cap 1 ggu-trench esp

Última revisión: Mayo 2008 Copyright: Civilserve GmbH Capacitación y Ventas: Dpto. Técnico y Ventas Civilserve GmbH, BS

CURSO DE CAPACITACIÓN

GGU-TRENCH

Curso de Capacitación GGU-TRENCH

CSA-BS-03 www.civilserve.com Página 2 de 17

CONTENIDO

1. Introducción ......................................................................................................................... 2 2. Fundamentos teóricos.......................................................................................................... 3

2.1. Muros pantalla.......................................................................................................3 2.2. Construcción..........................................................................................................3 2.3. Suspensión de soporte...........................................................................................5 2.4. Requerimientos para la suspensión de soporte ..................................................... 6 2.5. Empujes y sobrecargas...........................................................................................7

2.5.1. Empuje de suelos ...........................................................................................7 2.5.2. Sobrecargas .................................................................................................. 8

2.6. Concepto de Seguridad Parcial.............................................................................. 8 2.7. Verificaciones de seguridad. ................................................................................. 9

2.7.1. Seguridad a la penetración de agua freática en la zanja. ................................ 9 2.7.2. Seguridad al deslizamiento de partículas aisladas de suelo o grupos de

ellas. ............................................................................................................10 2.7.3. Seguridad contra superficies de falla que arriesguen la estabilidad de la

zanja. ...........................................................................................................10 3. Uso del Programa .............................................................................................................. 11

3.1. Sistema................................................................................................................ 11 3.1.1. Modelación en GGU-TRENCH......................................................................... 13 3.1.2. Cálculo......................................................................................................... 15 3.1.3. Análisis de los resultados............................................................................. 15

4. Más Información................................................................................................................ 17 5. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 17

1. Introducción

El presente curso de capacitación está compuesto de 2 partes y contiene las bases teóricas relacionadas a la técnica constructiva de muros pantalla y al cálculo de estabilidad de sus segmentos empleando el concepto de seguridad parcial de acuerdo a la norma DIN 4126: 2004-08 y un ejemplo de aplicación para el aprendizaje del programa. Al finalizar el curso, el usuario será capaz de realizar la verificación de las condiciones de seguridad de los segmentos de muros pantalla.

El curso de capacitación está pensado para catedráticos e ingenieros con conocimientos sólidos en la materia de Geotecnia y por lo tanto los fundamentos básicos de la teoría de suelos no se analizarán en este documento. El uso del programa se mostrará mediante un ejemplo de cálculo específico, por lo que es posible que no se toquen todos los detalles del programa. Se pueden estudiar con mayor profundidad los detalles del programa en el Manual de Uso respectivo.

Los fundamentos teóricos se mencionan brevemente, por lo que se recomienda que se esté familiarizado con la bibliografía recomendada. De igual forma, se podrá acceder en la página web: www.ggu-software.com a más información sobre el programa, descargar los manuales de uso y videos tutoriales. Más informaciones: [email protected]



2. Fundamentos teóricos

2.1. Muros pantalla

El principio de la construcción de muros pantalla se basa en la excavación de un segmento (franja) en el suelo. La estabilidad del sector que rodea la excavación está garantizada gracias al uso de una suspensión de soporte (ej. Bentonita) [2].

Los muros pantalla constituyen una buena alternativa para la obtención de estructuras de contención de gran extensión, homogéneas, rígidas, resistentes e impermeables; con las cuales puedan alcanzarse grandes profundidades (por encima de 100 m [3]).

Estas estructuras pueden resistir elevados momentos de flexión y su construcción está relacionada con reducidas emisiones de ruido y vibraciones, sin embargo su ejecución es costosa y requiere del despliegue de maquinaria especial [1].

2.2. Construcción

Para la construcción de muros pantalla se ejecuta en primera línea la excavación de segmentos (franjas) con espesores comprendidos entre 0,6 y 1,2 m; y longitudes entre 2 y 8 m.

