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Muros de Contención

ITQEstructuras de Concreto II Luis Angel Montero Hernández

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Generalidades• Una estructura de contención de tierras, denominada comúnmente muro, es

una estructura permanente relativamente rígida y continua, que da forma activa o pasiva produce un efecto estabilizador sobre una masa de terreno desequilibrada, natural o artificial, que se encuentra ubicada en su parte posterior (trásdos). Terzaghi, Peck y Mesri (1996) lo definen como una estructura destinada a soportar suelos que presentan pendientes mayores que su ángulo de reposo.

• Los muros de contención de tierras son empleados, para diversas actuaciones como: contención de taludes y estribos de pasos superiores en obras de infraestructura viaria (carreteras, ferrocarriles, etc.); contención de terrenos en obras de edificación (a nivel superficial y en el interior del terreno); utilización para la construcción de muelles portuarios, contención de vertederos, etc.

• Este tipo de estructuras actúa generalmente como un elemento de transición, destinado a establecer y mantener una diferencia de niveles en el terreno con una pendiente superior a lo que permitiría la resistencia del mismo, transmitiendo a su base y resistiendo con deformaciones admisibles los correspondientes empujes laterales a los que se ve sometido.

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Clasificación

Existen diversas clasificaciones por las cuales se distinguen las distintas tipologías de muros de contención; son diseñadas para que resistan las acciones a las cuales se ven sometidas, y según las normativas actuales y el tipo de estructura que se emplee, se analizan tanto por estabilidad externa como por estabilidad interna.

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Diversas clasificaciones de los muros de contención han sido planteadas históricamente. Desde un punto de vista funcional, se pueden dividir en 3 tipos fundamentales:

De Sostenimiento Se construyen separados del terreno natural, y posteriormente se rellenan con tierras en sus trasdós.

De Contención Son construidos directamente “contra” un talud en terreno

natural sin relleno en su trasdós.

De Revestimiento Son diseñados para recubrir y

proteger un talud de la erosión, arrastre o meteorización, siendo

elementos de delgado espesor adosados a un terreno natural en pendiente (son poco empleados.

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En función de la interacción suelo-estructura, los muros suelen dividirse en dos grandes grupos:

• Estructuras rígidas: que por sus condiciones (dimensiones, morfología, etc.) no cambian de forma bajo los empujes del terreno, es decir, que sus movimientos son perfectamente de giro y/o traslación, sin que produzcan deformaciones significativas de flexión.

• Estructuras flexibles: que por contraposición con las anteriores, son aquéllas que por sus condiciones soportan los empujes de tierras experimentando deformaciones a flexión considerables, o las que debido a sus deformaciones modifican la configuración de los empujes del terreno.

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Los muros de contención de tierras, pueden ser divididos en tres tipologías: muros convencionales, muros prefabricados y muros de tierra mecánicamente estabilizada.

Esta subdivisión permite diferenciar aquellos muros que son completamente construidos in-situ (muros convencionales), de aquellos de aparición más reciente y que son fabricados mediante un proceso industrializado (muros prefabricados y muros de tierra mecánicamente estabilizada).

Los muros convencionales, o también llamados tradicionales, se encuentran incluidos dentro del grupo de los denominados rígidos, definidos como aquellos que, ante los empujes de tierras, por su forma y dimensiones sufren preferentemente movimientos de giro y/o traslación, sin deformaciones significativas de flexión, que a su vez pueden dar lugar a modificaciones en la distribución de empujes. Los movimientos que pueden producirse en cualquier tipología de estos muros, dependen principalmente de las condiciones de cimentación de la estructura.

Dentro de esta tipología se pueden incluir los muros de gravedad, los muros de semigravedad, los muros en L o T invertida (ménsula) y los muros con contrafuertes. De estos, los muros ménsula son los que pueden verse más afectados por la deflexión de su alzado, debido a que estos muros son más ligeros con relación a los muros de gravedad.

