SECCION 20. DISEÑO ESTRUCTURAL DE MUROS DE CONTENCION INDICE GENERAL Pág. ART. 20.1 GENERALIDADES............................................................................................................... 2 ART. 20.2 EMPUJE DE TIERRAS ........................................................................................................ 2 20.2.1. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS CON FRICCIÓN 2 20.2.2. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS. 4 20.2.3. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS CON COHESIÓN Y FRICCIÓN. 20.2.4. MÉTODO DE COULOMB EN SUELOS CON FRICCIÓN 20.2.5. MÉTODO DE TERZAGHI 5 6 7 ART. 20.3 GRAFICOS Y TABLAS DE DISEÑO DE MUROS DE HORMIGON ARMADO ....................... 7 ART. 20.4 CALCULOS DE ESTABILIDAD DE LOS MUROS DE CONTENCION................................... 7 ART. 20.5 FACTORES DE SEGURIDAD .............................................................................................. 8 20.5.1. FACTOR DE SEGURIDAD AL VOLCAMIENTO 8 20.5.2. FACTOR DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO 9 ART. 20.6 MUROS GRAVITACIONALES ............................................................................................10 ART. 20.7 MUROS ESTRUCTURALES ...............................................................................................10 20.7.1. DISPOSICIÓN DE ZAPATAS POR TIPO DE MURO 11 20.7.1.1. Muros en forma de T. 11 20.7.1.2. Muros en forma de L. 11 20.7.1.3. Muros en forma de L invertida. 11 20.7.2. CÁLCULO ESTRUCTURAL DE LOS MUROS DE HORMIGÓN ARMADO 11 ART. 20.8 DRENAJE DE LOS MUROS DE RETENCION.....................................................................12 ART. 20.9 CARACTERISTICAS DEL RELLENO .................................................................................12 SECCION 20 DISEÑO ESTRUCTURAL MUROS DE CONTENCION ART. 20.1 GENERALIDADES Un muro de contención es una estructura diseñada con el fin de soportar una determinada altura de corte o de relleno en una vía en los casos en que, por no disponerse de espacio suficiente, no es posible construir los cortes o terraplenes en referencia con el talud que les permita una estabilidad suficiente. Estos casos también incluyen los cruces de vías a diferente nivel. El diseño de un muro de contención comprende, en primer término, la determinación de las fuerzas solicitantes y resistentes que actúan sobre la estructura y, en segundo término, la comprobación del dimensionamiento del muro para resistir adecuadamente los esfuerzos o fatigas resultantes y de su necesaria estabilidad frente a posibles inclinaciones o desplazamientos que pueden afectarle. En esta Sección se analizan dos tipos de muros de contención, según su función estructural, los muros gravitacionales y los muros tipo Cantilever, cuyo diseño se basa en consideraciones diferentes por la manera de su función, según se explicará más adelante. Mayores definiciones e información adicional respecto al tipo de muros, se presenta en la Sección 7 de este Código. Los métodos de diseño se basarán en los indicados en las Normas Chilenas oficiales vigentes, y otros documentos de referencias, tales como ACI, AASHTO, ASCE, u otro que el profesional responsable del proyecto de diseño establezca, el que deberá ser debidamente respaldado y justificado en las memorias de cálculo respectiva. ART. 20.2 EMPUJE DE TIERRAS El suelo o material de relleno adyacente al muro de contención, ejerce sobre éste una fuerza que tiende a volcarlo o deslizarlo hacia el exterior, esta fuerza se denomina “empuje de tierras” y su valor debe ser determinado para el caso en estudio. La determinación de estas fuerzas se basan en condiciones de empuje activo y pasivo, que dependen del tipo, calidad, estado y altura del suelo que contribuye al empuje. El empuje activo, considera la parte del suelo que es el que produce el efecto de movimiento sobre la estructura. El empuje pasivo, considera la parte del suelo que queda opuesto a la zona de empuje activo, y que colabora a su sostenimiento. Los métodos que serán usados para la determinación del empuje de tierras con fines de diseño de las estructuras de contención, se basarán en las teorías clásicas sobre empuje de tierras de Rankine y de Coulomb, y por el método propuesto por Terzaghi. 