Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
La sorpresa ha sido mayúscula. El tuit ha sido retuiteado y comentado muchísimo más de lo que esperaba. Muchas contestaciones han sido correctas. Otras, incluso siendo correctas, son muy creativas.
La verdad es que la forma ondulada permite un aumento considerable del momento de inercia de la sección, lo cual permite reducir las tensiones provocadas por el momento flector en la base. Esto permite reducir la cantidad de ladrillos necesarios en el caso de ser un muro recto: se tendría que realizar un muro doble y, probablemente, reforzar con algún pilar intermedio o contrafuerte, dependiendo de la altura del muro y de las acciones previstas, especialmente el viento. La solución, como veis, es bastante sencilla, con unos conocimientos muy básicos de resistencia de materiales y cálculo estructural. Lo que es evidente, es que esta geometría precisa de cierta destreza por parte de los oficiales que ejecutan el muro, y algo más de tiempo.
¿Por qué creéis que en Inglaterra a veces nos encontramos con este tipo de muros ondulados? ¿Se trata de algo decorativo? Tiene una explicación mucho más profunda pic.twitter.com/MNPDf8xwq4
Sin embargo, las respuestas recibidas van más allá de esta consideración. Os voy a comentar algunas de ellas para que veáis que la inteligencia colectiva, a veces, ofrece soluciones de lo más creativas.
Por ejemplo, Amaia López nos ilustra un ejemplo de muro serpenteante que se encuentra en nuestro país, en concreto, en Caldes de Montbui (Barcelona).
Figura 2. Muro serpenteante en Caldes de Montbui (Barcelona). Fuente: Amaia López
Otros son más creativos, como Rafael Naranjo, que nos dice que podría ser la forma para defender ciertas posiciones en la batalla, aunque creo que en Inglaterra estos muros no tienen mucho que ver con este tipo de estrategias bélicas. También muchas respuestas han comentado el aumento de la estabilidad del muro, aunque para eso tenemos el cimiento, que debería ser quien asegurara este estado límite. Alguno se inclina por hablar de las ondas sísmicas y su afección al muro. Por cierto, alguien ha querido traducir “crinkle crankle” como “cigüeña arrugada”, aunque yo me quedo mejor con el nombre de “muro serpenteante”.
Metidos en Carretera (@MetEnCarretera) nos ofrece una explicación con el símil de algunas soluciones prefabricadas, para ganar canto sin incrementar el espesor del muro. Este es un buen ejemplo.
Figura 3. Ejemplo de muro prefabricado. Fuente: @MetEnCarretera
Otras explicaciones apuntan al efecto arco que presenta el muro, haciendo que los efectos de flexión se transformen en compresión. Eso me recuerda a la solución genial de Eduardo Torroja para la cubierta del hipódromo de la Zarzuela, aunque la diferencia es que el muro serpenteante tiene una sola curvatura, y la cubierta citada tiene doble curvatura. Una idea sería usar esta forma para muros de contención prefabricados. Ahí lo dejo.
Figura 4. Hipódromo de la Zarzuela. Wikipedia
Interesante la puntualización de Luis Bañón (@luisbanon) respecto al problema que pueden presentar estos muros delgados si choca frontalmente un vehículo debido al punzonamiento. Santiago Calvo nos da un motivo agrícola, como es la ampliación de la superficie de cultivo de fruta aprovechando las zonas de sombra que proporciona esta geometría, y también un motivo estético, como es su uso en la Universidad de Virginia. Quisco Mena, incluso, argumenta que, además de la inercia, esta forma permite eliminar las juntas de dilatación.
Como resumen, no dejo de sorprenderme cada día en las redes sociales. A veces hay mucha tontería, pero otras veces se aprende. Este es un ejemplo de interactuar con mis estudiantes y abrir un debate interesante en redes.
En este caso, se trataba aplicar una técnica estadística procedente del diseño de experimentos, el diseño factorial completo, para determinar las variables significativas y las interacciones entre las variables cuando se trata de calcular una estructura. En este caso, se trata de analizar las emisiones de CO2 en la construcción de un muro de contención de tierras. Esta metodología es muy interesante para los estudiantes de máster. Ya hemos publicado algún artículo sobre el mismo tema aplicado a puentes pretensados. Os dejo el artículo en abierto.
