Conoce paso a paso el análisis y diseño de un muro de contención
By Ph.D. Carolina Hernández Valerio (Septiembre 2023).Los muros de retención son elementos fundamentales en la ingeniería civil, desempeñando un papel crucial en la estabilidad y seguridad de estructuras en terrenos inclinados o con desniveles. En este blog, explicaremos en detalle los diferentes tipos de muros de retención, así como los principios clave de su análisis y diseño. Desde muros de gravedad hasta muros de contención con contrafuertes, descubriremos cómo estos elementos pueden resistir la presión de la tierra y el agua, garantizando la integridad de las edificaciones y la protección del entorno circundante.
Tipos de muros de retención
Hay muchos tipos de muros de contención; se clasifican principalmente según su comportamiento frente al suelo como se muestra en la Fig. 1:
- Los muros de contención por gravedad se construyen con concreto simple o mampostería de piedra. Dependen principalmente de su propio peso y del suelo que descansa sobre la pared para su estabilidad. Este tipo de construcción no es económico para muros superiores a 3m.
- Los muros de contención de semigravedad son modificaciones del muro de gravedad en los que se introducen pequeñas cantidades de acero de refuerzo para minimizar la sección del muro.
- Los muros de contención en voladizo son el tipo más común de muros de contención y generalmente se usan para muros de hasta 8 m de altura. Su nombre se debe a que sus piezas individuales se comportan y están diseñadas como vigas en voladizo. Su estabilidad es función de la resistencia de sus partes individuales.
- Los muros de contención de contrafuerte son similares a los muros de contención en voladizo, a intervalos regulares, sin embargo, tienen losas de concreto verticales delgadas detrás del muro conocidas como contrafuertes que unen el muro y la losa de base y reducen el momento cortante y de flexión. Son económicos cuando la altura de la pared supera los 8 m. Mientras que, si el arriostramiento está delante del muro y está en compresión en lugar de tensión, el muro se llama muro de contención de contrafuerte.
- Los estribos de puentes son un tipo especial de muros de contención, que no sólo contienen el relleno de acceso, sino que también sirven como soporte para la superestructura del puente.
- Muros ataguías: son celdas o unidades que se rellenan con tierra o elementos armados de piezas prefabricadas de concreto o metal y se soportan mediante piezas de anclaje empotradas en el suelo para su estabilidad.
- Los muros de Tablestacas: se clasifican como; muros de tablestacas anclados y en voladizo; cada tipo de ellos se puede utilizar en paredes de una o dos láminas.
- Muros Anclados: Estos muros se refuerzan con cables o varillas que se extienden hacia el suelo detrás del muro. Los cables proporcionan soporte adicional y reducen la presión sobre la pared.
- Muros de pilotes tangentes: estos muros se crean instalando pilotes a lo largo de la línea del muro y luego llenando el espacio entre ellos con concreto u otros materiales. A menudo se utilizan en espacios reducidos y donde se espera movimiento del suelo.
- Paredes de pilotes secantes: estos muros se crean instalando pilotes superpuestos que se entrelazan entre sí, creando un muro continuo. Por lo general, se utilizan en áreas con condiciones de suelo desafiantes o donde es necesario controlar el agua subterránea.
- Muros MSE: (Muros de tierra mecánicamente estabilizados) son sistemas de muros de contención que utilizan capas de refuerzo de suelo junto con un material de revestimiento. Estos refuerzos, a menudo hechos de acero o tiras geosintéticas, se colocan en capas horizontales dentro del suelo de relleno para crear una estructura estable. La combinación del revestimiento y el suelo reforzado retiene eficazmente la tierra y resiste deslizamientos y vuelcos.
Consideraciones de diseño
El diseño del muro de contención continúa con la selección de dimensiones tentativas, ver Fig. 2, que luego se analizan para determinar los requisitos estructurales y de estabilidad y se revisan según sea necesario. Dado que se trata de un proceso de prueba, se pueden obtener varias soluciones al problema, todas ellas satisfactorias.
Fuerzas que actúan en los muros de retención
El diseño de un muro de contención debe tener en cuenta todas las cargas aplicadas. Las cargas que son de principal preocupación son las presiones laterales del suelo inducidas por el suelo retenido. En condiciones normales, la presión lateral del suelo está en condición de reposo. Pero, si el muro se desvía ligeramente, se ejercieron tensiones en el suelo, estas son; un empuje de tierra pasivo (PP) delante del muro, y un empuje de tierra activo (Pa) detrás del muro. Para propósitos de diseño, la presión pasiva del suelo frente al muro se desprecia para evitar cualquier problema resultante de la remoción del suelo frente al muro.
Se supone que las presiones activa y pasiva aumentan linealmente con la profundidad en función del peso del suelo. La magnitud y dirección de estas presiones, así como su distribución, dependen de muchas variables; tales como la altura del muro, la pendiente de la superficie del terreno (β), el tipo de relleno utilizado, el drenaje del relleno, el nivel del nivel freático, las cargas agregadas aplicadas sobre el relleno (recargos ya sea por cargas vivas o muertas), el grado de compactación del suelo y movimiento del muro provocado por la acción del relleno. Las fuerzas que actúan sobre un muro de contención con relleno nivelado o inclinado se muestran en la Fig. 3.
