CURSO DE GEOTECNIA PARA INFRAESTRUCTURAS COLEGIO DE INGENIEROS
DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS MLAGA, OCTUBRE-NOVIEMBRE DE 2003
TEMA 16: ESTRUCTURAS ENTERRADAS EN SUELOS.
Alejandro Castillo Linares E. T. S. Ingenieros de Caminos,
Canales y Puertos de la Universidad de Granada. ACL Diseo y Clculo
de Estructuras, S. L. Manuel Escamilla Garca-Galn ACL Diseo y
Clculo de Estructuras, S. L. Francisco Javier Ramrez Lpez ACL Diseo
y Clculo de Estructuras, S. L.
NDICE DEL TEMA 16.1. INTRODUCCIN. TIPOLOGA DE ESTRUCTURAS
ENTERRADAS. 16.2. FUNDAMENTOS TERICOS Y CONDICIONANTES PARA EL
DISEO Y CLCULO DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS. 16.2.1. NATURALEZA DEL
TERRENO CIRCUNDANTE. a) Terreno de cimentacin. b) Terreno de
relleno. Sistema terreno de relleno-terreno de cimentacin. 16.2.2.
RIGIDEZ DE LA ESTRUCTURA. 16.2.3. TIPO DE INSTALACIN. a) Instalacin
en terrapln o zanja ancha. b) Instalacin en zanja. c) Instalacin en
zanja terraplenada. d) Instalacin en zanja inducida en terrapln.
16.2.4. PRESENCIA DE AGUA. 16.2.5. SOBRECARGAS EXTERIORES. 16.2.6.
ACCIN SSMICA. 16.2.7. OTROS PARMETROS A CONSIDERAR. a) Ambientes
agresivos. b) Esfuerzos en conducciones de redes a presin. c)
Flexin longitudinal de estructuras enterradas. 16.3. CLCULO PRCTICO
DE LOS DISTINTOS TIPOS DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS. 16.3.1. CLCULO DE
ESTRUCTURAS ENTERRADAS RGIDAS DE GRANDES DIMENSIONES. a) Normativa
tcnica de aplicacin. b) Modelizacin estructural de la obra. c)
Acciones a considerar, naturaleza de las mismas e hiptesis de
combinacin. 16.3.2. CLCULO MECNICO DE CONDUCCIONES RGIDAS. a)
Procedimiento a seguir en el clculo mecnico de tubos prefabricados
de hormign en masa, hormign armado y hormign con fibra de acero,
para conducciones sin presin. b) Determinacin de la carga total
sobre el tubo (qtotal). c) Determinacin del factor de apoyo.
16.3.3. CLCULO MECNICO DE CONDUCCIONES FLEXIBLES. 16.4.
CONSIDERACIONES ACERCA DE LA EJECUCIN, CAUSAS DE LAS PATOLOGAS Y
AUSCULTACIN DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS. 16.4.1. EJECUCIN DE LAS
ESTRUCTURAS ENTERRADAS. 16.4.2. CAUSAS DE LAS PATOLOGAS DE LAS
ESTRUCTURAS ENTERRADAS. a) Causas de patologas en conducciones
flexibles. b) Causas de patologas en estructuras rgidas. 16.4.3.
AUSCULTACIN DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS.
16.1. INTRODUCCIN. TIPOLOGA DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS. Las
estructuras enterradas conforman un conjunto tipolgico de crucial
importancia en una gran cantidad de obras de infraestructuras, ya
sea porque desempean el papel protagonista de la obra en cuestin
(tuberas de una red de abastecimiento o saneamiento) o porque son
empleadas para materializar servicios y funciones colaterales a la
obra principal (pasos inferiores de autova, obras de drenaje). La
finalidad, materiales y geometra con los que se disean este tipo de
elementos son muy diversos, y es por ello amplio el abanico de
subgrupos en los que pueden ser clasificados. Atendiendo a la
geometra de su seccin transversal, se pueden distinguir marcos (de
seccin cuadrada o rectangular), bvedas, prticos, arcos, ovoides y
tubos. Una muestra de estas geometras se recoge en la figura
16.1.MARCOS UNICELULARES Y MULTICELULARES
PRTICOS
ARCOS REBAJADOS
ARCOS DE MEDIO PUNTO TUBOS
En lo que a los materiales empleados en su construccin respecta,
cabe distinguir entre estructuras de hormign (en masa, armado,
pretensado, postensado, con camisa de chapa, con fibra de acero),
fundicin dctil, policloruro de vinilo (PVC, no plastificado,
orientado), polietileno (PE, de distintas densidades), acero o
polister reforzado con fibra de vidrio (PRFV).
En cuanto a la finalidad para la que pueden ser empleadas este
tipo de obras, cabe destacar las obras de paso de 16.1: Distintos
tipos de secciones transversales de caminos o carreteras, las obras
obras enterradas. de drenaje y las conducciones (de abastecimiento,
riego, saneamiento, colectores de pluviales, oleoductos,
gasoductos, carboductos, transporte de sustancias industriales,
etc.). Por ltimo, cabe mencionar otra posible clasificacin de este
tipo de obras, que no es otra que la que las divide en rgidas y
flexibles. Los criterios sobre la base de los cuales se puede
establecer la citada divisin no son demasiado claros, ms an si
(como ms adelante se explicar) el comportamiento de una estructura
como rgida (admite pocas deformaciones) o flexible no depende slo
de las caractersticas de sta, sino tambin del medio en que se halle
inserta y de otros condicionantes. No obstante, y de modo general,
se puede afirmar que las estructuras de hormign pueden ser
consideradas como rgidas, las de fundicin y acero de espesor
notable como semirrgidas, y el resto como flexibles.
16.2. FUNDAMENTOS TERICOS Y CONDICIONANTES PARA EL DISEO Y
CLCULO DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS. Se aborda en el presente epgrafe
el anlisis de la base terica en la que se fundamenta el diseo de
los diferentes tipos de estructuras enterradas, describiendo los
diferentes factores que tienen incidencia en el dimensionamiento de
las mismas. 16.2.1. NATURALEZA DEL TERRENO CIRCUNDANTE.
Las caractersticas del terreno en el que la estructura enterrada
se halla inserta condicionan enormemente su dimensionamiento, no
solo debido a que solicitan directamente a la estructura por medio
de cargas que en muchos casos son las ms desfavorables a considerar
en el proceso de diseo (peso propio, empujes laterales), sino
tambin porque es a travs de dicho terreno por donde se transmiten a
los elementos enterrados la totalidad de las cargas exteriores
actuantes, y su deformabilidad frente a las citadas cargas puede
provocar que el estado de solicitacin al que se halle sometida la
estructura difiera de modo notable del correspondiente a un anlisis
geosttico del problema. Es por ello importante realizar los
reconocimientos y ensayos geotcnicos pertinentes para poder
caracterizar tanto el terreno sobre el que se va a asentar la
estructura como el suprayacente y adyacente a la misma, pues en
base a dicha caracterizacin se modelizar el esquema estructural y
las solicitaciones actuantes a considerar en el dimensionamiento.
a) Terreno de cimentacin. Las estructuras enterradas se cimientan
por lo general de forma directa, por medio de zapatas corridas (en
el caso de los prticos), losas (en los marcos y bvedas cerradas) o
apoyo directo sobre el terreno natural o previamente tratado
(tubos). Slo en contadas ocasiones se recurre a una cimentacin
profunda de este tipo de estructuras, siendo en todo caso
preferible analizar previamente la posibilidad de llevar a cabo un
tratamiento de mejora de las caractersticas del terreno subyacente
que posibilite la cimentacin directa. Los parmetros geotcnicos del
terreno que subyace a las estructuras enterradas a tomar en
consideracin en su diseo son los siguientes: Capacidad
portante.
Se refiere a la presin admisible que el terreno es capaz de
soportar, entendiendo como tal aquella por encima de la que, tanto
el elemento de cimentacin como en el sustrato sobre el que ste
apoya, experimentaran movimientos inadmisibles causantes del
colapso de la estructura. Los valores que este parmetro adquiere
cubren un amplio intervalo, siendo prcticamente nulos en terrenos
fangosos, turbas y arcillas muy blandas, y alcanzando hasta ms de
50 kp/cm2 en rocas muy sanas. La determinacin de esta caracterstica
geotcnica habr de ser realizada, siempre que ello sea posible, de
forma directa mediante ensayos de laboratorio (triaxial o corte
directo). En caso contrario, se habr de recurrir a correlaciones
con resultados obtenidos en ensayos de campo (SPT, piezocono,
etc.).
En el caso de las obras de paso incluidas en proyectos de
carreteras o ferrocarriles, la presin admisible del terreno es un
factor determinante a la hora de decidir la tipologa de paso a
ejecutar. De este modo, se puede afirmar que en terrenos con
capacidad portante superior a los 3 kp/cm2, la solucin tipo prtico
es la ms adecuada, debiendo recurrir a soluciones tipo marco o
bveda cerrada en caso de que el terreno posea una tensin admisible
inferior a los 2 kp/cm2. Deformabilidad.
Este parmetro incide muy directamente en los esfuerzos a
resistir por parte de las cimentaciones flexibles (losas de marcos
o bvedas cerradas), siendo por tanto necesario establecer un modelo
de interaccin suelo-cimiento adecuado para el clculo de los citados
esfuerzos. La modelizacin ms sencilla y recomendada es la propuesta
por Winkler, que se basa en representar el comportamiento del
terreno frente a las acciones que le transmite la estructura por
medio de una serie de resortes cuya rigidez es la determinada segn
la siguiente frmula:
R=KADonde: R = Rigidez del resorte, es decir, fuerza a aplicar
al mismo para que ste experimente una deformacin unitaria (t/m). K
= Mdulo de balasto (t/m3). A = rea del terreno representada por el
resorte (m2). El mdulo de balasto (tambin conocido como mdulo de
reaccin o mdulo de Winkler) es el cociente entre la tensin aplicada
sobre una determinada superficie del terreno y el desplazamiento
que dicho terreno experimenta en la direccin de aplicacin de la
tensin. Se trata de un parmetro que no solo depende de las
caractersticas geotcnicas del terreno, sino tambin de la geometra
de la cimentacin y de su rigidez. Por ello, en la bibliografa
especializada (ver [16.1] y [16.2]) se recogen valores del mdulo de
balasto para diferentes tipos de terreno, ensayados con una placa
de carga de determinadas dimensiones, junto con las frmulas que
permiten la adaptacin de los citados valores a cada caso concreto,
en funcin del tipo de suelo y de la geometra del cimiento. Como
muestra de lo anterior, se recogen en la siguiente tabla los
valores del mdulo de balasto en placa de 75 cm de dimetro para
diferentes tipos de suelo, segn [16.1]:TIPO DE SUELO Gravas con
buena granulometra o mezclas de arena y grava. Pocos finos. Mezclas
de arcilla, arena y grava, con buena granulometra y excelente
trabazn. Gravas con pobre granulometra y mezclas de arenas y
gravas. Pocos finos. Gravas con finos, gravas limosas, gravas
arcillosas. Mezclas de arcilla, arena y grava con mala
granulometra. Arenas con buena granulometra y arenas con gravas.