El espesor de los segmentos se orienta a los requerimientos estáticos, a la profundidad de excavación (compensación de las variaciones de verticalidad) y a la maquinaria utilizada [3].

Para que los segmentos ubicados en suelos no cohesivos y/o por debajo del nivel freático no colapsen, deben ser soportados con una suspensión de soporte (ver sección 2.3) a medida que se lleva a cabo la excavación.

La parte superior de la zanja es estabilizada por los llamados muros guía, los cuales alcanzan una profundidad comprendida entre 0,7 y 1,5 m [3]. Adicionalmente, estos muros tienen la finalidad de guiar a la maquinaria de excavación (Figura 1). La maquinaria utilizada se diferencia en el principio de excavación: a) fresadoras o b) cucharas (Figura 2).

Figura 1. Muros guía



Figura 2. Maquinaria de excavación: fresadora (izq.) y cuchara der.) [6]

Las variantes de ejecución pueden clasificarse en:

a) Muros pantalla de 2 fases (Muros de concreto vaciado in-situ). La armadura es introducida en la suspensión y seguidamente se vacía el concreto (de abajo a arriba). El concreto desplaza la suspensión, la cual es recuperada para su tratamiento y posterior reutilización. Las juntas entre segmentos pueden ser previstas utilizando elementos de encofrado (ej. estiropor), los cuales serán retirados al vaciar los segmentos contiguos (Figura 3) . Esta variante se utiliza para la construcción de muros estructurales para excavaciones.

b) Muros pantalla de 1 fase (muro impermeable). Se introduce una tablaestaca de acero o un elemento prefabricado de concreto en la suspensión (para resistir las solicitaciones estáticas). En este caso no se retira la suspensión, sino se prevé que ésta endurezca y le brinde el carácter impermeable al muro. Esta variante es principalmente empleada en la construcción de presas de tierra.

La norma DIN 4126 establece como variación máxima de la verticalidad del segmento, el valor de 1,5 % de la profundidad del muro. En la práctica pueden obtenerse tolerancias menores, donde las diferencias locales pueden considerarse como rugosidad natural. Para muros de concreto vaciados in-situ es difícil determinar el límite entre el concreto y la mezcla suelo-suspensión, por lo cual el material de los 30-50 cm superiores del muro es retirado, debido a su reducida calidad.



Figura 3. Proceso constructivo alternado [6]

2.3. Suspensión de soporte

Con frecuencia se emplea bentonita como suspensión de soporte, sin embargo actualmente también se usan suspensiones con estabilizadores polímeros.

La bentonita es una arcilla expansiva, compuesta principalmente por Montmorilonitas, las cuales a su vez se componen de láminas triples de silicatos, cargados negativamente. El equilibrio positivo se da gracias a los iones de sodio, calcio o magnesio (cationes). Los cationes intentan hidratarse ante la presencia de agua, lo cual ocasiona que las láminas de silicatos se expandan al almacenarse el agua y se formen láminas aisladas, unidas entre sí por puentes de agua, formando una estructura similar a la de una casa de naipes (bordes sobre superficies).

Si una suspensión con un contenido suficiente de bentonita es penetrada por una sonda cilíndrica, los contactos electrostáticos entre las láminas de silicatos serán interrumpidos en gran medida. Este fenómeno requiere de una fuerza muy pequeña, la cual se manifiesta como la suma de los puntos de contacto sobre la cubierta de la sonda, considerada como la “resistencia al corte” de la suspensión. La resistencia al corte, denominada también límite de fluencia τf, depende de la cantidad de puntos de contacto y de la resistencia de los “puentes de cationes” entre las láminas de silicatos.

