título: anÁlisis comparativo entre muros de tierra confinada (mtc) y muros de tierra...
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Tema: Innovación Tecnológica en Infraestructura Vial
Subtema: Trabajos Prácticos
Título: ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE MUROS DE TIERRA
CONFINADA (MTC) Y MUROS DE TIERRA
ESTABILIZADA MECÁNICAMENTE CON ARMADURA
INEXTENSIBLE (TEM)
Autora:
Pamela Duarte, [email protected]
Departamento de Especificación y Ventas,
Santa Marta 1717, Maipú, Santiago, Chile
Tel +56223510860
III InterCISEV
“CARRETERAS Y EQUIPAMIENTO: PIEZA CLAVE DEL SISTEMA
SEGURO”
18 Y 19 de Septiembre de 2019, Buenos Aires, Argentina.
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INTRODUCCIÓN
La construcción de caminos obliga a intervenir la geografía natural del territorio que
atraviesa y, en ocasiones, es necesario el uso de estructuras de contención de taludes y
rellenos por seguridad y serviciabilidad.
Es en este contexto, se estudian dos tipos de muros de contención gravitacional, los Muros
de Tierra Confinada y los Muros de Tierra Estabilizada Mecánicamente; caracterizados por
aprovechar el propio terreno como elemento estructural. El objetivo es evaluar las ventajas y
desventajas de cada uno para compararlos y determinar qué opción es mejor según el uso
que se le dará.
Pese a que, teóricamente, los muros trabajan bajo distintos principios, el uso que se les da
frecuentemente es similar.
Para la realización del estudio se utiliza la experiencia de Tecnovial en proyectos anteriores,
estudios realizados por instituciones técnicas como la Corporación de Desarrollo
Tecnológico y Cámara Chilena de la Construcción y, empresas con gran experiencia en el
mercado como VSL Sistemas Especiales de Construcción y Tierra Armada, además de la
normativa y literatura internacional relacionada como Standard Specification for Highway
Bridges de AASHTO 1, Steel Drainage & Highway Construction de CSPI 2 y el documento
FHWA-SA-96-071 de FHWA 3.
Para comprender las ventajas y desventajas de cada sistema, es oportuno comprender el
funcionamiento y características principales de cada uno de los elementos a investigar, es
por esto que, en un principio se encuentra una descripción general de ambos muros y luego
se presentan las ventajas y desventajas de una manera comparativa.
1 Association os State Hightway and Transportation Officials.
2 Corrudated Steel Pipe Institute.
3 Federal Highway Administration.
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DESCRIPCIÓN DE MUROS
Muros de Tierra Confinada (MTC)
Los MTC consisten en cajones de acero rellenos de tierra y se caracterizan por la
versatilidad debido a su diseño modular, su alta resistencia estructural, su durabilidad y por
su fácil instalación.
Dentro de sus usos más comunes se encuentra el sostenimiento del suelo y contención de
taludes para caminos, acondicionar terrenos para uso público, industrial o comercial,
generar rompeolas en áreas de muelles, prevenir la erosión en cepas de puentes y como
estribos de puentes.
Ilustración 1. Muro de Tierra Confinada, Tecnovial S.A.
Características principales
Este tipo de muro trabaja, principalmente, con la estabilidad que entrega el peso del material
de relleno y el de la estructura que lo contiene. Y, a diferencia de otros tipos de muros, la
flexibilidad del acero permite que el material contenido en su interior se acomode en las
paredes sin generar fisuras en la estructura.
Otro de los puntos en que el acero aporta positivamente a la estructura, es la durabilidad, ya
que soporta variaciones de temperatura y efectos de hielo o nieve, absorbiendo de forma
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segura la expansión y contracción generada en el material. En este punto es importante
considerar que la estructura debe contar con el recubrimiento adecuado según las
condiciones a las que será expuesto y requerimientos propios del proyecto u obra.
