Especificaciones AASHTO para el diseño o de muros MSE. Standard Specifications for Higwway Bridges AASHTO

Transcripción

1 Especificaciones AASHTO para el diseño o de muros MSE Standard Specifications for Higwway Bridges AASHTO HB 17, Capítulo 5, Sección n 5.8

2 ART. 5.8 DISEÑO O DE MUROS DE TIERRA MECANICAMENTE ESTABILIZADA Los muros MSE deben diseñarse para la estabilidad externa del sistema de muro como también n para la estabilidad interna de la masa de suelo reforzado detrás s de la fachada. El diseño o interno de los sistemas de muro MSE requiere del conocimiento a corto y largo plazo de las propiedades de los materiales usados como refuerzo, como también n de la mecánica de suelos, la cual gobierna el comportamiento de los muros MSE. También n puede requerirse el diseño o estructural de la fachada del muro.

3 Estabilidad : Externa e interna BARRERA DE TRAFICO Se requiere conocimientos de: REFUERZOS Los materiales de refuerzo SUELO RETENIDO RELLENO SELECCIONADO FACHADA Mecánica de suelos Estructuras para la fachada EMPOTRAMIENTO BASE FUNDACION

4 En la figura 5.8.1A se muestra una ilustración n de las dimensiones de los elementos del muro MSE que se requiere diseñar.

5 ART Criterio de factores de seguridad estabilidad general. para Estabilidad externa: Deslizamiento FS 1.5 Volteo FS 2.0 para cimientos sobre suelo FS 1.5 para cimientos sobre roca Capacidad de soporte FS 2.5 Taludes FS 1.3 Estático tico FS 1.1 Dinámico ( con K h = 0.5 A )

6 La longitud del refuerzo debe calcularse basados en las consideraciones de estabilidad interna y externa de acuerdo al artículo y y todas las porciones relevantes del artículo 5.8. La longitud del refuerzo debe ser mínimo m de aproximadamente el 70% de la altura del muro y no menos de 2.4 metros. La longitud del refuerzo debe ser uniforme a través s de la totalidad de la altura del muro, a menos que se presente evidencia comprobada para indicar que la variación n en longitud es satisfactoria. Las cargas externas tales como las sobrecargas incrementan la longitud mínima m de refuerzo. Pueden requerirse longitudes mayores de refuerzo para sitios con suelos muy blandos y para satisfacer requerimientos de estabilidad general.

7 CABEZA FS PANELES DE FACHADA FS REFUERZOS DE IGUAL LONGITUD EN TODA LA ALTURA H Mínimo 2.4m BERMA MINIMO 1.2 M 0.7 H MINIMO 0.6 M BASE DEL MURO

8

9

10

11 ART Estabilidad externa Los cálculos c de estabilidad deben hacerse asumiendo que la masa de suelo reforzado y la fachada son un cuerpo rígido. r El coeficiente de presión n activa Kaf,, utilizado para calcular la fuerza horizontal resultante del relleno de suelo retenido detrás s de la zona reforzada y otras cargas deben calcularse con base en el ángulo de fricción n del relleno retenido. En ausencia de datos específicos debe usarse ángulo de fricción n máximo m de 30º,, esta limitación n también n se aplica cuando se determine el coeficiente de fricción n al deslizamiento en la base del muro. Las presiones pasivas no deben considerarse para los cálculos de estabilidad.

12 Las figuras 5.8.2A, 5.8.2B y 5.8.2C ilustran las ecuaciones de estabilidad externa para muros MSE con talud superior plano, talud superior inclinado y talud superior cortado, respectivamente. Factor de seguridad contra volteo (momentos alrededor del punto 0). momentos resistentes ( Mr ) FS OT = = momentosde volteo( Mo) F1 V1 ( L / 2) ( H / 3) + F ( H / 2) Factor de seguridad contra deslizamiento fuerzas horizontales resistentes V FS = = 1 SL fuerzas horizontales actuantes φ= ángulo de fricción n del relleno reforzado o de la fundación, n, el que sea menor de los dos. 2.0 q = carga viva de tráfico Tanρ se utiliza para refuerzos continuos (mallas o capas) Tanφ se utiliza para refuerzos discontinuos (tiras) ρes el ángulo de fricción n en la interface entre el suelo y el refuerzo Utilice el menor valor entre Tanφ en la base del muro o Tanρ para el refuerzo más m s bajo para refuerzo continuos. Nota: Para elementos de fachada relativamente gruesos puede ser deseable incluir las dimensiones y peso de los elementos de fachada en los cálculos c de deslizamiento y volteo (use B en vez de L ). 2 ( tanρσ tanφ) F1 + F2 1.5