20.2.1. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS CON FRICCIÓN La teoría de Rankine considera en primer término el caso de suelos con fricción, para lo cual formula las siguientes hipótesis: a.) Los estados plásticos, pasivo y activo, se desarrollan por completo en toda la masa del suelo. 2 b.) Si la superficie del relleno es horizontal y el respaldo del muro vertical, se considera nulo el coeficiente de fricción entre muro y suelo. c.) Si la superficie del relleno está inclinada en un ángulo “β” se admite que el coeficiente de fricción muro-suelo tiene un valor tal que las presiones actuantes forman el mismo ángulo “β” con la horizontal. Siendo “” el peso específico del material del suelo y “z” la altura del relleno; las presiones ejercidas por dicho relleno, en sentido horizontal y vertical son: Presión horizontal: Ph K o z Presión vertical: Pv z En estas fórmulas, “Ko” es un coeficiente llamado “coeficiente de tierra en reposo”, y su valor varía entre 0,4 y 0,8 según los valores de capacidad de cohesión en los suelos friccionantes, el que se debe definir para el proyecto específico y características de los suelos. Este valor es menor que 1 ya que se considera que el suelo está en reposo, y que no se producen desplazamientos de su masa. Si por algún medio se disminuye la presión horizontal en el interior del suelo, manteniendo constante la presión vertical, se llega a producir la falla de la masa de suelo cuando se alcance el valor: Ph K a z A este valor de “Ka” se le llama “coeficiente de presión activa de tierras”. Por su parte, también se puede llegar a un estado de falla aumentando la presión horizontal y manteniendo constante la presión vertical, cuando la presión “Ph” alcance el valor: Ph K p z El valor “Kp” se designa como “coeficiente de presión pasivo de tierras”. Un estado de falla determina que el suelo ha alcanzado el estado plástico el cual puede ser activo o pasivo, según si dicho estado se alcanza a través del primero o del segundo de los procesos anteriormente descritos. Para cada uno de estos estados, se obtiene: K a tg 2 45º 1 2 N K p tg 2 45º N 2 3 Siendo “” el ángulo de fricción interna y “N” la relación correspondiente “Pv/Ph” entre las presiones vertical y horizontal. Un muro de contención puede ser afectado por cualquiera de los dos estados de falla, activo y pasivo. En el primer caso, el relleno es el que ejerce empuje sobre el muro y éste se desplaza o se inclina hacia el lado exterior; en el segundo caso existe un empuje exterior que hace ceder el muro hacia el lado interior. De acuerdo a la primera de las hipótesis formuladas, se llega a determinar el valor de los empujes activo y pasivo: Ea 1 2 K a H 2 E p 12 K p H 2 Siendo “H” la altura total del muro. El punto de aplicación del empuje se encuentra a un tercio de la altura del muro, medida desde su base. Su línea de acción es horizontal. Si la superficie del relleno forma un ángulo “β” con la horizontal, las fuerzas de empuje son paralelas a la superficie, de acuerdo a la tercera hipótesis, y los valores correspondientes son: E a 1 2 K a' H 2 cos E p 1 2 K p' H 2 cos siendo: K a' cos cos 2 cos 2 1 K p' cos cos 2 cos 2 20.2.2. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS. Al igual que en los suelos con fricción, si la masa de suelo está en reposo, y suponiendo una superficie de relleno horizontal, el empuje se determina según: Ph K o z Pv z Siendo “” el peso específico del material del suelo y “z” la altura del relleno. Al producirse una deformación lateral, la masa de suelo puede llegar a la falla de dos maneras en forma análoga a los suelos con fricción, es decir, i) disminuyendo la presión horizontal hasta el inicio de la falla, se llega al estado plástico activo; y ii) 4 aumentando la presión horizontal hasta llegar al mismo punto, se alcanza el estado plástico pasivo. En este caso, los valores que alcanzan las correspondientes presiones son: a.) Estado plástico activo: Ph z 2 c Pv z con el valor de “Pv” siendo mayor que el de “Ph”, y c = cohesión o resistencia del suelo bajo normal exterior nula. Se supone valor constante. b.) Estado plástico pasivo: Ph z 2 c Pv z siendo en este caso “Ph” mayor que “Pv” Si se calcula el valor del empuje, se obtiene en cada caso: Ea 1 2 H 2 2 c H E p 12 H 2 2 c H Estas fuerzas son horizontales y pasan por el centroide del área de presiones. Si en la primera de estas fórmulas se hace “Ea = 0”, se obtiene: Hc 4 c “Hc” es la altura “crítica”, que es la altura máxima que puede darse a un corte vertical de material cohesivo sin peligro de derrumbamiento. 20.2.3. MÉTODO DE RANKINE EN SUELOS CON COHESIÓN Y FRICCIÓN. Las fórmulas aplicables a suelos que son, al mismo tiempo, cohesivos y friccionantes, son las siguientes: a.) Para el estado plástico activo: 5 Ph K z 2 c K a Ea 1 2 K a H 2 2 c H K a b.) Para el estado plástico pasivo: Ph K p z 2 c K p E p 12 K p H 2 2 c H K p Para la determinación de la altura crítica se considera: Hc 4c Ka Si la superficie del relleno forma un ángulo “β” con la horizontal, las fuerzas de empuje son paralelas a la superficie, y los valores correspondientes son: E a 1 2 K a' H 2 cos E p 1 2 K p' H 2 cos siendo: cos cos 2 cos 2 1 K ' K p cos cos 2 cos 2 ' a 20.2.4. MÉTODO DE COULOMB EN SUELOS CON FRICCIÓN El método de Coulomb es un método gráfico, que considera que siempre existe fricción entre el respaldo del muro y el suelo, si éste es friccionante. El empuje de tierras se determina considerando una cuña de suelo limitada por el respaldo, la superficie del relleno y una superficie teórica de falla supuestamente plana, desarrollada dentro del relleno. Este método consiste en la realización de aproximaciones sucesivas mediante un análisis gráfico de tanteos, en los que se van dibujando varias posibles cuñas del suelo, y se obtienen los respectivos valores del empuje de cada cuña, hasta obtener el valor máximo “crítico”. Se procede a dibujar el polígono de fuerzas en equilibrio en el 6 interior de la cuña, que son las siguientes: “W” (peso del relleno), “F” (reacción lateral del suelo adyacente sobre el plano de falla) y “E” (empuje). De estas fuerzas, se conocen el valor y dirección de “W” y la dirección de “F”, lo que permite determinar “E”. El punto de aplicación del empuje “E” en la cuña del suelo se ubica a una posición a un tercio de la altura, medida desde la base. 20.2.5. MÉTODO DE TERZAGHI Este método es aplicable a muros de una altura no superior a 7 metros. Su aproximación se basa en una clasificación particular de los suelos en 5 grupos. La superficie del relleno se considera plana, pudiendo ser horizontal o inclinada y sin sobrecarga. Determinando los valores de “Kh” y “Kv”, dos parámetros introducidos por este método, se obtienen los valores de las componentes horizontal y vertical del empuje: E p 12 K h H 2 E v 12 K v H 2 Siendo “H” la altura. El punto de aplicación, como en los casos anteriores, se ubica a una posición a un tercio de la altura, medida desde la base. ART. 20.3 GRÁFICOS Y TABLAS DE DISEÑO DE MUROS DE HORMIGÓN ARMADO TIPO CANTILEVER Y GRAVITACIONALES En el Apéndice III, en láminas Nº 20.1 a N° 20.4 se incluyen tablas para el dimensionamiento de muros pantalla y zapata, y tablas de armadura asociada para el caso de muros tipo cantilever. En láminas N° 20.5 y N° 20.6 se presentan diagrama de solicitaciones en muros gravitacionales. ART. 20.4 CÁLCULO DE ESTABILIDAD DE MUROS DE CONTENCIÓN De acuerdo a lo indicado en 20.1, los muros de contención pueden ser diseñados para funcionar de manera gravitacional o como soporte estructural, y el objetivo del diseño, en ambos casos, es definir las condiciones del