TEMA 5: PANTALLAS DE HORMIGÓN ARMADO PARA SÓTANOS: CONSTRUCCIÓN Y TIPOLOGÍA

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1 TEMA 5: PANTALLAS DE HORMIGÓN ARMADO PARA SÓTANOS: CONSTRUCCIÓN Y TIPOLOGÍA

2 ÍNDICE EXCAVACIONES TIPOS DE PANTALLA PANTALLAS CONTINUAS DE HORMIGÓN PANTALLAS HORMIGONADAS IN SITU LODO BENTONÍTICO TIPOS DE SUSTENTACIÓN DE PANTALLAS CONTINUAS COMPROBACIÓN DE PANTALLAS:

3 INTRODUCCIÓN A lo largo del siglo XX ha proliferado la construcción de sótanos en edificaciones y obras subterráneas, debido a: Nuevos condicionantes urbanísticos: Limitación en disponibilidad de suelo urbano Limitación de alturas de edificaciones Necesidad creciente de plazas de aparcamientos La construcción de sótanos está condicionada por: Proximidad de edificaciones en medianería Infraestructuras subterráneas (pasos inferiores, metro, galerías de servicios,...) Necesidad de agilizar plazos en obras urbanas Presencia del nivel freático Todo ello ha favorecido el desarrollo de las pantallas

4 INTRODUCCIÓN La técnica de construcción de pantallas tiene un desarrollo histórico muy reciente: FORT BENTON (EE.UU.): Se descubre la BENTONITA: Arcilla de muy alta plasticidad, cuyo componente principal es la montmorillonita Se emplean una suspensión de lodos bentoníticos para estabilizar las paredes de las perforaciones petrolíferas Se realiza la primera pantalla en EE.UU. para impermeabilización de una presa, y surgen las primeras patentes Se construye la primera pantalla en España para el sótano del Banco Pastor (Cimentaciones Especiales RODIO) Se construye la segunda pantalla en España para el sótano del Monte de Piedad en Sevilla La construcción de pantallas ha proliferado en Sevilla, por tener: Nivel freático alto Suelos aluviales Sustrato impermeable a una profundidad razonable.

5 MÉTODOS DE EJECUCIÓN DE SÓTANOS El muro de sostenimiento puede construirse: DESPUÉS de la excavación (muros): Necesita taludes estables Precisa relleno posterior Ocupa mayor superficie Puede influir en edificios cercanos DURANTE la excavación (entibaciones): Sólo válido para un nivel freático profundo Requiere trabajar en el interior Muro Berlinés : Se realizan perforaciones Se hincan vigas doble T Se avanza en la excavación Se colocan placas o tablones A veces se colocan anclajes ANTES de la excavación (pantallas y tablestacados)

6 PANTALLAS Elementos de contención de tierras para realizar excavaciones verticales en los casos en que: El terreno, los edificios u otras estructuras cimentadas en las inmediaciones de la excavación, no serían estables sin sujeción en condiciones últimas o de servicio Hay que eliminar filtraciones de agua a través de los taludes y eliminar o reducir las posibles filtraciones a través del fondo, o asegurar la estabilidad de éste frente a fenómenos de sifonamiento Se construyen desde la superficie del terreno antes de la excavación y trabajan fundamentalmente a flexión Si la excavación se produce por debajo del nivel freático tienen que ser impermeables Cumplen una labor estructural de contención de tierras, y de impermeabilización del vaso No puede considerarse un elemento totalmente terminado ni impermeable, dadas las características del material y del proceso de ejecución Estructuralmente su fase crítica es la de la ejecución

7 PANTALLAS Se diferencian de los muros y las entibaciones: Se ejecutan previamente a la excavación La profundidad bajo el fondo de excavación no es pequeña en relación con la altura libre de la pantalla El empotramiento de la pantalla en el terreno por debajo del fondo de la excavación es, con frecuencia, indispensable para su estabilidad, constituyendo en ocasiones el único elemento que la proporciona El peso propio de la pantalla es un factor de influencia muy escasa Son estructuras flexibles y resisten los empujes del suelo deformándose Las pantallas pueden requerir sujeción en uno o varios puntos de su altura libre, además del empotramiento (por estabilidad, resistencia estructural o para impedir excesivas deformaciones en el trasdós) Tipos de pantallas: Continuas de hormigón: hormigonadas in situ y prefabricadas De pilotes De tablestacas

