Estructuras compuestas complejas   

Las estructuras compuestas complejas (CCS, por sus siglas en inglés) son muros que el ingeniero evalúa a modo de sección individual del muro con dos estructuras distintas colocadas una encima de la otra. Los ingenieros suelen enfrentarse a situaciones que no se corresponden con las situaciones simples de los métodos de diseño publicados para proyectos de muros de contención segmentados. A continuación se ofrecen alternativas para analizar aplicaciones más complicadas: es lo que llamaremos estructuras compuestas complejas (CCS).

Complejas porque son estructuras que combinan más de una estructura uniforme. Estructuras compuestas porque se sirven de distintos materiales para resistir las fuerzas directrices y crear muros de contención seguros y eficaces. Los enfoques actuales de diseño suelen incorporar un método parecido al calcular el coronamiento de estabilidad del muro para el muro de gravedad sobre la capa superior de la geomalla. Este análisis se presenta en un entorno de diseño de tensión en servicio, pero se puede adaptar fácilmente a un enfoque de estados límites. Actualmente, la falta de instrucciones claras para evaluar este tipo de estructuras provoca que los ingenieros tengan que utilizar su mejor criterio para crear un análisis responsable para su aplicación única. Este enfoque ofrece un método más refinado para asegurar que el diseño cumpla los requisitos de comportamiento esperados.

Al final del capítulo se presentan distintos ejemplos de configuración de muros que se pueden analizar con el programa de diseño AB Walls como estructuras compuestas complejas, así como un conjunto de cálculos manuales que explican el proceso de diseño. La premisa será diseñar la estructura superior como muro separado de la estructura inferior, y la estructura inferior como muro separado con la estructura superior como sobrecarga. No se contempla utilizar las estructuras complejas para calcular un diseño en terrazas; es decir, el revestimiento se colocará en todo momento de abajo a arriba.

Estos dos cálculos independientes del muro se centrarán en la estabilidad externa y en la evaluación de la estabilidad compuesta interna (ICS) en lugar de en los típicos cálculos internos. Los cálculos de ICS ofrecen un análisis más ajustado de las tensiones internas y las fuerzas de resistencia en varios puntos del arco de deslizamiento. De acuerdo con el enfoque de la Asociación Nacional del Hormigón de Estados Unidos (NCMA), para definir los límites de la ubicación en que se construirá el muro de contención segmentado se utilizará una envoltura de diseño igual al doble de la altura de la estructura total del muro (2H) o la altura efectiva (según determine la intersección del peso con el talud en la parte posterior del refuerzo) más la longitud de la geomalla primaria (He + L), si bien escogiendo el valor que resulte mayor de los dos. Los cálculos de ICS no se realizarán específicamente sobre los dos elementos que conforman la estructura compuesta compleja, sino que se harán sobre la altura total de esta estructura. Aunque se calcule la estabilidad compuesta interna para una estructura compuesta compleja, se debe realizar un análisis global para garantizar la estabilidad general de la obra.

Figura 7-2: Diagrama de la envoltura de diseño ICS

De este modo, se ofrece una vía futura para evaluar el refuerzo secundario mientras la industria desarrolla el concepto de refuerzo secundario para la estabilidad del revestimiento. Los arcos de deslizamiento se utilizan para evaluar las cargas internas; por otro lado, se utilizará el modelo de Bishop modificado para construir las fuerzas de resistencia, tal y como se hace en el análisis típico de estabilidad de talud geotécnico. Esta aportación del revestimiento seguirá los métodos descritos en el manual sobre ingeniería de Allan Block (Allan Block Engineering Manual) y el manual de diseño de la NCMA (NCMA Design Manual, 3.ª edición), que utiliza el cizallamiento y la conexión para cuantificar estas fuerzas de resistencia.

El método de CCS se utilizará en las estructuras donde más de una capa de refuerzo sean más cortas que las longitudes del otro refuerzo en la parte superior del muro. No recomendamos acortar las mallas en la parte inferior en los casos en que la obstrucción se produzca en la parte inferior de la estructura del muro. En esos casos, el ingeniero puede utilizar hormigón sin finos en la estructura inferior. Gracias al análisis de CCS, el ingeniero podrá revisar la adecuación de las fuerzas de resistencia de dos estructuras distintas, como masas independientes, que colaboran para resistir las fuerzas que se aplican desde la misma masa de suelo retenido y todas las fuerzas externas.

