ESTRUCTURAS DE CONCRETO II

Transcripción

1 Estructuras de Concreto II (IC-0802) Prof.: Ing. Ronald Jiménez Castro Diseño de muros de retención Definición: Un muro de retención es una estructura que proporciona soporte lateral a una masa de tierra o líquido y en algunos casos soporta cargas verticales adicionales. Semana 13 I Cuatrimestre, 2018 El esquema general de un muro de contención tipo voladizo de concreto reforzado se muestra a continuación: Parámetros geométricos para el análisis de un muro de retención Relleno pasivo Pared (muro) Relleno activo Drenaje 0.30m a 0.50m Punta Diente Talón Placa = Punta+Talón Para condiciones normales de muros de retención, existen una serie de relaciones geométricas empíricas que resultan de gran utilidad como primera aproximación en un análisis de estabilidad. B = 0.5H a 0.8H. Los muros de retención convencionales son básicamente 4: 1. Muro de gravedad Muros (sin refuerzo) que resisten las cargas externas con la acción de su propio peso. El ejemplo más evidente de muros de este tipo son los de gaviones que se conforman de canastas de alambre rellenas de piedra tipo bola. Relativamente fáciles de construir. La punta de la placa normalmente tiene un ancho de 0.30m a 0.50m. SEMANA 14_12 Abr 1

2 2. Muro de semi-gravedad Muros de concreto similares a los de gravedad con la única diferencia de que cuentan con una pequeña cantidad de refuerzo en la cara sometida a tensión. 3. Muro en voladizo Son el tipo más común que se construye dado que la mayoría de los constructores conoce la técnica. Puede ser de concreto o de mampostería (bloques). Usualmente requieren de una buena cimentación. 4. Muro con contrafuertes Al igual que los muros en voladizo, éstos pueden construirse de concreto reforzado o de mampostería. El contrafuerte proporciona estabilidad ante cargas perpendiculares al muro y se vuelve indispensable para grandes alturas (H mayores a 4,0m). La separación propuesta de estos contrafuertes es normalmente de unos 3m. Revisión de la estabilidad Un muro de retención, al igual que cualquier estructura, debe satisfacer los criterios de equilibrio de fuerzas y de momentos con un adecuado factor de seguridad (F.S.). Debido a lo anterior y de manera previa al diseño estructural (cálculo del refuerzo del muro y de la placa), se debe verificar que la geometría del muro es adecuada, es decir, que garantice estabilidad al muro y no se presente una falla o colapso. El procedimiento básico consiste primeramente en proponer una geometría que se ajuste a las condiciones de sitio. Luego se calculan las fuerzas externas así como sus correspondientes momentos tal y como lo muestra el siguiente esquema: Esquema de cargas en un muro de retención en voladizo Las fórmulas para hallar los empujes y sus brazos de palanca son: Descripción Fuerza Brazo Empuje activo Empuje sísmico Empuje carga permanente Punto respecto al cual tendería a volcarse el muro Empuje carga temporal SEMANA 14_12 Abr 2

3 Por su parte, las fuerzas que impiden el desplazamiento lateral del muro son: el empuje pasivo (empuje del suelo que se encuentra sobre la punta) y la fricción que se genera en la interfase placa-suelo. Descripción Empuje pasivo Fricción Fuerza Además de las dimensiones del muro, la magnitud de las fuerzas de empuje depende del tipo de suelo que se esté reteniendo, lo cual se refleja en los parámetros: K a,g s ym. Dichos valores se obtienen de un Estudio Geotécnico que se efectúa previo al diseño, específicamente en la etapa de anteproyecto. Para efectos de este curso y como referencia, se muestran valores típicos de K a ym para diferentes tipos de suelo. Coeficientes de presión activa K a para distintos materiales Material K a Arcilla húmeda 0.11 a 0.43 Arcilla con arena 0.25 a 0.54 Arcilla saturada 0.82 a 1.0 Limo 0.43 a 0.54 Limo saturado 0.82 a 1.0 Arena suelta 0.25 a 0.54 Arena densa 0.43 a 0.67 Arena fina 0.33 Arena gruesa 0.18 Rocas 0.18 a 0.33 Coeficientes de fricción m entre placa del muro (concreto) y el suelo Material m Arcilla húmeda 0.11 a 0.43 Arcilla con arena 0.25 a 0.54 Arcilla saturada 0.82 a 1.0 Limo 0.43 a 0.54 Limo saturado 0.82 a 1.0 Arena suelta 0.25 a 0.54 Arena densa 0.43 a 0.67 Arena fina 0.33 Arena gruesa 0.18 Antes de efectuar el cálculo del refuerzo se debe analizar los potenciales modos en los cual puede fallar un muro de retención: 1. Deslizamiento La acción separada y/o simultánea de las fuerzas externas puede hacer que el muro se desplace lateralmente. Esto se presenta cuando las fuerzas estabilizadoras (fricción de la placa con el suelo y el empuje pasivo) son bajas e insuficientes para contrarrestar las fuerzas deslizadoras. Como solución analítica y constructiva se puede proponer un diente o llave en el fondo de la placa. Se debe cumplir: Deslizamiento de un muro en voladizo 2. Volcamiento Dado que las fuerzas externas se aplican a una cierta altura respecto al fondo de la placa, se generan además unos momentos que tienden a volcar el muro respecto al punto O (punto inferior de la punta). La magnitud de cada uno de estos momentos es igual al valor del empuje multiplicado por su correspondiente brazo. Se debe cumplir: Los empujes causan una fuerza horizontal cuyo efecto es mover lateralmente el muro lo cual pude afectar no sólo la estabilidad global de la masa de tierra retenida sino las construcciones adyacentes (partes superior y/o inferior del talud) SEMANA 14_12 Abr 3