8 PANTALLAS DE TABLESTACAS Son alineaciones de paneles prefabricados o tablestacas enlazadas, que se hincan en el terreno a golpes o por vibración para constituir pantallas resistentes o de impermeabilización, que sirvan de protección para la ejecución de otras obras Da mejor resultado que el muro berlinés bajo el nivel freático Son muy flexibles: pueden producir asientos en edificios cercanos Por la hinca pueden producir vibraciones y compactaciones Pueden ser contenciones provisionales o definitivas (puertos deportivos) Con terrenos duros o en presencia de bolos es muy difícil hincarlas. Tipos de tablestacas: Tablestacas de acero (las más frecuentes) Tablestacas de hormigón armado o pretensado Las de acero, a causa de su menor sección se hincan más fácilmente y originan menores vibraciones en el terreno

9 PANTALLAS DE PILOTES Normalmente mediante pilotes perforados, aunque en ocasiones con pilotes prefabricados hincados para estabilización de taludes Presenta problemas de discontinuidad Separación entre pilotes: La separación entre pilotes es función del terreno, de los esfuerzos y de la capacidad de flexión de los pilotes Si no hay necesidad de estanqueidad, los pilotes pueden disponerse con una separación inferior al doble del diámetro En la estabilidad del terreno entre pilotes separados se puede tener en cuenta el efecto de arco Cuando la excavación ha de permanecer abierta mucho tiempo, y si el terreno es meteorizable, debe protegerse la banda de terreno entre pilotes por medio de hormigón proyectado o mejor con bovedillas de ladrillo Cuando hay que excavar bajo el nivel freático será necesario que los pilotes sean secantes

10 PANTALLAS CONTÍNUAS Se construyen por excavación de una zanja por paños o módulos ( bataches ): Espesor entre 450 y mm Ancho que oscila entre el valor mínimo de la apertura de la cuchara de excavación y un máximo que depende del tipo de terreno, de las deformaciones admisibles u otras condiciones de la obra (2,5 4,5m) Un panel suele tener sólo una jaula de armadura a lo largo de su longitud En arcillas firmes o duras, las zanjas pueden ser estables sin necesitar ningún elemento de contención, debido a la cohesión de la arcilla y al efecto tridimensional de sus proporciones En suelos sin cohesión (arenas y limos) o en arcillas menos firmes, las zanjas no suelen ser estables por sí mismas La estabilidad sin entibación se consigue llenando cada módulo de zanja con lodos tixotrópicos (suspensiones en agua de arcillas tixotrópicas muy plásticas, como bentonitas, sepiolitas...)

11 ELECCIÓN DEL TIPO DE PANTALLA Hay que conocer los datos de las obras o edificaciones en las proximidades de los límites de la excavación (tipo de estructura, cimentación, distancia, estado, etc.) Se debe prestar una atención especial a las medianerías: En este caso la flexibilidad de la pantalla es muy importante Hay que conocer la posición del nivel freático, los niveles piezométricos en los estratos atravesados y su evolución en el tiempo Hay que estudiar la estabilidad general de la pantalla o de la excavación, por deslizamiento a través de una superficie profunda Si se excava bajo el nivel freático: Hay que estudiar la red de filtración, el riesgo de sifonamiento Hay que seleccionar un tipo de pantalla que garantice un adecuado grado de estanqueidad y realizar la estimación de caudales Hay que asegurarse de que no existen en el terreno obstáculos (alcantarillas, colectores, antiguas cimentaciones,...) Si se trabaja sin lodos se producen vibraciones por la caída libre de la cuchara de excavación en pantallas continuas