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Muros de GravedadSuelen dotarse de una leve pendiente en el intradós, con el propósito de

mejorar la estabilidad de la estructura. El efecto estabilizador de estos muros es logrado por su peso propio y por su resistencia a la compresión, no precisando de armaduras dada estas características. Además, pueden ser de variadas formas y son los más resistentes a los agentes destructivos. En general no es frecuente el empleo de estos muros para alturas mayores a 8 m.

Mampostería de Piedra

Concreto Ciclópeo Gaviones

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Como estos muros pueden sufrir algún movimiento al entrar en carga, si éste es de giro, con la inclinación del intradós se evitan efectos visuales indeseables de desplome, lo que tiende a ocurrir cuando el intradós es vertical. Con respecto al trasdós, también puede ejecutarse con inclinación, lo que resulta favorable para la estabilidad.

Uno de los inconvenientes de los muros de gravedad es el hecho de que su peso está limitado por la resistencia del cimiento, situación muy importante si el material del mismo es arcilloso. Por contrapartida, la principal ventaja que presentan estos muros es su facilidad para ser construidos y el reducido coste que presentan al ser empleados en estructuras de pequeña altura.

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Muro de Mampostería

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Muro de Concreto Ciclópeo

40% piedra +60% concreto

*Son sensibles a los

asentamientos

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GavionesFlexibilidad: se deforman sin perder

funcionalidad*

Permeabilidad: son estructuras altamente permeables, lo que

impide que se generen presiones hidrostáticas.

*Durabilidad; por el alambre que los recubre , por ser un acero de bajo

contenido en carbono

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Muros de Semigravedad

Estos muros son una variante de los denominados muros de gravedad,

constituidos fundamentalmente por concreto y que van

ligeramente armados, con lo que se reduce en parte su peso al

necesitarse de menos concreto para ser construidos. La reducción

de la sección de concretosuele ir asociada a una reducción de su

base de apoyo, y por lo tanto a un aumento de las presiones sobre el terreno. Dada sus características,

estos muros suelen ser considerados también como muros

aligerados.

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Muros de Contención en Voladizo

• Este tipo de muro están constituidos por una losa o zapata sobre la que se levanta el alzado, siendo generalmente de espesor reducido, absorbiendo las flexiones de la ménsula mediante armadura sencilla o doble. También pueden llevar zarpas en la zapata, cuyo propósito es mejorar su resistencia al deslizamiento.

• Estos muros están constituidos están constituidos por una zapata y un alzado. La parte de la zapata que sobresale hacia el intradós, suele denominarse “puntera”, mientras que la que se extiende hacia el trasdós, “talón”. Sobre el talón, una parte de las tierras correspondientes al relleno del muro gravitan sobre él, dándole estabilidad y confiriéndole al conjunto muro‐relleno características que lo hacen funcionar globalmente como muro de gravedad.

• La presión que ejerce este tipo de estructuras sobre el cimiento, es menor que la que genera los muros de gravedad, por lo que son adecuados cuando la cimentación posee características geotécnicas deficientes. El empleo de este tipo de estructuras es recomendable para alturas no superiores a 14 m.

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Dentro de los muros en voladizo podemos encontrar la siguiente subdivisión:

Muro Clásico Se construye cuando hay libertad para excavar en la zona de la puntera y del talón.

El tacón contribuye a evitar el deslizamiento del muto, aunque en muchos casos no se requiere.

Muro carente de Puntera Se utiliza cuando no es posible la

construcción de la puntera.

Una ventaja de este modelo es la estabilidad que le induce el peso de

tierra sobre el talón.

El análisis de volteo y deslizamiento es igual que otros muros.

Muro carente de TalónSe utiliza cuando la existencia de roca

hace muy difícil la excavación para construir el talón.

La puntera contribuye a la estabilidad respecto al volteo.