13 Factor de seguridad contra volteo (momentos alrededor del punto 0). FSOT momentos resistentes ( Mr ) V = = 1 2 momentos de volteo( Mo) ( L / 2) + V ( 2L / 3) + Fv ( L) FH ( h / 3) 2.0 Factor de seguridad contra deslizamiento fuerzas horizontales resistentes FSSL = = fuerzas horizontales actuantes ( V + V + F )( TanρσTanφ) 1 2 v FH 1.5 φ= ángulo de fricción n del relleno reforzado o de la fundación, n, el que sea menor de los dos. Tanρ se utiliza para refuerzos continuos (mallas o capas) Tanφ se utiliza para refuerzos discontinuos (tiras) ρes el ángulo de fricción n en la interface entre el suelo y el refuerzo Utilice el menor valor entre Tanφ en la base del muro o Tanρ para el refuerzo más m s bajo para refuerzo continuos. Nota: Para elementos de fachada relativamente gruesos puede ser deseable incluir las dimensiones y peso de los elementos de fachada en los cálculos c de deslizamiento y volteo (use B en vez de L ).

14 Si no se dispone de datos específicos de Tanρ,, utilice 0.67 tanφ para el coeficiente de deslizamiento para capas de refuerzo continuas o semicontinuas. Para el cálculo c de estabilidad externa, las sobrecargas continuas de tráfico deben considerarse que actúan an más m s allá del final de la zona reforzada.

15 Para muros MSE con geometría a compleja, o donde los muros soporten sobrecargas de taludes empinados infinitos (talud de longitud mayor de 2H como se muestra en la figura 5.8.2C y un talud 2H:1V o más m s empinado), deben analizarse superficies de falla compuestas que pasen a través s de una porción n de la masa de suelo reforzado como se ilustra en la figura 5.8.2D, especialmente donde el muro está localizado sobre taludes o sobre suelos blandos

16

17

18

19 Capacidad de soporte y estabilidad de la fundación La capacidad de soporte de los muros MSE debe calcularse usando un factor de seguridad mínimo m de 2.5 para cargas de grupo 1, aplicadas a la capacidad de soporte última calculada. Se puede utilizar un factor de seguridad de 2.0 si se justifica por medio de un análisis geotécnico. El ancho de la fundación n para el cálculo c de la capacidad de soporte última debe considerarse que es la longitud del refuerzo al nivel de la fundación. n.

20 Cargas para determinar fuerza y excentricidad para cálculo c de capacidad de soporte q = carga viva de tránsito R = resultante de las fuerzas verticales SUMANDO MOMENTOS ALREDEDOR DEL PUNTO C F ( H ) + F ( H ) e = 1 / 3 2 / 2 V1 + ql V1 + ql σv = L 2e Si se tienen cargas muertas concentradas, como las indicadas en las figuras A y B las fuerzas externas resultantes de esas cargas muertas deben agregarse a las presiones de tierra mostradas por superposición n (ver figura C). Nota: Para elementos de fachada relativamente gruesos puede ser deseable incluir las dimensiones y peso de los elementos de fachada en los cálculos c de deslizamiento y volteo (use B en vez de L ).

21 La sobrecarga de tránsito de debe tener en cuenta para calcular la capacidad de soporte SOBRECARGA DE TRANSITO

22 La localización n del centro resultante de la presión n deberá ser como se indica en el artículo Si la localización n de la resultante cumple con este criterio no es necesario el análisis de estabilidad al volcamiento. e L/6 (Estático) tico) e L/3 (Sísmico)

23

24

25 ART Cálculo C de cargas para el diseño o de estabilidad interna Las cargas sobre el refuerzo calculadas para el diseño o de estabilidad interna dependen de la extensibilidad y del tipo de material. Los refuerzos inextensibles alcanzan su resistencia pico a deformaciones unitarias menores que las requeridas para que el suelo alcance su resistencia pico. INEXTENSIBLE EXTENSIBLE pico. Los refuerzos extensibles alcanzan su resistencia pico a deformaciones unitarias mayores que las requeridas para que el suelo alcance su resistencia

26 En general los refuerzos inextensibles consisten en tiras metálicas, mallas de barras o mallas de alambre soldado, mientras los refuerzos extensibles consisten de geotextiles o geomallas.

