Optimización del diseño de anclajes mediante la técnica de elemento finitos en excavaciones profundas para edificaciones en Lima

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera de Ingeniería Civil. OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE ANCLAJES MEDIANTE LA TÉCNICA DE ELEMENTO FINITOS EN EXCAVACIONES PROFUNDAS PARA EDIFICACIONES EN LIMA Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil. MARÍA ALESSANDRA HUAYLLA MEDINA KEVIN ROJAS PAREDES Asesor: Jorge Luis Cárdenas Guillén Lima – Perú 2019.

(2) Dedicatoria. A Dios por guiarme durante todo el camino y permitirme culminar esta gran etapa de mi vida. A mis padres Elizabeth y Nilton, por su apoyo incondicional y amor infinito, por creer y apostar en mí en esta etapa de cumplir la meta de la titulación. A Juanita, mi segunda mamá; y mi hermana, que siempre estuvieron conmigo dándome aliento para acabar esta tesis. Y, mi compañero y futuro colega, Kevin Rojas, por su gran apoyo a lo largo de esta etapa y por ayudarme a crecer tanto profesionalmente como persona.. Alessandra Huaylla Medina. A mis padres Julio y Maribel, por su apoyo y motivación continúa a cumplir mi meta de la titulación. A mi compañera y futura colega, Alessandra Huaylla, por siempre estar presente en los momentos de dificultad y ayudarme a mejorar cada día más como persona y profesional. Además de ser una persona esencial e importante para la tesis y para mi persona.. Kevin Rojas Paredes. ii.

(3) Agradecimientos. En primer lugar, a Dios por guiarnos y darnos la fortaleza necesaria frente a los obstáculos, para culminar la presente investigación. Expresar nuestro más sincero agradecimiento a nuestro asesor Dr. Ing. Jorge Luis Cárdenas Guillén, por brindarnos sus conocimientos, orientación, consejos y supervisarnos a lo largo de la elaboración de la tesis.. Alessandra Huaylla Medina Kevin Rojas Paredes. iii.

(4) Resumen La presente tesis consiste en la optimización del diseño existente de anclajes en dos proyectos de edificación en el distrito de San Isidro, los cuales fueron ejecutados con métodos de fuerzas (método de equilibrio límite); mediante un análisis realizado por métodos numéricos (método elementos finitos). Debido a que en los últimos años los muros anclados han sido la principal alternativa de método de sostenimiento de tierras para proyectos con excavaciones profundas en la ciudad de Lima, se consideró importante realizar un estudio acerca de la optimización del diseño de los anclajes que componen este tipo de estructuras de retención, con el objetivo de encontrar un diseño más óptimo con medidas menos conservadoras que el diseño inicial, sin perjudicar el rendimiento estructural de los anclajes. La metodología adoptada siguió un método cuantitativo, debido a que los resultados obtenidos son comparaciones numéricas de longitud de anclaje y costo por metro lineal de anclaje entre el diseño inicial y el diseño optimizado realizado. Se concluyó que el análisis del diseño inicial de anclajes (realizado con el método de equilibrio límite) mediante la técnica de elementos finitos modelado en el software PLAXIS puede optimizar la longitud de bulbo de los anclajes sin dejar de cumplir con los factores de seguridad mencionados en el marco teórico de esta investigación.. Palabras claves: estabilidad de taludes, muros anclados, anclajes, método equilibrio límite, método elementos finitos. iv.

(5) Abstract. The present study consists in the optimization of the existing design of anchors in two projects in the district of San Isidro, which were executed with force methods (limit equilibrium method); by an analysis carried out by numerical methods (finite element method). In recent years, anchored walls have been the main alternative method of sustaining land for projects with deep excavations in the city of Lima. For that reason, it was considered important to conduct a study about the optimization of the design of the anchors that compose this type of retention structures, in order to find a more optimal design with less conservative measures than the initial design, without harming the structural performance of the anchors. The methodology was based on a quantitative method, because the results obtained are numerical comparisons of anchorage length and cost per lineal meter of anchoring, between the initial design and the optimized design carried out. It was concluded that the analysis of the initial design of anchors (designed by the limit equilibrium method) modeled with the software PLAXIS using the finite element technique can optimize the bulb length of the anchors complying the safety factors mentioned in the theoretical framework of this investigation.. Keywords: slope stability, anchored walls, anchors, limit equilibrium method, finite element method. v.

(6) Índice de contenidos GENERALIDADES DEL PROBLEMA DE ESTUDIO INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN OBJETIVOS Objetivo General. Objetivo Específicos. HIPÓTESIS Hipótesis principal. Hipótesis específicas.. 1 1 2 3 4 6 6 6 6 6 6. ESTRUCTURAS DE SOSTENIMIENTO DE TIERRAS MUROS CONVENCIONALES MUROS DE GRAVEDAD. MUROS EN VOLADIZO. MUROS CON CONTRAFUERTES. MUROS NO CONVENCIONALES CARACTERÍSTICAS DEL SUELO DE LIMA GEOLOGÍA GEOMORFOLOGÍA SISMICIDAD PARÁMETROS TÍPICOS PARA EL SUELO DE LIMA. 8 8 9 9 9 10 11 11 11 13 14. ELEMENTO DE CONTENCIÓN: MUROS ANCLADOS TIPOS DE ANCLAJES Según su forma de trabajar. Según composición y armadura. Según su mecanismo de sostenimiento. Según tiempo de servicio. COMPONENTES PRINCIPALES DE UN MURO ANCLADO Pared de revestimiento estructural. Obras de drenaje. ANCLAJES ZONA DE ANCLAJE O LONGITUD DEL BULBO. LONGITUD LIBRE. ZONA DE CABEZA Y PLACA DE APOYO. SECUENCIA CONSTRUCTIVA DE MUROS ANCLADOS MODOS DE FALLA EN MUROS ANCLADOS MODOS DE FALLAS INTERNAS O LOCALES. MODOS DE FALLA GENERALES O EXTERNAS. CARGAS ACTUANTES EN EL SISTEMA DE MUROS ANCLADOS Cargas laterales. Cargas verticales. Cargas dinámicas. EMPUJES LATERALES SOBRE ELEMENTOS DE CONTENCIÓN Estado de empuje inicial o en reposo (Ko). Estado de empuje activo (Ka). Estado de empuje pasivo (Kp). Interpretación grafica de los 3 estados de empuje en un sistema de contención de suelo.. 17 17 17 17 19 20 21 21 21 22 22 24 25 25 28 28 30 32 32 32 33 33 34 35 35 36. vi.

(7) PRINCIPIOS PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE SISTEMA DE MUROS ANCLADOS MÉTODO DE EQUILIBRIO LÍMITE Método de Bishop. Método de Janbú. Software GGU. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Software Plaxis. DIFERENCIAS ENTRE EL MÉTODO DE EQUILIBRIO LÍMITE Y ELEMENTOS FINITOS. 37 38 39 40 41 43 45 46. GENERALIDADES PARA EL DISEÑO DE ANCLAJES DE MUROS ANCLADOS CÁLCULO DE FUERZAS INTERNAS EN ANCLAJES – MÉTODO DE KRANZ CONCEPTOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE ANCLAJES Cálculo de la longitud libre de anclaje. CÁLCULO DE ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LOS ANCLAJES CÁLCULO DEL ESPACIAMIENTO VERTICAL Y HORIZONTAL DE LOS ANCLAJES DIÁMETRO DE PERFORACIÓN PARA EL ANCLAJE CÁLCULO DE LONGITUD DEL BULBO DE ANCLAJE CÁLCULO DE ÁREA DE LOS TIRANTES DEL ANCLAJE Y NÚMERO DE TORONES CRITERIO PARA LA DOSIFICACIÓN DE LA LECHADA DE CEMENTO. 47 47 50 50 51 52 53 53 55 56. CASOS DE ESTUDIO CASO I. PROYECTO COMERCIAL-VIVIENDA Características y parámetros necesarios para el diseño de anclajes. Diseño inicial de anclajes mediante método equilibrio límite (Kranz) Análisis del diseño mediante elementos finitos. CASO II. PROYECTO EDIFICIO MULTIFAMILIAR Características y parámetros necesarios para el diseño de anclajes. Diseño de anclajes mediante método equilibrio límite (Kranz). Análisis del diseño mediante elementos finitos.. 57 57 57 61 71 86 87 88 97. ANÁLISIS DE RESULTADOS 107 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA LONGITUD DE BULBO ENTRE EL DISEÑO INICIAL Y DISEÑO OPTIMIZADO107 CASO I. PROYECTO COMERCIAL-VIVIENDA. 107 CASO II. PROYECTO EDIFICIO MULTIFAMILIAR. 108 ANÁLISIS COMPARATIVO ECONÓMICO ENTRE EL DISEÑO INICIAL Y DISEÑO OPTIMIZADO 110 CASO I: PROYECTO COMERCIAL-VIVIENDA. 111 CASO II: PROYECTO EDIFICIO MULTIFAMILIAR. 114 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES. 117 117 118. REFERENCIAS. 119. ANEXOS. 123. vii.