Pocos finos. Mezclas de arenas y arcillas con buena granulometra y
excelente trabazn. Arenas con mala granulometra y pocos finos. k
(t/m ) 14000 a 20000 11000 a 20000 8000 a 14000 7000 a 14000 7000 a
16000 7000 a 16000 5500 a 90003
TIPO DE SUELO Arenas con finos, arenas limosas, arenas
arcillosas. Mezclas arena-arcilla con mala granulometra. Limos
inorgnicos y arenas finas. Polvo rocoso, arenas finas limosas o
arcillosas con ligera plasticidad. Arcillas inorgnicas de
plasticidad baja o media, arcillas arenosas, arcillas limosas,
arcillas pobres. Limos orgnicos y arcillosos de baja plasticidad
Suelos arenosos finos, con mica o tierra de diatomeas, limos
elsticos. Arcillas inorgnicas de plasticidad alta, arcillas
gruesas. Arcillas orgnicas de plasticidad media o alta.
k (t/m ) 5000 a 9000 4000 a 8500 3500 a 6000 3000 a 5000 1500 a
5000 1500 a 4000 1500 a 3500
3
16.2: Tabla de mdulos de balasto en placa circular de 75 cm de
dimetro. Fuente: Calavera Ruiz, Jos: Clculo de estructuras de
cimentacin, INTEMAC, Madrid (1991).
En los modelos estructurales empleados en el clculo de prticos
enterrados cimentados mediante zapatas, se suele considerar que la
base de los hastiales se encuentra empotrada en su unin con la
zapata, dado que como ya se ha comentado con anterioridad, este
tipo de estructuras abiertas se construyen all donde la capacidad
portante del terreno subyacente es aceptable, lo que implica a su
vez una escasa deformabilidad del mismo; este extremo, unido al
hecho de que las zapatas de los prticos son en la mayora de los
casos rgidas (su vuelo mximo es inferior al dos veces su canto),
confiere al conjunto zapata-terreno subyacente una gran resistencia
a la deformacin, de ah que la consideracin de empotramiento del
hastial en la zapata sea aceptable a efectos de clculo.
Estratificacin.
En el caso frecuente de que el terreno sobre el que la
estructura ha de ser cimentada, est constituido por capas de
terrenos de diferentes caractersticas geotcnicas, habr de
analizarse la influencia de esta particularidad sobre los valores a
adoptar para los parmetros anteriormente descritos. As, algunos
autores (ver [16.5]) afirman que si el espesor de la capa
inmediatamente subyacente a la obra es superior al 70% de la mnima
dimensin en planta de sta, se habrn de adoptar en los clculos las
caractersticas geotcnicas correspondientes a la citada capa, sin
influencia alguna de los sustratos inferiores. En caso contrario,
se habr de realizar una ponderacin que tome en consideracin los
espesores de las diferentes capas y las caractersticas de cada
una.
Factores de apoyo en tubos de hormign armado.
En la resistencia de los tubos de hormign armado empleados en
redes de saneamiento, abastecimiento, riego, etc., tiene una
importancia vital la naturaleza de la base de apoyo sobre la que
habrn de sustentarse. As, la carga mxima que un tubo es susceptible
de soportar se calcula sobre la base de un ensayo normalizado
denominado ensayo de tres aristas, consistente en apoyar el tubo
(dispuesto en posicin horizontal) sobre dos de sus generatrices
inferiores, aplicando una carga creciente a lo largo de la
generatriz de clave. Pues bien, la carga mxima obtenida en este
ensayo habr de ser multiplicada por un coeficiente denominado
factor de apoyo, para poder determinar la carga mxima admisible
para el tubo en unas condiciones de instalacin dadas. Si la base
soporte del tubo, su tipo de instalacin y el relleno suprayacente
son de buena calidad, la carga mxima admisible puede llegar a
cuadriplicar la obtenida en el ensayo de tres aristas, tal y como
se explicar ms adelante. b) Terreno de relleno. Sistema terreno de
relleno-terreno de cimentacin. En el entorno que rodea a toda obra
enterrada, al terreno que la rodea lateral y superiormente se le
denomina terreno de relleno, por cuanto ocupa una zona que ha
debido ser previamente excavada o que se encontraba en superficie,
siendo rellenada con tierras tras la ejecucin de la estructura. Los
materiales empleados para la elaboracin del relleno adyacente a la
obra son, tal y como ya se ha mencionado, parte principal en el
comportamiento estructural de la misma, no solo por constituir a
menudo las solicitaciones principales del modelo sino por ser el
transmisor de todas las acciones exteriores transferidas al mismo.
Es as muy importante el peso especifico del terreno utilizado (),
cuya magnitud es de directa influencia, pero tambin otras
caractersticas del mismo como el ngulo de rozamiento interno (), el
coeficiente de Poisson () y el modulo de deformabilidad (E), son
esenciales en cuanto a la magnitud y distribucin de las cargas.
Pero el relleno no es independiente del terreno natural o tratado
de cimentacin de la estructura, sino que forma con ste un todo
cuyas caractersticas conjuntas influyen decisivamente en el
comportamiento global de la estructura frente a las solicitaciones
actuantes. Por ello es necesario evaluar, al menos de forma
simplificada, el comportamiento mecnico global del sistema
relleno-cimiento a fin de averiguar la importancia de las
modificaciones tenso-deformacionales provocados en el medio por la
implantacin de la estructura. A estos efectos, y de forma
cualitativa, se puede definir el cimiento en relacin con el terreno
de recubrimiento como rgido o flexible. Si la estructura enterrada
es rgida y se ubica en una zanja ancha o un terrapln (por ejemplo,
un marco de hormign armado), en el primer caso (cimiento rgido) el
terreno de recubrimiento se cuelga de la obra (ver figura 16.3)
aumentando las cargas totales sobre la misma. En efecto, al ser las
estructuras enterradas usuales de mayor rigidez que el terreno
circundante, la columna 16.3: Deformacin del terreno circundante a
una obra rgida de relleno situada sobre en caso de cimiento rgido.
la obra experimentar, una vez que asiente, un descenso inferior al
correspondiente a las columnas de terreno aledaas. Al colgarse el
relleno de la columna de tierras que hay sobre la obra, sta se
comprime algo ms quehe h
el terreno circundante. Se produce un movimiento relativo entre
ambos que alcanza hasta un plano a una altura he sobre la obra. A
dicha altura he se le llama altura de asientos equivalentes, y para
que exista es necesario que heh. Si la misma obra descansa sobre un
cimiento flexible, el efecto es el contrario, producindose un
aligeramiento de la carga vertical que gravita sobre la estructura,
tal y como se refleja en la siguiente figura. Una forma de
caracterizar la rigidez del sistema cimientorelleno, es mediante un
parmetro llamado razn de asiento, propuesto por Marston. Se define
la razn de asiento (ra) de un elemento enterrado como el cociente
entre el asiento diferencial de la clave del mismo respecto a un
punto adosado a su mismo 16.4: Deformacin del terreno circundante a
obra rgida nivel y el acortamiento en caso de cimiento flexible. de
la capa de terreno comprendida entre los niveles de clave del
elemento y del terreno natural:
ra =
(a1 + a4 ) (a3 + aE ) a1 + a4Donde:PLANO CRITICO CARGADO
PLANO CRITICO SIN CARGA
he
h
a 3 + aE a4 + a1
a1
a3
a1 = Asiento del terreno natural. a4 = Acortamiento de la capa
de relleno adosada al elemento. a3 = Asiento de la base del
elemento. = Deformacin aE vertical del elemento (ver 16.5). Cuando
el sistema es totalmente rgido, ra = 1, mientras que cuando es muy
flexible, ra < 0.
TERRENO NATURAL CARGADO
TERRENO NATURAL SIN CARGA
16.5: Parmetros para la determinacin de la razn de asiento.
16.2.2.
RIGIDEZ DE LA ESTRUCTURA.
El hecho de que la carga vertical transmitida por las tierras de
relleno suprayacentes a la obra enterrada supere o sea inferior a
la geosttica no es funcin nicamente de la rigidez del cimiento,
sino que depende a su vez de otros factores como la rigidez de la
propia estructura o del tipo de instalacin de sta. En el apartado
anterior se argument que una obra enterrada rgida descansando en un
cimiento tambin rgido sobre el que se ha dispuesto un relleno de
tierras de gran anchura (terrapln o zanja ancha), ser solicitada
por una carga debida a la tierra de relleno suprayacente que
superar el valor de la carga geosttica. Pues bien, si en lugar de
disponer una obra rgida se trata de una estructura flexible (como
por ejemplo una tubera de plstico o de acero de poco espesor), la
deformacin experimentada por sta (ovalizacin en direccin
horizontal) hasta alcanzar un equilibrio con las reacciones del
terreno, genera un abovedamiento o efecto arco, que puede llegar a
reducir las cargas del terreno casi al 70% del valor geosttico.B
1,4 A CURVA 1,0 C 0,6 D/E
A........................40 B......................100
C......................400
0,2 0 0,4
x (Kg/cm)0,8 1,2
A
B
C
La flexibilidad de una tubera enterrada modifica de modo muy
sustancial la distribucin de presiones horizontales y verticales a
los que la obra se ve sometida, de modo que dichas presiones son
tanto ms uniformes cuanto ms rgida es la estructura, tal y como se
puede apreciar en la figura 16.6, en la que se han representado las
curvas de distribucin de presiones horizontales y verticales para
tres tubos de diferente relacin dimetro/espesor (segn Prakash et
al.). En este tipo de tuberas, se ha de limitar la deformacin
radial mxima u ovalizacin (acortamiento del dimetro vertical, con
el consiguiente alargamiento del dimetro horizontal). Como norma
general, por razones funcionales, se suele adoptar una deformacin
mxima unitaria (razn entre el incremento del dimetro exterior y el
propio dimetro) en torno al 5%.
g (Kg/cm)
0,8 C B
y (Kg/cm)
1,2
A
1,6
2,0
16.6: Distribucin de tensiones verticales y horizontales en
tuberas enterradas de distinta flexibilidad.
Por todo lo anteriormente explicado, dado que las acciones
transmitidas a la estructura dependen muy directamente no solo de
su rigidez, sino tambin de la del terreno circundante, algunos
autores proponen clasificar los sistemas enterrados atendiendo a la
rigidez del conjunto terreno-estructura, tomando en consideracin la
geometra de la obra (dimensiones, inercia), las caractersticas de
los materiales con que se construye (mdulo de elasticidad), y las
propiedades del terreno en que quedar imbricada (mdulo
confinado).