En cuanto a su materialización, el armado de los cajones se realiza a partir del atornillado de
los distintos elementos que los componen, facilitando su reubicación en caso de ser
necesario. Además, debido a que sus cuatro caras se encuentran completamente cerradas,
no hay pérdida de material de relleno como en otros casos.
Instalación
El montaje de los MTC es fácil y rápido, no requiere de mano de obra calificada ni equipos
de alto tonelaje, ya que sus piezas son livianas y sólo deben ser apernadas, sin embrago es
importante contar con un plano de montaje sencillo de leer y entender. Además, las piezas
son de fácil transporte, lo que permite acceder a lugares complejos dónde, por ejemplo, no
puede acceder un camión de hormigón premezclado.
Las principales etapas de la instalación son:
1. Excavación: no es necesario que la excavación en la zona sea completa, no obstante, es
importante dejar el espacio libre suficiente para apernar y rellenar adecuadamente,
garantizando la correcta disposición del muro (nivelación e inclinación).
2. Relleno: el relleno estructural es fundamental para el desempeño y vida útil del muro.
Para garantizar su correcta colocación se debe respetar lo siguiente: disponer el relleno
tanto dentro como detrás del muro en capas de 200 mm, compactado a un 95% del
Proctor de Densidad Seca Estándar, evitando la segregación del material y eliminando
los vacíos. Por su parte, el suelo estructural debe ser granular con menos del 10% de
finos que pasen por la malla #200 (0,075 mm). Se acepta el uso de material chancado
de cantera, limpio.
En los casos en que el muro se encuentre en contacto directo con el agua (muelles,
diques o puertos), se debe eliminar el material granular bajo los 3 mm o, se debe utilizar
un geotextil para evitar la pérdida de finos.
3. Drenaje: el relleno debe drenar tanto dentro como detrás del muro. Se puede disponer
de tuberías perforadas cubiertas con geotextil tanto en la parte trasera y bajo el muro,
permitiendo una salida del agua con el fin de evitar la generación de pozas que debiliten
la base del muro innecesariamente.
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Ilustración 2. Elementos que componen un módulo de MTC, Steel Drainage & Highway Construction, CSPI.
Geometría y diseño
La estabilidad de la sección está determinada por las dimensiones (profundidad y altura) y
por su inclinación respecto a la vertical. Como se ve en la Ilustración 1, las proporciones de
las dimensiones se definen, principalmente, en función del suelo sobre el muro y las
inclinaciones más usadas.
Ilustración 3. Condiciones de carga para Muros de Tierra Confinada, Steel Drainage & Highway Construction, CSPI.
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En general, los muros inclinados son más estables que los verticales. Sin embargo, hay
ocasiones en que los muros verticales cumplen con los requerimientos estructurales y son
más adecuados. Uno de los ejemplos más claros son las curvas, ya que es más fácil utilizar
tramos pequeños de muros verticales.
Muro de Tierra Estabilizada Mecánicamente con armadura inextensible (TEM)
Los muros TEM con armadura inextensible corresponden a una masa o bloque de suelo
reforzado con acero para mejorar su comportamiento mecánico en estado natural. Dicho
refuerzo corresponde a barras planas o mallas dispuestas en capas de suelo compactadas,
distribuidos verticalmente en “niveles” equidistantes.
El diseño apropiado tanto para el suelo como para la armadura, son cruciales para
garantizar la estabilidad del muro. Para ello se realizan dos análisis del muro, uno externo,
considerándolo como un cuerpo rígido y otro interno, que evalúa la interacción entre el suelo
y la armadura.
Los usos que comúnmente se atribuyen a este tipo de muros, son similares que los de los
MTC; tales como: contención de taludes, acondicionar terrenos para su uso, defensas
fluviales, estribos para puentes y permitir el acceso a ramplas, por ejemplo, para caminos o
vías férreas.
