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Docente: Ing. Andrew L. Vargas Condarco ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE MUROS DE CONTENCÍON BOLIVIA, SEPTIEMBRE 2020 Ing. Andrew Vargas Condarco Ingeniero Civil por la Universidad Mayor de San Simón - Cochabamba Responsable Área de Estructuras en la empresa de formación profesional complementaria: Acción Formativa Ingeniería. • Docente en la Universidad Latinoamericana - Cochabamba • Instructor en cursos y capacitaciones en el área de Estructuras. • Consultor en Ingeniería de Estructuras y Representante legal de: CivilDec – Ingenieros Consultores. INTRODUCCIÓN En este curso virtual, presentaremos los principios generales de las presiones laterales de tierra y sobrecargas. Estos principios se extenderán al análisis de estabilidad y diseño de muros de contención convencionales. El progreso tecnológico de los programas computacionales hacen que en la actualidad el uso de los mismos sea un requisito indispensable en la modelación de cualquier estructura para su análisis y posterior diseño. DEFINICIÓN Los muros de contención se utilizan fundamentalmente para estabilizar masas de tierra u otros materiales sueltos, cuando las condiciones no permiten que estas masas asuman sus pendientes naturales. Por lo tanto estas estructuras están sometidas a esfuerzos laterales, entre la mas importantes el empuje de tierra, las cuales a través de su análisis se podrán realizar los diseños correspondientes. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Hormigón Armado COMBINACIONES DE CARGAS PROGRAMAS A UTILIZAR En la figura 7.1 se muestra un muro de retención de altura H. Para tipos similares de relleno: CONCEPTOS FUNDAMENTALES En la figura se muestra la naturaleza de la variación de la presión lateral, a una cierta profundidad del muro con la magnitud del movimiento de éste. CONCEPTOS FUNDAMENTALES ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA TEORIA DE RANKINE ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA a) Condiciones drenadas para suelo granular El procedimiento a seguir: El coeficiente de presión activa de Rankine, Ka, se define como: El esfuerzo horizontal activo es: La fuerza horizontal activa es: El coeficiente de presión activa de Rankine, Ka, se define como: El coeficiente de presión activa de Rankine, Ka, se define como: ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA b) Condiciones drenadas para suelo granular El procedimiento a seguir: El coeficiente de presión activa de Rankine, Ka, se define como: El esfuerzo horizontal activo es: La fuerza horizontal activa es: ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN PASIVA b) Condiciones drenadas para suelo granular El procedimiento a seguir: El coeficiente de presión pasiva de Rankine, Kp, se define como: El esfuerzo horizontal pasivo es: La fuerza horizontal pasiva es:Brazo Pp es: La teoría de Rankine (1857) es un método de análisis que proporciona cálculos simples. Sin embargo debido a las hipótesis que considera tiene sus limitaciones, y por lo general, los resultados obtenidos haciendo uso de ésta son de cierto modo pesimistas, al ser esta teoría considerada como una solución de borde inferior. En contraparte, la teoría de Coulomb (1776) salva en cierto modo estas limitaciones. Esta se basa en las siguientes hipótesis: • Se considera una cuña de suelo, moviéndose activamente hacia el muro. • La cuña se desliza hacia abajo presentando una superficie de falla plana. • La cara posterior del muro al igual que el relleno