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DISEO DE MUROS DE SUELOMECNICAMENTE ESTABILIZADOS - MSE
Ing. Jos Luis Carrasco Gutirrez
DIPLOMADO EN DISEO ESTRUCTURAL Y NUEVAS TENDENCIASEN LA CONSTRUCCIN SIN PRDIDAS
mailto:[email protected]:[email protected] -
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CONTENIDO
* CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Capacidad de carga admisible
Consideraciones de diseo estructural
* CIMENTACIONES PROFUNDAS
Tipos de cimentacin
Capacidad de carga
* MUROS DE SUELO REFORZADO
Tipos de muros, clasificacin y tipos de muros
Teora de empuje de tierras
Aplicaciones y casos histricos Diseo de muros de suelo reforzado (MSE)
* SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO MEDIANTE ANCLAJES
Tipos de anclajes
Diseo de anclajes, ejercicio
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MURO DE SUELO MECNICAMENTE ESTABILIZADO
MSE
- Historia
- Definicin
- Clasificacin
- Componentes
- Diseo
- Aplicaciones
- Conclusiones
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Muralla China (2000AC)
Partes del muro estn
reforzadas con maderas yplantas que en la actualidadpueden ser vistas en lamuralla.
Historia
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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Historia
El concepto de Tierra Armada fue introducido por el francsHenri Vidal y patentado en 1963 y lleg a Amrica el ao 1972.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Henri Vidal(19242007) Ilustracin del principio de suelo reforzado
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Historia
Primera Patente
Originalmente se utilizaron lminas de acero como refuerzo.
Con el tiempo el sistema ha ido evolucionando para incluirotros tipo de refuerzos, especialmente los geosintticos.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Primera patente
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Actualidad
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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Son sistemas compuestos de suelo compactado y elementos de
refuerzo en tensin.
Su resistencia interna se debe principalmente al refuerzo.
Externamente se disean como estructuras masivas por
gravedad. Son fciles, sencillas y rpidas de construir.
Utilizan el suelo como su principal componente.
Pueden adaptarse fcilmente a la topografa.
Los refuerzos pueden ser de flejes o mallas metlicas ogeosintticos (geotextiles o geomallas).
Muro de suelo reforzado - Definicin
Suelo Refuerzo Suelo reforzado
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Drenaje posterior
Paramento
Losa de nivelacin
Empotramiento
Relleno compactado
Refuerzo
Funcin del refuerzo
Restringir las deformaciones del relleno a emplear, razn por la cual
los esfuerzos son transferidos del material de relleno hacia loselementos que lo refuerzan.
Fuente: Maccaferri Per
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Fuente: Maccaferri Per
Los refuerzos normalmente se instalan a lo largo de planos
horizontales durante la compactacin del terrapln y son espaciadosen la vertical de modo que forman as juntos un solo bloquecompacto.
Instalacin del refuerzo
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Fuente: Maccaferri Per
Representacin grfica
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Fuente: Maccaferri Per
Representacin grfica
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N
T
W
Fuente: Maccaferri Per
Representacin grfica
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Fuente: Maccaferri Per
Experimento
Sin Refuerzo
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Fuente: Maccaferri Per
Experimento
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Fuente: Maccaferri Per
Experimento
Con Refuerzo
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Fuente: Maccaferri Per
Experimento
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Experimento
Refuerzo
Refuerzo
Refuerzo
Fuente: Maccaferri Per
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Muro de suelo reforzado:
Es un trmino genrico que hace mencin a una masa de suelo reforzado, lapendiente de la fachada es superior a 70 con la horizontal y se disea comouna estructura de contencin a gravedad.
Componentes
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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POR LA GEOMETRIA DEL REFUERZO
UNIDIRECCIONAL SIMPLE:
Flejes de acero, lisos o texturados
Cintas de geosintticos
CLASIFICACIN DE MUROS
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POR LA GEOMETRIA DEL REFUERZO
UNIDIRECCIONAL COMPUESTO:
Geomallas barras de acero entrelazados cuya caractersticaprincipal es que las aberturas son mayores a 150 mm
CLASIFICACIN DE MUROS
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POR LA GEOMETRIA DEL REFUERZO
BI-DIRECCIONAL PLANA:
Mallas continuas de geosintticos (geomallas / geotextiles)
Mallas soldadas de alambre y/o tejidas.
Caracterstica es que la longitud de las aberturas son menores a los 150 mm
CLASIFICACIN DE MUROS
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Ratio de Cobertura En el caso de refuerzos continuos (geomallas o geotextiles) el valor del ratio
de cobertura es igual a 1.0.