Cabe destacar que, históricamente, este tipo de muros ha presentado un excelente
comportamiento sísmico ante grandes eventos ocurridos a nivel mundial. Por ejemplo, en el
caso de Kobe (Japón, 1983), cuando se alcanzaron aceleraciones de 0.8 g, alrededor de
700 obras de hormigón armado fallaron, mientras que, de los 124 muros TEM ubicados a
menos de 50 km del epicentro, ninguno presento daño estructural.
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Ilustración 4. Muro de Tierra Estabilizada Mecánicamente, Tierra Armada S.A.
Características principales
Este mecanismo trabaja por el roce que se genera entre el suelo y el refuerzo de acero o por
el efecto pasivo. Por otra parte, la compactación que se realiza en su construcción permite
que el muro trabaje monolíticamente y soporte la componente horizontal del empuje del
terreno contenido.
Este tipo de muros acepta asentamientos diferenciales mucho mayores que las estructuras
de hormigón armado, lo que disminuye el riesgo de colapso. Además, debido a la elasticidad
del suelo y armadura, tiene una gran capacidad de absorción de energía. Sin embargo, la
tolerancia a las deformaciones absolutas y asentamientos diferenciales se definen en base a
los requerimientos de las estructuras que se apoyan en el macizo.
La durabilidad de los muros depende de la corrosión de la armadura, debido a esto y a la
vida útil que se le quiera dar a la obra, se recomienda considerar espesores de sacrificio
para las barras o mallas.
Así como existen distintos tipos de armaduras para este sistema, también existen distintos
revestimientos para la cara visible del muro. Frecuentemente se utilizan placas de hormigón
armado o mallas que contienen material de gran granulometría.
Instalación
Debido a que existen distintos tipos de armaduras y revestimiento, los métodos
constructivos para la instalación varían dependiendo del caso.
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En esta ocasión se considera el montaje de un muro dónde se utilizan mallas
electrosoldadas de alambre como armadura y revestimiento.
1. Excavación: la necesidad de excavación en la zona donde se dispondrá el muro
depende del proyecto, así como los trabajos previos de drenaje y mejoramiento de suelo.
En caso que sea necesaria, la excavación debe ser completa en el lugar dónde se
dispondrá el nuevo muro, para garantizar la correcta nivelación de la armadura desde su
base.
2. Montaje de la base: sobre la superficie nivelada se coloca la primera malla de refuerzo
que debe sobrepasar el límite donde se posicionará el muro, luego se coloca una malla
de barras estriadas en posición vertical puntaleada o con cuñas, generando la cara
exterior del muro. Para sostener el relleno del macizo, se pliega la malla de refuerzo en
el borde, revistiendo externamente la malla de fierro.
3. Relleno y compactación de la primera capa: se vierte material de relleno del macizo
hasta el primer nivel de armaduras y se compacta hasta alcanzar el 95% del Proctor de
Densidad Seca Estándar. Se debe considerar que en los primeros 2 de altura se
utiliza maquinaria liviana para evitar el desplome del muro y que desde el borde del muro
hasta 1 de profundidad, se debe ocupar maquinaria de uso manual para la
compactación.
4. Instalación de primer nivel de armadura: se conectan las mallas de refuerzo a las de
revestimiento a través de los conectores que se definan para el proyecto. Esto se realiza
siguiendo los planos o especificaciones del montaje.
5. Se repiten los puntos 3 y 4 hasta llegar a la armadura de coronamiento.
6. Relleno y compactación de coronamiento: finalmente se rellena y compacta el suelo de
relleno en la parte superior, dando la inclinación requerida en el borde.
Geometría y diseño
La estabilidad del muro se define, principalmente, por las dimensiones del muro, las
condiciones del relleno del macizo, del relleno posterior y del suelo de apoyo, el tipo de
armadura y su dimensión y, el revestimiento a utilizar en la cara visible.
Como se mencionó anteriormente, el diseño del macizo se realiza a partir del análisis
externo e interno. El primero corresponde a la interacción del muro con el relleno posterior y
suelo de apoyo y, el segundo, corresponde al análisis de la interacción entre el suelo y la
armadura que lo componen.
