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UNIVERSIDADPOLITCNICADEMADRID E.T.S.DEINGENIEROSDECAMINOS,CANALESYPUERTOSDEPARTAMENTODEINGENIERAYMORFOLOGADELTERRENO

ESTUDIODELAAPLICABILIDADDEMATERIALES COMPUESTOSALDISEODEESTRUCTURASDE CONTENCINDETIERRASYSUINTERACCINCONEL TERRENO,PARASUEMPLEOENOBRASDE INFRAESTRUCTURAVIARIA

TESISDOCTORALGONZALOANDRSJARAMORI IngenieroConstructorPontificiaUniversidadCatlicadeValparaso,Chile DIRECTORDETESIS: LUISFORTLPEZTELLO Dr.Ing.deCaminos,CanalesyPuertos MADRID,MAYODE2008

TESIS DOCTORAL

ESTUDIODELAAPLICABILIDADDEMATERIALES COMPUESTOSALDISEODEESTRUCTURASDE CONTENCINDETIERRASYSUINTERACCINCONEL TERRENO,PARASUEMPLEOENOBRASDE INFRAESTRUCTURAVIARIA

Por: Gonzalo Andrs Jara Mori Ingeniero Constructor

Director de Tesis Dr. Ing. Luis Fort Lpez-Tello

TRIBUNAL CALIFICADOR

Presidente Dr. D. Vocales: Dr. D. Dr. D. Dr. D. Secretario Dr. D.

Acuerda otorgarle la calificacin de

Madrid,

de

de 2008

A mi esposa Carola y a mi pequea hija Sofa A mis padres, Dagoberto y Delfina

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AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero expresar mis ms sinceros agradecimientos a Ral Espinace, profesor de la Pontificia Universidad Catlica de Valparaso, con quin he trabajado pormuchosaosenelmundodelaGeotecniaydelcualheaprendidogranpartede losconocimientosqueenmicortavidaprofesionalheadquirido.Msqueuncolega hasidounamigo,quemehaapoyadoaladistanciaenestedesafo.Agradezcotodala confianza que ha depositado en m para la realizacin de este Doctorado, y especialmente por todas sus gestiones para mi incorporacin en el Departamento de I+D+ideAccionaInfraestructuras. LapresenteTesisDoctoralhasidorealizadaenparteenelDepartamentodeI+D+ide Acciona Infraestructuras. En especial quiero agradecer a Juan Manuel Mieres Royo, DirectorGeneraldeI+D+ideAccionaporhabermeacogidoenestedepartamentoypor habermebrindadolaposibilidaddedesarrollarestetrabajodeinvestigacin.Tambin quiero agradecer a Ignacio Calvo Herrera, Director del Departamento de I+D+i de Acciona Infraestructuras, por su constante apoyo y conocimientos en el rea de los materialescompuestos,quehansidoimportantesparalarealizacindelostrabajosde laboratorio. EnformamuyespecialquieroagradeceraLuisFortLpezTello,Dr.Ing.deCaminos, Canales y Puertos, quin ha sido el Director de la presente Tesis Doctoral, por su constante apoyo para la realizacin y finalizacin de este trabajo de investigacin, como as tambin por sus conocimientos aportados en el mbito geotcnico. Gracias tambin por todo el tiempo que hemos dedicado a tratar diversos temas, muchos de ellosqueescapanalmbitoprofesional,peroquemehanpermitidocrecermscomo persona. A la Direccin de Personal y Perfeccionamiento Acadmico de la Pontificia Universidad Catlica de Valparaso, por haberme otorgado una beca de Profesor ContratadoparalarealizacindemisestudiosdeDoctorado.GonzaloAndrsJaraMori i

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A la Fundacin Agustn de Betancourt de la Universidad Politcnica de Madrid, por haberme concedido una beca de estudios de Doctorado durante estos ltimos cuatro aos. QuieroagradeceraValentnBellayHernnPatio,delLaboratoriodeGeotecniadela E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politcnica de Madrid, por su constante apoyo y colaboracin en la realizacin de los ensayos de rozamiento realizados en dependencias de dichos laboratorios. Largas fueron las conversaciones tcnicas,quemehanpermitidoresolvermuchasdudasdeejecucindelosensayosy de interpretacin de resultados, que como resultado se han presentado en esta Tesis Doctoral. AgradezcoalLaboratoriodeGeotecniadelCEDEX,enespecialaClementeAriasyJos Luis Miranda, por los ensayos de rozamiento realizados que me han permitido complementar los resultados obtenidos en las pruebas ejecutadas en la UPM. As tambin quiero agradecer a Encina Polo de la biblioteca del CEDEX por todo el materialbibliogrficoproporcionadoduranteeldesarrollodeestaTesisDoctoral. Quiero agradecer tambin, a todos los integrantes del Departamento de I+D+i de Acciona Infraestructuras que de alguna forma u otra han aportado conocimientos importantes para el desarrollo de este tema de investigacin. En especial quiero agradeceraStefanoPrimi,DiegoGomez,AnamaraHenaoyEstebanMontoya,porsus importantesaportacionesenlalneadematerialescompuestos;DianaMartn,Natalia MartnyEleanorSillerico,portodoelapoyoquemehanbrindadoylostrabajosque hanrealizadoeneldesarrollodelproyecto;yaSantiagoPalenciayAlfonsoCampos, laborantesdelreadematerialescompuestos,portodoeltrabajoquehanrealizadoen lapreparacindeprobetasparalosensayosaescalareducida. A todos los amigos que he conocido durante estos cuatro aos en Acciona y en la Universidad: David Garca, Gerdo Dalhuzien, Daniel Lpez, Edith Guedella, Marta Perez,AmandineGal,AdrianaZambrano,EleanorSillerico,CarlosMartnPortugusyii GonzaloAndrsJaraMori

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DiegoManzanal.Quieroagradecerleselconstanteapoyoypreocupacinquemehan dadodatrasda,comoastambinelcario,simpatayaprecioquesientoporcada unodeustedes. Amispadres,DagobertoyDelfina,ymishermanas,SoniayDaniela,portodoelapoyo quemehandadodesdemivenidaydurantetodoestetiempoaladistancia.Hansido unpilarimportanteparamenestenuevodesafo,consuincondicionalcarioycon lasconstantespalabrasdeapoyoparamidesarrollopersonalyprofesional. Finalmente quiero agradecer a las dos personas ms importantes de mi vida, a mi esposaCarolayamipequeaSofa.ACarola,porquegraciasatuamor,pacienciae incondicionalapoyo,hetenidolasfuerzasnecesariasparasacaradelanteestaTesis,y hasidotuconstantemotivacinlaquemehapermitidoluchardaadaparaalcanzar este objetivo. Y a mi pequea Sofa, porque en tus cortos tres mesesde vida me has dadolafuerzaparaseguiradelanteenestecaminoyunmotivomsparalograreste objetivo.

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RESUMEN Losmurosdecontencindetierrassonelementosestructuralesdeampliousoenobras deinfraestructuraviaria,cuyafinalidadeslacontencindetierrasparaestabilizacin de taludes naturales, formacin de terraplenes para carreteras, formacin de estribos para obras de paso, etc. Tradicionalmente se han empleado para su construccin, materialestalescomomampostera,hormignenmasay/ohormignarmado. En las ltimas dcadas han tenido un fuerte desarrollo tecnolgico, debido principalmentealaaparicindenuevasalternativasdesolucincomocomplementoa lasdeusomstradicional.Elavancealcanzadoeneldesarrollodeestasestructurasha pasado por la incorporacin de nuevos materiales para su diseo, la definicin de nuevosmtodosconstructivosylacreacindenuevoselementosestructuralesapartir delosmaterialesdeusotradicional. Es as como gran parte de las actuales aplicaciones en ingeniera estn orientadas al refuerzodesuelos(coninclusindearmadurasmetlicasogeosintticos)yalempleo delhormignprefabricadoparalaconstruccindelosmuros(comopuedensermuros mnsula,muroscriba,murosdetierramecnicamenteestabilizada,etc.). Elempleodeelementosprefabricadospermiterealizarlostrabajosdepuestaenobra conunareduccindetiempoycoste,yunamejoraenlacalidadfinaldelaestructura, desde un punto de vista estructural y esttico. Adems, esta tcnica permite una reduccin del impacto medio ambiental, debido a la posibilidad de dar distintos acabadossuperficialesalaestructura. Enestesentido,esposibledesarrollarnuevassolucionesdeestructurasdecontencin detierrasprefabricadas,medianteelempleodematerialesnotradicionalescomoes elcasodelosmaterialescompuestos(composites).Loscompositespresentanlaventaja de tener un reducido peso en comparacin a otros materiales, como es el caso del hormign (pueden alcanzar densidades del orden de 0,10 a 0,20 t/m3), con lo que laGonzaloAndrsJaraMori v

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puestaenobradeestasestructurassefacilita,nonecesitandoelempleodemaquinarias de gran envergadura para su instalacin, lo que permite tambin llegar a zonas de difcil acceso. Adems, algunos de estos materiales presentan la posibilidad de reciclaje,conloquesereduceelimpactoquesegenerasobreelmedio. Los materiales compuestos disponen de ventajas con relacin a otros productos, aportandonumerosascualidadesfuncionalescomoson:ligereza;resistenciamecnica yqumica;mantenimientoreducido;libertaddeformas.Su usopermiteaumentarla vida til de ciertos componentes estructurales, gracias a sus propiedades mecnicas (rigidez, resistencia a la fatiga) y a sus propiedades qumicas (resistencia a la corrosin). Tambin enriquecen las posibilidades de diseo, permitiendo aligerar las estructurasyrealizarformascomplejasaptasparacumplirvariasfunciones. A travs de este proyecto de investigacin, se estudiar el desarrollo de una nueva aplicacindelosmaterialescompuestosenlaindustriadelaconstruccin,medianteel diseodeestructurasdecontencindetierrasfabricadosenbaseaestosmateriales.Se evaluarn distintas posibilidades de solucin (muros tipo mnsula, muros de tierra mecnicamente estabilizada, entre otros), a partir del anlisis del comportamiento geotcnico de dichas estructuras y de su interaccin con el terreno, y se propondr, finalmente,unprototipoquepuedaserutilizadoenobrasdeinfraestructuraviaria. vi GonzaloAndrsJaraMori