Referencia:
MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Diseño de experimentos factorial completo aplicado al proyecto de muros de contención. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 201-213. ISBN: 978–84–17924–58–4
En este caso, se trataba aplicar una técnica estadística procedente del diseño de experimentos, la metodología de la superficie de respuesta, a un cálculo estructural, en este caso, un muro. La optimización de procesos mediante la superficie de respuesta es habitual en el campo de la experimentación. La idea es considerar que el cálculo de una estructura se puede considerar también un experimento, donde los datos de entrada son las variables y parámetros que definen dicha estructura y el resultado final es el coste. En este caso, se trata de minimizar el coste. Esta metodología es muy interesante para los estudiantes de máster. Ya hemos publicado algún artículo sobre el mismo tema aplicado a puentes pretensados. Os dejo el artículo en abierto. En este caso se han optimizado las emisiones de CO2.
Referencia:
YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V. (2019). Optimización de muros de hormigón mediante la metodología de la superficie de respuesta. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 603-615. ISBN: 978–84–17924–58–4
En un artículo anterior ya se comentó cómo el terreno empuja sobre cualquier estructura que lo contenga, y que la magnitud de dicho empuje se ve muy influenciada por el tipo de deformación sufrida por dicha estructura de contención, como puede ser un muro.
Lo inmediato es preguntar quién va a ser el responsable de contrarrestar dicho empuje para garantizar que el muro no deslice. No se trata de una cuestión menor, puesto que la seguridad al deslizamiento constituye uno de los estados límite últimos a comprobar cuando se diseña un muro. Es más, el deslizamiento acostumbra a ser el caso más crítico si el muro no es demasiado alto o en muros ménsula sin talón. Si a eso añadimos un mal drenaje en el trasdós cuando el muro no se ha calculado considerando los empujes hidrostáticos, tendremos asegurado un problema mayor.
Lo primero que se nos ocurre es pensar que el rozamiento entre el cimiento del muro y el terreno sobre el que se apoya debería ser suficiente para evitar el deslizamiento. De hecho, la fricción o fuerza de rozamiento que se opone al inicio del deslizamiento en un plano es proporcional a la fuerza normal a dicho plano, a través del conocido como coeficiente de rozamiento estático. Este coeficiente se puede calcular como la tangente del plano inclinado crítico, que es aquel donde un cuerpo empieza a deslizarse. Dicho coeficiente es mayor al coeficiente de rozamiento dinámico, que se desarrolla una vez el deslizamiento se ha iniciado.
El caso del deslizamiento de un muro respecto al terreno es un caso parecido al de la rotura del suelo, pero teniendo en cuenta que las superficies en contacto son las del cimiento del muro y la del terreno sobre el que se apoya. Por tanto, se puede aplicar el criterio de rotura de Mohr-Coulomb, de forma que la tensión tangencial de rotura τr se encuentra relacionada con la tensión normal σ’ en el plano de contacto muro-terreno:
De forma análoga, se podría sustituir la cohesión entre partículas c‘ por un coeficiente de adherencia o cohesión de contacto cc. Del mismo modo, se sustituiría el ángulo de rozamiento efectivo Φ‘ por el rozamiento muro-terreno Φc (siempre Φc <Φ‘ ). En este caso, siendo A el área de contacto de la fuerza normal con la superficie de deslizamiento, se puede expresar que la fuerza horizontal T en el plano de contacto muro-terreno sería:
En la expresión anterior téngase en cuenta que la fuerza normal sobre la resultante N‘ es la diferencia entre la suma de las fuerzas verticales W y la subpresión ejercida por el agua Fw , en su caso (ver Figura 1).
La fuerza horizontal T que se opone al deslizamiento es máxima en el instante mismo del deslizamiento. Si B‘ es el ancho eficaz de la zapata del muro en contacto con el terreno (no se tiene en cuenta la parte de la zapata “despegada” del terreno, ver Figura 2), la fuerza horizontal máximaTmáx que se opondrá al deslizamiento por metro lineal de muro sería la siguiente:
Figura 2. Ancho eficaz B‘ de la zapata.