muro para asegurar su estabilidad usando un coeficiente de seguridad propio para cada una de las posibles fallas que pudieren producirse. Los muros de contención son solicitados por el empuje de tierras “E”, determinado por alguno de los métodos descritos en el Art. anterior, mas solicitaciones eventuales provenientes de cargas sísmicas, y que deben sr analizadas en el diseño. Este empuje da origen a dos solicitaciones fundamentales, que puede ocasionar la falla para la estabilidad del muro. Éstas se describen a continuación: 7 a) Falla por Volcamiento: Se produce cuando el momento de volcamiento, debido al empuje, es mayor que el momento resistente, que se obtiene con el peso del muro y del terreno colaborante. El momento de volcamiento, que tiende a hacer girar al muro hacia el exterior, en torno a su base, b) Falla de Deslizamiento: Se produce cuando la fuerza de deslizamiento y/o corte es mayor que la fuerza de fricción entre el muro y el suelo de fundación. una fuerza horizontal de deslizamiento, que tiende a desplazarlo sobre el plano de base, también hacia el exterior. c) Falla Estructural: Puede producirse debido a esfuerzos excesivos del material componente del muro, dando lugar a grietas y a desintegración. d) Falla por Presión Excesiva sobre el Terreno: Se debe a posibles asentamientos diferenciales por ser la presión actuante sobre el suelo de fundación, superior a su capacidad resistente, lo que trae como consecuencia una reducción del momento resistente. En relación a este último punto, se recomienda tener muy en cuenta la presión máxima aplicada, de acuerdo a la calidad del terreno de fundación. En lo posible, un muro no se construye sobre un suelo perturbado o sobre rellenos en que puedan producirse asentamientos. En cuanto a la profundidad de fundación, es recomendable situarse por debajo del nivel de congelamiento del terreno, lo cual en climas relativamente fríos significa una profundidad comprendida entre 1,2 y 1,5 metros. ART. 20.5 FACTORES DE SEGURIDAD Los factores de seguridad frente a cada tipo de falla tienen valores que se fijan, por lo general, en base a la experiencia. Pueden fluctuar entre ciertos límites, pero en todo proyecto se recomienda fijar específicamente el valor que sea más adecuado. Los factores de seguridad al volcamiento, al deslizamiento y a la falla de fundación se aplican en igual forma a los muros gravitacionales y estructurales. La diferencia entre ambos se refiere a la necesidad de un diseño estructural para estos últimos, dado que por sus menores dimensiones, los esfuerzos actuantes en ellos son muy superiores a los correspondientes en los muros gravitacionales, que poseen siempre un espesor considerable y un peso importante. 20.5.1. FACTOR DE SEGURIDAD AL VOLCAMIENTO Se obtiene estableciendo la relación entre el momento resistente y el máximo valor del momento volcante, y se expresa de acuerdo a las fórmulas siguientes: a.) Si se considera la carga estática: F .S . W x H E h Ev B 3 Siendo: W = peso del muro más peso del suelo que descansa sobre la zapata de fundación, por metro lineal. 8 Eh y Ev = componentes horizontal y vertical del empuje, por metro lineal. H = altura total del muro. B = ancho de la zapata. x = brazo de palanca de W respecto de la arista exterior de la zapata. b.) Si se considera además una acción sísmica, se agrega un término negativo en el numerador de la expresión anterior. F .S . W x W y H Eh Ev B 3 “α” es un coeficiente sísmico, que puede ser tomado como igual a 0,2; “y” es el brazo de palanca de la fuerza sísmica, el cual puede tomarse aproximadamente como igual a “H/2”. De acuerdo a esto, la expresión anterior queda: F .S . W x 0,1 W H H E h Ev B 3 Los valores mínimos aceptables de F.S. son: TABLA 20-1: FACTORES DE SEGURIDAD MÍNIMOS AL VOLCAMIENTO FS PARA TODO TIPO DE SUELOS ESTÁTICO SÍSMICO 2,0 1,3 20.5.2. FACTOR DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO El Factor de Seguridad al Deslizamiento se obtiene calculando la relación entre la fuerza de adherencia y deslizamiento. Se consideran igualmente los dos casos siguientes: 20.5.2.1. Carga estática. F .S . W tg c B L Eh Ev tg En esta fórmula “” es el ángulo de fricción entre el muro y el relleno, y se puede tomar igual a “ 2 ”, y “C” es la cohesión. Los demás símbolos tienen el mismo significado 3 que las definiciones del caso anterior. 