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ABSTRACT Retaining walls made by soil are structural elements with a wide use in road infrastructure construction site, which aim is the soil containment for natural slope stabilisation, bank formation for road, support formation for passage work, etc. Traditionallythereareusedforitsconstructionmaterialslikemasonry,massconcrete and/orreinforcedconcrete. During the last decades, there had an important technological development, due to principally the new alternatives appearance of solution to complete the ones of more traditionaluse.Thereachedadvanceinthedevelopmentoftheseinfrastructurestook through the new materials incorporation for its design, the definition of new constructive methods and the creation of new structural elements from traditionally usedmaterials The majority of the current applications in engineering are oriented to the soils reinforcement (with introduction of metal or geosynthetics frameworks) and to the prefabricatedconcreteuseforwallsconstruction(likecantilever,screening,mechanical stabilisationsoilwalls,etc) The use of prefabricated elements allows making construction works with time and cost reduction and improving the structure final quality from the aesthetical and structural points of view. Moreover, this technique allows environmental impact reductionduetothepossibilitytogivedifferentsuperficialfinishingtothestructure. In this sense, it is possible to develop new solutions for contention structure of prefabricated soils through the use of nontraditional materials like composites. Composite materials offer the advantage of a reduced weight compared to other materials like concrete (concrete can reach density in the order of 0.10 to 0.20 t/m3), facilitating the construction of these structures without the need of using important machineryforitslayingandallowingtoattaincomplicatedaccesszones.Inaddition,GonzaloAndrsJaraMori vii

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someofthesematerialsoffertheopportunityofrecyclingreducingitsenvironmental impact. Thecompositematerialsprovidemanyadvantagescomparedtootherproductsgiving several functional quality like lightness, chemical and mechanical resistance, reduced maintenanceandshapeliberty.Ituseallowsimprovetheusefullifeofsomestructural components thanks to its mechanical (stiffness, fatigue resistance) and chemical (corrosion resistance) proprieties. Also they enrich the design possibilities allowing lighteningstructuresandmakecomplexshapessuitableforfulfillingvariousfunctions. Throughthisresearchproject,itwillbestudiedthenewapplicationdevelopmentfor composite materials in construction sector by means of structure design of soil contention based on these materials. Various solutions (cantilever, mechanical stabilisationsoilwalls)willbeevaluatedfromthegeotechnicalperformanceanalysis ofthesestructuresanditsinteractionwiththeterrainandfinally,aprototypeabletobe usedinroadinfrastructureswillbeprojected.

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INDICE AGRADECIMIENTOS..i RESUMEN...v ABSTRACT..vii INDICEix

1.

INTRODUCCIN ............................................................................................................ 1 1.1. 1.2. 1.3. Antecedenteshistricosyestadoactual ................................................................ 1 Planteamientodelproblema ................................................................................... 6 Objetivosyalcancedelainvestigacin.................................................................. 7 Objetivogeneral ............................................................................................... 7 ObjetivosEspecficos ....................................................................................... 8 Alcancedelainvestigacin............................................................................. 8

1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.4.

Metodologaempleada............................................................................................. 9

2.

LOS MUROS DE CONTENCIN DE TIERRAS: TIPOLOGAS Y DISEO

GEOTCNICO......................................................................................................................... 13 2.1. 2.2. Introduccin............................................................................................................. 13 Losmurosdecontencindetierras...................................................................... 15 Clasificacindelosmurosdecontencindetierras ................................. 17 Tipologasdemurosdecontencin............................................................. 19 Murosprefabricados...................................................................................... 25 Murosdetierramecnicamenteestabilizada............................................. 29

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.3.

Diseogeotcnicodeestructurasdecontencindetierras .............................. 31 Introduccin.................................................................................................... 31 Conceptosgenerales ...................................................................................... 33

2.3.1. 2.3.2. 2.4.

Empujedetierrassobremurosdecontencin.................................................... 39

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2.4.1.

La determinacin del empuje de tierras: desarrollo histrico y

principalesmtodos ........................................................................................................ 40 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.4.5. 2.4.6. 2.4.7. 2.4.8. 2.5. LateoradeempujedetierrasdeRankine ................................................. 47 LateoradeempujedetierrasdeCoulomb ............................................... 66 Empujesdetierradebidoasobrecargas ..................................................... 78 Consideracionesdeempujesdebidoalagua ............................................. 85 Efectosdelacompactacinenelempujesobremuros ............................. 87 Consideracionessobrelaaccindelsismoenelempujedetierras ........ 91 Estimacindeempujesmediantebacos.................................................... 95

Desplazamientos de un muro de contencin debido a los empujes del

terreno.................................................................................................................................. 101 2.6. Dimensionamientodemurosdecontencindetierras................................... 107 Consideracionesgeneralesparaeldiseodemurosdecontencin..... 109 Evaluacindelaestabilidaddeunmurodecontencindetierras ...... 115 Evaluacindelaestabilidadexterna ......................................................... 119 Evaluacindelaestabilidadinterna ......................................................... 133

2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 2.6.4.

3.

LOSMATERIALESCOMPUESTOSAPLICADOSALAINGENIERA ......... 139 3.1. 3.2. Introduccin........................................................................................................... 139 Componentesdelosmaterialescompuestos .................................................... 142 Fibras:caractersticasytipos ...................................................................... 144 Matrices:caractersticasytipos.................................................................. 155

3.2.1. 3.2.2. 3.3.

Procesosdefabricacinypropiedadesdeloscomposites.............................. 161 Procesos de fabricacin empleados en la elaboracin de materiales

3.3.1.

compuestos. .................................................................................................................... 162 3.3.2. 3.4. Principalespropiedadesdelosmaterialescompuestos. ........................ 172

Estructurassandwichparaeldiseodeelementosestructurales.................. 183 Ncleosdenidosdeabeja........................................................................... 185 Ncleosdeespumas .................................................................................... 188 Consideracionesgeneralessobrelasestructurastiposandwich........... 190

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3.

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3.5.

Aplicacionesdelosmaterialescompuestos ...................................................... 192 Aplicacionesenlaingeniera ...................................................................... 194 Aplicacionesgeotcnicas............................................................................. 201

3.5.1. 3.5.2. 3.6.

Anlisiscomparativodeloscompositesaemplearenmurosdecontencinde

tierras.. ................................................................................................................................. 204 3.7. Anlisis tcnico y econmico para el empleo de composites en muros de

contencindetierras.......................................................................................................... 209

4.

DISEOGEOTCNICOYSIMULACINDEUNMURODECONTENCIN

ENMATERIALESCOMPUESTOS ................................................................................... 213 4.1. 4.2. Introduccin........................................................................................................... 213 Determinacindelafriccinsuperficial:estadoactualdelconocimiento ... 214 Primerasaportaciones:losestudiosdePotyondy ................................... 215 Aportacionesmsrecientes ........................................................................ 219 Comentariosgeneralessobrelasaportacionespresentadas .................. 236

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.3.

Estudio experimental: friccin superficial entre suelos y materiales

compuestos ......................................................................................................................... 238 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. Preparacindeplacasenmaterialescompuestos.................................... 239 Suelosempleadosparaestudiosderozamiento...................................... 243 Evaluacin de la rugosidad superficial de las placas en materiales

compuestos ..................................................................................................................... 247 4.3.4. 4.4. Evaluacindelrozamientoenlainterfazsuelomaterialcompuesto... 252

Diseogeotcnicodeunmurodecontencinenmaterialescompuestos.... 267 Definicin de la geometra, cargas sobre el muro y parmetros

4.4.1.

geotcnicos...................................................................................................................... 268 4.4.2. Anlisis de estabilidad externa del muro de tierra mecnicamente

estabilizada ..................................................................................................................... 270 4.4.3. Anlisis de estabilidad interna del muro de tierra mecnicamente

estabilizada ..................................................................................................................... 275 4.5. Simulacindeunmurodecontencinenmaterialescompuestos................ 285

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5.

PROPUESTA DE PROTOTIPO DE UNA ESTRUCTURA DE CONTENCIN

DETIERRASENMATERIALESCOMPUESTOS. ........................................................ 291 5.1. 5.2. Introduccin........................................................................................................... 291 Definicindelprototipo:configuracingeomtricayvaloresdeclculopara

eldiseo............................................................................................................................... 292 5.3. 5.4. Diseodeplacasyflejesderefuerzo ................................................................. 295 Pruebasdelaboratoriosobreelementosestructurales .................................... 299 Ensayosdetraccinenflejesderefuerzo. ................................................ 300 Ensayosparadefinicindesistemadeconexin..................................... 309

5.4.1. 5.4.2. 5.5. 5.6.

Esquemadelprototipodiseadoenmaterialescompuestos ......................... 314 Equiposdeauscultacinpropuestosparalamonitorizacindelmuro........ 318

6.

CONCLUSIONESYFUTURASINVESTIGACIONES ........................................ 321

REFERENCIASBIBLIOGRFICAS...329 ANEJOS: ANEJOA......341 ANEJOB...347 ANEJOC..361 ANEJOD..377 ANEJOE...383

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LISTADODEFIGURAS 1.1 1.2 PlanoesquemticoyseccindelNewgrangeCairn. Seccinverticalyhorizontaldelmurodecontencindelaterrazadeltemplo deDemeterenPergamon. 1.3 2.1 2.2 Aplicacindemurodetierramecnicamenteestabilizada. Costesrelativosdemurosdecontencindetierras. Tipologas de muros segn su funcionalidad: (a) de sostenimiento; (b) de contencin;(c)derevestimiento. 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 Diversastipologasdemurosconvencionales. Murodegravedaddemampostera. Murodecontencintipocribas. Murodecontencindegaviones. Murodecontencindeescollera. Murodecontencintipomnsula. Murodepantallaprefabricadayzapatainsitu. Murodemdulosprefabricadosverdes. Murodebloquesprefabricadosdehormign. ComponentesdeunmurodeTierraArmada. MurodeTierraArmadaysistemadeconexinparaflejesderefuerzo. Tensionesprincipalesenunelementodesuelo EsquemadelempujedetierrasalcomienzodelsigloXVIII. EsquemabsicoplanteadoporCoulombparaelempujedetierras. EsquemabsicoplanteadoporBoussinesqparaelempujedetierras. Determinacindeempujepasivoapartirdesuperficiesderoturacurvas. MtodogrficodeCulmanparadeterminarlapresinactivadesuelos. EstadosdeequilibrioplsticorepresentadosporloscrculosdeMohr. Estado activo de Rankine. Familias de planos formadas por expansin horizontal.

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2.22 2.23

CirculodeMohrobtenidoparalacondicinderoturaactivadeRankine. Estado pasivo de Rankine. Familias de planos formadas por contraccin horizontal.

2.24 2.25

CirculodeMohrobtenidoparalacondicinderoturapasivadeRankine. Estados activo, pasivo y al reposo de Rankine en suelos con cohesin y rozamiento.

2.26 2.27

Estadostensionalesenterrenoinclinado. Estados de tensiones correspondientes a un terreno inclinado, representados poruncrculodeMohr.

2.28 2.29 2.30

Desarrollodeempujessobreunaestructuradecontencindegravedad. Desarrollodefuerzasderozamientotierrasmuro. FormacindelacuadedeslizamientoenelestadoactivodeRankineenuna estructuradecontencindetierrastipocantilever.

2.31 2.32

Distribucinde ha y E a eneltrasdsdeunmurodecontencindetierras.Esquemageneraldelascondicionesdecontornoparalaaplicacindelateora deCoulomb:(a)condicinactiva;(b)condicinpasiva.

