muros pantalla

PRESENTACION FINAL DE TESIS DE MAESTRIA:

Ponente: Ing. Diego A. Flores OrtizTutor: Dr. Ing. Juan Ronda

La Paz, 2014

1. Generalidades Introducción

El desarrollo urbano en Bolivia Elevados costos de los terrenos con buenas aptitudes para la

construcción de edificaciones Impulsan a que se tenga un mayor aprovechamiento de los espacios

físicos

Alternativa factible: Empleo del SUBSUELO en diferentes obras de construcción:

• Edificios con sótanos profundos• Aparcamientos subterráneos• Trenes subterráneos• Pasos inferiores viales

1. Generalidades Introducción

Construcción Subterránea dentro de los límites urbanos supone riesgos importantes: Proximidad de edificaciones colindantes Nivel freático próximo a la superficie

PRINCIPAL PROBLEMA EXCAVACIONES VERTICALES

Actualmente, las metodologías constructivas de edificaciones con sótanostoman muy a la ligera la ejecución y las medidas de seguridad almomento de realizar las correspondientes excavaciones verticales.

Esto ha llevado a que se produzcan problemas:

• Deslizamientos de taludes• Afectaciones en vías o en servicios públicos• Accidentes de construcción.

1. Generalidades Introducción Construcción del Edificio “Torres del Poeta”

Deslizamiento de un talud de10 m de altura que ocasionóla muerte de 2 trabajadoresy daños en el edificiocolindante.

1. Generalidades Identificación del problema

Debido al riesgo que supone la construcción de edificaciones con sótanosprofundos dentro de los límites urbanos, se ha planteado la necesidad deimplementar un sistema de cimentación especial que minimice los riesgos,tanto de accidentes en la etapa de construcción, como en la afectación a lainfraestructura urbana colindante.

Objetivo general

Realizar un estudio sobre la implementación del sistema de muros pantallacomo cimentación especial, para minimizar los riesgos que se presentandebido a las excavaciones verticales para edificaciones de sótanos profundosdentro de los límites urbanos.

2. Estado del arte

Conceptos generales

Conceptos generales de estructuras de contención• Estructuras rígidas • Estructuras flexibles

Descripción del sistema de muros pantalla

2. Estado del arte Descripción del sistema de muros pantalla

Aplicaciones del sistema de muros pantalla

Cuando se requiere evitar daños en la infraestructura urbana, Donde el ruido y las vibraciones deben ser limitados, Donde la geología y las aguas subterráneas imposibilitan la aplicación de

sistemas de contención convencionales Donde el abatimiento de las aguas subterráneas no es práctico.

2. Estado del arte

2. Estado del arte Ventajas del sistema de muros pantalla

Puede ser construido a grandes profundidades Facilita las excavaciones por debajo de las aguas subterráneas

Propiedad de estanqueidad a una excavación

Reduce los movimientos de tierra y los asentamientos

Permite la incorporación de diversas configuraciones estructurales. Permite la instalación de anclajes y otros sistemas de arriostramiento

lateral. Es construido antes de que comience el proceso de excavación

Componentes del sistema de muros pantalla Muretes guía

Funciones constructivas

2. Estado del arte

Maquinaria especial de perforación Maquinaria compuesta por cucharas hidráulicas bivalva Maquinaria compuesta por hidrofresas

2. Estado del arte

Lodo tixotrópico de perforación (Bentonita)

Estabilidad de las paredes Impermeabilización de la excavación Propiedad Tixotropía

2. Estado del arte

Tubos - junta Determinan el ancho del diafragma de HºAº Proporcionan la continuidad entre diafragmas Aseguran la impermeabilidad Guían la excavación de los diafragmas contiguos

2. Estado del arte

Jaulas de armadura de refuerzo Barras de acero corrugado diámetro mínimo 12 mm Recubrimiento mínimo 70 mm Incrementar 1,5 a 2.0 las longitudes de solape

2. Estado del arte

Proceso de Hormigonado de los diafragmas

2. Estado del arte

Viga de coronación Garantiza el trabajo conjunto de todos los diafragmas Mejora la rigidez del sistema Mejora distribución de solicitaciones Arranque de elementos estructurales (losas, columnas, rampas,

etc.)