12 ARRIOSTRAMIENTO DE LAS PANTALLAS Las estructuras de edificación son más sensibles a los movimientos horizontales que a los asientos diferenciales Para minimizarlos, hay que elegir pantallas relativamente rígidas y no dejar grandes alturas en voladizo ( 3,5 m): Se debe disponer elementos de sujeción poco deformables Suele ser necesario disponer sujeción para excavaciones de más de 3-4 m La necesidad de disponer elementos de sujeción depende de: La estabilidad general de la excavación La estabilidad propia de la pantalla La presencia de otras edificaciones en sus proximidades Los procedimientos de sujeción más usuales son: Apuntalamiento al fondo de la excavación y banquetas. Acodalamiento contra otras pantallas de la propia excavación Acodalamiento contra los forjados del propio edificio (método ascendentedescendente) Anclajes al terreno

13 SUJECIÓN DE LAS PANTALLAS

14 CONSTRUCCIÓN FASES DE UNA PANTALLA HORMIGONADA IN SITU: Ejecución de los muretes guía Construcción por pasos sucesivos: Perforación de un batache : Cuchara bivalva Hidro-fresa en obras importantes. Colocación de tubos-junta Colocación de armaduras Hormigonado Retirada de tubos-junta Unión de todos los bataches por una viga de coronación

15 SISTEMAS DE AVANCE: Por bataches alternos: CONSTRUCCIÓN 1º 2º 1º Por bataches continuos: 1º 2º 3º

16 CONSTRUCCIÓN MURETES GUÍA: Sirven para garantizar el alineamiento de la pantalla, guiar los útiles de excavación, y servir de soporte para las jaulas de armadura y elementos prefabricados mientras endurece el hormigón Deben resistir los esfuerzos de extracción de los tubos-junta Habitualmente son de hormigón armado y construidos in situ Su profundidad, normalmente está comprendida entre 0,5 y 1,5 m Deben permitir que se respeten las tolerancias de los paneles Es recomendable apuntalarlos hasta la excavación del panel correspondiente La distancia entre muretes guía debe ser entre 20 y 50 mm superior al espesor de la pantalla En pantallas poligonales o de forma irregular, podrá ser necesario aumentar la distancia entre muretes guía La parte superior de los muretes debe ser horizontal, y estar a la misma cota a cada lado de la zanja Es necesario que la cara superior del murete guía se encuentre, al menos, 1,5 m sobre el nivel freático

17 HORMIGONADO (I): CONSTRUCCIÓN Se emplea un hormigón con una docilidad suficiente para garantizar una continuidad en el hormigonado, y una adecuada compactación por gravedad Antes de hormigonar se limpia la perforación y se colocan las armaduras El hormigonado se realiza a través de un tubo de hormigonado o trompa : La trompa es imprescindible en presencia de aguas o lodos. Se coloca por tramos de varias longitudes acoplados Tiene un embudo en su parte superior y elementos de sujeción Diámetro interior mayor de 6 veces tamaño máximo árido y de 150 mm Diámetro exterior no mayor de 0,50 veces la anchura de la pantalla y 0,80 veces la anchura interior de la jaula de armaduras

18 HORMIGONADO (II): CONSTRUCCIÓN Para empezar el hormigonado, la trompa debe colocarse sobre el fondo de la perforación, y después se levantará de 10 a 20 cm Se coloca al inicio del homigonado un tapón o pelota en el tubo Tremie, que evite el lavado del hormigón en la primera colocación. Durante el hormigonado, la trompa debe estar siempre inmerso en el hormigón por lo menos 3 m Es conveniente que se hormigone a un ritmo superior a 25 m3/h El hormigonado debe realizarse sin interrupción El hormigonado se prolongará hasta que supere la cota superior prevista en proyecto en una magnitud suficiente para que al demolerse el exceso, constituido por un hormigón de mala calidad, el hormigón al nivel de la viga de coronación o de la cara inferior del encepado sea de la calidad adecuada

19 LODOS BENTONÍTICOS El lodo de perforación es una suspensión coloidal de arcilla montmorillonítica sódica en agua El contenido de bentonita es del 5 al 10% del agua CAKE: Es una membrana práticamente impermeable que se forma en las paredes de la excavación, por filtración Sobre la membrana se aplica la presión hidrostática del lodo Características del lodo:

