U.T.N. - F.R.B.A. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Bs. As.
ANCLAJES Y SISTEMAS DE ANCLAJES
Cátedra: Cimentaciones Editó: Pérez, María Celeste. Fecha: Noviembre 2004 Revisión: 0 1
INDICE
1. ANCLAJES...........................................................................................................................4 1.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................4 1.2. DEFINICIÓN ANCAJES-SISTEMAS DE ANCLAJES...............................................4 1.3. COMPONENTES DE UN ANCLAJE............................................................................5 1.4. MATERIALES DEL TENDÓN......................................................................................8 1.5. TIPOS DE ANCLAJES....................................................................................................8 1.5.1. Generalidades.................................................................................................................8 1.5.2. Anclajes inyectados a gravedad....................................................................................8 1.5.3. Anclajes inyectados a presión.......................................................................................9 1.5.4. Anclajes post-inyectados................................................................................................9 2. MECANISMOS DE FALLA DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES.............................9 2.1. CONCEPTO PRINCIPAL...............................................................................................9 2.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MECANISMOS POSIBLES DE FALLA.......................................................................................................................................9 3. INVESTIGACIONES ACERCA DE LA DISTRIBUCIÓN Y TRANSFERENCIA DE CARGAS ENTRE EL ANCLAJE Y EL TERRENO. SHIELDS Y OTROS (1978).......11 4. ANCLAJES EN ROCA.....................................................................................................12 4.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................12 4.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN ROCA...........................................................................12 4.2.1. Resistencia al tiro por falla en el macizo de roca (cono de rotura).........................13 4.2.2. Verificación de la interfase inyección-roca................................................................14 4.2.2.1. Dimensiones usuales de la raíz y datos del tendón usados en la práctica............16 4.2.3. Verificación de la falla inyección-tendón...................................................................17 4.2.4. Verificación del tendón de acero.................................................................................17 5. ANCLAJES EN SUELO...................................................................................................17 5.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................17 5.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN SUELO..........................................................................17 5.2.1. Anclajes inyectados a gravedad o a baja presión (presión menor a 10 kg/cm2)......................................................................................................................................17 5.2.1.1. Cálculo tradicional....................................................................................................17 5.2.1.2. Cálculo de la carga última considerando una distribución “no lineal” de tensiones aplicando “factores de eficiencia” (Woods y Barkhordari)............................................................................................................................19 5.2.2. Ancajes inyectados a alta presión (presión mayor a 10 kg/cm2) y postinyectados.................................................................................................................................20 5.2.2.1. Descripción de anclajes inyectados (I. R. S.)..........................................................21 5.2.2.2. Descripción de anclajes tipo I. G. U. (Inyección Global Unificada).....................25 5.2.2.3. Relaciones de Bustamante y Doix............................................................................25 5.2.3. Método de cálculo de la capacidad del anclaje en suelo por FHWA-IF-99-015 (1999) (Kulhawy).....................................................................................................................27 5.2.4. Selección del elemento de acero pretensado..............................................................28 6. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES............................................28 2
6.1. ESTRUCTURAS FLEXIBLES DE RETENCIÓN......................................................29 6.1.1. Modos de falla en muros anclados..............................................................................29 6.1.2. Pasos en el diseño de un muro de retención flexible.................................................32 6.1.3. Evaluación de las presiones en el terreno para el diseño del muro.........................32 6.1.3.1. Introducción..............................................................................................................32 6.1.3.2. Diagramas de empujes aparentes de Terzaghi y Peck...........................................33 6.1.3.2.1. Cálculo de las cargas en el anclaje a partir de los diagramas de empujes aparentes..................................................................................................................................34 6.1.3.3. Diagramas de empujes para suelos estratificados..................................................37 6.1.3.4. Método de análisis de la cuña deslizante.................................................................37 6.2. ESTRUCTURAS SOMETIDAS A LEVANTAMIENTO POR FUERZAS HIDROSTÁTICAS.................................................................................................................39 7. DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE PROYECTO............................................40 7.1. UBICACIÓN DE LA SUPERFICIE POTENCIAL DE FALLA...............................40 7.2. REQUERIMIENTOS PARA LA SEPARACIÓN DE ANCLAJES..........................40 7.3. DISEÑO DE LA LONGITUD LIBRE..........................................................................41 7.4. DISEÑO DE LA LONGITUD DE LA RAÍZ...............................................................41 8. CONSIDERACIONES ACERCA DE LA CORROSIÓN.............................................41 8.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................41 8.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN DE ANCLAJES................................42 8.2.1. Requerimientos de los sistemas de protección contra la corrosión.........................42 8.2.2. Diseño de los sistemas de protección contra la corrosión.........................................42 9. ENSAYOS DE CARGA EN ANCALJES........................................................................46 9.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................46 9.2. ENSAYOS DE RENDIMIENTO U HOMOLOGACIÓN..........................................46 9.3. ENSAYOS DE PRUEBA O RECEPCIÓN...................................................................47 9.4. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN..................................................................................48 9.4.1. Generalidades...............................................................................................................48 9.4.2. Creep............................................................................................................................48 ANEXO – IMÁGENES: APLICACIONES DE ANCLAJES.............................................49 REFERENCIAS......................................................................................................................54
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ANCLAJES Y SISTEMAS DE ANCLAJES
1. ANCLAJES 1.1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este trabajo es presentar métodos y procedimientos de diseño para anclajes y sistemas de anclajes de acuerdo a la recopilación de investigaciones y estudios realizados. 1.2. DEFINICIÓN ANCLAJES – SISTEMAS DE ANCLAJES Conceptualmente, un anclaje es un elemento estructural instalado en suelo o roca y que se utiliza para transmitir al terreno una carga de tracción aplicada. Las presiones que desarrollan los suelos detrás de un talud pueden absorberse interponiendo estructuras de retención. Estas estructuras pueden estar constituídas por muros rígidos ó por sistemas flexibles. Los sistemas flexibles, como las tablestacas, los muros pantalla, ó los tabiques necesitan para su estabilidad, estar ligados a puntos fijos. En excavaciones grandes o en taludes naturales las retenciones flexibles logran su estabilidad generalmente con anclajes en suelo. Cuando los materiales involucrados son rocas, sobre las cuales se implantan estructuras que están sometidas a tracción, ó se trata de mejorar el comportamiento de un talud frente a la posibilidad de un derrumbe o un deslizamiento los anclajes serán anclajes en roca. Por lo tanto el mecanismo básico de un anclaje consiste en transferir las fuerzas de tracción que se generan en las inclusiones, hacia el suelo o la roca a través de la resistencia movilizada en la interfase entre el anclaje y el material que lo rodea (raíz).
Placa de anclaje superficie de deslizamiento potencial Raíz
Resistencia lateral
Fig. 1: Mecanismo básico de un anclaje
. Los anclajes que atraviesan potenciales superficies de rotura en los taludes generan sobre 4
dichas superficies un incremento de la presión normal σn la cual a su vez aumenta la resistencia al corte a lo largo de la misma (Fig. 1). τ = σn tg φ De esta manera, un sistema de anclajes en una estructura permite aumentar la seguridad contra el tiro vertical, el vuelco y el desplazamiento a lo largo de la superficie de falla (Fig. 2)
Estructura Ew
Anclaje U
Subpresión en cámara bajo agua
Vuelco en presa de hormigón
Fig.2: Sistemas de anclajes en diferentes estructuras
1.3. COMPONENTES DE UN ANCLAJE. Los anclajes están compuestos básicamente por (ver Fig. 3): •
La cabeza del anclaje
•
Tendón (Longitud libre).
•
Raíz (Longitud de adherencia)
5
cabeza del anclaje placa de asiento
Ca Te ble n o b dón (Lo arr n ad e h gitud ier libr ro red e) on vaina do
Ra íz
Diá m an etro cla de je l
inyección
Fig. 3: Componentes del anclaje.
La cabeza de anclaje, que está siempre en el exterior del paramento, es el sistema integrado por la placa de apoyo y una tuerca, que es capaz de transmitir la fuerza desde el acero (barra o cable) a la superficie del terreno o a la estructura de soporte (ver Fig. 4).
Fig. 4: Componentes de un anclaje con tendón de barra
El tendón, que conecta la cabeza con la raíz, puede elongarse elásticamente y transmitir la fuerza de resistencia de la raíz a la estructura. Para que el acero se deforme libremente se coloca un manguito o vaina de material plástico liso, alrededor del tendón para impedir la adherencia del tendón con la inyección circundante. El tendón puede estar formado por cables o barras de acero. 6
La raíz es un cuerpo enterrado que actúa en el extremo del anclaje destinado a fijar el mismo en el macizo que lo rodea. Este cuerpo puede formarse en suelo generalmente con una inyección controlada que adopta la forma de un bulbo ramificado. En cambio la raíz de un anclaje en roca puede lograrse llenando por gravedad una perforación con una lechada cementicia dentro de la cual se instala una barra de acero, ésta puede tener una tuerca de fondo (Figs 5.a y 5.b); también puede inyectarse a presión. De esta manera una porción de la barra se adhiere a la lechada y es capaz de transmitir dentro del terreno la carga de tracción aplicada. La raíz debe ubicarse detrás de la superficie crítica de falla. Fu
Fu
Lechada
a.
Lechada
b.
Fig. 5: Esquema simplificado de anclaje en roca
Existen otros elementos que pueden o no estar incluídos en el anclaje dependiendo del tipo de este último como por ejemplo, la vaina, los centralizadores, y los separadores. La vaina es un caño o tubo, liso o corrugado que protege el acero, en la longitud libre, de la corrosión. Los centralizadores posicionan el elemento de acero en la perforación de manera tal que se logre el mínimo recubrimiento especificado del mismo con la inyección (Fig. 6). Para tendones compuestos de elementos múltiples, los separadores se utilizan para espaciar a los cables o barras, componentes del tendón, para que cada uno pueda vincularse correctamente a la lechada.
Fig. 6: Corte de un tendón de cables
La inyección es una mezcla basada en cemento Portland que provee la transferencia de carga desde el tendón al suelo y le brinda, a éste último, protección contra la corrosión. El pretensado de un anclaje es un proceso por el cual se introduce en el mismo una fuerza permanente de tracción que se denomina fuerza de pretensado.
7
1.4. MATERIALES DEL TENDÓN Las barras están disponibles, usualmente, en diámetros de 20, 25 o 32 mm, este último a pedido especial. En comparación con los tendones constituidos por cables, las barras son más fáciles de tensar. Los tendones de cables comprenden cables múltiples de 7 alambres. Los anclajes que usan este tipo de cables no tienen limitaciones prácticas de cargas ni de longitud, siendo estas sus principales ventajas. Los tendones de acero tienen propiedades bajas de relajación como para minimizar las pérdidas de carga a lago plazo. 1.5. TIPOS DE ANCLAJES 1.5.1. Generalidades Existen tres tipos principales de anclajes (Fig. 7): 1- Anclajes inyectados a gravedad. 2- Anclajes inyectados a presión. 3- Anclajes post-inyectados.
