Muros de Contencion Voladizo

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ANLISIS Y DISEO DE MUROS DE CONTENCIN DE CONCRETO ARMADORAFAEL ANGEL TORRES BELANDRIA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA MERIDA VENEZUELA 2.003

CONTENIDO1. Introduccin 2. Consideraciones Fundamentales 3. Tipos de Muros: 3.1. Muros de gravedad 3.2. Muros en voladizo o en mnsula 3.3. Muros con contrafuertes 4. Drenajes 5. Estabilidad 5.1. Mtodo de los Esfuerzos Admisibles 5.1.1. Estabilidad al volcamiento y deslizamiento 5.1.2. Presiones de contacto 5.2. Mtodo del Estado Lmite ltimo 5.2.1. Estabilidad al volcamiento y deslizamiento 5.2.2. Presiones de contacto 5.2.3. Factor de reduccin 6. Incumplimiento de las condiciones de estabilidad 7. Verificacin de la resistencia a corte y flexin de los elementos del muro 7.1. Verificacin de los esfuerzos de corte 7.2. Verificacin de los esfuerzos de flexin 8. Juntas 9. Evaluacin del empuje de tierras 9.1. Presin Esttica 9.1.1. Empuje de Reposo 9.1.2. Empuje Activo 9.1.2.1 Ecuacin de Coulomb 9.1.2.2 Ecuacin de Rankine 9.1.3. Empuje Intermedio 9.2. Presin Forzada 9.2.1. Empuje Pasivo 9.3. Incremento Dinmico de Presin por Efecto Ssmico 9.3.1. Incremento Dinmico del Empuje de Reposo 9.3.2. Incremento Dinmico del Empuje Activo 9.3.3. Incremento Dinmico del Empuje Pasivo 10. Muros con sobrecarga uniforme 11. Muros con presencia de agua en el relleno 12. Ejemplo de aplicacin 12.1. Predimensionado 12.2. Caso 1: Empuje de tierra + Sobrecarga Vehicular 12.3. Caso 2: Empuje de tierra + Sismo 12.4 Diseo de la Base 12.5 Diseo de la Pantalla 12.6 Seccin Tpica 12.7 Despiece del Muro 13. Referencias 14. Bibliografa de inters 15. Anexo A: Mapa de Zonificacin Ssmica de Venezuela

Muros de Contencin

Ing. Rafael A. Torres B.

ANLISIS Y DISEO DE MUROS DE CONTENCIN DE CONCRETO ARMADO 1. INTRODUCCIN Los muros de contencin tienen como finalidad resistir las presiones laterales empuje producido por el material retenido detrs de ellos, su estabilidad la deben fundamentalmente al peso propio y al peso del material que est sobre su fundacin. Los muros de contencin se comportan bsicamente como voladizos empotrados en su base. Designamos con el nombre de empuje, las acciones producidas por las masas que se consideran desprovistas de cohesin, como arenas, gravas, cemento, trigo, etc. En general los empujes son producidos por terrenos naturales, rellenos artificiales o materiales almacenados. Hasta finales del siglo XIX, se construan muros de mampostera y piedra, a partir del siglo XX se comenz a construir muros de concreto en masa y de concreto armado, desplazando en muy buena parte a los materiales anteriormente utilizados. Para proyectar muros de sostenimiento es necesario determinar la magnitud, direccin y punto de aplicacin de las presiones que el suelo ejercer sobre el muro. El proyecto de los muros de contencin consiste en: a- Seleccin del tipo de muro y dimensiones. b- Anlisis de la estabilidad del muro frente a las fuerzas que lo solicitan. En caso que la estructura seleccionada no sea satisfactoria, se modifican las dimensiones y se efectan nuevos tanteos hasta lograr la estabilidad y resistencia segn las condiciones mnimas establecidas. c- Diseo de los elementos o partes del muro. El anlisis de la estructura contempla la determinacin de las fuerzas que actan por encima de la base de fundacin, tales como empuje de tierras, peso propio, peso de la tierra, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento, deslizamiento, presiones de contacto suelo-muro y resistencia mnima requerida por los elementos que conforman el muro. 2. CONSIDERACIONES FUNDAMENTALES Un volumen de tierras, que suponemos sin cohesin alguna, derramado libremente sobre un plano horizontal, toma un perfil de equilibrio que nos define el ngulo de talud natural de las tierras o ngulo de friccin interna del suelo . Las partculas resbalan a lo largo del talud A-B, o talud natural de las tierras, que constituye la inclinacin lmite, ms all de la cual la partcula no puede mantenerse en equilibrio.

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Muros de Contencin

Ing. Rafael A. Torres B.