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Muros de Contención con contrafuertes

Son una variante de los muros de contención en

voladizo. A intervalos regulares tienen placas

delgadas de concreto conocidas como

contrafuertes, que conectan entre sí el muro

(alzado) con la losa de base. Con esto se reduce la fuerza cortante y los

momentos flectores. Estos contrafuertes

pueden ser ubicados en el trasdós como en el

intradós, aunque su empleo más habitual es

en el trasdós.

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Muros Prefabricados• Los muros convencionales en muchas ocasiones resultan inadecuados

por los requerimientos en cuanto a estabilidad y deformabilidad de su cimentación. Además, la mayor demanda para la conservación del medio ambiente obliga a que las obras interfieran lo menos posible con el aspecto natural del entorno.

• A partir de ello, en las últimas décadas han aparecido en el mercado nuevas alternativas de solución que compaginan las funciones resistentes con las ecológicas. Estas nuevas alternativas corresponden a estructuras de contención prefabricadas, fabricadas principalmente en concreto, que permiten alcanzar una mayor rapidez de ejecución de las obras y una minimización del impacto ambiental.

• Los muros prefabricados de concreto son elaborados total o parcialmente por un proceso industrial mecanizado. En algunos casos se hace necesaria la colocación de armaduras, con el propósito de resistir los esfuerzos de flexión a los que se ven concretopueden ser clasificados en tres grandes grupos, como puede verse en el siguiente esquema:

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Las principales ventajas que lleva asociada la utilización de este tipo de muros de contención de tierras, son:

• Reducción de tiempo y de costes en la ejecución de la obra, influenciado por la sencillez de montaje de los elementos prefabricados.

• Reducción de los recursos humanos necesarios para su puesta en obra, con una menor mano de obra especializada.

• Mejora de la calidad final de la estructura.• Reducción del impacto ambiental, con la posibilidad de

obtener diferentes acabados dependiendo del entorno donde se ubique la estructura de contención.

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Muros de Tierra mecánicamente estabilizada

La idea de la tierra mecánicamente estabilizada fue desarrollada por primera vez en los años 60 del siglo pasado, por el Ingeniero Francés

Henri Vidal (Schlosser, 1972), quién creo y patentó la “Tierra Armada”.

La tecnología creada por Vidal consiste en la estabilización mecánica de un terraplén por medio de la inclusión de tiras metálicas, las

cuales refuerzan el suelo por el efecto de interacción que se genera entre ambos,

aumentando significativamente su resistencia. Las tiras son conectadas en su extremo a un muro de revestimiento, que

sirve principalmente para prevenir el escape del relleno y que está constituido por

diversas placas, tal como se muestra en la siguiente figura y que en la tecnología original desarrollada por Vidal, eran de acero. La configuración general de una

estructura de tierra mecánicamente estabilizada y sus componentes, se muestra

en la siguiente figura:Componentes de un muro de tierra armada

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Son muros que tienen sus rellenos estabilizados por elementos de refuerzo tales como:

• Franjas Metálicas • Mallas de alambre soldado • Geotextiles• Geomallas

Son muros relativamente flexibles, por lo que soportan grandes desplazamientos verticales y horizontales sin mucho daño.

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Refuerzo con tiras metálicas

Refuerzo con Geotextil

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Muro de tierra armado con malla 100% galvanizada

Módulos prefabricados para la construcción del muro

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Colocación de módulo y franja de malla metálica 100% galvanizada

Se coloca nueva capa de tepetate sobre las franjas de malla (previamente se verifica la

compactación de la capa anterior).

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La compactación se realiza mediante rodillo liso

Muro de tierra armada con franjas metálicas, el proceso es el mismo

que para franjas de malla

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Formas de Falla

El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierra, peso propio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad del muro de contención.

El procedimiento general de diseño de cualquier muro de contención mecánicamente estabilizado se divide en dos:

1. La satisfacción de los requisitos de estabilidad interna, que implica determinar la resistencia a tensión y la resistencia por zafadura en los elementos de refuerzo así como la integridad de los elementos frontales.