Anclaje inyectado a gravedad
Anclaje inyectado a presión
Anclaje post-inyectado
Fig. 7: Principales tipos de anclajes.
1.5.2. Anclajes inyectados a gravedad Para este tipo de anclajes, se efectúa una perforación que luego se llena con lechada cementicia por gravedad sin formarse un bulbo en la raíz sino que la misma es cilíndrica. 8
Son instalados comúnmente en roca y en depósitos de suelos cohesivos muy compactos a duros, utilizando perforadoras rotativas o máquinas tuneleras. La resistencia del anclaje al arrancamiento depende de la resistencia al corte desarrollada en la interfase inyección-suelo. 1.5.3. Anclajes inyectados a presión Los anclajes inyectados a presión son más apropiados para suelos granulares gruesos y para roca débil fisurada. Este tipo de anclaje se usa también en suelos de granos finos sin cohesión. En los anclajes inyectados a presión la lechada se inyecta dentro de la zona de adherencia bajo presiones mayores a 3,5 kg/cm2. La perforación, usualmente, se ejecuta usando técnicas de barrenador de vástago o técnicas rotatorias con cañerías de encamisado. Cuando el barrenador o la camisa se retira, la lechada se inyecta dentro del agujero bajo presión. Este procedimiento de inyección incrementa la resistencia al arrancamiento porque: • •
aumenta la tensión normal (es decir, la presión de confinamiento) en el bulbo de inyección, como resultado de la compactación del material que lo rodea; incrementa el diámetro efectivo del bulbo de la lechada cementicia.
1.5.4. Anclajes post-inyectados Los anclajes post-inyectados usan inyecciones múltiples retardadas para agrandar el cuerpo de la lechada cementicia del tipo de anclajes inyectados a gravedad. Las inyecciones se realiza con intervalos de 1 o 2 días. El post-inyectado se realiza a través de un tubo de inyección sellado instalado con el tendón. El tubo está equipado con válvulas de control en la zona de adherencia. Las válvulas de control permiten una inyección adicional bajo gran presión dentro de la lechada inicial que ya ha sido realizada. Esta lechada adicional fractura la inicial y la encastra más afuera, dentro del suelo, agrandando el cuerpo de la inyección. De esta manera el bulbo tiene la forma de un cilindro con fracturas , cuyo diámetro es por lo menos dos veces el de la perforación. Además, las altas presiones de inyección, aseguran una buena adherencia entre el bulbo y el suelo circundante.
2. MECANISMOS DE FALLA DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES 2.1. CONCEPTO PRINCIPAL La capacidad de carga de un anclaje es la carga bajo la cual se agota la resistencia de cualquiera de las partes que constituyen el conjunto anclaje-roca o anclaje-suelo (por ejemplo, el macizo de suelo, la estructura flexible, ó el anclaje en si), en consecuencia para la carga, el anclaje cesa en su función. 2.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MECANISMOS POSIBLES DE FALLA Existen diversos mecanismos de falla posibles de los anclajes. Estos están, generalmente, causados por cargas estáticas excesivas en los anclajes. Las mismas pueden deberse a: 9
• • • • •
tracción que aparece en el anclaje durante los ensayos de carga o al sellado del anclaje; la secuencia de excavación; sobrecargas debidas a materiales o equipos de construcción; construcción de estructuras adyacentes; combinación de las causas arriba mencionadas.
La falla del anclaje puede ocurrir: •
Falla en la masa de suelo: Estos tipos de falla se deben a cargas del anclaje. Las fuerzas exteriores, tales como derrumbes no introducen cargas estáticas excesivas en el anclaje. Para anclajes superficiales, la falla de la masa de suelo se caracteriza por un levantamiento de la masa de suelo en frente de la zona de adherencia del anclaje seguido por el arrancamiento de la misma. Se desarrolla en el suelo una superficie de corte, adelante del anclaje, al mismo tiempo que al incrementarse la tensión provoca la movilización completa de la resistencia de la raíz. La superficie de falla simula una falla por empuje pasivo. La falla en la masa de suelo, prácticamente, no es un factor de importancia para anclajes embebidos a más de 4.5 m debajo de la superficie del terreno. Para anclajes en roca, el plano de falla posible, para instalaciones superficiales en un manto de roca resistente, es un cono generado con un ángulo aproximado de 45º desde el anclaje. En roca fracturada o estratificada, la forma del cono y el tamaño varía con la distribución de la estratificación, de los planos de fractura y con las fisuras generadas en la lechada de cemento de la inyección. Aún en este tipo de terrenos, la falla raramente ocurre en anclajes embebidos a más de 4.5 m debajo del terreno porque la resistencia de adherencia entre la roca y la inyección o entre la inyección y el tendón es menor que la resistencia de la roca. •
Falla en la interfase suelo-inyección: Los anclajes movilizan la fricción lateral entre la raíz del anclaje y el suelo. En general, esta adherencia depende de la tensión normal actuante en la zona de inyección, en la adherencia propiamente dicha y en la fricción desarrolladas entre el suelo y la lechada de la inyección. En general, la interfase suelo-inyección se desarrolla progresivamente en un suelo o roca uniforme a medida que la tensión se transmite a lo largo de la longitud de la raíz. Inicialmente, cuando el anclaje es tensado, la porción de la raíz, más cercana a la aplicación de la carga, se elonga y transfiere la carga al terreno. A medida que se desarrolla la resistencia en esta porción, la tensión se transmite más abajo. Durante este proceso, el anclaje continúa su deformación para así movilizar las zonas de la raíz que se encuentran a más profundidad. De esta manera la falla por arrancamiento ocurre una vez que la tensión se transfiere al final de la raíz y la adherencia última entre suelo y lechada es excedida. Los anclajes que se inyectan inadecuadamente, como, por ejemplo, la existencia de una columna de lechada cementicia entre la placa de apoyo o muro y la parte superior de la raíz, no ofrecen ninguna transferencia de carga de la raíz cuando se incrementa la carga.. La experiencia demuestra que incrementando la longitud de la raíz, en anclajes típicos, más allá de 9 a 12 m no se logra un aumento en la resistencia. La falla en la interfase suelo-inyección puede caracterizarse por deformaciones excesivas bajo carga sostenida (Creep).
•
Falla en la interfase inyección-tendón: No debe sobrepasarse la adherencia entre la inyección y el tendón de acero. El mecanismo de falla de la interfase inyección-tendón incluye tres componentes: 10
1. la adherencia propiamente dicha; 2. la fricción; 3. la trabazón. La adherencia es la unión física entre el acero, microscópicamente rugoso, y el suelo circundante, aunque se utiliza el término “adherencia” para denominar la acción de los tres componentes. De este vínculo inicial sólo permanece la fricción luego que ocurre el desplazamiento, porque la trabazón y la adherencia se agotan. La fricción depende de la rugosidad de la superficie del acero, de la tensión normal, y de la magnitud del deslizamiento. La trabazón mecánica consiste en que la inyección moviliza su resistencia al corte contra irregularidades mayores del tendón, tales como nervaduras o roscas. Esta trabazón es el mecanismo dominante de vinculación para barras roscadas donde la resistencia última de la barra puede desarrollarse con una corta inmersión en la inyección. La vinculación entre la interfase inyección-tendón en tendones de acero liso se desarrolla progresivamente en una forma similar al vínculo entre el suelo y la inyección. El deslizamiento ocurre solo después que se ha movilizado la resistencia máxima del vínculo entre la inyección y el tendón sobre aproximadamente la total longitud de la raíz. Luego del mismo, y para futuras elongaciones, el tendón ofrecerá, solamente, resistencia a la fricción (alcanzando alrededor de la mitad de la resistencia total obtenida) •
Falla en el tendón de acero: Cuando el anclaje entra en carga, el tendón se tracciona. Si la carga aplicada es mayor que la capacidad estructural del tendón, la falla se hace inevitable. Por lo tanto se debe considerar aplicar un factor de seguridad al valor de falla del acero. Se recomienda que la carga del tendón no exceda el 60% de la resistencia mínima a tracción especificada para un proyecto de condiciones permanentes, y para condiciones temporales no debe exceder el 80%.
3. INVESTIGACIONES ACERCA DE LA DISTRIBUCION Y TRANSFERENCIA DE CARGAS ENTRE EL ANCLAJE Y EL TERRENO. SHIELDS Y OTROS (1978). La mayoría de los métodos y procedimientos tradicionales de cálculo de anclajes están basados en la suposición que la distribución y transferencia de cargas entre el anclaje y el terreno es uniforme. Investigaciones más recientes demuestran que la realidad está lejos de esta presunción simplificada. Por medio de resultados de ensayos de carga, realizados por Shields y otros, sobre anclajes instalados en arena, pudo representarse la distribución de la carga en el anclaje (ver gráfico en Fig. 8) y, la distribución de la carga de transferencia en el anclaje durante el ensayo, demostrando, principalmente, que la misma no es uniforme. Si se analiza el gráfico, se puede ver que la característica fundamental de la curva es la disminución rápida de la carga a lo largo de la raíz hacia el final del anclaje. De esta manera, la pendiente de la curva de distribución de cargas representa el índice de transferencia de carga desde el anclaje al suelo circundante. A pesar de esto, debido a simplificaciones necesarias de cálculo las estimaciones de la capacidad de transferencia de carga en la raíz del anclaje están basadas en experiencias previas de campo y las fórmulas utilizadas están orientadas a considerar la uniformidad de distribución de cargas. Además, cuando se realizan estas estimaciones se deben considerar variaciones posibles en dicha capacidad de transferencia debidas a los diferentes métodos de instalación e 11
inyección. En un depósito de suelo dado la capacidad real obtenida en el campo dependerá del método de barrenado incluyendo la calidad de lavado del barreno y el período de tiempo que la perforación se deja abierta, del diámetro del barreno, del método y de la presión utilizados para la inyección, y de la longitud de la raíz del anclaje.
668
carga [kN]
556 445 334 223 111 *4 *1
*2
*5
*6
*3
*7
*9
*8
*10 vaina de protección [m]
0,30
1,21
2,12
3,03
4,00
4,84
5,76
6,70
Nota: 1 kN = 0,1 t
Fig. 8: Distribución de los esfuerzos en los anclajes durante un ensayo de arrancamiento (Shields y otros).
