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MUROS o PANTALLAS
CON ANCLAS PRE-TENSIONADAS
Jaime Suárez Díaz erosion.com.co
Referencia recomendada:
Sabatini P. J., Pass D. G., Bachus R. C.
“Ground Anchors and Anchored Systems”
GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 4
Federal Highway Administration FHWA 1999
Se puede descargar gratis de la pagina de la FHWA o en erosion.com.co
Anclaje
“Un anclaje es un elemento estructural que es capaz de transmitir una carga de tensión a un manto de soporte a profundidad”
Utilización de la estructuras ancladas pre-tensionadas
Ventajas del sistema de anclas pre-tensionadas
Requieren poco espacio para su construcción Se pueden colocar cargas horizontales de gran magnitud No requieren cimentación en su pié Son rápidas de construir No requieren de relleno posterior
En las estructuras ancladas se colocan varillas o tendones generalmente, de acero dentro de perforaciones realizadas con taladro, se inyecta la sección mas profunda con un cemento, y luego se tensionan.
Partes de un ancla
Perforación
Tendón
Tendones Cables. Hilo de siete alambres con resistencia a tensión última de 1.86 MPa con diámetro entre 0.5 y 0.6 pulgadas, que cumpla con la especificación ASTM A-416. El número de alambres y de hilos depende de la carga de diseño. La ventaja de los cables es que pueden cortarse de la longitud requerida y no requieren uniones ni soldaduras. Un cable de 0.6 pulgadas de diámetro puede soportar una carga de diseño de 150 kN.
Tendones
Varillas de alta resistencia. Varilla con resistencia última a la tensión de 1.03 MPa en diámetros variables entre 1.0 y 2.5 pulgadas de diámetro y que cumpla con la especificación ASTM A-722 tipo II, o ASTM A416. Una varilla de 1 3/8 de pulgada tiene una capacidad de carga máxima de 620 kN.Una carga típica de diseño para un varilla de 2.5 pulgadas es 2000 kN. Las varillas especiales indentadas se codifican mediate norma ASTM A886. La longitud de las varillas es de 6,9,12,15, y 18 metros
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EJEMPLO: JA
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FASES DE LA CONSTRUCCION
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Colocación del ancla
Bulbo cementado
Inyección del bulbo
Lechada de cemento
Relación agua/cemento de 0.4 a 0.55 en peso y cemento tipo I para una resistencia de 21 Mpa. Para perforaciones de gran diámetro se puede utilizar mezclas de arena cemento. Se puede utilizar acelerantes para el fraguado o plastificantes para facilitar la inyección.
Generalmente se utiliza lechada de cemento limpia (Sin agregados) Norma ASTM C150.
Cabeza
Aplicación de la carga de
pre-tensionamiento
1. MUROS RIGIDOS DE CONCRETO ARMADO
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Son estructuras de gravedad, semigravedad o pantallas; las cuales se sostienen mediante anclas pretensadas con bulbos profundos.
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2. SLURRY WALL ANCLADA
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SLURRY WALL ANCLADA
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3. ANCLAS INPENDIENTES SOBRE ZAPATAS
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4. “SOLDIER BEAMS”
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Utiliza columnas metálicas hincadas o pre-perforadas y travesaños de madera
Pre-perforación Colocación de la columna
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Este sistema en muy utilizado en EE. UU.
Es difícil de construir en arcillas muy blandas o arenas sueltas o en presencia de grandes bloques de roca
5. Combinación de pilotes
metálicos y pantalla de concreto
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5. Combinación de pilotes metálicos y pantalla de concreto
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6. PANTALLA DELGADA EN CONCRETO LANZADO
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7. TABLESTACAS ANCLADAS
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8. Pilotes o Pilas ancladas
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Pantallas o muros vs Anclas individuales
Anclas individuales
Muros o pantallas ancladas
Anclas apoyadas en bloques independientes o vigas. En estabilización de taludes estas estructuras también pueden ser zapatas o bloques individuales o vigas superficiales para la aplicación de las cargas de anclaje.
Ventajas de las anclas individuales Pueden instalarse en superficies no uniformes con facilidad. Se pueden utilizar elementos prefabricados. La construcción es más rápida si se utilizan zapatas
prefabricadas colocadas con la ayuda de grúas. Desventajas de las anclas individuales Requiere que el material en la superficie del terreno sea muy dura, para evitar que ocurra asentamiento y pérdida de la tensión. Es difícil sostener los bloques en pendientes fuertes mientras se colocan y tensionan los elementos fabricados. Generalmente son poco atractivas visualmente. No existe rigidez entre una y otra ancla facilitando la falla
gradual ancla por ancla.