27 Los modos de falla a estabilidad interna incluyen rotura del refuerzo (estado límite l último), extracción n del refuerzo (estado límite l último) y elongación n excesiva del refuerzo (estado límite l de servicio). FS Rotura Elongación n excesiva Extracción

28 FS FS

29 FS FS

30 Elongación n excesiva del refuerzo (estado límite l de servicio).

31 Elongación n excesiva del refuerzo

32 La estabilidad interna se determina igualando la carga de tensión n aplicada sobre el refuerzo, a la carga de tensión permisible para el refuerzo, siendo la tensión n permisible gobernada por la rotura y la extracción n del refuerzo. Superficie de falla para estabilidad interna Tensión Resistencia

33 La carga sobre el refuerzo se determina en dos sitios críticos: en la zona de esfuerzo máximo m y en la conexión con la fachada del muro, para determinar la estabilidad interna del sistema de muro. El potencial para rotura y extracción n del refuerzo se evalúa a en la zona de esfuerzo máximo. La zona de máximo m esfuerzo se asume que está localizada en el límite entre la zona activa y la zona resistente. El potencial para rotura y extracción n también n se evalúa a en la conexión n del refuerzo con la fachada del muro.

34 El ángulo de fricción n máximo m utilizado para el cálculo c de la fuerza horizontal dentro de la masa de suelo reforzado debe asumirse que es de 34º,, a menos que al relleno específico se le realicen ensayos para calcular la resistencia a la fricción n por los métodos m triaxial o de corte directo.

35 Cálculo de las cargas máximas m sobre el refuerzo Las cargas máximas m sobre el refuerzo deben ser calculadas utilizando el procedimiento de la Gravedad Coherente Simplificada. En este procedimiento la carga sobre el refuerzo se obtiene multiplicando el coeficiente de la presión lateral de tierras por la presión n vertical en el refuerzo y aplicando la presión n lateral resultante al área tributaria para el refuerzo. Otros métodos m de diseño o ampliamente aceptados y publicados para el cálculo c de cargas sobre el refuerzo pueden ser utilizados a la discreción n del propietario del muro o de la entidad que lo apruebe

36 Pv =γ. h Kr. Pv. h h

37 El esfuerzo vertical σν,, es el resultado de las fuerzas de gravedad del peso del suelo del relleno inmediatamente encima del refuerzo y las sobrecargas presentes. Esfuerzo máximo: m σv v = γrz + q + σv Extracción: σv v =γrz = + σv

38 El coeficiente de presión n de tierras Kr se determina aplicando un multiplicador al coeficiente de presión n activa. El coeficiente de presión n activa debe determinarse utilizando el método m de Coulomb como se muestra en la figura 5.5.2A, asumiendo que no existe fricción n de pared (δ( = β). Observe que como se asume δ = β,, y β se asume siempre cero para estabilidad interna, para un pared vertical, la ecuación n de Coulomb se simplifica a la forma más m s simple de la ecuación n Rankine: K a =Tan 2 ( 45 φ' / 2)

39 El multiplicador que se aplica a Ka debe determinarse como se indica en la figura C. Con base en esta figura el multiplicador de Ka es una función n del tipo de refuerzo y de la profundidad del refuerzo por debajo de la parte superior del muro. La carga aplicada sobre el refuerzo, Tmax,, debe calcularse sobre la base de la carga por unidad de ancho del muro.