16.2.3.
TIPO DE INSTALACIN.
El modo en que se altera la disposicin del terreno natural para
ejecutar la estructura enterrada es otro condicionante a tomar en
consideracin al abordar el proceso de diseo de sta. Las obras
enterradas de mayores dimensiones (como las estructuras de paso
ejecutadas en obras lineales), se ubican en el interior de
terraplenes o zanjas de gran anchura; sin embargo, las conducciones
enterradas pueden ser instaladas de diversas maneras, a saber: a)
Instalacin en terrapln o zanja ancha. Las tuberas as instaladas son
aquellas en las que la cota de la generatriz superior se encuentra
por encima de la rasante del terreno primitivo. Suelen ser
denominadas exentas o de proyeccin positiva, y por lo general
sobresalen del nivel superior del terreno natural (base del
terrapln) una distancia comprendida entre el 75% y el 85% de su
dimetro exterior. b) Instalacin en zanja. En este caso, la cota de
la generatriz superior de la conduccin se halla por debajo de la
rasante del terreno primitivo, habindose realizado una excavacin
que posteriormente ser rellenada (tubera de proyeccin negativa). Si
el sistema tuberaterreno de cimentacin es rgido (como ocurre en el
caso general de las conducciones de tubos de hormign armado), el
relleno de la zanja experimentar una vez dispuesto un asiento
relativo con relacin al terreno natural adyacente, desarrollndose
una fuerza tangencial en el contacto entre los dos materiales que
supone una descarga del tubo (efecto contrario al que sucede en la
instalacin en terrapln). Esta descarga de las conducciones rgidas
instaladas en zanja se suele cuantificar por medio del coeficiente
de Marston, que se analizar ms adelante. c) Instalacin en zanja
terraplenada. Una estructura enterrada se instala en una zanja
terraplenada cuando se excava una zanja a partir de la base de un
terrapln superior, o bien cuando se ha realizado una prezanja desde
cuya base se ha procedido a excavar la zanja (de menor anchura) en
la que se ubicar la obra. Los tres tipos de instalacin hasta ahora
descritos son los representados en la figura 16.7. d) Instalacin en
zanja inducida en terrapln. Como ya se ha explicado, la instalacin
de un sistema rgido en un terrapln provoca un incremento de la
carga vertical debida al peso de las tierras suprayacentes al
mismo, por la diferencia de asiento de stas con respecto al terreno
adyacente a la obra. Para tratar de hacer frente a este efecto
negativo para la estructura, se puede intentar reducir el citado
asiento diferencial, procediendo del siguiente modo:
Se instala la conduccin, en condiciones de proyeccin positiva
(generatriz de clave por encima del terreno natural). Se procede al
terraplenado, cubriendo la conduccin hasta una altura no inferior a
su dimetro exterior sobre el plano de clave. A ambos lados de la
conduccin, se compacta el relleno del terrapln hasta una distancia
no inferior a dos veces el dimetro exterior del tubo.
En el relleno as compactado se excava una zanja hasta el plano
de clave de la conduccin, cuya anchura ser la igual al dimetro
exterior de aqulla. Dicha zanja se rellena con material compresible
(paja, serrn, suelo orgnico, etc.) Se completa el relleno y
compactado del terrapln hasta su coronacin, en la forma
habitual.
De este modo, la conduccin puede ser considerada a efectos de
clculo como instalada en una zanja terraplenada.b b
TERRAPLEN
hr
hr h"r
BASE DEL TERRAPLEN
De
De
ZANJA
ZANJA TERRAPLENADA
hr
hr
De
BASE DEL TERRAPLEN
TERRAPLEN
16.7: Distintos tipos de instalacin de conducciones
enterradas.
16.2.4.
PRESENCIA DE AGUA.
En las estructuras enterradas que sirven de obras de paso o de
drenaje de infraestructuras lineales, se ha de disponer un sistema
de drenaje que impida que los empujes a resistir por la estructura
crezcan por la presencia de agua en el trasds de la obra (hastiales
de marcos y prticos). El sistema habitualmente empleado consiste en
impermeabilizar los paramentos exteriores con pintura bituminosa,
disponiendo en el trasds de los hastiales una malla de material
geotextil permeable en cuya base se
instala un tubo dren. La funcin desempeada por el material
geotextil puede tambin desarrollarla un relleno localizado de
terreno granular drenante. En los casos en los que se construye una
estructura enterrada sobre un curso de agua, es muy recomendable
extender el sistema de drenaje tambin a la solera, pues pueden
aparecer subpresiones que conviene evitar. 16.2.5. SOBRECARGAS
EXTERIORES.
Sobre una estructura enterrada pueden actuar numerosas
sobrecargas aplicadas en el terreno suprayacente a la misma, tales
como las debidas al trfico de automviles, al paso de trenes, a los
equipos de compactacin de tierras utilizados durante la construccin
o a la existencia de cimientos de otras estructuras en las
inmediaciones (zapatas de edificios o de estribos de puentes). La
incidencia que las citadas cargas tendrn sobre la obra depender en
gran medida de la cobertura de tierras que separe a sta de los
puntos de aplicacin de aqullas, por cuanto para espesores mayores
de tierra se produce una mayor dispersin de la carga aplicada en
superficie, con lo que la presin a soportar por la estructura
enterrada debido a dichas cargas ser inferior. Debido a lo
anterior, en determinadas estructuras enterradas se exige un
recubrimiento mnimo de terreno sobre su extremo superior, o aunque
la obra posea una profundidad suficiente una vez concluida su
instalacin, se proscribe la utilizacin en sus inmediaciones de
equipos pesados de compactacin durante la construccin de la misma,
hasta tanto el espesor de terreno de relleno alcance un determinado
valor. A ttulo de ejemplo, en el siguiente grfico se representa el
recubrimiento mnimo de tierras exigible a tuberas flexibles de
distintos radios que se instalan sobre un cimiento flexible, en
funcin de la magnitud de la sobrecarga excntrica a la que vayan a
ser sometidas.
HIPOTESIS: q = Sobrecarga de maquinaria Peso especifico del
terreno 1,76 T/m Angulo de rozamiento = 35 Cohesin nula (c = 0) E =
0 3mR= . 4,5m 3m.
Pn
recubrimiento mnimo h mn (m)
h mn
2m
R
R=
1m
R = 1,5
m.
0 1B
2
3
4
5
6
7
8
9
Sobrecarga excentrica de maquinaria (t/m)
16.8: Recubrimiento mnimo de tierras sobre tuberas flexibles en
funcin de la sobrecarga excntrica que las solicite, segn
Watkins.
El incremento de carga que experimenta el elemento enterrado a
consecuencia de la actuacin de una carga mvil habr de ser
eventualmente afectado de un coeficiente de mayoracin denominado
coeficiente de impacto, cuyo objeto es tener en cuenta la
naturaleza dinmica de este tipo de carga, que produce
sobrepresiones superiores a las correspondientes a la aplicacin de
una carga esttica. Los valores a adoptar para dicho coeficiente
dependen de la naturaleza de la obra, del tipo de relleno, del tipo
de carga aplicada y del espesor de la capa de terreno, de forma que
este efecto se va atenuando a medida que aumenta el espesor de
tierras, llegando a anularse (coeficiente de impacto = 1) a una
determinada profundidad. 16.2.6. ACCIN SSMICA.
No es objeto del presente texto realizar un exhaustivo anlisis
del comportamiento de las estructuras enterradas frente a la accin
ssmica (para un amplio estudio, ver [16.6]), sino exponer una serie
de consideraciones cualitativas al respecto, con las que realizar
una primera aproximacin al problema. Las estructuras enterradas se
comportan frente a la accin ssmica de un modo distinto a las
estructuras en superficie, siendo esta divergencia tanto ms acusada
cuanto mayor es la profundidad a la que se encuentre la obra. De
este modo, mientras el clculo ssmico de estructuras en superficie
se basa en las fuerzas inerciales transmitidas por las
aceleraciones del terreno, la solicitacin transmitida a las obras
enterradas por un sismo se caracteriza por la imposicin de
deformaciones por parte del terreno circundante. Las
investigaciones que se han desarrollado en este terreno, as como la
observacin y anlisis de los efectos que sobre las estructuras
subterrneas han ocasionado diversos sismos de importancia, permiten
extraer las siguientes conclusiones: a) Las estructuras enterradas
sufren daos apreciablemente inferiores a los detectados en
estructuras en superficie. b) Los daos sufridos por estructuras
rgidas enterradas son menores cuanto mayor es el espesor de tierras
suprayacente. Los desplazamientos experimentados por el terreno en
profundidad disminuyen al aumentar sta, de modo que para
profundidades de unos 30 m, son inferiores en un 30% a los medidos
en superficie (Power el al., 1996). c) En muchas ocasiones, los
daos experimentados por estructuras enterradas se han debido a
fallos del terreno, tales como inestabilidades de laderas,
licuefaccin de suelos o desplazamientos en zonas de falla. El
comportamiento de estas obras durante un sismo se halla enormemente
condicionado por las caractersticas del terreno circundante. Las
deformaciones a las que puede ser sometida una estructura lineal
enterrada debido a los movimientos ssmicos son de tres tipos:
compresiones y tracciones axiales (provocadas por los componentes
de las ondas ssmicas que generan movimientos paralelos al eje
longitudinal de la obra), flexiones longitudinales (debidas a ondas
perpendiculares a las anteriores) y distorsiones de la seccin
transversal (deformaciones ovalizantes en el caso de secciones
circulares), debidas a ondas de cizalla que se transmiten
perpendicularmente al eje longitudinal de la obra,
especialmente en direccin vertical. Los dos primeros tipos de
deformaciones solicitan a la estructura longitudinalmente, y su
importancia se reduce al acortarse la longitud continua de
estructura expuesta (bien porque la obra sea de poca extensin, bien
porque se disponen juntas que independizan el comportamiento en
esta direccin de varios segmentos de la misma). El tercer tipo de
deformacin solicita a la seccin transversal de la obra. La
normativa especfica al respecto est an en desarrollo. En el caso de
tuberas, el Eurocdigo 8 (Disposiciones para el proyecto de
estructuras sismorresistentes) en su parte 4 (silos, depsitos y
tuberas), propone un mtodo esttico simplificado para la evaluacin
de la accin ssmica en este tipo de estructuras, haciendo hincapi en
la necesidad de prevenir los posibles fallos del terreno ya
mencionados. Este texto indica a su vez que el efecto de los
desplazamientos impuestos por el sismo se minimiza en tuberas poco
profundas o instaladas en zanjas con rellenos flexibles. En todo
caso, y en ello tanto el Eurocdigo como la norma espaola NCSE-02
coinciden, habr de analizarse en primer lugar la importancia de la
estructura, sobre la base de los daos materiales y humanos que su
posible destruccin ocasionara y de si se interrumpira un servicio
necesario. En este sentido, las obras de drenaje u obras de paso
dispuestas en infraestructuras lineales, as como las conducciones
secundarias pueden ser en general consideradas como de importancia
moderada en virtud de lo dispuesto en la norma NCSE-02, y para su
diseo no habr de ser tomado en consideracin el sismo. En caso de
que la importancia de la obra sea tal que la normativa exija su
comprobacin a sismo, hay que tener en cuenta que esta situacin es
accidental, de tal modo que empleando el mtodo de los estados
lmite, en la hiptesis de combinacin de acciones correspondiente,
tan slo se habrn de tomar en consideracin (adems de la accin
ssmica) las acciones permanentes y un cierto porcentaje de las
variables concomitantes (sobrecarga de uso), ambas sin mayorar; por
otro lado, la evaluacin de la respuesta estructural (resistencia
ltima) del elemento solicitado en esta situacin, tomar para los
materiales un coeficiente de minoracin de resistencia inferior al
empleado en situaciones de clculo persistentes o transitorias. Por
todo ello, sobre la base de la experiencia, y dado que las
aceleraciones ssmicas que se pueden presentar en Espaa son
limitadas, se puede afirmar que para el proyecto de la gran mayora
de las estructuras enterradas, la situacin accidental de sismo, en
los casos en que ha de ser considerada, es menos desfavorable que
las situaciones de clculo persistentes o transitorias.