2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38

CondicindeempujeactivodeCoulombparasuelossincohesin. PolgonodefuerzasparaelestadoactivodeCoulombensuelossincohesin. CondicindeempujepasivodeCoulombparasuelossincohesin. PolgonodefuerzasparaelestadopasivodeCoulombensuelossincohesin. Coeficientesdeempujeactivoensuelosconcohesin. Aplicacin de una sobrecarga uniformemente distribuida s sobre una estructuradecontencindetierras.

2.39

Aplicacin de una sobrecarga en faja s de ancho b sobre una estructura de contencindetierras.

2.40 2.41 2.42

Variacindecargalinealconlaprofundidad. Variacindecargapuntualconlaprofundidad. Aplicacindeunasobrecargalinealsparalelaalmurosobreunaestructurade contencindetierras.

2.43

Empuje del agua en condiciones hidrostticas. Condicin de empuje activo.

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(a)Rellenocompletamentesumergido,y(b)rellenoparcialmentesumergido. 2.44 2.45 2.46 2.47 Incrementode K o delaarenaconlacompactacin. Determinacinde K r enmurosdetierramecnicamenteestabilizada. MapadepeligrosidadssmicadeEspaa. bacos para estimar la presin de tierras contra muros que soportan una superficiederellenoplana 2.48 bacos para estimar la presin de tierras contra muros que soportan una superficiederellenoquebrada. 2.49 2.50 EstimacindeempujesmediantebacosbasadosenlateoradeCoulomb. Relacin entre el empuje del terreno y los movimientos necesarios para su desarrollo 2.51 Curva emprica para estimar el desplazamiento lateral en muros de tierra mecnicamenteestabilizada. 2.52 2.53 2.54 2.55 2.56 Sistemasdedrenajeconmaterialesgranulares. Sistemadedrenajedemurosdetierramecnicamenteestabilizado. Dimensionamientodeestructurasdecontencindegravedadyenmnsula. Comprobacindelaestabilidadexternademurosdecontencindetierra Ubicacindelosempujeseneltrasdsdemuros:(a)murosdegravedad;(b) murostipomnsula;(c)murosdetierramecnicamenteestabilizada. 2.57 Recomendaciones sobre la aplicacin de los empujes de tierras mediante la teoradeRankineenmurosmnsula. 2.58 Empujes sobre muro mnsula cuando el plano de discontinuidad corta el alzadodelmuro. 2.59 Aplicacindeempujessobremuros:(a)murotipomnsula;(b)murodetierra mecnicamenteestabilizada. 2.60 Esquema para la determinacin de la estabilidad al vuelco de un muro de contencindetierras. 2.61 Crculosdedeslizamientopsimosenclculodeestabilidadglobaldeunmuro decontencindetierras 2.62 Definicindelalneademximastraccionesenlosflejesderefuerzo.(a)Lnea

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curvarealdelocalizacindemximastensiones;(b)aproximacinlinealpara mximastracciones. 2.63 Tensionesquesedesarrollanenlasarmadurasderefuerzosenmurosdetierra mecnicamenteestabilizadayseparacinentrearmaduras. 3.1 3.2 Procesodemanufacturadelafibradevidrio. Fibras de vidrio empleadas enaplicaciones de ingeniera. (a) Fibra de vidrio enrollo;(b)fibradevidriobidireccional0/45 3.3 3.4 Esquemageneraldefabricacindelasfibrasdecarbono. Fibras de carbono empleadas en aplicaciones de ingeniera. (a) Fibra de carbonoenrollo;(b)tejidodefibradecarbonobidireccional0/90 3.5 Consistencia de las resinas empleadas en la fabricacin de materiales compuestos. 3.6 Laminado de fibra y resina. (a) Esquema de preparacin del laminado; (b) productofinalfabricado. 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 EsquemadesistemadeproyeccinSprayLayup. Esquemadefabricacinporcontactomanual. Mquinaimpregnadoraelctrica. Esquemadelmtodovacuumbagging. Imagendelatcnicavacuumbaggingparalafabricacindelaminados. Esquemageneraldeequipodepreimpregnado. Esquemadelprocesodefabricacinporpultrusin. EsquemaprocesodefabricacinResinFilmInfusin. Mdulos de deformacin en funcin de la orientacin de las fibras de un material compuesto tpico vidrio/polister con una orientacin [1/.2/1], dondeeselnguloengrados. 3.16 Coeficientedepoissonenfuncindelaorientacindelasfibrasdeunmaterial compuesto tpico Vidrio/Polister con una configuracin [1/2/1], donde eselnguloengrados. 3.17 Curvastensindeformacindedistintosmaterialescompuestosyaceros.

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3.18 3.19

Esquemageneraldeunaestructuratiposndwich. Influencia del espesor del ncleo en la rigidez y peso de la estructura tipo sndwich. Alas formadas aluminio de e = 2 mm y densidad del ncleo de

37 kg m 3 .3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 Esfuerzosquesedesarrollanenunaestructurasndwichsometidaaflexin. Ncleosdenidosdeabejaparausoenestructurastiposndwich. Procesosdefabricacinncleosnidosdeabeja. Espumadepoliuretanoempleadaenestructurastiposndwich. Esquemadepanelsndwichysusnotaciones. AplicacindematerialescompuestosenelpuentedeHolding,Dinamarca. Aplicacin de materiales compuestos en puente Wichwire Run en West Virginia,EEUU. 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 PuenteenmaterialescompuestosdelaciudaddeLrida. AplicacindematerialescompuestosenpasosuperiorAutovadelCantbrico. AplicacindematerialescompuestosenviaductocarreteraM111,Madrid. BarrasdeFRPparaempleoenestructurasdehormign. Aplicacindematerialescompuestosenvigasdepuentes. Aplicacindematerialescompuestosenrefuerzodepilares. Problemas presentados en pilotes tradicionales empleados en ambientes agresivos. (a) Corrosin de pilotes de acero; (b) degradacin de pilotes de hormign;(c)deteriorodepilotesdemadera. 3.34 3.35 4.1 4.2 4.3 4.4 AplicacindeFRPsenlafabricacindepilotes. AnclajefabricadoenFRPsparalacontencindeuntalud. Perfilmetroparamedidaderugosidadsuperficial. Perfildealturasobtenidodeperfilmetroparaladeterminacinde R mx . Determinacinde R a apartirdelperfildealturas. Representacinesquemticadeltamaodelaspartculasdesuelosobreperfil dealturas.Definicinde 4.5

(

)

D50 .

ResultadosdefriccinsuperficialobtenidosporUesugiyKishida,medianteelxvii

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estudiodearenasyaceros. 4.6 ResultadosdefriccinsuperficialobtenidosporSubbaRaoetalenaparatode cortetipoB. 4.7 CurvasgranulomtricasdesuelosempleadosporFrostyHanparaelestudio deinterfazconFRP. 4.8 Resultados de friccin superficial obtenidos por Frost y Han para interfaz de arenasconacerosyFRP. 4.9 4.10 Influenciadeltamaomediodelasarenasenelrozamientodelainterfaz. ResultadosdefriccinsuperficialobtenidosporLingsyDietzparainterfazde arenasconaceros. 4.11 Resultados de dilatancia obtenidos por Lings y Dietz en funcin de la rugosidadsuperficialdelacero. 4.12 4.13 Relacinentreladilatanciayelnguloderozamientodelainterfaz. Esquema de fabricacin de laminados para ensayos de corte directo, compuestosporfibradevidrioyresinapolister. 4.14 Imgenesdeplacasdefibradevidrioparaensayosderozamientoydetalleen microscopioelectrnico.(a)PFVRB;(b)PFVRI;(c)PFVRA. 4.15 Suelosempleadosenlosensayosdecortedirectoparaelestudiodelafriccin superficial.(a)Arenademiga;(b)Arenatosquiza. 4.16 Perfilmetro empleado para la determinacin de la rugosidad superficial de lasplacasenmaterialescompuestos. 4.17 Equiposdecortedirectoempleadosenlosensayosderozamiento.(a)Aparato pertenecientealCEDEX;(b)aparatopertenecientealaUPM. 4.18 Colocacin placa en materiales compuestos y preparacin muestra para ensayosderozamientoenequipodecortedirecto. 4.19 4.20 Definicingeomtricademurodetierramecnicamenteestabilizada. Acciones consideradas para el diseo geotcnico del muro de tierra mecnicamenteestabilizada,conaplicacindematerialescompuestos. 4.21 Determinacin del coeficiente de empuje lateral de tierras para el dimensionamientodemurosdetierramecnicamenteestabilizada.

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4.22 4.23 4.24 4.25

Determinacindelcoeficientederozamientoaparente. Configuracindeplacasyarmadurasderefuerzoparamuro. DefinicingeomtricadelmuroenprogramaPlaxis. Malla de elementos finitos definida para anlisis de muro de tierra mecnicamenteestabilizada.

4.26

Malla deformada de elementos finitos obtenida para muro en materiales compuestos.

4.27 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

Malladeformadadeelementosfinitosobtenidaparamuroconvencional. Configuracindeplacasyarmadurasderefuerzoparamuro. Criterioparaladefinicindela Tmx enconexintiraplaca. Esquemaadoptadodetensionessobreplacaderevestimiento. Diseoplacasenmaterialescompuestos. Dimensionamientodetirasderefuerzo. Falloporcortantedelasfibrasentirasderefuerzo. Equipoparapruebasdetraccinentirasderefuerzo. Probetasdefibradevidrioutilizadasenensayosdetraccin. Cmaradeenvejecimientoempleadaparaensayosdedurabilidad. Probetasenvejecidasensayadasatraccin Probeta para estudio de sistema de conexin. L pegadas sobre laminado y posteriorrefuerzocondostelasdeFV0/90.

5.12

Probeta para estudio de sistema de conexin. L atraviesan poliuretano, con posteriorrefuerzocondostelasdeFV0/90.

5.13 5.14

Placasdematerialescompuestosfabricadasparaconstruccindeprototipo. Plano esquemtico del prototipo que ser implantado por el Centro TecnolgicodeI+D+ideAcciona

5.15

Plano esquemtico frontal del prototipo que ser implantado por el Centro TecnolgicodeI+D+ideAcciona.

5.16

Configuracindelasplacasfabricadasenmaterialescompuestos.