9 20.5.2.2. Carga estática más acción sísmica. F .S . W tg c B L W Eh Ev tg El valor de “α” puede, como anteriormente, tomarse igual a 0,2. Los valores mínimos aceptables son: TABLA 20-2: FACTORES DE SEGURIDAD MÍNIMOS AL DESLIZAMIENTO FS PARA TODO TIPO DE SUELOS ESTÁTICO SÍSMICO 2,0 1,3 ART. 20.6 MUROS GRAVITACIONALES Los muros de contención gravitacionales son de forma trapecial y cuentan, en gran medida, con su dimensión transversal y con su peso propio para resistir al empuje de tierras. Es por tal razón que, en general, no son de gran altura. Su espesor medio se encuentra comprendido aproximadamente entre un tercio y un cuarto de su altura. Se construyen de hormigón o de mampostería unida con mortero de cemento. El diseño consiste en fijar las dimensiones del muro, calcular los valores de las fuerzas y momentos solicitantes y de los factores de seguridad, a fin de comprobar que éstos cumplen con los valores permitidos. ART. 20.7 MUROS TIPO CANTILEVER Los muros tipo cantilever, que se construyen de hormigón armado, son diseñados de acuerdo a las disposiciones de las normas NCh430 y D.S. 60 de MINVU de 2011. Se deberán considerar todas las condiciones de carga sobre el muro para asegurar su funcionamiento, capacidad, serviciabilidad y durabilidad. En su estructura se distinguen dos elementos fundamentales: la zapata de fundación y la pantalla o superestructura. Además, pueden también disponer de contrafuertes de forma triangular, uniformemente espaciados, que unen en un solo bloque la pantalla y la zapata, transformando, así el muro en una estructura continua, con un cierto número de apoyos. La zapata puede ofrecer distintas disposiciones, de acuerdo principalmente al espacio disponible en el terreno de fundación. Así, se tienen los muros en forma de “T”, de “L” o de “L” invertida, según lo cual la zapata dispone de una parte exterior, de una interior o de ambas. 10 20.7.1. DISPOSICIÓN DE ZAPATAS POR TIPO DE MURO 20.7.1.1. Muros en forma de T. La zapata comprende zapata exterior e interior. La longitud total de la misma es generalmente igual a 0,4 a 0,6 veces la altura total del muro y la zapata exterior es de ¼ a ½ de esta longitud completa. 20.7.1.2. Muros en forma de L. Solamente existe la zapata interior. Su longitud puede variar entre 0,5 y 0,55 veces la altura total. 20.7.1.3. Muros en forma de L invertida. Solamente existe la zapata exterior. Su longitud es igual a 0,5 a 0,6 veces la altura total. 20.7.2. CÁLCULO ESTRUCTURAL DE LOS MUROS DE HORMIGÓN ARMADO Cada uno de los tres elementos: pantalla, zapata exterior y zapata interior se calculan estructuralmente como vigas cantilever, con empotramiento en un extremo. Este cálculo estructural se realiza de acuerdo a las cargas estáticas, las fuerzas y movimientos actuantes en cada sección de la estructura, y eventuales sobrecargas. Mediante estos valores de entrada, se procede al dimensionamiento de dichas secciones en hormigón armado, ajustándose a lo dispuesto en las Normas Chilenas Oficiales vigentes. Se diseña el espesor del muro y las armaduras de tracción y de comprensión, para cada uno de los elementos estructurales mencionados, de manera que sean capaces de cumplir con las solicitaciones definidas en el cálculo estructural. Cuando el muro es de una longitud apreciable, es necesario disponer juntas de dilatación o contracción a una distancia de no más de 25 metros entre sí, con el fin de controlar espesores de eventuales grietas ocasionadas por esfuerzos de comprensión o de tracción restringidas, o variaciones de temperatura. El diseño de enfierraduras deberá considerar