MUROS: APUNTES Del libro: Suelos Fundaciones y Muros. Ing. María G. Fratelli. Y “Análisis y diseño de muros de contención de concreto armado” prof: Rafael Torres (ULA)

2016

Ing. Rubén J. González P.

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MUROS

DE

CONTENCION

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INTRODUCCION: los muros de contención o sostenimiento de tierras

cumplen la función de soportar el empuje temporal o permanente del suelo,

cuando las condiciones naturales no permiten que la masa adopte su talud normal.

El diseño de los muros de contención estables y seguros debe cumplir las

siguientes condiciones:

El muro debe ofrecer la necesaria resistencia estructural para soportar

las solicitaciones debidas a los empujes impuestos.

El muro debe cumplir los requisitos necesarios para evitar el

volcamiento y el deslizamiento por efecto de las cargas horizontales o

inclinadas aplicadas sobre él.

No deben superarse los valores admisibles de asentamientos bajo la

presión del muro en el suelo de fundación, ni su falla por superar los

esfuerzos limites.

Desde el punto de vista estructural, todo muro debe ser resistente para

soportar las cargas debidas a los empujes, las fuerzas gravitacionales y las

reacciones del suelo y sus deformaciones serán limitadas. Además, los muros

permanecerán estables bajo cualquier combinación posible de las cargas

exteriores actuantes. Permanecer estable significa que no deben moverse. Existen

tres formas de movimiento de un muro:

Horizontal, por deslizamiento.

Vertical, por asentamiento.

Rotacional, por volcamiento.

Si bien es imposible que un muro permanezca absolutamente inmóvil bajo la

acción de las cargas actuantes y el peso propio, apoyado sobre un suelo elástico,

su diseño debe asegurar el correcto funcionamiento y estabilidad, minimizando al

máximo estos movimientos, para mantenerlos dentro de los valores admisibles, de

modo que la estructura no pierda funcionalidad. La figura 15.1 muestra algunos

tipos de muros de contención, usuales en la práctica.

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Los muros pueden constituir una única obra, como en el caso de construirse

un muro para sostener un talud, o ser complemento de otra obra, como es el caso

de la construcción de un sótano para el estacionamiento subterráneo de vehículos

en una edificación. En otras palabras, pueden, puedes ser múltiples los casos

donde se hace necesario la construcción de un muro, y en cada caso particular

deberá hacerse el respectivo estudio que determinara el tipo de muro que debe

utilizarse así como sus respectivas dimensiones, la cantidad y tamaño del refuerzo

de acero (si es que lo lleva), de tal forma que no se produzca colapso o falla y así

la obra pueda tener la estabilidad y seguridad necesaria para su normal

funcionamiento sin riesgo de ningún tipo.

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DIFERENTES TIPOS DE MUROS DE CONTENCION:

Los muros de contención de tierras pueden clasificarse en los siguientes

grupos:

De concreto normal.

MUROS DE GRAVEDAD

De concreto ciclópeo.

MUROS DE SEMIGRAVEDAD

De gaviones.

Sacos de suelo-cemento.

MUROS DE GRAVEDAD De tierra armada.

Y FRICCION De geotextiles.

Tipo crib-wall.

De mampostería.

MUROS EN CANTILÉVER.

MUROS EN CONTRAFUERTE.

MUROS COLADOS.

MUROS DE PILOTES.

TABLESTACADOS.

MUROS DE CONCRETO PROYECTADO.

MUROS DE SÓTANOS DE EDIFICIOS.

MUROS DE HIELO.

M U R O S D E C O N T E N C I O N

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Muros de gravedad: los muros de gravedad como su nombre lo indica,

dependen de su peso para lograr la estabilidad.

Son grandes masas de concreto normal o ciclópeo, de perfil rectangular o

trapezoidal, y no llevan armadura de refuerzo, pues en ninguna de sus secciones

se supera el esfuerzo admisible a tracción del concreto. Su altura generalmente es

de 5 o 6 metros.

Los muros de gravedad pueden ser de concreto normal o ciclópeo y suelen

construirse con perfiles diferente, según se muestra en la figura 15.4, según la

inclinación de sus paramentos interno y externo. En general se prefiere dar al

paramento exterior una cierta inclinación, pues si no, cualquier giro leve del muro

debido a los empujes, lo hace lucir fuera de plomada.

Dadas las dimensiones de la masa de concreto de estos muros, las cargas

actuantes producen solo esfuerzos de pequeña magnitud, por lo cual se suele

utilizar concreto de baja calidad en su construcción (con f´c = 140 kg/cm2).

En el análisis de los muros se deben tomar en cuenta el peso propio del

muro, los empujes laterales del suelo y las cargas gravitacionales del peso de la

tierra de relleno.