Figura 7-5: Malla sobre malla CCS  Figura 7-6: Malla sobre no finos CCS

La estructura superior de la CCS se analizará dos veces desde el punto de vista de la estabilidad externa. En primer lugar, se analizará todo el coronamiento del muro. Para ello, se calcularán las fuerzas directrices, tanto estáticas como dinámicas, y se compararán con las fuerzas de resistencia según la configuración de la masa de la estructura superior. Además, se realizará un análisis de muro de gravedad para las hileras no reforzadas por encima de la capa superior de geomalla o por encima de la masa sin finos cuando se utilice. Si desea obtener más información sobre este tema, consulte el apartado «Coronamiento de estabilidad del muro» al final de este capítulo. Así se evita que haya derrumbamientos localizados. Recuerde que el análisis interno ahora se realiza utilizando la estabilidad compuesta interna. De este modo se garantiza que los elementos de los que están compuestos las estructuras superior e inferior se mantengan unidos como masa compuesta.

Figura 7-7: Diagrama de fuerza de la estructura superior     Figura 7-8: Diagrama de la estabilidad del coronamiento del muro

Figura 7-9: Diagrama de fuerza de la estructura inferior

Existen muchas combinaciones sobre cómo la aplicación del proyecto puede requerir que se diseñen y ensamblen distintas configuraciones estructurales para crear una estructura compuesta compleja. En toda estructura se pueden realizar tres cálculos de estabilidad externa por separado: estructura inferior, estructura superior y comprobación del muro de gravedad sobre la última capa de refuerzo o sobre la masa sin finos. La estabilidad externa del coronamiento de la sección de muro y la estructura superior de una estructura compuesta compleja se calcula como si un muro de gravedad usara sus propia variables de peso y profundidad (bloque, bloque más masa sin finos, bloque más geomalla).

La estructura superior puede ser una estructura de suelo reforzado con longitudes de geomalla más cortas que las de la estructura inferior, una masa de hormigón sin finos, un muro de bloque único o doble, o muros de unidades de anclaje largo o corto. El deslizamiento se calcula como se suele hacer normalmente, sumándole los valores de labio de corte en el punto de intersección entre la estructura superior y la estructura inferior. La capacidad de corte se determina a través de pruebas (ASTM D6916), y suele aumentar de manera lineal basándose en una carga normal por encima de la hilera probada.

La estructura inferior puede ser una masa de hormigón sin finos o una masa reforzada por geomallas (siempre que las longitudes de las mallas de la estructura inferior sean de al menos el 60 % de la altura de la estructura total). La estructura inferior se calculará con la estructura superior como sobrecarga aplicada.

Para los cálculos de vuelco, se desarrollará un conjunto de brazos de palanca que definan con precisión todos los tipos de suelo posibles y peso superior mientras nosotros desarrollamos un enfoque conservador relativo a la configuración de estructuras compuestas complejas, que resulta más complicada. La presión activa de tierras se calculará para toda la altura de la estructura.

Estabilidad externa cuando la estructura superior se prolonga por encima de la estructura inferior

Figura 7-10: Diagrama de fuerza de la estructura inferior
(base poco profunda)

En los casos en que la estructura superior se prolongue por encima de la profundidad de la estructura inferior, se deberá investigar también la capacidad portante de la masa de suelo por detrás del muro inferior. Se ha implementado un límite en la proporción entre el coronamiento del muro y la profundidad de la parte inferior del 70 %; un porcentaje fijado a partir de la revisión de los resultados y la fijación de límites prácticos a una estructura compuesta compleja. Por ese motivo, si la estructura superior tiene una profundidad de 3 m desde el revestimiento del muro hasta los límites posteriores de la masa, la estructura inferior debe medir al menos 2,1 m. Estos cálculos adicionales se realizan para evitar que haya deformaciones en la intersección entre la estructura superior y la estructura inferior.

El empuje activo de tierras para la estructura inferior se calculará en base a la altura completa de la estructura total, en la parte posterior de la estructura más profunda. A fin de aportar un elemento más conservador, los brazos de palanca para el empuje activo de tierras para la carga de la estructura inferior se aplicarán en la parte posterior de esta masa inferior más corta.

Una estructura inferior de menos profundidad que la estructura superior plantea algunas dudas sobre la estabilidad general del muro. Como ya se ha comentado anteriormente, la versión actual de AB Walls tendrá en cuenta la capacidad de carga del suelo por detrás de la masa inferior. Desde una perspectiva de capacidad de carga, utilizaremos el método Meyerhof, común en la industria, distribuido por la anchura de carga de Lwidth = SDtop – SDbottom (donde width significa «anchura», top «superior» y bottom «inferior»). Al calcular todos los pesos y fuerzas que se aplican, podemos utilizar las ecuaciones Meyerhof típicas. Al final del capítulo se incluyen cálculos a modo de ejemplo.

