Análisis comparativo del cálculo de muros pantalla en el diseño de sótanos de edificios

UNIVERSITAT POLITÈCNICADE CATALUNYA

Análisis comparativo del cálculo de muros pantalla en el diseño de sótanos de edificios

Autores: Laura Ramoneda CuencaCarlos Loscertales Lansac

Tutor interno: Alberto Ledesma VillalbaTutor externo: Carlos Fernández Lillo

Junio 2008

PROMOCIÓN E INGENIERÍA DE OBRAS S.A.U.

ANÁLISIS COMPARATIVO DEL CÁLCULO DE MUROS PANTALLA EN EL DISEÑO DE SÓTANOS DE EDIFICIOS


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1. Introducción y objetivos

2. Descripción de la obra de referencia

3. Análisis numéricos

4. Resultados obtenidos

5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice

PROMOCIÓN IE INGENIERÍA DE OBRAS S.A.U.



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1. Introducción y objetivos• ¿Qué es un muro pantalla?• Métodos existentes

– Teoría de equilibrio límite → no muestra desplazamientos– Teoría de muelles de Winkler– Método de elementos finitos (MEF)

• Objetivos– Análisis comparativo → Winkler, MEF y obra de referencia– Retroanálisis simplificado




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¿Qué es un muro pantalla?• Estructura flexible de

contención de tierras• Funcionalidades

– Contener tierras– Prevenir flujo de agua– Evitar sifonamiento en

fondo de excavación




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1. Introducción y objetivos• ¿Qué es un muro pantalla?• Métodos existentes

– Teoría de equilibrio límite → no muestra desplazamientos– Teoría de muelles de Winkler – Método de elementos finitos (MEF)

• Objetivos– Análisis comparativo → Winkler, MEF y obra de referencia– Retroanálisis simplificado




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5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice




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2. Descripción de la obra de referencia• Edificio sin uso determinado

en Hospitalet de Llobregat• Dos niveles de sótanos →

estructura de contención de tierras → muro pantalla

• Ejecución convencional por bataches alternos

• Profundidad elevada de excavación → anclajes




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2. Descripción de la obra de referencia• Básicamente arenas que disminuyen de grano

con la profundidad

EstratoγSAT

(kN/m3)

γNAT

(kN/m3)

mv

(m2/kN)

c’(kN/m2)

Φ’ d(m)

Relleno 20,0 17,50 3,5e-5 5,0 23,0º 1,7

Limos arcillosos 19,60 17,70 3,75e-5 3,0 33,6

º 1,4

Arenas medias y gruesas 19,50 17,50 3,25e-5 0,0 30,0

º 5,0

Arenas finas 19,80 17,50 3,75e-5 0,0 30,0º

12,9

Arenas muy finas 20,00 18,00 3,25e-5 0,0 30,0

º -

Fuente: informe geotécnico correspondiente a la obra de referencia




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2. Descripción de la obra de referencia• Control de flechas de la

pantalla en momentos clave:– Excavación hasta anclajes– Ejecución de anclajes– Excavación hasta NF– Drenaje del solar +

Excavación hasta el fondoTabla de coordenadas y

desplazamientos en metros




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5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice




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3a. Teoría de muelles de Winkler• Software utilizado: CYPE y RIDO• Modela la pantalla como una viga apoyada sobre lecho elástico con

coeficiente de reacción KH

KH = P / δ• Modelo constitutivo en base a ley empuje-desplazamiento (E-D)• Variaciones de la ley E-D (RIDO)




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3a. Teoría de muelles de Winkler• Estimación del KH : Ménard

y Chadeisson• Pruebas de viabilidad de

los diferentes KH

• Análisis de sensibilidad

KH

(kN/m3)

Ménard Chadeisson

Rango orientativo CYPE

Arenas 2423 27.500 50.000-90.000

Análisis de sensibilidad para diferentes KH (FASE 4)

-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,70,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

Flecha (mm)

Prof

undi

dad

(m)

27.500 kN/m355.000 kN/m313.750 kN/m3

Análisis de sensibilidad para diferentes KH (FASE 1)

-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,70,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

Flecha (mm)

Prof

undi

dad

(m)




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3b. Teoría del MEF• Software utilizado: PLAXIS• Discretización del medio continuo en una serie de elementos finitos

(EF) de geometría poligonal → las ecuaciones del medio continuo se transforman en un sistema de ecuaciones algebraicas

• Interpolación del resto del medio continuo




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3b. Teoría del MEF• Importancia del modelo constitutivo: plasticidad perfecta o

endurecimiento hiperbólico




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5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice




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4. Resultados obtenidos• Modelos análogos

– Control del anclaje– Control de empujes sobre la

estructura– Control de momentos flectores en

la estructura

Fuerza axial(kN)

Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5

PLAXIS 178,6 184,9 185,3 188,3

CYPE 178,6 181,7 182,0 188,2

RIDO 178,6 181,8 182,0 188,6

Ley de empujes (FASE 1)