(8) Índice de figuras Figura 1. Estructura de Contención de Tierras 8 Figura 2. Tipos de muros de contención convencional 9 Figura 3. Muros no convencionales 10 Figura 4. Muros no convencionales; Muro Anclado (Activo) y Soil Nailing (Pasivo) 10 Figura 5. Mapa de las condiciones de mecánica de suelos de la ciudad de Lima. 12 Figura 6. Mapa de isoperiodos para Lima y Callao 13 Figura 7. Husos granulométricos obtenidos de ensayos de granulometría global del Conglomerado de Lima. 14 Figura 8. Estructura típica de Anclaje de Barra 18 Figura 9. Estructura en obra de un anclaje de cable 18 Figura 10. Anclajes sostenidos por adherencia con mortero 19 Figura 11. Anclajes sostenidos por fricción 20 Figura 12. Refuerzo típico de pantalla en un muro anclado 21 Figura 13. Drenaje de un muro anclado 22 Figura 14. Perfil típico de un anclaje con inyección por gravedad 23 Figura 15. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo único global 23 Figura 16. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo repetitiva 24 Figura 17. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo repetitiva selectiva 24 Figura 18. Elementos de un anclaje 25 Figura 19. Excavación con banqueta y talud 26 Figura 20. “Perforación para anclaje” y “Colocado de anclaje e inyectado 26 Figura 21. Perfilado de panel primario, encofrado, colocación de armadura y vaciado 27 Figura 22. Tensado de anclajes 28 Figura 23. Falla por fluencia del tendón 29 Figura 24. Falla por unión bulbo-suelo 29 Figura 25. Falla por desplazamiento del tendón 30 Figura 26. Falla por vuelco 30 Figura 27. Falla por deslizamiento 31 Figura 28 . Falla por estabilidad global 31 Figura 29. Presión lateral del terreno sobre un muro anclado en 2 niveles 32 Figura 30. Representación de los estados activo y pasivo de Rankine en un punto de un terreno con superficie libre horizontal con tensión vertical σz. 34 Figura 31. Estado de empuje inicial o en reposo 34 Figura 32. Estado de empuje activo 35 Figura 33. Estado de empuje pasivo 35 Figura 34. Estados de empuje en un sistema de contención 36 Figura 35. Superficie de falla activa y pasiva de un muro pantalla 38 Figura 36. Análisis típico de estabilidad de taludes y fuerzas que actúan en cada sección de una dovela 39 Figura 37. Tabla utilizada para determinar f0 para el método de Janbú 40 Figura 38. Perfil de anclajes diseñados en el software GGU mediante el método de equilibrio límite. 42 Figura 39. Tipos de falla potenciales por pendiente en un talud, siendo la “Deep Saeted Failure” la falla por cuña profunda 42 Figura 40. Malla típica 2D para el análisis de un talud vertical por elementos finitos 44 Figura 41. Perfil de anclajes modelados en software Plaxis 46 Figura 42. Análisis de estabilidad del sistema muro anclado mediante método de Kranz 48 Figura 43. Análisis de estabilidad de perfil de 2 anclajes mediante método de Kranz 48 Figura 44. Equilibrio de Fuerzas de un bloque de suelo según método de Kranz 49 Figura 45. Esquema de vectores para el cálculo de la longitud libre de anclaje 50 Figura 46. Formulación de la ecuación para cálculo de la longitud libre de anclaje 51 Figura 47. Ángulo de inclinación adecuado para los anclajes 52 Figura 48. Criterios para espaciamiento vertical y horizontal de los anclajes 53 Figura 49. Zonificación aledaña del proyecto Comercial – Vivienda 58. viii.

(9) Figura 50. Zonificación del proyecto Comercial - Vivienda Figura 51. Cargas de servicio obtenidas para cada anclaje en la zona 1.1 Figura 52. Cargas de servicio de cada anclaje en la zona 1.1 Figura 53. Factores de seguridad obtenidos de cada anclaje en la zona 1.1 Figura 54. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje en estado estático de la zona 1.1 Figura 55. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis pseudo-estático de la zona 1.1 Figura 56. Longitud de bulbo de cada anclaje en la zona 1.1 Figura 57. Cargas de servicio obtenidas para cada anclaje en la zona 4.1 Figura 58. Cargas de servicio de cada anclaje en la zona 4.1 Figura 59. Factores de seguridad obtenidos de cada anclaje en la zona 4.1 Figura 60. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis estático de la zona 4.1 Figura 61. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis pseudo-estático del sector 4.1 Figura 62. Longitud libre corregida en el metrado de cargas de la zona 4.1 Figura 63. Reducción de carga de servicio y área de acero de cada anclaje de la zona 4.1 Figura 64. Longitud de bulbo de cada anclaje en el sector 4.1 Figura 65. Características de un modelo típico de perfil de muro anclado Figura 66. Esquema básico de un modelo elástico con plasticidad perfecta Figura 67. Perfil de anclajes zona 1.1 modelado en Plaxis Figura 68. Carpetas para asignar propiedades a los distintos elementos del perfil de anclajes Figura 69. Malla geométrica de elementos finitos para el perfil de anclajes Zona 1.1 Figura 70. 1ra etapa en Plaxis Figura 71. 2da etapa en Plaxis Figura 72. 3ra etapa en Plaxis Figura 73. 4ta etapa en Plaxis Figura 74. Modelo final deformado del perfil de anclajes Zona 1.1 Figura 75. Zonificación aledaña del proyecto Comercial - Vivienda Figura 76. Zonificación del proyecto Edificio Multifamiliar Figura 77. Cargas de servicio obtenidas para cada anclaje en la zona 1.1 Figura 78. Cargas de servicio obtenidas para cada anclaje en la zona 1.1 Figura 79. Factores de seguridad obtenidos de cada anclaje en la zona 1.1 Figura 80. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje en estado estático de la zona 1.1 Figura 81. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis pseudo-estático de la zona 1.1 Figura 82. Longitud de bulbo de cada anclaje en la zona 1.1 Figura 83. Cargas de servicio obtenidas para cada anclaje en la zona 2 Figura 84. Longitud libre corregida en el metrado de cargas de la zona 2 Figura 85. Factores de seguridad obtenidos de cada anclaje en la zona 2 Figura 86. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis estático de la zona 2 Figura 87. Sistema estabilizado y longitudes finales de anclaje del análisis pseudo-estático de la zona 2 Figura 88. Reducción de carga de servicio y área de acero de cada anclaje de la zona 2 Figura 89. Longitud de bulbo de cada anclaje en la zona 2 Figura 90. Perfil de anclajes zona 4.1 modelado en PLAXIS Figura 91. Propiedades de distintos elementos del perfil de anclajes Figura 92. Malla geométrica de elementos finitos para el perfil de anclajes Zona 4.1 Figura 93. 1ra etapa en Plaxis – Caso 2 Figura 94. 2da etapa en Plaxis – Caso 2 Figura 95. 3ra etapa en Plaxis– Caso 2 Figura 96. 4ta etapa en Plaxis – Caso 2 Figura 97. Modelo final deformado del perfil de anclajes Zona 4.1 Figura 98. Comparativa longitud de bulbo - Caso I Figura 99. Comparativa longitud de bulbo - Caso II Figura 100. Cuadro comparativo entre el costo total del Proyecto I Figura 101. Cuadro comparativo entre el costo total del Proyecto 2. 62 63 63 64 65 66 66 67 67 68 68 69 70 71 71 72 74 79 79 80 81 81 82 82 83 87 89 90 90 91 92 93 93 94 94 95 95 96 97 97 100 100 101 102 102 103 103 104 108 110 113 116. ix.

