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Doctorado: El Requisito Básico de Seguridad Estructural en la Ley Orgánica de la Edificación: Código Técnico de la Edificación

TEMA 8: ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN RÍGIDAS

Documento básico SE-CSeguridad estructural

Cimientos

José Luis de Justo Alpañés Juan Diego Bauzá CastellóCatedrático de Universidad Profesor Asociado

Departamento de Mecánica de Medios ContinuosUniversidad de Sevilla


ÍNDICETIPOS DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN

TIPOS DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN RÍGIDAS

TIPO DE EMPUJES A CONSIDERAR

COMPROBACIONES A REALIZAR EN UN MURO

CRITERIOS DE PREDIMENSIONADO EN MUROS

MÉTODO DE PREDIMENSIONADO DE HAIRSINE


ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓNCuando el talud de un terreno no se sostiene por símismo hay que construir una “ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN”:

Evita que el suelo se deforme excesivamenteSoporta los empujes del terreno

Según su COMPORTAMIENTO las estructuras de contención pueden clasificarse en:

Rígidas (muros): • Se ejecutan en el exterior del terreno• No cambian de forma bajo la acción de los empujes

Flexibles (pantallas, tablestacas, etc.):• Se ejecutan en el interior del terreno, previamente a la

excavación• Se deforman por los empujes (relativamente)• La deformación que se produce puede llegar a influir en la

distribución del empuje de las tierras


ESTRUCTURAS RÍGIDASLos MUROS son elementos de contención destinados a establecer y mantener una diferencia de niveles en el terreno con una pendiente superior a la que permitiría el mismo, transmitiendo a su base y resistiendo con deformaciones admisibles los empujes laterales

TRASDÓSINTRADÓS

ZAPATA

ALZ

AD

O

TALÓN

PUNTERA

CONTRAFUERTECORONACIÓN (IMPOSTA)

GOTERÓN

TACÓN-ZARPA


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún su FUNCIÓN se clasifican en:

Muros de sostenimiento: Se construyen separados del terreno y después se rellena su trasdósMuros de contención: Se construyen para mantener taludes inestables por excavación o “desmontados”Muros de revestimiento: Protegen un terreno de la erosión (atmosférica, escorrentía, …) o meteorización

REVESTIMIENTOSOSTENIMIENTO

RELLENO

CONTENCIÓN

VACIADO


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún el MATERIAL del que están construidos:

Mampostería o piedra natural:• En seco• Conglomerada

De ladrillo (o piezas prefabricadas)De hormigón:

• En masa (muros de gravedad)• Armado (muros aligerados)


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún su CONCEPTO ESTRUCTURAL se clasifican en:

De gravedad: El efecto estabilizador lo proporciona el peso propio del muroAligerados: Su forma o disposición le permiten aprovechar el peso de las tierras como estabilizador

• Muros en L: Trabajan como viga en voladizo• Muros con contrafuertes

Muros anclados, en el terreno que sostienen

GRAVEDAD EN “L”(CON CONTRAFUERTES)

ANCLADOS


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS DE GRAVEDAD:

Es el modelo más antiguoNo provocan tracciones en el materialLas acciones actuantes son:

• Peso propio (W)• Empujes (E)

– Del terreno ó el agua – De acciones exteriores

La resultante (R) de ambos debe estar dentro de la base

Trasdós en talud Trasdós en desplome

EW

R


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ALIGERADOS:

Se elimina material donde contribuye poco a la estabilidadEl peso de las tierras contribuye a la estabilidadSe aumenta la inercia sin incrementar el materialSoportan importantes tracciones, por lo que necesitan estar armadosLos contrafuertes en el intradós son antiestéticosEn el trasdós trabajan a tracción

E

Wm

Wt


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ANCLADOS POR BATACHES (CTE):

Para terrenos sin aguaSe excava progresivamente y se hormigonan paneles de 3*3 m, colocando las armaduras al tresbolilloSe anclan una vez endurecido el hormigón:

• Se ejecuta un taladro entubado con una sonda• Se colocan armaduras• Se inyecta el extremo creando un “bulbo”• Se tesan las armaduras• Se rellena el taladro

BulboCuña Perforación


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ARRIOSTRADOS (CTE):

Los muros de sótano se arriostran por los forjadosNo tienen problema de vuelco ni deslizamientoGeneralmente tienen forma de cajones cerradosEstán sometidos también a acciones de la estructura:

• Cargas procedentes de forjados• Cargas de los soportes o muros que nacen de su cúspide• Fuerzas de arriostramiento transversal


ESTRUCTURAS RÍGIDASSUELO REFORZADO – “TIERRA ARMADA”

Consiste en reforzar un terraplén con un conjunto de• Placas que actúan de panel de muro (“piel”)• Bandas fijadas a las placas que se imbrican con el relleno

(“armaduras”)• Un relleno que contribuye a la estabilidad

La resistencia se basa en el rozamiento terreno-bandaHay que evitar la corrosión de las bandasEl relleno debe ser de calidad para asegurarlo (< 15% finos)Las placas son prefabricadas armadas y pueden tener formas diversasEl espesor es pequeñoTrasmite muy pocas cargas en cimentación

Aunque por su tipología se incluyen en este grupo, son estructuras FLEXIBLES, dado que para que se movilice el rozamiento terreno-banda es precisa una deformación



TERRAPLÉN COMPACTADO POR

TONGADAS

BANDAS O ESLINGAS

PLACAS O “ESCAMAS”


TIPOS DE EMPUJE A CONSIDERAR EMPUJE ACTIVO

Muros de contención con cimentación superficial sobre suelos (padm< 500 kPa)Muros en “L” cimentados sobre pilotes verticales resistentes por la punta

Empuje en general superior al activo (media entre reposo y activo)

Muros en L sobre roca; si el muro es suficientemente flexible puede utilizarse el empuje activoCualquier muro sobre pilotes flotantes o cualquier muro, excepto en “L”, sobre pilotes resistentes por la punta

EMPUJE EN REPOSOMuros de gravedad sobre roca o sobre pilotesMuros de sótano


COMPROBACIÓN DE UN MUROEl cálculo es un proceso iterativo: Partiendo de su dimensionado, se comprueba si la seguridad es suficienteLas acciones principales a considerar son:

Peso propio del elemento de contenciónEmpuje y peso del terreno, considerando el nivel freáticoEmpujes del agua: Presión intersticial, subpresión o de filtraciónSobrecargas sobre la estructura o sobre el terreno de trasdósOtros: sísmicas, expansividad, congelación, compactación, ...

El cálculo de empujes supone que existe suficiente movimiento para llegar al estado de rotura: Esto influye en las construcciones o servicios en su entornoLos estados de empuje dependen del desplazamiento:

EMPUJE ACTIVO: El elemento de contención gira o se desplaza hacia el exterior hasta alcanzar unas condiciones de empuje mínimoEMPUJE PASIVO: El elemento de contención es comprimido contra el terreno hasta alcanzar unas condiciones de máximo empujeEMPUJE EN REPOSO: El elemento de contención no sufre desplazamiento ni giro


COMPROBACIÓN DE UN MUROSE BASA EN EL MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES:

ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS:• Estabilidad al deslizamiento• Estabilidad al vuelco:

– Paso de la resultante por el núcleo central de la base• Hundimiento de la cimentación (tema 4)• Cálculo estructural (tema 9)• Estabilidad general del conjunto (no lo veremos este curso)

ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO (CTE):• Movimientos o deformaciones que puedan causar el colapso o

afectar a la apariencia o al uso eficiente de la estructura, de las estructuras cercanas o de los servicios próximos

• Infiltración de agua no admisible a través o por debajo del elemento de contención

• Afección a la situación del agua freática en el entorno con repercusión sobre edificios próximos o sobre la propia obra


COMPROBACIÓN DE UN MUROESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO (CTE):

No es preciso comprobar si los empujes horizontalesson ≤ 10% de la carga vertical totalEfectos estabilizadores: Reacción del terreno:

• Adhesión (c*= 0,5. c’K ≤ 0,05 MPa)• Rozamiento (φ*=2/3φ’):

Efectos desestabilizadores: EmpujesNo debe considerarse el efecto favorable del Ep

Coeficiente de seguridad:

Se mejora:Disponiendo material granular en la baseAumentando Ep con zarpas o inclinando la base

( )5,1

RREEtg)REW(Bc

FBtgc

FF

3w1wph

*2wv

*

d

**

d

eR ≥

−+−φ⋅−++⋅

=⋅φ⋅σ+

==γ

**r tgc φ⋅σ+=τ

e1

Ea

Eh

Ev

wRw1Ep

Rw3

Rw2O

e3

ew2

B

e2 ew3 ew1


COMPROBACIÓN DE UN MUROESTABILIDAD AL VUELCO:

En relación a un punto de giro OEfectos estabilizadores:

• Peso: W• Empuje pasivo pie (en general,

no debe considerarse) • Presión agua intradós: Rw3

Efectos desestabilizadores:• Empuje trasdós: Ea… (Eh(+) y Ev(-))• Empuje agua trasdós: Rw1

• Subpresiones: Rw2

Coeficiente de seguridad:

• Ev debe considerarse como un “menor efecto desestabilizador”

0,2eReRBEeE

eReEeW

MM

2w2w1w1wv1h

3w3w2p3

v

eR ≥

⋅+⋅+⋅−⋅

⋅+⋅+⋅==γ

e1

Ea

Eh

Ev

wRw1Ep

Rw3

Rw2O

e3

ew2

B

e2 ew3 ew1


COMPROBACIÓN DE UN MUROPASO DE LA RESULTANTEPOR EL NÚCLEO CENTRAL:

2 B/3 < d < B/3 ⇒ pmín > 0Distribución trapezoidal

d = B/3 ⇒ pmín = 0Distribución triangular

d < B/3 ⇒ pmín < 0Distribución triangular parcial“Tracciones en la base”

dRV

pmáxpmín

B/3 B/3 B/3

B/3RV

pmáxpmín=0

dRV

pmáx“pmín<0”

d3R2

p Vmáx ⋅

⋅=


COMPROBACIÓN DE UN MUROPASO DE LA RESULTANTE POR EL NÚCLEO CENTRAL:

Presión en el borde en función de la excentricidad:

Para e=1/3 un pequeño error produce un gran aumento de pmáx

Si aseguramos que la resultante pasa por el “núcleo central”:• Se evita que parte de la base no transmita carga• Se controla el valor de pmáx (para verificar el hundimiento)• Se asegura la estabilidad al vuelco (sin agua)

d

Rv=P

pmáxpmín

B/2 B/2

e


COMPROBACIÓN DE UN MUROSEGURIDAD FRENTE AL HUNDIMIENTO:

Se considera una zapata ficticia de anchura eficaz B’, de manera que la carga quede centrada en la misma:

‹ ›

Se tiene que cumplir que:

d

Rv

σ

B/2 B/2

e

B’=2d=B-2e

3qq

q'B

R hund

R

hundadm

v =γ

=≤=σ

d

Rv

pmáxpmín

B/2 B/2

e


COMPROBACIÓN DE UN MUROSEGURIDAD FRENTE A LA ROTURA ESTRUCTURAL:

El muro como, elemento estructural, debe ser lo suficientemente resistente como para soportar las tensiones a las que va a estarsometido con las garantías necesarias (Instrucción de Hormigón Estructural EHE)

Deformación excesiva del

alzado

Rotura por fisuraciónexcesiva

Rotura por fallo

de solape

Rotura por esfuerzo cortante

Rotura por esfuerzo rasante


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNCOEFICIENTES DE SEGURIDAD PARCIALES:


CRITERIOS DE PREDIMENSIONADO (Jiménez Salas et al., 1981)

≥ 20 cm

>2,5 m

H/3 – 2H/3

<H/2 si H>10 m

H/12≥30 cm

0,25 H ≤ B ≤ 0,4 H

(Si existen sobrecargas importantes: aumentar

B hasta un 50%)

H

H/8-H/6

c=0,20-0,30 m

>1:

50

0,25-1,25 m

0,5-1,25 m

H/16 – H/12

H/32-H/8

0,4 - 0,9 H

0,08-0,4 H

> 0,60 m


CRITERIOS DE PREDIMENSIONADOEn los MUROS DE GRAVEDAD es conveniente inclinar el intradós y proyectar una sección triangular:

El de sección rectangular, frente el triangular:• Ocupa menos espacio• Ofrece menor momento estabilizador• Tiene menor base (reparte “peor” en la base)

Suelen diseñarse de sección trapezoidalSi se le añaden puntera y talón es para tener más baseEl trasdós inclinado lo hace aún más estable (Ev aumenta)

S1=S2=B*H (Mismo “coste”)

W1=W2=W

MOMENTOS ESTABILIZADORES (s/O):

Peso: M1=W*B/2 < M2=W*B*(4/3)

