DIPLOMADO EN DISEÑO ESTRUCTURAL Y NUEVAS TENDENCIAS EN LA CONSTRUCCIÓN SIN PÉRDIDAS
SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO MEDIANTE ANCLAJES
Ing. José Luis Carrasco Gutiérrez
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CONTENIDO * CIMENTACIONES SUPERFICIALES – Capacidad de carga admisible – Consideraciones de diseño estructural
* CIMENTACIONES PROFUNDAS – Tipos de cimentación – Capacidad de carga
* MUROS DE SUELO REFORZADO – – – –
Tipos de muros, clasificación y tipos de muros Teoría de empuje de tierras Aplicaciones y casos históricos Diseño de muros de suelo reforzado (MSE)
* SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO MEDIANTE ANCLAJES – Tipos de anclajes – Diseño de anclajes, ejercicio
Introducción Los anclajes constituyen en la actualidad una alternativa importante para garantizar la estabilidad de diversas estructuras.
Pueden usarse en forma muy ventajosa en cualquier situación en que se le necesite para contener una masa de suelo o roca soportando un determinado estado de esfuerzos.
Definición - Anclajes Dispositivo capaz de transmitir las fuerzas de tracción que le son aplicadas a un lecho de terreno existente (Norma española: UNE-EN 1537:2001 Ejecución de trabajos especiales. Anclajes) -
Trabaja a tracción. Se fija al exterior y transmite la carga a una estructura de reparto. Se fija al interior del terreno a lo largo de un bulbo. Entre ambas fijaciones puede disponerse una «longitud libre»
Introducción - Instalación
Introducción - Aplicaciones
Introducción - Aplicaciones
Introducción - Aplicaciones
FHWA-IF-99-015
Introducción -Partes de un anclaje
Tipos de anclajes Según su forma de trabajar • Anclajes pasivos • Anclajes activos Según los elementos constituyentes del anclaje • Anclajes de barra • Anclajes de cables Según el tiempo de servicio • Anclajes de provisionales • Anclajes permanentes
Según se efectúe o no reinyección del bulbo • Inyección única global (IU) • Inyección repetitiva (IR) • Inyección repetitiva y selectiva (IRS).
Tipos de anclajes SEGÚN SU FORMA DE TRABAJAR
Anclajes pasivos: • No se pretensa el anclaje después de su instalación. • El anclaje entra en tracción al empezar a producirse la deformación de la masa de suelo o roca. Anclajes activos: • Una vez instalado se pretensa el anclaje hasta alcanzar su carga admisible, comprimiendo el terreno entre el bulbo anclaje y la placa de apoyo de la cabeza. Anclaje mixto: • La estructura metálica se pretensa con una carga menor a la admisible, quedando una fracción de su capacidad resistente en reserva para hacer frente a posibles movimientos aleatorios del terreno.
Tipos de anclajes
Fuente: Luis Ortuño
Tipos de anclajes ANCLAJES DE BARRA: ACTIVOS O PASIVOS
- Roscadas: Facilidad de empalme y fijación - Corrugadas: Precisan tornear roscas para fijación o empalmes. Fuente: Diwidag
Tipos de anclajes
Tipos de anclajes
- Anclaje constituido por uno o varios cables (torones) - Cables compuestos por un conjunto de alambres de acero (usualmente 7)
Tipos de anclajes
Tipos de anclajes
Tipos de anclajes – Vida útil SEGÚN SU TIEMPO DE SERVICIO
Anclajes provisionales: • Vida de servicio limitada • Depende de las normas: Generalmente entre 9 meses a 2 años Anclajes permanentes: • Vida útil mayor a 2 años • Se requieren de mayores coeficientes de seguridad • Mayor control (cargas , movimientos) • Mayor protección frente a la corrosión
Tipos de anclajes – Vida útil
BARRAS
Tipos de anclajes – Vida útil
CABLES
Tipos de anclajes SEGÚN SU APLICACIÓN EN FUNCIÓN DE SU TIEMPO DE SERVICIO
Esquema de un anclaje provisional
Tipos de anclajes SEGÚN SU APLICACIÓN EN FUNCIÓN DE SU TIEMPO DE SERVICIO
Croquis de la cabeza de un anclaje permanente
Tipos de anclajes – Inyección del bulbo SEGÚN EL TIPO DE INYECCIÓN Anclajes con inyección única global (IU): • Se realiza una sola vez el taladro • Baja presión de inyección mediante conducto que llega hasta el fondo Anclajes con inyección repetitiva (IR): • Se inyecta en varias fases a través de varios puntos. • Previamente se realiza una inyección IU Anclajes con inyección repetitiva selectiva (IRS): • La inyección se ejecuta en varias fases a través de varios puntos, pudiendo controlar en cada uno de ellos la presión y volumen alcanzados en cada fase de inyección. • Previamente se realiza una inyección IU
Tipos de anclajes - Bulbo CONSIDERACIONES SOBRE INYECCIONES DEL BULBO • Las reinyecciones aumentan la capacidad del anclaje en la zona de bulbo. • Los anclajes del tipo IU suelen ser los más adecuados en rocas, terrenos cohesivos muy duros y suelos granulares. • Los anclajes del tipo IR se emplean generalmente en rocas fisuradas blandas y en aluviales granulares gruesos e incluso finos.