20 EJECUCIÓN Colocación del tubo Tubo colocado EXCAVACIÓN PANEL DE INICIO COLOCACIÓN DE TUBO-JUNTA

21 EJECUCIÓN COLOCACIÓN DE ARMADURA HORMIGONADO

22 EJECUCIÓN EXTRACCIÓN DE TUBOS-JUNTA EXCAVACIÓN PANEL DE AVANCE

23 EJECUCIÓN EXCAVACIÓN DE TACÓN COLOCACIÓN DE TUBOS-JUNTA

24 EJECUCIÓN COLOCACIÓN DE ARMADURA, HORMIGONADO Y EXTRACCIÓN DE TUBOS JUNTA EXCAVACIÓN PANEL DE CIERRE

25 EJECUCIÓN ARMADO Y HORMIGONADO FINALIZACIÓN PANEL DE CIERRE

26 MÉTODO ASCENDENTE-DESCENDENTE Es un método constructivo en el que los arriostramientos son los definitivos: Se construye la pantalla perimetral y se perforan los pilotes. Se colocan pilares los metálicos (también se pueden hincar tras el hormigonado) Se hormigonan los pilotes Se rellena con grava el hueco, para evitar el pandeo. Se hormigona el 1 er forjado contra el terreno Se excava bajo el forjado Se repite el proceso por plantas Al llegar a la losa de fondo se pueden colocar cartelas, soldadas al pilar metálico y atornilladas a la losa Permite ir construyendo las plantas sobre rasante simultáneamenmente

27 COMPROBACIÓN DE PANTALLAS Para comprobar la estabilidad en cada fase deben verificarse al menos los siguientes estados límite (CTE SE-C Apartado ): Estabilidad global Estabilidad del fondo de la excavación Estabilidad propia de la pantalla Estabilidad de los elementos de sujeción Estabilidad en las edificaciones próximas Estabilidad de las zanjas, en el caso de pantallas de hormigón armado

28 ESTABILIDAD GLOBAL

29 ESTABILIDAD DEL FONDO SUELOS COHESIVOS: En suelos cohesivos puede producirse la rotura del fondo de la excavación debida al descenso de la tensión vertical por efecto de la excavación. Debe comprobarse la seguridad respecto a un levantamiento del fondo de la excavación por agotamiento de la resistencia a esfuerzo cortante por efecto de las presiones verticales del terreno

30 ESTABILIDAD DEL FONDO SUELOS COHESIVOS: La comprobación de la estabilidad se efectúa considerando el terreno situado sobre el nivel final de excavación como una sobrecarga y despreciando su resistencia así como la resistencia de la pantalla bajo el fondo de la excavación Se evalúa mediante la siguiente expresión: σ N cb c γ u M σ: Tensión vertical total a nivel del fondo de la excavación c u : Resistencia al corte sin drenaje del terreno bajo el fondo de la excavación N cb : Factor de capacidad de carga que se define en función de la anchura B, la longitud, L, y la profundidad, H, de la excavación

31 ESTABILIDAD DEL FONDO Si se excava bajo el nivel freático, se establece una corriente de filtración de agua a través del terreno que aflorará en el fondo de la excavación o a los elementos de drenaje En este caso, es necesario comprobar que no se va a producir sifonamiento ni arrastre del material NIVEL DEL TERRENO NIVEL FREÁTICO PANTALLA VACIADO PARA CONSTRUCCIÓN Se anula la resistencia del terreno bajo el fondo de la excavación y el empuje pasivo estabilizador SIFONAMIENTO LEVANTAMIENTO DEL FONDO

32 ESTABILIDAD DEL FONDO La seguridad frente al SIFONAMIENTO se evalúa comparando el gradiente real en el terreno, i r, con el gradiente crítico del terreno, i cr, y exigiendo un coeficiente, γ M = 2: ir icr / γm = icr / 2 Donde: Esto supone: γ' icr = 1 γ i r = i cr w Δh 2 D = γ M γ γ sat = w i cr i r 1 = 2 i r 0,5 Δh D 1,0 Δh B D Δh H 1,0 D