4. ANCLAJES EN ROCA 4.1. INTRODUCCIÓN Los anclajes en roca constituyen piezas que generan, en el contacto estructura-roca, fuerzas de compresión, en consecuencia la roca y la estructura prácticamente “se adhieren” como consecuencia del proceso. En el análisis del diseño de este tipo de anclajes, el objetivo principal es establecer y utilizar fórmulas confiables con factores de seguridad reales. 4.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN ROCA Un anclaje en roca puede fallar según uno o más de los siguientes mecanismos: 1234-
Falla en la masa de roca donde se aloja el anclaje. Falla en la interfase inyección-roca. Falla en la interfase tendón-inyección. Falla del tendón de acero o falla de la cabeza. 12
Por lo tanto, para proporcionar una seguridad total al anclaje, se debe considerar cada una de las fallas descriptas. 4.2.1. Resistencia al tiro por falla en el macizo de roca (Cono de rotura) La evaluación de la resistencia al tiro de un anclaje se lleva a cabo para asegurar que no ocurra la falla en la masa de roca que rodea al anclaje. Para anclajes simples, se asume que la falla se desarrolla por un arrancamiento en la masa de suelo en forma de cono invertido. La resistencia al tiro del anclaje se supone, usualmente, que es igual al peso efectivo del cono invertido, como se muestra en la Fig. 9.a sin tener en cuenta la resistencia al corte de la roca debido a la posibilidad de existencia de fisuras en la masa de roca. De esta manera, si el peso efectivo de la roca contenida en el cono es mayor que la carga de diseño del anclaje, el mismo se considera seguro. Se supone que el vértice del mecanismo de falla se ubica en la parte superior, en la parte media, o en la inferior, de la zona de adherencia del anclaje y que el ángulo del cono oscila entre 60º a 90º. Para anclajes con conos que se yuxtaponen o solapan, se analiza la estabilidad del suelo como se muestra en la Fig. 9.b. La yuxtaposición de las zonas de influencia entre anclajes adyacentes da como resultado una resistencia relativa al tiro menor que para un anclaje actuando solo.
h
60º a 90º
Se utiliza 60º cuando la masa de roca es blanda, muy fisurada o erosionada Se utiliza 90º para las demás condiciones de la roca.
L/2 L/2
L
D
Peso del cono = Volumen cono x γ R donde γ = peso unitario de la roca R (por ej.: 2,75 t/m³) Nota: si el anclaje está situado bajo el nivel freático, utilizar el peso sumergido 9.a. Geometría del cono
13
9.b. Interacción entre los conos para el análisis de estabilidad general
Fig. 9: Mecanismo del cono invertido para la estabilidad general de la masa de roca Las recomendaciones mostradas en la Fig. 9.a, deben aplicarse en ausencia de modelos o resultados de pruebas de carga a escala total. Para los casos en los que el estrato de roca está debajo de un manto de suelo, el mecanismo de falla se supone que es cilíndrico arriba de la interfase roca-suelo. Cuando se analiza este tipo de falla se utiliza, comúnmente, un factor de seguridad de 1,6 (Littlejohn y Truman-Davies, 1974), 2 (Rawlings, 1968) ó 3 (Schmidt, 1956), para calcular la resistencia admisible al tiro. 4.2.2. Verificación de la interfase inyección-roca La resistencia al tiro del anclaje depende de la profundidad relativa de la raíz del mismo, definida como h/D, donde h es la profundidad desde la parte superior de la raíz y D es el diámetro del anclaje. Para valores de h/D>15, el mecanismo de falla dominante en roca es la falla en la interfase inyección-roca. Los resultados de los ensayos indican más específicamente, que en rocas débiles, la falla ocurre en la interfase roca-inyección, mientras que en rocas duras la falla ocurre en la interfase tendón-inyección. En muchos países la resistencia lateral, por el fuste, se asemeja la que corresponde a un pilote de diámetro “D”, siendo D el diámetro de la perforación del anclaje. Además, se asume, usualmente, que la distribución de la tensión de corte a lo largo de la parte inyectada (raíz) es uniforme, a pesar que todas las evidencias conducen a afirmar, como se demostró en el punto 3, que la misma decrece con la longitud de la raíz, a menos que la raíz se forme en roca blanda o débil; esto indica que en los extremos más cercanos a la cabeza puede producirse una progresiva falla de la adherencia entre lechada y roca. Por lo tanto, la carga de tiro está dada por: T = π × D × L ×τ
ec. 1
donde T, es la fuerza de tiro desarrollada por el anclaje, L es la longitud de la raíz, τ es la tensión de corte de trabajo en la interfase inyección-roca (Fig. 10).
14
T
h
τ
L
D
Fig. 10: Representación de los valores de la ecuación 1 Cuando se conoce bien la resistencia al corte por medio de ensayos realizados en la masa de roca, la máxima tensión de corte de trabajo en la interfase inyección-roca no debe exceder la mínima resistencia al corte dividida el factor de seguridad (con FS ≥ 2). Littlejohn (1977) establece que la tensión última actuante en la interfase inyección-roca se toma, usualmente, como el 10% de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca hasta un valor máximo τu = 42 kg/cm2. En rocas muy afectadas, especialmente aquellas con un bajo valor del ángulo de fricción, puede considerarse que la tensión última actuante en la interfase inyección-roca, es un 25% de la resistencia a la compresión simple de la roca. En la tabla 1 se muestran distintos valores de la tensión última de corte para distintos tipos de roca. De todas maneras, evidencias matemáticas, de laboratorio y de campo indican que la distribución de la tensión de adherencia en la interfase roca-inyección, es improbable que sea uniforme a menos que la roca sea blanda (como ya se aclaró en otro artículo). Tabla 1: Valores aproximados de τu para distintos tipos de roca. Tipo de roca
τu [kg/cm2]
Granito alterado
15 a 25
Granito sano
45 a 50
Basalto sano
40 a 45
Rocas calcáreas
13 a 20
Arenisca descompuesta
7a9
Arenisca sana
9 a 17
Arcilita (con fisuración)
3a4 15
4.2.2.1. Dimensiones usuales de la raíz y datos del tendón usados en la práctica G. S. Littlejohn (1977) informa sobre dimensiones de la raíz, utilizadas en la práctica, dadas por diferentes códigos internacionales. Según el Código de Sudáfrica, para rocas muy duras a blandas, las longitudes de la raíz oscilan entre 4 m a 6 m. Con respecto a la elección del diámetro de los anclajes se deben tener en cuenta distintas consideraciones: • • •
tipo y tamaño del tendón; la relación entre el diámetro y el área perimetral de la raíz; relación del área de acero respecto del área transversal del agujero de la perforación para una distribución confiable de la adherencia y una eficiente protección contra la corrosión; • método de barrenado y equipo usado; • naturaleza de la roca en la zona de anclaje y la existencia de sobrecargas no consolidadas.
Según una encuesta a distintas empresas comerciales se pudieron obtener los datos de la tabla 2 que relacionan el diámetro de la raíz con la capacidad de trabajo . Tabla 2: Relación aproximada entre el diámetro de la raíz y la capacidad de trabajo. Capacidad [t]
Diámetro [mm]
20 a 120
50 a 100
100 a 300
90 a 150
300 a 450
150 a 200
450 a 1400
200 a 400
Según el Código de Sudáfrica, cuando es importante la protección contra la corrosión, el diámetro de la raíz debe ser mayor o igual al diámetro del tendón más 1,2 cm. Es decir: D ≥φ tendón + 1,2 cm
ec. 2
Littlejohn y Truman-Davies sugieren que la sección de acero no debe exceder el 15% de la sección del agujero de la perforación (área del anclaje).
16
4.2.3. Verificación de la falla inyección-tendón La longitud de transferencia (LT) es la longitud requerida para transmitir la fuerza de pretensado inicial del tendón a la inyección que lo rodea. La misma varía con la resistencia de la lechada cementicia, como así también del tipo y tamaño del tendón (barras o cables). Según las normas británicas, en el caso de cables simples, para una resistencia a la compresión de la lechada mayor a 350 kg/cm2, la longitud mínima es 100 diámetros; en el caso de paquetes de cables de pequeño diámetro (9 a 18 mm), para una resistencia a la compresión de la lechada, entre 340 y 480 kg/cm2, la longitud oscila entre 15 a 31 diámetros. El Código Australiano, estipula un valor máximo de la tensión de adherencia de 10,5 kg/cm2 para un tendón de cables simples, y de 21 kg/cm2 para un paquete de cables. 4.2.4. Verificación del tendón de acero Los tendones pueden ser barras, cables o paquetes de cables. Los últimos dos tienen ventajas con respecto a las barras y son el almacenamiento, transporte y fabricación. Las barras se protegen más fácilmente contra la corrosión, y para los casos de anclajes superficiales de baja capacidad, son más fáciles y baratas de instalar. Si se emplean barras nervuradas de construcción, puede adoptarse una tensión admisible a tracción de σs = 1400 kg/cm2. 5. ANCLAJES EN SUELO 5.1. INTRODUCCIÓN Los anclajes y sistemas de anclajes en suelo pueden ser permanentes ó temporarios. Los anclajes permanentes son aquellos que, generalmente, se considera que tienen una vida útil de 75 a 100 años. La vida útil de los temporarios está basada en el tiempo requerido para contener el suelo mientras se instalan las estructuras permanentes. O sea, pueden tener su aplicación en estructuras permanentes o temporarias. 5.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN SUELO 5.2.1. Anclajes inyectados a gravedad o a baja presión (presión menor a 10 kg/cm2) 5.2.1.1. Cálculo tradicional La transferencia de las cargas de la raíz al suelo se efectúa a partir de la resistencia lateral en la interfase con el suelo, siendo, según la clasificación del suelo, el siguiente valor:
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D
Anclaje inyectado a gravedad
T
σn τ
L
T
De
D
Anclaje inyectado a baja presión (<10 kg/cm ²)
L
Fig. 11: Esquema de referencias • Para suelos cohesivos: Tu = π × D × L × τ
ec. 3
donde, Tu es la carga de arranque y τu es la resistencia lateral última (Fig. 11). τ u =α × c u
ec. 4
donde α es un factor de adherencia que depende de la resistencia al corte del suelo según Tabla 3 Tabla 3: Factor de adherencia (de Canadian Foundation Manual) cu [kg/cm2] α
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
no aplicable
0,75
0,60
0,45
0,38
0,37
• Para arenas: Tu = π × D × L × σ v × K 0 × tg φ
ec. 5
con σ v = Presión vertical efectiva en el punto medio de la raíz y K0 = coeficiente de empuje en reposo (K0 = 1 – sen φ’), y: σ v × K 0 × tg φ = τ u