Geometra de los refuerzos
Vista en planta
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Ratio de Cobertura En el caso de refuerzos continuos (geomallas o geotextiles) el valor del ratio
de cobertura es igual a 1.0.
Geometra de los refuerzos
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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Ratio de Cobertura En el caso de refuerzos continuos (geomallas o geotextiles) el valor del ratio
de cobertura es igual a 1.0.
Geometra de los refuerzos
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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Flejes, Cintas y Mallas de Acero:Estn caracterizadas por el rea deuna seccin, el espesor, permetro del elemento del refuerzo y ladistancia centro-centro entre los elementos.
Geomallas y Geotextiles: Estn caracterizadas por la longitud delrefuerzo y la distancia centro-centro entre los elementos. El rea de laseccin no es necesaria, debido a que la resistencia de este tipo derefuerzo es expresada en tensin por unidad de ancho.
El ratio de cobertura (Rc) es utilizado para determinar el valor de laresistencia por unidad de anchoen un refuerzo del tipo discreto (Flejes ocintas polimricas).
Geometra de los refuerzos
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
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POR EL MATERIAL DEL REFUERZO
METLICOS
Tpico de acero dulce, usualmente de acero galvanizado, puedeser recubierto con epxicos.
CLASIFICACIN DE MUROS
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Armadura Metlica
Refuerzo metlico
Fuente: Tierra Armada
CLASIFICACIN DE MUROS
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POR EL MATERIAL DEL REFUERZO
GEOSINTTICOS
Pueden ser geomallas o geotextiles.
CLASIFICACIN DE MUROS
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Cintas polimricasRefuerzosinttico
Fuente: Tierra Armada
CLASIFICACIN DE MUROS
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POR LA EXTENSIBILIDAD DE LOS REFUERZOS
INEXTENSIBLES
Ladeformacindelrefuerzoalmomentodelafallaesmuchomenorqueladeformacindel
suelo. (Tiras de acero, mallas de barra de acero mallas de alambre soldado).
EXTENSIBLES
Ladeformacindelrefuerzoalmomentodelafalla es mayor o igual que la deformacinpropia del suelo. (Geomallas o geotextiles,mallas de acero tejidos).
CLASIFICACIN DE MUROS
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Paneles de concreto
prefabricados
Bloques modulares
prefabricados
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de Gaviones
TIPOS DE PARAMENTO
Paramento de geosintticos
(Geotextiles)
Paramento degeomallas
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Paramento Metlico:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de Concreto Tipo Cruciforme:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de Concreto Tipo Rectangular:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de Muro Vegetado:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de Mallas con Piedras:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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Paramento de gaviones:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
TIPOS DE PARAMENTO
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La AASHTO contempla el uso de rellenos granulares,libres de materia orgnica y libres de materialesdeteriorables.
Debe haber un control de calidad durante la construccin.
RELLENO ESTRUCTURAL
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Determinar la agresividad potencial de los suelos de relleno. EstimarpH, resistividad elctrica y contenido de sales incluye sulfatos ycloruros.
Para suelos que cumplan las especificaciones de la AASHTO se puedeasumir un valor de mximo de 34 a menos que se hayan realizadoensayos triaxiales o de corte directo.
La AASHTO especifica que en ningn caso se permite utilizar ngulosde friccin superiores a 40 as sean respaldados por ensayos.
La compactacin del material de relleno se debe de realizar al 95% delProctor Modificado de acuerdo a la AASHTO T-180, los espesores decapa no deben de ser mayores a 30cm.
RELLENO ESTRUCTURAL
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Propiedades Electroqumicas del Relleno Refuerzo Metlico.
Propiedades Electroqumicas del Relleno Refuerzo Sinttico.
Fuente: Design Manual for Segmental Retaining Walls. NCMA, 1997.
Fuente: Design Manual for Segmental Retaining Walls. NCMA, 1997.
RELLENO ESTRUCTURAL
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Cerca al paramento frontal se debe de realizar una compactacin
liviana(1.0m), se recomienda el uso de rodillos vibratorios liviano quepesen menos de 500kg.
Se recomienda que el material en la zona del paramento frontal sea demuy buena calidad en trminos de drenaje y friccin, esto paraminimizar los asentamientos en esta zona.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
RELLENO ESTRUCTURAL
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Construccin simple y rpida.
No requiere mano de obra especializada.
Requiere menor preparacin del terreno
Tcnicamente se pueden disear estructuras de granaltura.
Estructura econmica c/r a muros de CA.
Flexibilidad.
Diferentes tipos de fachadas.
VENTAJAS
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Requiere un espacio amplio para la base.