(10) Índice de tablas Tabla 1. Ensayos de caracterización de las gravas arenosas Tabla 2. Ensayos de corte in situ recopilados de la grava de Lima Tabla 3. Método de análisis de estabilidad de taludes Tabla 4. Diferencias entre el método de Equilibrio Límite y Elementos Finitos Tabla 5. Capacidad ultima de adherencia en la interfase Suelo/Lechada Tabla 6. Propiedades de cables de acero de diámetro 15mm Tabla 7. Parámetros geotécnicos del suelo, Memoria de Calculo Tabla 8.Ensayos de corte directo realizados en Lima, Características de suelos granulares gruesos. Tabla 9. Parámetros geotécnicos utilizados para el análisis en PLAXIS Tabla 10. Coeficientes de seguridad para estados límites últimos Tabla 11. Cargas axiales y factores de seguridad del perfil de anclajes de la zona 1.1 Tabla 12. Fuerzas axiales finales y factores de seguridad finales de la zona 1.1 Tabla 13. Longitudes de bulbo optimizadas de la zona 1.1 Tabla 14. Parámetros geotécnicos del suelo, Memoria de Calculo Tabla 15. Cargas axiales y factores de seguridad del perfil de anclajes de la zona 4.1 Tabla 16. Fuerzas axiales finales y factores de seguridad finales de la zona 4.1 Tabla 17. Longitudes de bulbo optimizadas de la zona 4.1 Tabla 18. Longitud de anclajes del Caso 1 Tabla 19. Longitud de anclajes del Caso 2 Tabla 20. Costo total de ejecución de anclajes con el diseño inicial del proyecto 1 Tabla 21. Costo total de ejecución de anclajes con el diseño optimizado del proyecto 1 Tabla 22. Costo total de ejecución de anclajes con el diseño inicial del proyecto 2 Tabla 23. Costo total de ejecución de anclajes con el diseño optimizado del proyecto 2. 15 16 37 46 54 55 58 59 76 84 84 86 86 87 105 106 106 107 109 111 112 114 115. x.

(11) OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE ANCLAJES MEDIANTE LA TÉCNICA DE ELEMENTO FINITOS EN EXCAVACIONES PROFUNDAS PARA EDIFICACIONES EN LIMA. xi.

(12) GENERALIDADES DEL PROBLEMA DE ESTUDIO. Introducción Con el transcurso de los años, el sector de la construcción ha crecido exponencialmente alrededor del mundo. Debido al crecimiento y globalización, los métodos de sostenimiento de tierras han sido optimizados para obtener mayores ventajas económicas, reducción en tiempo de ejecución, y mejoras en el proceso constructivo. En el caso de Perú, en los últimos años las calzaduras están siendo reemplazadas por estructuras de contención más sofisticadas tales como los muros anclados, muros Soil Nailing, suelos claveteados, muros de tierra armada, entre otros métodos. En 2018, Perú experimentó un incremento en el sector de la construcción de 4.6%, 2.2 puntos porcentuales por encima del crecimiento registrado en el año 2017 (2.40%). Además de incrementar la demanda del sector automotriz en la última década, este año la Asociación de Automotriz del Perú ha estimado un crecimiento cerca de 4,6%, según las cifras del Instituto Economía y Desarrollo Empresarial de la Cámara de Comercio de Lima. (Empresarial, 2019). Como consecuencia, el espacio de construcción en las zonas urbanas de Lima es cada vez más reducido, forzando la necesidad de diseñar proyectos que aprovechen los metros cuadrados en lo alto y en lo bajo (semisótanos y sótanos), por lo que se realizan más proyectos con una mayor profundidad de excavación para sus cimentaciones. Estas necesidades anteriormente descritas, llevan a los ingenieros a comenzar con el estudio de los distintos métodos para la contención de masas de suelo en respuesta a las profundas excavaciones, para que posteriormente se implemente el método correcto y óptimo respondiendo a las características que se requieran en el proyecto. Dentro de estos métodos se encuentra el sistema de muros anclados, el cual se basa en la construcción de estructuras (placas) ancladas al terreno, que tiene como finalidad retener las masas de suelo y que a la vez contribuyen con la estabilidad de la misma evitando así problemas de deslizamientos de suelos durante la etapa de excavación y posterior. El sistema de muros anclados se ha vuelto la alternativa más utilizada debido a óptimos resultados técnicos y económicos reemplazando así al método tradicional de calzaduras; ya que es un método de sostenimiento de tierras cuyo procedimiento invade el terreno aledaño, lo cual aumenta la probabilidad de accidentes en contra del personal que ejecuta esta partida y causa daños 1.

(13) colaterales a las edificaciones vecinas, además del gasto económico que conlleva la ejecución de las calzaduras. En cambio, la estructura utilizada para la ejecución de los muros anclados es el elemento estructural final de cada nivel de sótano; agregando el hecho de que, con este método de sostenimiento de tierras, mientras más profunda sea la excavación realizada los muros anclados traen consigo ahorros en tiempos de ejecución y costos de recursos para empresa ejecutora. Sin embargo, son pocas las empresas que se dedican al diseño de anclajes para este sistema de muros de contención, además los métodos utilizados para su diseño están basados en normas internacionales por lo que se asumen parámetros para el diseño de estos. Existen estudios e investigaciones que buscan la optimización de los diseños de muros anclados en distintos proyectos, mediante la realización de nuevos estudios de suelos previos a la ejecución de estos anclajes. Aunque algunas veces no se tiene la facilidad de realizar un nuevo estudio de suelos antes o durante el proceso de ejecución de estos anclajes, se ha visto la necesidad de realizar una optimización del diseño inicial de anclajes de muros anclados mediante un análisis numérico usando el método de elementos finitos, el cual se puede realizar previo a la ejecución de los muros anclados, pero que también nos permitirá conocer los parámetros variables que serán importantes para lograr obtener resultados óptimos; dimensiones y características de anclaje más confiables, reales y económicos; con el fin de buscar que esta investigación sea una referencia para futuros proyectos similares que son ejecutados en suelos de mismas características que los proyectos evaluados en esta tesis.. Planteamiento del problema En los últimos años, Lima ha experimentado un crecimiento tanto poblacional como en la industria automotriz, lo cual ha generado un aumento de demanda de construcción de edificaciones con mayores espacios para el uso de estacionamientos; sin embargo, la ciudad presenta limitaciones para la expansión horizontal debido a una reducida disponibilidad de áreas libres en zonas urbanas. Como alternativa de solución surge la construcción de edificios de gran altura que requieren mayores áreas subterráneas, esto implica tener mayor profundidad de excavación lo cual conlleva a utilizar métodos más sofisticados para garantizar la estabilidad de las estructuras y reforzar las masas de suelo que están propensas a fallar. 2.

(14) Frente a esta situación, surge la utilización del sistema de muros anclados, método constructivo que permite alcanzar grandes profundidades de excavación de una manera eficaz y segura, controlando las deformaciones del suelo y aumentando la resistencia en el plano de falla mediante la fuerza que transfiere el bulbo de los anclajes al suelo por detrás del plano de falla (Saucedo, Raygada, & Matos, 2010). Este método está siendo muy utilizado desde la época de los noventa, dicha metodología está estudiada y normada internacionalmente. Sin embargo, en la actualidad en el Perú no existe una norma técnica específica ni códigos para el diseño de muros anclados. Además, no se cuenta con mucha información sobre ensayos realizados en suelos de Lima, lo cual no permite conocer parámetros reales de diseño para estos suelos. Debido a esta problemática, las empresas geotécnicas que realizan los diseños se basan en normas y códigos internacionales; y la experiencia que ellos poseen en base a sus proyectos ejecutados, es por ello que rigen sus diseños en parámetros que no son de la zona. Por consiguiente, “los diseños realizados en nuestro país están basados fundamentalmente en valores representativos, obtenidos en estudios realizados en el extranjero” (Puelles, 2011). Lo cual puede producir que los diseños elaborados en nuestro país sean más conservadores y/o tengan un diseño sobredimensionado. No obstante, se propone realizar un análisis numérico del diseño inicial de anclajes y optimizarlo mediante el uso de la técnica de elementos finitos para obtener resultados que reflejen características del anclaje más semejantes a lo que sucede realmente.. Formulación del problema El método de muros anclados se ha vuelto la principal opción en cuanto a estructuras de contención de tierras, en proyectos con excavaciones de profundidades considerables. A pesar de que estos anclajes son diseñados realizando los procedimientos correctos; no existen normativas propias en nuestro país, por lo que en algunos casos se realizan diseños muy conservadores que aumentan la cantidad de recursos necesarios para la ejecución de muros anclados, debido a esto se incrementa el costo del proyecto. En base al problema anteriormente descrito surge la necesidad de plantear una propuesta de mejora del diseño de anclajes aplicando el método de elementos finitos, analizando en primer lugar el diseño existente mediante el software Plaxis y posteriormente observar los parámetros que varían durante el proceso de optimización.. 3.