16.2.7.
OTROS PARMETROS A CONSIDERAR.
Los condicionantes de diseo hasta ahora descritos afectan, en
mayor o menor medida, a las diversas tipologas de estructuras
enterradas detalladas en el primer apartado del presente tema. No
obstante lo anterior, la diferente naturaleza de los diversos tipos
de obras existentes (en lo que respecta a su finalidad, materiales
constituyentes, modo de ejecucin, etc.) provoca que existan
parmetros de diseo que se han de considerar tan solo en
determinados casos o para determinadas tipologas, como los a
continuacin descritos.
a) Ambientes agresivos. Las sustancias qumicas que puedan
hallarse, de forma permanente o eventual, formando parte del
terreno en contacto con el elemento enterrado, o bien puedan ser
transportadas por fluidos que discurran por entre o en las
proximidades del mismo, han de ser tomadas en consideracin a la
hora de determinar las condiciones a satisfacer por el material o
materiales a emplear en la construccin de la estructura. As por
ejemplo, las obras construidas con hormign armado son susceptibles
de ser daadas por sustancias como los cidos (que al reaccionar con
una sustancia alcalina como el hormign, producen prdidas de
material), los sulfatos (que reaccionan con ciertos componentes del
hormign, generando efectos expansivos y agrietamientos) o los
cloruros (que corroen la armadura de acero). A fin de preservar las
cualidades del material frente a los citados ataques, se habr de
recurrir a utilizar cementos especiales (sulforresistentes), cuidar
la dosificacin del hormign (estableciendo un mnimo contenido de
cemento y una mxima relacin agua/cemento), proporcionar un
recubrimiento mnimo adecuado a las armaduras de acero y limitar la
fisuracin de los elementos en servicio. b) Esfuerzos en
conducciones de redes a presin. En las conducciones de fluidos en
los que stos no circulan en rgimen de lmina libre, es preciso
analizar los esfuerzos que se generan debido a la presin del fluido
que acta sobre la pared interior de la tubera (accin que es la ms
desfavorable para el dimensionamiento de conducciones de dimetro
medio o pequeo). Dicha presin se traduce en una traccin de la
conduccin a lo largo de la directriz de su seccin transversal,
generando a su vez acciones en las zonas de cambio de direccin del
fluido. Tambin hay que analizar la posibilidad de que se produzcan
depresiones en el interior de la conduccin, que generaran
compresiones circunferenciales para las que se podra producir
pandeo y colapso por aplastamiento (en tuberas flexibles). c)
Flexin longitudinal de estructuras enterradas. Hasta ahora se ha
descrito el comportamiento de la seccin transversal de las
estructuras enterradas frente a las acciones que la solicitan, ya
que es ste el que ha de condicionar el diseo estructural de las
obras. No obstante, dado que este tipo de elementos se caracterizan
por su linealidad (al ser su dimensin longitudinal muy superior en
la mayora de los casos a las dimensiones de su seccin transversal),
hay que tener en cuenta que se pueden producir flexiones
longitudinales, y analizar la importancia de las mismas. Este
fenmeno podra tener importancia, por ejemplo, en largas obras de
paso o de drenaje de reducida seccin transversal emplazadas bajo
terraplenes de autovas y sobre cimiento compresible, debido a que
la zona central de dichas estructuras (emplazada bajo una altura
mayor de tierras) est sometida a cargas verticales muy superiores a
las que han de soportar los extremos. Para controlar la magnitud de
las flexiones, se recurre a disponer juntas que dividan la obra
longitudinalmente en varios segmentos, cuyo comportamiento
longitudinal es independiente.
16.3. CLCULO PRCTICO DE LOS DISTINTOS TIPOS DE ESTRUCTURAS
ENTERRADAS. Una vez han sido sucintamente expuestos los
condicionantes a considerar en el diseo y clculo de las estructuras
enterradas, se procede a continuacin a describir el procedimiento
prctico a seguir para el dimensionamiento de tales obras,
detallando la modelizacin estructural a efectos de clculo, la
normativa aplicable y las acciones a tomar en cuenta en cada caso.
16.3.1. CLCULO DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS RGIDAS DE GRANDES
DIMENSIONES. Son objeto de este apartado obras tales como falsos
tneles, prticos, arcos, marcos y bvedas que pueden constituir las
obras de paso o grandes obras de drenaje de las obras lineales de
infraestructura, esto es, todas aquellas estructuras que no
pertenecen al grupo de las conducciones. a) Normativa tcnica de
aplicacin. Dado que la prctica totalidad de las estructuras
enterradas pertenecientes a este grupo son construidas con hormign
armado (ejecutado in situ o prefabricado), el texto normativo ms
importante a considerar es la Instruccin de Hormign Estructural
EHE. Dependiendo del tipo de obra lineal a la que pertenezca la
estructura, habr que recurrir a la Instruccin sobre las acciones a
considerar en el proyecto de puentes de carretera IAP, o a la IAPF
si se trata de una obra ferroviaria. b) Modelizacin estructural de
la obra. Como ya se ha explicado con anterioridad, el modelo de
clculo a tomar en consideracin para el dimensionamiento de la
estructura habr de reproducir el comportamiento de una o varias
secciones transversales de la misma, debiendo representar
adecuadamente el tipo de cimentacin empleado. A estos efectos, en
marcos, bvedas, arcos y prticos, la representacin de una seccin
transversal de longitud unitaria mediante un modelo de barras es
adecuada en la mayora de los casos. Slo en estructuras sometidas a
cargas especiales, o con particularidades en el terreno
circundante, o cuando se 16.9: Modelo de clculo de un marco de
8x6m, con desee analizar en detalle los momentos flectores de diseo
en E. L. U. efectos de una determinada carga, habr que recurrir a
modelizaciones y procedimientos de anlisis ms complejos, como los
basados en la teora de los elementos finitos.
Tal y como se ha explicado, en prticos y arcos se acepta la
consideracin de empotramiento en el contacto hastial-zapata y en
los arranques del arco, respectivamente. En el caso de marcos y
bvedas cerradas, se reproduce la interaccin cimiento-solera por
medio de una serie de resortes cuya rigidez se determina a partir
del mdulo de balasto del terreno. Los nudos de contacto entre las
barras son considerados rgidos en las estructuras ejecutadas in
situ, pudiendo existir nudos articulados en determinadas
estructuras prefabricadas en las que, para facilitar su transporte
y puesta en obra, la seccin transversal se divide en partes que
luego son superpuestas en obra.
16.10: Malla de elementos finitos para clculo de una bveda
cerrada enterrada de 8x5m.
c) Acciones a considerar, naturaleza de las mismas e hiptesis de
combinacin. El esquema de cargas a las que se ve sometida una
estructura enterrada de las pertenecientes a este grupo es el
representado en la figura 16.11. La accin predominante, la que ms
condiciona el dimensionamiento de este tipo de estructuras, es el
peso de las tierras que gravita sobre las mismas. Como se ha
explicado en el anterior apartado, las cargas a introducir en el
modelo estructural de clculo se corresponden con una rebanada de
estructura de un metro de longitud, en direccin perpendicular a la
seccin transversal. Carga sobre el techo o dintel: La resultante de
las cargas verticales exteriores actuantes por unidad de longitud
sobre el dintel se puede estimar mediante la expresin: P = W1 + ( p
* + q * + r ) B 1
Donde: P1= Carga total sobre el plano del techo. W1= Peso de las
tierras sobre la vertical del techo: rectngulo B x D. p*= Presin
media sobre el techo debida a la presin p, ejercida sobre la
superficie del terreno. q*= Presin media sobre el techo de la
estructura debida a la carga puntual Q ejercida sobre la superficie
del terreno. r = Presin sobre el techo debida al rozamiento
negativo (mayoracin de la carga geosttica). B = Anchura del techo
de clculo de la obra de fbrica enterrada.
Q
p
W1
P1
TRASDOS (cua de transicin)
T
T
D
T1
T1
Z
E
E
Rv
B
16.11: Esquema de acciones en una obra rgida enterrada.
El peso de las tierras sobre la vertical del techo es conocido
tambin como carga geosttica y se puede estimar mediante la
expresin:
W1 = ap B DDonde: ap = Peso especfico aparente medio del relleno
de tierras entre la superficie y la profundidad D. B = anchura del
techo de clculo de la obra de fbrica enterrada. D = Profundidad
techo de clculo de la obra de fbrica enterrada.
H
Las cargas sobre la superficie del terreno, ya sean presiones
debidas a cargas uniformes (p) o a cargas puntuales (Q), producen
sobre el plano del techo una fuerza que puede calcularse en general
mediante la teora de la elasticidad suponiendo que el terreno es
homogneo istropo y elstico e ignorando la perturbacin tensional que
induce la presencia de la estructura enterrada. Existen criterios
prcticos que proporcionan la carga distribuida correspondiente a
determinados vehculos en funcin del espesor de la capa de tierras
suprayacente; as, para el carro de 60t definido en la Instruccin
IAP, Jimnez Salas (ver [16.1]) propone las sobrecargas equivalentes
recogidas en el cuadro 16.12. En pasos inferiores, para espesores
de tierras sobre el techo menores de unos 0.8 m en el caso de
carreteras y de unos 1.5 m en el caso de vas frreas, habr de
considerarse la actuacin directa de las cargas concentradas debidas
a vehculos pesados. COBERTURA D (m) SOBRECARGA EQUIVALENTE (t/m2)
0.80 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 3.30 3.00 2.30 1.90
1.60 1.40 1.20 1.10 1.00
16.12: Sobrecarga equivalente al vehculo de 60 t del tren de
cargas de la instruccin IAP.