Cuando los muros de gravedad están formados por piedras, bloques, tierra

compacta, con planchas metálicas intercaladas, sacos apilables con material de

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relleno etc. Tanto las cargas gravitacionales como las de fricción cumplen un papel

importante en la estabilidad del muro, los cuales en consecuencia se conocen por

muros de gravedad y fricción simultaneas.

Partes:

Muros de semigravedad: son muros intermedios entre los de gravedad y

los cantiléver. Algo más esbeltos que los primeros, pueden soportar una limitada

tracción, por lo cual se debe disponer la armadura mínima de refuerzo para

resistirla.

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Muros en Cantiléver: son siempre de concreto armado, y el fuste actúa

como un gran volado empotrado en la base, para resistir el empuje del suelo. Su

perfil por lo general es en forma de “L” o “T” invertida, y su estabilidad depende en

gran parte del peso de la tierra apoyando sobre su pie. Cuando la altura de los

muros cantiléver supera los 7 u 8 metros, es preferible diseñarlos con

contrafuertes que alivianan las solicitaciones de flexión y corte en el fuste de los

muros en voladizo. La determinación de las cargas y empujes que actúan sobre el

muro cantiléver se obtienen de forma similar al caso de los muros de gravedad,

pero como se diseñan en concreto armado, se aplicaran cargas mayoradas y

teoría de resistencia límite.

Se analizaran los volados que forman el muro, como miembros estructurales

independientes entre si, empotrados respectivamente en el plano central de la

unión. El diseño se realiza generalmente por tanteos, comenzando con las

dimensiones iniciales indicadas en la figura. Colocados internamente, los

contrafuertes actúan como tensores, y externamente como puntales.

Estos muros por lo general son económicos para alturas menores de 10

metros, para alturas mayores, los muros con contrafuertes suelen ser más

económicos.

La forma más usual es la llamada “T”, que logra su estabilidad por el ancho

de la zapata, de tal manera que la tierra colocada en la parte posterior de ella,

ayuda a impedir el volcamiento y lastra el muro aumentando la fricción suelo-muro

en la base, mejorando de esta forma la seguridad del muro al deslizamiento.

Estos muros se diseñan para soportar la presión de tierra, el agua debe

eliminarse con diversos sistemas de drenaje que pueden ser barbacanas

colocadas atravesando la pantalla vertical, o sub-drenajes colocados detrás de la

pantalla cerca de la parte inferior del muro. Si el terreno no está drenado

adecuadamente, se puede presentar presiones hidrostáticas no deseables.

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La pantalla de concreto en estos muros son por lo general relativamente

delgadas, su espesor oscila alrededor de (1/10) de la altura del muro, y depende

de las fuerzas cortante y momentos flectores originados por el empuje de tierra. El

espesor de la corona debe ser lo suficientemente grande para permitir la

colocación del concreto fresco, generalmente se emplean valores que oscilan

entre 20 y 30 cm.

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Muros con contrafuertes: Los contrafuertes son uniones entre la pantalla

vertical del muro y la base. La pantalla de estos muros resiste los empujes

trabajando como losa continua apoyada en los contrafuertes, es decir, el refuerzo

principal en el muro se coloca horizontalmente, son muros de concreto armado,

económicos para alturas mayores a 10 metros.

Los contrafuertes pueden ubicarse en la parte interior del muro, conectando

el fuste con el talón, por lo cual quedan sumergidos en el suelo contenido, o bien

se colocan en la parte exterior del muro, uniendo el fuste con la puntera. En el

primer caso soportan grandes tracciones y en el segundo, una fuerte compresión.

Los contrafuertes dividen el muro en placas o paneles, formando un conjunto

hiperestáticamente vinculado, soportando los empujes del suelo.

En la figura se muestra una vista parcial de un muro con contrafuertes, tanto

la pantalla como los contrafuertes están conectados a la losa de fundación. Los

contrafuertes se pueden colocar en la cara interior de la pantalla en contacto con

la tierra o en la cara exterior donde estéticamente no es muy conveniente.

Los muros con contrafuertes representan una evolución de los muros en

voladizo, ya que al aumentar la altura del muro aumenta el espesor de la pantalla,

este aumento de espesor es sustituido por los contrafuertes; la solución conlleva

un armado, encofrado y vaciado más complejo.

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Drenajes: En la práctica se ha observado que los muros de contención fallan

por una mala condición del suelo de fundación y por un inadecuado sistema de

drenaje. Determinar cuidadosamente la resistencia y compresibilidad del suelo de

fundación, así como el estudio detallado de los flujos de agua superficiales y

subterráneos son aspectos muy importantes en el proyecto de muros de

contención.