(15) Problema General. ¿De qué manera el análisis de un sistema de muros anclados mediante el método de elementos finitos, optimizará el diseño de los anclajes en proyectos de edificación en la ciudad de Lima? Problemas específicos. a) ¿Qué parámetros serán necesarios para optimizar el diseño inicial de anclajes mediante el método de elementos finitos? b) La optimización del diseño inicial de anclajes mediante el método de elementos finitos, como alternativa de ingeniería de valor, ¿qué porcentaje del costo total se logrará ahorrar? c) ¿En el diseño de anclajes mediante métodos de fuerzas (equilibrio límite) existirá una longitud de bulbo que no tenga una función estructural durante el proceso de tensado de anclajes? d) ¿Las fuerzas axiales resistentes de cada anclaje se verán afectadas al variar la longitud de bulbo de cada uno de estos? Justificación de la investigación La importancia de esta investigación recae en la búsqueda de una optimización del diseño de anclajes del sistema de contención con muros anclados aplicado a proyectos de edificación en la ciudad de Lima. Mediante el método de elementos finitos se analizarán las secciones de anclajes de cada proyecto, con el fin de encontrar la existencia de la longitud de bulbo óptima de cada anclaje que presente correctas condiciones con respecto a las fuerzas axiales resistentes, como consecuencia, esta optimización se enfocara en todas las longitudes de bulbo diseñadas inicialmente. De esta manera, se pretende realizar una comparativa económica entre los resultados obtenidos del diseño optimizado y del diseño inicial. Con el fin de obtener un porcentaje en que la presente investigación reducirá los costos de los proyectos analizados. Por otra parte, esta investigación busca beneficiar principalmente a la empresa constructora demostrando que este método es una confiable alternativa de ingeniería de valor; ya que se pretende demostrar que las medidas de anclaje del diseño inicial se encuentran sobredimensionadas, y con el nuevo diseño se busca reducir costos para la ejecución de estos. 4.

(16) Así en futuros proyectos con suelos gravosos en la ciudad de Lima, los resultados obtenidos en esta investigación servirán de referencia; evitando diseños conservadores. Con el único fin de alcanzar un diseño más real, confiable y económico de anclajes en la ejecución de muros anclados. Aporte científico. La presente tesis se desarrolla para que los ingenieros constructores tengan un método para optimizar el diseño de muros anclados entregados por las empresas que diseñan este tipo sistemas de contención de tierras. También servirá de ejemplo para futuros colegas que busquen profundizar y/o implementar otros métodos de optimización del diseño de anclajes en sistemas de muros anclados. Aporte social. El presente estudio permitirá a las empresas constructoras tener un método confiable como propuesta de optimización para la partida de muros anclados, que puede ser elaborada por el ingeniero constructor con el fin de buscar optimizar las características de los anclajes; buscando un beneficio económico sin afectar el desempeño técnico-estructural de este sistema de contención de tierras. Aporte económico. El aporte económico que busca dar esta investigación está directamente enfocado en la empresa constructora que aplique este método como alternativa de ingeniería de valor; ya que al igual que cualquier fase de contrato con un contratista existe primero una etapa de negociación con la constructora para pactar así un precio final de ese trabajo. Siguiendo esta idea, esta investigación pretende buscar un ahorro en la partida de ejecución de muros anclados optimizando los anclajes de estos de tal manera que se ahorren materiales y se maximice la producción de esta partida durante su ejecución. Aporte humanístico o cultural. El estudio busca hacer conocer que en toda partida dentro de un proyecto de construcción se pueden plantear propuestas de mejora; solo es cuestión de buscar la optimización de estas usando el método correcto. Buscando en este caso, la optimización del costo, de producción y del tiempo de ejecución de una partida compleja como es la de ejecución de muros anclados.. 5.

(17) Objetivos Objetivo General. El objeto principal del presente estudio comprende: Optimizar el diseño inicial de anclajes mediante la técnica de elementos finitos en excavaciones profundas para edificaciones en el distrito de San Isidro.. Objetivo Específicos. Los objetivos específicos principales son: a) Determinar los parámetros variables necesarios para optimizar el diseño inicial de anclajes aplicado a proyectos de edificación mediante el método de elementos finitos. b) En términos de costo, encontrar el porcentaje de ahorro total al optimizar la longitud de bulbo del diseño inicial de anclajes. c) Demostrar que existe una distancia en el bulbo de anclaje que no trabaja estructuralmente durante el tensado de anclajes, a través de un análisis numérico aplicando la técnica de elementos finitos. d) Demostrar que las fuerzas axiales resistentes de cada anclaje varían cada vez que se modifica la longitud de bulbo de dichos anclajes.. Hipótesis Nuestras hipótesis de trabajo se relacionan al problema plasmado, dividiéndose en hipótesis principales y específicas. Hipótesis principal. Analizando el diseño existente de muros anclados mediante el método de elementos finitos, se optimizará el diseño de dichos anclajes; obteniendo medidas óptimas del nuevo diseño. Hipótesis específicas. a) La longitud de bulbo y las fuerzas axiales resistentes serán los principales parámetros variables para llegar a optimizar el diseño inicial de anclajes.. 6.

(18) b) La optimización del diseño inicial de anclajes mediante el método de elementos finitos reducirá el costo total de la partida de ejecución y puesta a servicio de anclajes. c) Mediante el análisis numérico del diseño inicial de anclajes se demostrará que existe una distancia en el bulbo de anclaje que no tiene participación estructural durante el tensado de los anclajes. d) La variación de la longitud de bulbo de cada anclaje afecta directamente al valor de las fuerzas axiales resistentes de cada anclaje.. 7.

(19) ESTRUCTURAS DE SOSTENIMIENTO DE TIERRAS Para desarrollar el marco teórico del presente estudio, se consultaron diferentes bibliografías relacionadas con el tema de investigación. Es por ello que en los siguientes capítulos se explican conceptos relevantes del caso en estudio. Las estructuras de sostenimiento de tierras tienen como principal función retener las masas de tierras sueltas que son inestables a un equilibrio deseado debido a trabajos de excavación. Dichos elementos contrarrestan las cargas generadas por dichas masas de suelo. De acuerdo con los diferentes tipos de presiones laterales de tierra se diseñan los muros de retención o sistemas de contención de tierras con el propósito de salvaguardar las construcciones adyacentes. Estos se clasifican en muros convencionales y no convencionales. El sistema de muros anclados, el cual es estudiado en la presente investigación, se encuentra dentro del grupo de los muros no convencionales.. Figura 1. Estructura de Contención de Tierras Fuente: Universidad Europea de Madrid, 2016. Muros convencionales Los muros convencionales son un sistema de retención de tierras utilizado para muros de pequeña altura, para su diseño se debe “determinar la estabilidad de los muros; revisar las posibles fallas de terreno por volteo, deslizamiento y capacidad de carga; y determinar el refuerzo de acero de cada componente” (Das, 2001). La clasificación de muros convencionales se detalla a continuación:. 8.

(20) Muros de gravedad. Estructuras de gran masa que resisten al empuje por acción de su peso. Son elementos pasivos, por lo general con forma trapezoidal, los cuales soportan cargas laterales por la tendencia del suelo a moverse, su estabilidad depende de la propia fuerza de gravedad y su geometría. Construidos con concreto simple o ciclópeo; mampostería; gaviones o criba son eficientes para estabilizar deslizamientos pequeños, por lo que son muros de corta altura, generalmente sirven para estabilizar alturas menores de 5m y se caracterizan por no llevar ningún tipo de refuerzo, por lo que no existe esfuerzo de tracción en ninguna de sus secciones (Gómez R., 2013). Muros en voladizo. Muros diseñados para soportar la presión de tierra, hechos de concreto reforzado para resistir los momentos y fuerzas cortantes a que están sujetos. Generalmente con forma de T o L poseen una pantalla de concreto delgada. Este tipo es económico para estabilizar muros hasta una altura aproximada de 8 m (Gómez R., 2013). Muros con contrafuertes. Representan una variante de los muros en voladizo, son muros de concreto armado diseñados para reducir la fuerza cortante y los momentos flexionantes, económicos para estabilizar muros de alturas mayores a 8 m. Poseen losas delgadas de concreto conocidas como contrafuertes que conectan la pantalla vertical de muro con la losa de la base y así evitan el giro y colapso que pueda tener la pantalla debido al empuje de las tierras (Das, 2001). Los muros contrafuertes son más complejos debido a su armado, encofrado y vaciado de mayor espesor que el muro en voladizo.. Figura 2. Tipos de muros de contención convencional. Fuente: Braja M. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, 2001.. 9.

