SECCION 20. DISEO ESTRUCTURAL DE MUROS DE CONTENCION

INDICE GENERAL

Pg. ART. 20.1 GENERALIDADES............................................................................................................... 2 ART. 20.2 EMPUJE DE TIERRAS ........................................................................................................ 2

20.2.1. MTODO DE RANKINE EN SUELOS CON FRICCIN 2 20.2.2. MTODO DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS. 4 20.2.3. MTODO DE RANKINE EN SUELOS CON COHESIN Y FRICCIN. 5 20.2.4. MTODO DE COULOMB EN SUELOS CON FRICCIN 6 20.2.5. MTODO DE TERZAGHI 7

ART. 20.3 GRAFICOS Y TABLAS DE DISEO 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. DISPOSICIN 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. CLCULO ESTRUCTURAL DE LOS MUROS DE HORMIGN ARMADO 11 ART. 20.8 DRENAJE DE LOS MUROS DE RETENCION .....................................................................12 ART. 20.9 CARACTERISTICAS DEL RELLENO .................................................................................12

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SECCION 20 DISEO ESTRUCTURAL MUROS DE CONTENCION

ART. 20.1 GENERALIDADES Un muro de contencin es una estructura diseada con el fin de soportar una determinada altura de corte o de relleno en una va 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 tambin incluyen los cruces de vas a diferente nivel.

El diseo de un muro de contencin comprende, en primer trmino, la determinacin de las fuerzas solicitantes y resistentes que actan sobre la estructura y, en segundo trmino, la comprobacin 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 Seccin se analizan dos tipos de muros de contencin, segn su funcin estructural, los muros gravitacionales y los muros tipo Cantilever, cuyo diseo se basa en consideraciones diferentes por la manera de su funcin, segn se explicar ms adelante. Mayores definiciones e informacin adicional respecto al tipo de muros, se presenta en la Seccin 7 de este Cdigo.

Los mtodos de diseo se basarn 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 diseo establezca, el que deber ser debidamente respaldado y justificado en las memorias de clculo respectiva.

ART. 20.2 EMPUJE DE TIERRAS El suelo o material de relleno adyacente al muro de contencin, ejerce sobre ste 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 determinacin 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 mtodos que sern usados para la determinacin del empuje de tierras con fines de diseo de las estructuras de contencin, se basarn en las teoras clsicas sobre empuje de tierras de Rankine y de Coulomb, y por el mtodo propuesto por Terzaghi.

20.2.1. MTODO DE RANKINE EN SUELOS CON FRICCIN La teora de Rankine considera en primer trmino el caso de suelos con friccin, para lo cual formula las siguientes hiptesis:

a.) Los estados plsticos, pasivo y activo, se desarrollan por completo en toda la masa del suelo.

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b.) Si la superficie del relleno es horizontal y el respaldo del muro vertical, se considera nulo el coeficiente de friccin entre muro y suelo.

c.) Si la superficie del relleno est inclinada en un ngulo se admite que el coeficiente de friccin muro-suelo tiene un valor tal que las presiones actuantes forman el mismo ngulo con la horizontal.

Siendo el peso especfico del material del suelo y z la altura del relleno; las presiones ejercidas por dicho relleno, en sentido horizontal y vertical son:

Presin horizontal: zKP oh

Presin vertical: zPv

En estas frmulas, Ko es un coeficiente llamado coeficiente de tierra en reposo, y su valor vara entre 0,4 y 0,8 segn los valores de capacidad de cohesin en los suelos friccionantes, el que se debe definir para el proyecto especfico y caractersticas de los suelos. Este valor es menor que 1 ya que se considera que el suelo est en reposo, y que no se producen desplazamientos de su masa.

Si por algn medio se disminuye la presin horizontal en el interior del suelo, manteniendo constante la presin vertical, se llega a producir la falla de la masa de suelo cuando se alcance el valor:

zKP ah

A este valor de Ka se le llama coeficiente de presin activa de tierras.

Por su parte, tambin se puede llegar a un estado de falla aumentando la presin horizontal y manteniendo constante la presin vertical, cuando la presin Ph alcance el valor:

zKP ph

El valor Kp se designa como coeficiente de presin pasivo de tierras.

Un estado de falla determina que el suelo ha alcanzado el estado plstico el cual puede ser activo o pasivo, segn si dicho estado se alcanza a travs del primero o del segundo de los procesos anteriormente descritos. Para cada uno de estos estados, se obtiene:

NtgK a1

2452

NtgK p

245

2

4

Siendo el ngulo de friccin interna y N la relacin correspondiente Pv/Ph entre las presiones vertical y horizontal.