Cuando parte de la estructura del muro de contención se encuentra bajo el

nivel freático, bien sea de manera ocasional o permanente, la presión del agua

actúa adicionalmente sobre él. En la zona sumergida la presión es igual a la suma

de la presión hidrostática más la presión del suelo calculada con la expresión más

conveniente de empuje efectivo, de manera que la presión resultante es

considerablemente superior a la obtenida en la condición de relleno no sumergido.

Esta situación ha sido ignorada por muchos proyectistas y es una de las causas

de falla más comunes en muros de contención. En consecuencia resulta más

económico proyectar muros de contención que no soporten empujes hidrostáticos,

colocando drenes ubicados adecuadamente para que canalicen el agua de la

parte interior del muro a la parte exterior, tal como se muestra en las figura.

En condiciones estables de humedad, las arcillas contribuyen a disminuir el

empuje de tierra, sin embargo, si estas se saturan, generan empujes muy

superiores a los considerados en el análisis. Por esta razón es conveniente

colocar material granular (φ>0) como relleno en los muros de contención.

Las estructuras sumergidas o fundadas bajo el nivel freático, están sujetas a

empujes hacia arriba, denominado sub-presión. Si la sub-presión equilibra parte

del peso de las estructuras, es beneficiosa ya que disminuye la presión de

contacto estructura-suelo, pero si la sub-presión supera el peso de estructura, se

produce una resultante neta hacia arriba la cual es equilibrada por la fricción entre

las paredes de la estructura y el suelo. Esta fricción puede ser vencida

inmediatamente al saturarse el suelo, produciendo la emersión de la estructura.

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Estabilidad: el análisis de la estructura contempla la determinación de las

fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de

tierra, peso propio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la

finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento y deslizamiento, así como el

valor de las presiones de contacto.

El peso propio del muro: esta fuerza actúa en el centro de gravedad de la

sección, y puede calcularse de manera fácil subdividiendo la sección del muro en

áreas parciales sencillas y de propiedades geométricas conocidas.

La presión que la tierra ejerce sobre el muro que la contiene mantiene una

relación directa con el desplazamiento del conjunto, en el estado natural si el muro

no se mueve se dice que existe presión de reposo; si el muro se mueve

alejándose de la tierra o cede, la presión disminuye hasta una condición mínima

denominada presión activa. Si el muro se desplaza contra la tierra, la presión sube

hasta un máximo denominado presión pasiva.

El diseño suele empezar con la selección de dimensiones tentativas para

luego verificar la estabilidad de esa configuración. Por conveniencia, cuando el

muro es de altura constante, puede analizarse un muro de longitud unitaria, de no

resultar la estructura seleccionada satisfactoria, se modifican las dimensiones y se

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efectúan nuevas verificaciones hasta lograr la estabilidad y la resistencia

requerida.

En un muro pueden fallar las partes individuales por no ser suficientemente

fuertes para resistir las fuerzas que actúan, para diseñar contra esta posibilidad se

requiere la determinación de espesores y refuerzos necesarios para resistir los

momentos y cortantes.

En el caso de muros de contención de concreto armado, se puede emplear

los procedimientos comúnmente utilizados para dimensionar y reforzar, que son

estipulados por el Código ACI, o por la Norma Venezolana 1753-2006 para el

proyecto y construcción de obras en concreto estructural.

Juntas: Existen dos tipos de juntas, de construcción y de dilatación.

Durante la construcción de los muros de contención, el gran volumen de

concreto requerido no se puede colocar en una sola colada, este proceso hay que

hacerlo por etapas, generando juntas de construcción verticales y horizontales,

que deben ser previstas. En este caso la superficie que deja la junta de

construcción debe ser rugosa, con salientes y entrantes, de tal manera que se

incremente la fricción en los planos en contacto, procurando garantizar la

continuidad del material. En la figura se muestran algunas juntas de construcción

en muros de contención.

Los cambios de temperatura originan dilataciones y contracciones que hacen

que el concreto se fisure y agriete. Las juntas de dilatación o de expansión, son

utilizadas para disminuir la fisuración y el agrietamiento en el concreto como

consecuencia de los cambios de temperatura ambiental y de la retracción del

concreto. Estas juntas son necesarias si no se provee al muro de suficiente acero

de refuerzo de temperatura y de retracción.

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Se acostumbra rellenar las juntas con materiales elásticos de flexibilidad

permanente, de tal manera que la junta se pueda abrir y cerrar sin presentar

resistencia alguna, impidiendo además el paso de la humedad a través de ella.

La norma AASHTO 2002, establece que se deben colocar juntas de

contracción a intervalos que no deben exceder los 9,15 m (30 pies) y para juntas

de expansión no se debe exceder los 27,45 m (90 pies) para muros de gravedad o

de concreto armado. En la figura se muestran juntas de dilatación en muros de

contención. En nuestro país es práctica común colocar juntas de dilatación a

intervalos de 10 m, no excediéndose de 25 m entre juntas.