• Los del tipo IRS se recomiendan en suelos con predominio de finos y de consistencia media-baja.
Acero de refuerzo ACEROS • El acero de los tirantes deberá cumplir las normativa establecida en cuanto a su calidad y resistencia. • La cabeza del anclaje debe permitir tesar el tirante hasta la carga de prueba, o carga inicial. Deberá asimismo ser capaz de absorber el 100% de la tracción correspondiente al limite de rotura. • Tensiones de trabajo: - Anclajes permanentes: 60% del límite elástico - Anclajes provisionales: 75 % del límite elástico
La cabeza del anclaje
L. Ortuño
Inyección LECHADA DE CEMENTO • Para formación del bulbo, usualmente se emplea una relación agua/cemento (a/c) en peso, comprendida entre 0,4 y 0,6. Dependiendo del terreno. • Como protección anticorrosión de las armaduras, se recomienda una dosificación a/c no superior a 0,4. • El cemento será resistente a la presencia de sustancias agresivas en el terreno (sulfatos).
• Se podrán utilizar aditivos para aumentar la manejabilidad y compacidad de la lechada, para reducir el agua libre y la retracción y para acelerar el fraguado. No deben contener más de un 0,1% en peso de cloruros, sulfatos o nitratos.
Inyección
Ejecución de la inyección
Ejecución de la inyección
Tipos de anclajes PROCEDIMIENTO DE INYECCIÓN ÚNICA GLOBAL (ANCLAJES IU)
1.
Colocación del tirante con el tubo para inyección.
2. Inyección de todo el taladro desde el fondo hasta que sale lechada limpia por la boca.
Tipos de anclajes PROCEDIMIENTO DE INYECCIÓN REPETITIVA (ANCLAJES IR)
1. Colocación del tirante con el circuito para inyección repetitiva.
2. Inyección global IU, luego inyección repetitiva del bulbo, a través del circuito existente de modo simultáneo en todo el circuito.
Tipos de anclajes PROCEDIMIENTO DE INYECCIÓN REPETITIVA Y SELECTIVA (ANCLAJES IRS)
1. Perforación y colocación de tubería con válvulas (tubos manguito)
2. Inyección del espesor anular entre tubería y perforación. Inyecciones repetitivas por las válvulas comenzando por el fondo del taladro en cada fase.