Ecuación de capacidad de carga de Meyerhof:
     σult = (1/2) (γf) (Lbreite) (Nγ) + (cf) (Nc) + (γf) (Ltiefe + D) (Nq)
    donde:
       Nq = exp (π tan Φf) tan2 (45 + tan Φf/2)
       Nc = (Nq - 1) cot Φf
       Nγ = (Nq - 1) tan (1,4Φf )
    Por lo que:
       σult = (1/2) (γf) (Lbreite) (Nγ) + (cf) (Nc) + (γf) (Ltiefe + D) (Nq)

Figura 7-11: Carga por detrás de la estructura inferior

En esta ecuación, Ldepth es la profundidad de la plataforma de nivelación; en este caso será cero, ya que no proporcionamos ninguna. D es la profundidad del bloque enterrado. Se puede justificar el uso de Htop (altura de la estructura superior) como profundidad del bloque enterrado; sin embargo, la ecuación de Meyerhof reacciona muy favorablemente a bloques enterrados adicionales. Por ello, tenderemos a ser conservadores y limitaremos este término para que sea igual a la mitad de la altura de la estructura superior (½ H_top).

Figura 7-12: Envoltura y fuerzas de diseño ICS


Figura 7-13: Diagrama del mapa de presión ICS

Se realizará la estabilidad compuesta interna para la altura total de la estructura con arcos de deslizamiento definidos por nodos de entrada sobre el muro y nodos de salida definidos por la hilera de cada bloque. En un muro de gravedad, el primer nodo de entrada está 2 pies por detrás del revestimiento del bloque superior, tanto para muros simples como para muros dobles.

Para estructuras sin finos o de geomalla, el primer nodo de entrada se encuentra directamente en la parte posterior de la masa. El último nodo de entrada se define siempre en la parte posterior de la envoltura de diseño, determinado por el valor más grande entre 2H o He + L, tal y como ya se ha especificado anteriormente. La cantidad de puntos de entrada será igual a la cantidad de hileras de bloques, y se dividirá equitativamente entre el primer nodo y la parte posterior del diseño. Cuando se active el análisis de CCS, se desactivará el método antiguo de análisis de estabilidad interna, y deberá ejecutar la estabilidad compuesta interna.

El programa AB Walls y el archivo de apoyo de cálculos a mano de Mathcad ofrecen la posibilidad de utilizar distintos tipos de suelo tanto para la masa reforzada como para el suelo retenido. Al añadir el análisis de CCS, se podrá definir la profundidad de una estructura con las propiedades adecuadas para ese tipo de suelos. Poder especificar el tiempo de material de relleno utilizado y el lugar dónde se usa permite utilizar plenamente los cálculos de estabilidad compuesta interna y que el ingeniero configure los elementos de la estructura para gestionar la carga localizada.

El programa AB Walls incluye la opción de mapeo de presión, ilustrando visualmente dónde se encuentran los factores de seguridad más bajos. De este modo, el ingeniero recibe información directa sobre los aspectos críticos de su diseño. Estas prestaciones ofrecen al ingeniero múltiples opciones para que pueda realizar su diseño en función de las dificultades específicas derivadas del proyecto y que el diseño cumpla así las necesidades de su proyecto específico, resulte rentable y ofrezca una estructura segura. Aunque se calcule la estabilidad compuesta interna para una estructura compuesta compleja, se debe realizar un análisis global para garantizar la estabilidad general de la obra.

Es necesario estudiar el coronamiento de una estructura para considerar el vuelco y la estabilidad de deslizamiento. Se trata de la sección de gravedad del muro que sobrepasa la capa superior de la geomalla o la parte superior de la masa sin finos. La profundidad de esta sección del muro de gravedad superior se puede aplicar a unidades de muro estándar. AB Walls ejecutará un cálculo de vuelco y desplazamiento estándar en función de todas las fuerzas y resistencia aplicadas sobre la base de la profundidad del revestimiento.

Figura 7-14: Configuración del muro estándar por encima.         Figura 7-15: Unidad de anclaje larga por encima          Figura 7-16: Configuración irregular por encima

AB Walls aplicará un enfoque conservador a la hora de realizar el cálculo de vuelco. El usuario puede elegir entre aplicar bloques dobles o unidades de anclaje largas en cualquier hilera de su elección. Por consiguiente, si el usuario no aplica la misma profundidad de bloque para toda la altura de la parte superior de su estructura, las fuerzas de resistencia se basarán en la profundidad de un bloque único, incluso si este se queda corto.

También hay que tener en cuenta que las pruebas sísmicas realizadas en colaboración con la Universidad de Columbia (Ling, Lecshinsky, et al. 2002) indicaron claramente que prolongar la capa superior o las capas de refuerzo al 90 % de la altura del muro evitaba su fisuración durante episodios sísmicos de alta intensidad en la parte posterior de la masa reforzada. Sobre la base de estas pruebas y los resultados obtenidos en regiones con actividad sísmica, nuestra recomendación para regiones donde se aplique una alta carga pseudoestática (coeficientes de aceleración horizontal con un exceso de 0,20 g) la estructura superior no debería construirse con una profundidad de masa inferior al 60 % de la altura total del muro y que, cuando fuera posible, al menos una de las capas superiores de la malla debería prolongarse hasta el 90 % de la altura total del muro.