Requiere de material seleccionado para el relleno.
Requiere de ciertas consideraciones para los refuerzos:
- Corrosin (refuerzo metlico)
- Degradacin (refuerzo sinttico)
No est normado en el Per.
DESVENTAJAS
TEORA DE EMPUJES
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Elemento de suelo sometido a estado tensional geosttico
sv = g.z
sh = Ko. sv
z
dz
Determinacin de Ko:
Ensayos triaxiales
Frmulas empricas,
Correlaciones, otros.
TEORA DE EMPUJES DE TIERRAS
TEORA DE EMPUJES
sv = Esfuerzo vertical efectivosh = Esfuerzo horizontal efectivo
EMPUJES DEL SUELO
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EMPUJE EN REPOSO
Condicin de reposo:
Cuando el terreno se encuentra totalmente confinado. Deformacinlateral nula.
El muro se encuentra totalmente restringido contra movimientos
horizontales.
Puede haber deformacin libre en sentido vertical.
EMPUJES DEL SUELO
sv = g.z
sh = ?
z
sv = g.z
sh = ?Muro
EMPUJE DE REPOSO
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Teora de la elasticidad Ley de Hooke Generalizada
EMPUJE DE REPOSO
zyxx Esss
1
zxxzyxE
ssssss 01
0
zx ss 1
Para la condicin de reposo, el suelo est en equilibrio elstico, lejos delestado de falla.
Por tanto es posible utilizar el modelo lineal elstico, para el comportamiento del
suelo.
; Condiciones :
Hz
yx
yx
gs
ss
;
;0
sz
sx
H
z
x
zx
v
s
s
1
PoissondeeCoeficient:
EMPUJE DE REPOSO
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Coeficiente de empuje en reposo - (Ko)
EMPUJE DE REPOSO
La tensin horizontal se conoce como empuje de tierras y el estado que se genera para
estas condiciones es el reposo, siendo por tanto sxel empuje de reposo.
sv = g.H
sh = ko.sv
H
z
x
vk
10
vz
hx
ss
ss
;vh
vs
s
1
Si :
Ko: Coeficiente de empuje en reposo.
SUELO u Ko
ARCILLA BLANDA 0.37 - 0.45 0.60 - 0.82ARCILLA DURA 0.33 - 0.44 0.50 - 0.80
GRAVA, ARENA SUELTA 0.35 0.54
GRAVA, ARENA COMPACTA 0.25 0.33
Rangos aproximados
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Frmulas empricas de determinacin de Ko
'1 senK
o
'95,0 senK
o
'')1( seno
OCRsenK
1)1( ' sensenKo
Jaky (1944) para arenas
Brooker & Ireland (1965) para
arcillas NC
Mayne & Kulhawy (1981) para
arcillas SC
USACE (1989) para casos de
relleno inclinado con horizontal
EMPUJE ACTIVO
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EMPUJE ACTIVO
Para que se genere el ESTADO ACTIVOdebe existir:
Desplazamiento lateral del muro
Disminuye la tensin horizontal hasta un valor mnimo donde alcance un estadotensional de falla, denominndose esfuerzo activo.
La integracin de estos esfuerzos nos da el Empuje Activo Ea.
Empuje Activo (Ea)
)_%(4
)_%(1.0
suaveArcillaH
sueltaArenaH
Ea
'
hs
sh
sv
sha
Reposo
s
'
va
'
a K ss '
vo
'
h K ss
Activo
x0
1
2
45tan2
a
K
EMPUJE PASIVO
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Empuje Pasivo (Ep)
)_%(5
)_%(1
suaveArcillaH
sueltaArenaH
Ep
'
h
s
sh
s
v
shp
Reposo
s
x0
Pasivo'
vp
'
p K ss
'
vo
'
h K ss
EMPUJE PASIVO
Para que se genere el ESTADO PASIVOdebe existir:
Desplazamiento lateral del muro comprimiendo el terreno
Aumenta de la tensin horizontal del terreno hasta alcanzar un valor mximo de falla,denominndose esfuerzo pasivo.
La integracin de estos esfuerzos nos da el Empuje Pasivo Ep.
