Diseño de Muros de Contención – Mecanica de Suelos

Calculo y Diseño de Muros de Contencion

Para calcular la estructura de un muro de contencion, hay que conocer las características del terreno a contener para determinar el empuje de tierras necesario, además de presiones y subpresiones por la presencia eventual de agua en terreno.

Condiciones de Estabilidad en el Diseño de Muros de Contencion

La estabilidad de la estructura de contención y la estabilidad del suelo se consiguen evitando los movimientos y deformaciones excesivas, aquí diferenciamos dos condiciones para diseño y cálculo de una estructura de contención de tierras.

Estabilidad del talud: Es el caso típico de muro de contención, donde se supone que el suelo es homogéneo y la presión del terreno sigue las teorías de Coulomb o Rankine, donde el empuje activo tiene una distribución de presiones triangular.

Deslizamiento del talud: Si existe la posibilidad de un deslizamiento del talud o estamos tratando de lograr la estabilización de un movimiento ya activo, las teorías de Coulomb o Rankine no representan las fuerzas reales que actúan sobre la estructura del muro de contención, siendo las fuerzas actuantes mucho mayores que las fuerzas activas calculadas con las teorías tradicionales. La existencia de un deslizamiento o un factor de seguridad (FS) diferente a uno (1), significa que se han originado deformaciones en el talud que producen gran aumento de empujes sobre la estructura a diseñar.

Diseño de Muros Concreto Armado

El diseño de un muro de contencion de Hormigon o Concreto armado comienza por la elección de una geometría previa, para lo que podemos emplear algunas reglas de predimensionamiento autorizadas.

Los muros de concreto armado están formados por masas relativamente grandes de concreto reforzadas con cabillas o varillas de acero. En mucho de los casos para lograr mejorar la resistencia al deslizamiento se colocan espolones de concreto por debajo de la placa de cimentación.

El muro de hormigon armado está diseñado como un miembro de compresión. El muro de hormigon o concreto armado se utiliza en caso de que no se proporcione una viga y la carga de la losa sea pesada o cuando el grosor de la pared de mampostería esté restringido. El muro de hormigon armado se clasifica como: Muro de hormigón liso, cuando el refuerzo <0,4%.

Planificacion Inicial del Diseño de Muros de Contencion

El propósito de los muros de contención es soportar el suelo detrás de ellos. Sin embargo, las necesidades específicas variarán según el proyecto. El diseño de muros puede variar desde pequeños muros de piedra del paisaje para rodear un jardín, hasta enormes proyectos de retención de suelo a lo largo de una carretera. Otros diseños de muros de contencion pueden ayudar a controlar la erosión de las fuertes lluvias o crear un patio en terrazas para reducir el mantenimiento. Cuando comienza la planificación inicial, hay varias consideraciones que afectarán el material y el tipo de muro que construya, a continuación, analizamos cinco de ellas:

I. Ubicación: al elegir una ubicación para su muro, asegúrese de tener un conocimiento detallado de los límites de la propiedad y de los servicios públicos subterráneos y aéreos, incluidos los sistemas de gestión de aguas pluviales y el riego. Los factores adicionales a considerar sobre la ubicación pueden incluir:

Si su muro está en una pendiente, ¿dónde almacenará el relleno adicional que debe llevarse al sitio?

Si está cortando un talud, ¿dónde se almacenará el exceso de tierra?

Patrones de drenaje natural. Dependiendo del tamaño del muro, un muro de contención puede obstaculizar los patrones de drenaje natural y tener consecuencias ambientales aguas abajo.

Si su muro está a lo largo del límite de la propiedad, ¿el sistema de refuerzo invadirá el límite de la propiedad?

Cargas de recargo. ¿Habrá peso adicional o fuerzas verticales sobre el muro? No se olvide de los equipos de construcción temporales.

II. Suelo: El suelo empleado, debe examinarse para asegurarse que cumpla con la resistencia requerida para soportar el muro. Debe determinarse la capacidad de carga (la capacidad del suelo para soportar una carga), los parámetros de tensión y el ángulo de fricción (resistencia al movimiento) del suelo utilizado para la base del mismo.

En general, el suelo base debe ser firme, sólido y fuerte, y no debe estar húmedo, los suelos húmedos como el suelo arcilloso tampoco se recomiendan para el relleno. Ya están saturados de agua, por lo que la humedad adicional no puede llegar a los canales de drenaje. Además, en áreas donde hay congelación, el suelo húmedo puede expandirse y contraerse, lo que dañará la pared. Por otro lado, los suelos arenosos permiten un buen drenaje.

III. Diseño: Para comenzar el diseño, debe calcular las alturas de los muros correspondientes, los tamaños de la huella, las pendientes y el ángulo de retroceso que dependen de la elevación y el nivel del sitio. También debe considerar que la gravedad hará que el material retenido se mueva naturalmente hacia abajo. Esto debe contrarrestarse dentro del diseño para minimizar la cantidad de presión de tierra lateral detrás del muro, que, a un valor máximo, puede finalmente volcar el muro. La altura de su muro depende del suelo y la pendiente, el retroceso y el tamaño del bloque.

