¿Cuándo utilizar un muro mecánicamente estabilizado?
By Ph.D. Carolina Hernández Valerio (Septiembre 2023).Los Muros de Suelo Estabilizados Mecánicamente (MSEW) representan una solución eficiente en costos para la retención de suelos, capaces de soportar asentamientos notables en comparación con las estructuras de hormigón armado. Al incorporar elementos de refuerzo en tensión, conocidos como inclusiones, en el suelo, se logra un notable fortalecimiento de la resistencia del terreno, permitiendo que la cara vertical del sistema suelo-refuerzo se sostenga prácticamente por sí misma. Además, mediante el uso de un revestimiento para evitar la erosión entre estos elementos de refuerzo, es posible construir muros con pendientes pronunciadas y estructuras verticales con total seguridad. En determinadas situaciones, estas inclusiones también pueden resistir fuerzas de flexión debidas a esfuerzos cortantes, añadiendo una capa adicional de estabilidad al sistema. En esta publicación, examinaremos en detalle los componentes que componen un MSEW y sus aplicaciones más destacadas.
Aplicaciones de los muros mecánicamente estabilizado (MSE)
Las estructuras MSEW son alternativas rentables para la mayoría de las aplicaciones donde tradicionalmente se han utilizado muros de hormigón armado o de gravedad para retener el suelo. Estos incluyen estribos de puentes y muros laterales, así como áreas donde el derecho de paso está restringido, de modo que no se puede construir un terraplén o excavación con pendientes laterales estables. Son particularmente adecuados para construcciones económicas en terrenos empinados, en terrenos sujetos a inestabilidad de pendientes o en áreas donde los suelos de cimentación son pobres
Los muros MSE ofrecen importantes ventajas técnicas y de costos sobre las estructuras de contención de hormigón armado convencionales en sitios con malas condiciones de cimentación. En tales casos, la eliminación de costos para mejoras de cimientos, como pilotes y encepados, que pueden ser necesarios para soportar estructuras convencionales, ha resultado en ahorros de costos de más del 50 por ciento en proyectos completados.
Algunos usos exitosos adicionales de los muros MSE incluyen:
- Estructuras temporales, que han resultado especialmente rentables para los desvíos temporales necesarios para los proyectos de reconstrucción de carreteras.
- Diques de suelo reforzado, que se han utilizado como estructuras de contención para embalses de agua y desechos alrededor de tanques de almacenamiento de petróleo y gas natural licuado. (El uso de diques de contención de suelo reforzados es económico y también puede generar ahorros de terreno porque se puede utilizar una cara vertical, lo que reduce el tiempo de construcción).
- Represas y diques, incluido el aumento de la altura de las presas existentes.
- Almacenamiento de materiales a granel mediante paredes inclinadas.
En las figuras 1 se muestran usos representativos de las paredes MSE para diversas aplicaciones.
Ventajas de los muros mecánicamente estabilizado (MSE)
Los muros MSE tienen muchas ventajas en comparación con el hormigón armado convencional y los muros de contención por gravedad de hormigón:
- Procedimientos de construcción simples y rápidos y no requieren grandes equipos de construcción.
- No se requieren artesanos experimentados con habilidades especiales para la construcción.
- Requiere menos preparación del sitio que otras alternativas.
- Necesita menos espacio frente a la estructura para las operaciones de construcción.
- Reducir la adquisición de derechos de vía.
- No necesita un soporte de cimentación rígido e inflexible porque las estructuras MSE son tolerantes a las deformaciones.
- Son rentables.
- Son técnicamente viables para alturas superiores a 25 m (80 pies).
Las cantidades relativamente pequeñas de materiales fabricados necesarios, la construcción rápida y la competencia entre los desarrolladores de diferentes sistemas patentados han dado como resultado una reducción de costos en relación con los tipos tradicionales de muros de contención. Es probable que los muros MSE sean más económicos que otros sistemas de muros para muros de más de 3 m (10 pies) de altura o donde se requerirían cimientos especiales para un muro convencional.
Una de las mayores ventajas de los muros MSE es su flexibilidad y capacidad para absorber deformaciones debidas a las malas condiciones del subsuelo en los cimientos. Además, según observaciones en zonas sísmicamente activas, estas estructuras han demostrado una mayor resistencia a las cargas sísmicas que las estructuras rígidas de hormigón. Los elementos de revestimiento de hormigón prefabricado para paredes MSE se pueden fabricar con varias formas y texturas (con un pequeño costo adicional) por consideraciones estéticas. También se pueden utilizar unidades de mampostería, madera y gaviones con ventaja para integrarse en el entorno.