Si esta fuerza horizontal máxima Tmáx no fuese suficiente para equilibrar las fuerzas horizontales sobre el muro (E’a + E1,w ), entonces se tendría que recurrir a una resistencia adicionalR que puede proceder de la movilización de una parte del empuje pasivo que actúa sobre la puntera de la zapata del muro E’pun , del posible empuje hidrostático sobre la puntera E2,w o bien de posibles fuerzas exteriores al sistema muro-terreno. Se recomienda que R ≤ 0,10·H , siendo H la fuerza horizontal.
Además, en el caso de tenerse en cuenta el empuje pasivo efectivo sobre la puntera (o bien sobre una zarpa o tacón de la zapata, para incrementar dicho empuje pasivo, ver Figura 3) hay que garantizar que se moviliza la deformación suficiente y que su valor se debe minorar por un coeficiente de 1,5, que sería E’p admisible. Por otra parte, si se tiene en cuenta dicho empuje pasivo , se debería garantizar la permanencia del terreno sobre la zapata. Está del lado de la seguridad no considerar el empuje pasivo.
Figura 3. Aumento del empuje pasivo debido al tacón en la zapata del muro.
Todo lo anterior nos hace reflexionar sobre la importancia de definir en el proyecto del muro los parámetros resistentes del contacto muro-terreno. Dependiendo de la forma de preparación del contacto, se pueden considerar los siguientes:
Muros de hormigón ejecutados “in situ” contra el terreno → tan Φc = 0,8·tan Φ‘ y cc = c‘
Muros de hormigón prefabricado sobre materiales granulares → tan Φc = 0,6 y cc = 0
Muros sobre suelos arcillosos saturados: Hay que comprobar la situación de corto plazo → Φu = 0 y cu = 0,5 · Ru (siendo Ru la resistencia a compresión simple sin drenaje)
A falta de otros datos, se adopta como ángulo de rozamiento muro-terreno un valor de 2/3 del ángulo de rozamiento efectivo del terreno, es decir, Φc = 2/3 · Φ‘ . Es decir, siempre será el ángulo de rozamiento muro-terreno inferior al ángulo de rozamiento efectivo del terreno.
Por último, tendríamos que asignar un coeficiente de seguridad al deslizamiento Fd, como el cociente entre la máxima oposición que puede encontrar el muro al deslizamiento (Tmáx +E’p admisible) entre la fuerza estrictamente necesaria para evitarlo ( Tnec ). La fuerza estrictamente necesaria para evitar el deslizamiento debe ser la suma de fuerzas horizontales sobre el muro, incluido el empuje activo del terreno y posible la presión hidrostática sobre el trasdós del muro.
En combinación de acciones casi permanente, la “Guía de cimentaciones en obras de carretera” (Ministerio de Fomento, 2003), establece un coeficiente de seguridad frente al deslizamiento mínimo de 1,50.
REFERENCIAS:
IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en la que analizamos una de las construcciones más habituales en la ingeniería civil, como son las estructuras de contención de tierras.
Se ha realizado para ello un análisis de ciclo de vida completo de cuatro tipos de muros: muros de hormigón armado, de hormigón en masa, de gaviones y de escollera. Además se ha realizado un estudio paramétrico para averiguar hasta qué altura de tierras es mejor una u otra tipología. Las conclusiones obtenidas no son evidentes a priori. Podéis verlas en el resumen que os paso a continuación.
Referencia:
PONS, J.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle assessment of earth-retaining walls: An environmental comparison.Journal of Cleaner Production, 192:411-420. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.04.268
Abstract:
Earth-retaining walls are one of the most common structures in civil engineering, a discipline of the construction sector known to produce one of the highest environmental impacts. Therefore, developing cleaner design and construction practices could contribute to a more sustainable future for our planet. To make a step towards this goal, this study comprises the life cycle assessment (LCA) of the four most common earth-retaining walls built between 1 to 6 m of height: cantilever walls, gravity walls, masonry walls and gabion walls to obtain the best solutions for the environment. To assess the environmental impacts caused throughout their whole life-cycle including the production, construction, use and end of life phases, we used the OpenLCA software, the ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method. The associated uncertainties have been considered and the results are provided in both midpoint and endpoint approaches. Our findings show that gabion and masonry walls produce the lowest global impact. On the one hand, gabion walls cause less damage to human health but on the other hand, masonry walls cause less damage to the ecosystems. Furthermore, gravity walls produce similar impacts to gabion and masonry walls between 1 and 3 m of height as well as fewer impacts than cantilever walls for a height of 4 m. In conclusion, gabion and masonry walls are preferable to concrete walls for heights between 1 and 6 m and cantilever walls should be used over gravity walls for greater heights than 4.5 m.