Mientras la suspensión se encuentre en movimiento, al ser vertida dentro de la zanja o al cambiar su posición dentro de ella, un gran número de los contactos electrostáticos entre las láminas será interrumpido, de modo que el límite de fluencia será relativamente pequeño. En estado de reposo, los contactos entre las láminas serán restituidos, originando un notable incremento de su resistencia al corte, hasta alcanzar un valor límite. La reducción de la resistencia al corte y su restitución es un proceso reversible, conocido como Tixotropía.

Las principales propiedades de la bentonita son su estabilidad, es decir, su durabilidad frente a la segregación en el tiempo; su peso específico γf, su límite de fluencia τf y su



viscosidad. Es importante, que la suspensión pueda ser desplazada fácilmente por el concreto al momento del vaciado [2].

A pesar de la presión hidrostática del agua freática ejercida sobre la suspensión dentro, ésta no fluye a través del suelo alrededor de la zanja, sino más bien lo contiene, salvo que éste sea muy permeable (ej. grava). Una porción de la suspensión penetra en el suelo formándose una membrana estabilizadora impermeable, cuyo grosor (estagnación) depende de la permeabilidad del suelo. Esta membrana permite que la diferencia de presiones entre la suspensión y el agua freática sea transmitida al suelo alrededor de la zanja, conteniéndolo (Figura 4).

Figura 4. Contención del suelo B mediante la fuerza de soporte de la suspensión F [3]

Si la suspensión es sometida a grandes fuerzas cortantes, se comportará como un fluido. La maquinaria de excavación (fresadora o pala) puede trabajar en la suspensión sin ningún impedimento [3].

Para la preparación y tratamiento de la suspensión (separación de la bentonita del suelo excavado) es requerida una compleja instalación en la obra (Figura 5), lo cual hace que el empleo de muros pantalla sea justificable económicamente solo para grandes proyectos [1].

Figura 5. Planta de regeneración móvil con bomba hidráulica para la suspensión (izq.) y planta de separación (der.) [6]

2.4. Requerimientos para la suspensión de soporte

Los requerimientos para las arcillas utilizadas en la construcción de muros pantalla están definidos en la norma DIN 4127. Para su producción y posterior aplicación son requeridos extensos controles de calidad, por ejemplo de su límite de fluencia, el contenido de arcillas bajo diferentes estados de filtración, densidad, contenido de químicos, etc.



De la relación entre las cantidades de agua filtrada y el límite de fluencia τf se determinan los contenidos de arcilla (g15, g10, g5, g50) que definen la denominación de la bentonita: Bentonita para muros pantalla DIN 4127-g15-g10-g5-g50. El valor gx definen el contenido mínimo de arcilla de una suspensión de soporte para:

g10: una pérdida de agua por filtración de 15 cm3,

g10: una pérdida de agua por filtración de 10 cm3,

g5: un valor del límite de fluencia τf de 5 N/mm2,

g50: un valor del límite de fluencia τf de 50 N/mm2,

Las arcillas obtenidas en la obra pueden también ser empleadas, siempre que satisfagan los requerimientos de la norma DIN 4127. El uso de materiales de relleno (fuller) eleva la presión de soporte de la suspensión. La dosificación de la suspensión (contenido mínimo de arcilla, material de relleno y agua) deberá ser determinada para cada obra.

Impurezas en el agua pueden afectar decisivamente las propiedades de la suspensión, por lo que deberán llevarse a cabo estrictas pruebas de conformidad.

2.5. Empujes y sobrecargas

2.5.1. Empuje de suelos

Para el cálculo estático de muros pantallas en estado final son válidas las recomendaciones de [10]. Debido a que los muros pantalla presentan en general una considerable rigidez, pueden conseguirse con éstos, estructuras con deformaciones pequeñas. Por este motivo se recomienda el empleo del empuje activo incrementado (Ec. 1) (ver también [3], [8], [9] y [10])

Ec. 1 2

ohahkh

EEE +=

La redistribución del empuje de tierras se deberá analizar en cada caso, tomando en cuenta el sistema estático que se tenga: muro empotrado, anclado, entibado, etc.