IV. Refuerzo de pared: si la gravedad por sí sola no soporta su pared, existen métodos de refuerzo disponibles que dependen del tipo de pared, altura, diseño, fricción, ángulo, material del suelo y más. La tierra estabilizada mecánicamente (MSE) es suelo con algún medio de refuerzo artificial como acero o geosintéticos (como geomallas). La geomalla a menudo está hecha de una tela de alta resistencia tejida en un patrón de cuadrícula. Se coloca entre las capas de bloques de muro de contención y se vuelve a enrollar en la tierra.

V. Drenaje : Teniendo en cuenta que el agua es la razón más común por la que fallan los muros de contención, es esencial asegurarse de que su muro tenga un buen drenaje y que no haya acumulación de agua. Identifique posibles fuentes de agua superficial y asegúrese de que se haya tenido en cuenta el drenaje adyacente al sitio de la pared. Es importante nivelar el sitio para los patrones de drenaje y construir un sistema de drenaje detrás del muro para minimizar la cantidad de presión hidrostática que podría crear el agua subterránea. Un ejemplo de sistema de drenaje podría incluir rellenar con grava, usar tuberías de drenaje y usar orificios, para permitir que el agua pase a través de los muros de contencion, los proyectos de muros más grandes, como los de transporte, deben tener un análisis hidrológico.

Construccion y Diseño de Muros de Contencion

Los muros de contención se construyen usualmente con hormigón o concreto reforzado, con una base resistente y sólida. Sobre esta base se irá formando y construyendo el muro con las condiciones y características requeridas para el proyecto.

Algunas veces, los muros pantalla se utilizan cuando el suelo es inestable, así que son anclados al suelo mediante el uso de varillas de acero. Estos muros de contención se van construyendo al mismo tiempo que se va excavando y cimentando, convirtiéndose en un trabajo de rapidez y mucha precisión en el que se deben tomar precauciones de seguridad.

En el caso de edificios con varios sótanos se excava y se va cimentando sótano por sótano para evitar algún derrumbe. Por estas razones, lo más recomendable es darle fuerza y rigidez a la estructura para evitar desbordamientos.

Tacón: parte de la base que se introduce en el suelo para dar garantía de una mayor estabilidad y sujeción.

Talón: parte de la base en oposición a la puntera. Se ubica por debajo del trasdós y abajo del material contenido.

Alzado o cuerpo: parte del muro es la que se ira levantado sobre los cimientos. Su grosor y altura dependerá de la carga y fuerzas a contener.

Intradós: superficie externa del cuerpo del muro.

Trasdós: superficie interna del alzado o cuerpo del muro. El trasdós está en contacto con el terreno o material contenido.

Punta o cimiento del muro: está ubicada debajo del intradós y no introducida bajo el terreno contenido.

Clasificacion de Muro de Concreto Armado

El muro de concreto armado u hormigon armado está diseñado como un miembro de compresión. El muro de hormigon armado se utiliza en caso de que no se proporcione una viga y la carga de la losa sea pesada o cuando el grosor de la pared de mampostería esté restringido.

El muro de hormigon armado se clasifica como:

Muro de hormigon liso, cuando el refuerzo <0,4%
Muro de hormigón armado, cuando refuerzo> 0,4%

La carga de la losa se transfiere como carga axial a la pared. Cuando la profundidad es grande, se llama muro RC. El diseño es similar a una columna RC, ancho igual al espesor de la pared y profundidad igual a 1 m. RCC Wall está diseñado como:

Muro cargado axialmente
Cargado axialmente con flexión uniaxial

1. Muro de Contencion de Gravedad

El muro de contención de gravedad depende de su peso solo para resistir la presión lateral del terreno.

Comúnmente, el muro de contención por gravedad es masivo porque requiere una carga de gravedad significativa para contrarrestar la presión del suelo.

Se debe tener en cuenta las fuerzas de deslizamiento, vuelco y apoyo mientras se diseña este tipo de estructura.

Puede construirse con diferentes materiales como hormigón, piedra y unidades de mampostería.

Es económico para una altura de hasta 3 metros.

El muro de contención de cuna, los gaviones y el muro de contención del contenedor también son un tipo de muro de contención por gravedad.

2. Muro de Contencion de Cuna

Los muros de contención de cunas son una forma de muro de gravedad.

Están construidos con cajas individuales entrelazadas hechas de madera u hormigón prefabricado.

Luego, las cajas se llenan con piedra triturada u otros materiales granulares gruesos para crear una estructura de drenaje libre.

Los tipos básicos de muros de contención de cunas incluyen muros de contención de madera y prefabricados reforzados.