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Ejemplo de anclas individuales
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Mecanismo de funcionamiento de las anclas
Modos de falla
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Son muchos los casos de fracasos de las estructuras ancladas
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a. Falla del tendón o varilla. El esfuerzo de diseño para el acero debe limitarse al 60% del esfuerzo último (Department of the Navy, 1983). b. Falla de la unión entre el refuerzo y el cementante. La capacidad de la unión entre el acero y la mezcla cementante depende en el número y longitud de los tendones o varillas y otra serie de factores. (Littlejohn and Bruce, 1977). c. Falla de la unión cementante-roca o cementante-suelo. Esta capacidad puede ser determinada por la fórmula siguiente:c Pu = x Dx Lb x Resistencia de la unión entre el suelo y la inyección
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Proceso constructivo
Perforación El proceso de perforación se inicia con un tubo de revestimiento de aproximadamente 10 a 20 centímetros de diámetro y una longitud para profundizar de 3 metros, como en este tubo quedan los residuos de perforación se introduce un barreno, el cual se encarga de extraerlo y poder continuar roscando otro tramo de tubo y luego el barreno, para seguir con este proceso hasta que se alcance la profundidad deseada.
Perforación
El diámetro del hueco de perforación generalmente es determinado por el tipo de equipo disponible. El diámetro debe ser de tal tamaño que permita la inserción del perno sin necesidad de forzarlo. Un hueco de gran tamaño no mejora el diseño y puede resultar en costos innecesarios de perforación.
Típicamente los diámetros varían de 3 a 12 pulgadas
Perforación
El anclaje debe colocarse lo más rápidamente posible después de terminada la perforación y en ningún caso la demora debe ser superior a 24 horas.
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Colocación del ancla en la perforación
Inyección
Se coloca el tirante en el hueco y se inyecta el mortero a presión hasta la zona de selle, si se produce una pérdida considerable de inyección, es necesario reducir la presión de inyección. La parte inicial del tirante ha sido previamente aislado con el objeto de evitar su cementación en el suelo (todo el cuerpo debe estar protegido contra la corrosión).
Inyección
La mezcla consiste generalmente, de cemento sin contracción y agua en una relación agua cemento que varía de 0.4 a 0.55 (Sabatini y otros, 1999) con cemento tipo I, la cual obtiene resistencias hasta de 21 MPa.
Inyección
Después de mezclado, la mezcla preparada debe ser continuamente agitada. Previamente al proceso de inyección se debe pasar la mezcla por un tamiz nominal de 1.2 mm. El tiempo máximo permitido entre la adición del cemento a la mezcla y la inyección es de 30 minutos. La bomba de inyección debe ser desplazamiento positivo (pistón o tornillo).
Colocación de las platinas JA
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EJEMPLO: JA
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Cabezote o botella y cuñas
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Tensionado El tensionado del ancla no debe realizarse hasta que se haya obtenido una resistencia mínima de 25 MPa en la mezcla. El gato o equipo de tensionamiento debe tener capacidad para por lo menos 1.8 veces la carga de diseño (Geotechnical Control Office, 1989). La tensión máxima que se coloque al tendón debe ser menor del 70% de la carga de falla nominal última.
Tensionado
El método común de tensionamiento es utilizando un gato hidráulico con un hueco cilíndrico central que permite aplicar la carga en forma precisa y axial.
CARGAS
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PLAZO
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ESFUERZO LIMITE DEL TENDON
FALLA DEL SUELO DEL BULBO A CORTO PLAZO
“CREEP” O FALLA DEL BULBO A LARGO PLAZO
PARA DETERMINAR Tu DEBE TENERSE EN CUENTA:
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Tensionado Cuando se tensiona un anclaje es importante chequear que la carga de diseño realmente fue colocada, utilizando el procedimiento del Post Tensioning Institute (1996). El procedimiento consiste en un cargue secuencial cíclico hasta una carga máxima del 150% de la carga de diseño, midiendo la deflexión de la cabeza del anclaje, a medida que es tensionado.
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Carga de aseguramiento. Después de ensayado el ancla se recomienda asegurarla con una carga definitiva de 70 % de la carga de diseño. Si se utilizan cargas de aseguramiento superiores al 80% se puede producir exceso de esfuerzo sobre las anclas (Weatherby , 1998).
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Tensionamiento JAIME SUAREZ DIAZ -UIS
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Colada en el sitio con ventana JA
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Concreto lanzado
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Diseño
Carga que se le puede aplicar a un tendón
Los tendones se diseñan para una carga de diseño que no debe exceder el 60% de la carga última a la tensión.
Es preferible utilizar cargas pequeñas y mayor número de anclajes que cargas de gran magnitud.
Un gran porcentaje de las fallas de los anclajes corresponden a desprendimiento de los bulbos en anclas con cargas superiores a 500 kN.
Cuando las cargas son muy altas no se sostienen con el tiempo (Hasenkamp y Turner, 2000).