(21) Muros no convencionales Muros no convencionales o muros de tierra estabilizados mecánicamente. Este sistema se caracteriza por ser ejecutado paralelamente a la ejecución de la estructura principal. Estos introducen al terreno un elemento de características especiales; tales como franjas metálicas, mallas de alambre soldados, geotextiles y Geomallas; que trabaja en tensión mejorando así su resistencia al corte (Vilchez & Sosa, 2017).. Figura 3. Muros no convencionales. Fuente: Jaime Suarez, Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales, Capítulo 14, 2001.. Uno de estos elementos especiales que se instalan en este tipo de sistemas de contención son los anclajes. Los anclajes están estructurados por tendones o varillas que por lo general son de acero; estos elementos son inyectados en el terreno mediante perforaciones para posteriormente ser vaciados con una mezcla de concreto (Suarez, Deslizamientos: Técnicas de Remediación, 2010).. Figura 4. Muros no convencionales; Muro Anclado (Activo) y Soil Nailing (Pasivo) Fuente: Braja M. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, 2001.. 10.

(22) CARACTERÍSTICAS DEL SUELO DE LIMA Geología La ciudad de Lima se asienta esencialmente sobre un extenso depósito de morfología planar, entre la Cordillera de los Andes y la costa del Océano Pacífico. El cual es un depósito fluvio – aluvional perteneciente al cono de deyección de los ríos Rímac, Chillón y Lurín; el cual está formado por material de acarreo de características heterogéneas correspondiente a la edad cuaternaria. Estos materiales de naturaleza lentiforme son sedimentarios, de aspecto uniforme y están constituidos por cantos rodados, gravas heterométricas, capas de arena medias a finas, arcilla y limo, en su totalidad ígneos. Estos sedimentos aluviales han sido depositados durante la última etapa del pleistoceno, sobre el zócalo rocoso más antiguo, compuestos por rocas sedimentarias del Mesozoico (Ucar, 2002). El cono de deyección del río Rímac poseía una mayor extensión frontal, pero debido a procesos de erosión marina se ha ido reduciendo y modelando, formándose así los actuales acantilados del litoral limeño (Perú, 2014). Martínez Vargas (1986) afirma que “los cerros que rodean la ciudad de Lima están constituidos principalmente por rocas intrusivas y materiales del período Cretáceo. La mayor parte de la ciudad está localizada sobre una superficie plana”. Por lo tanto, los suelos son altamente resistentes, tienen muy poca capacidad de deformación y solo presentan problemas en grandes excavaciones o en acantilados por problemas de estabilidad de taludes. (Geotecnia de los Suelos Peruanos, 1989. Revista ½ de Construcción mayo a junio, pág. 11). Geomorfología El subsuelo predominante en el centro de Lima es el conglomerado (cantos rodados, mezcla de bolones, grava y arena) que se encuentra en estados suelto a compacto y está intercalado con capas de arenas medias a finas, limos y arcillas. En las zonas marginales y de contacto al norte, sur y este, el conglomerado se encuentra mezclado con depósitos coluviales, aluvionales y eólicos, produciendo suelos erráticos de contacto. En el Callao, La Punta, La Molina, Barranco y Chorrillos existen suelos finos. Al norte y sur de Lima aparecen arenas eólicas y marinas en la costa y en la parte superior de los acantilados se han depositado rellenos. (Martinez V., 1986, pág. 4).. 11.

(23) El cual se puede apreciar en la figura 5 (Mapa de las condiciones de mecánica de suelos de la ciudad de Lima). Es por ello que el depósito en que se encuentra la ciudad de Lima, se denomina como Conglomerado de Lima. Su deposición está controlada estructuralmente por un suave anticlinal fallado por estructuras orientadas N-S, que condicionan potencias de entre 400 y 600 metros en su zona central (Sanchez, Rodriguez, Laina, & López, 2016).. Figura 5. Mapa de las condiciones de mecánica de suelos de la ciudad de Lima . Fuente: Martínez, Características del Subsuelo en Lima Metropolitana, 1986.. 12.

(24) Sismicidad Perú es un país que presenta alta actividad sísmica, su origen es el resultado de la convergencia de la placa de Nazca y la placa tectónica Sudamericana, la cual pertenece al Cinturón de Circunpacífico, una de las zonas sísmicas más activas del mundo. Según Tavera y Buforn (1998) “La información sobre la sismicidad histórica de Perú se remonta a los años 1513-1532. La calidad de estos datos depende de la distribución y densidad de la población en las regiones afectadas por los terremotos”. El Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID), elaboró la microzonificación sísmica de Lima Metropolitana y el Callao en el año 2004, el cual ha sido el estudio más completo realizado a la fecha en la ciudad de Lima. “En dicha investigación se estudió las características dinámicas del suelo mediante la técnica del cociente espectral H/V utilizando registros de ruido ambiental” (Ríos León, 2018). (Aguilar & Alva, 2007) indica según el informe de CISMID, que el suelo de Lima se divide en 5 zonas (Zona I, tipo I según el código de diseño sísmico - rango predominante entre 0.1 y 0.3 s; Zona II, tipo II según el código de diseño sísmico - rango predominante entre 0.3 y 0.5 s; Zona III, tipo III según el código de diseño sísmico - rango predominante entre 0.5 y 0.7 s; Zona IV, tipo IV según el código de diseño sísmico - rango predominante mayores a 0.7s; Zona V , no se encuentra considerada en el código sísmico - rellenos de profundidad entre 5 a 15metros que han presentado considerables problemas).. Figura 6. Mapa de isoperiodos para Lima y Callao Fuente: CISMID, 2012.. 13.

(25) Por ello la caracterización del suelo de Lima considera propiedades mecánicas y dinámicas de acuerdo con el código de diseño sismorresistente (Norma E030).. Parámetros típicos para el suelo de Lima De acuerdo con el estudio “Caracterización de suelos granulares gruesos. El caso de la Grava de Lima” (Sanchez, Rodriguez, Laina, & López, 2016), se realizaron ensayos de granulometría global tanto en laboratorio como in situ, con el fin de determinar la granulometría para establecer el comportamiento de los suelos granulares gruesos del Conglomerado de Lima. Los resultados mostrados en la figura 7 reflejan los husos granulométricos característicos obtenidos, donde se obtuvieron los siguientes datos: grava (53%), bolonería (bolos o gravas muy gruesas) (28%) y arena (17%), siendo las partículas minoritarias los finos.. Figura 7. Husos granulométricos obtenidos de ensayos de granulometría global del Conglomerado de Lima. Fuente: Sanchez, Rodriguez, Laina, & López. Caracterización de suelos granulares gruesos, 2016.. En otro estudio de estabilidad y resistencia del conglomerado de Lima (Carrillo G., 2016), se llevaron a cabo ensayos en campo tales como pruebas de carga horizontal y ensayos de rotura progresiva, los cuales sirven para “determinar valores de la cohesión y ángulo de fricción interna”. Según los ensayos de caracterización de las gravas arenosas se han encontrado los rangos de variación mostrados en la tabla 1 para la ciudad de Lima.. 14.

(26) Tabla 1. Ensayos de caracterización de las gravas arenosas Ensayo Peso Unitario. Variación 18 kN/m3 a 22 kN/m3. Densidad Relativa. 70% a 95%. Diámetro Efectivo (D10) Coeficiente de Uniformidad (Cu). 0.15 a 0.45. Clasificación Unificada Cohesión promedio ( c ) Angulo de fricción (φ). 10 a 130 GW/SP 0.40 kg/cm2 a 0.80 kg/cm2 36° a 42°. Fuente: Carrillo, A.; Estabilidad y Resistencia del conglomerado de Lima, 2016.. Por otra parte, según el estudio realizado por (Sanchez, Rodriguez, Laina, & López, 2016) Caracterización de suelos granulares gruesos. El caso de la Grava de Lima, “se recopilaron ensayos de corte in situ y de laboratorio a gran escala realizados en diversos puntos de la Ciudad de Lima sobre el material granular de la grava de Lima, realizados a profundidades máximas de 11 m aproximadamente”. A pesar que los suelos granulares, de las características de la grava de Lima no presentan cohesión al realizar los estudios de suelos. Los geotecnistas asumen valores de cohesión con fines de diseño, procedentes de estudios previamente realizados ya que en los ensayos de suelo in situ realizados de los proyectos, la cohesión suele tener valores cercanos a cero. Además, según (Retamal, 1984): “Existe una cohesión que no se debe a ninguna adhesión entre las partículas o algún cementante que las una, sino más bien a un entrampamiento mecánico entre las partículas grandes y pequeñas que constituyen al suelo granular grueso, es por eso que cuando este efecto se destruye las propiedades resistentes disminuyen o se anulan produciendo derrumbes”. Los resultados obtenidos se observan en la tabla 2 que se muestra a continuación: 15.