ec. 6
Las presiones de inyección, cuando se realizan, no superan 0,13 kg/cm2 por cada 30 cm de tapada. 18
5.2.1.2. Cálculo de la carga última considerando una distribución “no lineal” de tensiones aplicando “factores de eficiencia” (Woods y Barkhordari) La máxima carga última de diseño para anclajes inyectados a baja presión, puede también calcularse utilizando un método que considera la aplicación de “factores de eficiencia” (Barley, 1995) sobre las fórmulas tradicionales, que suponen que existe una dependencia lineal entre la capacidad última y la longitud de adherencia del anclaje, y de esta manera poder incluír la distribución, no uniforme, de la carga de transferencia en el cálculo de la carga última. Las fórmulas tradicionales estiman la capacidad última del anclaje, en arena con la siguiente ecuación: T = L × n × tg φ
ec. 7
donde: T es la capacidad última del anclaje, L es la longitud de la raíz, φ es el ángulo de fricción de la arena y n es un factor empírico que tiene en cuenta aspectos como, el diámetro fijo del anclaje, las tensiones in-situ, sobrecargas, granulometría de la arena. Y en arcilla con: T = π × D × L ×α × cu
ec. 8
donde cu es la resistencia al corte promedio sin drenar, α es un factor de adherencia que depende de las condiciones del suelo y de las técnicas de barrenado y D es el diámetro del anclaje. Los factores de eficiencia se han establecido a través de técnicas de ajuste de curvas sobre información limitada de campo. Puede establecerse su validez general si se dispone de resultados de ensayos sobre anclajes en otros tipos de suelo. • Para anclajes en arena, la ecuación modificada para un anclaje inyectado a baja presión es: T = f s × L × n × tg φ
ec. 9
donde fs es el factor de eficiencia para arena, que toma valores entre 0 y 1 inclusive. Para la obtención de dicho factor se ha utilizado información brindada por Ostermayer y Scheele (1977). Como esta información representa la arena sólo en términos de densidad relativa, se ha utilizado una relación propuesta por Bolton (1986) para obtener valores operacionales de φ según ensayos de campo. Basándose en un gran paquete de información experimental, Bolton sugiere que el ángulo de la resistencia al corte se compone de dos elementos: φ = φ cs + 0,8ψ
ec. 10
donde φ es el ángulo de fricción de la tensión pico, φcs es el ángulo de fricción del estado crítico y ψ es el ángulo de dilatación. Bolton, además, propuso la adopción de un índice de dilatación relativa, IR:
I R = I D × (10 − ln σ ') −1
ec. 11
siendo ID la densidad relativa y σ’ la presión efectiva principal. El ángulo de dilatación ψ puede estimarse como: 19
ψ = 3× I R
ec. 12
La revisión de información experimental y de campo sugieren que el factor de eficiencia es función de la longitud de la raíz y del ángulo de fricción: f s = e (− β × L × tg φ )
ec. 13
con β = 0.05, entonces, f s = e (− 0,05 L × tg φ )
ec. 14
• Para arcillas, la ecuación modificada es: T =π × D × L × f c × cu
ec. 15
siendo fc el factor de eficiencia para arcillas, que toma valores entre 0 y 1 inclusive, incorporando al factor α. Este factor refleja la reducción en la eficiencia del anclaje al incrementar la longitud del mismo. La información de los ensayos en campo indica que su valor depende solamente de la longitud de la raíz y puede suponerse en: f c = 1,6 × L − 0,6
ec. 16
5.2.2. Anclajes inyectados a alta presión (presión mayor a 10 kg/cm2) y post-inyectados En suelos granulares, los anclajes inyectados a presión, en barrenos de pequeños diámetros, aumentan notablemente su resistencia. La capacidad de este tipo de anclajes es mucho mayor que si se considera el valor de fricción lateral basada en la sobrecarga de suelo o utilizando valores límites de fricción lateral. Este aumento de la resistencia del anclaje puede explicarse en términos de un incremento en las tensiones radiales normales como consecuencia del impedimento a la dilatancia expansiva (expansión) que tiene lugar en los suelos granulares densos cuando son sometidos a corte, de esta manera, al suprimir la tendencia al aumento de volumen, se desarrolla una presión neutra negativa en el agua contenida en los poros del suelo lo que incrementa la tensión efectiva normal. Con la formación del barreno a través del encamisado y, luego, con la inyección a gran presión se mantiene o incrementa la densidad del suelo circundante al anclaje, además, asegura un contacto mayor en la interfase suelo-inyección brindando las condiciones óptimas para la reacción dilatante de este tipo de suelo. La inyección puede ser efectiva para incrementar la resistencia en suelos cohesivos, sin embargo, la post-inyección es más efectiva como medio para incrementar la resistencia en este tipo de suelos. La post-inyección incrementa las tensiones radiales actuantes en el cuerpo del anclaje y produce una superficie irregular que se desarrolla alrededor de la longitud de adherencia, que tiende a “trabar” a la inyección con el suelo. La capacidad de carga en anclajes post-inyectados es difícil de predecir debido a la complejidad del procedimiento de inyección utilizado, sin embargo, los anclajes post-inyectados en suelos cohesivos pueden incrementar la capacidad de carga de un anclaje inyectado a gravedad de un 20% a un 50% o más por fase de post-inyección hasta un límite de 3 fases.
20
T
D De L
Fig. 12: Referencias para examinar las tensiones calculadas con el diámetro de la perforación y con el diámetro del bulbo.
5.2.2.1. Descripción de anclajes inyectados (I. R. S.) Estos anclajes prácticamente se emplean en todo tipo de suelo capaz de tomar una capacidad a tracción adecuada. Su procedimiento de cálculo es básicamente empírico (investigaciones por Gouvenot, Doix, Bustamente, etc.). Las siglas I. R. S. significan Inyección Repetitiva Selectiva, que solo es posible a través de “Tubomanguitos” ó válvulas antiretorno. Los anclajes inyectados a presión proporcionan dos efectos beneficiosos considerables: 1- La conformación de un bulbo de forma semejante a un cilindro con algunas fracturas cuyo diámetro es por lo menos dos veces el de la perforación. 2- Las altas presiones de inyección aseguran una buena adherencia del bulbo con el suelo circundante. Según Gouvenot una clasificación de los bulbos inyectados en relación al suelo sería: I - Arenas gruesas y gravas II - Arenas finas, arenas limosas, y arcillas arenosas. III - Arcillas firmes a medianamente firmes IV - Materiales débiles. V - Suelos duros cementados. Relacionándolos con la técnica de micropilotes, pueden definirse los siguientes parámetros:
σf =
Qult . Alat .
ec. 17
con Alat = área lateral de la perforación: Alat = π × D × L
ec. 18
D es el diámetro de la perforación y L la longitud de la raíz, y además:
21
σs =
Qult . As.
ec. 19
con As = área lateral del “bulbo”: As =π × De × L
ec. 20
siendo De el diámetro virtual o ficticio de la raíz (mayor que D), ver Fig. 12. En la Tabla 4 se muestran valores de σf para los distintos tipos de materiales obtenido por Gouvenot según las siguientes premisas: •
• •
•
En todos los casos se han obtenido valores tales que De >2 D Los valores de σf corresponden a rotura. Las lechadas de inyección empleadas tenían una relación A/C apróximadamente igual a 0,6, con lo cual la penetración es mínima y el pretensado o precompresión del suelo es máximo. Los diámetros empleados eran menores a 200 mm.
Tabla 4: Valores empíricos de σf (Gouvenot) Material I II III IV V
σf [kg/cm2] 5a7 2,5 a 5 para qu = 0,5 a 1 kg/cm2 para qu = 1 a 4 kg/cm2 1a2 10 a 15
2,5 a 3,5 5 a 7,5
A continuación se describen dos sistemas internacionales de estos tipos de anclajes: Procedimiento TUBFIX (Swissboring) e I. R. P. (Soletanche). • Procedimiento TUBFIX (Patente: Swissboring): El método tiene, básicamente, 3 etapas, la primera comprende la perforación por medio de un trépano, la segunda, consiste en la incorporación de una inyección cementicia anular y la tercera, en la inyección a alta presión de la lechada que conforma la raíz (Fig. 13). Este procedimiento permite que el dispositivo trabaje a tracción (anclaje) o a compresión (micropilote), dado que el tubo queda perdido como armadura y que el espesor de la pared del mismo es como mínimo de 8 mm y el diámetro interno es de apróximadamente 7,6 cm.
22
1º Etapa: perforación
trépano
válvula de inyección
válvulas de inyección antiretorno
tubo de perforación y armadura del anclaje
Fig. 13: Sistema TUBFIX
2º Etapa: inyección anular
obturador
inyección cementicia
tubo de inyección
obturador
obturador
Long. libre Raíz
23
3º Etapa: inyección de la raíz
volumen de lechada inyectada a través de las válvulas
• Procedimiento I. R. P. (Patente: Soletanche): En la Fig. 14 se puede ver un corte esquemático de este tipo de anclaje cuyo tendón está constituído con cables, con lo que se deduce que solo puede trabajar a tracción. El método constructivo consiste en los siguientes pasos: Ejecución de la perforación (110 a 150 mm). Introducción de la lechada cementicia para llenar la perforación. Instalación del anclaje prearmado con tubo manguito. Inflado del obturador con lechada (a 5 kg/cm2). Inyección ascendente de la raíz.
separador
Fig. 14: Sistema I. R. P.
lechada cementicia
inyección
obturador inflable
cable sin vinculación
tubomanguito de inyección
vaina
cables
inyección
vaina
cables
Ra íz
1. 2. 3. 4. 5.
24
5.2.2.2. Descripción de anclajes tipo I. G. U. (Inyección Global Unificada) Este sistema solo permite una sola etapa de inyección con la secuencia que se indica en Fig. 15: •
Perforación mediante roto-percusión de un tubo con corona en la punta, el tubo hace de encamisado. Colocación de armadura con el sistema encamisado. Llenado del anclaje en forma ascendente. Retiro de la camisa y aplicación de aire comprimido para “pretensar” el suelo.
• • •
1 Introducción en el suelo, de un tubo constituído de elementos roscados y en su extremo una corona de perforación con vidia, hasta la profundidad del proyecto, a través de un movimiento roto-percusivo combinado (con agua, bentonita o aire)
3
2 Colocación de la armadura hasta el fondo manteniendo la excavación llena de agua protegida con el encamisado metálico
Inyección submersa a presión de mortero plástico a partir del fondo de la excavación. El tubo metálico es llenado hasta el nivel del terreno.
4
5
Retiro, uno por uno, de los elementos del tubo con aplicaciones de golpes de aire comprimido y complementación del nivel del mortero.
