MUROS DE RETENCIÓN
Los muros de contención son estructuras diseñadas para contener o soportar presiones laterales o empujes del terreno para evitar su deslizamiento. También pueden ser utilizados para contener materiales de diversa índole o líquidos.
En algunos casos los muros de contención son requeridos para proteger o asegurar espacios (construidos o no) de eventuales deslizamientos. En otros son necesarios para dar estabilidad a taludes provocados por movimientos de tierra ejecutados para obtener una forma o superficie deseada en los sitios de construcción, ejemplo: Sótanos, terrazas para aumentar el área de terreno a un mismo nivel (sea por corte o relleno), túneles, basamentos, etc.
Como se ha mencionado en otras entradas del presente blog, en Costa Rica los y las profesionales en ingeniería civil estructural son los y las responsables del cálculo y diseño de las estructuras que dan soporte y por tanto en este caso también son responsables del cálculo estructural para el diseño específico de los muros de contención. Aún así, el y la profesional en Arquitectura al ser responsables del diseño espacial, formal y organizacional de los proyectos edificatorios deben conocer la lógica de comportamiento y características básicas de los diferentes tipos de muros de contención, a fin de poder determinar el tipo de muro que se debería utilizar para provocar las sensaciones y los gestos formales y espaciales en la propuesta que ejecuta.
En términos generales se utilizan los siguientes términos para referirse a las partes que constituyen un sistema de muro de retención:
Talón. Parte del cimiento o zapata que se localiza debajo del trasdós y bajo del terreno a contener. Se encuentra en dirección opuesta a la puntera.
Puntera. Parte del cimiento, zapata o base del muro que se encuentra debajo del intradós o en la zona opuesta al terreno a contener.
Tacón. Dado de concreto longitudinal que se dispone bajo el cimiento o zapata de concreto armado con la finalidad de agregar capacidad para contrarrestar los esfuerzos que producen desplazamientos horizontales.
Cuerpo. alzado o plano vertical. Corresponde a la pared del muro que se edifica sobre la base, cimientos o zapatas con la finalidad de disponer una superficie que contenga el terreno o material a retener.
Trasdós. Superficie o sector de la parte interna del cuerpo o alzado, se encuentra en la cara que tendría contacto con el terreno o material a contener.
Intradós. Superficie o sector externo del cuerpo o alzado del muro. Zona libre opuesta a la zona con material a contener.
Para la selección de tipo de muro a utilizar no solo se debe reconocer las características morfológicas del terreno o del espacio que se desea habilitar. También se debe tener en cuenta el tipo de constitución de los suelos y su capacidad de soportar cargas. Para ello el profesional en ingeniería civil solicitará un estudio geotécnico para reconocer las diferentes capas que constituyen el terreno, conocer la capacidad de soporte de cargas y la estabilidad de éstas en taludes. También se deberán analizar las cargas que pudieran estar apoyadas en el terreno a contener, por ejemplo, peso de edificaciones.
La capacidad de soporte de cargas permitirá reconocer el estrato del terreno sobre el cuál se podrá disponer el basamento o cimiento que trasferirá las cargas y por tanto el área de superficie necesaria en el cimiento o zapata. La estabilidad de los taludes permite reconocer el volumen de carga lateral que debería soportar la estructura por diseñar y construir.
Para el presente texto nos concentraremos en los rasgos generales de los diferentes tipos de sistemas que suelen ser más utilizados en Costa Rica.
Otros aspectos a considerar al momento de seleccionar un sistema de muro de contención es la finalidad del mismo y de los espacios que interactúan con el muro. Por ejemplo, si es un muro de retención que quedará en espacios al “aire libre” (exterior) o si son muros para limitar o definir espacios internos en la edificación. También se debe considerar si se requiere además de contener el terreno evitar el paso de líquidos y humedad, o si la superficie del plano vertical del muro debe ser: lisa, perpendicular al terreno, con inclinación, porosa, etc.
Los muros de retención suelen sufrir en su plano vertical y cimientos de esfuerzos por flexión: Combinación de las fuerzas de tracción y de compresión que se desarrollan en la sección transversal de un elemento estructural. Para contrarrestar estos esfuerzos se pueden diseñar muros con: mayor masa en su sección; refuerzo de armaduras de acero en muros de concreto o mampostería; contrafuertes perpendiculares al plano vertical del muro de concreto armado o mampostería; anclajes en muros prefabricados, de concreto armado, de pilotes o de mampostería.