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LISTADODEGRFICOS 2.1 2.2 Estimacindelexponente n paraarenas. Variacin de los coeficientes de empuje activo y en reposo en funcin del ngulodefriccininterna. 2.3 Variacin de los coeficientes de empuje pasivo y en reposo en funcin del ngulodefriccininterna. 3.1 3.2 4.1 4.2 4.3 Usodematerialescompuestosporsectores. SituacindelconsumoanualdematerialescompuestosenEuropa. Curvasgranulomtricasdesuelosestudiados. CurvasdecompactacinProctordesuelosestudiados. Perfildealturaobtenidomedianteperfilmetro.Placadematerialcompuesto derugosidadbaja. 4.4 Perfildealturaobtenidomedianteperfilmetro.Placadematerialcompuesto derugosidadintermedia. 4.5 Perfildealturaobtenidomedianteperfilmetro.Placadematerialcompuesto derugosidadalta. 4.6 Relacindetensiones v/s deensayosderozamientoenarenatosquiza compactadaal95%delPM. 4.7 Relacinentrelarugosidadnormalizada R n yelnguloderozamientoenla interfaz . 4.8 Relacinentrelarugosidadnormalizada R n yelcoeficientederozamientoen lainterfaz . 4.9 Influencia de la compactacin en elrozamientode la interfaz arena tosquiza materialcompuesto. 4.10 Influencia de la compactacin en el rozamiento de la interfaz arena de miga materialcompuesto. 4.11 Influencia de la saturacin en el rozamiento de la interfaz arena tosquiza

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materialcompuesto.Muestracompactadaal95%delProctorModificado. 4.12 Influencia de la saturacin en el rozamiento de la interfaz arena tosquiza materialcompuesto.Muestracompactadaal95%delProctorNormal. 4.13 Influencia de la saturacin en el rozamiento de la interfaz arena de miga materialcompuesto.Muestracompactadaal92%delProctorModificado. 4.14 Influencia de la saturacin en el rozamiento de la interfaz arena de miga materialcompuesto.Muestracompactadaal95%delProctorModificado. 4.15 Influencia de la saturacin en el rozamiento de la interfaz arena de miga materialcompuesto.Muestracompactadaal100%delaDensidadRelativa. 5.1 Influencia del % volumen de fibras en la resistencia a traccin del laminado. Fibrasde600y640 g m 2 . 5.2 Influencia del % volumen de fibras en la resistencia a traccin del laminado. Fibrasdevidriode500 g m 2 . 5.3 InfluenciadelNdecapasenlaresistenciaatraccindellaminado.Fibrasde vidriode800 g m 2 . 5.4 5.5 Resultadosdetraccinenprobetasenvejecidas. Resultados de ensayo de traccin en sistema de conexin. Conector 1, L pegadosobrelaminadoyposteriorrefuerzo. 5.6 Resultados de ensayo de traccin en sistema de conexin. Conector2, L pasadoatravsdepoliuretano.

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LISTADODETABLAS 2.1 2.2 2.3 Valoresde K o enfuncindeltipodesueloysugradodecompacidad. ClasesderellenoyngulosdetaludnaturaldefinidosporGautier. Valores mximos del ngulo de rozamiento en funcin del ngulo de friccininternadelrelleno . 2.4 2.5 2.6 2.7 Factor r paraladeterminacindelcoeficientessmicohorizontal. Determinacindelcoeficiente C delterreno. Valoresde C aseraplicadosenlasecuaciones2.54y2.55. Valores del desplazamiento relativo de rotacin para suelos arenosos y para sueloscohesivos. 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 Tiposderellenosparamurosderetencin. Propiedadesfsicoqumicasparasueloreforzado. AccionesconsideradasenEurocdigo7paradistintassituaciones. Clasificacindelosmaterialescompuestos. Breveclasificacindecompuestosdematrizpolimricasegnladisposiciny eltipoderefuerzo. 3.3 3.4 3.5 Principalespropiedadesdelasfibrasdevidrio. Principalespropiedadesdelasfibrasdecarbono. Clasificacin de los diferentes tipos de matrices empleadas en materiales compuestos. 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 Principalespropiedadesdelasresinasdepolister. Principalespropiedadesdelasresinasdevinilster. Principalespropiedadesdelasresinasepoxi. Compatibilidadentrefibrasymatrices. Valorestpicosdelosmdulosdedeformacindelaminadosunidireccionales. Resistenciaatraccinycompresintpicadelaminadosunidireccionales. Influenciadelaorientacindelasfibrasenelcomportamientodelaminados. Principalespropiedadesnidosdeabejadepapel.

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3.14 3.15 3.16 3.17

Cuadrocomparativodefibrasaemplearenmaterialescompuestos. Cuadrocomparativoderesinasaemplearenmaterialescompuestos. Cuadrocomparativodemtodosdeprocesadodematerialescompuestos. Costos unitarios de principales materiales empleados en la fabricacin de materialescompuestos.

4.1 4.2

Valoresdefriccinsuperficialentresuelosymaterialesdeconstruccin. Arenas empleadas por Uesugi y Kishida para el estudio de la friccin superficialentrearenasyaceros.

4.3

ArenasempleadasporSubbaRaoetalparaelestudiodelafriccinsuperficial consuperficiesslidas.

4.4

ArenasempleadasporLingsyDietzparaelestudiodelafriccinenlainterfaz arenasacerosyelefectodeladilatancia.

4.5 4.6

Caracterizacindesuelosempleadosenensayosdecortedirecto. Resumen parmetros mecnicos de suelos obtenidos en ensayos de corte directoytriaxial,enfuncindelgradodecompactacin.

4.7 4.8 4.9 4.10

Tamaosmediosdelaspartculasdesuelo. Valoresde R max y R n obtenidosparacadaplacaanalizada. Resumenderesultadosdeensayosderozamiento. Parmetros geotcnicos para diseo de muro de tierra mecnicamente estabilizada.

4.11 4.12 4.13 4.14

Clculosanlisisestabilidadalvuelco. Clculosanlisisestabilidadaldeslizamiento. Clculosanlisisestabilidadalhundimiento. Coeficientesdeempujelateral K r yrozamientoaparente f empleadosenlos clculos.

4.15 4.16 4.17 4.18

Resultadosobtenidosparainterfazarenademigamaterialescompuestos. Resultadosobtenidosparainterfazarenatosquizamaterialescompuestos. Resultadosobtenidosparainterfazarenademigaaceroliso. Resultadosobtenidosparainterfazarenademigaaceroconresaltes.

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4.19 4,20

Parmetrosgeotcnicosadoptadosparasimulacindemuro. Parmetros de elementos placa y geogrillas adoptados para simulacin de muro.

5.1 5.2

Resumenderesultadosdeevaluacindeestabilidadinternaenmuro. Resistenciaatraccindelaminadosdefibradevidriounidireccionalyresina depolister,enprobetasde 180 25 mm .

5.3

Resistencia a traccin de laminados de fibra de vidrio 0/90 y resina de polister,enprobetasde 180 25 mm .

5.4

Influencia del nmero de capas en la resistencia a traccin de laminados de fibradevidriounidireccionalyresinadepolister.

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CAPITULO1:Introduccin

1.

INTRODUCCIN

1.1.

ANTECEDENTESHISTRICOSYESTADOACTUAL

La idea de proporcionar un soporte lateral a masas de tierra mediante el empleo de estructurasdecontencin,esbastanteantigua.Lasprimerasconstruccionesdelasque se tiene conocimiento en la que se ha empleado este concepto, corresponden a los monumentos megalticos, con estructuras que datan del ao 4000 A.C. Estas construcciones,quesonlasprimerasmanifestacionesarquitectnicasdelahistoria,se emplearon principalmente en la costa atlntica de Europa y en el Mediterrneo Occidental. Los megalitos fueron monumentos construidos con grandes bloques de piedra sin labrar. Un ejemplo tpico de este tipo de construcciones es el Newgrange Cairn, construido en Irlanda en el ao 3200 A.C. Esta estructura estaba constituida por un gran cilindro de 82 m de dimetro, en cuyo contorno se construyeron estructuras de contencin verticales de 4,20 m de altura formada por estas piedras, siendo posteriormenterellenadoensuinteriorporpiedraredondeadayturba.

Figura1.1:PlanoesquemticoyseccindelNewgrangeCairn. (TomadadeKerisel,1993.HistoryofRetainingWallDesign)

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CAPITULO1:Introduccin

Tambin se tiene registro del empleo de estructuras de contencin por parte de los egipcios, que fueron en la antigedad una de las primeras civilizaciones en construir grandesmonumentosyciudades,yquehoyendasonmotivodemuchaadmiracin por la majestuosidad de sus obras. Se cree que las primeras construcciones a gran escala realizadas por los egipcios datan del ao 2686 A.C., durante el reinado del faranJasejemuy.Losdosmaterialesdeconstruccinpredominantementeempleados porlosegipciosensusconstruccionesfueron,eladobeylapiedra. De la poca de los egipcios, destaca la construccin de muros como medio de contencindelasterrazasquesoportabaneltemplodeDemeterenPergamon,haciael segundo siglo A.C., considerada una de las mejores estructuras de contencin del mundoantiguo.Elmurotena14mdealturayunalongitudde80m,soportadopor 15 contrafuertes externos que se encontraban separados a una distancia de 5 m cada uno.

Figura1.2:Seccinverticalyhorizontaldelmurodecontencindelaterrazadel templodeDemeterenPergamon. (TomadadeKerisel,1993.HistoryofRetainingWallDesign) Eldesarrollodelascivilizacionestrajoconsigoelcrecimientodelasciudades,muchas de las cuales fueron fortificadas con muros de grandes alturas con propsitos de

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CAPITULO1:Introduccin

defensa. Esto dio como resultado, la aparicin de un tratado de fortificaciones de la EscueladeAlejandrayelprimerlibroimportantedeestructurasdecontencin,donde seponademanifiestolanecesidaddemayoresespesoresdelosmurosenproporcin a sus mayores alturas. Es as como en la Edad Media y durante el Renacimiento, se desarrollaron muchos otros tratados para fortificaciones, las cuales eran construidas principalmentedemampostera.Enunodeestostratados,publicadoporMarshalde Vaubanen1684,sesealaqueelespesordelabasedelosmurosdebaserfuncinde sualtura,recomendandoparaellounabasedeespesoriguala 0,2 H + 1,48 m . Durante muchos siglos no se produjo evolucin alguna en cuanto a los materiales desarrollados para la construccin de estructuras de contencin de tierras, que como puedeverse,erandiseadasprincipalmentedemampostera,tantodepiedracomode ladrillo,ademsdelempleoocasionaldeladobe.Laaparicindelhormignainicios del siglo XIX y su empleo en estas estructuras a partir del siglo XX, ha permitido construir muros con mayores prestaciones estructurales y geomtricas, como as tambinestticas. Tanto el hormign, que fue empleado inicialmente en masa, como los materiales tradicionales, han permitido disear estructuras que trabajan fundamentalmente por gravedad, en que el peso propio del material aporta la estabilidad a la estructura. Actualmente, an se emplean estos materiales para la construccin de este tipo de estructurasdecontencin,siendosuprincipallimitacinlaalturaquepuedenalcanzar. Los problemas debidos a la limitacin anteriormente sealada, fueron resueltos en parte con el desarrollo del hormign armado, con el cual se han alcanzado mayores alturas, con estructuras ms esbeltas y que permiten absorber no solo esfuerzos de compresin,sinotambindeflexin. A partir de la incorporacin de este material, se ha generado un fuerte desarrollo tecnolgicodurantetodoelsigloXXy,debidoaello,hanaparecidonuevasalternativas desolucincomocomplementoalasdeusomstradicional.ElavancealcanzadoenelEstudiodelaaplicabilidaddematerialescompuestosaldiseodeestructuras decontencindetierrasysuinteraccinconelterreno 3

CAPITULO1:Introduccin

desarrollo de estas estructuras ha pasado por la incorporacin de nuevos materiales parasudiseo,ladefinicindenuevosmtodosconstructivosylacreacindenuevos elementosestructurales,apartirdelosmaterialesdeusotradicional. Es as como gran parte de las actuales aplicaciones en ingeniera estn orientadas al refuerzodesuelos(coninclusindearmadurasmetlicasogeosintticos)yalempleo delhormignprefabricadoparalaconstruccindelosmuros(comopuedensermuros mnsula,muroscriba,murosdetierramecnicamenteestabilizada,etc.).Enestalnea, elIngenierofrancsHenryVidaldesarrollenladcadadelosaos60unatcnicaala quedenominTierraArmada,lacualconsisteenlaconstruccindeunterraplnque es reforzado mediante tiras metlicas y que es recubierto en su exterior, con placas prefabricadasdehormign.