Un muro de contencin 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 ste 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 hiptesis formuladas, se llega a determinar el valor de los empujes activo y pasivo:

2

21 HKE aa

2

21 HKE pp

Siendo H la altura total del muro.

El punto de aplicacin del empuje se encuentra a un tercio de la altura del muro, medida desde su base. Su lnea de accin es horizontal.

Si la superficie del relleno forma un ngulo con la horizontal, las fuerzas de empuje son paralelas a la superficie, de acuerdo a la tercera hiptesis, y los valores correspondientes son:

cos21 2' HKE aa

cos21 2' HKE pp

siendo:

22

22

''

coscoscoscoscoscos1

pa K

K

20.2.2. MTODO DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS. Al igual que en los suelos con friccin, si la masa de suelo est en reposo, y suponiendo una superficie de relleno horizontal, el empuje se determina segn:

zKP oh zPv

Siendo el peso especfico del material del suelo y z la altura del relleno.

Al producirse una deformacin lateral, la masa de suelo puede llegar a la falla de dos maneras en forma anloga a los suelos con friccin, es decir, i) disminuyendo la presin horizontal hasta el inicio de la falla, se llega al estado plstico activo; y ii)

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aumentando la presin horizontal hasta llegar al mismo punto, se alcanza el estado plstico pasivo. En este caso, los valores que alcanzan las correspondientes presiones son:

a.) Estado plstico activo:

czPh 2 zPv

con el valor de Pv siendo mayor que el de Ph, y

c = cohesin o resistencia del suelo bajo normal exterior nula. Se supone valor constante.

b.) Estado plstico pasivo:

czPh 2 zPv

siendo en este caso Ph mayor que Pv

Si se calcula el valor del empuje, se obtiene en cada caso:

HcHEa 221 2

HcHE p 221 2

Estas fuerzas son horizontales y pasan por el centroide del rea de presiones. Si en la primera de estas frmulas se hace Ea = 0, se obtiene:

cH c 4

Hc es la altura crtica, que es la altura mxima que puede darse a un corte vertical de material cohesivo sin peligro de derrumbamiento.

20.2.3. MTODO DE RANKINE EN SUELOS CON COHESIN Y FRICCIN. Las frmulas aplicables a suelos que son, al mismo tiempo, cohesivos y friccionantes, son las siguientes:

a.) Para el estado plstico activo:

6

ah KczKP 2

aaa KHcHKE 221 2

b.) Para el estado plstico pasivo:

pph KczKP 2

ppp KHcHKE 221 2

Para la determinacin de la altura crtica se considera:

ac K

cH

4

Si la superficie del relleno forma un ngulo con la horizontal, las fuerzas de empuje son paralelas a la superficie, y los valores correspondientes son:

cos21 2' HKE aa

cos21 2' HKE pp

siendo:

22

22

''

coscoscoscoscoscos1

pa K

K

20.2.4. MTODO DE COULOMB EN SUELOS CON FRICCIN El mtodo de Coulomb es un mtodo grfico, que considera que siempre existe friccin entre el respaldo del muro y el suelo, si ste es friccionante. El empuje de tierras se determina considerando una cua de suelo limitada por el respaldo, la superficie del relleno y una superficie terica de falla supuestamente plana, desarrollada dentro del relleno.

Este mtodo consiste en la realizacin de aproximaciones sucesivas mediante un anlisis grfico de tanteos, en los que se van dibujando varias posibles cuas del suelo, y se obtienen los respectivos valores del empuje de cada cua, hasta obtener el valor mximo crtico. Se procede a dibujar el polgono de fuerzas en equilibrio en el

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interior de la cua, que son las siguientes: W (peso del relleno), F (reaccin lateral del suelo adyacente sobre el plano de falla) y E (empuje). De estas fuerzas, se conocen el valor y direccin de W y la direccin de F, lo que permite determinar E. El punto de aplicacin del empuje E en la cua del suelo se ubica a una posicin a un tercio de la altura, medida desde la base.

20.2.5. MTODO DE TERZAGHI Este mtodo es aplicable a muros de una altura no superior a 7 metros. Su aproximacin se basa en una clasificacin 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 parmetros introducidos por este mtodo, se obtienen los valores de las componentes horizontal y vertical del empuje:

2

21 HKE hp

2

21 HKE vv

Siendo H la altura.

El punto de aplicacin, como en los casos anteriores, se ubica a una posicin a un tercio de la altura, medida desde la base.