(27) Tabla 2. Ensayos de corte in situ recopilados de la grava de Lima. Fuente: Sanchez, Rodriguez, Laina, & López. Caracterización de suelos granulares gruesos, 2016.. “Estos resultados reflejan una amplia variabilidad, que pueden responder a fenómenos de dilatancia, variabilidad de matriz, etc.” (Sanchez, Rodriguez, Laina, & López, 2016). En el capítulo 7 se indicarán los valores tomados para el presente proyecto.. 16.

(28) ELEMENTO DE CONTENCIÓN: MUROS ANCLADOS En la actualidad, los muros anclados estructuras de contención flexible, reforzados con anclajes para mejorar la resistencia al vuelco y al deslizamiento de la estructura. Además, son una alternativa de gran solución para el problema de estabilidad de taludes, estos contienen una masa de suelo o roca que soportan un determinado estado de esfuerzos. Tipos de anclajes Según su forma de trabajar. Los anclajes pueden trabajar pasivamente y activamente dependiendo en qué momento se le aplica un esfuerzo a su estructura; por lo que se dividen: Anclajes pasivos. Cuando se le aplica un esfuerzo previo a su ejecución en campo (pretensado) como el Método de Soil Nailing, también conocido como suelo claveteado es un método utilizado para contener cortes de suelos con diferente geometría. Este método consiste en reforzar y mejorar el suelo a medida que desciende la excavación, mediante la instalación de pernos los cuales trabajan a tracción y corte. Tiene una rápida velocidad de ejecución, debido a que la construcción del muro anclado acompaña la excavación (Pilotes Terratest, 2017). Anclajes activos. Cuando se les aplica el esfuerzo luego de haber realizado el inyectado del anclaje en la tierra a contener, tal como el método de Muros Anclados. Sistema de concretos armados usados para limitar el desplazamiento de la masa de suelo que pueda ocasionar daños a estructuras adyacentes. El anclaje resiste la carga de tensión por medio de la fricción entre la lechada de inyección del anclaje y el terreno (Geofortis, 2017). Según composición y armadura. Anclajes de barra. Por un tirante de barra de acero cuya estructura está dividida en 3 partes la longitud adherente, la longitud de barra libre y la cabeza. La cabeza de la estructura tiene como función fijar el anclaje la cual transmite las fuerzas de tracción generadas al elemento estructural que repartirá estas fuerzas. El cuerpo (la barra) queda totalmente enterrada en el eje de anclaje revestido con separadores o una tubería de PVC que ayudan como encofrado para asegurar que el anclaje quede totalmente rodeado de la lechada inyectada.. 17.

(29) Figura 8. Estructura típica de Anclaje de Barra Fuente: Murillo & Ortuño, Anclajes y bulonajes, 2010.. Anclajes de cable. La estructura de estos anclajes está constituida por cables que son conocidos también como torones, estos son los utilizados en los muros anclados post-tensados. Estos torones están conformados por un conjunto de alambres de acero. Estos alambres le dan forma al cable cruzándose entre sí (formando trenzas). La cantidad de torones depende de la resistencia que se requiera en el diseño de cada uno de los anclajes.. Figura 9. Estructura en obra de un anclaje de cable Fuente: Pilotes y Obras S.A.; Anclajes Tesados con Cables, 2019.. 18.

(30) Según su mecanismo de sostenimiento. Se dividen en 2 categorías aquellos anclajes sostenidos por adherencia y aquellos sostenidos debido a la fricción. Anclaje por adherencia. En este tipo de anclajes el espacio vacío formado entre las paredes de la tubería PVC y las barras o cables del anclaje son rellenados por una mezcla (mortero) conformado en algunos casos por resina (anclaje barras) y/o cemento (anclaje tipo barra y tipo cables).. Figura 10. Anclajes sostenidos por adherencia con mortero Fuente: Ros Esteban, Manual de anclajes para minería y obras civiles, 2006.. Anclaje por fricción. Estos anclajes tienen un mejor comportamiento y rendimiento que los anclajes por adherencia cuando se está en presencia de suelo rocoso. Ya que al realizar el tensado del anclaje estos sufren deformaciones lo cual puede fisurar al mortero en presencia de suelos rocosos. Cuando los anclajes están expuestos a una carga de contacto alta se emplean anclajes mecánicos. Y cuando a estos se les aplica una baja carga de contacto se pueden usar pernos de soporte como los “Split Set” que son pernos cuya función es dar un soporte temporal al anclaje en dichas excavaciones. Existen pernos que son utilizados también en anclajes en minas y túneles estos se expanden mediante un flujo de agua enviada a una alta presión por una bomba especial, un ejemplo son los pernos “Swellex”. 19.

(31) Figura 11. Anclajes sostenidos por fricción Fuente: Ros Esteban, Manual de anclajes para minería y obras civiles, 2006.. Según tiempo de servicio. Los anclajes pueden clasificarse dependiendo del tiempo en el cual estos sirvan su función de transmitir y soportar las cargas generadas por el mismo terreno. Pueden ser anclajes permanentes y anclajes temporales. Anclajes Permanentes. Son aquellos anclajes que han sido diseñados siguiendo especificaciones técnicas que garanticen su trabajo continuo (vida útil mayor a 2 años). En primer lugar, las dimensiones de estos son diseñadas en base a coeficientes de seguridad mayores debido al tiempo en los cuales estarán en interacción con el terreno. En segundo lugar, deben tener un mayor control durante y luego de la ejecución, debido a las cargas y movimientos que corresponden a los trabajos mismos de obra. Finalmente, a lo largo de la longitud libre del anclaje se tiene que tener una mayor protección contra la corrosión. Anclajes Temporales. Dentro de estos tipos se encuentran los anclajes del sistema de muros anclados; estos se caracterizan por tener un periodo de vida útil de aproximadamente 2 años. Estos tienen la función de soportar y transmitir las cargas del propio terreno mientras se realizando trabajos de excavaciones; teniendo solo esta función hasta que otro elemento estructural asuma las cargas que comúnmente son las losas que son construidas luego de hacer los anillos de muros anclados en los diferentes niveles. Es debido a esto también que se tienen niveles más bajos de protección ante la corrosión.. 20.

(32) Componentes principales de un muro anclado En la actualidad, los anclajes son una alternativa de gran solución para el problema de estabilidad de taludes, estos están divididos generalmente en 3 partes. Primero está la pared de revestimiento estructural, el cual, se encuentra sujeto a un determinado diseño y está hecho de concreto armado. Segundo, en caso se encontrará el nivel freático durante los trabajos de excavaciones, se deben realizar obras de drenaje. Y finalmente, el componente que se profundizará y se estudiará en esta tesis, los anclajes y la zona que comprenden estos. Pared de revestimiento estructural. Elemento estructural de concreto con refuerzos de acero vertical y horizontalmente cuya principal función es soportar las cargas generadas por la interacción anclaje-suelo. Generalmente se realiza un vaciado de concreto del tipo lanzado con manguera a presión para darle continuidad al trabajo y garantizar una buena adherencia. Con respecto a la parte del refuerzo de acero se agregan unas varillas de refuerzo o alambres electro soldados en la zona adyacente al punto del anclaje. La figura 12 nos muestra un diseño típico de placa para este tipo de sistema de muros anclados.. Figura 12. Refuerzo típico de pantalla en un muro anclado Fuente: Análisis y diseño de estructuras de retención de aplicación reciente en el Salvador, 2011.. Obras de drenaje. Se refieren a las canaletas en la parte superior del muro y en el pie del mismo para colectar las aguas y escorrentías superficiales (Figueroa, Rodriguez, & Zelada, 2011). Como se muestra en la Figura 13 existen otros elementos que cumplen la función de proteger a la estructura de 21.

