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3 jun 2015

MUROS DE CONTENCION: TIPOS, DISEÑO, CARGAS Y CALCULO.

Muros de contención

Cuando nos encontramos ante la necesidad de realizar una obra, ya sea estructural o de instalaciones de forma tal que la cota de trabajo quede bajo la del terreno circundante necesitamos, según la tipología de terreno que encontremos, que las tierras sean contenidas para que no se precipiten cayendo sobre lo ejecutado. Esto lo conseguimos con los muros de contención y, ahora, voy a mostrarte los principales tipos, condiciones de carga, cuantía de las tensiones y comprobaciones a realizar.

La solución más económica suele ser el muro de hormigón que podríamos diferenciar en función de la forma de su sección recta en:

1.- Muro en L sin talón, que resulta imprescindible si atacamos frentes medianeros donde la propiedad colinda con otro propietario cuyo terreno no podemos invadir

muro en L

Muros de contención: L sin talón

2.- Muro en L sin puntera que no suele encontrarse en edificación porque requiere de un gran volumen de tierra excavada y produce un bulbo de altas presiones sobre el terreno

muro en T talon pequeño

Muros de contención: L sin puntera

3.- Muro en T de gran talón que suele resultar más económico para la mayoría de los casos

muro en T talon grande

Muros de contención: T talón grande

4.- Muro en T con talón pequeño cuyo momento de vuelco puede provocar crear una puntera de considerable longitud según su altura y el empuje de las tierras a controlar.

muro en T talon pequeño

Muros de contención: T talón pequeño

 

La forma en que trabajan estos muros los engloba en los denominados muros de ménsula por ser esta suerte de empotramiento en la base con carga distribuida sobre su altura la forma en que mejor se puede identificar su comportamiento estructural. Es solución no suele emplearse en alturas que excedan la decena de metros por requerir de medidas especiales que suelen resultar más costosas en preparación de suelos, materiales empleados y ejecución.

Para familiarizarnos con las partes del muro ilustraré cada una con una sección recta de un muro ménsula tipo.

seccion y partes del muro

Muros de contención: partes

Debido al empuje de las tierras, el trasdós del muro experimenta una serie de deformaciones y provoca una serie de reacciones del terreno de cimentación que se agudizan en la puntera y se hacen mínimas en el talón. Debido a esto, la puntera se deforma. Al mismo tiempo el rozamiento entre estructura y terreno y la reacción en puntera de la reacción del terreno colabora para impedir que el muro sufra desplazamiento horizontal.

Las tierras que se acopian sobre el talón presentan un mayor peso que la sumatoria de reacciones del terreno sobre él.

Entre los posibles fallos que puede presentar un muro de contención encontramos:

1.-) Si se sobrepasa la tensión admisible en el terreno bajo la cimentación se experimentarán asientos de carácter incompatibles con su función

2.- ) Si se produce un deslizamiento por efecto de un empuje horizontal superior al rozamiento entre la cimentación y terrenos (y resto de fuerzas horizontales estabilizadoras) el muro se comportará como si se encontrara sobre un apoyo deslizante con la problemática asociada que ello conlleva.

3.-) Aunque el vuelco se calcula de forma habitual como si la charnela se alojara en el borde inferior de la puntera cuando el momento desestabilizador supera al estabilizador, en realidad, el centro de giro se encuentra a una profundidad mayor que el canto de la zapata.

4.-) El fallo geotécnico del terreno bajo el muro puede provocar un deslizamiento profundo

5.-) Cuando se supera el estado límite último de trabajo propios del hormigón armado en cualquier zona del muro se producirá la rotura del mismo, correspondiente este caso a un fallo estructural inhabilitante para la función pretendida.

6.-) Las condiciones de servicio o las circunstancias constructivas que obliguen a mantener unas distancias, longitudes, arqueos, etc. pueden verse alteradas por deformaciones excesivas o diferenciales que contravengan las condiciones de funcionamiento.

7.-) Un estado adicional que puede provocar fallos en el muro es el de la resistencia química ante posibles agentes agresivos (sulfatos, lixiviados, agua marina, bacterias ferroginosas, tiobacterias, …)

La correcta caracterización del terreno es un factor clave para el diseño del muro. Así, la situación a la que se encuentra el nivel freático, el peso específico de las tierras, el ángulo de rozamiento interno, el porcentaje de huecos, la tensión máxima admisible o  el coeficiente de rozamiento  al deslizamiento son factores que deben ser tenidos en cuenta aunque, la cohesión y el ángulo de rozamiento entre relleno y muro suelen considerarse nulos.

En los casos en que la capa freática queda dentro de la altura del muro la presión hidrostática aumenta el valor de los empujes.

Veamos cómo cambian las acciones a evaluar según sea un relleno seco o sumergido en todo o en parte.

CASO SIN CAPA FREÁTICA

sin capa freatica

Muros de contención: cargas en condiciones de relleno seco

CASO CON CAPA FREÁTICA

con capa freatica

Muros de contención: cargas en condiciones de relleno sumergido y seco

El empuje puede presentarse en tres situaciones distintas que afectan a su valor.