En una primera aproximacin, se pueden suponer los siguientes
valores para representar el efecto de las sobrecargas que pueden
asimilarse a presiones aplicadas sobre una cierta anchura de la
calzada:
p* = p Donde:
A A+ D
p*= Presin media sobre el techo debida a la presin p, ejercida
sobre la superficie del terreno. p = Presin sobre la superficie. A
= Ancho de la zona cargada en sentido perpendicular a la seccin
plana en estudio. D = Profundidad del plano del techo desde la
superficie. En el caso habitual en los pasos inferiores y obras de
drenaje transversal de carreteras, en los que la sobrecarga
uniforme de 0.4 t/m2 se aplica en toda la anchura de la calzada, se
suele adoptar p* = p. Del mismo modo, al menos en primera
aproximacin, el efecto sobre el techo debido a una carga vertical
concentrada en superficie puede estimarse mediante la expresin
siguiente, vlida por obras suficientemente profundas (D>B).
q* =Donde:
2Q D2
Para D > B
q*= Presin media sobre el techo de la estructura debida a la
carga puntual Q, actuante sobre la superficie del terreno. Q =
Carga puntual sobre la superficie del terreno. D = Profundidad del
plano del techo desde la superficie.
El fenmeno descrito en el apartado 16.2.1. b), segn el cual la
carga vertical a resistir por el dintel de la estructura debido a
la capa de tierras que gravita sobre el mismo, es superior a la
debida al peso geosttico (fenmeno de rozamiento negativo en las
caras verticales, representado por las fuerzas T1 en la figura
16.11), puede ser cuantificado segn diversas teoras. El primero en
describir este fenmeno fue Marston, en su anlisis de las
conducciones enterradas. Basndose en su teora, la norma DIN 1072
propone para galeras enterradas multiplicar la carga geosttica por
un coeficiente de mayoracin dependiente de la relacin entre la
altura de tierras sobre el dintel y las dimensiones de la
estructura (r0 = D/B), cuyos valores se muestran en el grfico
16.13. Con ello, la sobrecarga uniforme adicional (r) a aplicar
sobre el dintel ser:
r = ( 1) Donde:
W1 = ( 1) ap D B
r = Presin media sobre el techo de la estructura debida a la
mayoracin de la carga geosttica por rozamiento negativo. =
Coeficiente de mayoracin de las cargas geostticas segn la norma DIN
1072. W1= Peso de las tierras sobre la vertical del techo:
rectngulo B x D (carga geosttica). B = anchura del dintel de clculo
de la obra de fbrica enterrada. ap = Peso especfico aparente medio
del relleno de tierras entre la superficie y la profundidad D. D =
Profundidad del plano del techo desde la superficie.
1.8 1.6
1.41.2 1 0.8 0 1 2 r0 3 4 5
16.13: Coeficiente de mayoracin de cargas geostticas segn DIN
1072.
Por su parte, la Gua de cimentaciones en obras de carretera
publicada por la Direccin General de Carreteras del Ministerio de
Fomento en el ao 2002, propone la siguiente formulacin para la
determinacin de la compresin media adicional en el dintel de las
estructuras de paso inferior debido al rozamiento negativo:
H r = ap D + 2
D 1 0,3 ap B f
2
Siendo:
f = 1+
D Et (factor adimensional) H Er
Er = Mdulo de deformacin del relleno sobre el techo (rectngulo B
x D). Et = Mdulo de deformacin del relleno de trasds (cua de
transicin). La deduccin terica de la anterior frmula se basa en la
compatibilidad de las deformaciones del terreno. As, el rozamiento
negativo produce un aumento de presin vertical que comprime la
columna de suelo situado sobre el techo y provoca un asiento
adicional en superficie ( s1 ) que puede estimarse mediante la
expresin:
1 r s1 = D 2 ErLa frmula anterior supone un crecimiento lineal
de la compresin inducida por el rozamiento negativo con la
profundidad. Las columnas de suelo adyacentes a esta central
experimentan una descarga semejante. De forma similar, el aumento
de asiento provocado por la compresin del relleno que se coloc en
el trasds de la obra de fbrica (vase figura 16.11) puede estimarse
mediante una expresin similar a la exterior:H s2 = ap D + 2 H H r
Et Et
Un valor aproximado de r, puede obtenerse haciendo compatible
ambos asientos para obtener la frmula antes propuesta para este
parmetro. La limitacin especificada procede de la estimacin del
valor del rozamiento negativo mximo, que se puede tomar como:
1 T1 < ap D 2 K o tg 2Donde: Ko = coeficiente de empuje al
reposo. = desviacin respecto a la normal a los mismos, del empuje
en los planos verticales. Tomando como valor aproximado del
producto K o tg = 0,3 se obtiene el valor mximo de r indicado en el
texto:
rmax =
2 T1 D2 = 0,3 ap B B
La cuantificacin de la sobrecarga debida al fenmeno de
rozamiento negativo posee una gran incidencia sobre el
dimensionamiento de este tipo de estructuras, ya que tal y como ya
se ha argumentado, la carga debida al peso de las tierras es en no
pocas ocasiones la ms desfavorable de cuantas solicitan a stas.
Para llevar a cabo una comparacin entre los dos mtodos expuestos
para la determinacin del fenmeno de rozamiento negativo antes
descritos (segn la norma DIN 1072 o segn la Gua de cimentaciones en
obras de carretera), se puede hallar el coeficiente de mayoracin de
cargas geostticas (factor por el que hay que multiplicar la presin
sobre el dintel debido al peso del terreno para hallar la presin
total a considerar) segn uno u otro procedimiento:
=
r + W1 / B W1 / B
De la comparacin antes mencionada, se extrae la conclusin de que
ambos mtodos arrojan similares resultados hasta un cierto valor de
la altura de tierras sobre el dintel (D en la figura 16.11), que es
la altura para la que el valor de r hallado segn la Gua de
cimentaciones en obras de carretera se corresponde con rmax. A
partir de ese momento, decrece el valor del coeficiente de
mayoracin determinado conforme a la Gua, mientras que el
correspondiente a la norma DIN 1072 es siempre creciente con la
altura de tierras (tal y como se muestra en los grficos que se
acompaan).
C O EF I C I EN T ES D E M A Y O R A C I N D E C A R G A G EOST
T IC A
1 .900
1 .800
1 .700
1 .600
1 .500
DIN 1072 GUA CIMENTACIONES
1 .400
1 .300
1 .200
1 .1 00
1 .000 0.00 5.00 1 0.00 1 5.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
A lt ur a d e t ier r as ( D , en m)
16.14: Coeficientes de mayoracin de cargas geostticas () para un
marco de dimensiones exteriores 4x4 m (BxH), en un terreno de ap =
2 t/m3 y con Et/Er =1.
De todo lo anterior se puede concluir, sobre la base de la
experiencia, que para espesores de tierras no muy grandes, las dos
formulaciones son vlidas, siendo excesivamente conservador el
coeficiente de mayoracin determinado conforme a la norma DIN 1072
para estructuras enterradas bajo un considerable espesor de
tierras, habida cuenta que en estos casos el asiento diferencial
que es origen del rozamiento
C O EF IC IEN T ES D E M A Y OR A C I N D E C A R GA G EOST T IC
A
1 .800
1 .700
1 .600
1 .500
DIN 10721 .400
GUA CIMENTACIONES
1 .300
1 .200
1 .1 00
1 .000 0.00 5.00 1 0.00 1 5.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
A l t ur a d e t i er r as ( D , en m)
16.15: Coeficientes de mayoracin de cargas geostticas () para un
marco de dimensiones exteriores 8x6 m (BxH), en un terreno de ap =
2 t/m3 y con Et/Er =1.
negativo no se extender a la totalidad de la capa de terreno
sobre el dintel, sino que comenzar a desarrollarse a partir de una
determinada profundidad. Adems de las cargas exteriores descritas,
para el clculo de esfuerzos hay que tener en cuenta tambin la
actuacin del peso propio de la estructura, que solicita a flexin el
dintel del mismo modo que aqullas. En el modelo de clculo empleado,
todas estas cargas verticales sern introducidas como cargas
uniformemente repartidas sobre el dintel (siendo por tanto sus
unidades t/m). Carga sobre los hastiales. Las cargas verticales
transmitidas por el terreno originan sobre la estructura unas
presiones horizontales cuyos valores a un determinado nivel, se
obtienen como producto de las presiones verticales en el terreno
situado a dicho nivel y de un coeficiente de empuje Kh. El valor
Kh, depender en cado caso de las condiciones de deformabilidad de
la estructura; en el caso de estructuras rgidas como las descritas
en este apartado, se adopta Kh = K0 (coeficiente de empuje al
reposo).
z
K oap(D+z)
16.16: Ley de presiones horizontales sobre los hastiales de una
estructura enterrada debido al peso de las tierras adyacentes.
D
La determinacin de este parmetro es compleja, si bien en la
prctica, para suelos granulares y arcillosos normalmente
consolidados, puede tomarse como:
K 0 = 1 senSiendo el ngulo de de rozamiento interno del terreno.
Segn se dispone en las instrucciones sobre acciones (Art.
3.2.2.3.1. de la IAP), en ningn caso en que su actuacin sea
desfavorable para el efecto estudiado, el valor del empuje de las
tierras ser inferior al equivalente empuje hidrosttico de un fluido
de peso especfico igual a 5 kN/m3, lo que equivale a exigir que
apKo 0.5 t/m3. J. Jos Arenas propone adoptar (ver [16.9]), sobre la
base de medidas reales de densidades y ngulos de rozamiento de
rellenos empleados en diversas obras, un valor de apKo = 0.75 t/m3
para determinar el empuje sobre el trasds de estribos de puente,
valor extrapolable a las estructuras enterradas objeto del presente
texto. La resultante del empuje horizontal en cada uno de los
hastiales se halla segn la siguiente frmula:
E = ap ( D + z ) + p * + q *K o dz 0
H
Lo que se corresponde, para el caso usual de trasds homogneo,
con la resultante de una ley de presiones trapecial obtenida como
suma de la ley trapecial debida al peso de las tierras adyacentes
(representada en la figura 16.16) y las leyes de presiones
uniformes debidas a las sobrecargas superficiales: (p*+ q*)K0.