pueden ser inclinados. • Se considera la fricción del muro. • La condición límite es la cedencia de toda la cuña: solución de borde superior. TEORIA DE COULOMB ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA Sin sobrecarga: Con sobrecarga: ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA RANKINE COULOMB ESFUERZO LATERAL DEL TERRENO EN CONDICIÓN ACTIVA RANKINE COULOMB HIPOTESIS DE RANKINE Fuerzas que actúan en un muro de gravedad y en un muro tipo ménsula cuando se asumen las hipótesis de Rankin. HIPOTESIS DE COULOMB Fuerzas que actúan en un muro de gravedad y en un muro tipo ménsula cuando se asumen las hipótesis de Coulomb. PREDIMENSIONAMIENTO Los muros de contención convencionales se utilizan comúnmente en los proyectos de construcción y pueden agruparse en cuatro clasificaciones: 1. Muros de gravedad 0 .5 0 2.30 3 .4 5 0.50 1.30 0.50 0.700.45 0.15 1 .0 0 2 .9 5 BARBACANA PVC Ø = 2" 2. Muros de semigravedad H D H' h REFUERZO 0.45 BARBACANA PVC Ø = 2" 3. Muro en voladizo 0.45 5 .9 0 0 .6 5 5 .2 5 1.45 0.90 1.80 4.15 1 .3 0 1 .3 0 1 .3 0 DISPOSICION DE BARB. 3" DISPOSICION DE BARB. 3" DISPOSICION DE BARB. 3" 1 .0 0 1 41 F 16 C/15 cm L=4.70 m 1 41 F 16 C/15 cm L=4.70 m 2 28 F 12 C/15 cm L=5.90 m 2 28 F 12 C/15 cm L=5.90 m 3 21 F 16 C/30 cm L=6.84 m 5 35 F 12 C/15 cm L=6.26 m 8 2 F 16 L=5.90 m 7 20 F 16 C/30 cm L=3.64 m 4 41 F 12 C/15 cm L=6.63 m 6 35 F 16 C/15 cm L=6.27 m Están hechos de concreto reforzado que consiste en un espolón delgado y una losa de base. Este tipo de pared es económica hasta una altura de alrededor de 8 m. También reciben el nombre de muros en voladizo. 4. Muro con contrafuerte 0.45 0.45 0.45 9 .0 5 0 .8 5 7 .6 5 1.45 0.90 3.00 5.35 5 .0 0 5 .0 0 9 .0 5 ESPESOR 0.45m c/5m 0.45 CONTRAFUERTE PANTALLA Tienen delgadas losas de concreto verticales conocidas como contrafuertes, que unen a la pared y la losa de base. El propósito de los contrafuertes es reducir el esfuerzo cortante y los momentos de flexión. INCREMENTO DINAMICO DE PRESIÓN POR EL EFECTO SÍSMICO MONONOBE-OKABE Este coeficiente incluye el efecto estático mas el dinámico, aplicando la fuerza total en un mismo sitio, sin embargo, considerando que la cuña movilizada en el caso dinámico es un triangulo invertido con centro de gravedad ubicado a 2/3 de la altura, medidos desde la base, se separa el efecto estático del dinámico por tener diferentes puntos de aplicación. El incremento dinámico del empuje activo se puede determinar mediante la siguiente expresión: ESA 2H/3 ESP D/3 H D MONONOBE-OKABE FSpp ESA 2H/3 ESP D/3 H D El muro de gravedad se caracteriza porque utiliza su propio peso para evitar el deslizamiento o el vuelco. Son muros que carecen de armadura construyéndose habitualmente de hormigón en masa u otros materiales, como la fábrica de ladrillo, bloques, materiales pétreos, etc. Rarísima vez llevan puntera o talón y su altura recomendada va de los 2.0 a los 5.0 m. La valoración del factor seguridad ante eventos como deslizamientos, vuelcos, hundimientos, etc., es fundamental en el diseño de este tipo de muros. MURO DE GRAVEDAD MURO DE GRAVEDAD DATOS DEL PROYECTO 1 Peso especifico: γS = 1.85 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 33° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 22° Cohesión: C = 0 Peso específico del H°C° γ = 2.3 Tn/m3 Resistencia a la compresión f ’c=200 kg/cm2 Suelo de relleno: Suelo de cimentación: Hormigón : Capacidad admisible: qadm = 1.5 kg/cm2 Cota de fundación: D = 0.8 m Peso especifico: γS = 1.8 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 27° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 18° Cohesión: C = 3 Tn/m2 0.70 0.60 0.800.80 4.20 5.00 3.00 0.60 1.70 0.20 0.90 𝛾𝑆 = 1.85 𝑇𝑛 𝑚3 ∅ = 33° 𝐶 = 0 𝛿 = 22° 𝛾𝑆 = 1.8 𝑇𝑛 𝑚3 ∅ = 27° 𝐶 = 3 𝑇𝑛𝑚2 𝛿 = 18° 1. PREDIMENSIONES 2. ANÁLSIS DE CARGAS PESO PROPIO PP = Vol × γc = XPP = ΣA ∗ X ΣA = 0.20 0.90 0.804 3 2 1 3.00 0.60 0.70 0.60 Elemento A X A*X 1 2 3 A= A*X= 4 2.1. Cargas Verticales RELLENO TRASDOS RT = Vol × γs = XRT = 𝐵 − 𝐿𝑡 2 = RELLENO INTRADOS RI = Vol × γs = XRI = Lp 2 = SOBREGARCAVERTIVAL LSV = q × Lt = XLSv = B − Lt 2 = 2. ANÁLSIS DE CARGAS 2.1. Cargas Verticales EP 0.80 5.00 LSH EH RT PP q LSV 2. ANÁLSIS DE CARGAS 2.2. Cargas Horizontales EMPUJE DE SUELO EH = 1 2 × γs × H 2 × Ka = YEH = H 3 = EMPUJE PASIVO EP = 1 2 γs D 2 Kp + 2 C KP D = YEP = 1 6 γs D 3 Kp + C KP D 2 EP = SOBREGARCA HORIZONTAL LSH = q × H × Ka = YLSh = H 2 = EP 0.80 5.00 LSH EH RT PP q LSV VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD FUERZAS RESISTENTES FUERZAS DESESTABILIZADORAS a) Verificación a vuelco FS = MR MA ≥ 2 b) Verificación a deslizamiento FS = FR FH = FV tagδ + C′ B + EP FH ≥ 1.5 c) Verificación a capacidad de carga qadm ≥ qmax EP DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO EH FV = MR = FH = MA = DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO PP EV RI qmax = FV B 1 + 6e B = ≤ qadm qmin = FV B 1 − 6e B = ≤ qadm Presiones del terreno debajo la zapata: c) Verificación a capacidad de carga e = B 2 − MR −MA FV = ≤ B 6 Excentricidad: qmax qmin B 4. VERIFICACIÓN DE ESFUERZOS qp = B − Lp B qmax − qmin + qmin = V1 = qmax + qp 2 × Lp × b = VU = 1.6 𝑉1 = ΦVC = Φ 0.53 fc ′ b d = MU = 1.6 Mq = Mq = Lp 2 6 2 qmax + qp = V1 MU qmax qp σT = 6Mu b h2 = VERIFICACIÓN DE ESPOLÓN MURO DE H° ΦVC = Φ 0.53 fc ′ b h = σC = Nu A + 6Mu b h2 = Nu = 1.6 PP σT = 6Mu b h2 = PP 4.20 q LSH EH Vu = 1.6 (LSH + EH) PREDIMENSIONAMIENTO At H H' D h Lp LtAb H D 0.1B a 0.3B 0.1H 0.1H 0.3m min Min 0.02H 1 El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierra, peso propio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento y deslizamiento y capacidad de carga para posteriormente revisar la resistencia de cada componente de la estructura y determinar el refuerzo de acero. ESTABILIDAD a) Vuelco b) Deslizamiento c) Capacidad de carga Coeficiente Activo “Ka” TEORÍA DE PRESIÓN LATERAL q H LSH EH q H LSH EH H/2 H/3D EP D/3 EP La determinación de las fuerzas de empujes laterales están en función del coeficiente activo y pasivo. Coeficiente Pasivo “Kp” Es cuando un muro empuja al terreno comprimiéndola en dirección horizontal originando una fuerza resistente denominada EP Es cuando el suelo empuja al terreno en dirección horizontal originando una fuerza desestabilizadora denominada EH En esta clase emplearemos la Teoría de Rankine para la determinación del coeficiente activo. TEORÍA DE PRESIÓN LATERAL TRASDOSINTRADOS FUERZAS ACTUANTES LSV RT RI PP A H LSH EH H/2 H/3 LSH EHEP D EP D/3 q H Cuando se considera un muro de contención, ya sea de tipo gravedad o de tipo ménsula, las fuerzas actuantes en éste son calculadas, por lo general, en términos de componentes horizontales y verticales. FUERZAS ACTUANTES Cuando el relleno presenta una inclinación, las fuerzas de empuje activo producto del suelo y la sobrecarga, tendrán componentes horizontales y verticales. H E LSH EHEP D EP D/3 LSV RT RI q H PP A LS HT/2 HT/3 HT VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO PP LSv RT RI EP DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO EH LSH FV MR