2. Estado del arte

Tipologías de soporte lateral de muros pantalla Características del suelo Esfuerzos actuantes Estructuras colindantes

2. Estado del arte

Tipologías de soporte lateral de muros pantalla

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fases constructivas tipo. Excavación de 11 m de profundidad para una edificación de 3 sótanos. Fase constructiva inicial: Hormigonado de todos los paneles o

diagramas perimetrales y además realizar el hormigonado de la viga de coronación.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 1: Excavación y fresado hasta la cota N.-3.50. En esta

etapa la pantalla trabaja en voladizo. En caso de esperar deformacionesexcesivas cerca de la cabeza de la pantalla se puede disponer de puntalesmetálicos para controlarlas cerca de la cabeza de la pantalla.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 2: Instalación del primer nivel de soportes laterales en la

cota N. -3.00, en este caso corresponden a anclajes temporales al suelodel trasdós de las pantallas.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 3: Excavación y fresado hasta la cota N. -7.50.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 4: Instalación del segundo nivel de soportes laterales en

la cota N.-6.75. (Anclajes temporales)

2. Estado del arte

Proceso constructivo Fase constructiva 5: Excavación y fresado hasta la rasante final de la

excavación en cota N.-11.00.

2. Estado del arte

Proceso constructivo Fase constructiva 6: Construcción de la losa de cimentación, cota N.-

10.70.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 7: Construcción primer de la losa de entrepiso, cota N.-

7.50.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 8: Construcción de la losa de entrepiso, cota

N.-3.75.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 9: Desinstalación del segundo nivel anclajes, cota

N.-6.75.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 10: Construcción de la losa de entrepiso, cota N.+0.50.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva 11: Desinstalación del segundo nivel anclajes, cota

N.-3.00.

2. Estado del arte

Proceso constructivo de excavación Fase constructiva final: Etapa de servicio de la estructura final.

2. Estado del arte

Metodologías para el análisis y diseño de sistemas demuros pantalla

Métodos de análisis empíricos relativamente simples Métodos de análisis muy complejos basados en modelos numéricos

computarizados, mediantes los cuales todas las etapas del proceso deexcavación pueden ser analizadas.

El nivel de éxito del diseño depende muchas veces de:

• La definición correcta de las fases de análisis del proyecto• Evaluación de la proximidad de otras estructuras• Definición correcta de los métodos constructivos a ser empleados• El conocimiento práctico en general.

Métodos de análisis empíricos Métodos de análisis por etapas constructivas

2. Estado del arte

Métodos de análisis empíricos

Conceptos generales

El diseño de estructuras de contención engloba:

Estimación adecuada de los empujes del suelo y los empujes de lascargas externas (distribuidas, puntuales, etc.)

Verificación de la estabilidad del sistema Transmisión adecuada de los esfuerzos al suelo de cimentación

El diseño de un sistema de muros pantalla tiene como objetivo:

Definir longitud del segmento empotrado de la pantalla Calcular las fuerzas en los soportes laterales (sistemas arriostrados) Comprobar los esfuerzos en el muro pantalla Estimar y verificar los desplazamientos

2. Estado del arte

2. Estado del arte Métodos de análisis empíricos

Para muros pantalla arriostrados, que son construidos mediante un proceso deexcavación “ascendente – descendente”, el patrón de deformación es máscomplejo y no es consistente con la distribución de presión de tierra activa deRankine o Coulomb. En este caso se adopta una envolvente de presión lateralque engloba las fases constructivas que se denomina presión lateral aparentede tierra

2. Estado del arte Diagramas de presión lateral aparente propuestos por la FHWA

La Administración Federal de Autopistas de Estados Unidos FHWA (del inglés, FederalHighway Administration) es el organismo rector para la aplicación práctica de diseños decimentaciones para obras estructurales y carreteras en Estados Unidos.

Diagrama de presión lateral aparente de tierra para arenas recomendado por la FHWA

2. Estado del arte Diagramas de presión aparente propuestos por la FHWA

Diagramas de presión lateral aparente de tierra para arcillas rígidas a duras fisuradas recomendado por la FHWA

2. Estado del arte Diagramas de presión aparente propuestos por la FHWA

Presión lateral aparente de tierra para arcillas blandas a medias por la FHWA

Diagramas de presión aparente para suelos estratificados

El Método de las Fuerzas de la Cuña Deslizante

2. Estado del arte

Métodos de análisis por etapas constructivas

Permiten modelar la secuencia real de la excavación y lainstalación o retiro de los anclajes u otros elementos de soportelateral teniendo en cuenta cada una de las fases de la excavaciónde la misma manera en que el sistema será construido en larealidad

Los modelos pueden incorporar la interacción del suelo. Lafiabilidad global del diseño va a depender principalmente de lacalidad de los parámetros de entrada, en particular los que definenla rigidez y resistencia del suelo.