Figura1.3:Aplicacindemurodetierramecnicamenteestabilizada. (Tomadadehttp://www.recousa.com,2008.TheReinforcedEarthCompany) Elempleodeelementosprefabricadospermiterealizarlostrabajosdepuestaenobra conunareduccindetiempoycoste,yunamejoraenlacalidadfinaldelaestructura, desde un punto de vista estructural y esttico. Adems, esta tcnica permite una reduccin del impacto medio ambiental, debido a la posibilidad de dar distintos acabadossuperficialesalaestructura.

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CAPITULO1:Introduccin

Actualmenteexistenenelmercadounavariedaddemtodosytcnicasdeestructuras decontencindetierras,queensugranmayoratienendirectaaplicacinaobrasde infraestructura viaria, tanto para carreteras como para obras ferroviarias, entre otras. Las estructuras de contencin de tierras en este tipo de obras son empleadas fundamentalmentepara:contencindetaludesinestablesdedesmontes;contencinde terraplenes ubicados a media ladera; y, como elemento de contencin de estribos de puentesypasossuperiores. Enestesentido,esposibledesarrollarnuevassolucionesdeestructurasdecontencin detierras,medianteelempleodematerialesnotradicionalescomoeselcasodelos materiales compuestos (composites). Los composites presentan la ventaja de tener un reducido peso en comparacin a otros materiales, como es el caso del hormign (pueden alcanzar densidades del orden de 0,10 a 0,20 t/m3), con lo que la puesta en obradeestasestructurassefacilita,nonecesitandoelempleodemaquinariasdegran envergadura para su instalacin, lo que permite tambin llegar a zonas de difcil acceso.Adems,algunosdeestosmaterialespresentanlaposibilidaddereciclaje,con loquesereduceelimpactoquesegenerasobreelmedio. La palabra composite se refiere usualmente a refuerzos con fibra de materiales metlicos, polimricos y cermicos, que fueron desarrollados inicialmente para la industriaaeroespacialenladcadadelosaos50.Elusodematerialescompuestosen laconstruccinhatenidounfuertedesarrollodesdelasegundamitaddelSigloXX,en especial,apartirdelaSegundaGuerraMundial,coneldescubrimientodelasmatrices plsticas,dondelaexpansindelosmaterialescompuestoshasidoconstante. Sus usos en ingeniera han sido variados, destacndose: refuerzo de hormigones con fibra de vidrio; construccin de diversas estructuras de edificacin; camisas para pilotes de hormign para su empleo en medios agresivos; y puentes en base a estos materiales,entreotros.

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CAPITULO1:Introduccin

Se trata de materiales heterogneos, constituidos por una matriz orgnica (polmero) asociada con un refuerzo fibroso, por lo general de vidrio, de carbono o de aramida. Lasfibrassonlasencargadasdeproporcionarlaspropiedadesmecnicasalmaterialy secaracterizanporsercontinuas.Losesfuerzosalosquesevesometidounmaterial compuestosonabsorbidosporestasfibrasytransferidosdeunafibraaotragraciasala matriz,lacual,ademsdetransferirlascargasalasquesevesometidoelmaterial,son responsablesdemantenerlasunidas. Los materiales compuestos disponen de ventajas con relacin a otros productos, aportandonumerosascualidadesfuncionalescomoson:ligereza;resistenciamecnica yqumica;mantenimientoreducido;libertaddeformas.Su usopermiteaumentarla vida til de ciertos componentes estructurales, gracias a sus propiedades mecnicas (rigidez, resistencia a la fatiga) y a sus propiedades qumicas (resistencia a la corrosin). Tambin enriquecen las posibilidades de diseo, permitiendo aligerar las estructurasyrealizarformascomplejasaptasparacumplirvariasfunciones. 1.2. PLANTEAMIENTODELPROBLEMA

En Espaa, se estn desarrollando una serie de proyectos relacionados con la construccindenuevasautovasyautopistas,comoastambinlneasferroviariasde altas prestaciones, cuyo propsito es mejorar sustancialmente las infraestructuras viarias con las que actualmente cuenta el pas y, con ello, alcanzar los estndares de serviciodeestasvasquepresentanotrospasesdelaComunidadEuropea. En esta lnea, se est desarrollando el Plan Estratgico de Infraestructuras de Transporte(PEIT)quecontemplaparaelao2020aumentar,porunlado,enun62% los kilmetros de autopistas y autovas existentes actualmente como as tambin el mejoramientodeantiguascarreterasy,porotrolado,extenderlareddeferrocarrilesde altas prestaciones hasta mejorar en un 66% las actuales condiciones que presentan dichasvas.Lamejoradeestasinfraestructurasinvolucralarealizacindeimportantes

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CAPITULO1:Introduccin

obras de ingeniera, muchas de las cuales estn directamente relacionadas con la construccindemurosdecontencindetierras,comocomponentedepasossuperiores oparacontencindedesmontes,entreotras. Junto a este desafo se encuentra la problemtica de que cada vez escasean los materialesdeusotradicionalconelquesediseanlosmurosdecontencindetierras, comosonridosyaguaparalafabricacindelhormign,materialconstituyentetanto de muros convencionales como prefabricados. Este problema genera un importante impactoambientalporlaescasezderecursosnaturales,loquellevaalaexplotacinde nuevascanterasparalaextraccindeestosmateriales. Finalmente, tanto la plataforma tecnolgica espaola de la construccin como la europea,fomentanelempleodematerialesdealtasprestacionescomocomponentede elementos estructurales, que le otorguen un mejor comportamiento ante las acciones solicitantes, con la posibilidad de fabricacin de piezas que se adecuen a distintas formasgeomtricasyquepermitanafuturosureciclaje.Losmaterialescompuestosse presentan como una alternativa completamente viable para cubrir las problemticas aquplanteadas,parasuempleoenmurosdecontencindetierras.

1.3.

OBJETIVOSYALCANCEDELAINVESTIGACIN

1.3.1. Objetivogeneral Evaluar el uso de los materiales compuestos para el diseo y construccin de estructurasdecontencindetierras,aserempleadasenobrasdeinfraestructuraviaria.

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CAPITULO1:Introduccin

1.3.2. ObjetivosEspecficos Estudiarlasdiversastipologasdeestructurasrgidasdecontencindetierrasque actualmenteseempleanenobrasdeinfraestructuraviaria,definiendolosmtodos dediseoparasuposteriordimensionamiento. Identificar,estudiarydefinirelmaterialcompuestomsadecuado,aserempleado en la construccin de una estructura de contencin de tierras rgida utilizada en obrasdeinfraestructuraviaria. Determinar el rozamiento en la interfaz material compuesto suelo, para el dimensionamiento de estructuras de contencin de tierras mediante ensayos de resistenciaenlaboratorio. Disear y modelar una estructura de contencin de tierras a base de materiales compuestos, evaluando su interaccin con el terreno y su comportamiento estructural. Aplicarelmodelodiseadoaunprototipodeestructuradecontencindetierrasa basedematerialescompuestos. 1.3.3. Alcancedelainvestigacin A travs de este proyecto de investigacin, se estudiar el desarrollo de una nueva aplicacindelosmaterialescompuestosenlaindustriadelaconstruccin,medianteel diseodeestructurasdecontencindetierrasfabricadasenbaseaestosmateriales.Se evaluarn distintas posibilidades de solucin (muros tipo mnsula, muros de tierra mecnicamente estabilizada, entre otros), a partir del anlisis del comportamiento geotcnico de dichas estructuras y de su interaccin con el terreno, y se propondr, finalmente,unprototipoquepuedaserutilizadoenobrasdeinfraestructuraviaria.

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CAPITULO1:Introduccin

1.4.

METODOLOGAEMPLEADA

Para el desarrollo de la presente Tesis Doctoral, se ha empleado la siguiente metodologa con el fin de dar cumplimiento a cada uno de los objetivos planteados anteriormente: (1) Sehanestudiadolasdiversastipologasdeestructurasrgidasdecontencin de tierras y se han definido los mtodos de diseo empleados para su dimensionamiento. Se ha definido el estado actual del conocimiento relativo a las estructuras rgidasdecontencindetierrasquesonempleadasenobrasdeingenieray, enespecial,orientadasasuusoenobrasdeinfraestructuraviaria.Paraello, se ha recopilado informacin bibliogrfica referente a este tema, la cual ha sidoextradadelibrosclsicosdemecnicadesuelosyartculosderevistas especializadas. As tambin, fueron consultados manuales de diseo y normativavigente,tantoanivelnacionalcomointernacional,ydiversossitios Webdeinterscientfico. Se estudiaron los diversos mtodos de clculo empleados en el diseo de estructuras rgidas de contencin de tierras, los cuales han sido aplicados, posteriormente, al dimensionamiento de estas estructuras a base de materiales compuestos. A partir de ello, se ha elaborado el primer captulo del estado del arte de las estructuras de contencin de tierras rgidas y sus mtodosdediseo. (2) Se ha definido el material compuesto ms adecuado para su empleo en estructuras rgidas de contencin de tierras para obras de infraestructuras viarias.