4 Volcamiento de un muro en voladizo 3. Falla por capacidad soportante del suelo El peso propio del muro, del suelo que retiene y de las eventuales cargas verticales que lleguen a él, inducen una presión al suelo sobre el que está cimentado el muro. Si la resistencia de este suelo es baja se pueden generar asentamientos que pongan en peligro la estabilidad global del muro y por ende de las estructuras que éste deba soportar. Se debe cumplir: Debido a los momentos individuales que genera cada uno de los empujes, se produce un momento total que tiende a volcar el muro con respecto al punto inferior de la punta. 4. Falla por cortante global de la masa de la tierra Este es un caso que dada su complejidad está fuera del alcance de este curso. Se presenta cuando se construye un muro en taludes inestables debido a rellenos mal compactados y/o presencia de flujos de agua sin drenajes adecuados. Por su parte, la estabilidad al vuelco de un muro en voladizo depende de los momentos causados básicamente por tres fuerzas: 1. Peso de la pared del muro W m 2. Peso de la placa W p 3. Peso del relleno W r La susceptibilidad de un muro al vuelco o al deslizamiento es altamente dependiente de su geometría. Por tal razón es que en un muro la pared nunca está centrada en la placa. Es más beneficioso y eficiente dar una mayor dimensión al talón (sector de la placa por debajo del relleno) que a la punta. Los momentos estabilizadores que aportan cada uno de estos pesos se obtiene multiplicando éstos últimos por la distancia horizontal del centroide correspondiente al punto de rotación O. SEMANA 14_12 Abr 4

5 Diseño estructural de muros El código ACI establece que los muros de contención en voladizo se deben diseñar con el mismo procedimiento empleado en losas. Para efectos del diseño estructural, los empujes y sus correspondientes momentos deben ser recalculados para la altura de la pared h m. El cálculo del momento último de diseño M u, se efectúa considerando que la pared del muro se encuentra empotrada en la placa. Esquema real Modelo de análisis El armado de la pared de un muro en voladizo consiste en un refuerzo vertical A s (del lado del suelo a retener) y un refuerzo horizontal (en menor cantidad que A s ). Por su parte, la cantidad acero horizontal A s,hor en la pared del muro deberá ser: Refuerzo horizontal Refuerzo vertical (a tensión) : para varillas #3, #4 ó #5 con f y =4200 kg/cm 2 : para otras varillas y grados Aspectos prácticos y detalles constructivos de muros de retención Los muros de retención son elementos de vital importancia dado que forman parte del sistema de cimentación de una estructura. En otras palabras, un mal diseño y/o construcción de un muro podía representar un colapso total o parcial de la edificación o el deslizamiento de la masa de suelo posterior. Producto de la acción de los empujes, la pared del muro se flexiona generando tensión en la cara del lado de relleno. Para el diseño a flexión se sigue el mismo procedimiento empleado en losas. Finalmente, se verifica que el espesor propuesto t m sea el adecuado. Para esto se debe cumplir: A continuación se enuncian los aspectos mas relevantes a considerar en la inspección de muros de retención: Revisar que el reforzamiento sea el adecuado tanto en calibre de las varillas como en la separación de las mismas. Verificar que se cumpla con los recubrimientos en todas las caras del muro (uso de helados ). SEMANA 14_12 Abr 5

6 Colocar amarras entre las caras horizontales de la formaleta para que la presión del concreto fresco no las tienda a separar. Tubo perforado X Verificar que la formaleta esté adecuadamente arriostrada El concreto debe tener tal fluidez que permita llegar al fondo del muro pero sin comprometer la resistencia. Uso de vibrador. Implementar un sistema de drenaje dentro del relleno posterior para disminuir así la carga hidrostática (presión del agua). Este sistema consiste en una cama de piedra dentro de la cual se coloca un tubo perforado con una ligera pendiente (0.5% a 1%). Placa X Elevación longitudinal de un muro de contención Sistema de drenaje Sección X X Tubo perforado Refuerzo vertical del muro en placa previamente colada Colocación del tubo perforado como drenaje Fase de excavación Proceso de trazado y verificación de distancias y niveles SEMANA 14_12 Abr 6

7 Armado de losa inferior (piso de un tanque de captación) Armado de paredes de muro de retención Apuntalamiento de las formaleta en paredes (muros) de un tanque de captación Colocación y apuntalamiento de formaleta Proceso de retiro de la formaleta SEMANA 14_12 Abr 7