FH MA FUERZAS RESISTENTES FUERZAS DESESTABILIZADORAS a) Verificación a vuelco FS = MR MA ≥ 2 b) Verificación a deslizamiento FS = FR FH = FV tagδ + c B + EP FH ≥ 1.5 c) Verificación a capacidad de carga qadm ≥ qmax qmax qmin B e B B/2 B/2 R c) Verificación a capacidad de carga e = B 2 − MR −MA FV ≤ B 6 qmax = FV B 1 + 6e B ≤ qadm qmin = FV B 1 − 6e B ≤ qadm Presiones del terreno debajo la zapata: Excentricidad: VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD 2 3 4 7 56 6 1 2 1. Armadura vertical trasdós:Acero Mínimo Pantalla Obtenida por calculo a flexión Barra ≤ 16: (0.0012 si fy≥4200, 0.0015 si fy<4200 Barra > 16: (0.0015 si fy cualquiera) 2. Armadura horizontal: Barra ≤ 16: (0.0020 si fy≥4200, 0.0025 si fy<4200 Barra > 16: (0.0025 si fy cualquiera) - Dos caras vistas: 50% Trasdós, 50% Intradós - Una cara vista: 33% Trasdós, 67% Intradós 3. Armadura vertical intradós: Mínimo 30% de la armadura vertical trasdós Barra ≤ 16: (0.0004 si fy≥4200, 0.0005 si fy<4200 Barra > 16: (0.0005 si fy cualquiera) 4. Armadura en corona: 2ø16 para evitar figuración en la cabeza 2 3 4 7 56 6 1 2 5. Armadura superior talón: Acero Mínimo Zapata Obtenida por calculo a flexión o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) 7. Armadura transversal: 20% de la longitudinal consignada o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) 6. Armadura inferior pie: Obtenida por calculo a flexión o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) DATOS DEL PROYECTO Peso especifico: γS = 1.8 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 33° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 22° Cohesión: C = 0 Peso específico del concreto γ = 2.4 Tn/m3 Resistencia a la compresión f ’c=210 kg/cm2 Sobrecarga: q = 0.5 Tn/m2 Suelo de relleno: Suelo de cimentación: Hormigón y Acero: Cargas: Capacidad admisible: qadm = 1.6 kg/cm2 Cota de fundación: D = 1.8 m Peso especifico: γS = 1.8 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 33° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 22° Cohesión: C = 0 Peso específico del acero γa=7850 kg/m3. Resistencia a la tensión del acero fy=4200 kg/cm2 Acero corrugado G60: 𝛾𝑆 = 1.8 𝑇𝑛 𝑚3 ∅ = 30° 𝐶 = 0 𝛿 = 20° 1. PREDIMENSIONES At H H' D B h Lp LtAb 5.10 0.80 7.00 1.70 0.85 2.55 1.80 7.80 0.40 2. ANÁLSIS DE CARGAS 2.1. Cargas Verticales PESO PROPIO A= A*X= Elemento A X A*X 1 2 3 PP = Vol × γc = XPP = ΣA ∗ X ΣA = 5.10 0.80 7.00 1 3 2 0.45 0.40 1.70 2.55 RELLENO TRASDOS RT = Vol × γs = XRT = 𝐵 − 𝐿𝑡 2 = RELLENO INTRADOS RI = Vol × γs = XRI = Lp 2 = SOBREGARCA VERTIVAL LSV = q × Lt = XLSv = B − Lt 2 = 2. ANÁLSIS DE CARGAS 2.1. Cargas Verticales q LSV RT RI 1.70 0.85 2.55 0.80 7.00 0.40 1.80 2. ANÁLSIS DE CARGAS 2.2. Cargas Horizontales EMPUJE DE SUELO EH = 1 2 × γs × H 2 × Ka = YEH = H 3 = EMPUJE PASIVO EP = 1 2 × γs × D 2 × Kp= YEP = D 3 = SOBREGARCA HORIZONTAL LSH = q × H × Ka = YLSh = H 2 = q 7.80 LSH EH EP 1.80 RESUMEN DE CARGAS FUERZAS RESISTENTES FUERZAS DESESTABILIZADORAS LSH EH EP LSV RT RI PP A DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO PP LSv RT RI EP DESCRIPCIÓN FUERZA BRAZO MOMENTO EH LSH FV = MR = FH = MA = EP VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD a) Verificación a vuelco FS = MR MA = b) Verificación a deslizamiento c) Verificación a capacidad de carga FS ≥ 2 FS ≥ 1.5 e = B 2 − MR −MA FV ≤ B 6Excentricidad: qmax qmin B e B B/2 B/2 R e = B00 2 − 000 − 0000 FV = FS = FR FH = FV tagδ + c B + EP FH ≥ 1.5 qmax qmin B e B B/2 B/2 R qmax = FV B 1 + 6e B ≤ qadm qmin = FV B 1 − 6e B ≤ qadm