Cargas interiores. Se refiere este apartado a las cargas derivadas
del trfico interior de la estructura en los casos de obras de paso
y a las transmitidas por el agua que transita por entre la seccin
transversal de las obras de drenaje. Estas acciones slo actan sobre
las estructuras enterradas cerradas inferiormente (marcos y
bvedas), y son de naturaleza variable. Las acciones de naturaleza
hidrulica as como la mayor parte de las originadas por el trfico
interior, no originan esfuerzos de consideracin en las estructuras
cerradas, por cuanto se transmiten prcticamente de modo directo al
terreno de cimentacin, representado en los modelos estructurales
por medio de resortes, con lo que tan slo provocan un incremento de
la presin sobre dicha cimentacin. An en el caso de que se generen
algunos esfuerzos en la solera a causa de estas cargas (en
cimientos muy blandos), stos seran opuestos y de menor entidad que
los generados por las cargas de tierras, con lo que no seran
considerados en las hiptesis de combinacin de acciones ms
desfavorables para la estructura. Naturaleza de las acciones.
Hiptesis de combinacin. A los efectos de determinar los valores de
clculo de las acciones a introducir dentro de las hiptesis de
combinacin empleadas en la comprobacin de los diversos estados
lmite ltimos, es preciso atender a la clasificacin de las mismas
por su variacin en el tiempo. En este sentido, las cargas debidas
al peso propio de la
estructura y al peso y empuje del terreno circundante son
consideradas como permanentes (siendo las dos ltimas de valor no
constante segn la instruccin IAP), mientras que las cargas
derivadas de las sobrecargas en superficie y en el interior de la
obra son de naturaleza variable. En un marco o en un prtico, los
esfuerzos generados por la actuacin de las cargas verticales sobre
el dintel (flexin positiva en el centro de luz del dintel y flexin
hacia el exterior de los hastiales) son contrarios a los debidos a
la actuacin de los empujes horizontales sobre el trasds de los
hastiales. Por ello, es posible que para el dimensionamiento de los
distintos elementos de los que se compone la obra, sea ms
desfavorable la utilizacin de coeficientes parciales de seguridad
diferentes para cada una de estas acciones, an cuando ambas sean de
naturaleza permanente de valor no constante. Esta circunstancia se
corresponde con la realidad en mltiples casos constatados mediante
los ensayos oportunos. Es posible por ejemplo que la formacin de
bvedas de descarga sobre el dintel de la estructura sea acompaada
de la actuacin de empujes laterales superiores a los previstos
precisamente por accin de dichas bvedas o, que los empujes
laterales acten por debajo de las magnitudes planteadas merced a la
indeterminacin comn en este tipo de accin a causa de su origen.
Esto requiere evidentemente la posibilidad de tratamiento separado
de ambas influencias del relleno. Con ello, las hiptesis de
combinacin de acciones a tomar en consideracin para el
dimensionamiento de marcos y prticos enterrados en estado lmite
ltimo sern en general las tres siguientes (conforme a la instruccin
IAP): a) 1.5*(Peso tierras + roz. negativo) + 1.35*(Peso propio
estructura) + 1*(Empuje de tierras en hastiales) + 1.5*(Peso y
empuje de sobrecarga de uso). Con esta hiptesis, se halla el mximo
momento flector positivo en el centro de luz del dintel y negativo
en mismo sitio de la solera. 1*(Peso tierras + roz. negativo) +
1*(Peso propio estructura) + 1.5*(Empuje de tierras en hastiales).
Con esta hiptesis, se halla el mximo momento flector positivo en el
centro de luz de los hastiales. 1.5*(Peso tierras + roz. negativo)
+ 1.35*(Peso propio estructura) + 1.5*(Empuje de tierras en
hastiales) + 1.5*(Peso y empuje de sobrecarga de uso). Con esta
hiptesis, se hallan los mximos momentos flectores en los encuentros
dintel-hastiales y solera-hastiales (esquinas del marco).
b)
c)
Adems de la comprobacin de los citados estados lmite ltimos,
habr de prestarse mucha atencin al estado lmite de servicio de
fisuracin (Art. 49 de la Instruccin EHE), por cuanto como ya se ha
comentado, en este tipo de estructuras las cargas ms desfavorables
son las de naturaleza permanente, mientras que la importancia de
las solicitaciones derivadas de cargas variables es menor. Por
ello, las combinaciones de acciones para E. L. S. (en las que se
emplea el valor caracterstico de las acciones permanentes),
originan esfuerzos nada despreciables, pudiendo en muchos casos ser
ms desfavorables para el dimensionamiento de la estructura que las
correspondientes a E. L. U.
Estados transitorios de carga durante la construccin. En
determinadas ocasiones, es preciso tomar en consideracin estados de
carga distintos del correspondiente al estado final de la obra,
como los debidos a las diferentes etapas en las que puede ser
dividido el proceso constructivo de la estructura, durante el que
se emplearn medios de compactacin del terreno de relleno que
originarn cargas sobre la misma. Las solicitaciones que se originan
en la estructura a consecuencia de la actuacin de los citados
compactadores dependern de los mismos factores que ya se han
indicado para las sobrecargas y cargas puntuales en superficie
(espesor de la capa de relleno y magnitud de las cargas del
compactador). 16.3.2. CLCULO MECNICO DE CONDUCCIONES RGIDAS.
Son objeto del presente apartado las tuberas de hormign que
materializan los caos y obras de drenaje transversal de pequeas
dimensiones incluidas en obras lineales de infraestructuras, as
como las tuberas rgidas empleadas en redes de abastecimiento,
saneamiento y drenaje. El clculo mecnico de una conduccin rgida
consiste en la determinacin de las caractersticas mecnicas
exigibles a la obra en funcin de las cargas sobre ella actuantes y
de las condiciones de ejecucin. Las condiciones a verificar en el
clculo mecnico se recogen en la normativa tcnica aplicable a cada
uno de los tipos de obras mencionados, si bien se basan en los
mismos principios. En este tipo de obras, la carga vertical real a
soportar debido al terreno de relleno que gravita sobre la
estructura podr ser mayor o menor que la geosttica, dependiendo del
tipo de instalacin que posea. As, si se instala la obra en zanja
(siempre que se cumplan determinadas condiciones), la carga
geosttica ser reducida gracias al asiento diferencial del material
del relleno, al que se opone el rozamiento con el terreno de las
paredes de la zanja. En caso de instalacin en terrapln, el fenmeno
es opuesto, tal y como ya se ha explicado en el anterior apartado.
Los coeficientes por los que se ha de multiplicar la carga
geosttica para tener en cuenta la modificacin de su valor en funcin
del tipo de instalacin reciben el nombre de coeficientes de
Marston. Como muestra del procedimiento a seguir para el clculo
mecnico de este tipo de obras, se describe a continuacin el
correspondiente a tubos prefabricados de hormign en masa, hormign
armado y hormign con fibra de acero, para conducciones sin presin
(definido en la norma UNE 127 010 EX). El empleo de este tipo de
conducciones es generalizado hoy da, debido a la industrializacin
de su produccin, su economa y a las cualidades del material con que
se fabrican. La base del procedimiento de comprobacin es muy
similar para el resto de las estructuras recogidas dentro de este
grupo, siendo no obstante preciso recurrir a la normativa especfica
de cada uno. a) Procedimiento a seguir en el clculo mecnico de
tubos prefabricados de hormign en masa, hormign armado y hormign
con fibra de acero, para conducciones sin presin. La metodologa a
seguir es sencilla, y se describe de forma clara en la norma UNE
127 010 EX. Este tipo de tubos se clasifican en clases resistentes,
en funcin de la carga mxima que son capaces de resistir en
determinados ensayos normalizados. Pues bien, para determinar la
clase resistente exigible al tubo, habr de hallarse la siguiente
carga de clculo:
qd =Siendo:
qtotal seg Fap Di
qd = carga de clculo (kN/m2). qtotal = suma de la carga de
relleno, cargas mviles y cualquier otra carga actuante sobre la
conduccin (kN/m). seg = coeficiente parcial de seguridad para
mayoracin de acciones (igual a 1.5 en rotura y a 1 en fisuracin).
Fap = factor de apoyo correspondiente al tipo de instalacin de la
conduccin. Di = Dimetro interior del tubo (m).TUBO DE HORMIGN
ARMADO VALORES DE qd (kN/m2) 60 60 < qd 90 90 < qd 135 135
< qd 180 TUBO DE HORMIGN EN MASA CLASE N CLASE N CLASE R O CON
FIBRAS DE ACERO CLASE 60 CLASE 90 CLASE 135 CLASE 180
16.17: Clase resistente para los tubos, en funcin de la carga de
clculo.
b) Determinacin de la carga total sobre el tubo (qtotal).
Carga producida por el relleno.
Los rellenos se clasifican en 5 tipos diferentes, recogidos en
la siguiente tabla.TIPO 1 2 3 4 5 CLASE DE RELLENO ARCILLA PLSTICA
ARCILLA ORDINARIA ARENA ARCILLOSA ARENAS Y GRAVAS ZAHORRAS r
(kN/m3) 0.110 21.00 0.130 19.20 0.150 19.20 0.165 17.60 0.192
19.00
16.18: Clases de relleno.
Siendo: = coeficiente de Rankine = tg2(45-0.5*) = ngulo de de
rozamiento interno del terreno. = tg = coeficiente de rozamiento
del relleno contra los paramentos de la zanja. La carga producida
por el relleno se obtendr de la siguiente expresin:
qr = C r hr bDonde: qr = carga producida por el terreno (kN/m).
C = coeficiente de Marston.
r = peso especfico del relleno (kN/m3). hr = altura del relleno
sobre el plano de clave (m). b = anchura de la zanja en el plano de
clave (para instalacin en zanja o zanja terraplenada), o dimetro
exterior del tubo (para instalacin en terrapln), en m. Las frmulas
para determinar el coeficiente de Marston son diferentes para cada
uno de los tipos de instalacin, y depende del tipo de relleno, de
su espesor, de la geometra de la zanja o el terrapln y de las
dimensiones del tubo. En [16.4] se pueden hallar los valores
tabulados de cargas de relleno a considerar para los distintos
tipos de instalacin.
Cargas producidas por el trfico.
Para conducciones emplazadas bajo carreteras, la norma UNE prev
tres tipos de vehculos: eje simple de 7 t, eje simple de 13 t y
carro de tres ejes de 60 t. En el artculo A6 del citado texto
normativo se recogen los valores tabulados a considerar para cada
tipo de carga en funcin de las dimensiones del tubo y del espesor
de relleno sobre l, considerando que una carga aplicada sobre la
superficie del terreno se transmite en profundidad segn un tronco
de pirmide cuyas caras laterales forman un ngulo de 35 con la
vertical. Para alturas de relleno de ms de 4 m sobre el plano de
clave, se puede considerar nula la carga de trfico, y para rellenos
de menos de 1 m de espesor, habr que multiplicar los valores
tabulados por un coeficiente de impacto cuyo valor mximo es 1.3
(para hr0.3 m). En el caso de tubos emplazados bajo vas frreas, se
adoptar el tren de cargas tipo A de la instruccin IAPF (en caso de
va RENFE) o el UIC 71 (en caso de va UIC), calculando la carga
uniformemente distribuida resultante en la base del balasto y
multiplicndola por un coeficiente de impacto Ci hallado segn la
siguiente expresin:
Ci = 1 +
0.33v 100
Siendo v la velocidad del tren de cargas, en km/h. En este caso,
es recomendable que el espesor de relleno cumpla la condicin hr De
(dimetro exterior del tubo) y hr no menor de 1.5 m.