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CAPITULO1:Introduccin

Inicialmente, se ha abordado el estado actual del conocimiento de los materialescompuestosmedianteelestudioyanlisisdediversasbibliografas especializadaseneltema.Aligualqueenelpuntoanterior,sehaestudiado documentacin relativa a libros, artculos de revistas especializadas y sitios Web de inters cientfico, focalizando el conocimiento en el estudio de aplicacionesalaingenieray,especialmente,alageotecnia. El estudio de esta documentacin ha permitido identificar los principales materialesempleadoseneldiseodelosmaterialescompuestos(fibraymatriz), lasformasdeprocesadoylascaractersticasestructuralesquepresentanpara suempleoenaplicacionesalaingeniera. Conlaidentificacindelosdiversosmaterialescompuestossehanpreparado tres cuadros comparativos de ventajas y desventajas, considerando los aspectosfsicos,qumicos,mecnicosydecostes,tantodelosmaterialescomo delostiposdefabricacin.Apartirdeestosantecedentes,sehadefinidoel material compuesto ms idneo para su empleo en la construccin de una estructuradecontencindetierras. Definidoelmaterialcompuesto,sehaprocedidoalaseleccindeunadelas estructuras de contencin de tierras estudiadas en el objetivo 1, donde sea posiblesuaplicacin.Paraefectuardichaseleccin,seharealizadounanlisis tcnicoyeconmico. Comoresultadodeesteobjetivo,sehadesarrolladoelsegundocaptulodela Tesis, en el cual ha quedado definida la estructura de contencin de tierras conelmaterialcompuestoseleccionado. (3) Se ha determinado el rozamiento en la interfaz material compuesto suelo, paraeldimensionamientodeunaestructuradecontencindetierras.

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CAPITULO1:Introduccin

Se han realizado ensayos de caracterizacin fsica, qumica, mecnica y de compactacinadostiposdesuelos,quepuedenserempleadoscomomaterial de relleno en la construccin de estructuras rgidas de contencin de tierras paraobrasviarias. Paralelamente,sehadefinidolarugosidaddelmaterialcompuestoenfuncin delacabadosuperficialproporcionadodurantelaelaboracindeprobetasen laboratorio. Posteriormente,sehaevaluadolainteraccinentrecadasueloseleccionadoy elmaterialcompuestodefinidoenelobjetivo(2),realizandoparaelloensayos de corte directo en laboratorio. Estos ensayos han permitido obtener el rozamiento () entre el material compuesto y el suelo, seleccionando el mximovalorobtenidoapartirdecadaunadelascombinacionesensayadas. Los resultados de rozamiento () obtenidos han sido empleados para el dimensionamiento de la estructura de contencin de tierras seleccionada en estaTesisDoctoral,quehacorrespondidoaunmurodetierramecnicamente estabilizada. (4) Se ha diseado y modelado la estructura de contencin de tierras a base de materialescompuestos. Una vez definidos los diferentes modelos de clculo para el dimensionamientodeestructurasrgidasdecontencindetierras,elmaterial compuestomsidneoparasuempleoenestetipodeestructurasyelvalor del rozamiento material compuestosuelo obtenido de los ensayos, se ha realizado el diseo y modelacin de la estructura seleccionada para la aplicacindelmaterialcompuesto.

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CAPITULO1:Introduccin

Para efectuar el diseo se han estudiado, en primer lugar, todas las solicitacionesalasqueseverexpuestalaestructura.Acontinuacin,sehan efectuadotodaslascomprobacionesnecesariasqueexigelanormativaactual para el diseo de estructuras de contencin rgidas, calculando para ello la estabilidad del muro al deslizamiento, vuelco y hundimiento, junto con el anlisisdelaestabilidadglobaldelconjunto. Posteriormente, se ha efectuado la modelacin de la estructura de material compuestoconlascaractersticasdefinidasenlosobjetivosprevios.Paraello, sehaempleadounprogramadeclculoporordenadorbasadoenelementos finitos. Como resultado de lo anterior, se ha obtenido el dimensionamiento de la estructuradecontencindetierrasrgidaabasedematerialescompuestos. (5) Se ha propuesto un prototipo de estructura de contencin de tierras en materiales compuestos, para su posterior aplicacin y evaluacin de su comportamientotensodeformacional. Para ello, se ha propuesto la elaboracin de un prototipo de estructura de contencin de tierras a base de materiales compuestos, de acuerdo a los resultadosobtenidosencadaunodelosobjetivosanteriores,quepermitira futuro,laevaluacindesucomportamientoenuncasoreal. Este proyecto de Tesis Doctoral ha sido desarrollado, en parte, en el Departamento de I+D+i de Acciona Infraestructuras, por lo que se ha estudiadolaposibilidaddeaplicarymonitorizarelprototipodefinidoenuna obra,puestaenmarcharecientemente,delaqueseesperapuedanobtenerse resultados en el futuro, aplicables a otros trabajos en esta lnea de investigacinahoraabierta.12 Estudiodelaaplicabilidaddematerialescompuestosaldiseodeestructuras decontencindetierrasysuinteraccinconelterreno

CAPITULO2:Losmurosdecontencindetierras:tipologasydiseogeotcnico

2.

LOS MUROS DE CONTENCIN DE TIERRAS: TIPOLOGAS Y DISEO

GEOTCNICO 2.1. Una estructura de contencin de tierras2.1, denominada comnmente muro, es una estructurapermanente,relativamentergidaycontinua,quedeformaactivaopasiva produce un efecto estabilizador sobre una masa de terreno desequilibrada, natural o artificial, que se encuentra ubicada en su parte posterior (trasds). Terzaghi, Peck y Mesri(1996)lodefinencomounaestructuradestinadaasoportarsuelosquepresentan pendientesmayoresquesungulodereposo. Los muros de contencin de tierras son empleados en diversas actuaciones de la ingeniera,comoson:contencindetaludesyestribosdepasossuperioresenobrasde infraestructuraviaria(carreteras,ferrocarriles,etc.);contencindeterrenosenobrasde edificacin (a nivel superficial y en el interior del terreno); utilizacin para la construccindemuellesportuarios;contencindevertederos;entreotros.Suempleo data ya de hace varios siglos, pero solo a partir del siglo XVII aparecen las primeras contribuciones que han permitido desarrollar las teoras para su diseo geotcnico (Soriano,1996). Este tipo de estructuras acta generalmente como un elemento de transicin, destinadaoa establecer y mantener una diferencia de niveles en el terreno, con una pendientesuperioraloquepermitiralaresistenciadelmismo,transmitiendoasubase y resistiendo con deformaciones admisibles los correspondientes empujes laterales a losquesevesometido. INTRODUCCIN

Enlaliteraturasehablatantodeestructurascomodemurosdecontencindetierras,porlo queenestaTesisDoctoralseemplearnindistintamenteambaspalabras.2.1

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En ocasiones se emplean para estabilizar deslizamientos potenciales o ya existentes, donde el muro es introducido al pie del talud como elemento de contencin. En desmontes y terraplenes, en los que la falta de espacio impone condiciones de construccinconeldiseodetaludescasiverticales,elempleodemurospuedesercasi obligado. Este es un caso muy frecuente en la construccin de obras de infraestructurasviarias. Existendiversasclasificacionespor lascualessedistinguenlasdistintastipologas de murosdecontencindetierrasquesonempleadasenobrasdeinfraestructuraviaria. Enestecaptulosepresentanlasmssignificativas,queengeneralsonincluidasenla mayoradelostextosdeMecnicadeSuelos,yquecorrespondena:desdeunpuntode vista funcional; de acuerdo a la forma en como contrarrestan los empujes; segn la interaccinsueloestructura;y,segnelmaterialconelquesonfabricados. Las diversas tipologas de muros de contencin de tierrasque pueden ser empleadas en obras de infraestructura viaria, son diseadas para que resistan las acciones a las cualessevensometidas,ysegnlasnormativasactualesyeltipodeestructuraquese emplee,seanalizantantoporestabilidadexternacomoporestabilidadinterna. El diseo de un muro de contencin de tierras se realiza esencialmente por tanteos, definiendo unas dimensiones iniciales que son evaluadas para que la estructura sea establealvuelco,deslizamiento,hundimientoyestabilidadglobal,esteltimoapartir deunanlisisdeestabilidaddetaludesqueincluyalaestructura,elrellenodetrasds y el terreno de cimentacin. Para el anlisis de estabilidad interna, caracterstico de murosdetierramecnicamenteestabilizadaconarmadurasderefuerzo,dichoanlisis estorientadoaanalizarlaroturadelasarmadurasysuinteraccinconelmaterialde rellenoqueformaelmuropropiamentetal. Ladeterminacindelasaccionesqueactansobreunmuroyquepermitenefectuarel anlisisdesuestabilidad,serealizaapartirdeladefinicin,porunlado,delasfuerzas solicitantes que actan como fuerzas desestabilizadoras, y por otro, de las fuerzas14

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resistentes,queactancomofuerzasestabilizadorasyquecontribuyenalaestabilidad de muro. La determinacin de las fuerzas desestabilizadoras, se hace a partir de diversos mtodos de diseo geotcnico, siendo los mtodos desarrollados por Coulomb (1776) y Rankine (1857) los de ms amplia aplicacin para el dimensionamientodeestasestructuras. En este captulo se analizan, por un lado, la diversas tipologas que son empleadas actualmenteenobrasdeinfraestructuraviaria,presentandolasdistintasclasificaciones queseencuentranenlasreferenciasbibliogrficasestudiadas.Adems,seestableceel estado actual del conocimiento de los mtodos empleados para el dimensionamiento geotcnico de los muros de contencin de tierras presentados en los primeros apartados, desde las primeras contribuciones desarrolladas en el siglo XVII hasta aquellas utilizadas en la actualidad para la definicin de los empujes de tierras que actan en su trasds, debidos a: peso propio del relleno; sobrecargas; presencia de aguahidrosttica;compactacin;y,sismo. 2.2. Los muros de contencin de tierras pueden ser divididos en tres tipologas: muros convencionales, muros prefabricados y muros de tierra mecnicamente estabilizada. Los muros convencionales son los de uso ms extendido y los ms antiguos, emplendose para su fabricacin mampostera de piedra, hormign en masa y hormign reforzado. Los muros prefabricados (de hormign) y los muros de tierra mecnicamenteestabilizada(coninclusindearmadurasderefuerzoenelsuelo),son deusomsreciente,yactualmentesonempleadosenungrannmerodeaplicaciones, porsurapidezdeejecucin,porlasmenoresafeccionesquegeneranalmedioambiente y por la reduccin de costes que se alcanza en su proceso de fabricacin y puesta en obra. LOSMUROSDECONTENCINDETIERRAS

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Durante muchos aos los muros de contencin de tierras han sido construidos casi exclusivamente de hormign armado, siendo diseados como muros de gravedad y comomurosmnsula(cantilever). Estostiposdemurossonesencialmentergidosy, en general, pueden presentar problemas estructurales cuando son cimentados en suelos de pobres caractersticas geotcnicas. Adems,su coste aumenta ms en estas condiciones con el aumento de su altura, en comparacin a los muros de tierra mecnicamenteestabilizada. Elias,ChristopheryBerg(2001),hanpresentadounanlisiscomparativodecostesde algunos muros de contencin estudiados en funcin de su altura. En su estudio se puede observar que, los muros de tierra mecnicamente estabilizada son los que presentan los menores costes en comparacin a las estructuras rgidas, debido a que ellos pueden tolerar mayores asentamientos y alcanzar mayores alturas, por el efecto de refuerzo que se crea con la inclusin de las armaduras (figura 2.1). Los muros rgidosaumentansignificativamentesucosteparaalturasmayoresa7m,debidoaque esnecesarioreforzaradecuadamenteelhormignparalosmayoresesfuerzosalosque sevensometidos. Eldesarrollodecadaunadeestastcnicashapermitidodisponerenlaactualidadde un gran nmero de soluciones para las distintas aplicaciones mencionadas anteriormente, que se ajustan adecuadamente a los requerimientos que imponen los proyectos de ingeniera. Adems, ha llevado a la definicin de distintos tipos de clasificaciones,considerndoseengeneralparatodaslastipologaslassiguientes: segnlafuncinquecumplenenelterreno; segnlaformaencomocontrarrestanlosesfuerzosdelterreno; segn la interaccin sueloestructura que se crea en el contacto entre ambos materiales,y; segnlosmaterialesquesonempleadosparasufabricacin.