Pilote listo. Pieza de hormigón armado, con armadura adecuadamente recubierta en toda su extensión y de superficie irregular cuanto más blanda es la capa de suelo atravesado
Conjunto de gatos hidráulicos
Perforador Inyección de mortero
Agua
Golpe de aire comprimido
perforación llena de agua
Circulación de agua Armadura cargando suelo desagregado
inyección submersa a partir del fondo
Fig. 15: Anclajes tipo IGU - Etapas de ejecución 5.2.2.3. Relaciones de Bustamante y Doix Derivados de una colección de datos de ensayos de tiro sobre anclajes I. R. S. e I. G. U., Bustamante y Doix publicaron una serie de curvas (Fig. 16) para estimar preliminarmente el valor de τult (resistencia lateral última) en función del S. P. T. Las curvas tienen en cuenta el mejoramiento del suelo que rodea las raíces inyectadas a presión. El cálculo de Tu puede efectuarse como: Tu = π × d ef × l × τ ult
ec. 21 25
donde def es el supuesto diámetro efectivo de la raíz tomando en cuenta la expansión que produce la inyección. Los def pueden estimarse como sigue: •
Para sistema I.G.U.
→
•
Para sistema I.R.S.
→
d ef = [1,2 a 1,4]× D
ec. 22.a
d ef = [1,4 a 1,8]× D
ec. 22.b
siendo D el diámetro de la perforación (como ya se ha visto).
0,8
I.R.S.
a. ARENAS Y GRAVAS
0,7
I.G.U.
t ult [MPa]
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
4
3,5
4,5
5
5,5
6
6,5 P (Presiómetro) [MPa] 1
0
40
60
80
100
120
S.P.T. [N]
I.R.S.
b. ARCILLAS LIMOSAS
0,3 tult [MPa]
20
0,2 I.G.U. 0,1
0,0
0,5
1
1,5
2
2,5 P (Presiómetro) [MPa] 1
0
5
10
15
20
25
30
S.P.T. [N]
Nota: 1 Mpa = 10 kg/cm2
Fig. 16: Relaciones empíricas para la determinación de las tensiones de corte de la interfase. I.R.S.: Inyección Repetitiva Selectiva; I.G.U.: Inyección Global Unificada
26
5.2.3. Método de cálculo de la capacidad del anclaje en suelo por FHWA-IF-99-015 (1999) (Kulhawy) Como el mecanismo de falla principal, en el diseño de anclajes en suelo, es la movilización de la resistencia al corte de la interfase inyección-suelo se podría hacer una analogía con el cálculo de la resistencia de los pilotes, por lo tanto la capacidad al tiro puede calcularse como: Tu = Ttu + Tsu
ec. 23
Donde Tu es la capacidad al tiro, Ttu es la resistencia de punta y Tsu es la resistencia lateral. La resistencia de punta que puede desarrollarse por la succión se supone, comúnmente, que es igual a cero para la capacidad al tiro en condiciones drenadas (a largo plazo) para elementos en barrenos perforados. Por lo tanto, la resistencia al tiro de un anclaje inyectado, fundamentalmente, es debida a la resistencia de la interfase inyección-suelo. Tsu = π × D ×
KN × (σ 'v )i × (K 0 )i × tg [φi × (δ / φ )i ] × ∆zi K 0 i =1
ec. 24
donde ∆zi es el ancho del estrato i, D es el diámetro del anclaje, y K/K0 es el factor de modificación de la tensión por las influencias en la construcción. Los parámetros restantes se evalúan en la mitad de cada estrato, σ’v es la tensión vertical efectiva, δ es el ángulo de fricción de la tensión efectiva para el corte en la interfase, K0 es el coeficiente de la tensión horizontal insitu, y φ es el ángulo de fricción para tensiones efectivas del suelo. Los términos correspondientes a la profundidad del anclaje, y al perímetro, se calculan simplemente a partir de la geometría del anclaje, mientras que los de la tensión efectiva vertical se calculan a partir del peso unitario efectivo del suelo. Para anclajes en suelo, δ/φ puede suponerse igual a uno. Para anclajes inyectados a gravedad, el valor in-situ de K0 puede modificarse en base a los efectos de la instalación con valores típicos de K/K0 entre 2/3 a 1. Para instalaciones en seco con un barreno poco deteriorado se utilizan valores de K/K0 iguales a 1. Para anclajes instalados bajo agua o donde se encuentra arena muy suelta o movediza, los barrenos están bastante deteriorados, entonces son apropiados valores de K/K0 iguales a 2/3. Para anclajes inyectados a baja presión y anclajes inyectados a gravedad, se garantiza que K no se incrementa más de K0. Sin embargo para anclajes inyectados a gran presión, es apropiado un incremento de K. En la tabla 5 se presentan valores de K, como guía, dependiendo del tipo de suelo y de la densidad. Como K depende de otros factores, se recomienda que se efectúen ensayos para confirmar dichos valores. Tabla 5: Coeficiente de tensión horizontal, K, para anclajes inyectados a presión (Kulhawy) Tipo de suelo Limo Arena fina Arena media Arena gruesa, Grava
Suelta 1 1,5 5 10
Densidad Compacta 4 6 12 20
Densa 10 15 20 30 27
5.2.4. Selección del elemento de acero pretensado El tendón de acero (cable o barra) debe ser capaz de transmitir con seguridad la carga en la zona de adherencia a la estructura sin la fractura del mismo. Para la carga de diseño y la carga de sellado, se aplican factores de seguridad por separado según cuál sea el mecanismo probable de falla de rotura del tendón. La carga de diseño no deberá exceder el 60% de la resistencia mínima específica a tracción del acero pretensado. La carga de cierre no debe exceder el 70% de la resistencia anterior y la carga máxima de ensayo no excederá el 80%. 6. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES Como ya se comentó en el punto 1, una de las aplicaciones más comunes de los sistemas de anclajes es para la construcción de muros de retención anclados cuyo fin es estabilizar excavaciones y taludes. Éstos son muros de gravedad (en ménsula) con uno o más niveles de anclajes. Los muros de gravedad utilizan elementos verticales individuales o continuos, los que son hincados o excavados hasta profundidades por debajo del nivel de excavación terminada (Fig. 17).
Anclaje
Paramento
Raíz
Perfil de acero
Recalce de taludes
Fig. 17: Estructuras de retención
Los sistemas de anclajes también se utilizan en estructuras sometidas a volcamiento o levantamiento, tales como torres de transmisión o anclajes verticales, usados para resistir fuerzas hidrostáticas de levantamiento en presas de gravedad y losas de subpresión (Fig. 18).
28
Torre de alta tensión
Fig. 18: Sistemas de anclaje en estructuras sometidas a levantamiento
6.1. ESTRUCTURAS FLEXIBLES DE RETENCIÓN La resistencia de los muros de retención está provista por la resistencia al corte y a la flexión brindada por los elementos verticales del muro, por la resistencia pasiva del suelo debajo del nivel de excavación y por la resistencia lateral dada por los anclajes de tierra que resisten presiones horizontales (como por ejemplo, empuje de suelo, agua, fuerzas sísmicas, etc.) que actúan sobre el muro. Son varios los materiales de construcción y los métodos que se utilizan por los elementos constitutivos del muro. Los elementos verticales individuales, ya mencionados, a menudo son pilotes de acero o perfiles que son dispuestos en perforaciones previas, y sus paramentos, pueden ser revestimientos permanentemente por hormigón moldeado in-situ, entablonado de madera o paneles premoldeados de hormigón. Los elementos continuos no requieren un revestimiento estructural por separado, y pueden ser, tablestacados de acero, paneles de hormigón moldeados in situ o premoldeados construidos en trincheras o columnas de hormigón gunitado. Los muros continuos comúnmente, son utilizados para soportes temporales de excavaciones. Los que están hechos de tablestacas, se construyen hincando cada tablestaca hasta la altura necesaria de proyecto. Por lo tanto, no son convenientes para terrenos duros, pues se dificulta el hincado. 6.1.1. Modos de falla en muros anclados El objetivo del sistema de muro anclado es crear una masa de suelo internamente estable que sea capaz de resistir modos de falla externos bajo un nivel adecuado de servicio. Estos modos o posibilidades de falla se pueden ver en la Fig. 19.
29
a. Falla por tracción el tendón
b. Falla por arrancamiento en la interfase suelo-inyección.
d. Falla por flexión del muro
f. Falla por rotación hacia adelante
i. Falla por deslizamiento
c. Falla por arrancamiento en la interfase tendón-inyección
e. Falla en el muro por una insuficiente resistencia (por empuje) pasiva
g. Falla por insuficiente capacidad axial
h. Falla por volcamiento
j. Falla circular de la masa de suelo
Fig. 19: Condiciones posibles de falla para muros anclados
30
El proyecto de una estructura flexible de retención deberá enfocarse en limitar los posibles movimientos del suelo y del muro además de proveer fundamentos prácticos y económicas para la construcción. El diseño debe considerar el desarrollo de la resistencia tanto del muro como del anclaje como reacción a la carga aplicada al muro. La magnitud total de la fuerza del anclaje, necesaria para mantener el muro en equilibrio, está basada en las distintas fuerzas causadas por el terreno (empujes), el agua y las cargas externas. Por lo tanto se deberá cumplir: Tu ≥ Tmáx × F
ec. 25
Tu = Capacidad última del anclaje. siendo Tmáx, la fuerza total a la que se lo somete al anclaje y F el factor de seguridad. Está fuerza total se transmite al suelo a una distancia adecuada detrás de la zona activa del terreno para estabilizar el muro, como se ilustra en la Fig. 20.a. Este requisito generalmente define la distancia mínima, detrás del muro, a la cual se desarrolla la longitud de adherencia del anclaje. La raíz se debe extender dentro del suelo para interceptar cualquier superficie potencial de falla, ver Fig. 20.b. La profundidad necesaria de instalación de los anclajes debe determinarse en base a la ubicación de la superficie potencial de falla más profunda que tenga un factor de seguridad insuficiente, sin la reacción de ningún anclaje. Para suelos sin cohesión puede tomarse una cuña de inclinación = 45 + φ/2 respecto a la horizontal
0,2 H
zona activa que carga el muro
zona activa que carga el muro
45º + φ/2
distancia mínima desde el muro para el comienzo de la raíz.
20.a
envolvente de los puntos más profundos del mecanismo posible de falla
20.b
Fig. 20: Contribución de los anclajes a la estabilización del muro
En resumen, para la ejecución de un nuevo talud por medio de una excavación soportada por un muro anclado se debe tener en cuenta lo siguiente: 31
• •
6.1.2.