También deben resistir cargas laterales que empujan al muro y podrían producir volteo o desplazamiento horizontal. La resistencia al volteo se puede mejorar teniendo una mayor masa en la base o cimiento del muro; También utilizando cimientos o zapatas con puntera y talón (Posterior al muro, bajo material de relleno en costado del talud o corte del terreno a contener: Trasdós.). El desplazamiento horizontal ante empujes laterales se puede contrarrestar agregando superficie de contacto entre la base, cimiento o zapata del muro y el terreno, para aumentar la cantidad de fricción; también posicionando la base, cimiento o zapata del muro en una zanja en una capa o estrato del terreno con mayor capacidad de soporte y cohesión; y disponiendo un dado o tacón de concreto bajo el cimiento o zapata de concreto armado en la zona de mayor peso vertical de cargas, usualmente bajo el talón del muro ubicado en el Trasdós.
Por las características climáticas de Costa Rica en todo tipo de solución de muros de retención se debe construir sistemas que drenen las aguas superficiales y subterráneas que puedan llegar a tener contacto con los muros, con la finalidad de bajar las presiones hidrostáticas y disminuir la transferencia de humedad a la estructura.
TIPOS DE MUROS DE CONTENCIÓN LOS USUALES
Muros de contención por gravedad: Están diseñados para soportar los esfuerzos por empujes laterales con su peso propio. Por su función son muros que requieren de mucha área y volumen de espacio. La forma en su sección puede ser rectangular, escalonados o ataluzados (con superficies inclinadas tipo talud). Este tipo de muro puede ser construido con piedras de gran volumen sobrepuestas, hormigón simple, hormigón ciclópeo (mezcla de concreto y piedras de gran volumen), gaviones (Estructuras de tejidos o mallas metálicas de forma de prisma rectangular en las que en su interior se colocan piedras de tamaños intermedios). Por su masa son muros que son menos propensos a sufrir esfuerzos de flexión. Son sistemas de muro que no requieren de cimiento o zapata de concreto reforzado, pero si requieren de ser construidos en una capa de terreno que tenga la capacidad de soporte de cargas al que el sistema estará sometido. La superficie de esa base debe estar bajo el nivel de terreno para que funcione como una cuña pasiva de suelo para resistir el deslizamiento ante esfuerzos horizontales y ayudar a prevenir la erosión y arrastre en la base del muro. Por su naturaleza constructiva el muro se construye y posteriormente se debe rellenar con material que permita compactación el vacío entre la cara posterior y la cara del terreno a contener (Trasdós).
Muros de contención por gravedad y estabilizados mecánicamente tipo prefabricado: Dentro de los muros de tipo gravedad existen variedad de soluciones prefabricadas, que utilizan bloques de concreto y geomallas, por ejemplo, el denominado Keystone (Productos de Concreto S.A.) y el Muro Block (Pedregal S.A.).
Keystone. La construcción de este sistema requiere de una base o zanja como la anteriormente descrita en donde se coloca material a compactar para crear una base nivelada, sobre la cuál se colocan hiladas de los bloques de concreto, sin mortero de pega. En la zona interior del muro (Trasdós) se deben colocar dos franjas o zonas de materiales, en la primera junto a la cara interna de los bloques se debe colocar material para drenar líquidos (sumado el ancho de la hilada de bloque y la zona de drenaje debe medir 60cm cómo mínimo) y en el segundo entre el material de drenaje y la cara del corte del terreno se coloca material de relleno para compactar. Estas franjas de material de drenaje y relleno se pueden rellenar cada tres hiladas de bloques como máximo. Frente a la primera hilada de bloques colocada se debe rellenar la zanja de base con suelo pasivo para asegurar la alineación correcta de todos los bloques. En situaciones en donde los muros deben responder a esfuerzos elevados, la o el ingeniero civil pueden especificar la colocación de geomallas de refuerzo. Estas se colocan de forma horizontal entre las hiladas de bloques y las franjas de relleno. La geomalla se posiciona haciendo uso de pernos de fibra de vidrio que se colocan a los bloques de concreto, la malla se debe tensionar jalándola en dirección al talud o corte de terreno utilizando estacas que se insertan en el material compactado ubicado en la segunda franja de relleno. Luego de instalada la geomalla se procede a colocar sobre ella una nueva hilera de bloques y los materiales de las dos franjas de relleno. La distancia en elevación entre las geomallas será definida por el profesional en ingeniería civil.