Presiones del terreno debajo la zapata: c) Verificación a capacidad de carga DISEÑO DE LA PANTALLA EMPUJE DE SUELO EH = 1 2 × γs × H 2 × Ka = YEH = H 3 = LSH EH MU 7.00 SOBREGARCA HORIZONTAL LSH = q × H × Ka = YLSh = H 2 = MU = 1.6 MEH + 1.6 MLSh = VU = 1.6 EH + 1.6 LSH = AS = 0.85 fc ′ fy b d 1 − 1 − 2 Mu × 10 5 Φ β fc ′ b d2 = Resistencia a Corte: ΦVC = Φ 0.53 fc ′ b d = Peralte efectivo: d = Ab − rec − ∅barra 2 = Ab b = 100cm d recBarra DISEÑO DE LA PANTALLA Acero Vertical - Trasdós 2 3 4 7 56 6 1 2 1. Armadura vertical:Acero Mínimo Pantalla Barra > 16: (0.0015 si fy cualquiera) 2. Armadura horizontal: Barra ≤ 16: (0.0025 si fy=4200 ; 0.0020 si fy=5000 ) - Una cara vista: 33% Trasdós, 67% Intradós 3. Armaduravertical intradós: Barra ≤ 16: (0.0005 si fy≥4200) 4. Armadura en corona: 2ø16 para evitar figuración en la cabeza Asmin = 0.0015 × b × Ab = Asmin = 0.0005 × b × Ab = Asmin = 0.0020 × b × Ab = 1. Armadura vertical trasdós: 2. Armadura horizontal: Una cara vista: 33% Trasdós, 67% Intradós 3. Armadura vertical intradós: As ≥ Asmin = Asmin = Asmin = Trasdós Intradós Asmin 33% = Asmin 67% = Acero dispuesto en la Pantalla 4. Armadura en corona: 2ø16 para evitar figuración en la cabeza AS = 0.85 fc ′ fy b d 1 − 1 − 2 Mu × 10 5 Φ β fc ′ b d2 = MU = 1.2 MPT + 1.6 MLSv +MRT −Mq = qt = Lt B qmax − qmin + qmin = DISEÑO DEL TALÓN Acero superior talón Mq = Lt 2 6 2 qmin + qt = LSV RT Qp PT MU qt qmin h b = 100cm d recBarra AS real = b × AsV S = AS = 0.85 fc ′ fy b d 1 − 1 − 2 Mu × 10 5 Φ β fc ′ b d2 = MU = 1.6 Mq −MRI − 1.2 MPp = qp = B − Lp B qmax − qmin + qmin = DISEÑO DEL PIE Acero inferior pie Mq = Lp 2 6 2 qmax + qp = Qp MU qmax qp RI Pp h b = 100cm d recBarra AS real = b × AsV S = 2 3 4 7 56 6 1 2 5. Armadura superior talón: Acero Mínimo Zapata Obtenida por calculo a flexión o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) 7. Armadura transversal: 20% de la longitudinal consignada o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) 6. Armadura inferior pie: Obtenida por calculo a flexión o la mitad del mínimo geométrico: (0.0009 si fy≥4200, 0.0010 si fy<4200) Acero dispuesto en la Zapata 5. Armadura superior talón: 7. Armadura transversal: 6. Armadura inferior pie: Asmin = As = As = DETALLE DE ARMADO DETALLE DE ARMADO PREDIMENSIONAMIENTO DATOS DEL PROYECTO Peso especifico: γS = 1.85 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 30° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 20° Cohesión: C = 0 Peso específico del concreto γ = 2.4 Tn/m3 Resistencia a la compresión f ’c=210 kg/cm2 Sobrecarga: q = 1.2 Tn/m2 Suelo de relleno: Suelo de cimentación: Hormigón y Acero: Cargas: Capacidad admisible: qadm = 2.8 kg/cm2 Cota de fundación: D = 1.2 m Peso especifico: γS = 2.0 Tn/m3 Angulo de fricción interna: ø= 34° Angulo de fricción suelo estructura: δ = 22.66° Cohesión: C = 4 Tn/m2 Peso específico del acero γa=7850 kg/m3. Resistencia a la tensión del acero fy=4200 kg/cm2 Acero corrugado G60: 17 .50 5.7 0 5.7 0 5.7 0 0.40 0.65 0.65 9 .5 0 0.40 0.40 0.40 5.40 3.25 5.40 1 .2 0 0.65 8 .8 5 1.50 0.65 3.25 0.65 9 .5 0 q DIMENSIONAMIENTO 1. Armadura vertical trasdós: 2. Armadura horizontal: Una cara vista: 33% Trasdós, 67% Intradós 3. Armadura vertical intradós: As ≥ Asmin = Asmin = Asmin = Trasdós Intradós Asmin 33% = Asmin 67% = Acero dispuesto en la Pantalla 4. Armadura en corona: 2ø16 para evitar figuración en la cabeza Andrew Vargas Condarco Andrew Vargas Condarco andrewvargascondarco@gmail.com +591 79996162
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