El valor del empuje de tierras actuante sobre la zanja puede ser influenciado por la longitud del segmento, pudiéndose aprovechar el efecto reductor favorable del empuje tridimensional.

Las zanjas que son excavadas en la cercanía de edificios o que están influenciadas por cargas vivas, pueden ser positivamente influenciadas por el efecto favorable del empuje tridimensional (efecto bóveda [7]), que transmite los empujes generados por estas cargas a los lados de la zanja, al suelo o a segmentos terminados. La norma DIN 4126 parte de un modelo simplificado de empuje de tierras para un cuerpo de falla tridimensional (Figura 6), para el cual se asume que sobre las superficies laterales AF del cuerpo de falla actúa el empuje de tierras en estado de reposo (ver [7], [4] y [3]).



Figura 6. Principio de tensiones de corte (soporte) actuantes en los flancos triangulares del cuerpo de falla [3]

2.5.2. Sobrecargas

Debido a todas las múltiples sobrecargas existentes en obra, o ya sea debido a la sobrecarga por el tránsito colindante a la zanja (segmento de muro pantalla), se adoptará de acuerdo a las recomendaciones alemanas para trabajos en excavaciones (EAB) (véase [10]) siempre una sobrecarga equivalente de 10 kN/m2, siempre y cuando las cargas por eje del vehículo no excedan ciertos límites. Si la separación entre la sobrecarga vehicular y el muro de contención fuera menor a 1,0 m, deberá aumentarse una sobrecarga distribuida en 1,5 m desde el muro de contención (Figura 7), cuyo valor dependerá de la separación existente (p' = 10 kN/m2 si la separación es mayor a 60 cm y p' = 40 kN/m2 si es igual a 0,0 cm) y del tipo de tránsito.

Figura 7. Sobrecargas de transporte según [10]

2.6. Concepto de Seguridad Parcial

El concepto de seguridad parcial de acuerdo a la norma DIN 1054: 2003-01 [5] consiste en la aplicación de coeficientes de seguridad diferenciados para los valores característicos de las fuerzas solicitantes (Ek,i) y las resistentes (Rk,i), mayorando las solicitaciones y reduciendo las resistencias (Ec. 2 y Ec. 3) (véase [5]). La relación entre las solicitaciones y sus respectivas resistencias de diseño se define como Factor de Uso (µ) y deberá ser siempre menor a 1 (Ec. 4).



Ec. 2 ∑∑ ≤R

ikEik

RE

γγ ,

,

Ec. 3 QQkGGkEik EEE γγγ ,,, +=∑

Ec. 4 1,

,≤=

∑

∑

R

ik

Eik

RE

γ

γµ

Los factores de seguridad parciales (γR, γE) serán considerados de acuerdo al estado en que se verifica la estructura: estado límite último ELU o estado límite de servicio ELS (GZ1 ó GZ2, por sus siglas en alemán según [5]) y de acuerdo al tipo de carga: cargas permanentes (Ek,G) o vivas (Ek,Q) y sus posibles combinaciones.

2.7. Verificaciones de seguridad.

Para la etapa constructiva deberán realizarse verificaciones especiales, los cuales involucran el efecto de soporte de la suspensión y la estabilidad de la zanja. La estabilidad del segmento está principalmente influenciada por las cargas actuantes, la altura del nivel freático, el peso específico de la suspensión y la longitud del segmento (ver [7]). En esencia, la presión hidrostática de la suspensión debe ser mayor a la presión hidrostática del agua freática y el empuje de tierras actuante en la zanja. Por ello, el nivel de la suspensión deberá estar muy por encima del nivel freático.

2.7.1. Seguridad a la penetración de agua freática en la zanja.

Según la norma DIN 4126 antigua, se deberá verificar que la relación entre la presión ejercida por la suspensión ps y la presión ejercida por el agua freática pw, a cualquier nivel del segmento del muro pantalla (zanja), sea mayor a 1,05 (Ec. 5).