Muro Block. Se diseña como muro de gravedad o como revestimiento de taludes contra erosión. Suele utilizarse en soluciones exteriores. Por su naturaleza de construcción y propiedades geométricas y mecánica del bloque, son muros que se construyen dando una apariencia entre hiladas de escalonamiento, por lo que este sistema no permite la construcción de muros con planos verticales. No requiere de: mortero de pega, acero de refuerzo, mallas metálicas, conectores de acero, tirantes, mallas geotextiles, drenajes interiores, mano de obra especializada. La construcción de este sistema requiere de una base o zanja como las anteriormente descritas en donde se coloca material a compactar para crear una base nivelada sobre la cuál colocar las hiladas de bloques. Se requiere rellenar con material granular a compactar un espacio de 15cm de ancho entre el muro y la tierra en toda su altura, este material debe ser colocado al concluir la instalación de cada hilada.
Muro de semi gravedad (también conocido como muro en voladizo): Es una solución de muro de contención que es elaborado con concreto armado. Se requiere de menos volumen de espacio y menor huella, característica por la que puede ser elegido en contra de los que trabajan por gravedad. Por tanto, disminuyen las dimensiones de la sección del plano vertical son menores que las de muros por gravedad por lo que se somete a esfuerzos de flexión. Es por esto que para responder a estos esfuerzos se debe añadir refuerzo de armaduras de acero al concreto. Por su función y forma requieren de cimiento o zapata de concreto armado.
Los muros de contención con cimientos o zapatas de concreto armado pueden diseñarse dependiendo la situación del predio en donde se construirá y de las cargas y esfuerzos con las siguientes características y disposiciones de forma:
Muros con Talón y Puntera: Este es un tipo de muro que posee una forma de “T” invertida. Teniendo una superficie o plano vertical que se apoya longitudinalmente sobre una estructura de cimiento. La puntera del cimiento o zapata queda en la zona baja del terreno (Intradós) y el talón en la zona del talud a contener (Trasdós). Por su forma, el plano vertical del muro no puede estar ubicado justo en el límite de la línea de propiedad, dado que el talón debe quedar bajo el talud a soportar (Trasdós). Esa prolongación de la zapata hacia el terreno a contener le aporta estabilidad y se suele considerar la geometría óptima para un muro contención, porque el propio terreno contenido aporta sustentabilidad al cargar peso sobre el talón del cimiento.
A su vez se considera que este tipo de solución supone una menor inversión de dinero versus los muros de contención diseñados solo con puntera.
La carga del terreno sobre el talón de la zapata colabora en tres aspectos principales: Evitar el vuelco del muro. Al apoyarse sobre la zapata impide que el muro gire en la base y caiga por los empujes laterales del terreno; Impedir el levantamiento de la zapata. La forma de la zapata no permite que ésta se levante en la base del muro porque lo impide el terreno; Frenar el deslizamiento de la base de la zapata. La presión del terreno aumenta el rozamiento entre base y terreno, y por lo tanto impide que deslice ante los empujes de forma horizontal.
En este caso la longitud de la puntera deberá ser mayor que en los muros de retención con Talón. Esto para dar mayor resistencia contra las fuerzas laterales que producen los esfuerzos por volteo y para obtener mayor superficie de contacto entre la base del cimiento y el terreno para tener mayor área de fricción y así oponerse a los esfuerzos por deslizamiento.
Muros con Talón y sin Puntera: Este es un tipo de muro de retención que también posee una forma en “L”, teniendo una superficie o plano vertical que se apoya longitudinalmente sobre una estructura de cimiento. El talón del cimiento o zapata queda en la zona bajo el talud de terreno a contener en la zona del Trasdós. Por su forma, el plano vertical del muro si puede estar ubicado justo en el límite de la línea de propiedad. Es utilizado cuando el plano vertical del muro debe colocarse justo al límite del terreno o zona por construir para contener el terreno en donde se construye, que se ubica por sobre el nivel de un terreno colindante.
En este caso la longitud del talón deberá ser mayor que en los muros de retención con Puntera y Talón. Esto para dar mayor resistencia contra las fuerzas laterales que producen los esfuerzos por volteo y para obtener mayor superficie de contacto entre la base del cimiento y el terreno para tener mayor área de fricción y así oponerse a los esfuerzos por deslizamiento.