Se cuenta con métodos son:

Método de la Viga sobre Lecho Elástico (MVLE) Método de los Elementos Finitos (MEF)

2. Estado del arte

Métodos de los Elementos Finitos

Son modelos de dos dimensiones que incluyen la masa de suelo querodea la excavación. La respuesta tensión – deformación del suelo estárepresentada por un modelo matemático que puede variar desde unmodelo lineal elástico simple a un modelo elasto – plástico no linealcomplejo.

Generalmente, se utiliza el modelo elástico perfectamente plástico deMohr – Coulomb. En este modelo, el suelo actúa como un cuerpolinealmente elástico hasta que alcanza la rotura, definida mediante elcriterio de Mohr – Coulomb. Después que ocurre la rotura, el suelo sevuelve un cuerpo perfectamente plástico.

2. Estado del arte

Modelo en elemento finitos de un muro pantalla mediante el programaPlaxis 2D

2. Estado del arte

Diseño del sistema de anclajes como soporte lateral de muros pantallaMetodología propuesta por la FHWA

Un anclaje es un elemento estructural instalado en un suelo o roca y es utilizado paratransmitir una carga de tracción aplicada al suelo. Los anclajes a tierra son fijados en elsuelo mediante la introducción de un grout o lechada de cemento en una perforaciónrealizada con un taladro especial. Los componentes básicos de un anclaje son:

Cabeza de anclaje Tendón de acero Longitud libre o no adherida Longitud de bulbo de anclaje.

2. Estado del arte

Diseño de sistema de anclajes Ubicación de la superficie de rotura crítica (FHWA)

2. Estado del arte

Diseño de sistema de anclajes Determinación de las fuerzas de anclaje a partir de los diagramas de

presión aparente de tierra (FHWA)

2. Estado del arte

Diseño de sistema de anclajes Determinación de la longitud no adherida de los anclajes

Pueden ser necesarias longitudes no adheridas para:

Ubicar la zona de anclaje a una distancia mínima por detrás de la superficiede rotura potencial crítica.

Ubicar la zona anclajes en un suelo apto.

Garantizar la estabilidad del sistema de anclaje.

2. Estado del arte

Diseño de sistema de anclajes Determinación de la longitud de bulbo de anclaje

Carga de transferencia ultima estimada

2. Estado del arte

Diseño de sistema de anclajes Determinación de la longitud de bulbo de anclaje (PTI,1996)

2. Estado del arte

Estimaciones de esfuerzo últimos de adherencia para la interacción grout/suelo a lo largo de la zona de bulbo de anclaje

Diseño de sistema de anclajes Requisitos de separación mínimos (FHWA)

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Predimensionamiento de la pantalla

Los paneles o diafragmas tiene anchos iniciales de 2.50 m a 4,20 m (segúntipo de cuchara).

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Evaluación de la capacidad lateral del segmento empotrado de la

pantalla

2. Estado del arte

Fuerza de reacción en labase de la excavación Rse la determina a partir delDiagrama de presiónaparente.

Se recomienda adoptar2/3 de la resistencia total acorte para el cálculo de lafuerzas pasiva por elMétodo de Rankine

Diseño del elemento muro pantalla Evaluación de la capacidad axial de la pantalla (FWHA)

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Evaluación de la capacidad axial de la pantalla en suelos granulares Resistencia por fricción

Resistencia por punta

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Evaluación de la capacidad axial de la pantalla en suelos cohesivos Resistencia por fricción

Resistencia por punta

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Control de los movimientos del muro pantalla y del suelo Valores máximos admisibles para el desplazamiento horizontal

Wong

2. Estado del arte

Diseño del elemento muro pantalla Control de los movimiento del muro pantalla y del suelo Evaluación de los asentamientos en muros pantalla