Desventajas de los muros mecánicamente estabilizado (MSE)
Las siguientes desventajas generales pueden estar asociadas con todas las estructuras reforzadas con suelo:
- Requiere un espacio relativamente grande detrás de la pared o la cara exterior para obtener suficiente ancho de pared para la estabilidad interna y externa.
- MSEW requiere un relleno granular seleccionado. (En sitios donde faltan suelos granulares, el costo de importar material de relleno adecuado puede hacer que el sistema sea antieconómico).
- El diseño de sistemas de suelo reforzado a menudo requiere una responsabilidad de diseño compartida entre los proveedores y propietarios de materiales y una mayor aportación de agencias geotécnicas especialistas en un dominio a menudo dominado por ingenieros estructurales.
Tipos de sistemas de MSEW
Los sistemas MSEW pueden describirse por la geometría del refuerzo, el mecanismo de transferencia de esfuerzos, el material de refuerzo, la extensibilidad del material de refuerzo y el tipo de revestimiento y conexiones.
Geometría de refuerzo
Se pueden considerar tres tipos de geometría de refuerzo:
- Lineal unidireccional. Tiras, incluidas tiras de acero lisas o nervadas, o tiras de geosintéticos recubiertas sobre una fibra portadora de carga.
- Compuesto unidireccional. Rejillas o tapetes de barras caracterizados por un espaciamiento de rejilla superior a 150 mm (6 pulgadas).
- Planar bidireccional. Láminas continuas de geosintéticos, mallas electrosoldadas y mallas tejidas. La malla se caracteriza por una separación entre elementos inferior a 150 mm (6 pulgadas).
Material de refuerzo
Se puede distinguir entre las características de las armaduras metálicas y no metálicas:
- Refuerzos metálicos. Normalmente de acero dulce. El acero suele estar galvanizado o puede estar recubierto de epoxi.
- Refuerzos no metálicos. Materiales generalmente poliméricos compuestos por polipropileno, polietileno o poliéster.
Las consideraciones de rendimiento y durabilidad para estas dos clases de refuerzo varían considerablemente y se detallan en el documento complementario sobre corrosión/degradación.
Extensibilidad del refuerzo
Hay dos clases de extensibilidad:
- Inextensible. La deformación del refuerzo en el momento de la falla es mucho menor que la deformabilidad del suelo.
- Extensible. La deformación del refuerzo en el momento de la falla es comparable o incluso mayor que la deformabilidad del suelo.
Sistemas de revestimiento
Los tipos de elementos de revestimiento utilizados en los diferentes sistemas MSEW controlan su estética porque son las únicas partes visibles de la estructura completa. En el revestimiento se puede disponer de una amplia gama de acabados y colores. Además, el revestimiento proporciona protección contra el desprendimiento y la erosión del relleno y, en ciertos casos, proporciona vías de drenaje. El tipo de revestimiento influye en las tolerancias de asentamiento. Los principales tipos de revestimiento son:
- Paneles de concreto prefabricado segmentado. Los paneles de hormigón prefabricados tienen un espesor mínimo de 140 mm (5-½ pulgadas) y son de geometría cruciforme, cuadrada, rectangular, de diamante o hexagonal. Se requiere refuerzo de temperatura y tensión, pero variará según el tamaño del panel. Las unidades verticalmente adyacentes suelen estar conectadas con pasadores de seguridad.
- Unidades de pared de bloques modulares (MBW) de fundición seca. Se trata de unidades de hormigón relativamente pequeñas y achaparradas que han sido especialmente diseñadas y fabricadas para aplicaciones de muros de contención. La masa de estas unidades comúnmente varía de 15 a 50 kg (30 a 110 lbs), y unidades de 35 a 50 kg (75 a 110 lbs) se utilizan habitualmente para proyectos de carreteras. Las alturas de las unidades suelen oscilar entre 100 y 200 mm (4 a 8 pulgadas) para los distintos fabricantes. La longitud de la cara expuesta suele variar de 200 a 450 mm (8 a 18 pulgadas). El ancho nominal (dimensión perpendicular a la cara de la pared) de las unidades suele oscilar entre 200 y 600 mm (8 y 24 pulgadas). Las unidades pueden fabricarse sólidas o con núcleos. Los núcleos de altura completa se llenan con agregado durante el montaje. Las unidades normalmente se apilan en seco (es decir, sin mortero) y en una configuración de unión continua (figura 2).