3. Finalizada la inyección del terreno se introduce el anclaje en la tubería y se inyecta
Tipos de anclajes
Fuente: L. Ortuño
Ejecución de la inyección
Ejecución de la inyección
Fuente: L. Ortuño
Ejecución de la inyección
Fuente: L. Ortuño
Ejecución de la inyección
Ejecución: Cabeza y tensado
Ejecución: Cabeza y tensado
Ejecución de anclajes INSTALACIÓN DE ANCLAJES PASIVOS
Fuente: Terratest Perú
Protección contra la corrosión MATERIALES DE PROTECCIÓN Todos los elementos de acero sometidos a tracción estarán protegidos contra la corrosión durante toda su vida útil. Este periodo define la clase de protección. • Elementos de protección: - Vainas y tubos de plástico: de 1mm de espesor para un diámetro interior de 8cm; de 1.5mm para diámetros entre 8-12cm y de 2mm para diámetros superiores a 12cm • Lechada de cemento • Productos viscosos - Ceras (del petróleo) o - Grasas que cumplan ciertas especificaciones • Caperuzas - Metálicas o PVC
Protección contra la corrosión ZONAS DE PROTECCIÓN • En zona de bulbo: - Tubo corrugado de PVC o - Tubo corrugado con lechada de cemento • En la zona libre: - Vaina de plástico por tendón relleno de un producto viscoso de protección (grasa/cera) • Enlace entre cabeza y zona libre: - Un tubo plástico o metálico fijo y solidario a la placa de anclaje. Se rellenará con lechada de cemento o producto viscoso • En la Cabeza: - Caperuza metálica revestida o galvanizada 3mm de espesor de pared o caperuza rígida de plástico de 5mm de espesor mínimo fijada a placa de apoyo y rellenado con producto viscoso.
DISEÑO DE ANCLAJES Criterios de diseño: • Para diseñar un anclaje se requiere conocer en primer lugar el valor y dirección de los esfuerzos ejercidos por la estructura a anclar. • Una vez determinadas las cargas de anclaje, se diseña: -
Inclinación y separación de anclajes Se define el tipo de anclaje Se define el material y sección del tirante Longitud y diámetro del bulbo Longitud libre
H1 2/
3
H1
Th1 H2
3
p
Hn
Th2 Thn
2/
3
Hn+1
Hn+1
1/ 2/
3
(H-H1)
H
Th1
p
H
2/
H1
3
H1
Diagrama de presión lateral en arenas - FHWA
R p
R TOTAL LOAD K A γH 2 H 3
(a) Muros con un nivel de anclajes
p
TOTALLOAD H - 13 H1 13 H n 1
(b) Muros con múltiples niveles de anclajes
Diagrama de presión lateral en arenas - FHWA • Sobre la base de investigaciones realizadas por la FHWA. • Apropiado para muros construidos en terreno firme. • La altura máxima del muro se debe considerar el caso crítico. • Consideran diagramas de presiones para muros con un anclaje simple o varios niveles de anclajes.
DISEÑO: Verificación de la estabilidad global Estabilidad global - Método de Equilibrio Límite
DISEÑO: INCLINACIÓN DEL TIRANTE
DISEÑO: INCLINACIÓN DEL TIRANTE
DISEÑO: ESTRUCTURAS DE REPARTO
DISEÑO: ESTRUCTURAS DE REPARTO
DISEÑO: ESTRUCTURAS DE REPARTO
Pantallas ancladas, Brasil
DISEÑO: ESTRUCTURAS DE REPARTO
Sostenimiento de talud con anclajes activos en la presa Limón (Proyecto Trasvase Olmos, Cajamarca 2011)
Fuente: J.Luis Carrasco
DISEÑO: SUPERFICIES DE FALLA
Tener presente la superficie crítica de deslizamiento
Fuente: J.Luis Carrasco
DISEÑO: CARGAS DE SERVICO
Fuente: L. Ortuño
DISEÑO: CARGAS DE SERVICO
DISEÑO DE ANCLAJES Verificación de la estabilidad interna • La rotura parcial de la cabeza del anclaje o de la estructura a anclar, por exceso de tensión en los anclajes, o por fallo de alguno de estos últimos. • La rotura del tirante a tracción (verificación de la tensión admisible)
• Verificación del deslizamiento dentro del bulbo • Verificación frente al arrancamiento (Deslizamiento bulbo - terreno)
del
bulbo
DISEÑO DE ANCLAJES Verificación por rotura en la cabeza del anclaje • El ancho de la placa de reparto será al menos el doble del diámetro de la perforación realizada y en ningún caso inferior a 20 cm.(Usualmente 30x30cm)
• Su espesor será el suficiente para que no se registren deformaciones apreciables durante el tesado y nunca menor de 1 cm .
DISEÑO DE ANCLAJES Mayoración de las cargas actuantes
PNd F1.PN Siendo:
TIPO DE ANCLAJE
F1
Permanente
1.50
Provisional
1.20
PN = carga nominal del anclaje, que es la mayor de: a) b)
La carga obtenida al realizar el cálculo de estabilidad global. La carga obtenida en el cálculo de los estados límite de servicio, sin mayoración alguna.