(33) posibles escorrentías subterráneas detrás de los muros, estos son llamados lloraderos que consisten en tubos de PVC revestidos con geotextiles instalados detrás del muro estructural.. Figura 13. Drenaje de un muro anclado Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. Anclajes Un anclaje es un dispositivo capaz de transmitir las fuerzas de tracción, que le son aplicadas a un lecho de terreno existente (UNE-EN 1537, 2015), Norma Española. Los anclajes en el sistema de muros anclados se dividen en 3 zonas: (Sabatini, Pass, & Bachus, 1999) Zona de anclaje o longitud del bulbo. Es la zona que está adherida al suelo o a la roca sana y se encarga de transferir los esfuerzos al terreno. Esta posee una longitud no menor a 4.5 metros y se efectúa mediante inyecciones de lechada, con relaciones cemento/agua que oscilan entre 1.5 y 2. La resistencia de la zona de anclaje o longitud fija está determinada por la adherencia existente entre la lechada de cemento y el acero, y también por la adherencia entre el bulbo de anclaje y el terreno que lo rodea, que es lo que determina su resistencia (Ayala C. & et.al, 1987). En esta zona de anclaje se encuentra el bulbo que es la mezcla de lechada de cemento inyectada y adherida a toda esta longitud; conectando así el suelo a su alrededor. Existen distintos tipos de inyección que pueden realizarse para conformar el bulbo del anclaje:. Inyección por gravedad (IG). En este método no es necesario inyectar con presión, ya que como su propio nombre lo dice la lechada de cemento cae por mismo efecto de la fuerza de gravedad, un punto indispensable es que la perforación debe tener una inclinación mínima de 10° con respecto a la horizontal. Este método se utiliza en presencia de suelos con rocas 22.

(34) sanas o con una cohesión alta. En la Figura 14 se puede apreciar el perfil típico de una inyección del tipo por gravedad.. Figura 14. Perfil típico de un anclaje con inyección por gravedad Fuente: Vilchez & Sosa, Optimización del diseño de anclajes post-tensados aplicados a la ejecución de muros anclados en el proyecto Centro Comercial Plaza Surco, 2017. Inyección a presión. Como su propio nombre lo dice en este método se realiza la inyección de la lechada se realiza a presión para que penetre dentro de rocas fracturadas o suelos granulares. Las presiones ejercidas pueden aumentar el diámetro de la tubería y también el diámetro del bulbo debido a que la lechada se comienza a adherir en los vacíos que dejan las fisuras de las rocas. Existen distintos tipos de inyección a presión: Inyección única global (IU). Se realiza una sola inyección de lechada de cemento reduciendo la presión mientras se vaya llenando la longitud de bulbo. En la siguiente figura se muestra el perfil de un anclaje a presión del tipo única global.. Figura 15. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo único global Fuente: Vilchez & Sosa, Optimización del diseño de anclajes post-tensados aplicados a la ejecución de muros anclados en el proyecto Centro Comercial Plaza Surco, 2017. 23.

(35) Inyección repetitiva (IR). Luego de realizar una inyección del tipo única global se continúan realizando inyecciones a presión. En la figura a continuación se muestra el perfil de un anclaje a presión del tipo repetitivo.. Figura 16. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo repetitiva Fuente: Vilchez & Sosa, Optimización del diseño de anclajes post-tensados aplicados a la ejecución de muros anclados en el proyecto Centro Comercial Plaza Surco, 2017.. Inyección repetitiva selectiva (IRS). Luego de realizar una inyección del tipo única global se continúan realizando inyecciones a presión, pero en este caso se pueden controlar las presiones ejercidas y el volumen alcanzado en distintos puntos de la longitud del bulbo. En la figura 17 se muestra el perfil de un anclaje a presión del tipo repetitivo selectivo.. Figura 17. Perfil típico de un anclaje con inyección por presión del tipo repetitiva selectiva Fuente: Vilchez & Sosa, Optimización del diseño de anclajes post-tensados aplicados a la ejecución de muros anclados en el proyecto Centro Comercial Plaza Surco, 2017.. Longitud libre. Es la parte del anclaje que se encuentra entre la longitud del bulbo y la zona de cabeza y placa de apoyo. Está independizada del terreno mediante vainas de PVC o metálicas, lo cual le brinda 24.

(36) la capacidad de deformarse elásticamente con total libertad al momento del tensado. También debe emplearse productos que eviten la corrosión en toda la estructura del anclaje. Existen 4 factores principales de los cuales depende la longitud libre del anclaje: La ubicación de la zona segura, la densidad del terreno donde se anclará, la resistencia del suelo donde se ubica el bulbo y la posición del terreno donde se realizará la tensión.. Zona de cabeza y placa de apoyo. Se encarga de reducir la presión que ejerce el anclaje sobre la pantalla del muro al aumenta el área de contacto (Vilchez & Sosa, 2017). La zona de cabeza generalmente es de acero cumplir con la normativa respecto al acero. Corresponde al elemento de fijación de la carga aplicada a la pantalla o muro estructural que deberá ser transmitida al tramo anclado. La placa de apoyo se encuentra sobre un bloque de hormigón armado, el cual transmite esfuerzos a la superficie del terreno (Ucar, 2002). El cabezal es la parte de inicio del anclaje y es la que se empotra al elemento estructural encargado de transmitir las fueras al terreno.. Figura 18. Elementos de un anclaje Fuente: Roberto Ucar Navarro, Consideraciones de diseño en anclajes de muros tensados, 2002.. Secuencia constructiva de muros anclados Los muros anclados trabajarán como muros perimetrales de la estructura final, por ello se requiere de una adecuada organización entre la subcontrata y el staff del proyecto para seguir un tren de actividades y que no exista alguna interferencia en el proceso. La secuencia constructiva de los muros anclados consta de 5 etapas: 25.

(37) Movimiento de tierra o excavación. Se inicia con la excavación o movimiento de tierra por etapas a medida que avanza los anillos, con el fin de habilitar el área para la perforación de anclajes. Estos anillos se realizan de manera intercalada.. Figura 19. Excavación con banqueta y talud Fuente: Diseño propio. Perforación del terreno e inyección. Se traza la ubicación de los puntos de anclaje de acuerdo a los planos proporcionados por la contrata. Se inicia la perforación del terreno hasta alcanzar la profundidad requerida de acuerdo a los ángulos de inclinación vertical y horizontal indicados en los planos (Concremax, 2015), se instala la tubería de revestimiento, se extrae las barras de perforación y el taladro y posterior se inicia la instalación de los anclajes en los respectivos puntos del primer nivel (figura 20). Seguido se coloca la lechada de cemento en la perforación y se instala un cabezal de inyección sobre los tubos de revestimiento.. Figura 20. “Perforación para anclaje” y “Colocado de anclaje e inyectado Fuente: Diseño propio. 26.

(38) Armado del muro. En esta etapa se procede a realizar la excavación de las banquetas para la ejecución de los muros primarios (paneles con el número 1, figura 21). Se perfila el terreno dejando el talud verticalmente afinado, para ello se coloca lechada de cemento para evitar que el muro se desmorone y/o que el terreno gane o pierda humedad. Una vez que concluye la segunda etapa, se procede con la instalación del muro.. Figura 21. Perfilado de panel primario, encofrado, colocación de armadura y vaciado Fuente: Diseño propio. Para ello, se inicia con la instalación del acero de refuerzo, donde el área donde se tensarán los cables tiene un refuerzo adicional en la zona de anclaje debido a los esfuerzos producidos al momento de tensar. El siguiente paso consiste en encofrar el muro. Seguido, instalar un sistema de apuntalamiento y contrafuerte para que pueda resistir la presión ejercida por el concreto (Concremax, 2015). Elaboración y lanzado de concreto. Se procede con el vaciado del muro anclado con concreto de resistencia requerida en las especificaciones, teniendo en cuenta que se debe vibrar el concreto para evitar las burbujas de aire y cangrejeras. Generalmente, el desencofrado se realiza al siguiente día, se limpia el muro y posterior a ello se cura para evitar fisuras en el muro y se resana los muros para el acabado final. Tensado de anclaje. Cuando el concreto alcanza la resistencia requerida del proyecto para soportar las fuerzas del anclaje, se procede a tensar los cables aplicando una fuerza al terreno por el muro estructural, de acuerdo a la especificación de los planos, se realiza mediante pistones hidráulicos. Además,. 27.