Ec. 5 05,1≥=w

sgw p

pη

Figura 8. Modelo de cálculo de seguridad a la penetración de agua freática según la norma antigua DIN 4126

El nuevo estándar propone por el contrario, la verificación del factor de uso µGW ≤ 1,0 a cualquier nivel del segmento del muro pantalla (zanja) (Ec. 6).

Hw

Pw = γw x Hw Ps = γs x Hs

Hs

NF



Ec. 6 0,1≤=s

wgw p

pµ

2.7.2. Seguridad al deslizamiento de partículas aisladas de suelo o grupos de ellas.

Se deberá verificar la seguridad al deslizamiento de partículas aisladas del suelo o grupos de ellas (también conocida como estabilidad interna), la cual es calculada de acuerdo a la Ec. 7 [4]:

Ec. 7 0,1

'tan'*10

≥

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ϕγ

τηd

Fi

Donde:

=Fτ Resistencia al corte de la suspensión [kN/m2]

='γ Peso específico boyante del suelo[kN/m3]

=10d Tamaño de partícula que corresponde a P = 10% de la curva granulométrica [m]

De acuerdo al nuevo estándar se verificará el factor de uso µi ≤ 1,0 a cualquier nivel del segmento del muro pantalla (zanja) (Ec. 8).

Ec. 8 0,1'tan'*10

≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=F

i

d

τϕγ

µ

2.7.3. Seguridad contra superficies de falla que arriesguen la estabilidad de la zanja.

La seguridad contra las superficies de falla que pongan en riesgo la estabilidad de la zanja (también conocida como estabilidad externa) es calculada de acuerdo a la antigua norma DIN 4126 a partir de la Ec. 9:

Ec. 9 3,11,1 óEWS

a ≥−

=η (Véase la Figura 9)

Para poder lograr a una medida de seguridad según el nuevo estándar [4] se define el factor de uso µa, de acuerdo de la Ec. 10:



Ec. 10 )( WS

E

H

Ea −⋅

⋅=

γγµ

Figura 9. Seguridad contra superficies de falla que arriesguen la estabilidad de la zanja [3]

3. Uso del Programa

3.1. Sistema

A continuación se calculará el sistema expuesto en la Figura 10. Las verificaciones de estabilidad se realizarán con la ayuda del programa GGU-TRENCH.



Figura 10. Esquema del ejemplo de aplicación

Cotas y propiedades del suelo:

• Estratos:

1)arena limosa: γ = 19 kN/m3, γ’ = 10 kN/m3, ϕ’ = 30° (0,0 a -3,7 m), d10=0,05mm

2)arena: γ = 19 kN/m3, γ’ = 10 kN/m3, ϕ’ = 32° (-3,7 a –30,0 m), d10=0,4mm

• Nivel freático: -3,0 m

Cargas actuantes:

• Carga de tráfico (viva), Clase: infinita, p = 10 kN/m2

Segmento de muro pantalla:



• Profundidad = 20,0 m, longitud = 6,0 m

• Suspensión de soporte: Bentonita (peso específico γf = 11 kN/m3, límite de fluencia τf = 0,01 kN/m2) (Nivel superior = -0,2 m)

• Muros guía: Profundidad = 1,0 m

3.1.1. Modelación en GGU-TRENCH

A continuación se describen los pasos a seguir para resolver el sistema.

1. Datos generales: File → New.

Se elegirá el cálculo con factores de seguridad parciales (DIN 4126 Aug. 2004) en la parte superior de la ventana. Marque la opción de alturas absolutas

2. Concepto de verificación: Edit → Verification concept

Se elegirá el concepto de fatores parciales de seguridad según la norma DIN 4126 2004:08 y se mantendrán los factores de seguridad sugeridos.