F1 = Coeficiente de mayoración
PNd = Carga nominal mayorada del anclaje.
DISEÑO DE ANCLAJES Verificación de la tensión admisible del acero Para la comprobación de la tensión admisible del acero del tirante se minorará la tensión admisible en el tirante de forma que se cumplan simultáneamente las siguientes condiciones: Anclajes provisionales
Anclajes permanentes
PNd /A T f pk / 1.25
PNd /A T f pk / 1.30
PNd /A T f yk / 1.10
PNd /A T f yk / 1.15
Siendo: PNd = Carga nominal mayorada de cada anclaje. AT = Sección del tirante. fpk = Límite de rotura del acero del tirante. fyk = Límite elástico del acero del tirante.
DISEÑO DE ANCLAJES Verificación del deslizamiento tirante-bulbo Para esta verificación se minorará la adherencia límite entre el tirante y la lechada que lo rodea en el bulbo, por el coeficiente 1.2.
PNd / (Lb . p T ) lim / 1.2 lim 6.9 (f ck /22.5)2/3 Siendo: PNd = Carga nominal mayorada de cada anclaje. pT = Perímetro nominal del tirante pT 2 . AT AT = sección del tirante. Lb = longitud de cálculo del bulbo. τlim = Adherencia límite entre el tirante y la lechada expresada en MPa. fck = Resistencia característica (a los 28 días) de la lechada expresada en Mpa.
DISEÑO DE ANCLAJES Verificación de la seguridad frente al arrancamiento del bulbo Para la comprobación de la seguridad frente al arrancamiento del bulbo se minorará la adherencia límite del terreno que rodea al bulbo del anclaje para obtener la adherencia admisible aadm. Se comprobará que:
PNd / ( . D N . L b ) aadm Siendo: PNd = Carga nominal mayorada de cada anclaje. DN = Diámetro nominal del bulbo. Lb = Longitud de cálculo del bulbo. aadm = Adherencia admisible frente al arrancamiento del terreno que rodea el bulbo.
DISEÑO: ADHERENCIA LÍMITE
DISEÑO: LONGITUD Y CARGA ULTIMA
DISEÑO: ADHERENCIA LÍMITE
FHWA-IF-99-015
DISEÑO: ADHERENCIA LÍMITE
FHWA-IF-99-015
DISEÑO: ADHERENCIA LÍMITE
FHWA-IF-99-015
DISEÑO: PANTALLA ANCLADA Y MURO MSE
DISEÑO PANTALLA ANCLADA Y MURO MSE
DISEÑO: PANTALLA ANCLADA Y MURO MSE Diagrama de empujes
Fuente: FHWA-IF-99-015: Ground anchors and anchored systems
DISEÑO: ANCLADA MURO MSE DISEÑOPANTALLA DE MURO MIXTOYCON MSE
T= DL = 500 KN; Se adopta el mayor E= Espaciamiento entre anclajes
Valores de Adherencia, ver referencias en cuadros y gráficos anteriores
Ejecución: Soil Nailing (Pasivo) Secuencia de ejecución
1. Excavación
Brasil Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
2. Perforación
Usual:
f = 75 a 100 mm Fuente: A. Sayao
Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
3. Instalación
Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
4. Inyección
Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
5. Fijación de la tela
Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
6. Fijación de la Cabeza
Fuente: A. Sayao
Protección de la cabeza Barras f > 22mm Steel meshes Steel bar
Shotcrete
Grout
25 75 50 mm (Ortigão & Sayão 2004)
Secuencia de ejecución
7. Concreto
e = 7 a 15cm Fuente: A. Sayao
Drenaje
Fuente: A. Sayao
Secuencia de ejecución
8. Excavación
Fuente: A. Sayao
Nails w/ 7 days curing time Fuente: A. Sayao
Final de Ejecución
Fuente: A. Sayao
DISEÑO: FALLA POR PULL OUT
Anclajes activos en portal de túneles
Fuente: J.L.Carrasco
Anclajes activos en el portal de entrada de túnel (Carretera Cotapata Santa Bárbara, Los Yungas La Paz Bolivia, 2008)
GRACIAS !!!