Los métodos de diseño empleados utilizan el enfoque y las ecuaciones que aparecen en otros capítulos del manual de ingeniería de Allan Block (Allan Block Engineering Manual), y los abordan de manera directa y en sintonía con los avances habidos en la industria de los muros de contención segmentados. El archivo Mathcad que acompaña a AB Walls —un programa que ofrece posibilidades integrales de diseño para todos los aspectos de análisis técnico y creación de planos de construcción— ofrece al ingeniero la capacidad de aportar cálculos manuales y, si fuera necesario, alterar las ecuaciones para que se ajusten a su criterio profesional en un proyecto dado. Si necesita asistencia o desea recibir un tutorial por teléfono, póngase en contacto con el departamento de Ingeniería d Allan Block. El tutorial proporcionará formación acreditada por la IACET como créditos de educación continuada.

Ejemplos de configuración de estructuras compuestas complejas en AB Walls

Muro de gravedad sobre un muro de geomalla o un muro sin finos

Estructura sin finos en la parte superior e inferior con profundidades variadas

Aunque sea poco probable, AB Walls permite profundidades sin finos variadas en las estructuras CCS.

El hormigón sin finos en la estructura superior no puede ser inferior al mínimo estándar de 60 cm y, normalmente, se concibe para que sea el 40 % de la altura de la estructura superior.

La profundidad de la estructura inferior sin finos no puede ser inferior al 70 % de la profundidad de la estructura superior

AB Walls Software

AB Walls ofrece una herramienta que permite al ingeniero analizar estructuras compuestas complejas con los límites que hemos mencionado en nuestra descripción del planteamiento que proponemos para analizar este tipo de configuración. A continuación, se presenta un resumen de algunos de los límites que consideramos razonables a la hora de diseñar CCS. Algunos de estos límites son aplicables directamente a estructuras compuestas complejas, si bien otros son los que consideramos como mejores prácticas en el diseño de muros de contención segmentados.

• Recomendamos que la primera capa de la malla se sitúe en la parte superior de la primera hilera de bloques y dejar cierta flexibilidad a consecuencia de las esquinas y elevadores de tensión que puedan ser necesarios en la segunda hilera, pero los diseños en bandera deben tener la primera hilera de malla a una altura superior a 16 pulgadas (40 cm) respecto a la base.
• Recomendamos una separación de malla de 40 cm como máximo, si bien los diseños en bandera deben tener una separación de más de 60 cm
• Para muros comerciales recomendamos una longitud mínima de los refuerzos primarios de 1,2 m. El software no permite reducir esta longitud, pero el ingeniero puede utilizar el archivo Mathcad para hacer los ajustes que estime necesarios a su juicio profesional.
• A pesar de que las estructuras se han construido tradicionalmente tal y como hemos descrito en este capítulo, su análisis no es fácil de desarrollar. Para los fines de nuestro caso, hemos limitado la proporción entre las estructuras superior e inferior al 70 % de profundidad de la estructura.
• A partir de la experiencia sobre el terreno y la aparición de un análisis de estabilidad compuesta interna más detallado, la recomendación predominante en la industria es que la longitud del refuerzo primario no debería ser inferior al 60 % de la altura total del muro, tal y como se mide desde la parte frontal del muro. El enfoque CCS permite al ingeniero obtener un análisis más detallado a la hora de gestionar las obstrucciones en las obras.
• El análisis incluye la estabilidad externa (vuelco y deslizamiento tanto de la estructura superior como inferior) y se notifican los factores de seguridad. El software no permite que la profundidad de ninguna de las estructuras sea inferior al valor requerido para alcanzar un factor de seguridad mínima.
• Cuando la estructura superior excede la profundidad de la estructura inferior, se realiza un análisis de carga para comprobar el potencial de rotación y deformaciones en la intersección entre las estructuras superior e inferior. El análisis comprobará el posible riesgo de tener un asentamiento diferencial que podría darse por debajo de la estructura superior, debido a la naturaleza no reforzada del suelo.

Este ejemplo representa los cálculos de vuelco y deslizamiento para la estructura inferior, con la estructura superior aplicada como sobrecarga. Es importante recordar que los cálculos de vuelco y deslizamiento para la estructura superior se calculan igual que para cualquier otra estructura, con la salvedad de que la zarpa del muro superior será el coronamiento del muro inferior. Por consiguiente, este punto será un punto rotativo a efectos de cálculo.