Cargas puntuales.
En el caso que exista alguna carga puntual en la superficie, la
accin producida en el tubo se evaluar suponiendo un reparto
uniforme segn la teora de Boussinesq.
Cargas uniformemente distribuidas en superficie.
Para instalacin en zanja, la repercusin sobre el tubo ser:
qu = qs e 2 hr / b
Siendo qs la carga por metro de longitud y el resto de parmetros
los ya definidos en formulaciones anteriores. En el caso de
terraplenes y zanjas terraplenadas, la accin de estas cargas
distribuidas podr asimilarse a un sobreespesor de relleno de valor
equivalente.
Cargas de compactacin.
Estas cargas han de evaluarse teniendo en cuenta el tipo de
compactador, la profundidad y el tipo y estado del relleno,
pudiendo ser cuantificadas segn la siguiente formulacin:
qc = Donde:
2P D hr e
qc = carga sobre el tubo (kN/m). = coeficiente de impacto,
determinado segn la siguiente tabla:CARGA ESTTICA 1 hr > 3m 4
CARGA DINMICA 2m < hr 3 m 0.3m hr 2m 5 6
P = carga del compactador por metro de ancho del rodillo (kN/m).
hr = altura del relleno sobre el plano de clave (m). De = Dimetro
exterior del tubo (m). Se habr de extremar la precaucin en zonas
con recubrimientos inferiores a 1m, tanto en la eleccin del
compactador como para la ejecucin de este proceso. c) Determinacin
del factor de apoyo. La carga que una conduccin rgida de hormign es
capaz de soportar depende en gran medida de las condiciones de la
base sobre la que se disponga. De este modo, en la norma UNE 127
010 EX se proponen los factores de apoyo que se recogen en las
figuras de las siguientes pginas. Este parmetro fue definido por
Spangler, quien determinaba la carga soportada por un tubo
multiplicando la carga de rotura en el ensayo de tres aristas
(consistente en apoyar el tubo en dos generatrices inferiores y
someterlo a una carga creciente aplicada a lo largo de su
generatriz de clave) por el factor de apoyo. Una vez determinadas
todas las cargas actuantes, as como el tipo de instalacin a
disponer, se est en condiciones de determinar la clase resistente
exigible a un tubo de dimensiones prefijadas sobre la base de los
requerimientos hidrulicos a satisfacer por la conduccin.
FACTORES DE APOYO EN ZANJA Y ZANJA TERRAPLENADA APOYO EN
HORMIGON EN MASA
CK
15N/mm
RELLENO COMPACTADO 95% P.N.
RELLENO SELECCIONADO SIN COMPACTAR
30 cm
30 cm
HORMIGON
HORMIGON
1/2 De
c
Fap = 4,0
Fap = 3,0
RELLENO COMPACTADO 95% P.N.
RELLENO SELECCIONADO SIN COMPACTAR
30 cm
c 30 cmHORMIGON
1/4 De
HORMIGON
120
120
c
Fap = 2,8
Fap = 2,2
RELLENO COMPACTADO 95% P.N.
RELLENO SELECCIONADO SIN COMPACTAR
30 cm
c 30 cmHORMIGON
1/6 De
HORMIGON
90
90
c
Fap = 2,3
Fap = 2,0
16.19: Factores de apoyo para tuberas de hormign armado
instaladas en zanja o zanja terraplenada apoyadas en cama de
hormign en masa. Fuente: Norma UNE 127 010 EX Tubos prefabricados
de hormign en masa, hormign armado y hormign con fibra de acero,
para conducciones sin presin (1995).
c
1/6 De
1/4 De
1/2 De
APOYO GRANULAR
MATERIAL GRANULAR COMPACTADO 95 % P.N.
RELLENO COMPACTADO 95% P.N.
30 cm
30 cm
MATERIAL GRANULAR COMPACTADO 95 % P.N.
c
Fap = 2,1
Fap = 1,9
RELLENO COMPACTADO 95 % P.N.
RELLENO SELECCIONADO SIN COMPACTAR
hr
> hr/8 < 30cm
hr
c > hr/8 < 30cmMATERIAL GRANULAR COMPACTADO 95 % P.N.
1/6 De
MATERIAL GRANULAR COMPACTADO 95 % P.N.
90
90
c
Fap = 1,7
Fap = 1,5
APOYO DIRECTO (NO RECOMENDABLE)RELLENO FINO
hr
> hr/8 < 15cm
VALORES DE c (cm) TERRENO SUELO ROCA D (m) < 0,7 8 15 0,7 a
1,5 10 23 > 1,5 15 30
Fap = 1,1
16.20: Factores de apoyo para tuberas de hormign armado
instaladas en zanja o zanja terraplenada apoyadas en cama de
material granular o con apoyo directo. Fuente: Norma UNE 127 010 EX
Tubos prefabricados de hormign en masa, hormign armado y hormign
con fibra de acero, para conducciones sin presin
c
1/6 De
1/2 De
16.3.3.
CLCULO MECNICO DE CONDUCCIONES FLEXIBLES.
En este tipo de obras, el comportamiento estructural es
fundamentalmente diferente al que observan las obras rgidas. La
obra flexible forma un todo con el terreno que la rodea, no
pudiendo as separarse los esfuerzos horizontales, los verticales y
las reacciones de cimentacin. La influencia de las distintas
variables de forma, dimensiones, rigidez, condiciones de apoyo e
instalacin, as como las relativas tanto a los terrenos que cubren a
la obra, como a los que la cimientan, cobran an ms importancia en
este tipo de estructuras, modificando la magnitud y distribucin de
presiones que la solicitan. La complejidad del problema hace que
las escasas teoras disponibles (Marston, Spangler, etc.)
constituyan simplificaciones ajustadas a una experimentacin
necesariamente limitada. Actualmente se estn consiguiendo
considerables avances con los mtodos de elementos finitos y ensayos
de estructuras instrumentadas pero los resultados son an
difcilmente generalizables. Sin entrar en una prolija discusin
terica acerca de los mtodos de clculo a emplear y del
comportamiento de la estructura frente a las cargas que las
solicitan, se describen en el presente apartado las prescripciones
de ndole prctica recogidas en la normativa tcnica de aplicacin para
la comprobacin mecnica de las conducciones de polietileno y
policloruro de vinilo. En la norma UNE 53.331 se describe, de
manera pormenorizada, el procedimiento estndar para la comprobacin
de las tuberas de Polietileno y PVC sometidas a cargas externas. El
procedimiento es muy metdico y, de hecho, no es difcil encontrar
programas informticos desarrollados por los fabricantes de estos
tubos que realizan dicha comprobacin. Para otros materiales que se
pueden considerar como flexibles, pero que no son expresamente el
PE ni el PVC, la norma no especifica su posible aplicacin. No
obstante, el procedimiento descrito sirve perfectamente para esos
otros materiales flexibles sin ms que disponer de todos los datos
necesarios del tubo que se solicitan en la norma. El resultado
final de la comprobacin es detectar si el grado de ovalacin mximo
que alcanza el tubo sometido a carga externa est por debajo del 5%,
lmite por encima del cual se considera que el tubo falla. Adems, se
realiza una comprobacin de los coeficientes de seguridad para las
tensiones sobre el tubo en la zona de la base, la clave y los
riones, y el coeficiente de seguridad para la estabilidad frente a
cargas verticales. Los datos que se necesitan para realizar el
clculo obedecen por un lado a las caractersticas del tubo, y por
otro lado a las del terreno de cimentacin y a las condiciones de
relleno. En cuanto a las caractersticas del tubo, hay que mencionar
que la determinacin del dimetro interior o el espesor de pared,
dependen ms del clculo hidrulico que de la comprobacin de cargas.
Sin embargo, hay otros valores que s que son especficos del clculo
mecnico, como la rigidez estructural del tubo. Aunque no es el caso
del PVC y del PE, casos en los que la rigidez estructural del tubo
viene dada, hay otro tipo de materiales, como por ejemplo el
polister reforzado con fibra de vidrio (PRFV) en los que se puede
elegir el valor de este parmetro. Se puede afirmar que cuanto ms
rgida sea la conduccin mejor se comportar frente al esfuerzo
mecnico externo en
igualdad de condiciones, aunque como ya se ha mencionado, ste no
es el nico parmetro a considerar. En cuanto al tipo de zanja, no es
este un parmetro en s mismo. La eleccin de una zanja estrecha, en
terrapln o combinado no se realiza por lo general pensando en el
clculo mecnico sino en la propia morfologa del trazado. S que puede
tenerse en cuenta la profundidad de instalacin de tubo en la zanja,
ya que a mayor profundidad tiene menor influencia la carga rodante
pero por el contrario el peso del terreno es mayor. Habr que buscar
una solucin de compromiso. Como regla general, si existe una capa
de firme de rodadura que distribuya adecuadamente la carga, la
profundidad de la carga ser la mnima posible, debiendo quedar la
parte superior del tubo a ms de 30 cm de la base de la capa ms
interior del firme de rodadura. En la norma antes citada se
contemplan distintos tipos de relleno, segn el material que se
utilice y la zona que se vaya a rellenar. Para la zona inferior a
la base del tubo, el peso del suelo no tiene ya influencia sobre
ste y por el contrario, las condiciones de transmisin de cargas
sobre el apoyo son importantes. Es por ello que se recomienda
utilizar un suelo granular con un alto grado de compactacin. Es
fcil encontrar en las especificaciones de los pliegos de
condiciones de proyectos que para esta zona se exija una arena de
ro lavada y seca como elemento de relleno. En la zona alrededor del
tubo, desde la base hasta la clave, la interaccin del tubo flexible
con el terreno es muy importante para su resistencia mecnica. En
esta zona interesa que el terreno contrarreste la carga que se
transmite a travs del tubo, debido a su deformacin. Cuanto ms
cohesivo es el terreno, menor empuje ejerce sobre el tubo, debido a
su menor peso especifico. Es por ello que, para esta zona, tambin
se recomienda un terreno granular con un buen grado de compactacin.
No obstante, la utilizacin de otro tipo de relleno puede ser
aconsejable siempre y cuando la comprobacin de resistencia mecnica
arroje un resultado favorable. La zona de relleno por encima de la
clave se realizar, hasta unos 30 cm por encima de sta, con el mismo
tipo de relleno y compactado que el utilizado alrededor del tubo.