El muro anclado debe mantener en equilibrio al suelo adyacente a la excavación. Este soporte es el que define la fuerza máxima necesaria de los anclajes y las dimensiones, resistencia y los momentos flexores de la sección del muro. Los anclajes se deben extender a una profundidad suficiente dentro del terreno para interceptar un gran rango de superficies potenciales de falla superficiales y profundas con insuficientes factores de seguridad asegurando el incremento de resistencia al corte de los mismos, por generación de presiones normales a las superficies de rotura. Pasos en el diseño de un muro de retención flexible
En la tabla 6 se presenta un diagrama de flujo para el diseño de un muro anclado (temporario o permanente) Tabla 6
1º paso 2º paso 3º paso 4º paso
5º paso
6º paso 7º paso 8º paso 9º paso 10º paso 11º paso 12º paso 13º paso
Establecer requerimientos de proyecto, incluyendo toda la geometría, condiciones externas de carga (temporarias y/o permanentes), criterios de rendimiento, obligaciones en la etapa constructiva. Evaluar las condiciones subterráneas del sitio y propiedades relevantes del suelo in situ y/o de la roca Evaluar las propiedades de diseño, establecer los factores de seguridad de diseño y seleccionar el nivel de protección contra la corrosión. Seleccionar la distribución de las presiones laterales del suelo actuantes en la parte de atrás del muro en toda la altura del mismo. Incluír las presiones de agua, sobrecargas, acciones sísmicas y evaluar el empuje total resultante. Calcular las cargas horizontales de los anclajes y los momentos flexores del muro. Ajustar la ubicación vertical de los anclajes hasta que se alcance una distribución óptima del momento flexor. Evaluar la inclinación necesaria del anclaje, teniendo en cuenta las limitaciones por interferencias en la masa de suelo, ubicación del estrato apropiado para el anclaje y emplazamiento de estructuras subterráneas. Resolver cada carga horizontal de los anclajes por medio de dos componentes, uno vertical y otro en dirección del anclaje. Evaluar la separación horizontal entre anclajes basándose en la tipología del muro. Calcular las cargas individuales de cada anclaje. Seleccionar el tipo de anclaje. Evaluar la capacidad vertical y lateral del muro debajo de la base de excavación. Revisar la sección del muro. Evaluar la estabilidad interna y externa del sistema de anclajes. Revisar la geometría del terreno si es necesario. Estimar los momentos laterales máximos del muro y los asentamientos de la superficie del terreno. Revisar el diseño si fuera necesario. Seleccionar el revestimiento, largueros, sistemas de drenaje del revestimiento y dispositivos de conexión.
6.1.3. Evaluación de las presiones del terreno para el diseño del muro 6.1.3.1. Introducción La distribución de las presiones del terreno que se desarrollan en un muro anclado dependen 32
de la magnitud y distribución de las deformaciones laterales del muro. En algunos muros flexibles que no son de gravedad (por ejemplo, muros no anclados de perfiles de acero con revestimiento de entablonado) puede esperarse que sufran deformaciones laterales lo suficientemente grandes para inducir empujes activos en el terreno en toda la altura del muro. Para el diseño de estos sistemas, pueden recurrirse a diagramas que utilizan los métodos de análisis de Rankine o Coulomb. Para sistemas de muros anclados, el modelo de deformación es más complicado y no se condice con el desarrollo de la distribución de empujes teóricos de Rankine o Coulomb. La resistencia al corte del suelo, la rigidez del muro, la inclinación del anclaje, la separación vertical del anclaje y las cargas de cierre influencian directamente en el modo de deformación del muro y en el empuje total sobre el mismo. Los métodos para evaluar los empujes de estos tipos de muros anclados con elementos flexibles del mismo incluyen el uso de empujes aparentes, cuñas deslizantes, cálculos basados en equilibrio límite. Los cálculos de equilibrio límite pueden usarse para evaluar la carga total necesaria para estabilizar un talud o excavación en suelos altamente estratificados, perfiles de suelo para los cuales la superficie de falla posible es profunda u ocurre a lo largo de planos débiles definidos y donde están presentes sobrecargas complicadas. Estos tipos de cálculos pueden desarrollarse usando métodos de cálculo manuales tales como cuñas de prueba o utilizando programas de computación para la estabilidad de taludes. Aunque los cálculos por equilibrio límite son tan válidos como por los diagramas de empujes aparentes, se recomiendan los últimos, por su sencillez y rapidez de uso. 6.1.3.2. Diagramas de empujes aparentes de Terzaghi y Peck Los diagramas de empujes aparentes, que están en el Código de Edificación de la Cdad. de Bs. As., son diagramas semi-empíricos que fueron desarrollados originalmente por Terzaghi y Peck (1967) y por Peck (1969) para el cálculo de cargas envolventes de los codales en excavaciones entibadas. Los diagramas representan: 1- cargas drenadas en arena; 2- cargas no drenadas en arcillas fisuradas de firmes a duras; 3- cargas no drenadas en arcillas blandas a medias. El análisis de los diagramas de empujes aparentes permiten un cálculo manual, relativamente simple, de las cargas del anclaje y de los momentos flexores del muro. Ellos representan una envolvente que puede usarse para desarrollar un sistema de anclajes adecuado para toda la vida de la excavación. Los diagramas de Terzaghi y Peck, que son de forma rectangular o trapezoidal, se pueden ver en la Fig. 21 donde la máxima presión se denomina “p” y están basados en las siguientes premisas: • Los diagramas de presiones fueron desarrollados para taludes verticales y coronamiento horizontal, a partir de codales instalados horizontalmente. • Se considera que la excavación tiene una profundidad mayor a 6 m y que es relativamente ancha. Se supone, además, que los movimientos del muro son lo suficientemente grandes como para desarrollar la resistencia completa al corte. 33
• Se supone que, para arenas, el nivel freático está por debajo de la base de la excavación, y para arcillas su posición no es de importancia. La carga debida a la presión de agua no fue considerada específicamente en estos análisis. • Se asume que la masa de suelo es homogénea y que el comportamiento del suelo durante el corte es drenante para arenas y no drenante para arcillas, es decir se consideran solamente las cargas a corto plazo. • Los diagramas de carga se aplican solo a la porción del muro expuesta y no a aquella que está embebida en el terreno debajo del fondo de la excavación.
codal
0,25H
0,25H
0,5H
H
0,75H
0,25H
p = 0,65KAγH K A= tg² (45º- φ'/2)
p = 0,2 γH a 0,4 γH
p = K'A γH K'A = 1 - m x 4c
γxH
con m = 0,7
a. Arenas
b. Arcillas fisuradas firmes a duras
c. Arcillas blandas a medias
Fig. 21: Envolventes de empujes aparentes de Terzaghi y Peck 6.1.3.2.1. Cálculo de las cargas en el anclaje a partir de los diagramas de empujes aparentes Las cargas de los anclajes para su uso en muros flexibles anclados pueden estimarse a partir de los diagramas de empujes aparentes, utilizando procedimientos que se usan comúnmente incluyendo el método del área de influencia y el método de la articulación, los que han sido desarrollados para hacer cálculos manuales en sistemas estáticamente indeterminados. Ambos métodos, cuando utilizan los diagramas de empuje apropiados, han dado estimaciones bastante razonables de las cargas en los anclajes y de los momentos flexores en el muro, cuando éste está construído en suelo competente.
34
A
A H1 T1
H1 T1
B
B
p
p
H H2
H2
C
C R
R
T = carga sobre la altura H1 + H2 /2
T = Calculada a partir de ΣMC= 0
R = carga sobre la altura H2 /2
R = Empuje total - T1
a. Método del área tributaria (o de influencia)
b. Método de la articulación
Fig. 22: Cálculo de las cargas del anclaje para un muro con un nivel de anclajes Los cálculos de las cargas horizontales de los anclajes según el método mencionado, se presentan en la Fig. 22 para un nivel de anclajes y en, la Fig. 23, para un muro con más de una línea de anclajes. Ambos procedimientos, suponen que se desarrolla una articulación (en la cual el momento flexor es nulo) en la base de la excavación y que dicha base actúa como un codal de soporte. Esta última suposición es razonable para muros que penetran dentro de materiales competentes. El momento máximo que gobierna el diseño del muro ocurre típicamente en la porción expuesta del mismo, es decir, sobre la base de la excavación. En muros construídos en materiales competentes, se supone que la fuerza de reacción R, está soportada por la resistencia pasiva del suelo debajo de la base de la excavación. Por ende, el muro debe estar lo suficientemente embebido para que la misma se desarrolle. En este caso, el anclaje inferior toma solo el área tributaria del diagrama de empujes aparentes, desde la base de la excavación hasta la mitad de la altura entre la base y su propia ubicación. Para muros que penetran en materiales débiles no habrá suficiente capacidad de desarrollo de la resistencia pasiva disponible debajo de la excavación para soportar la reacción, independientemente de la profundidad de penetración del muro. Para este caso el anclaje inferior debe diseñarse para soportar carga de su área tributaria, arriba mencionada, más la carga de la reacción.
35
H1
H1
T1
T1 H2
H
H2
T2 Hn
H
p
T2
A B
F
C
G
T2u
H
T2L
I
Tnu
KJ
TnL
p
Hn D
Tn
Tn H n+1
Hn+1
R
E
R
T1 = carga sobre la altura H1 + H2 /2
T1 = Calculada a partir de ΣMC= 0
T2 = carga sobre la altura H2 /2 + Hn /2
T2u = Empuje total (ABCGF) - T
Tn = carga sobre la altura Hn /2 + H n+1 /2
T2L= Calculada a partir de ΣMD= 0
R = carga sobre la altura H n+1 /2
Tnu= Empuje total (CDIH) - T2L TnL= Calculada a partir de ΣM E= 0 R = Empuje total - T1 - T2 - Tn T2 = T2u + T2L Tn = Tnu + TnL
a. Método del área tributaria (o de influencia)
b. Método de la articulación
Fig. 23: Cálculo de cargas en anclajes para un muro con varios niveles de los mismos
Los valores calculados usando las Figs. 22 y 23, para las cargas en los anclajes, son la componente horizontal de la carga del anclaje por unidad de ancho del muro, Thi. Como los mismos no se instalan en forma horizontal sino inclinados aparece, también, una componente del tiro en dirección vertical y en sentido hacia abajo que tiene que ser solventada por la fricción y/o adherencia entre la estructura y el suelo, denominada Tv (Fig. 24).