2. Estado del arte

Verificaciones geotécnicas Verificación de la resistencia a la prueba de carga del anclaje superior

Verificación de la estabilidad basal

2. Estado del arte

Verificaciones geotécnicas Verificación de la estabilidad global

Método de las dovelas (Método de Bishop simplificado)

Los factores de seguridad para el cálculo de taludes son de FSeg = 1.3, para el caso de taludes temporales FSeg = 1.5 para el caso de taludes permanentes

2. Estado del arte

3. Desarrollo práctico Descripción del estudio de caso

El estudio de caso de este trabajo corresponde a la primera versión delproyecto “Hospital de Segundo Nivel La Paz – La Portada”, perteneciente alGobierno Autónomo Municipal de La Paz. Esta versión del proyecto consistiaen la construcción de una edificación con 3 niveles de sótano para lo cual eranecesaria una excavación vertical de 10 m de profundidad.

Descripción del estudio de caso3. Desarrollo práctico

Caracterización de la masa del suelo y parámetros físicos

3. Desarrollo práctico

Análisis de estabilidad global (Método de Bishop simplificado) CASO 1: Corte vertical (α=90⁰). Altura H = 10.0 m

FSmin = 1.30 (Excavaciones temporales)

Los coeficientes de Ru se utilizan para modelar la presión de poro de una formamás simple. Consiste en modelar la presión de poro como una fracción de lapresión vertical del terreno para cada dovela.

Factor de seguridad (Condiciones secas)

FS = 0.506


Factor de seguridad (Con presencia de agua Ru = 0.15)

FS = 0.190

Análisis de estabilidad global (Método de Bishop simplificado) CASO 2: Corte con inclinación H:V=1:5 (α=78.69⁰). Altura H = 10.0 m



FS = 0.706



FS = 0.523

Análisis de estabilidad global (Método de Bishop simplificado) CASO 3: Corte con inclinación H:V=1:4 (α=75.96⁰). Altura H = 10.0 m



FS = 0.751



FS = 0.579

Análisis de estabilidad global (Método de Bishop simplificado) CASO 7: Corte con inclinación H:V=1:1 (α=45⁰). Altura H = 10.0 m



FS = 1.277



FS = 1.097

Análisis de la influencia del agua en la reducción del factor de seguridad frente ala estabilidad global

Rango de Ru: 0 – 0.20


Solución propuesta mediante la implementación de unsistema de muros pantalla

Muro pantalla con 2 niveles de anclajes temporales


Solución propuesta mediante la implementación de unsistema de muros pantalla

Metodología empírica recomendada por la FHWA Superficie potencial de rotura crítica


Metodología empírica recomendada por la FHWA Diagrama de presión lateral aparente de tierra

Diagrama recomendado para suelos granulares FHWA


Metodología empírica recomendada por la FHWA Fuerzas horizontales de anclaje TH1 y TH2 (método del área

tributaria)


Metodología empírica recomendada por la FHWA

Fuerza de reacción en el suelo, Rs y longitud de empotramiento, te


Metodología empírica recomendada por la FHWA Supuestos iniciales de diseño



Diseño del sistema de anclajes Cálculo de la fuerzas de anclaje



Diseño del sistema de anclajesCarga de transferencia última estimada y longitud de bulbo de anclajes


Metodología empírica recomendada por la FHWA Diseño del sistema de anclajes Esquematización final del sistema de anclajes


Modelado mediante el método de los elementos finitos Plaxis 2D – Fases constructivas


Análisis de estabilidad global (Método de Bishop simplificado) Muros pantalla: Corte vertical (α=90⁰). Altura H = 10.0 m



FS = 1.806



FS = 1.608

Modelado mediante el método de los elementos finitos Verificación del desplazamiento horizontal admisible


Modelado mediante el método de los elementos finitos Solicitaciones para el diseño estructural de los diagramas


Modelado mediante el método de los elementos finitos Diseño estructural de los diagramas mediante el código ACI318-08

Diagrama de interacción de biaxial


Armado de un diafragma3. Desarrollo práctico

Modelado mediante el método de los elementos finitos3. Desarrollo práctico

Esquema final de la implementación de muros pantalla


ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL SISTEMA DE MUROS PANTALLASEN DIFERENTES TIPOS DE SUELOS DE CIMENTACIÓN



Caso 1: Arena densa



Caso 2: Arena suelta



Caso 3: Arcilla dura



Caso 4: Arcilla blanda


ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL SISTEMA DE MUROS PANTALLAS ENDIFERENTES TIPOS DE SUELOS DE CIMENTACIÓN




La implementación del sistema de muros pantalla es muy sensible a los parámetros,tanto de resistencia al corte como de rigidez de los suelos de emplazamiento.