Keywords:
Life cycle assessment; Sustainability; Earth-retaining wall; ReCiPe
Highlights:
Four earth-retaining walls are compared to obtain the best environmental solution.
The OpenLCA software, the Ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method are used.
Gabion walls cause less damage to human health than masonry walls.
Masonry walls cause less damage to the ecosystems than gabion walls.
Mass concrete walls are cleaner than reinforced ones until 4.5 m of height.
Para empezar este año 2017, nada mejor que te comuniquen la publicación de un artículo de investigación el mismo día 1. Se trata en este caso de la utilización de algoritmos heurísticos híbridos para optimizar el coste de muros de contrafuertes. Se ha publicado en la revista Engineering Structures.
Podéis acceder a solicitar el artículo en este enlace:
This paper represents an economic optimization of buttressed earth-retaining walls. We explore the optimum solutions using a harmony search with an intensification stage through threshold accepting. The calibration of the resulting algorithm has been obtained as a result of several test runs for different parameters. A design parametric study was computed to walls in series from 4 to 16 m total height. The results showed different ratios of reinforcement per volume of concrete for three types of ground fill. Our main findings confirmed that the most sensitive variable for optimum walls is the wall-friction angle. The preference for wall-fill friction angles different to 0 in project design is confirmed. The type of fill is stated as the main key factor affecting the cost of optimum walls. The design parametric study shows that the soil foundation bearing capacity substantially affects costs, mainly in coarse granular fills (F1). In that sense, cost-optimum walls are less sensitive to the bearing capacity in mixed soils (F2) and fine soils of low plasticity (F3). Our results also showed that safety against sliding is a more influential factor for optimum buttressed walls than the overturning constraint. Finally, as for the results derived from the optimization procedure, a more suitable rule of thumb to dimension the footing thickness of the footing is proposed.
A continuación os dejo un vídeo muy didáctico donde se explica un fallo muy habitual en muros de contención. En el vídeo se puede ver el caso típico de un muro construido para soportar un suelo arenoso seco sobre el que existen construcciones previas. Este caso es muy habitual en carreteras o vías férreas donde se construye un muro para soportar una excavación. Si el muro se desplaza, se puede observar claramente lo que ocurre en superficie y con las edificaciones existentes.
Figura 1. Muro de Tierra Armada®. Fuente: http://www.tierra-armada.cl/sistema.html
La Tierra Armada® es una técnica patentada por el francés Henri Vidal de construcción de muros altos con problemas de cimentación, en espacios abiertos y siempre que se pueda ocupar el terreno de trasdós (ver Figura 1). Consiste en colocar de forma ordenada bandas de acero de refuerzo en un terraplén, en planos horizontales, que se unen a unas placas prefabricadas que conforman el paramento del muro. Las bandas o armaduras suelen ser de chapa metálica de varios metros de longitud (aproximadamente un 80% de la altura del muro), de 2 a 12 cm de anchura y de 3 a 5 mm de espesor (ver Figura 2). El relleno debe ser granular para garantizar el rozamiento con las armaduras. Con esta técnica se consiguen muros verticales de hasta 25 – 30 m de altura.
Figura 2. Detalle de las bandas y la placa de un muro de Tierra Armada®. http://www.tierra-armada.com/
La tierra armada debe su resistencia interna al refuerzo, con todo, externamente actúan como estructuras masivas de gravedad. Permite muros en suelos con poca capacidad portante, tolera asientos diferenciales y puede demolerse o repararse fácilmente. Además de una ejecución rápida y un coste de ejecución competitivo, las placas prefabricadas son de calidad y permiten ser elementos decorativos. Sin embargo, hay que asegurarse de usar un relleno de calidad, cuidar la corrosión de las bandas de refuerzo y tener presente que este tipo de muros está sometido a patentes.