33 ESTABILIDAD DE LA PANTALLA Deben considerarse los siguientes estados límite: Rotura por rotación o traslación del elemento de contención Rotura por hundimiento (como una cimentación) Hay que comprobar que los empujes del terreno sobre su trasdós pueden ser equilibrados por los empujes sobre la parte empotrada bajo el fondo de la excavación en su intradós, y por las reacciones de los elementos de sujeción (puntales, codales, forjados, otras pantallas, u otros) y los anclajes Debe comprobarse estabilidad en las condiciones de corto y largo plazo Es importante analizar las diversas fases constructivas, que suelen ser más críticas que la final Los cálculos de estabilidad de la pantalla pueden efectuarse por los siguientes métodos: Métodos de equilibrio límite Métodos basados en modelos del tipo Winkler Elementos finitos - diferencias finitas

34 ESTABILIDAD DE LA PANTALLA Métodos de equilibrio límite: Suponen que la pantalla es una estructura rígida y que se produce la rotura del terreno en la base de la misma Los empujes del terreno y del agua sobre la pantalla se determinan según los criterios definidos para estructuras de contención Empuje activo: Los empujes del terreno no deben ser inferiores, en ningún caso, a 0,25 σ v, siendo σ v la presión efectiva vertical en cada capa del terreno No se afectan de ningún coeficiente de seguridad Empuje pasivo: En el intradós sólo se considera una fracción del empuje pasivo (los corrimientos necesarios para su movilización son demasiado grandes): γ E = 0,6 Situación persistente o transitoria γ E = 0,8 Situación extraordinaria En este coeficiente va implícito el coeficiente de seguridad de la estabilidad de la pantalla Se plantean las siguientes alternativas para el estudio de la pantalla: Pantalla en voladizo; Pantalla con un punto de sujeción Pantalla con más de un punto de sujeción

35 ESTIMACIÓN DEL COEFICIENTE DE BALASTO Por otra parte, el coeficiente de balasto horizontal podemos estimarlo mediante la expresión: k = 1,33 * H E S 3 2 l * b k k H = H = E l E b S S l es la longitud de la parte cargada. Longitud enterrada por el lado pasivo b el ancho de la misma. Frente de pantalla con una ligera reducción por las esquinas Es el módulo de elasticidad del terreno Para suelos granulares, algunos autores proponen la expresión: k = 21, H 4 / 3 S 1/ 3 E * (E * I) k H = E 3,6 * a a = 1,7 * (E * I / E ) 1/ 3 S S En este caso a sería la parte realmente solicitada pasivamente por la pantalla, que puede estimarse en 1,5 veces la longitud elástica.

36 ESTABILIDAD DE LA PANTALLA PANTALLA EN VOLADIZO: Se plantea un diagrama de deformada y empujes según: El equilibrio de fuerzas y momentos permite calcular R y t o En general, es suficiente establecer la nulidad de momentos en P Para determinar el empotramiento total de la pantalla se incrementa en un 20% el empotramiento obtenido (t o + 0,2 t o ) Este exceso de profundidad por debajo del punto de momento nulo es suficiente para que pueda desarrollarse la fuerza R necesaria para mantener el equilibrio

37 ESTABILIDAD DE LA PANTALLA PANTALLA CON UN PUNTO DE SUJECIÓN: MÉTODO DE BASE LIBRE : El planteamiento del equilibrio de fuerzas y momentos permite determinar las dos únicas incógnitas, la fuerza de sujeción F y la profundidad de empotramiento t o

38 ESTABILIDAD DE LA PANTALLA PANTALLA CON UN PUNTO DE SUJECIÓN: MÉTODO DE BASE EMPOTRADA : En este caso hay 3 incógnitas (t o, F y R), con solo 2 ecuaciones estáticas es de dos (equilibrio de resultante y de momentos) Para resolver el problema se hace uso de una hipótesis que consiste en suponer que el momento momento flector de la pantalla en el punto O es nulo Esta hipótesis proporciona la tercera ecuación necesaria.