3. Segmento de muro pantalla: Edit → Diaphragm wall

En este ejemplo se tiene una zanja de 20,0 m de profundidad y 6,0 m de longitud. Se define el uso de muros guía hasta una profundidad de 1,0 m por debajo del terreno. Para la variación de los ángulos de las superficies de falla se tomará el espectro comprendido entre 30° y 80°. En este paso se define también la carga de tráfico de 10 kN/m2.



4. Suspensión de soporte: Edit → Suspension + GW

En este paso se definen la altura del nivel freático (-3,0 m), la altura del nivel de la suspensión (-0,2 m), el peso específico de la suspensión (11 kN/m3) y su resistencia al corte (τf = 0,01 kN/m2).

5. Propiedades de los suelos: Edit → Soils

En este paso se define la estratigrafía del suelo y sus respectivas propiedades mecánicas.

El sistema modelado está representado en la (Figura 11).



Figura 11. Sistema modelado con GGU-TRENCH

3.1.2. Cálculo

1. Opciones de cálculo: System → Analyse

Para el cálculo del segmento de muro pantalla se adoptarán los valores por defecto sugeridos por la norma DIN 4126 [4].

3.1.3. Análisis de los resultados

1. Pantalla con diagramas de resultados:

La Figura 12 muestra los resultados obtenidos en el programa. Los resultados mostrados son: factores de uso µa, µi y µGW (Véase las ecuaciones 6, 8 y 10); el gradiente de presiones fsO y la profundidad de penetración de la suspensión en el suelo alrededor de la zanja.



Figura 12. Resultados del cálculo en pantalla

2. Principales resultados: System → Maximum utilization factors

En esta ventana de resultados pueden verse los factores de uso mínimos para las verificaciones de seguridad contra superficies de falla que arriesguen la estabiliad de la zanja (µa), seguridad al deslizamiento de partículas aisladas de suelo o grupos de ellas (µi), seguridad a la penetración de agua freática en la zanja (µGW) y las profundidades donde éstas se verifican, respectivamente.

Los resultados de las verificaciones están resumidos en la Tabla 1.

Verificación de seguridad

Factor de uso µ Observación

Superficies de falla que arriesguen la estabilidad de la zanja

0,687 OK

Deslizamiento de partículas aisladas de suelo o grupos de ellas

0,602 OK

Penetración de agua freática en la zanja 0,822 OK

Tabla 1. Resumen de las verificaciones de seguridad



4. Más Información

Usted puede encontrar más información sobre los programas, demos y videos tutórales en:

www.civilserve.com

www.ggu-software.com

5. BIBLIOGRAFIA

[1] Klatt, T. Schlitzwände: Anwendung und Herstellungskontrollen aus Sicht der Herstellungsfirmen. 1996

[2] Karstedt, J. Vertikalabdichtungen im Erd- und Grundbau. Vortrag an der Technischen Akademie Esslingen. 1998

[3] Centro de Geotecnia, Universidad Técnica de Munich (TUM). Fundaciones y Mecánica de Suelos, Apuntes de Cátedra. 2004

[4] DIN 4126; Muros pantalla, 2004

[5] DIN 1054; Subsoil; – Verification of the safety of earthworks and foundations, 2005

[6] BAUER Spezialtiefbau. Diaphragm walls and Cut-off walls. 2005

[7] GGU-Software. GGU-TRENCH, Manual de uso. 2007

[8] GGU-Software. GGU-RETAIN, Curso de Capacitación-01. 2007

[9] GGU-Software. GGU-RETAIN, Manual de uso. 2007

[10] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik/Arbeitskreis Baugruben. Empfehlungen des Arbeitskreises “Baugruben”: EAB. Vierte Auflage. 2006

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Los cursos de capacitación de Civilserve están elaborados por personal técnico especializado. Sin embargo, Civilserve no puede de ninguna manera asumir responsabilidad sobre el uso del contenido de los cursos en proyectos reales.

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