En la figura 1 se muestra un volumen de tierra derramado libremente y las fuerzas que origina una partcula sobre el talud. Considerando un elemento de peso p que reposa sobre el talud, la componente segn el talud vale: p . sen , y el equilibrio se establece entre dicha componente y la friccin que se desarrollara por el efecto de la componente normal al talud: p . cos , al ponerse en movimiento dicha partcula. Bf.P. COS P.SEN P

A

P. COS

Figura 1 Si designamos f el coeficiente de friccin de las tierras consigo mismas, la fuerza de friccin originada por el peso de la partcula en la direccin del talud A-B es: f . p . cos . En el equilibrio: p Sen = f ( p Cos ) (1) f = Tan (2) Por lo tanto la tangente del ngulo del talud natural es igual a la friccin interna de las tierras. El ngulo y el peso especfico de los suelos , son variables y dependen del tipo de suelo, estado de humedad, etc. En la tabla 1 se indican valores y , correspondientes a distintos tipos de suelos que se consideran desprovistos de cohesin, valores pueden ser de inters para las aplicaciones prcticas. Si por cualquier circunstancia es preciso dar a las tierras un talud mayor que , ser necesario evitar su derrumbamiento, colocando un muro de sostenimiento o de contencin, que constituye un soporte lateral para las masas de suelo, ver figura 2. TABLA 1. Valores de y para diferentes tipos de suelos Clase de Material Tierra de terraplenes, seca Tierra de terraplenes, hmeda Tierra de terraplenes, saturada Arena seca Arena hmeda Arena saturada Gravilla seca Gravilla hmeda Grava de cantos vivos Cantos rodados 35 a 40 45 27 35 40 25 35 a 40 25 45 30 (T/m3) 1.400 1.600 1.800 1.600 1.800 2.000 1.850 1.860 1.800 1.800

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Muros de Contencin

Ing. Rafael A. Torres B.

El tipo de empuje que se desarrolla sobre un muro esta fuertemente condicionado por la deformabilidad del muro. En la interaccin muro-terreno, pueden ocurrir en el muro deformaciones que van desde prcticamente nulas, hasta desplazamientos que permiten que el suelo falle por corte. Pueden ocurrir desplazamientos de tal manera que el muro empuje contra el suelo, si se aplican fuerzas en el primero que originen este efecto.C M u ro d e C o n te n c i n

A

B

Figura 2 Si el muro de sostenimiento cede, el relleno de tierra se expande en direccin horizontal, originando esfuerzos de corte en el suelo, con lo que la presin lateral ejercida por la tierra sobre la espalda del muro disminuye gradualmente y se aproxima al valor lmite inferior, llamado empuje activo de la tierra, ver figura 3.C M u ro d e C o n te n c i n C' E m p u je Activ o

A A' B'

B

Figura 3 Si se retira el muro lo suficiente y pierde el contacto con el talud, el empuje sobre l es nulo y todos los esfuerzos de corte los toma el suelo, ver figura 4.M u ro d e C o n te n c i n

C'

C

E m p u je = 0

A'

A

B

B

Figura 4 Si el muro empuja en una direccin horizontal contra el relleno de tierra, como en el caso de los bloques de anclaje de un puente colgante, las tierra as comprimida en la direccin horizontal originan un aumento de su resistencia hasta alcanzar su valor lmite superior,

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llamado empuje pasivo de la tierra, ver figura 5. Cuando el movimiento del muro da origen a uno de estos dos valores lmites, el relleno de tierra se rompe por corte.C C Empuje Pasivo

Muro de Contencin

A

A

B

B

Figura 5 Si el muro de contencin es tan rgido que no permite desplazamiento en ninguna direccin, las partculas de suelo no podrn desplazarse, confinadas por el que las rodea, sometidas todas ellas a un mismo rgimen de compresin, originndose un estado intermedio que recibe el nombre de empuje de reposo de la tierra, ver figura 6.C Muro de Contencin Rgido y sin Desplaz amiento Empuje de Reposo

A

B

Figura 6 Se puede apreciar que los empujes de tierra se encuentran fuertemente relacionados con los movimientos del muro o pared de contencin. Dependiendo de la interaccin muro-terreno se desarrollaran empujes activos, de reposo o pasivos, siendo el empuje de reposo una condicin intermedia entre el empuje activo y el pasivo. Con el estado actual del conocimiento se pueden estimar con buena aproximacin los empujes del terreno en suelos granulares, en otros tipos de suelos su estimacin puede tener una mayor imprecisin. Los suelos arcillosos tienen apreciable cohesin, son capaces de mantener taludes casi verticales cuando se encuentran en estado seco, no ejercen presin sobre las paredes que lo contienen, sin embargo, cuando estos suelos se saturan, pierden prcticamente toda su cohesin, originando empuje similar al de un fluido con el peso de la arcilla, esta situacin nos indica que si se quiere construir un muro para contener arcilla, este debe ser diseado para resistir la presin de un lquido pesado, mas resistente que los muros diseados para sostener rellenos no cohesivos. En caso de suelos mixtos conformados por arena y arcilla,

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es conveniente despreciar la cohesin, utilizando para determinar el empuje de tierra solo el ngulo de friccin interna del material. 3. TIPOS DE MUROS DE CONTENCIN Los muros de contencin de uso mas frecuente son: 3.1. Muros de gravedad: Son muros con gran masa que resisten el empuje mediante su propio peso y con el peso del suelo que se apoya en ellos; suelen ser econmicos para alturas moderadas, menores de 5 m, son muros con dimensiones generosas, que no requieren de refuerzo. En cuanto a su seccin transversal puede