Empuje: M1=Ev*B < M2=Ev*2*B

W1

W2

H/2

H/2

O1O2

B B

Eh

Ev


CRITERIOS DE PREDIMENSIONADOMUROS DE GRAVEDAD:

La “REGLA DE BOIX” da una idea para diseñar trasdós o intradós inclinado con estabilidad equivalente al rectangular de partida:

• Intradós (1):– Girando el paramento a H/9 de la base se mantiene la

estabilidad con respecto al rectangular– La coronación debe ser mínimo 30 cm

• Trasdós:– Desplome mejora la estabilidad: Giro H/3 de coronación (2)– En talud aumenta la base de apoyo: Giro H/2 (3)

H/9

AHORRO DE MATERIAL

H

H/2

H/3

1

2

3


CRITERIOS DE PREDIMENSIONADOINCLINACIÓN DEL TRASDÓS EN MUROS DE GRAVEDAD:

Si se lleva hasta el ángulo de estabilidad de las tierras, no sería necesario contener o sostener el terrenoLuego, el muro con trasdós en desplome es más económico que uno verticalEn realidad, esto es aplicable a muros de contención ya que, en el caso de los muros de sostenimiento, las necesidades de encofradocomplican la ejecución del trasdós en desplome

Trasdós en talud Trasdós en desplome


MÉTODO DE HAIRSINEMétodo para predimensionamiento:

Método gráficoPara muros en “L”Desprecia el peso propio del muroSe obtienen “m” y “b” a partir de:

• “Fv”: coeficiente de seguridad al vuelco (>2)• “j”, función de la presión admisible:

•

Que depende de:“Fd”, al deslizamiento (>1,5)“K”: coeficiente de empujeμ = tg δδ: rozamiento tierras-muro

KFd ⋅

μH

pj adm⋅γ=

mbH

bH

H

K γ H

padm=j γ H


MÉTODO DE HAIRSINEProcedimiento:

Cada variable define una curva en el nomogramaLa zona común sobre dichas curvas es la válidaSi se elige un punto en esa zona se asegura:

• La estabilidad al vuelco, a través de Fv

• La estabilidad al deslizamiento, mediante

• La transmisión al cimiento, por j Mientras más bajo esté el punto, más económico es el muro (menores dimensiones)Es posible imponer distribución triangular de presiones en el terreno (resultante en núcleo central)

KFd ⋅

μ


MÉTODO DE HAIRSINE


MÉTODO DE HAIRSINEPara mayor precisión es posible construir las curvas de cada problema:

Estabilidad al vuelco:

Presiones en la base:• Trapezoidal:

• Triangular:

• Triangular parcial:

Estabilidad el deslizamiento:

( )2v

m13

F

K

b−⋅

=

2m3m41j

1

K

b

−+−=

2m3m2j

1

K

b

−+=

( )( )2m314j3

1

K

b

−−=

( )m12KF

K

b d

−⋅μ⋅⋅

=


MÉTODO DE HAIRSINEPermite incorporar:

SOBRECARGA UNIFORME (q):• Si la sobrecarga es pequeña, tal que H0<0,2 H, se adopta una

altura ficticia H+H0

• Si q es mayor, se emplean los siguientes parámetros:

En terrenos con ADHESIÓN Y FRICCIÓN:

En terrenos sólo con ADHESIÓN:

Hq1

Hq31

KK'

⋅γ+

⋅γ⋅+

=

Hq31

Hq21

FF d'd

⋅γ⋅+

⋅γ⋅+

=Hq

pj a'

⋅γ+=

''d KF ⋅

μ=ξ

( )'

'd

'

KFHq

aa

⋅⋅γ+=

( )[ ]'' am121

K

b+−⋅ξ⋅

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅γ

+⋅⋅γ⋅⋅⋅

=H

q1H

a2KF

K

b ''d

'


MÉTODO DE HAIRSINEEJEMPLO:

Datos: H = 3 mγ = 18 kn/m3

K = 1/3μ = 0,60Fd > 1,5Fv > 2,0Pmáx = 27 kpa

Variables del método:

Resultados: Base: b = b*h = 0,67 * 3,0 = 2,0 mPuntera: m*b*h = 0,48 * 2,0 = 0,96 m

84,0315,1

6,0

KFd

=⋅

=⋅

μ

5,031827

Hpj adm =⋅=⋅γ= 67,03117,1b17,1

K

b=⋅=⇒=

48,0m =

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