ART. 20.3 GRFICOS Y TABLAS DE DISEO DE MUROS DE HORMIGN ARMADO TIPO CANTILEVER Y GRAVITACIONALES En el Apndice III, en lminas N 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 lminas N 20.5 y N 20.6 se presentan diagrama de solicitaciones en muros gravitacionales.

ART. 20.4 CLCULO DE ESTABILIDAD DE MUROS DE CONTENCIN De acuerdo a lo indicado en 20.1, los muros de contencin pueden ser diseados para funcionar de manera gravitacional o como soporte estructural, y el objetivo del diseo, 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 contencin son solicitados por el empuje de tierras E, determinado por alguno de los mtodos descritos en el Art. anterior, mas solicitaciones eventuales provenientes de cargas ssmicas, y que deben sr analizadas en el diseo. Este empuje da origen a dos solicitaciones fundamentales, que puede ocasionar la falla para la estabilidad del muro. stas se describen a continuacin:

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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 friccin entre el muro y el suelo de fundacin. una fuerza horizontal de deslizamiento, que tiende a desplazarlo sobre el plano de base, tambin hacia el exterior.

c) Falla Estructural: Puede producirse debido a esfuerzos excesivos del material componente del muro, dando lugar a grietas y a desintegracin.

d) Falla por Presin Excesiva sobre el Terreno: Se debe a posibles asentamientos diferenciales por ser la presin actuante sobre el suelo de fundacin, superior a su capacidad resistente, lo que trae como consecuencia una reduccin del momento resistente.

En relacin a este ltimo punto, se recomienda tener muy en cuenta la presin mxima aplicada, de acuerdo a la calidad del terreno de fundacin. 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 fundacin, es recomendable situarse por debajo del nivel de congelamiento del terreno, lo cual en climas relativamente fros 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 lmites, pero en todo proyecto se recomienda fijar especficamente el valor que sea ms adecuado.

Los factores de seguridad al volcamiento, al deslizamiento y a la falla de fundacin se aplican en igual forma a los muros gravitacionales y estructurales. La diferencia entre ambos se refiere a la necesidad de un diseo estructural para estos ltimos, 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 relacin entre el momento resistente y el mximo valor del momento volcante, y se expresa de acuerdo a las frmulas siguientes:

a.) Si se considera la carga esttica:

BEHE

xWSFvh

3

..

Siendo:

W = peso del muro ms peso del suelo que descansa sobre la zapata de fundacin, por metro lineal.

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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 adems una accin ssmica, se agrega un trmino negativo en el numerador de la expresin anterior.

BEHE

yWxWSFvh

3

..

es un coeficiente ssmico, que puede ser tomado como igual a 0,2; y es el brazo de palanca de la fuerza ssmica, el cual puede tomarse aproximadamente como igual a H/2. De acuerdo a esto, la expresin anterior queda:

BEHE

HWxWSFvh

3

1,0..

Los valores mnimos aceptables de F.S. son:

TABLA 20-1: FACTORES DE SEGURIDAD MNIMOS AL VOLCAMIENTO

ESTTICO SSMICO2,0 1,3

FS PARA TODO TIPO DE SUELOS

20.5.2. FACTOR DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO El Factor de Seguridad al Deslizamiento se obtiene calculando la relacin entre la fuerza de adherencia y deslizamiento. Se consideran igualmente los dos casos siguientes:

20.5.2.1. Carga esttica.

tgEELBctgWSF

vh

..

En esta frmula es el ngulo de friccin entre el muro y el relleno, y se puede tomar igual a 3

2 , y C es la cohesin. Los dems smbolos tienen el mismo significado que las definiciones del caso anterior.

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20.5.2.2. Carga esttica ms accin ssmica.

tgEEWLBctgWSF

vh

..

El valor de puede, como anteriormente, tomarse igual a 0,2.

Los valores mnimos aceptables son:

TABLA 20-2: FACTORES DE SEGURIDAD MNIMOS AL DESLIZAMIENTO

ESTTICO SSMICO2,0 1,3

FS PARA TODO TIPO DE SUELOS

ART. 20.6 MUROS GRAVITACIONALES Los muros de contencin gravitacionales son de forma trapecial y cuentan, en gran medida, con su dimensin transversal y con su peso propio para resistir al empuje de tierras. Es por tal razn 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 hormign o de mampostera unida con mortero de cemento.

El diseo 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 stos cumplen con los valores permitidos.