El parámetro más sensible de análisis son las fuerzas a ser resistidas por el tipo desoporte lateral, que en este caso fueron anclajes temporales a tierra, lo cual repercuteen el incremento de muchos valores de diseño principalmente en el número de cablesdel tendón, la longitud no adherida y la longitud de bulbo de anclaje.

Otro parámetro sensible es la longitud de empotramiento de la pantalla donde se puedever que las longitudes son significativamente menores cuanto mayor resistencia tiene elsuelo de cimentación.

Por todas estas razones es necesario contar con los estudios geotécnicos precisos, quepermitan realizar una representación real de los parámetros de resistencia y rigidez delsuelo de cimentación para poder implementar de forma correcta un sistema de murospantalla.

ANÁLISIS ECONÓMICO SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DEMUROS PANTALLA


ANÁLISIS ECONÓMICO SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN DELSISTEMA DE MUROS PANTALLA


EL AHORRO REPRESENTA UN

27.63% APROXIMADAMENTE

Definición de la hipótesis

La implementación del sistema de muros pantalla, como cimentaciónespecial de edificaciones, permitirá que se eleven los factores de seguridaddisminuyendo los riesgos constructivos que se presentan debido a lasexcavaciones verticales para edificaciones de sótanos profundos dentro delos límites urbanos.


Demostración de la hipótesis

Condiciones secas (Caso 1 vs. Solución mediante muros pantalla)



FS = 0.506


FS = 1.806


Demostración de la hipótesis

Con presencia de agua (Caso 1 vs. Solución mediante muros pantalla)



FS = 0.190


FS = 1.608


Análisis de la influencia del agua en la reducción del factor deseguridad frente a la estabilidad global

Rango de Ru: 0.00 – 0.20


CONCLUSIONES5. Conclusiones

Se ha realizado una descripción del sistema de muros pantalla

Principales aplicaciones y ventajas

Se ha descrito cada uno de los componentes involucrados en la construcción delsistema de muros pantalla y el proceso constructivo típico que conlleva este sistemaestructural.

Los métodos empíricos para la estimación de la presión lateral de tierras mediante lasteorías clásicas de Rankine y Coulomb no son válidos para el diseño de muros pantallaarriostrados lateralmente, puesto que la influencia del movimiento del suelo por efecto de lasfases de excavación e instalación de los soportes, provoca variaciones entre los estadosactivos y pasivos en cada fase constructiva. Por este motivo, se ha planteado la utilizaciónde los diagramas de presión lateral aparente de tierra, los cuales son una envolvente de lapresión lateral de todas las fases de construcción típica de muros pantalla. Los diagramasde presión lateral aparente de tierra asumidos son los recomendados por la FHWA y estánen función al tipo de suelo de cimentación.

CONCLUSIONES5. Conclusiones

Se ha presentado una metodología para el diseño de sistema de anclajes. Donde lascomponentes principales son: la longitud de bulbo de anclaje, la longitud no adherida deltendón, el tipo de tendón de acero (cable o barra), la determinación de las fuerzas deanclaje y los requisitos mínimos de separación según recomendaciones de la FHWA

Se ha elaborado un estudio de caso donde se ha implementado el sistema de murospantalla. El estudio de caso que corresponde a la primera versión del Hospital deSegundo Nivel La Paz – La Portada, el cual requería una excavación vertical de 10 mpara la construcción de tres niveles de sótanos.

La metodología de diseño consiste en realizar un análisis empírico previo aplicando lasrecomendaciones de la FHWA. Esta etapa es importante para calibrar el modelonumérico que se debe elaborar posteriormente para realizar un análisis mediante elMétodos los Elementos Finitos, que tome en cuenta todas las fases constructivas paraverificar y validar el diseño previamente realizado. Para este análisis se hace uso deprogramas informáticos especializados, como por ejemplo PLAXIS 2D.

muros pantalla

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