40 Por lo tanto, la carga de refuerzo de acuerdo al área tributaria de esfuerzo lateral se determina como se indica a continuación: n: σ h = σνkr + σh T max = σ S h ν Sν es el espaciamiento vertical del refuerzo σh h es esfuerzo horizontal del suelo en el refuerzo σh h es el esfuerzo horizontal en la localización n del refuerzo resultante de las cargas horizontales de sobrecargas concentradas

41 Las especificaciones de diseño o asumen que la fachada del muro en forma combinada con el relleno reforzado actúan an como una unidad coherente para formar una estructura de contención n a gravedad. No se conoce muy bien el efecto de los espaciamientos verticales grandes y no deben utilizarse espaciamientos verticales superiores a 0.8 metros, sin que se cuente con ensayos de muros a escala real (cargas, deformaciones unitarias y deflecciones totales) que soporten la aceptabilidad de espaciamientos verticales mayores. Las especificaciones para muros MSE también n asumen que los refuerzos inextensibles no se mezclen con refuerzos extensibles dentro del mismo muro. No se recomienda en los muros MSE que contengan una mezcla de refuerzos inextensibles y extensibles.

42 Localización n de la zona de máximo m esfuerzo La localización n de la zona de máximo m esfuerzo para sistemas de muro con refuerzos inextensibles y extensibles, la cual forma el límite entre las zonas activa y resistente se determina como se muestra en la figura A. Para muros verticales : ψ = 45+ φ' 2

43 Para muros con una inclinación n de la fachada de 10º o más m con la vertical Tan ( ψ φ) FS = Tan ( φ β) tan( φ β) [ tan( φ β) + cot( φ + θ 90) ][ 1+ tan( δ + 90 θ) cot ( φ + θ 90) ]) 1+ tan( δ + 90 θ) [ tan( φ β) + cot ( φ + θ 90) ] β δ δ

44 Para refuerzos inextensibles H 1 = H + Tanβ x 0.3H I 0.3 Tanβ Nota: Si la cara de la fachada es inclinada un equivalente a 0.3H1 todavía a se requiere que la porción n superior de la zona de máximo m esfuerzo debe ser paralela a la fachada.

45 Para sistemas de muro con refuerzo extensible con una inclinación n con la vertical de menos de 10º,, la zona de máximo esfuerzo debe determinarse usando el método m de Rankine. Como el método m de Rankine no puede tener en cuenta la inclinación n de la fachada del muro o el efecto de las sobrecargas concentradas por encima de la zona de relleno reforzado, se debe utilizar el método m de Coulomb para los muros con refuerzo extensible en los casos de inclinación con la vertical igual o superior a 10º o con sobrecargas concentradas, para determinar la localización n de la zona de máximo esfuerzo.

46 ART Diseño o de extracción n del refuerzo La resistencia a extracción n del refuerzo debe ser chequeada a cada nivel contra falla a la extracción n para estabilidad interna. Solo se debe tener en cuenta para los cálculos c la longitud de refuerzo efectivo a la extracción n que se extiende más m s allá de la superficie teórica de falla. Observe que las cargas de tráfico no se tienen en cuenta en los cálculos c de extracción n del refuerzo

47

48 La longitud efectiva de refuerzo a la extracción n requerida debe determinarse utilizando la siguiente ecuación: L e FSPOT max F * ασ ν CR c Le es la longitud de refuerzo en la zona resistente FSPO es el factor de seguridad contra arrancamiento (mínimo 1.5) F* es el factor de resistencia a la extracción α es el factor de corrección n por efecto de escala σν es el esfuerzo vertical sobre el refuerzo en la zona resistente C es el factor general del área de refuerzo basado en el perímetro general del refuerzo y es igual a 2 para refuerzos en tiras, mallas o láminas l (dos lados) Rc es la relación n de cubrimiento del refuerzo F*ασν ασνcle es la resistencia a la extracción n Pr por unidad de ancho del refuerzo.

49 F* y α se obtienen de un ensayo de arrancamiento del refuerzo dentro del material granular que se va a utilizar para el relleno

50 F* y α deben ser determinados de ensayos específicos del producto en el relleno especificado del proyecto o pueden ser estimados empírica o teóricamente. Valores por defecto para el factor de fricción a arrancamiento F*.

51 Detalles de los parámetros para diseño o a Arrancamiento Para tiras metálicas corrugadas, si se desconoce el valor específico de CνC para el relleno del muro, debe asumirse un valor de CνC de 4.0 de diseño o para determinar F*. Debe utilizarse una longitud mínima m Le de 0.9 metros en la zona resistente. La longitud total del refuerzo requerido para extracción n del refuerzo es igual a La + Le. Para mallas el espaciamiento entre elementos de malla transversales, St debe ser uniforme a lo largo de la totalidad de la longitud del refuerzo en vez de tener elementos de malla transversales solamente en la zona resistente.