TH i mín TV
i mín = 10º
Fig. 24: Componentes de la fuerza a la que está sometido el anclaje
36
La carga total del anclaje, Th, se calcula como: Th = Thi × s
ec. 26
donde s es la separación horizontal entre anclajes adyacentes. La carga, T, del anclaje que se utiliza para el diseño de la zona de adherencia del anclaje (es decir, la carga de diseño) se calcula como:
Th =
Th cos θ
ec. 27
donde θ es el ángulo de inclinación del anclaje bajo la horizontal. la componente vertical de la carga total, T, es: Tv = T × senθ
ec. 28
6.1.3.3. Diagramas de empujes para suelos estratificados Los diagramas de empujes aparentes ya descriptos fueron desarrollados para perfiles de suelos razonablemente homogéneos y, por lo tanto, puede ser difícil adaptarlos para usarlos en el diseño de muros en depósitos de suelos estratificados. Para los mismos se debe utilizar un método basado en la redistribución de los empujes activos calculados. Este método no debe usarse en perfiles de suelo en los cuales la superficie crítica potencial de falla se extiende debajo de la base de la excavación o donde la sobrecarga es irregular. Resumen del método: •
Evaluar la presión pA activa que actúa sobre la excavación en toda su altura y calcular el empuje total impuesto por esta presión utilizando los métodos convencionales de la Geotecnia, para el cálculo del diagrama de empuje activo total presuponiendo un desarrollo completo de la resistencia al corte. Para suelos con estratificaciones complicadas, superficies del terreno irregulares, o sobrecargas difíciles, el empuje puede evaluarse usando el análisis de estabilidad de una cuña. • Incrementar el empuje total calculado arriba multiplicándolo por el valor 1,3. • Distribuír este nuevo valor en un diagrama de empujes aparentes. Donde se presenten sobrecargas irregulares o superficies de terrenos irregulares, o las superficies posibles de falla están a mucha profundidad, pueden utilizarse para la evaluación del empuje, los métodos de equilibrio límite y programas de computación que se utilizan para analizar la estabilidad de taludes. 6.1.3.4. Método de análisis de la cuña deslizante El método de equilibrio de una cuña deslizante puede usarse para calcular la fuerza total necesaria para la estabilidad de un corte vertical. En la Fig. 25 se muestra una superficie de falla, un gráfico de cuerpo libre y un diagrama de vectores, para un muro de altura H con un suelo, detrás y en frente del muro, caracterizado por un ángulo de fricción en tensiones efectivas φ’. Se supone que la superficie crítica posible de falla pasa por el frente de la zona de adherencia del anclaje, de manera tal que las cargas de los anclajes contribuyen a la estabilidad del muro. A la resistencia al corte se le aplica un factor de seguridad, de manera que φ’mob = arctg (tg φ’/FS). 37
En la porción embebida del muro, a la profundidad d, se supone que se desarrolla una resistencia pasiva. Para la superficie de falla supuesta se puede usar un ángulo de fricción φ de la superficie igual a φ’mob, para calcular el coeficiente de empuje pasivo. En el análisis, PREQ representa la fuerza horizontal necesaria para dar estabilidad al corte vertical. Esta fuerza representa la resistencia combinada por la componente horizontal de la fuerza del anclaje, T x cos i, y la resistencia lateral dada por la porción embebida del muro, SPH. La suposición que PREQ es horizontal implica que la resistencia vertical dada por el perfil de acero, SPV, es igual en magnitud y opuesta en signo a la componente vertical de la carga en el anclaje, T x sen i. La fuerza resistente necesaria, PREQ, se calcula, entonces, como: (1 + ξ )2 cos δ 1 2 × tg (α − φ ) PREQ = × γ × H × − K P × ξ 2 × sen δ + 2 tg (α − φ ) tg α
ec. 29
W
i
superficie potencial de falla
muro H
P REQ muro
φ R
d
PP
α
a. Ejemplo de un sistema de muro anclado
R
W
PREQ PP
SPV T SPH
δ
α
b. Diagrama de cuerpo libre
W = Peso de la masa de suelo R = Componente de fricción de la resistencia PP= Resultante del empuje pasivo T = Fuerza total del anclaje SP = Fuerza horizontal de la resistencia del muro H SP = Fuerza vertical de la resistencia del muro V φ = ángulo de fricción del suelo δ = ángulo de fricción en la interfase suelo-muro i = inclinación del anclaje α = inclinación de la superficie potencial de falla ξ = d/H
c. Vectores de fuerza
Fig. 25: Método de equilibrio de fuerzas para muros anclados
donde los términos se definen en la Fig. 25. La solución se encuentra iterando por medio del ángulo de la superficie potencial de falla y de la profundidad d, hasta que se halle el máximo valor de PREQ. Luego, esta fuerza debe distribuírse en una envolvente de empujes aparentes para el cálculo de las cargas en los anclajes y de los momentos flexores en la porción expuesta del muro. 38
6.2. ESTRUCTURAS SOMETIDAS HIDROSTÁTICAS
A
LEVANTAMIENTO
POR
FUERZAS
Los anclajes también pueden utilizarse para proveer resistencia contra la fuerza de levantamiento causada por presiones hidrostáticas. Los principales temas relacionados al uso de anclajes para esta aplicación son: 1- Estabilidad general de la masa de suelo encerrada. 2- Cambios de las cargas del anclaje como resultado de movimientos (es decir, levantamiento de la superficie, asentamientos por consolidación, deformaciones por creep) 3- Protección contra la corrosión e impermeabilización del anclaje. La estabilidad general de una estructura sujeta a una fuerza de levantamiento se muestra en la Fig. 26. El sistema está en equilibrio cuando U = W1 + W2; donde W1 y W2 son los pesos totales de la estructura y del suelo encerrado, respectivamente, y U es la fuerza total de levantamiento, es decir: Subpresión = γ w × h
ec. 30
L
Estructura h
Masa de suelo encerrada
30º ó 45º Anclaje W1 = Peso de la estructura W2 = Peso de la masa de suelo encerrada U = Fuerza total de levantamiento = γw x h x L
Fig. 26: Estabilidad de la estructura contra el levantamiento hidrostático La geometría de falla se debe evaluar como se muestra en la Fig. 26. Conservadoramente, se debe ignorar la resistencia friccional que puede desarrollarse entre el suelo y las paredes laterales de la estructura. 39
7.
DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE PROYECTO
7.1. UBICACIÓN DE LA SUPERFICIE POTENCIAL DE FALLA La ubicación de la superficie potencial de falla debe evaluarse a partir del concepto que la raíz del anclaje, debe estar lo suficientemente detrás de dicha superficie para que la carga no se transfiera desde la raíz del anclaje a la zona sin adherencia ( ≅ tendón). Esta última se define como la que está entre la superficie crítica posible de falla y el muro. La longitud libre se extiende, usualmente, a una distancia mínima de H/5, donde H es la altura del muro, ó, a 1,5 m detrás de la superficie crítica de falla. Para muros construídos en suelo sin cohesión, se puede asumir que la superficie crítica posible de falla se extiende hacia la superficie del terreno desde el vértice de la excavación con un ángulo de 45º + φ'/2 con respecto a la horizontal (cuña activa), como ya se ha comentado. 7.2. REQUERIMIENTOS PARA LA SEPARACIÓN DE ANCLAJES Cada anclaje, en un sistema de anclajes, es diseñado suponiendo que el mismo soporta un área de influencia de carga basada en la separación horizontal y vertical entre anclajes adyacentes (área tributaria). La separación horizontal y vertical variará de acuerdo a requerimientos de proyecto, los cuales pueden ser: •
necesidad de un sistema muy rígido (es decir anclajes poco separados) para el control de los movimientos laterales; • la existencia de estructuras subterráneas que pueden afectar el posicionamiento y la inclinación del anclaje; • tipos de elementos de muro vertical seleccionada para el diseño. La posición vertical del anclaje superior se debe evaluar considerando las deformaciones admisibles del muro. La posición vertical del anclaje superior debe, además, seleccionarse para minimizar la posibilidad para exceder la resistencia pasiva del suelo retenido durante la prueba del anclaje y pruebas de rendimiento. Para anclajes instalados en suelo, se necesita una altura de 4,5 m de la superficie del terreno al centro de la zona de adherencia (Fig. 27.a). Esto es para prevenir la pérdida de lechada cementicia durante la instalación de los anclajes inyectados a presión y para prevenir el levantamiento de la superficie del terreno debido a grandes presiones de inyección. Para anclajes inyectados a gravedad, se necesita aplicar el criterio de la mínima sobrecarga para proveer al suelo de la sobrecarga necesaria para el desarrollo de la resistencia del anclaje. La separación horizontal típica para las estructuras de contención de perfiles metálicos es 1,5 m a 3 m para los perfiles hincados y más de 3 m para los instalados en perforaciones. La separación mínima entre anclajes que se muestra en la Fig. 27.b, asegura que el efecto del conjunto entre anclajes adyacentes se minimiza y se evitan las interferencias debidas a desviaciones en las perforaciones. El efecto del conjunto reduce la capacidad de soporte de los anclajes individuales.
40
zona activa que carga el muro
muro
b
4,5 (mín) cara del muro
H
Sh
b
χ Longitud libre mínima: 3 m (barras) 4,5 m (cables)
S h > 1,2 m
χ = 1,5 m ó 0,2 H (el mayor)
a. Corte transversal del muro
b. Vista en planta del muro
Fig. 27: Requerimientos para la separación vertical y horizontal para anclajes
7.3. DISEÑO DE LA LONGITUD LIBRE La longitud libre mínima para rocas y suelos es 4,5 m para tendones de cables y 3 m para tendones de barra de acero. Estos valores mínimos tienden a prevenir reducciones significantes en la carga debida a pérdidas durante la transferencia de cargas a la estructura después del ensayo de carga del anclaje. Existen casos en los cuales se pueden necesitar longitudes libres mayores que las anteriores, como por ejemplo para: •
ubicar la longitud de la raíz a una distancia mínima detrás de la superficie potencial de falla; • ubicar la zona de adherencia del anclaje en un suelo apropiado para el mismo; • Asegurar una estabilidad completa del sistema de anclajes; • Dar lugar a movimientos a largo plazo. En general, la longitud libre se extiende a una distancia mínima de H/5 o 1,5 m detrás de la superficie posible de falla para proveer una transferencia mínima de tensiones generadas por la raíz. 7.4. DISEÑO DE LA LONGITUD DE LA RAÍZ Para un proyecto en particular, el primer paso en la estimación de la capacidad mínima del anclaje es suponer la máxima longitud de adherencia posible. En el caso de un terreno sin restricciones se puede diseñar un anclaje con una inclinación de 15º y una longitud de adherencia de 12 m en suelo y de 7,5 m en roca.
8.
CONSIDERACIONES ACERCA DE LA CORROSIÓN
8.1. INTRODUCCIÓN Con la protección de los componentes metálicos del tendón contra los efectos destructivos de 41
la corrosión, se asegura una durabilidad a largo plazo del anclaje. La protección contra la corrosión incluye una o más barreras físicas que protegen al tendón de un ambiente corrosivo. Estas barreras incluyen: revestimiento del anclaje, compuestos que inhiben la corrosión, vainas, encapsulaciones, revestimientos de epoxi, e inyecciones. La elección del tipo de barrera depende de la vida útil de la estructura (temporario o permanente), de la agresividad del medio ambiente, las consecuencias de la falla del sistema de anclajes, y los costos de un nivel de protección mejor. 8.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN DE ANCLAJES 8.2.1. Requerimientos de los sistemas de protección contra la corrosión Los sistemas de protección deben satisfacer el siguiente criterio: • • • • • •
Asegurar que la vida útil del anclaje con respecto a la falla por la corrosión es al menos igual que la vida útil prevista del sistema de anclajes. No producir impactos adversos al medio ambiente o no reducir la resistencia del anclaje. Permitir movimientos irrestrictos del tendón a lo largo de la longitud libre, de manera tal que toda la carga sea transferida a la raíz. Incluír materiales que son químicamente estables y no reactivos con materiales adyacentes. Ser lo suficientemente fuerte y flexible para soportar las deformaciones que ocurren durante el tensado del tendón. Ser durable, como para resistir manipuleo sin dañarse durante la fabricación, transporte, almacenado e instalación.