(39) se realizan las pruebas a los anclajes y se procede a excavar los muros del siguiente nivel para su posterior ejecución y repetir el proceso de manera secuencial.. Figura 22. Tensado de anclajes Fuente: Diseño propio. Modos de falla en muros anclados El concepto de un sistema de muro anclado es crear una masa suelo internamente estable que resista factores externos que le puedan ocasionar fallas a un nivel adecuado de servicio. El diseño del sistema de muros anclados también se concentra en construir una estructura segura contra un rango de condiciones de fallas potenciales. (Sabatini, Pass, & Bachus, 1999). Durante la ejecución de este sistema se deben tener en cuenta que 2 elementos necesitan ser evaluados constantemente, en primer lugar, el suelo del terreno donde se realizará el anclaje y del elemento estructural en si (placa de concreto armado), ya que si una llega a fallar todo el sistema se verá perjudicado. Es decir que la fuerza final del anclaje que es el vínculo entre el suelo y el muro tiene que ser lo suficientemente capaz de mantener al muro en equilibrio con respecto a las fuerzas causadas por el suelo, el agua (nivel freático) y algunos factores externos a este sistema. Modos de fallas internas o locales. Son fallas que son generadas dentro del propio sistema de muro anclado; es decir uno de los elementos (elemento estructural, cuelo de apoyo, anclaje, etc.).. 28.

(40) Falla por fluencia del tendón del anclaje. En este tipo de falla, el anclaje es el principal elemento involucrado. Ya que esta sucede cuando al realizarse el tensado las cargas aplicadas son mayores a la capacidad del tendón del anclaje, y este finalmente falla.. Figura 23. Falla por fluencia del tendón Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. Falla por la unión bulbo-suelo. Al ser el bulbo la parte que se adhiere al terreno siempre está expuesto a las fuerzas que transmite el anclaje. La interacción que tiene el bulbo con el suelo y su resistencia dependen la presión normal, de la fricción y de la cohesión del suelo donde se encuentra el bulbo. Cuando esta resistencia entre el bulbo y el suelo es baja, entonces es cuando sucede la falla ya que no logra resistir las fuerzas transmitidas por el anclaje.. Figura 24. Falla por unión bulbo-suelo Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. 29.

(41) Falla por desplazamiento del tendón. Este es una falla más interna, en donde el suelo de alrededor no tiene papel alguno. Esta falla sucede cuando la adherencia entre el acero del cable o varilla de acero y el grout (material de adherencia) es baja.. Figura 25. Falla por desplazamiento del tendón Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. Modos de falla generales o externas. Son referentes a toda superficie de falla que no necesariamente afectan directamente al sistema de muros anclados; la estabilidad del sistema se ve controlada fundamentalmente por la altura del muro estructural, la estratigrafía del terreno, la relación entre suelo y anclaje. Son 3 las principales fallas externas que presentan los muros anclados. Falla por vuelco. Este tipo de falla sucede por la falta de análisis de volteo del elemento estructural de retención. Ya que algunas veces las fuerzas que actúan sobre ese elemento pueden generar posibilidades de volteos, en diferentes profundidades en distintos puntos de giros del muro.. Figura 26. Falla por vuelco Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. 30.

(42) Falla por deslizamiento. Este tipo de falla involucra directamente a la base de la estructura de retención. Ya que algunas veces solo se realizan estimaciones de la resistencia del suelo y de las fuerzas que actúan allí.. Figura 27. Falla por deslizamiento Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. Falla por estabilidad global. Este tipo de falla sucede debido al colapso de la estructura por ubicar a los anclajes por dentro de la curva de falla de talud del terreno. Es importante y esencial realizar métodos convencionales para el análisis de la estabilización global del sistema.. Figura 28 . Falla por estabilidad global Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. 31.

(43) Cargas actuantes en el sistema de muros anclados Como introducción al siguiente capítulo que definirá los criterios y principios que se considerarán para el diseño de muros anclados; existen fuerzas que actúan directamente con el sistema de muro anclado y estas deben ser consideradas para el diseño de estas estructuras. Cargas laterales. Son fuerzas laterales que interactúan directamente con el elemento estructural (muro), estas son generadas por distintas situaciones que rigen también la magnitud de estas mismas. En primer lugar están las cargas que causan las tensiones que se desarrollan en el terreno mismo, en segundo lugar está la presencia de cargas concentradas, como por ejemplo, las generadas por cimientos, zapatas y/o cualquier elemento que se encuentre en masas del terreno anclado, además deben considerarse también las presiones generadas por cualquier tipo de sobrecargas en la superficie del terreno a sostener, como por ejemplo, transito de maquinaria, desmonte de obra, almacenamiento de material, puesta de grúa torre, entre otras. A continuación, se muestra un gráfico con la envolvente de presiones aparentes de tierra elaborados por Terzaghi y Peck:. Figura 29. Presión lateral del terreno sobre un muro anclado en 2 niveles Fuente: Ground Anchors and Anchored Systems, Geotechnical Engineering Circular N°4, 1999.. Cargas verticales. Este tipo de presiones son generadas por las cargas verticales provenientes de los mismos trabajos de obra que se realizan sobre la estructura, así como también las cargas generadas por el mismo peso del terreno por encima del anclaje, en este tipo de cargas también está incluido el peso del mismo elemento estructural que compone el muro anclado.. 32.

(44) Cargas dinámicas. Dentro de estas cargas son consideradas aquellas que su intensidad es importante y deben ser consideradas en el diseño de los muros anclados, como, por ejemplo, las fuerzas de vibración de los sismos, vibraciones causadas por trabajos de la misma obra.. Empujes laterales sobre elementos de contención En un sistema del tipo muro de contención – suelo, existen distintos estados que experimenta el sistema de contención que depende del momento en el cual se analice y además de factores característicos como la resistencia del suelo, la densidad y otras propiedades físicas del suelo, condición de nivel de agua y deformaciones que sufre el sistema suelo – estructura. De acuerdo a la teoría de presión lateral de Rankine desarrollado a mediados de 1857, este realizó una investigación (aplicando la teoría de resistencia al corte de los suelos propuesta por Coulomb) sobre las condiciones de esfuerzos en el suelo en un estado de equilibrio plástico, lo cual hace referencia a que “todos los puntos en una masa de suelo están en situación de rotura, es decir, propensos a fallar. Por lo que cada punto el círculo de Mohr correspondiente a su estado tensional es tangente a la línea de resistencia” (Universidad Politécnica de Cataluña, 2013). La teoría de Rankine nos permite conocer los empujes del terreno (presiones activas y pasivas) tomando como punto de partida un estado de equilibrio y para ello asume que el suelo es homogéneo y tiene una superficie libre horizontal; la superficie de falla es plana; no existe fricción entre el suelo y la parte posterior del muro. La figura 30 muestra la representación de los estados activo y pasivo de Rankine en un punto de un terreno con superficie libre horizontal con tensión vertical σz.. 33.

(45) Figura 30. Representación de los estados activo y pasivo de Rankine en un punto de un terreno con superficie libre horizontal con tensión vertical σz. Fuente: Universidad Politécnica de Cataluña, 2013.. Estado de empuje inicial o en reposo (Ko). Sucede cuando el sistema se encuentra en un estado en el cual los empujes horizontales generados de un lado de la pantalla son contrarrestados por los empujes del lado opuesto de la misma (σ’ho), es decir, la pantalla rígida no altera el estado de empujes.. Figura 31. Estado de empuje inicial o en reposo Fuente: F. Muzas; Mecánica del suelo y cimentaciones, 2009.. 34.

(46) Estado de empuje activo (Ka). Si se elimina el lado el suelo de un lado de la pantalla producto de una excavación, desaparece el empuje de este lado de la pantalla que es el que estabiliza al sistema. Como consecuencia el muro tendera a desplazarse en la misma dirección del empuje restante, produciendo así movimiento en esa masa de terreno. Al experimentar este movimiento la pantalla, la magnitud del empuje horizontal comienza a disminuir hasta llegar a un punto limite (σ’ha) donde ocurre la falla del terreno.. Figura 32. Estado de empuje activo Fuente: F. Muzas; Mecánica del suelo y cimentaciones, 2009.. Estado de empuje pasivo (Kp). Si se genera una fuerza que movilice a la pantalla en dirección al terreno contenido por esta estructura sucederá que los empujes del terreno comenzaran a aumentar como reacción a la fuerza opositora. Entonces al experimentar la pantalla este movimiento hacia el terreno contenido, los empujes horizontales del terreno van aumentando hasta llegar a un valor límite (σ’hp) en el cual se produce la falla del terreno.. Figura 33. Estado de empuje pasivo Fuente: F. Muzas; Mecánica del suelo y cimentaciones, 2009.. 35.