ART. 20.7 MUROS TIPO CANTILEVER Los muros tipo cantilever, que se construyen de hormign armado, son diseados de acuerdo a las disposiciones de las normas NCh430 y D.S. 60 de MINVU de 2011. Se debern 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 fundacin y la pantalla o superestructura. Adems, pueden tambin disponer de contrafuertes de forma triangular, uniformemente espaciados, que unen en un solo bloque la pantalla y la zapata, transformando, as el muro en una estructura continua, con un cierto nmero de apoyos.

La zapata puede ofrecer distintas disposiciones, de acuerdo principalmente al espacio disponible en el terreno de fundacin. As, se tienen los muros en forma de T, de L o de L invertida, segn lo cual la zapata dispone de una parte exterior, de una interior o de ambas.

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20.7.1. DISPOSICIN 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 a 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. CLCULO ESTRUCTURAL DE LOS MUROS DE HORMIGN 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 clculo estructural se realiza de acuerdo a las cargas estticas, las fuerzas y movimientos actuantes en cada seccin de la estructura, y eventuales sobrecargas. Mediante estos valores de entrada, se procede al dimensionamiento de dichas secciones en hormign armado, ajustndose a lo dispuesto en las Normas Chilenas Oficiales vigentes. Se disea el espesor del muro y las armaduras de traccin y de comprensin, para cada uno de los elementos estructurales mencionados, de manera que sean capaces de cumplir con las solicitaciones definidas en el clculo estructural.

Cuando el muro es de una longitud apreciable, es necesario disponer juntas de dilatacin o contraccin a una distancia de no ms de 25 metros entre s, con el fin de controlar espesores de eventuales grietas ocasionadas por esfuerzos de comprensin o de traccin restringidas, o variaciones de temperatura. El diseo de enfierraduras deber considerar las condiciones de largos de juntas, control de agrietamiento, condiciones de impermeabilidad del muro y procedimientos de ejecucin de construccin, para asegurar el adecuado de desempeo 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 seccin de acero de dicha armadura sea en promedio igual a 0,2 % de la seccin transversal de la pantalla, calculada por metro lineal.

- En la zapata tambin se disponga una armadura de reparticin y que la seccin de acero sea como mnimo de 0,1 % a 0,2 % de la seccin transversal de la zapata, por metro lineal.

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ART. 20.8 IMPERMEABILIDAD Y DRENAJE EN MUROS DE RETENCIN Debido a la existencia de napas freticas o por infiltracin de aguas superficiales dentro del relleno soportado por el muro de retencin, se acumulan importantes cantidades de agua, las cuales se recomienda sean rpidamente evacuadas a fin de evitar aumentos indeseables de las presiones ejercidas por la masa de suelo.

Estos muros, por contener aguas y tener funcin de retencin hidrulica, debern considerar medidas para lograr la impermeabilizacin del muro y asegurar el drenaje en los puntos que sean diseados para evacuar las aguas, evitando filtraciones indeseadas en otras zonas de muros, problemas de durabilidad y corrosin de la estructura. Para cumplir con este objetivo, se sugiere considerar medidas especiales de diseo de enfierraduras para control de grietas finas, impermeabilizacin de la masa del hormign con adiciones del tipo resistentes a la presin hidrosttica, PRAH, entre otras medidas.

Se debern considerar las condiciones de diseo por durabilidad en estos muros, que consideran:

- Ancho mximo de grietas de 0,2 mm

- Razn W/C no mayor a 0,4 para condiciones de impermeabilidad

- Uso de adiciones que impermeabilicen al hormign, las que resistan la presin hidrosttica y sellen fisuras, capilares y poros.

Para los elementos de drenaje, se disponen elementos de drenaje, tales como los que se mencionan a continuacin:

a.) Tubos de drenaje a travs del muro de dimetro 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 instalacin 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 mnimo de 30 cm. La descarga puede hacerse con tubos de salida a travs 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 detrs del muro se recomienda usar, dentro de lo posible, materiales de caractersticas adecuada para apoyar la funcin del muro sin aumentar el empuje de diseo. Los materiales de relleno debern estar constituidos por suelos preferentemente cohesivos que tengan muy bajos porcentajes de arcilla expansiva.

Si fuese inevitable emplear como relleno materiales arcillosos, se tomar en cuenta la prdida de cohesin del material, que puede llevar a ste a comportarse como un fluido con un peso especfico igual al del suelo.

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Se deber tener en cuenta los efectos favorables que proporciona la compactacin del relleno, tales como aumento de la resistencia al esfuerzo cortante y disminucin de la presin sobre el muro, en los procesos requeridos para realizar la densificacin del relleno. Sin embargo, no es recomendable llevar la compactacin 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 diseo del muro deber considerar indicaciones a este respecto en las especificaciones tcnicas.