52 Tabla A Valores por defecto de los factores de corrección n por efecto de escala α. Tipo de refuerzo Valor por defecto de α Todos los refuerzos de acero Geomallas Geotextiles

53 ZONA PASIVA ZONA ACTIVA

54 ART Diseño o de la resistencia del refuerzo La resistencia del refuerzo necesario para la estabilidad interna, para resistir las cargas aplicadas a lo largo de la vida de diseño o del muro deben ser determinadas donde la carga sobre el refuerzo es máximo m (en el contacto entre las zonas activa y resistente) y en la conexión n del refuerzo con la fachada del muro. La resistencia del refuerzo requerida debe ser chequeada en todos y cada uno de los niveles dentro del muro para el estado límite l último.

55 T 0 T ac Rc Relación n que se debe cumplir para la carga máximam Donde la carga es máxima m se debe cumplir la siguiente expresión: Tmax T a R c En la conexión n del refuerzo con la fachada del muro se debe cumplir la siguiente expresión: T 0 T ac R c Ta debe determinarse en base a la resistencia a largo plazo por unidad de ancho de refuerzo y multiplicada por el radio de cobertura del refuerzo r Rc, en tal forma que pueda ser directamente comparada con Tmax,, la cual es determinada con base en la carga por unidad de ancho (esto también n se aplica para Tac y Tc.

56 b S h Rc = relación n de cobertura del refuerzo = b S h Para refuerzos discretos (no contínuos nuos), tales como tiras de acero o colchones de barras, la resistencia del refuerzo debe convertirse a resistencia por unidad de ancho del muro tomando la resistencia a largo plazo del refuerzo, diviéndola por el ancho del elemento discreto, b, y multiplicándola por la relación n de cubrimiento del refuerzo Rc.. Para capas de refuerzo continuo b = 1 y Rψ R = 1.

57

58 T max T T R = al ( FS) R c a c = T ult R c ( FS)( RF ) Ta = resistencia a la tensión n admisible a largo plazo del refuerzo (resistencia por unidad de ancho del refuerzo) Tal = resistencia a la tensión n requerida para prevenir la rotura (resistencia por unidad de ancho del refuerzo) Tult = resistencia a la tensión n de tira ancha (resistencia por unidad de ancho del refuerzo) Rc = relación n de cobertura del refuerzo = Utilice Rc = 1 para capas continuas de geosintético tico (Sh = b = 1 unidad de ancho) FS = factor de seguridad RF = factor de reducción n combinado para tener en cuenta la degradación n a largo plazo

59 ART Requerimientos de diseño o de vida útil Los elementos de refuerzo en muros MSE deben diseñarse para que tengan una durabilidad y resistencia para garantizar una vida de diseño o mínima m de 75 años a para estructuras permanentes. Para aplicaciones y estructuras de contención n que tengan consecuencias severas en el caso de que tengan un comportamiento pobre ocurra una falla, debe considerarse una vida de servicio de 100 años. a La tensión n permisible del refuerzo debe basarse en mantener unos esfuerzos permisibles del material al final de la vida de servicio de 75 o de 100 años. a

60 Requerimientos de los polímeros. Se deben utilizar polímeros que tengan unas buenas características de resistencia a la degradación n química a largo plazo si se utilizan factores de reducción n sencillos por defecto, con el objeto de minimizar el riesgo de ocurrencia de degradación n significativa a largo plazo.

61 Tipo de polímero Propiedad Ensayo Criterio para permitir el uso de RF por defecto Polipropileno Resistencia a la oxidación UV ASTM D 4355 Mínimo 70% de resistencia retenida después de 500 horas en el medidor de clima. Polietileno Resistencia a la oxidación UV ASTM D 4355 Mínimo 70% de resistencia retenida después de 500 horas en el medidor de clima. Poliéster Resistencia a la hidrólisis Método de viscosidad inherente (ASTM D 4603 o GRI-GG8) Número mínimo de peso promedio molecular de Poliéster Resistencia a la hidrólisis Método GRI-GG7 Máximo contenido de grupo carboxil final de 30. Todos los polímeros Supervivencia Peso por unidad de área (ASTM D 5261) Mínimo 270 gr/m2. Todos los polímeros Porcentaje material reciclado después consumido de de Certificación de los materiales utilizados Máximo 0%.

