar que a la junta entre la humedad se recomienda


El cuerpo o alzado del muro requiere juntas más próximas. El American Concrete Institute ACI recomienda lo indicado en la tabla siguiente. El espaciamiento es alrededor de 30 veces el espesor del muro, pudiendo ser tiras de: -Madera -Metal -Plástico -Goma

Juntas de Contracción El hormigón del muro tiene su retracción y movimientos debidos a los cambios de temperatura coartados por la unión al cimiento y su rozamiento con el terreno. En el cimiento las juntas pueden distanciarse de acuerdo con lo indicado en la tabla.

Estas juntas se dejan a 45 pulgadas.

Juntas de Dilatación Es una junta que se sitúa entre elementos constructivos o entre 2 partes de un mismo elemento verticales a fin de posibilitar el movimiento entre ellos, sin que se afecten mutuamente al experimentar dilatación por cambio de temperatura, disponiéndose: -A cada 20 m como maximo en zonas de temp. Extremas. -A cada 30 m como maximo en zonas de temp. Moderadas. -Donde cambie la altura del muro.


-Donde cambie la profundidad del plano de cimentación. -En todo cambio de dirección en planta

En a) si no se dispone de la junta J-J aparecerán tracciones y flexiones horizontales (concentración de esfuerzos cortantes en la unión con el muro vertical) que deben ser consideradas

DRENAJE El drenaje en muros sirve para evitar la acumulación de agua detrás de las paredes, que pueden provocar grandes presiones por la formación de hielo para lo cual se debe colocar material granular detrás de la pared del muro. Un mejor método consiste en usar un tubo perforado de 6 a 8 plg en una cama de grava a lo largo de la base del muro.

En b) si no se dispone de la junta J-J y el relleno está en el semiespacio 1, originará compresiones horizontales imprevistas en el muro, en muchos casos carecerá de importancia. Si el relleno está en el semiespacio 2, las tracciones inducidas pueden fisurar gravemente el muro.

Las juntas J-J solucionan el problema.


PATOLOGÍAS Un muro puede fallar por:

Fisuración Excesiva

Rotura por Esfuerzo Rasante La sección peligrosa suele ser la de arranque del alzado, AB , que es una junta de hormigonado obligada, en zona de máximo momento flector y máximo esfuerzo cortante.

Puede presentarse en todas las zonas de tracción, y se trata de una fisuración especialmente grave si su ancho es excesivo, ya que en general el terreno está en estado húmedo y la fisuración no es observable, pues se genera en el trasdós.

Rotura por Fallo de Solape

Rotura por Esfuerzo Cortante Este fallo puede producirse en el alzado o puntera.

La sección peligrosa suele ser la de arranque de la armadura de tracción del alzado, donde la longitud Ls de solape, debe ser cuidadosamente estudiada, ya que por razones constructivas el solape se hace para la totalidad de la armadura en la zona de máximos esfuerzos de flexión y corte.


BIBLIOGRAFÍA

[1] ACI 318, “Requisitos de Reglamento para

Concreto Estructural (ACI 318SUS-14) y Comentario”. American Concrete Institute,

Estados Unidos. 2014 [2] Calavera Ruiz J, “Muros de Contención y Sótano”. Editorial Intemac. Segunda Edición. –

Capitulo 10: Muros de Sótano, Madrid, España 1989 [3] D. I. Hernández Pérez, Consideraciones para el análisis, diseño y evaluación de muros de sótano de concreto reforzado, Guatemala: Universidad de San Carlos de Guatemala, 2009. [4] U. C. D. VALPARAISO, «GRUPO DE GEOTECNIA,» [En línea]. Available: http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03_clase s_catedra/clases_catedra_ms1/08_empujes.pdf.

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