  • Cuando su valor mínimo se presenta el muro pueda deformarse y girar (caso habitual en la práctica). A este valor se llama empuje activo. Los muros se calculan para este valor.
  • Cuando el muro es rígido e indeformable el empuje recibe se denomina “en reposo”. Este caso puede presentarse en muros de sótano arriostrados a los forjados que presentará un valor de empuje mayor que el activo.
  • El máximo valor que puede alcanzar se produce cuando el muro trata de deslizarse y presiona contra el terreno creando éste un empuje pasivo que puede alcanzar hasta nueve veces el valor del activo.

Para evaluar las cuantías de los empujes se emplea la conocida como teoría de Rankine que desprecia el efecto favorable que produce el rozamiento entre el relleno y el muro lo que nos ofrece un margen adicional de seguridad o un sobrecoste en la ejecución por no adecuarse al caso real la estructura modelizada, según se entienda.

empuje del terreno

Muros de contención: Empujes

P_{a,x}=\gamma\cdot x\cdot \frac{1-sen\varphi}{+sen\varphi}t

P_{P,x}=\gamma\cdot x\cdot \frac{1+sen\varphi}{-sen\varphi}t

Donde P_{a,x} es la presión activa en T/m2 por metro lineal de muro a una profundidad “x” y P_{P,x} es la presión pasiva en idénticas condiciones a partir de un material de relleno de peso específico \gamma T/m3 que tiene un ángulo de rozamiento interno \varphi.

La distribución unitaria de presiones vemos que sigue una ley triangular donde su empuje se puede suponer concentrado en un punto ubicado a la tercera parte de la altura desde la base, resultando:

E_a=\frac{1}{2}\gamma\cdot H^2\cdot \frac{1-sen\varphi}{1+sen\varphi}

E_p=\frac{1}{2}\gamma\cdot H^2\cdot \frac{1+sen\varphi}{1-sen\varphi}

Siendo Ea y Eb los empujes activos y pasivos respectivamente.

Estos valores se ven afectados por la inclinación del talud que, en este caso, hemos supuesto horizontal. En caso de formar una pendiente, habría de variar el valor de la presión activa en la forma:

P_{a,x}=\gamma\cdot cos\beta\cdot\frac{cos\beta-\sqrt{cos\beta^2-cos\varphi^2}}{cos\beta+\sqrt{cos\beta^2-cos\varphi^2}}

Donde \beta es el ángulo de inclinación del terreno al encuentro con la cabeza del muro.

Para comprobar la tensión sobre el terreno que ejerce la cimentación se procede a trabajar con valores característicos suponiendo distribuciones lineales sobre la zapata lo que obliga a que el diagrama de tensiones sea trapecial o triangular según el punto de aplicación de la fuerza resultante permanezca dentro del tercio central o fuera respectivamente.

tension trapecial

Muros de contención: distribución trapecial de tensiones

tension triangular

Muros de contención: distribución triangular de tensiones

Para el cálculo en condiciones habituales se admite que la tensión máxima supere a la tensión admisible hasta en un 25% si la semisuma de ambas no la supera.

De cara a las comprobaciones a realizar deberán cumplirse:

1.- Seguridad al deslizamiento:

\gamma\cdot\sum{N+E_p}\geq\gamma_p\cdot E_a

Donde \gamma es el coeficiente de fricción entre suelo y zapata y \sum N  la suma de todas las acciones verticales

2.- Seguridad al vuelco:

M_{\epsilon}\geq \gamma_v\cdot M_v

Donde \gamma_v es el coeficiente de seguridad al vuelco (suele ser 1,8), M_{\epsilon} es la suma de los momentos estabilizadores y  la suma de los momentos que facilitan el vuelco

A partir de este punto habrá que definir el valor de la cuantía mecánica de las armaduras conforme al artículo 42.3. de la EHE 2008 estableciendo un recubrimiento no inferior a 3 cm, diseñar juntas  de hormigonado en la base del muro donde encuentra a la zapata (donde el cortante es máximo) dejando las longitudes de solape por aplicación del artículo 66.6 de la EHE 2008 (aunque lo normal es empalmar a la vez el 100% de la armadura) y juntas verticales de dilatación cada 25 ó 50 metros (o cada vez que la geometría varíe bruscamente en altura, profundidad de la cimentación o dirección recta). Los quiebros bruscos provocan unas concentraciones de tensión (axiles y flectores horizontales) que deben limitarse con estas juntas.

A efectos estéticos y funcionales sólo restará impermeabilizar el trasdós con pintura asfáltica o tela asfáltica, colocar drenajes al pie del trasdós (por ejemplo, con tubos porosos y red filtrante)  y disponer una cuneta junta a la coronación del muro con una capa de arcilla compactada en ligera pendiente que trate de minimizar el agua filtrada al relleno por desalojo a red de pluviales.

Bibliografía consultada:

– Hormigón armado y pretensado. Juan Murcia Vela y otros autores

– Hormigón armado.  Alfredo Páez

– Hormigón armado  (tomo 3º). Álvaro García Meseguer

– Hormigón armado. André Guerrin, ?R. C

– Muros de hormigón armado. José Calavera Ruiz

AUTOR: FCO JAVIER LUQUE

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2 Responses

  1. dania

    Hola Javier muy util este resumen de muros pero quisiera ver si tienes algo sobre la sobrecarga por el proceso de compactacion.
    saludos dania

    1. Muchas gracias, Dania. Aún no he preparado nada sobre este particular pero está previsto abordar técnicas como la densificación, sobrecarga, nivelación o la aplicación de rellenos sólidos o líquidos que permitan aumentar la capacidad portante y prevenir asentamientos de suelos.

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