las condiciones de largos de juntas, control de agrietamiento, condiciones de impermeabilidad del muro y procedimientos de ejecución de construcción, para asegurar el adecuado de desempeño del muro en servicio. Se recomienda que: - Las armaduras horizontales sean continuas, de modo que en las juntas, las dos partes adyacentes constituyan estructuralmente una sola unidad. - La sección de acero de dicha armadura sea en promedio igual a 0,2 % de la sección transversal de la pantalla, calculada por metro lineal. - En la zapata también se disponga una armadura de repartición y que la sección de acero sea como mínimo de 0,1 % a 0,2 % de la sección transversal de la zapata, por metro lineal. 11 ART. 20.8 IMPERMEABILIDAD Y DRENAJE EN MUROS DE RETENCIÓN Debido a la existencia de napas freáticas o por infiltración de aguas superficiales dentro del relleno soportado por el muro de retención, se acumulan importantes cantidades de agua, las cuales se recomienda sean rápidamente evacuadas a fin de evitar aumentos indeseables de las presiones ejercidas por la masa de suelo. Estos muros, por contener aguas y tener función de retención hidráulica, deberán considerar medidas para lograr la impermeabilización del muro y asegurar el drenaje en los puntos que sean diseñados para evacuar las aguas, evitando filtraciones indeseadas en otras zonas de muros, problemas de durabilidad y corrosión de la estructura. Para cumplir con este objetivo, se sugiere considerar medidas especiales de diseño de enfierraduras para control de grietas finas, impermeabilización de la masa del hormigón con adiciones del tipo “resistentes a la presión hidrostática, PRAH”, entre otras medidas. Se deberán considerar las condiciones de diseño por durabilidad en estos muros, que consideran: - Ancho máximo de grietas de 0,2 mm - Razón W/C no mayor a 0,4 para condiciones de impermeabilidad - Uso de adiciones que impermeabilicen al hormigón, las que resistan la presión hidrostática y sellen fisuras, capilares y poros. Para los elementos de drenaje, se disponen elementos de drenaje, tales como los que se mencionan a continuación: a.) Tubos de drenaje a través del muro de diámetro aproximado a 5 cm., colocados en hileras paralelas a lo largo del muro, con un espaciamiento vertical no mayor de 2 metros. Puede consultarse en conjunto con los tubos la instalación de material filtrante en el relleno. b.) Drenes corridos de material permeable en toda la longitud del muro y ubicados en su respaldo. Las descargas de los drenes se hace hacia costados del muro. c.) Capa de material permeable que cubre todo el respaldo del muro, con un espesor mínimo de 30 cm. La descarga puede hacerse con tubos de salida a través del muro o mediante un tubo colector perforado, colocado en la base del muro y con descarga en ambos extremos. ART. 20.9 CARACTERISTICAS DEL RELLENO En el relleno que se coloque detrás del muro se recomienda usar, dentro de lo posible, materiales de características adecuada para apoyar la función del muro sin aumentar el empuje de diseño. Los materiales de relleno deberán estar constituidos por suelos preferentemente cohesivos que tengan muy bajos porcentajes de arcilla expansiva. Si fuese inevitable emplear como relleno materiales arcillosos, se tomará en cuenta la pérdida de cohesión del material, que puede llevar a éste a comportarse como un fluido con un peso específico igual al del suelo. 12 Se deberá tener en cuenta los efectos favorables que proporciona la compactación del relleno, tales como aumento de la resistencia al esfuerzo cortante y disminución de la presión sobre el muro, en los procesos requeridos para realizar la densificación del relleno. Sin embargo, no es recomendable llevar la compactación a valores excesivos, ya que en tal caso se originan presiones residuales que hacen crecer el valor del empuje. Por estas razones, el proyecto de diseño del muro deberá considerar indicaciones a este respecto en las especificaciones técnicas. 13