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Evaluación del empuje de tierras: Los muros son estructuras cuyo principal

objetivo es el de servir de contención de terrenos naturales o de rellenos

artificiales. La presión del terreno sobre el muro está fundamentalmente

condicionada por la deformabilidad de éste.

Para la evaluación del empuje de tierras deben tomarse en cuenta diferentes

factores como la configuración y las características de deformabilidad del muro,

las propiedades del relleno, las condiciones de fricción suelo-muro, de la

compactación del relleno, del drenaje así como la posición del nivel freático.

La magnitud del empuje de tierras varía ampliamente entre el estado activo y

el pasivo dependiendo de la deformabilidad del muro. En todos los casos se debe

procurar que el material de relleno sea granular y de drenaje libre para evitar

empujes hidrostáticos que pueden originar fuerzas adicionales no deseables.

Las presiones laterales se evaluarán tomando en cuenta los siguientes

componentes:

a) Presión estática debida a cargas gravitatorias: La presión estática

puede ser de reposo o activa:

Empuje de Reposo: Cuando el muro o estribo está restringido en su

movimiento lateral y conforma un sólido completamente rígido, la presión

estática del suelo es de reposo y genera un empuje total “E0” , aplicado en el

tercio inferior de la altura.

Empuje Activo: Cuando la parte superior de un muro o estribo se mueve

suficientemente como para que se pueda desarrollar un estado de

equilibrio plástico, la presión estática es activa y genera un empuje total

“Ea”, aplicada en el tercio inferior de la altura.

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b) Presión forzada determinada por el desplazamiento del muro contra

el relleno.

Empuje Pasivo: Cuando un muro o estribo empuja contra el terreno se

genera una reacción que se le da el nombre de empuje pasivo de la tierra

“Ep”, la tierra así comprimida en la dirección horizontal origina un aumento

de su resistencia hasta alcanzar su valor límite superior “Ep”, la resultante

de esta reacción del suelo se aplica en el extremo del tercio inferior de la

altura.

c) Incremento de presión dinámica originado por el efecto sísmico.

Nota: salvo algunas excepciones debidamente fundamentadas, los

muros se calculan siempre para el empuje activo.

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PREDIMENSIONADO:

Muros por gravedad (según Frattelli)

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Muros en Cantiléver (según Torres B “ULA”)

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Muros en Cantiléver (según Frattelli)

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Muros colados: los muros colados son paredes verticales de concreto

armado, impermeables, empotradas en el subsuelo, y capaces de contener los

taludes, permitiendo realizar una excavación en seco de hasta 35 o 40 metros de

profundidad.

Estos muros pueden soportar fuerzas axiales, cargas horizontales y

momentos flectores. Cuando su altura es considerable, se deben anclar o

apuntalar en puntos discretos, de modo de asegurar su estabilidad y eficiencia.

Los muros colados se construyen mediante la excavación sucesiva de zanjas

utilizando un excavadora especial que consiste en un cucharon hidráulico de

almeja, cortante, incorporado a una grúa, guiado por una barra telescópica tipo

“Kelly”, la cual se acciona mecánicamente, de modo de asegurar la alineación y

verticalidad de la ejecución.

Se comienza la operación construyendo un murito guía en concreto armado,

de 0,50 por 1 metro de profundidad, el cual permite orientar el cucharon en cada

extracción, y a medida que se ejecuta la perforación se va llenando continuamente

el hueco con lodo bentonitico, evitando así la descompresión del suelo.

Este lodo bentonitico mantiene estable la excavación por la presión

hidrostática ejercida, al tiempo que provoca una reacción química que

impermeabiliza las paredes del suelo. Cuando la perforación alcanza la

profundidad deseada, se desarena el lodo, limpiándolo de suelo y escombros que

puedan haber caído al fondo, y se colocan unos tubos de encofrado en ambos

extremos de la excavación, para lograr una buena junta machihembrada del

concreto entre los sucesivos paneles.

A continuación se introducen las mallas soldadas de acero dentro del lodo y

hasta el fondo de la excavación, centrándolas con ayuda de una grúa, y

colocándoles separadores para que no queden en contacto con las paredes. El

hormigonado se realiza vaciando el concreto a través de un tubo metalico roscado,

que se hace descender hasta el nivel inferior de la zanja, sumerguiendolo en el

lodo. El concreto debe ser de buena calidad, y se le agrega fluidificante para

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facilitar la operación, cuidando siempre que la boca de descarga del tubo de

vaciado permanezca dentro del concreto fresco, hasta llenar totalmente el panel.

Muros de Pilotes: Se denomina pilote a un elemento constructivo utilizado

para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato

resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace

inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante

zapatas o losas.