Es adecuado para soportar áreas de jardinería, pero no se recomienda para soportar pendientes o estructuras.

5. Muro de Contencion en Voladizo

Muro de contención en voladizo compuesto por vástago y losa base.

Está construido con hormigon armado, hormigón prefabricado o hormigón pretensado.

El muro de contencion en voladizo es el tipo más común utilizado como muros de contención.

El muro de contención en voladizo se construye en sitio o prefabricado fuera del sitio, es decir, prefabricado.

La parte de la losa base debajo del material de relleno se denomina talón y la otra parte se denomina puntera.

El muro de contención en voladizo es económico hasta una altura de 10 metros.

Requiere una menor cantidad de hormigón en comparación con el muro de gravedad, pero su diseño y construcción se deben ejecutar con cuidado.

Al igual que en los muros de gravedad, durante su diseño se deben tener en cuenta el deslizamiento, el vuelco y la presión de apoyo.

6. Muro de Contencion Anclado

Este tipo de muro de contencion se emplea cuando el espacio es limitado o se requiere un muro de contención delgado.

El muro de contencion anclado es adecuado para suelos sueltos sobre rocas.

Se puede construir un muro de contencion considerablemente alto utilizando este tipo de sistema de estructura de muro de contención.

Las varillas o alambres de cables profundos se introducen profundamente de lado en la tierra, luego los extremos se rellenan con concreto para proporcionar anclaje.

Los anclajes (amarres) actúan contra la presión de vuelco y deslizamiento.

7. Muro de Contencion Apilado

Los muros de contención de pilotes se construyen clavando pilotes de hormigón armado adyacentes entre sí.

Los pilotes se empujan a una profundidad suficiente para contrarrestar la fuerza que intenta empujar la pared.

Se emplea tanto en obras temporales como permanentes.

Los muros con pilotes ofrecen elementos de retención de alta rigidez que son capaces de soportar la presión lateral en grandes profundidades de excavación sin apenas alterar las estructuras o propiedades circundantes.

Los muros de tablestacas se construyen utilizando láminas de acero en una pendiente o excavaciones hasta la profundidad requerida, pero no pueden soportar una presión muy alta.

Muro de contención de tablestacas económico hasta una altura de 6 metros.

8. Muro de Contencion de Tierra Estabilizada Mecánicamente (MSE)

Es uno de los muros de contencion más empleados en construcción por lo económico que resulta fabricarlos.

El muro de contención de tierra estabilizada mecánicamente está soportado por rellenos seleccionados (granulares) y se mantiene unido por refuerzos, que pueden ser tiras metálicas o mallas plásticas.

Los tipos de muros de contención MSE incluyen paneles, bloques de concreto y muros de contención de tierra temporales.

Analisis de Elementos Finitos en Muros de Contencion

El Análisis de Elementos Finitos (FEA), es la simulación de cualquier fenómeno físico dado utilizando la técnica numérica llamada Método de Elementos Finitos (FEM). Los ingenieros utilizan el software FEA para reducir la cantidad de prototipos físicos y optimizar los componentes en su fase de diseño para desarrollar mejores productos, más rápido y ahorrar en gastos.

Es necesario utilizar las matemáticas para comprender y cuantificar de manera integral cualquier fenómeno físico como el comportamiento estructural o de fluidos, el transporte térmico, la propagación de ondas, el crecimiento de células biológicas, entre otros. La mayoría de estos procesos se describen mediante Ecuaciones Diferenciales Parciales (PDE). Sin embargo, para que una computadora resuelva estas PDE, se han desarrollado técnicas numéricas durante las últimas décadas y una de las más destacadas, hoy en día, es el Análisis de Elementos Finitos.

Las ecuaciones diferenciales no solo describen los fenómenos naturales, sino también los fenómenos físicos que se encuentran en la ingeniería mecánica. Estas ecuaciones diferenciales parciales (PDE) son ecuaciones complicadas que deben resolverse para calcular cantidades relevantes de una estructura (como tensiones, deformaciones, y otras), para estimar el comportamiento estructural bajo una carga dada. Es importante saber que Análisis de Elementos Finitos (FEA) da una solución aproximada al problema. en resumen, FEA es un método numérico que se utiliza para predecir cómo se comporta una pieza o un conjunto en determinadas condiciones, se utiliza como base para el software de simulación moderno y ayuda a los ingenieros a encontrar puntos débiles, áreas de tensión, otros, en sus diseños.

MDC es un sotware DE GEOSTRU para el análisis de muros de contención en hormigón armado apoyados por cimentaciones directas, pilotes o anclajes. Este programa efectúa un cálculo geotécnico utilizando las teorías adoptadas normalmente en geotecnia. Es uno de los software típicos empleado para el desarrollo o el modelamiento de muros de contención. GeoStru MDC posee una interfaz fácil, versátil e intuitiva.