39 ESTABILIDAD EDIFICIOS PRÓXIMOS Estabilidad de las edificaciones próximas Si existen edificios inmediatos a los límites de una excavación hecha al abrigo de una pantalla, o en sus proximidades, debe considerarse su existencia como una sobrecarga en los cálculos de los empujes, véase Asimismo, debe comprobarse para cada una de las fases de ejecución tanto de la pantalla en si como de la excavación, que los movimientos horizontales y verticales a que se vea sometido el terreno en el trasdós, sobre el que se encuentren cimentados los edificios medianeros o próximos, no son lo suficientemente importantes como para hacer peligrar la estabilidad de los mismos o ser causa de agrietamientos, inclinaciones, etc. En el apartado se definen los criterios en cuanto a los movimientos y deformaciones horizontales y verticales máximos admisibles de edificios o servicios próximos a elementos de contención y en el apartado , los procedimientos para evaluar estos movimientos.

40 DEFORMACIONES MUROS Y PANTALLAS UMBRAL DE DESPLAZAMIENTOS DE UN MURO PARA QUE SE PRODUZCA DAÑO EN EDIFICIOS VECINOS Y PAVIMENTOS PRÓXIMOS AL TRASDOS * Daños severos en edificios con cimentación superficial DESPLAZAMIENTO PAVIMENTOS GRIETAS EN EDIFICIOS MODERNOS GRIETAS EN EDIFICIOS ANTIGUOS LATERAL MÁXIMO 3 cm 7,5 cm* 2,4 cm LATERAL EN SUPERFICIE 5 cm 6 cm * 1,5 cm MÁXIMO ASIENTO SUPERFICIAL 2,5 cm 8 cm * 1,2 cm ASIENTO LÍMITE EN EL TRASDOS DE UN MURO (D APPOLONIA, 1971) TIPO DE ESTRUCTURA ASIENTO LÍMITE (cm) FÁBRICA DE LADRILLO, ACERO, HORMIGÓN 5 BLOQUES DE HORMIGÓN O CERÁMICOS 2 PIEDRA MONUMENTAL 2,5

41 ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJES El análisis de la estabilidad del anclaje comprenderá, al menos, los siguientes aspectos (CTE SE-C Apartado 9.3.2): Comprobación de la tensión admisible Comprobación al deslizamiento del tirante dentro del bulbo de anclaje Comprobación de la seguridad frente al arrancamiento del bulbo Tensión admisible del tirante Deslizamiento del tirante dentro del bulbo de anclaje Pantalla Seguridad frente a arrancamiento de bulbo

42 ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJES Para cada situación de dimensionado se verificará que: E d R d R d = valor de cálculo de la resistencia E d = γ E P N E d =efecto de las acciones P N = la mayor de: La carga estricta para la estabilidad del conjunto, con coeficiente de seguridad 0,6 para empuje pasivo γ E =1,5 anclajes permanentes γ E =1,2 anclajes transitorios La carga sin mayorar en estudios límites de servicio

43 ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJES TENSIÓN ADMISIBLE DEL TIRANTE R d = min (A T f pk /γ M1 ; A T f yk /γ M2 ) A T = sección de anclaje f pk = límite de rotura del acero = Mpa (N/mm 2 ) f yk = límite elástico del acero= Mpa (N/mm 2 ) γ M1 = 1,25 anclajes provisionales y 1,30 definitivos γ M2 = 1,10 anclajes provisionales y 1,15 definitivos DESLIZAMIENTO DENTRO DEL BULBO DEL TIRANTE R d = L b P T τ lim / γ R L b =longitud de cálculo del bulbo P T =perímetro nominal del tirante τ lim =adherencia límite entre el tirante y la lechada (MPa) τ lim = 6,9 f ck /22,5 γ R = 1,2 f ck = resistencia característica lechada en Mpa (N/mm 2 ) Un exceso de longitud de bulbo por encima de 14 m se minorará con coeficiente de 0,7 (rotura progresiva)

44 ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJES SEGURIDAD AL ARRANCAMIENTO R d = π D N L b a adm D n = Diámetro nominal del bulbo a adm =adherencia frente al arrancamiento (MPa) a adm =(c m +σ tg Φ )/γ R γ R = 1,35 c m = cohesión efectiva minorada por coeficiente 1,2 en Mpa (N/mm 2 ) σ = componente normal al bulbo de la presión efectiva vertical ejercida por el terreno a adm se puede estimar también a partir de correlaciones empíricas que tengan en cuenta el procedimiento de inyección