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800

Coste(dolar/m2)

600

400

200

0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Altura(m) Cantilever Criba TMEmetal TMEgeosinttico

Figura2.1:Costesrelativosdemurosdecontencindetierras. (TomadadeFHWANHI00043,2001.MechanicallyStabilizedEarthWallsandReinforced SoilSlopesDesignandConstructionGuidelines) 2.2.1. Clasificacindelosmurosdecontencindetierras Diversas clasificaciones de los muros de contencin han sido planteadas histricamente.Desdeunpuntodevistafuncional,losmurosdecontencinsepueden dividir en tres tipos fundamentales: de sostenimiento, de contencin y de revestimiento(JimnezSalasetal,1981).

Figura2.2:Tipologasdemurossegnsufuncionalidad:(a)desostenimiento;(b)de contencin;(c)derevestimiento. (TomadadeJimenezSalasetal,1981.GeotecniayCimientosII) 17

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Los primeros son aquellos que se construyen separados del terreno natural, y que posteriormenteserellenancontierrasensutrasds.Losmurosdecontencinsonlos construidos directamente contra un talud en terreno natural, sin relleno en su trasds. Finalmente, los muros de revestimiento son diseados para recubrir y protegeruntaluddelaerosin,arrastreometeorizacin,siendoelementosdedelgado espesor adosados a un terreno natural en pendiente (en general son los menos empleados). Otra importante clasificacin de los muros se basa en la forma de cmo ellos contrarrestanlosesfuerzosdelterrenoalosquesevensometidos.Existenmurosde gravedad, en los que el efecto estabilizador viene dado por su peso propio, y muros aligerados,enlosqueelefectoestabilizadorvienedadoporelaprovechamientodelas tierrasquesoncolocadasensutrasds(casotpicodelosmurosmnsula). Porotrolado,enfuncindelainteraccinsueloestructura,losmurossuelendividirse endosgrandesgrupos2.2: Estructurasrgidas:queporsuscondiciones(dimensiones,morfologa,etc.)no cambiandeformabajolosempujesdelterreno,esdecir,quesusmovimientos son perfectamente de giro y/o traslacin, sin que se produzcan deformaciones significativasdeflexin. Estructuras flexibles: que por contraposicin con las anteriores, son aqullas que por sus condiciones soportan los empujes de tierras experimentando deformaciones a flexin considerables, o las que debido a sus deformaciones modificanlaconfiguracindelosempujesdelterreno. Finalmente,losmurosdecontencinpuedenserclasificadosporelmaterialconelcual sonfabricados.Antesdelaaparicindelhormignarmado,lamayoradelosmuros decontencinerandiseadosenbaseamamposteradepiedrayhormignenmasa.

2.2

Ortuo,L.(2005).Empujessobremuros.Murosconvencionales. Estudiodelaaplicabilidaddematerialescompuestosaldiseodeestructuras decontencindetierrasysuinteraccinconelterreno

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Dadoquelaestabilidaddeestasestructurasesdebidaprincipalmenteasupesopropio, sontambinconocidoscomomurosdegravedad. La aparicin de muros de hormign armado ha permitido reducir el peso de la estructurayconelloaumentarsualtura,porloquegeneralmentesonllamadosmuros aligerados. En funcin de su configuracin geomtrica, estos muros pueden ser de semigravedad,cantilever(oenmnsula)yconcontrafuertes.Suestabilidadesdebida alpesodetierrasqueseubicaenlaparteposteriordelmuroysobrelazapata. 2.2.2. Tipologasdemurosdecontencin Tal como se mencionara en el apartado 2.2, los muros de contencin pueden ser divididos en tres tipologas: muros convencionales, muros prefabricados y muros de tierra mecnicamente estabilizada. Esta subdivisin permite diferenciar aquellos murosquesoncompletamenteconstruidosinsitu(murosconvencionales),deaquellos de aparicin ms reciente y que son fabricados mediante un proceso industrializado (murosprefabricadosymurosdetierramecnicamenteestabilizada). Laaparicindemurosprefabricadosenelmercadohatradoinnumerablesbeneficios, no solo en lo referido al costo de construccin, sino tambin a aspectos medioambientales,alarapidezdeejecucindelasobrasyaldesarrollodeunatcnica que permite alcanzar mayores alturas, adecundose as a los requerimientos que imponenlosproyectos.Estosbeneficiostambinhansidoalcanzadosconlosmurosde tierra mecnicamente estabilizada, siendo adems posible su empleo en zonas con suelosquepresentaninadecuadaspropiedadesgeotcnicas. Dentro de cada una de estas tipologas es posible incluir varios tipos de muros de contencin, dependientes principalmente de los materiales empleados para su construccinydesugeometra.

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2.2.2.1. Murosconvencionales Losmurosconvencionales,otambinllamadostradicionales,seencuentranincluidos dentro del grupo de los denominados rgidos, definidos como aquellos que, ante los empujesdetierras,por suformay dimensionessufrenpreferentementemovimientos degiroy/otraslacin,sindeformacionessignificativasdeflexin,queasuvezpueden dar lugar a modificaciones en la distribucin de empujes. Los movimientos que puedenproducirseencualquiertipologadeestosmuros,dependenprincipalmentede lascondicionesdecimentacindelaestructura. Dentro de esta tipologa se pueden incluir los muros de gravedad, los muros de semigravedad,losmurosenLoTinvertida(mnsula)ylosmurosconcontrafuertes. Deestos,losmurosmnsulasonlosquepuedenversemsafectadosporladeflexin de su alzado, debido a que estos muros son ms ligeros con relacin a los muros de gravedad.

Figura2.3:Diversastipologasdemurosconvencionales.

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2.2.2.2. Murosdegravedad Es la tipologa de muro ms antigua, y pueden ser fabricados de hormign en masa, mampostera y fbrica. Suelen dotarse de una leve pendiente en el intrads, con el propsito 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 compresin, no precisandodearmadurasdadaestascaractersticas.Adems,puedenserdevariadas formasysonlosmsresistentesalosagentesdestructivos.Engeneralnoesfrecuente elempleodeestosmurosparaalturasmayoresa8m.

Figura2.4:Murodegravedaddemampostera. Como estos muros pueden sufrir algn movimiento al entrar en carga, si ste es de giro,conlainclinacindelintradsseevitanefectosvisualesindeseablesdedesplome, loquetiendeaocurrircuandoelintradsesvertical.Conrespectoaltrasds,tambin puedeejecutarseconinclinacin,loqueresultafavorableparalaestabilidad. Unodelosinconvenientesdelosmurosdegravedadeselhechodequesupesoest limitado por la resistencia del cimiento, situacin muy importante si el material del mismoesarcilloso.Porcontrapartida,laprincipalventajaquepresentanestosmuros

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essufacilidadparaserconstruidosyelreducidocostequepresentanalserempleados enestructurasdepequeaaltura.Dentrodeestacategoratambinseencuentranlos muros criba, los muros de gaviones y los de escollera, que suelen disearse como murosdegravedad. Los muros criba, o tambin denominados muros jaula, estn formadospor dos clases de vigas cortas, que pueden ser de hormign prefabricado o madera y que se entrecruzan entre s, formando un armazn que es rellenado posteriormente con material granular drenante. Generalmente son instalados con su intrads en pendiente,aunquepuedeserverticalparaaplicacionesdeescasaaltura.

Figura2.5:Murodecontencintipocribas. Los muros de gaviones estn formados por elementos metlicos confeccionados con redes de malla hexagonal de doble torsin, que son rellenados posteriormente con gravas.Estosmurossuelenserdealturamoderada(delordende5m),aunquesehan construido muros de 25 m de altura con resultados satisfactorios. Las unidades de gaviones son firmemente unidas entre s con redondos que los conectan, fijados a travsdecosturasconalambresdeigualescaractersticasalosqueformanlasmallas, demododeformarunaestructuracontinua.

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Figura2.6:Murodecontencindegaviones. Laeleccindelmaterialaserempleadoenlaconstruccindeestetipodeestructuras, referido esto a las caractersticas de la malla o el material de relleno, es fundamental para la obtencin de una estructura realmente eficaz. La malla, en particular, debe poseerunaelevadaresistenciamecnica,elevadaresistenciacontralacorrosin,buena flexibilidadynoserfcildedestejerodesmallar. Los muros de escollera estn constituidos por bloques ptreos, que son obtenidos generalmenteporvoladura,conformasmsomenosprismticasysuperficiesrugosas. Tanto los muros de gaviones como los muros de escollera presentan la ventaja de su granflexibilidadalserempleadosenestabilizacindetaludes,principalmenteporsu capacidaddesufrirmovimientosimportantessinromperse,manteniendontegrassus caractersticasbsicascomoelementodecontencin(Ortuo,2005).

Figura2.7:Murodecontencindeescollera.

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2.2.2.3. Murosdesemigravedad Estos muros son una variante de los denominados muros de gravedad, constituidos fundamentalmenteporhormignyquevanligeramentearmados,conloquesereduce enpartesupesoalnecesitarsedemenoshormignparaserconstruidos.Lareduccin delaseccindehormignsueleirasociadaaunareduccindesubasedeapoyo,ypor lotantoaunaumentodelaspresionessobreelterreno.Dadasuscaractersticas,estos murossuelenserconsideradostambincomomurosaligerados. 2.2.2.4. Murosmnsulayconcontrafuertes Estos tipos de muros son empleados ante la necesidad de reducir el volumen de materiales a emplear. Existen de dos tipos: los muros mnsula y los muros con contrafuertes. Los muros mnsula, en L o T invertida (tambin denominados cantilever), estn constituidos por una losa o zapata sobre la que se levanta el alzado, siendo generalmente de espesor reducido, absorbiendo las flexiones de la mnsula mediante armadurasencillaodoble.Tambinpuedenllevarzarpasenlazapata,cuyopropsito esmejorarsuresistenciaaldeslizamiento.