RESUMEN
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sh
sv
sha
shp
En Reposo
Estado Activo
Estado Pasivo
s
'
va
'
a K ss
'
vp
'
p K ss
'
vo
'
h K ss
ESTADOS DE TENSIN DEL SUELO REPOSO, ACTIVO, PASIVO
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Predimensionamiento
DISEO DE MUROS MSE
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Se debe verificar la:
Estabilidad Global Falla global
Estabilidad Externa Capacidad admisible Volteo (excentricidad) Deslizamiento
Estabilidad Interna Rotura del refuerzo Arrancamiento Conectividad
ANLISIS DE ESTABILIDAD
ANLISIS DE ESTABILIDAD
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Desl izamiento Volteo
Capacidad
Admis ib le
Anlis is Internos
Fal la Glob al
ANLISIS DE ESTABILIDAD
Fuente: Maccaferri Per
E bilid d l b l
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Estabilidad global
FS = 1.30
Fuente: Maccaferri Per
Mtodo de Equilibrio Lmite
E t bilid d t
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Estabilidad externa
E t bilid d t
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Estabilidad externa
Carga asumida para el anlisis de vuelco, deslizamiento
y resistencia al arrancamiento de los elementos de
refuerzos
Carga asumida para realizar el anlisis de
Capacidad de soporte del suelo y estabilidad global
Algunas consideraciones segn AASTHO
li i d bilid d i
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Anlisis de estabilidad interna
S i l l t bilid d i t
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- Seleccin del tipo de refuerzo (Extensibles Inextensibles)
- Identificacin del criterio de falla segn el tipo de refuerzo.
- Seleccin del espaciamiento del refuerzo compatible con eltipo de paramento exterior utilizado.
- Clculo de las mximas tensiones para cada nivel derefuerzo en condiciones estticas y pseudo estticas.
- Clculo de las mximas tensiones de conexin con elparamento exterior (si existen conectores).
- Clculo del arrancamiento en cada nivel de refuerzo.
Secuencia para evaluar la estabilidad interna
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Seleccin del tipo de refuerzo Extensibles Inextensibles) Identificacin de la superficie crtica de falla.
En muros con refuerzo extensible y ngulo de inclinacin de la fachada sea menor a 10 conrespecto a la vertical. La zona mxima de tensin se deber determinar con el mtodo deRankine.
Para el caso de muros con inclinacin de fachadas de 10 o mayores, se usar el mtodo de
Coulomb y considerando las cargas concentradas.
Criterio de falla
Refuerzo Extensible
Criterio de falla
Refuerzo Inextensible
Fuente: AASHTOMtodo de LRFD - 2004
Anlisis de estabilidad interna
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Anlisis de estabilidad interna
Rotura del refuerzo Arrancamiento del refuerzo
Verificar que:
La resistencia admisible del refuerzo sea suficiente sin que rompa. Comparar
con Tmx.
La longitud del refuerzo sea suficiente de tal forma que a lo largo del mismo se
desarrolle un esfuerzo mayor a la fuerza de arrancamiento.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Anlisis por rotura
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Seleccin del espaciamiento del refuerzo: Compatible con el tipo deparamento exterior utilizado.
Clculo de las tensiones mximas en cada nivel de refuerzo: Encondiciones estticas y pseudo estticas.
HrVH
k
kr= coeficiente de presin lateral
sV= Esfuerzo vertical resultante delpropio muro
sH= Esfuerzo horizontal
vHmx .ST
Anlisis por rotura
Espaciamiento de los
refuerzos
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AASHTO recomienda los siguientes espaciamientos verticales de losrefuerzos:
Fachadas Rgidas(Paneles de concreto armado o bloques) : 80cm
Fachadas Flexibles(Mallas metlicas o geosintticos) : 60cm
Muros segmentados Espaciamiento mximo se recomienda que sea 2veces el ancho del bloque.
Espaciamiento de los refuerzos
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
d bl d l f
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Creep (~1.43) Daos d e Insta lac in
(~1.03)
Daos Ambien tales
(~1.15)
Resistencia admisible del refuerzo
Fuente: Maccaferri Per
Especificaciones
Geomallas
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Especificaciones Geomallas
Tdisponible = Tult / RFCD*RFD*RDD)= 60 / 1,69 = 35 kN/m
Tadm = Tdisponible * Rc ) / FSTmx Tadm
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Relacin de Cobertura Rc)
Lminas geosintticas discontinuas
Lminas geosintticas continuas
Lminas de acero discontinuas
Mallas de acero
Anlisis por rotura
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Para franjas de acero
Para mallas de acero conectadas apaneles de concreto.