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En ambos casos se realiza un análisis estático y sísmico, verificando el deslizamiento,
volcamiento, capacidad de soporte de la fundación, resistencia a la tracción de las
armaduras, adherencia entre el suelo y la armadura y, la resistencia de la conexión.
Para el caso en que solo se considera el uso de mallas y suelo, existen ciertos límites para
el dimensionamiento de la armadura y el muro. Estos se pueden observar en la Ilustración 5
y 6.
Ilustración 5. Componentes y dimensionamiento de un TEM, Steel Drainage & Highway Construction, CSPI.
Ilustración 6. Dimensionamiento en corte de un TEM, Steel Drainage & Highway Construction, CSPI.
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ANÁLISIS COMPATIVO DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MUROS TEM Y
MTC
Ventajas
Muro MTC Muro TEM
Alta factibilidad de construir en espacios
estrechos.
Posee una gran versatilidad desde el punto
de vista arquitectónico.
El movimiento de tierra puede ser parcial,
haciéndolo más rápido y económico.
Gran capacidad de adaptación a suelos de
apoyo con baja rigidez.
Permite que el relleno sobre el muro tenga
una mayor pendiente.
Gran capacidad de absorción de energía y
asentamientos diferenciales.
Ambos tienen en común:
Opciones económicas por el poco uso de acero y aprovechamiento del suelo.
Instalación fácil y rápida.
Elementos con alto índice de durabilidad y poca mantención, considerando los
revestimientos adecuados para el acero.
Componentes fáciles de transportar.
Bajo nivel de agrietamiento o falla producto de asentamientos.
Desventajas
Muro MTC Muro TEM
Las capas para la compactación son más
esbeltas, por lo que se debe repetir el
proceso más veces.
Se necesita espacio suficiente para el
desarrollo de las armaduras.
Menor capacidad de drenaje natural. Excavaciones más grandes.
El uso de maquinaría menor para
compactación aumenta los tiempos del
proceso.
La inclinación permisible del relleno
superior es menor.
Ambos tienen en común:
Para facilitar y economizar estas opciones debe existir una zona de acopio de tierra
cercana a la obra.
Carencia de suelos granulares o exceso de finos en el material para rellenar el
macizo.
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Existencia de material agresivo, ya sea con altos niveles de sales solubles o ácidos.
Difícil acceso de camiones con los elementos estructurales a la obra.
Sensibilidad extrema al asentamiento por parte de la estructura que se dispondrá
sobre el muro.
Diseños dependientes de las características del suelo de relleno.
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CONCLUSIÓN
Al estudiar y comparar los dos tipos de muros, se considera que la recomendación de usar
un sistema u otro la define, principalmente, las condiciones del proyecto y la ubicación que
este tendrá.
Por una parte se encuentra el uso, por ejemplo, los muros TEM no se pueden utilizar para
proteger una cepa de un puente, en cambio, un muro MTC sí. Sin embargo, para la
construcción de estribos de puentes, han presentado mejor comportamiento sísmico los
muros TEM.
Uno de los factores determinantes para diferenciar la factibilidad de ambos métodos, es la
disponibilidad del espacio donde se construirá el muro, ya que los muros TEM necesitan
mayor profundidad de terreno para la disposición de las armaduras y la excavación también
debe considerar un mayor volumen y, por ende, dependiendo del tipo de suelo,
posiblemente se necesite consideraciones especiales.
Finalmente, se debe definir la preferencia según el proyecto, sus requisitos y restricciones.
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REFERENCIAS
1. Standard Specification for Highway Bridges, Association of State Hightway and
Transportation Officials, (2012)
2. Steel Drainage & Highway Construction, Corrugated Steel Pipe Institute, (Cambrige,
2009)
3. Recomendaciones para el diseño, ejecución y control de suelo mecánicamente
estabilizado con armadura inextensible, Corporación de Desarrollo Tecnológico,
(Santiago, 2002).