Figura2.8:Murodecontencintipomnsula.24

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Losmurosmnsuladeusomstradicional(enTinvertida),estnconstituidosporuna zapata y un alzado. La parte de la zapata que sobresale hacia el intrads, suele denominarse puntera, mientras que la que se extiende hacia el trasds, taln. Sobre el taln, una parte de las tierras correspondientes al relleno del muro gravitan sobre l, dndole estabilidad y confirindole al conjunto murorelleno caractersticas quelohacenfuncionarglobalmentecomomurodegravedad(Ortuo,2005). La presin que ejerce este tipo de estructuras sobre el cimiento, es menor que la que generalosmurosdegravedad,porloquesonadecuadoscuandolacimentacinposee caractersticas geotcnicas deficientes. El empleo de este tipo de estructuras es recomendableparaalturasnosuperioresa14m. Los muros de contrafuerte son una variante de los muros L. A intervalos regulares tienenplacasdelgadasdehormignconocidascomocontrafuertes,queconectanentres el muro (alzado) con la losa de base. Con esto se reduce la fuerza cortante y los momentosflectores.Estoscontrafuertespuedenserubicadoseneltrasdscomoenel intrads,aunquesuempleomshabitualeseneltrasds. 2.2.3. Murosprefabricados Los muros convencionales en muchas ocasiones resultan inadecuados por los requerimientosencuantoaestabilidadydeformabilidaddesucimentacin.Adems, la mayor demanda para la conservacin del medio ambiente obliga a que las obras interfieranlomenosposibleconelaspectonaturaldelentorno. A partir de ello, en las ltimas dcadas han aparecido en el mercado nuevas alternativas de solucin que compaginan las funciones resistentes con las ecolgicas. Estas nuevas alternativas corresponden a estructuras de contencin prefabricadas, fabricadasprincipalmenteenhormign,quepermitenalcanzarunamayorrapidezde ejecucindelasobrasyunaminimizacindelimpactoambiental.

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Los muros prefabricados de hormign son elaborados total o parcialmente por un proceso industrial mecanizado. En algunos casos se hace necesaria la colocacin de armaduras, con el propsito de resistir los esfuerzos de flexin a los que se ven sometidos.Segnsudiseoestructural,losmurosprefabricadosdehormignpueden serclasificadosentresgrandesgrupos,comopuedeverseenelsiguienteesquema: Murosprefabricados dehormign

Murosprefabricados empotrados

Murosprefabricados degravedad

Murosdebloques prefabricadosdehormign

Murosdepantalla prefabricadayzapata insitu

Murodemdulos prefabricadosverdes

Murosdepantalla prefabricadacon tiranteyzapatainsitu

Murodebloques macizos

Muros completamente prefabricados

Murosdelamas

Murodepantalla aligerada

Las principales ventajas que lleva asociada la utilizacin de este tipo de muros de contencindetierras,son: Reduccindetiempoydecostesenlaejecucindelaobra,influenciadoporla sencillezdemontajedeloselementosprefabricados.

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-

Reduccindelosrecursoshumanosnecesariosparasupuestaenobra,conuna menormanodeobraespecializada.

-

Mejoradelacalidadfinaldelaestructura. Reduccin del impacto ambiental, con la posibilidad de obtener diferentes acabados dependiendo del entorno donde se ubique la estructura de contencin.

2.2.3.1. Murosprefabricadosempotrados Este tipo de muros trabaja en voladizo, el cual es formado por un elemento plano o nervado, continuo o discontinuo, pretensado o postensado, y que se encuentra empotrado en su base. Sus dos funciones principales son las de sostenimiento y contencindetierras,yentranencargacuandoescolocadoelmaterialderellenoensu trasds.Lamximaalturaquepuedenalcanzarestostiposdemurosesde16,0m.

Figura2.9:Murodepantallaprefabricadayzapatainsitu. 2.2.3.2. Murosprefabricadosdegravedad Son aquellos formados por elementos prefabricados, generalmente de hormign, que sonestablesporsupropiopesosinqueexistanesfuerzosdetraccinenalgunosdesus 27

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elementos, y que pueden ser de mdulos huecos o de bloques macizos. La mxima alturaaconsejableparaestetipodemuros,oscilaentre20,0y24,0m.

Figura2.10:Murodemdulosprefabricadosverdes. 2.2.3.3. Murosdebloquesprefabricadosdehormign Son muros realizados mediante la superposicin de bloques abiertos, no macizos, y queseunenentresporunmorterodecemento.Engeneralsuusoselimitaamuros de pequea altura (mximo 3,0 m), siendo necesario en algunos casos armarlos interiormente, con barras de acero y hormign. Adems, suelen unirse a la cimentacinmediantearmadurasdeespera.

Figura2.11:Murodebloquesprefabricadosdehormign.

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2.2.4. Murosdetierramecnicamenteestabilizada Laideadelatierramecnicamenteestabilizadafuedesarrolladaporprimeravezenlos aos60delsiglopasado,porelIngenieroFrancsHenriVidal(Schlosser,1972),quin creoypatentlaTierraArmada. La tecnologa creada por Vidal consiste en la estabilizacin mecnica de un terrapln pormediodelainclusindetirasmetlicas,lascualesrefuerzanelsueloporelefecto de interaccin 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 est constituido por diversas placas, tal como se muestra en la figura 2.12 y que en la tecnologa original desarrolladaporVidal,erandeacero.Laconfiguracingeneraldeunaestructurade tierra mecnicamente estabilizada y sus componentes, se muestra en la siguiente figura:

Figura2.12:ComponentesdeunmurodeTierraArmada.

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ApartirdelacreacindelatecnologadeTierraArmada,sehandesarrolladodiversas alternativas de muros de tierra mecnicamente estabilizada mediante el empleo de nuevos materiales. As, como material de refuerzo se emplean actualmente tiras y mallas metlicas (armadura inextensible), y diversos materiales polimricos como pueden ser geotextiles y geomallas (armadura extensible), mientras que como materialderevestimientoelhormignprefabricadoesempleadoenlagranmayorade lasaplicaciones. El proceso constructivo de estos muros consiste en la ejecucin de un relleno compactado en capas de espesor uniforme, el cual es contenido por placas de revestimiento que son instaladas al finalizar la compactacin de cada capa. A cada nivel de tierras se instalan las tiras de refuerzo que son conectadas a las placas medianteadecuadossistemasdesujecin.Estosmurospuedenalcanzaralturassobre los30m,dependiendodelasaplicacionesparalascualessonempleados.

Figura2.13:MurodeTierraArmadaysistemadeconexinparatirasderefuerzo.

Lasplacasderevestimientoempleadasenestosmurostienendistintasconfiguraciones geomtricas (rectangulares, hexagonales y/o en forma de cruz), y en general sus dimensiones son de 1,501,50 m. En cuanto a los sistemas de refuerzo, estos son instaladosenelrellenoaintervalosregulares,conseparacinvertical(Sv)yhorizontal (Sh)deaproximadamente0,75m,yenelcasodesermetlicos,sonelaboradosdeacero galvanizadoporlosproblemasdecorrosinaloscualessevensometidos.

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2.3.

DISEO GEOTCNICO DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIN DE

TIERRAS 2.3.1. Introduccin El diseo geotcnico de un muro de contencin de tierras se realiza a partir de la determinacin de los esfuerzos a los que estar sometida la estructura, mediante los cualesseevalasuestabilidadysedefinelaconfiguracingeomtricacapazderesistir dichos esfuerzos en forma segura. Estos esfuerzos, denominados comnmente empujes,seobtienenconsiderandolassiguientesacciones: empujesdelastierrasubicadaseneltrasdsdelaestructura; eventualessobrecargasexistentesenlasuperficiedelrellenodeltrasds; accin del agua por presencia de un nivel fretico (esfuerzo hidrosttico) o cursosdeagua(esfuerzosdefiltracin); efectosdelprocesodecompactacinenlosempujesdetrasds;y/o, accionesdecarcterextraordinariootemporal,comopuedeserlaaccindeun sismo. Los empujes de tierra son generalmente obtenidos mediante mtodos de clculo simplificados, de base analtica o emprica, los cuales han sido desarrollados a partir delsigloXVIIIyqueactualmentesiguensiendoempleadosparaeldiseodemurosde contencindetierras.Detodosellos,losdemsampliaaplicacincorrespondenalos mtodospropuestosporCoulomben1776yporRankineen1857. La teora planteada por Coulomb, mediante el estudio del mtodo de mximos y mnimos aplicado al problema del empuje de tierras, permiti explicar el comportamiento de rotura de los suelos a travs de la definicin de la lnea de rotura crtica que se crea en el trasds de un muro, cuando se alcanza la condicin de equilibrio lmite, la cual es obtenida una vez que se han estudiado varias superficies

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potenciales de falla. En s su teora considera que para una superficie potencial de falla,seproduceundeslizamientocomounslidorgidodelterrenodeltrasdsdela estructuraporesfuerzocortante,unavezquesehamovilizadosumximaresistencia alcorte. Porsuparte,lateorapropuestaporRankinefueunadelasprimerasqueincorporel conceptodeplasticidadalestudiodelcomportamientodelsuelobajodiversosestados tensionales.Mediantelaaplicacindelateoradelaresistenciaalcortedelossuelos propuesta por Coulomb, Rankine determin los estados tensionales que alcanza una masa semiinfinita de suelo arenoso cuando se mueve paralelamente a la superficie, definiendoestadoslmitesunavezqueelsueloalcanzalacondicinderotura.Aestos estados lmites los denomin estados de equilibrio plstico, y a partir de ellos ha sido posible explicar de una forma ms racional los fenmenos de rotura posibles en una masadesuelo(Soriano,1996). Losmtodosdeclculodesarrolladosporestosinvestigadorespermitendeterminarla magnituddelempujedetierrasquesegeneraeneltrasdsdeunmurodecontencin, paraposteriormenteevaluarsuestabilidadantedichassolicitaciones.Laobtencinde estos empujes est basada en consideraciones de equilibrio lmite, mediante la definicin,segnelcaso,dedosestadosdetensiones,activoypasivo,apartirdelos cualeselsueloalcanzasuestadoderotura.Enlaactualidadsiguensiendolosmtodos msempleadosparaeldimensionamientodediversosmurosdecontencindetierras con resultados satisfactorios, como los muros convencionales y los muros de tierra mecnicamenteestabilizados,entreotros. Elempujequegeneraelterrenoubicadoeneltrasdsdeunmuroplanteaunproblema complejo de interaccin sueloestructura, debido a que la magnitud del empuje depende de los desplazamientos y deformaciones que sufra la estructura (Ortuo, 2005). En este sentido, los mtodos de clculo sealados anteriormente no proporcionan informacin sobre los movimientos del muro, lo cual puede ser

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estudiado mediante el empleo de mtodos