- Revestimientos Metálicos. El sistema Tierra Armada® original tenía elementos de revestimiento de chapa de acero galvanizado formados en semicilindros. Aunque actualmente se utilizan habitualmente paneles prefabricados de hormigón en muros de Tierra Armada, los revestimientos metálicos pueden ser apropiados en estructuras donde el difícil acceso o manipulación requieren elementos de revestimiento más ligeros.
- Rejillas de alambre soldado. La rejilla de alambre se puede doblar hacia arriba en la parte frontal de la pared para formar la cara de la pared. Este tipo de revestimiento se utiliza en los sistemas de muros de contención de alambre Hilfiker, Tensar y Tierra Armada.
- Frente a gaviones. Los gaviones (cestas de alambre rellenas de roca) se pueden utilizar como revestimiento con elementos de refuerzo que consisten en mallas de alambre soldadas, esteras de barras soldadas, geomallas, geotextiles o malla tejida de doble torsión colocada entre las cestas de gaviones o conectadas a ellas.
- Revestimiento geosintético. Se colocan varios tipos de refuerzo geotextil alrededor del revestimiento para formar la cara expuesta del muro de contención. Estas caras son susceptibles a la degradación por luz ultravioleta, al vandalismo (por ejemplo, prácticas de tiro) y a daños debidos al fuego. Alternativamente, se puede enrollar una rejilla geosintética utilizada para reforzar el suelo para formar la cara de la estructura de contención completa de manera similar a la malla de alambre soldada y el revestimiento de tela. La vegetación puede crecer a través de la estructura de la rejilla y puede proporcionar protección contra la luz ultravioleta a la geomalla y una apariencia agradable.
- Revestimiento posterior a la construcción. Para paredes con revestimiento envuelto, el revestimiento, ya sea geotextil, geomalla o malla de alambre, se puede unir después de la construcción del muro mediante hormigón proyectado, gunitación, hormigón colado in situ o uniendo paneles de revestimiento prefabricados hechos de hormigón, madera u otros materiales. Este enfoque de revestimiento de múltiples etapas agrega costos pero es ventajoso cuando se anticipa un asentamiento significativo.
Material de relleno
Los muros MSE requieren un relleno de alta calidad para mayor durabilidad, buen drenaje, constructibilidad y buena interacción con el refuerzo del suelo, que se puede obtener a partir de materiales granulares bien clasificados. Muchos sistemas MSEW dependen de la fricción entre los elementos de refuerzo y el suelo. En tales casos, se especifica y requiere un material con características de alta fricción. Algunos sistemas dependen de la presión pasiva sobre los elementos de refuerzo y, en esos casos, la calidad del relleno sigue siendo crítica. Estos requisitos de desempeño generalmente eliminan los suelos con altos contenidos de arcilla.
Desde el punto de vista de la capacidad de refuerzo, se podrían utilizar rellenos de menor calidad para las estructuras de MSEW; sin embargo, un relleno granular de alta calidad tiene las ventajas de tener libre drenaje, proporcionar mayor durabilidad al refuerzo metálico y requerir menos refuerzo. También existen importantes ventajas en manipulación, colocación y compactación al utilizar suelos granulares. Estos incluyen una mayor tasa de construcción de muros y un mejor mantenimiento de las tolerancias de alineación de los muros.
Parrafo con span Link Texto remarcado
Conclusiones
Los Muros de Suelo Estabilizados Mecánicamente son una opción atractiva en la ingeniería civil y la construcción debido a su economía, versatilidad, velocidad de construcción y capacidad para resistir asentamientos. Sin embargo, es importante destacar que el diseño y la construcción adecuados son fundamentales para aprovechar al máximo estas ventajas y garantizar la seguridad y estabilidad a largo plazo de la estructura. En este blog repasamos los aspectos fundamentales y las aplicaciones de este sistema de refuerzo.
Referencias
Elias, V., Christopher, B. R., Berg, R. R., & Berg, R. R. (2001). Mechanically stabilized earth walls and reinforced soil slopes: design and construction guidelines (updated version) (No. FHWA-NHI-00-043). United States. Federal Highway Administration.