Longitud de las anclas Debido a requerimiento de estabilidad no es recomendable utilizar anclas con longitudes inferiores a 9 metros (Sabatini y otros, 1999). La longitud de las anclas y de la longitud libre y del bulbo debe seleccionarse en tal forma que el bulbo se localice por debajo de la superficie potencial o real de falla. Se recomienda una longitud libre entre el bulbo y la superficie del terreno mínima de 4.5 metros,para cables y 3 metros para varillas, con el objeto evitar las pérdidas de cargas de tensionamiento debidas a la relajación y fatiga del acero, el suelo y la cabeza de los anclajes
Longitud con relación a la superficie de falla
La longitud total del ancla debe garantizar que la nueva superficie de falla potencial por detrás de los anclajes tiene un factor de seguridad especificado de acuerdo a las necesidades del diseño
Longitud del bulbo
las longitudes promedio de los bulbos varían de 3.5 a 12 metros . Para más de 12 metros hay muy poca ganancia en resistencia Generalmente en suelos no se utilizan longitudes menores de bulbo de 4.5 metros . En rocas se pueden utilizar longitudes de bulbo a partir de 3 metros.
Angulo de inclinación de las anclas Es deseable que por encima del bulbo haya como mínimo 5 metros de sobre-carga de suelo. La mayoría de los anclajes se instalan a ángulos con la horizontal entre 10° y 20° con la horizontal. Si el ángulo de inclinación es menor a 10° se requiere técnicas especiales de inyección del bulbo. No es recomendable utilizar ángulos con la horizontal superiores a 45° para evitar aumentos importantes de las fuerzas actuantes y disminución de la capacidad de carga horizontal del ancla
En todos los casos el ángulo debe ser tan que el bulbo quede totalmente dentro de un manto de roca o de suelo competente.
Diámetro de las perforaciones La mayoría de los trabajos de anclaje se realizan con perforaciones de diámetro entre 3 y 6 pulgadas. No es recomendable utilizar perforaciones de diámetro menor a 3 pulgadas. Para casos especiales podría utilizarse diámetros superiores a 6 pulgadas.
Tipo A. Anclajes inyectados por gravedad. La inyección por gravedad se utiliza especialmente en taludes en roca sana o en suelos cohesivos duros. La resistencia depende de la unión entre la inyección y la roca. Tipo B. Anclajes inyectados a presiones menores de 145 psi (1000 kN/m2). El diámetro del bulbo se amplía cuando la lechada de infiltra en el suelo o las fisuras de la roca. Se utilizan en roca fisurada o suelos granulares gruesos. La resistencia depende del cortante lateral y capacidad de soporte del area superior del bulbo. Tipo C . Anclajes inyectados a presiones de más de 290 psi (2000 kN/m2). El diámetro del bulbo aumenta por fractura hidráulica del suelo. Esta técnica se utiliza en suelos sin cohesión, y en ocasiones en suelos cohesivos. Este es tal vez el sistema de inyección más utilizado porque genera un bulbo de mayor tamaño en suelos. Tipo D. En la perforación se forman una serie de campanas, las cuales se inyectan por gravedad.
Diagrama de clasificación de bulbos
Adherencia bulbo-suelo
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Aplicar factor de seguridad de mínimo 2.0
Propagación del esfuerzo en el bulbo al colocar la carga
Cómo determinar la magnitud de las fuerzas reales que actúan sobre las estructuras Las presiones de tierras. Las presiones de tierra actúan directamente sobre los muros, pantallas, o estructuras superficiales. Los muros deben confinar el suelo y por lo tanto deben ser capaces de contra-restar la totalidad de las fuerzas generadas por la presión de tierras. Las fuerzas actuantes de inestabilidad del talud. Estas fuerzas son el resultado del desequilibrio entre las fuerzas que tratan de hacer fallar el talud al cortante (Fuerzas actuantes), y las fuerzas que resisten el movimiento (Fuerzas resistentes). Las anclas deben ser capaces de soportar esas fuerzas y aumentar el factor de seguridad del talud. Las estructuras de contención deben ser capaces de contra-restar tanto la presión de tierras, como las fuerzas de deslizamiento del talud, y el diseño debe incluir la cuantificación “por separado” de los dos grupos de fuerzas.
Procedimiento para el diseño de estructuras con anclas pre-tensadas.
Determinar la viabilidad del uso de estructuras ancladas
Analizar las restricciones de derecho de vía, materiales, equipos, estructuras existentes, aspectos ambientales, estética, sensitividad, movimientos de tierra, costos, etc.