2. La revisión de la estabilidad externa del muro; en las que se incluyen: volteo, deslizamiento y capacidad de carga.

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Deslizamiento

• Se produce como consecuencia del empuje activo.

• Por no estar bien diseñados la base, la puntera y el tacón.

• La solución consiste en el aumento del tacón, del grueso de la puntera, y de toda la base.

Volteo • Se produce cuando la presión de la puntera

supera la resistencia del terreno en la zona que esta se apoya.

• Pues la puntera produce un asiento en el terreno induciendo al terreno.

• La solución es aumentar la longitud de la puntera, pues así se disminuirá la presión sobre el terreno producida por la puntera.

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Rotura del Alzado

• Se produce por un mal diseño del alzado y la base.

• La solución de esta falla se logra colocando el armado necesario de los efectos que resulten del diseño.

Rotura de la Puntera y del Talón

Si la puntera y el talón no son armados de acuerdo con los resultados de diseño, pueden resultar dañadas mediante grietas que llevarán a la rotura de estas piezas.

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PredimensionamientoAl diseñar muros de contención, se deben suponer algunas

dimensiones, que se llama proporcionamiento o dimensionamiento, que permite revisar las secciones de prueba por estabilidad. Si las revisiones por estabilidad, dan resultados no deseados, las secciones se cambian y vuelven a revisarse.

El predimensionado de los muros de contención en voladizo se hace en función de la altura H del muro, pueden ser necesarias varias iteraciones si se pretende lograr la estabilidad y la optimización de la estructura. En la figura siguiente se indican las recomendaciones para el predimensionado de muros en voladizo en general, el diseñador puede proponer dimensiones razonables según su experiencia, dimensiones que luego deberá verificar.

Donde:

F=espesor del fuste o pantalla en la base, e=espesor de la base o zapata,

P= puntera de la base, T= el talón de la base,

c=espesor de la corona del muro.

Muro de gravedad

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Calculo de Muro de Contención de Mampostería

Para realizar el cálculo de un muro de mampostería sometido a la acción de empujes se puede seguir el siguiente procedimiento:

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1. Determinación del empuje aplicando el método de Coulomb, Terzaghi, etc.

2. Determinación de cargas verticales externas. En este caso se deben distinguir las cargas sobre el muro producidas por la carga muerta exclusivamente, a emplear en la revisión por volteo o deslizamiento y la carga total (Wm+Wv) que se emplea para revisar por hundimiento y esfuerzos en la mampostería.

3. Determinación de las cargas verticales últimas sobre el muro como son: preso propio y cargas externas. Se deben diferenciar las cargas verticales a emplear en la revisión por volteo y deslizamiento, en las que el factor de carga a aplicar es FC= 0.9 y las cargas correspondientes a la revisión por hundimiento y esfuerzos en la mampostería, en las que FC= 1.4

4. Verificación de que no exista volteo ante solicitaciones últimas. Para ello se define el paso de la fuerza resultante en la base del muro. Para lograrlo, se toman momentos de todas las cargas respecto a uno de los extremos de la base del muro y se divide el momento obtenido entre la suma de fuerzas verticales:

5. Cálculo de los esfuerzos últimos en la base del muro y verificación de que no excedan la presión de diseño del terreno, previendo así el hundimiento y además que no se presenten tensiones en el muro. En este cálculo se aplica la expresión de la flexocompresión, en la cual se toma en cuenta que la longitud analizada de muro equivale a 1.0 m.

Si la distancia D es menor que el ancho del muro de contención, es señal de que el paso de la resultante está contenido en la base y, en consecuencia no hay volteo.

Para facilitar la obtención de momentos en la expresión anterior, el paso de la resultante se puede definir respecto al centro del cimiento mediante la excentricidad e:

de modo que:

El valor de q calculada debe ser menor a la presión de diseño del terreno.