Caso de franjas o mallas de aceroAnlisis por rotura
amx TT
Anlisis por arrancamiento Pull-Out
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Anlisis por arrancamiento Pull-Out
Pr = Resistencia al arrancamiento = ngulo de friccin de la interaccin suelo-refuerzo.F* = Factor de resistencia de arrancamiento = Factor de correccin por efecto de escala
En refuerzos extensibles
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F* - Factor de resistencia de arrancamiento
F*=Ci tan )
Ci =Coef. de interaccin delsuelo
ESTABILIDAD INTERNA POR CONEXIN
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Condicin Esttica
Condicin pseudo esttica
ESTABILIDAD INTERNA POR CONEXIN
FACTORES DE SEGURIDAD MNIMOS
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FACTORES DE SEGURIDAD MNIMOS
DISEO
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Software de Diseo
DISEO
DISEO
-
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Software de diseo
DISEO
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Aplicaciones
Estructuras de contencin.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
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Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
Aplicaciones
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Rampa de acceso a puente.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
MUROS
ACABADOS ARQUITECTNICOS
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MUROS ACABADOS ARQUITECTNICOS
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
MURO AEROPUERTO DE SEATTLE
USA / H=44m
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Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
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82Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
Aplicaciones
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83Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
Aplicaciones
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Chancadoras Primarias
84
Escondida - Chile
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Aplicaciones
TerraLink
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TerraLink
Slope stabilized by nailsFacing
Soil reinforcements
Paramento de Concreto Tipo Rectangular:
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Terralink
System
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y
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Conclusiones
-
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Paramento frontal:
Paneles de concreto
Mallas de acero, gaviones, etc.
Fuente: Freyssinet Tierra Armada Per
Casos histricos
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Per
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Casos histricos Per
La compaa minera Hudbay PerS.A.C. requera un sistema de rampas deacceso que permita el ingreso de loscamiones de mina para realizar ladescarga del material de mina dentro dela chancadora primaria
Muro de suelo reforzado en ambos ladosde la chancadora con el Sistema MacForce.
Altura mxima de muro 28,8 m Longitud del muro 220 metros Fachada: Placas de concreto Refuerzo: Cintas polimricas Resistencias del refuerzo: 30 y 50 KN/m Nivel: 4130 msnm
DURANTE LA CONSTRUCCIN
Mina Constancia (Ao 2014), Chumbivilcas, Cusco
Casos histricos
-
Per
-
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Casos histricos Per
FINAL DE LA CONSTRUCCIN
OBRA TERMINADA
Sobrecarga de diseo: 400 Tn Contratista: san Martn Contratistas Generales Proyecto: Ausenco Muro: Sistema Mac Force
Mina Constancia (Ao 2014), Chumbivilcas, Cusco
Casos histricos
-
Per
-
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Casos histricos Per
La empresa CONIRSA, estuvo encargada de laconstruccin, operacin y mantenimiento de
los tramos 2 y 3 del corredor vial interocenicosur, Per - Brasil (703 Km.). Se encontrabadesarrollando el tramo 2 en el departamentode Madre de Dios. En dicho tramo tenan lanecesidad de realizar la unin entre dos faldasde cerro que permitiese la continuidad del
corredor vial (Sector: Garganta del diablo)
Muro de suelo reforzado: Sistema Terramesh
Altura mxima de muro 12 m Fachada: Gaviones (Terramesh) Refuerzo adicional: Geomallas uniaxiales de 200
KN/m
ANTES DE LA OBRA
DURANTE LA OBRA
IRSA Sur (Ao 2009), Dpto. Madre de Dios
Casos histricos
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Per
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Casos histricos Per
OBRA TERMINADA
SECCIN TRANSVERSAL TPICA
IRSA Sur (Ao 2009), Dpto. Madre de Dios
Casos histricos
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Per
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Casos histricos Per
Colapso de antiguo muroDURANTE LA OBRA
Muro Bajada Balta(Ao 2012), Miraflores - Lima
Nombre del proyecto: Bajada BaltaFecha de ejecucin: 2012Entidad contratante: Municipalidad de MirafloresDiseo: Departamento Tcnico del Grupo TDMTipo de muro: Sistema MesaMateriales:- Geomallas uniaxiales,- Geocompuesto de drenaje, tubera HDPE
OBRA TERMINADA
CONCLUSIONES
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CONCLUSIONES
Son estructuras econmicas a comparacin de estructurasconvencionales.
Comportamiento estructural probado y seguro. (Con
diseo y construccin adecuados).
Existe variedad de alternativas de refuerzo y paramentos.
Metodologa de diseo simple y confiable.
Procedimiento constructivo bien definido y simple.
AGRADECIMIENTOS POR EL MATERIAL PROPORCIONADO A:
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AGRADECIMIENTOS POR EL MATERIAL PROPORCIONADO A:
Freyssinet Tierra Armada Per Ing. Hctor Silva Trelles
Maccaferri Per Ing. Carlos Aranda Guerrero Ing. Csar Torres
Grupo TDM Per Ing. Csar Oviedo
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GRACIAS !!!