8.2.2. Diseño de los sistemas de protección contra la corrosión Las tres partes básicas, constitutivas del tendón, son: 1- la cabeza; 2- la longitud libre o tendón; 3- la raíz. El sistema de protección consiste en brindar una barrera irrompible a cada componente y a las transiciones entre ellos. En los componentes del sistema de protección se incluyen: 1- para la cabeza, una cubierta de hormigón, una trompeta , y compuestos inhibidores de la corrosión; 2- para la longitud libre, inyección y una vaina rellena con un compuesto inhibidor de la corrosión o lechada; 3- para la raíz, inyecciones y encapsulaciones con centralizadores y revestimientos epoxi. (Ver Figs. 28 a 29) Breve descripción de los componentes de la protección: •
Revestimiento de la cabeza: La cobertura protege la cabeza del anclaje y el acero pretensado expuesto de la corrosión, y del daño físico. Se fabrican en acero o plástico.
•
Trompeta: La trompeta protege la parte de atrás de la placa de asiento y el acero 42
pretensado en la transición desde la cabeza hasta el tendón. Se fabrica con caño de acero o PVC. •
Compuestos inhibidores de la corrosión: Estos compuestos protegen los componentes de acero de la cabeza y del tendón.
•
Inyección: La inyección protege el acero pretensado en las longitudes con y sin adherencia y puede estar basada en cemento o resina poliéster.
•
Vainas: Las vainas son tubos de plástico lisos o corrugados, usadas para proteger el acero pretensado en el tendón. La vaina cubre todos los elementos pretensados y es comúnmente colocada y rellenada con lechada cementicia.
•
Manguitos: Se utilizan principalmente para proteger las cuplas que conectan las barras pretensadas en los empalmes.
•
Encapsulaciones: Son caños o tubos corrugados o deformados que protegen el acero pretensado en la raíz.
•
Centralizadores: Están, usualmente, hechos de acero o plástico y se utilizan para soportar el tendón en el barreno o dentro de una encapsulación para que el tendón se cubra con una mínima capa de lechada.
43
Trompeta Vaina llena con grasa
1- Lechada cementicia ó 2- Compuesto inhibidor de la corrosión Sellador
Cable pretensado Cuña Placa de la cuña Placa de asiento 100 mm 300 a 60 0 mm
Revestimiento entablonado
Inyección
a. Tendón de cables 1- Lechada cementicia ó 2- Compuesto inhibidor de la corrosión
Vaina llena con grasa
Barra pretensada Trompeta
Sellador
Tuerca del anclaje Placa de asiento
100 mm
Revestimiento entablonado
300 a 60 0 mm
Inyección
a. Tendón de barra
Fig. 28: Ejemplos de protección contra la corrosión
44
Corte A-A
Corte B-B
Centralizador exterior
Vaina engrasada
Tubo de inyección Tubo de inyección Vaina
Separador/Centralizador interior
inyección
Cables
Vaina A
Vaina engrasada Sellador Encapsulador Centralizador/separador interior Centralizador exterior
B
Long itud libre
A
Long itud de
adhe renc ia
B
Corte A-A
Corte B-B Tubo de inyección
Vaina engrasada
Separador/Centralizador Tubo de inyección
inyección Cables inyección Sellador
A
Vaina engrasada
Centralizador/separador
B Long itud libre
A
Long itud de
adhe renc ia
B
Fig. 29: Ejemplos de protección contra la corrosión
45
9.
ENSAYOS DE CARGA EN ANCLAJES
9.1. INTRODUCCIÓN La aceptación o rechazo de los anclajes se determina en base a los resultados de: 1- Ensayos de rendimiento 2- Ensayos de prueba 3- Ensayos extendidos de creep Cada uno de los anclajes se somete a uno de los ensayos expuestos. Sus resultados se comparan con los valores de aceptación para evaluar si el anclaje puede ser puesto en servicio. Los criterios de aceptación están basados en las deformaciones por creep admisibles y en las deformaciones elásticas admisibles durante los ensayos de carga. 9.2. ENSAYOS DE RENDIMIENTO U HOMOLOGACIÓN Los ensayos de rendimiento involucran ciclos de carga y descarga en un anclaje. Estos ensayos se utilizan para verificar la capacidad del anclaje, establecer el comportamiento cargadeformación, identificar las causas del movimiento del anclaje y verificar si la longitud real de la raíz es igual o mayor a la supuesta en el proyecto. Para comenzar el ensayo se aplica una carga de alineación que es el 5% de la carga de diseño. Los ensayos de rendimiento son realizados, comúnmente, sobre los dos o tres primeros anclajes instalados y luego, como mínimo, en el 2% de los anclajes producidos restantes. Se registra cada desplazamiento para cada incremento de carga. El desplazamiento total δt, está compuesto por un desplazamiento elástico δe más un desplazamiento residual δr. Los desplazamientos elásticos son el resultado de la elongación del tendón y de los deslizamientos elásticos del anclaje a través del suelo. El desplazamiento residual incluye la elongación de la inyección del anclaje y del movimiento del anclaje total a través del suelo. Por lo tanto, el desplazamiento elástico es la diferencia aritmética entre el desplazamiento total medido para la carga máxima para un ciclo de carga y el desplazamiento medido para la carga de alineación. Cuando se ha finalizado el ensayo, es decir, cuando se alcanza la carga de ensayo, la misma se mantiene constante durante 10 minutos, mientras se toman los desplazamientos al primer, segundo, tercero, cuarto, quinto, sexto y décimo minuto. El propósito es medir la dependencia de los desplazamientos del anclaje con el tiempo (creep). Esta parte del ensayo se denomina ensayo de creep. Si el desplazamiento total entre el primer minuto y los 10 minutos exceden el desplazamiento especificado para creep, entonces, la carga del ensayo s mantiene otros 50 minutos y se toman los desplazamientos a los 20, 30, 40, 50, y 60 minutos. Si los resultados de un anclaje específico indican que los movimientos de creep son excesivos en comparación con el criterio especificado, el anclaje puede incorporarse dentro de la estructura con una carga menor o puede reemplazarse.
46
133
120
100
75
50
25
Ajuste Desplazamientos
Porcentaje de la carga de diseño
1
δr
2 3 4
δe
5 6 10 mín.
δt
Fig. 30: Gráfico de los datos del ensayo de rendimiento u homologación
Uno de los criterios de aceptación está basado en los desplazamientos elásticos durante los ensayos de carga. Estos desplazamientos elásticos, que se calculan para cada ciclo, se grafican en función de la carga correspondiente, también se realiza el mismo tipo de gráfico para los desplazamientos residuales
6
δe 5 4 Desplazamientos elásticos
3
Desplazamientos residuales
1
Porcentaje de la carga de diseño
135
120
100
75
50
1 25
Ajuste
2
2 3 4
δr
5
6
Fig. 31: Gráfico de desplazamientos elásticos y residuales para el ensayo de rendimiento 9.3. ENSAYOS DE PRUEBA O RECEPCIÓN El ensayo de prueba involucra un solo ciclo de carga y una carga mantenida constante (cuando se alcanza la carga de ensayo). El ensayo de prueba provee un medio para evaluar la aceptación de anclajes que no se someten al ensayo de rendimiento. La información del ensayo 47
Desplazamientos
135
120
100
75
50
25
Ajuste
se usa para evaluar la capacidad de los anclajes considerando los mismos factores que par los datos del ensayo de rendimiento. Porcentaje de la carga de diseño
δr
δe
10 mín.
δt
Fig. 32: Gráfico de los datos del ensayo de prueba o recepción 9.4. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN 9.4.1. Generalidades El anclaje será puesto en servicio siempre que los resultados de los ensayos cumplan con el criterio de aceptación. Este criterio dictamina límites de creep aceptables (movimientos durante carga sostenida) y los desplazamientos elásticos. 9.4.2. Creep Para los ensayos de rendimiento y prueba los desplazamientos totales medidos para la carga sostenida no deben exceder 1 mm entre el primer minuto y el décimo. Si los desplazamientos son menores que 1 mm para este período, los anclajes se consideran aceptables con respecto al creep. Como se comentó anteriormente, para ensayos de carga en los cuales los desplazamientos totales exceden el criterio arriba descripto, la carga se mantiene durante 50 minutos adicionales. Si los desplazamientos totales no exceden lo 2 mm durante los 6 a 60 minutos de este período, entonces el anclaje se considera aceptado.
48
ANEXO – IMÁGENES: APLICACIONES DE ANCLAJES
Imagen 1: Perforación con barreno contínuo en arcillas arenosas de Madrid, España.
49
Imagen 2: Excavación de 27 m de profundidad en Génova. Pantalla anclada con tirantes definitivos realizados en formaciones sedimentarias fracturadas.
Imagen 3: Excavación de 20 m de profundidad en Zurich. Anclaje definitivo de una pantalla de pilotes no tangentes en areniscas, margas y morenas.
50
Imagen 4: Pantalla de retención en talud.
Imagen 5: Complejo hidroeléctrico del Salto de Castro (España) 51
Imagen 6: Central Nuclear de latina (Italia)
Imagen 7: Dique seco para buques en Trieste. Anclaje Provisional de las ataguías y anclajes definitivos para subpresión.
52
Imagen 8: Anclajes permanentes para la excavación de la central de Villacampo (España).
53
REFERENCIAS •
GROUND ANCHORS AND ANCHORED SYSTEMS Geotechnical Engineering Circular Nº 4 Publication Nº FHWA-IF-99-015 US. Department of Transportation - Federal Highway Administration.
•
ROCKS ANCHORS – DESIGN AND QUALITY CONTROL G. S. Littlejohn – D. A. Bruce Geotechnics Research Group University of Aberdeen – Scotland (1977).
•
LOAD TRANSFER IN PRESSURE INJECTD ANCHORS David Shields, Harry Schnabel Jr., David Weatherby. Journal of the Geotechnical Engineering Division Vol. 104 Nº GT9. Sept. 1978
•
ESSAIS EN FRANCE EL Á L’ÉTRANGER SUR. LE FROLTEMENT LATÉRAL EN FONDATION: AMÉLIORATION PAR INJECION Gouvenot. L’Ecole Centrale de Lyon.
• FOLLETO COMERCIAL DE LA FIRMA ROFIX
54