6. Se verifica que no exista deslizamiento en la base. Para ello se considera que la fuerza que provoca el deslizamiento es el empuje E mientras que la oposición al mismo le ofrece la suma de fuerzas verticales multiplicada por el coeficiente de fricción del terreno. Para garantizar la seguridad ante el deslizamiento, se establece un coeficiente de seguridad de 1.5. De este modo, se debe cumplir lo siguiente:

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0.6

0

0.3

0

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Diseño de un Muro de Contención de Concreto Armado con SOBRECARGA

UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDA

Las cargas que actúan sobre una estructura de contención de tierras pueden ser, en términos generales de cuatro tipos:

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Sobrecarga uniformemente distribuida

Una sobrecarga uniformemente distribuida ω ubicada sobre una estructura de contención de tierras con trasdós vertical y relleno de superficie horizontal actúa de forma uniformemente distribuida tal como se muestra en la figura:

Con esta sobrecarga la distribución de esfuerzos en profundidad de una sobrecarga uniformemente distribuida adquiere una ley de tipo rectangular, asumiendo que dicha carga se mantiene constante en toda la altura del muro. La aplicación de esta sobrecarga genera un incremento horizontal de tensiones en e trasdós de la estructura,

cuya resultante actúa a una distancia H/2 de su base.

ω

ω

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Cuando el relleno del trasdós presenta una superficie inclinada y sobre ella existe una sobrecarga uniformemente distribuida, la aplicación de la teoría de Coulomb, es más conveniente que la aplicación de otras, ya que permite determinar el empuje del relleno cuando este presenta una inclinación β con respecto a la horizontal.

La aplicación de la teoría de Coulomb, en este sentido, requiere la resolución analítica de la cuña que actúa en el trasdós del muro la cual genera la condición de empuje activo, añadiendo la sobrecarga s al peso W de dicha cuña. A partir de esta condición, la sobrecarga s es introducida en la resolución analítica del empuje definiendo un peso específico equivalente del terreno, como:

y el empuje activo total en el trasdós del muro es:

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Sobrecarga en fajaLa estimación del empuje varía en función de que el relleno del trasdós tenga

o no cohesión. Para rellenos sin cohesión, la distribución del empuje presenta una ley de tipo triangular, mientras que para rellenos con

cohesión la distribución del empuje presenta una ley de tipo rectangular.

ω ω

Aplicación de una sobrecarga en faja ω de ancho b sobre una estructura de contención de tierras

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Sobrecargas lineales y puntuales El incremento de empuje debido a sobrecargas lineales y puntuales actuando en el trasdós vertical de

un muro, se ha encontrado que varía con la profundidad según se puede observar en las siguientes figuras:

A partir de esta gráfica el empuje horizontal a una sobrecarga lineal, se obtiene de la siguiente manera:

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A partir de esta gráfica el empuje horizontal a una sobrecarga puntual, se obtiene de la siguiente manera:

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De igual forma se puede simplificar la determinación del empuje debido a una sobrecarga lineal S paralela al muro, tanto para materiales de relleno que no presentan cohesión como aquellos que si presentan.

S S

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Fuentes Documentales:

• Mecánica de Suelos y Cimentaciones, CARLOS CRESPO VILLALAZ, 6ta Ed.; Edt. Limusa; pp.505-516

• Principios de Ingeniería de Cimentaciones, BRAJA M. DAS, Thomsop Editores, pp. 387-395

• Tesis Doctoral: ESTUDIO DE LA APLICABILIDAD DE MATERIALES COMPUESTOS AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN DE TIERRAS Y SU INTERACCIÓN CON EL TERRENO, PARA SU EMPLEO EN OBRAS DE INFRAESTRUCTURA VIARIA, Universidad Politécnica de Madrid, Gonzalo Andrés Jara Mori

• Apuntes de Estructuras de Concreto II, ING. ARQ. GUMERCINDO M.G., ITQ – ene/jun 012