-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-120,00 -80,00 -40,00 0,00 40,00 80,00 120,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D

Momentos flectores (FASE 1)

-120 -70 -20 30 80 130

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO




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-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-120,00 -80,00 -40,00 0,00 40,00 80,00 120,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D


-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-120,00 -80,00 -40,00 0,00 40,00 80,00 120,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D


-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-120,00 -80,00 -40,00 0,00 40,00 80,00 120,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D


-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-120,00 -80,00 -40,00 0,00 40,00 80,00 120,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D

4. Resultados obtenidosMomentos flectores (FASE 2)

-120 -70 -20 30 80 130

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO


-120 -70 -20 30 80 130

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO


-120,00 -70,00 -20,00 30,00 80,00 130,00

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO


-120,00 -70,00 -20,00 30,00 80,00 130,00

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO


-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-80,00 -60,00 -40,00 -20,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D


-12,7

-10,7

-8,7

-6,7

-4,7

-2,7

-0,7-80,00 -60,00 -40,00 -20,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00

Empuje (kN/m2)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISCYPERIDO

CAPA A

CAPA B

CAPA C

CAPA D

Envolvente de Momentos Flectores

-120 -70 -20 30 80 130

Mf (kN·m/m)

Prof

undi

dad

(m)

PLAXISRIDO




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4. Resultados obtenidos• Desplazamientos parciales en mm

POR FASE

CABEZA PANTALLA COTA DE ANCLAJES

REAL PLAXIS CYPE RIDO REAL PLAXIS CYPE RIDO

FASE 1 +2 +2 +4 +4 +1 +1 +2 +2

FASE 2 -2 -4 -1 -1 -3 -3 -1 -1

FASE 3 +2 +3 0 0 +2 +3 +1 0

FASE 4 + 5 +4 +5 -1 -1 +5 +6 0 +1




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5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice




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5. Retroanálisis• Estimación de Φ y δ• Basado en teorías del MEF y en una función objetivo f :

21

n

OBRA EFi

f x x

Valor de f para la fase 1 Valor de f para la fase 5




21 / 26

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1 2 3 4

Fase número

Valo

r de

la fu

nció

n ob

jetiv

o

Phi = 28º y Delta = 28º



Phi = 32º y Delta = 20,8º

Phi = 38º y Delta = 20,9º

5. Retroanálisis




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5. Retroanálisis• Valores mínimos(a)Φ = 33,5º y δ = 21,2º

δ / Φ = 0,63 f = 3,57

(b) Φ = 31º y δ = 27,2ºδ / Φ = 0,87 f = 2,28

Arena gruesa densa

Seca Saturada

0,98 0,90

Valores δ/Φ para hormigones vertidos sobre terreno preparado (Potyondy, 1961)

(a)

(b)




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5. Retroanálisis

6. Conclusiones

Índice




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6. Conclusiones

Software Ventajas Desventajas

CYPE

1. Interfaz extremadamente sencilla e intuitiva

2. Admite el uso de coeficientes de seguridad

3. Realiza por si solo comprobaciones (EHE-98)

4. Genera una propuesta de armado para la pantalla

1. Menor precisión que RIDO2. Tan solo ofrece la diferencia de

empujes entre trasdós e intradós3. No permite introducir valores de δ

superiores a 0,66xΦ

RIDO

1. Mayor precisión que CYPE2. Ofrece empujes en trasdós e

intradós3. Permite introducir cualquier valor

para δ

1. Interfaz engorrosa y obsoleta2. Las mayorizaciones de las cargas

y los coeficientes de seguridad se deben aplicar aparte

3. No realiza comprobaciones de la pantalla ni genera informes de armado de la estructura

Teoría base Ventajas Desventajas

MEF1. Comportamiento muy real si se

modela bien2. Se obtienen resultados globales

del terreno3. Implementa el problema de flujo

1. Requiere un usuario avanzado2. Definir muchas variables y

difíciles de obtener3. Requiere constantes

calibraciones in situ para certificar la validez del modelo

4. Poca experiencia acumulada

WINKLER

1. Modelos muy sencillos, rápidos e intuitivos

2. Puede resultar una buena primera aproximación

3. Años de experiencia con estos modelos

1. Evaluación del coeficiente de balasto

2. Resultados solo para la estructura3. Se debe introducir el problema de

flujo manualmente4. También requiere calibrar el

modelo a lo largo de las etapas constructivas




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6. Conclusiones• Se recomienda el uso del MEF en caso de que se disponga de un

buen informe geotécnico y suficiente tiempo como para estudiar el problema en detalle

• En caso contrario, se recomienda el uso de modelos de Winkler• En tal caso:

– Se recomienda el uso de CYPE en caso de que estemos diseñando una estructura en fase de proyecto

– Se recomienda el uso de RIDO en caso de que estemos estudiando el comportamiento de una estructura, sea en fase de proyecto o en fase de servicio

• El retroanálisis es una herramienta hoy en día asequible y que permite verificar la idoneidad del informe geotécnico

• Las arenas presentan en realidad Φ = 31º



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