Paso 1
Obtener y analizar la Información geotécnica del deslizamiento o el talud
Topografía, extensión lateral, perfil de suelo, niveles freáticos, parámetros para el análisis, superficie de falla, sismicidad, etc
Paso 2
Escojer el tipo de estructura. Muro de gravedad anclado, pantalla anclada,
tablestaca anclada, elementos individuales o zapatas con anclas.
Pre-dimensione los elementos superficiales de la estructura: Altura, inclinación, localización probable etc.
Paso 3
Evaluar las presiones de tierra. Seleccione
la distribución de presiones de tierra que actúan sobre la cara posterior de la estructura supuesta. Incluya fuerzas sísmicas, de agua, expansión del suelo etc.
Paso 4
ESPECIFICACIONES AASHTO
ART. 5.7.1
PARA CALCULAR LAS PRESIONES DE TIERRA DEBE TENERSE EN CUENTA:
METODO Y SECUENCIA DE CONSTRUCCION
RIGIDEZ DEL SISTEMA PARED/ANCLAJES
CARACTERISTICAS FISICAS Y DE ESTABILIDAD DE LA TIERRA
DEFLEXIONES PERMISIBLES DEL MURO
SEPARACION ENTRE ANCLAJES
PRE-ESFUERZO DE LOS ANCLAJES
POTENCIAL DE DEFORMACION DE LOS ANCLAJES
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Presiones de tierra aparentes recomendadas para pantallas ancladas pre-tensionadas “temporales” en arenas. (FHWA-1999)
En arenas
Presiones de tierra aparentes recomendadas para pantallas ancladas pre-tensionadas “temporales” en arcillas duras (FHWA-1999)
En arcillas duras
Presiones de tierra aparentes recomendadas para pantallas ancladas pre-tensionadas “temporales” en arcillas blandas a medias (FHWA-1999)
El valor de KA depende del valor de m m depende de la profundidad del manto de arcilla blanda y la profundidad y ancho de la excavación . (Ver figuras en las siguientes diapositivas)
En arcillas blandas a medias
Con el valor de d/H y el valor de Ns se puede obtener el valor de KA de la gráfica de Henkel (Siguiente diapositiva) Su = Resistencia al cortante
AGREGAR
PRESIONES DE AGUA
PRESIONES DE TRANSITO
SOBRECARGAS
FUERZAS SISMICAS
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Evaluar el factor de seguridad del talud existente por métodos de equilibrio límite.
Analice el factor de seguridad a falla general del
talud conformado para la colocación de la estructura, pero sin la estructura anclada
Calcular el factor de seguridad utilizando un software de equilibrio límite. Se diseña para el factor de seguridad mínimo.
Paso 5
Suponer heurísticamente la localización, inclinación y longitud de las anclas y calcular el factor de seguridad para diferentes valores de carga en las anclas (Métodos de equilibrio límite)
Tener en cuenta limitaciones de derechos de via, localización de materiales de suelo o roca competentes para los bulbos y para los apoyos superficiales, localización de estructuras enterradas, sótanos de construcciones, redes de servicios etc.
Paso 6
Calcular por ensayo y error las tensiones que se deben aplicar a cada ancla. (Métodos de equilibrio límite)
Se requiere lograr un factor de seguridad para contra-restar las presiones de tierras (Mínimo FS=1.5), y los factores de seguridad para estabilidad estática y dinámica del talud. Los dos análisis se realizan por separado y en ambos casos se deben cumplir los factores de seguridad. En lo posible se desea que todos los anclajes tengan la misma tensión
Paso 7
Diseñar cada ancla Cable o varilla de acero, tipo de inyección, diámetro
de perforación.
Paso 8
Diseñar longitud y características de los bulbos.
Si se requiere se deben aumentar las longitudes . Calcular los factores de seguridad al arrancamiento. (FS mayor de 2.0)
Paso 9
F.S. = 1.6 (ANCLAJES TEMPORALES)
F.S. = 2.0 (ANCLAJES PERMANENTES)
(CRITERIO DE HONG KONG)
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PARA ANCLAJES TEMPORALES
(MENOS DE 18 MESES)
TF 0.70 Tu
PARA ANCLAJES PERMANENTES
(MAS DE 18 MESES)
TF 0.6 Tu
(CRITERIOS EUROPEOS)
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Diseñar las estructuras superficiales Chequear la capacidad de soporte y los esfuerzos internos
a cortante y a flexión, y realizar el diseño estructural.
Proyectar los elementos de la fachada.
Paso 10
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Algunos factores importantes
La importancia de la fila superior
La fila superior es generalmente la más vulnerable , la que más se deforma y la primera que falla. La fila superior debe tener un factor de seguridad mayor, con anclas de mayor capacidad
Los ensayos de carga para calcular la adherencia
Se requiere en toda obra el realizar ensayos de carga para determinar el valor de la adherencia entre el suelo y el bulbo.
Análisis con elementos finitos
SIGMA-W