Consideraciones de estabilidad
Al principio, se pueden utilizar dimensiones tentativas y luego analizarlas tanto externas como internas (requisitos de diseño estructural); para estos fines, pueden ser útiles los programas informáticos para el diseño y análisis de muros de contención.
Estabilidad externa
El cálculo de la estabilidad externa del muro incluye los siguientes pasos:
(1) Compruebe si hay vuelcos sobre la punta (punto O)
Este factor de seguridad debe ser mayor o igual a 1.5 para suelos friccionantes y mayor o igual a 2 para suelos cohesivos. Para determinar las fuerzas y momentos resistentes se debe preparar la siguiente tabla:
(2) Verifique el deslizamiento a lo largo de la base del muro
En los análisis de estabilidad al deslizamiento, es una práctica común omitir el suelo delante del muro.
≥ 1,5 para suelos no cohesivos o ≥ 2,0 para suelos cohesivos
donde, la fuerza de deslizamiento (FS) = (Pa + Ps) o (Pah + Psh)
La fuerza resistiva es igual a:
Ubicación del resultante de ΣV del pie:
Nota: Si el factor de seguridad no se cumple aumente la dimensión de la base B, o use una llave debajo de la base cerca del vástago o en el talón, como se muestra en la Fig. 4.
(3) Verifique si hay fallas en la capacidad de carga del suelo base
Calcule la excentricidad como:
Verifique eB con B / 6: para ver si la resultante de ΣV (todas las fuerzas verticales, incluida la componente vertical de Pa) está dentro del tercio medio o no, y cae a la derecha o a la izquierda de la línea central de la pared. Si e ≤ B / 6, la presión máxima del rodamiento se calcula mediante:
Si e > B / 6 , la presión máxima del rodamiento se calcula mediante:
Nota: En este caso es mejor cambiar la dimensión (B) hasta que la excentricidad sea e ≤ B / 6 . La capacidad de carga neta última del suelo base se puede calcular a partir de la ecuación de Hansen, considerando el muro como una zapata continua con un ancho B′ a una profundidad Df utilizando los parámetros de resistencia al corte c 2 y φ2 para el suelo base.
(4) Verifique los asentamientos
Los asentamientos son calculados con las fórmulas utilizadas en cimentaciones dependiendo de las condiciones de deformación del suelo base. Es necesario verificar los asentamientos diferenciales permisivos.
(5) Verifique la falla rotacional o de corte profundo.
Por lo general, la inclinación es el resultado de la rotación alrededor del pie. Esto puede atribuirse a un peso de relleno adecuado o por la falla de la cimentación en la zona del pie resultante de una mala capa de suelo debajo de la zapata.
La estabilidad rotacional se puede investigar utilizando el método del círculo sueco de la siguiente manera:
- Dibujar el sistema muro-suelo y las capas de suelo a una escala conveniente y grande.
- Dibuje un círculo con un radio suficiente para penetrar cualquier capa subyacente blanda.
- Calcule todas las fuerzas que actúan contra el plano vertical a través del punto de apoyo y el brazo de momento con respecto al centro del círculo de prueba.
- Divida el círculo de prueba en un número conveniente de cortes y calcule el peso de los cortes y los componentes de fricción y cohesión (tangenciales) que actúan sobre la base de cada corte.
- Realice una suma de momentos alrededor del centro del círculo para obtener el factor de seguridad.
- Hacer varias pruebas para encontrar el factor mínimo de seguridad. Si este es demasiado pequeño, se puede revisar las dimensiones del muro o colocar la base a mayor profundidad. El factor de seguridad no debe ser inferior a 1,5.
Estabilidad interna
(1) Diseño del muro
El corte y los momentos en el muro se encuentran usando ecuaciones diferenciales ya que la distribución de presión es triangular:
Divida el muro en (4) secciones que estén en; y = 0, 0.25H, 0.5H, 0.75H y H. Luego, determine (d) a partir del cortante y los momentos de la viga ancha como se muestra a continuación y compare los valores (d) obtenidos con los disponibles y use el valor (d) mayor.
El acero de refuerzo puede ser calculado siguiendo las especificaciones de la norma ACI 318.
(2) Diseño de la base
La distribución de esfuerzos en la base del muro se indica en la siguiente figura:
El espesor del pie y el talón se calcula como:
Encuentre V en (d) desde la cara del muro; en el punto (A) donde: ( x = x T − d ) y d = tbase − 7,5 cm − db/2 . Encuentre V en (d) desde la cara del vástago; en el punto (B) donde: ( x = x H − d ) y d = tbase − 7,5 cm − db/2 .
El acero de refuerzo es calculado como:
Conclusiones
En resumen, los muros de contención son elementos esenciales en la ingeniería civil y la construcción, ya que proporcionan estabilidad, previenen daños por deslizamientos de tierra o inundaciones, permiten la construcción en terrenos difíciles y mejoran la utilización del espacio en diversas aplicaciones, además de tener propósitos estéticos en algunos casos. En este blog describimos los aspectos básicos de diseño y análisis de muros de contención, sin embargo, su diseño y construcción dependen de factores como la topografía del terreno, el tipo de suelo, la carga esperada y otros aspectos técnicos.