Muro prefabricado de mampostería tipo voladizo o con apoyos múltiples: Estos muros son sistemas compuestos de cimientos o zapatas de concreto armado y plano vertical compuesto de bloques de mampostería integral o reforzada. Los muros de mampostería y los muros con elementos prefabricados pueden diseñarse como un muro en voladizo. También se pueden diseñar como muros simplemente apoyados cuando se pueden anclar al terreno o a otra estructura en su extremo superior, por ejemplo, entrepisos, losas, y vigas a compresión, o cuando trabajan en forma horizontal entre otros sistemas resistentes como columnas, contrafuertes de concreto armado o de bloques con columnas integrales tipo mocheta u otros muros perpendiculares. Los sistemas para muros de retención prefabricados tienen las ventajas que ofrece la prefabricación: Ahorro en formaleta o encofrados, reducción de costos por mano de obra, reducción de tiempos de construcción y costos financieros.
Los bloques de concreto deben colocarse por hiladas, los bloques deben traslaparse en su sentido horizontal longitudinal para evitar las sisas o uniones entre los bloques verticales continuas. La especificación del tipo de cimiento armado y de los refuerzos horizontales (entre hiladas) y verticales (entre la celda) de varilla de acero y el relleno de las celdas de los bloques con concreto serán determinados por la o el profesional en ingeniería civil.
La empresa Productos de Concreto ofrece en el Manual Técnico PC (página 10-10) tablas que permiten reconocer un conjunto de diseños sugeridos de muros de mampostería de 1 a 2.6m de altura, con planos verticales de pared compuesta de bloques de 20cm x 20cm x 40cm, considerando una capacidad soportante admisible del terreno de 10ton/m2. Otras indicaciones pueden ser vistas en dicho manual.
Muro con contrafuertes: Este tipo de muro de contención es similar al voladizo. Aquí se adicionan planos verticales de concreto armado perpendiculares al plano principal. Estos planos de refuerzo se les llama contrafuertes. De esta manera se une el tallo o pared vertical con el talón (si el contrafuerte es posicionado en la cara interna) o con la puntera (si el contrafuerte es posicionado al frente del muro) y se disminuyen los esfuerzos cortantes. El sistema de reforzar el muro con contrafuertes puede ser utilizado en los sistemas de muros de mampostería.
Muro de pilotes pre-excavados: Son muros de contención elaborados a partir de la construcción de pilotes pre-excavados alineados y adyacentes, unidos en su parte superior con una viga. Suelen ser construidos con concreto armado. Estos muros se suelen construir antes de ejecutar movimientos de tierra escavando en el terreno huecos profundos y cilíndricos. En esos huecos se coloca una estructura de varillas de acero y posteriormente se vierte concreto. En la parte superior de los pilotes se coloca una viga de concreto armado. Una vez fraguado el concreto se procede a ejecutar la excavación o movimiento de tierra. Son útiles cuando la estabilidad del terreno o taludes no es segura, por tanto, se construyen primero y luego se retira el material del terreno en donde se desea habilitar un espacio a diferente nivel que el estado anterior. También es utilizado en la construcción de carreteras en pasos a un nivel inferior, posibilitando la construcción del muro hincado en los laterales y la construcción de la estructura de entrepiso que soportaría una vía vehicular superior antes de empezar con la excavación para el paso vehicular inferior.
Muro tipo Tablestaca Hincado: Las tablestacas son un tipo de estructura o pilotes hincados que forman una estructura de contención de tipo pantalla, usualmente empleada para formar una pared hermética destinada a la protección de muelles, muros de contención en general o para ejecutar entibaciones. Sin embargo no están limitadas a dichas aplicaciones y, dadas sus características, son usadas en la construcción de edificios para la contención transitoria o definitiva de terrenos o para la habilitación de subterráneos. Normalmente son prefabricados y, aunque en el origen fueron de madera, hoy son mayoritariamente realizadas en acero, aunque también las hay en hormigón, aluminio y vinilo o compuestos.
Muro Anclado: Es un sistema constructivo de muros de retención con anclajes activos y pasivos utilizados para el aseguramiento de cortes en excavaciones o la estabilización de taludes. Los anclajes son pre-excavados perforando la pared del talud, en estas perforaciones se introduce el anclaje metálico y posteriormente se inyecta concreto y/o aditivos. Estos anclajes se dejan sobresaliendo de la superficie del corte o talud del terreno. Luego se coloca en la cara del corte o talud del terreno una estructura de concreto o malla de acero que se fija a los anclajes. Posteriormente se lanza concreto sobre la estructura de acero creando una superficie que cubre toda la cara del corte o talud. Luego de que el concreto fragua se procede al tensado de los anclajes por medio de gatos hidráulicos.
También es posible utilizar el sistema de anclaje para dar mayor estabilidad junto con otros tipos de muros, por ejemplo, con: Muros de Pilotes Hincados, Muros de Placas de Hormigón Prefabricadas, y Muros de Concreto Armado.
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