62 Cálculo de la resistencia del refuerzo a largo plazo. Para condiciones de estado límite l último: T al = T ult RF RF =RF ID X FC CR X RF D Tal es la resistencia a la tensión n a largo plazo requerida para prevenir la rotura del refuerzo calculada en base a la carga por unidad de ancho de refuerzo. RF es un factor combinado de reducción n para tener en cuenta el potencial de degradación n a largo plazo debido a daños de instalación, n, fluencia (creep) y envejecimiento químico

63 Tult es la resistencia última a la tensión n del refuerzo determinada en el ensayo de carga ancha (ASTM D 4595 para geotextiles o geomallas. El valor seleccionado de Tult debe ser el valor mínimo m promedio por rollo (MARV) para el producto para tener en cuenta la variación n estadística stica en la resistencia del material.

64 .

65 Factores de Reducción RF ID es el factor de reducción n de la resistencia para tener en cuenta los daños al refuerzo durante su instalación. n. RF CR es el factor de reducción n a la resistencia para prevenir la rotura a largo plazo por fluencia (creep) del refuerzo. RF D es el factor de reducción n de la resistencia para prevenir la rotura del refuerzo debido a degradación n química o biológica.

66 Los valores de RFID, RFCR, y RFD se presentan en la publicación n FHWA SA apéndice B, y FHWA SA Tipo de polímero Factores de reducción por fluencia (Creep) Poliéster 1.6 a 2.5 Polipropileno 4 a 5 Polietileno de alta densidad 2.6 a 5

67 Aplicación Todas las aplicaciones pero con datos específicos de los productos obtenidos y analizados de acuerdo con la publicación FHWA SA apéndice B y FHWA SA Factor de reducción total RF Basado en los ensayos de los productos. RF ID y RF D no deben ser menores de 1.1. Aplicaciones permanentes que no tengan consecuencias severas en el caso de que ocurra comportamiento pobre o falla, en suelos no agresivos y con los polímeros cumpliendo con los requisitos de la tabla A, y no se provea información específica de los productos. Aplicaciones temporales que no tengan consecuencias severas en el caso de que ocurra comportamiento pobre o falla, en suelos no agresivos y con los polímeros cumpliendo con los requisitos de la tabla A, y no se provea información específica de los productos

68 ART Esfuerzos admisibles La carga permisible de tensión n por unidad de ancho de geosintético tico para estructuras permanentes (vida de diseño o de 75 a 100 años). a Se determina como se indica a continuación FS X RF Donde FS es un factor de seguridad global, el cual tiene en cuenta las incertidumbres en la estructura geométrica, propiedades de los rellenos, cargas externas aplicadas, el potencial de sobre-esfuerzos esfuerzos locales debidos a no-uniformidades de las cargas. Para condiciones de estado límite l último, para muros permanentes debe usarse un FS de 1.5. T a = T ult

69

70 Cargas sísmicass smicas Durante un sismo actúan an sobre el muro dos fuerzas : Fuerza inercial horizontal P IR. La masa reforzada está sometida a una fuerza de inercia P IR = Masa x A m Impulso dinámico horizontal P AE El suelo detrás s del muro ejerce un impulso sobre la masa reforzada.

71 Diseño o sísmicos smico - Estabilidad Externa Fuerza inercial horizontal PIR P IR = M x A m Impulso dinámico horizontal PAE (Mononobe Okabe)

72 Fuerza inercial horizontal PIR Diseño o sísmico s smico Estabilidad Interna

73 Los valores de PAE y PIR para estructuras con relleno horizontal deben determinarse utilizando las siguientes ecuaciones: A m = ( A)A P AE P IR = 0.375A γ H m m f f = 0.5A γ H 2 2

74

75 Cargas de tráfico Las cargas de tráfico deben ser tratadas como sobrecargas uniformes. La presión n de sobrecarga de carga viva debe ser igual a no menos de 0.6 metros de tierra.

76 Cargas puntuales

77 OTRAS ESPECIFICACIONES AASHTO HAGAMOS UNA REVISION RAPIDA DE LAS ESPECIFICACIONES AASHTO Por favor.. abran sus memorias del seminario y repasemos su contenido

78