Por encima de esta capa de 30 cm la interaccin con el tubo no es
tan grande y pueden utilizarse rellenos provenientes de la propia
excavacin de la zanja, si es el caso, o con rellenos de peor
calidad. En cuanto a la compactacin del terreno, aunque la norma
establece varias topologas (a, b1, b2 y c), en general la
compactacin se realiza siguiendo el modelo que se denomina a. ste
consiste en la compactacin del lecho de la zanja sobre el que
descansa el tubo, antes de la colocacin del mismo. Despus, se
procede a colocar el tubo y a rellenar y compactar hasta la clave
del mismo en capas de 15 cm de la misma manera a un lado que al
otro. Desde la clave, los siguientes 30 cm se rellenan y compactan
de una sola vez. La compactacin en esta zona se realizar a ambos
lados de la clave, dejando sin compactar justo la vertical de la
misma, para evitar daar el tubo. A partir de aqu, el relleno y
compactacin se realizan por tongadas de 20 cm de espesor, hasta
completar todo el volumen de la zanja o terrapln.
Un valor de compactacin adecuado de un relleno de calidad puede
estar entre el 90 y 95% del proctor estndar. El ngulo de apoyo del
tubo sobre la cama del relleno otro de los parmetros de los que
depende la comprobacin de cargas. Se consideran habitualmente
ngulos de apoyo 2 iguales a 60, 90, 120, y 180. Cuanto mayor sea el
ngulo de apoyo, ms repartida queda la carga sobre el terreno. Sin
embargo, por las especiales caractersticas de la cama de apoyo, que
debe tener un grado de compactacin muy alto, la ejecucin in situ de
una cama con ngulos de apoyo elevados puede resultar bastante
difcil en la prctica. 16.4. CONSIDERACIONES ACERCA DE LA EJECUCIN,
CAUSAS DE LAS PATOLOGAS Y AUSCULTACIN DE LAS ESTRUCTURAS
ENTERRADAS. 16.4.1. EJECUCIN DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS.
En las obras enterradas de conducciones, lo ms usual es emplear
elementos prefabricados que son transportados a obra y dispuestos
en una zanja previamente excavada o en un terrapln posteriormente
relleno. En el caso de las grandes obras enterradas de hormign
armado, se puede recurrir tambin a elementos prefabricados o a la
ejecucin in situ de los mismos, dentro del terrapln en el que vayan
a ser ubicados. En ocasiones tambin se recurre al procedimiento de
hinca de elementos previamente ejecutados, procedimiento que es de
gran utilidad cuando no se desea afectar a la superficie del
terreno suprayacente (por ejemplo, cuando se construye una obra de
paso bajo una obra lineal existente y no se desea interrumpir el
servicio prestado por sta). En la siguiente figura se recoge el
proceso a seguir para la hinca de un paso inferior.
FASE I
FASE II
FASE III
FASE IV
16.21: Procedimiento de ejecucin de un paso inferior mediante
hincado.
En el caso de conducciones de hormign puestas en obra mediante
este procedimiento, es preceptivo en virtud de lo preconizado por
la normativa tcnica realizar unas comprobaciones estructurales
adicionales, mediante las que se ha de garantizar que la mxima
tensin de compresin que los tubos habrn de soportar durante el
procedimiento no sobrepase el 40% de la resistencia caracterstica
del material (teniendo en cuenta la posible excentricidad de
aplicacin de la carga por defectos en la alineacin y nivelacin de
los tubos). En caso de que el tipo de instalacin seleccionado sea
en zanja, se habr de prestar atencin en la correcta ejecucin de la
misma conforme a la geometra prevista en el proyecto, habida cuenta
de la importancia que este parmetro posee con respecto a las cargas
a resistir por la obra. Los procedimientos a llevar a cabo para la
compactacin del relleno tambin han de ser cuidadosamente diseados,
especialmente en tuberas flexibles. Como ya se ha mencionado con
anterioridad, salvo en casos excepcionales, la cimentacin de este
tipo de obras se realiza de forma directa. Por ello, es preciso que
se cuide en obra la homogeneidad y limpieza del sustrato de
cimentacin, especialmente cuando el cimiento est afectado por algn
curso de agua. En obras de gran profundidad, los cimientos pueden
resultar fuertemente comprimidos, motivo por el cual se habr de
cuidar muy especialmente los aspectos mencionados, dada la gran
sensibilidad de las estructuras frente a los asientos locales. En
marcos, prticos, bvedas y arcos es muy recomendable a estos efectos
disponer bajo los elementos de cimentacin una capa de hormign de
limpieza de unos 10 cm de espesor. Para evitar que los asientos
16.22: Hormigonado del dintel de un paso inferior de diferenciales
que tienen lugar camino. Obra: Autova N-323 Tramo: Drcal-zbor
debido a la presencia de obras de paso o drenaje rgidas bajo
(Granada). la traza de obras de infraestructura lineales, afecten a
la funcionalidad y durabilidad de stas, se suele recurrir a la
disposicin de cuas o losas de transicin en los terraplenes de
acceso a las proximidades de las citadas estructuras. La ejecucin
de las cuas de transicin se
inicia con el saneo del terreno antes de proceder al trasdosado
con un material fcilmente compactable hasta que se consiga una
anchura de al menos 3 m. Se requiere que dicho material sea
granular y puede resultar conveniente tratarlo con cemento
empleando sistemas constructivos de firmes. Los rellenos del
entorno inmediato a la obra se realizarn con materiales granulares,
y los del entorno prximo con suelos seleccionados (o en ambos
casos, con materiales de menor deformabilidad diferida que los
mencionados). La disposicin de una cua de transicin que verifique
los anteriores condicionantes limitar apreciablemente los asientos
diferenciales, con lo que se puede reducir la mayoracin de la carga
geosttica de clculo sobre la obra. La disposicin de una losa de
transicin de similares caractersticas a las empleadas en los
trasdoses de los estribos de puentes se restringe a obras con
pequeo recubrimiento de tierras, y no es efectiva para la reduccin
de asientos diferenciales (por lo que no afectan a la mayoracin de
cargas geostticas), an cuando s puede ser positiva con miras a
garantizar la funcionalidad de la va superior. 16.4.2. CAUSAS DE
LAS PATOLOGAS DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS. Los desperfectos que
pueden presentar este tipo de obras son muy variados: roturas,
fisuraciones, deformaciones excesivas, rotura de juntas, etc. A
continuacin se describen algunas de las causas ms comunes de este
tipo de fenmenos. a) Causas de patologas en conducciones
flexibles.
Apertura de zanjas adyacentes a tubos flexibles.
La falta de soporte lateral hace que el tubo se deforme
horizontalmente en exceso y colapse por aplastamiento. Segn Watkins
(1975), la cobertura lateral mnima debe ser:
x 1.4Siendo:
DH F Z
D = dimetro del tubo. H = cobertura de tierras. Z = mxima
profundidad de zanja excavable con paredes verticales (funcin de la
resistencia del suelo). F = un coeficiente de seguridad del orden
de 2.
Falta de resistencia lateral del terreno.
Cuando las zonas laterales de un tubo flexible estn poco
compactadas o son muy estrechas y se encajan en rellenos o
materiales muy compresibles, el tubo se deforma excesivamente. Por
ello, en terrenos compresibles se recomienda excavar un mnimo de
dos dimetros a cada lado del tubo, rellenando con material
fuertemente compactado.
Empleo de rellenos excesivamente compresibles.
Al asentar excesivamente a los lados del tubo, anulan el efecto
del abovedamiento y provocan tensiones verticales sobre el tubo
superiores a las geostticas. b) Causas de patologas en estructuras
rgidas. En el caso de tuberas rgidas, el apoyo sobre superficies
duras, rocas o suelos poco compresibles, bien directamente o con
interposicin de un encamado de insuficiente espesor o
defectuosamente conformado para adaptarse al tubo, es la causa
responsable del 80% de las roturas. Una defectuosa compactacin de
las zonas poco accesibles de la mitad inferior del tubo puede
originar el mismo tipo de colapso. En otras ocasiones, se pueden
producir concentraciones de reacciones en juntas sobresalientes
(como las del tipo de enchufe, roscas de ladrillo, etc.), cuando no
se haya previsto el correspondiente cajeado en la cama de apoyo.
Como ya se ha indicado, la realizacin de zanjas ms anchas de lo
inicialmente previsto en proyecto, provoca que se pierda el efecto
de silo, con lo que llegan al tubo cargas mayores de las previstas.
La ejecucin de este tipo de estructuras en suelos muy compresibles,
colapsables, expansivos, etc., donde son de esperar grandes
deformaciones y movimientos, puede comprometer la resistencia de la
obra (especialmente en las de grandes longitudes continuas), o
cuando menos incidir en su funcionalidad y poner en compromiso la
de las posibles obras situadas sobre ella. Para hacer frente a este
fenmeno, se ha de disponer un nmero suficiente de juntas,
adecuadamente separadas, y estimar las aperturas previsibles en las
mismas. A tal efecto, se puede aplicar el mtodo propuesto en
[16.1], a partir de la hiptesis de flexin simple circular de la
estructura (representada en la figura 16.23).Rh
L
16.23: Modelo simplificado de deformacin bajo una carga de
terrapln (Tscheboterioff).
La separacin entre juntas se define segn la ecuacin:L = sDALTURA
DEL TERRAPLN (m) de 3 a 6 de 6 a 12 de 12 a 24 0.9 0.8 0.6 1.0 0.9
0.7 1.2 1.1 0.9 1.4 1.2 1.0
Siendo D el dimetro equivalente de la galera y s un coeficiente
dependiente de la altura del terrapln y del mdulo de deformacin del
cimiento, segn se recoge en la siguiente tabla:
E (kp/cm ) 75 100 150 200
2
16.4.3.
AUSCULTACIN DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS.
El establecimiento de un sistema de auscultacin en determinadas
obras enterradas es un procedimiento efectivo para el anlisis del
comportamiento de stas y para la prevencin de las patologas que
pudieran sufrir. No obstante lo anterior, dicho establecimiento
conlleva un coste econmico no despreciable, amn de requerir la
satisfaccin de una serie de condicionantes que determinarn su
viabilidad tcnica. Por ello, los sistemas de auscultacin se
disponen nicamente en obras de grandes dimensiones que posean
particularidades que las hagan interesantes en este sentido. As,
resulta de inters controlar los asientos de la solera (y/o
hastiales) y los movimientos de las juntas en marcos y bvedas. En
muy contadas ocasiones, puede ser conveniente medir las
deformaciones unitarias en el hormign de estas obras. En la
siguiente figura se recoge el esquema de un posible sistema de
auscultacin de un paso inferior.
4 4
3
3
2 4
1
3 3
NORMAL: 1. BASES DE NIVELACIN. 2. MEDIDORES DE MOVIMIENTO DE
JUNTAS.
ESPECIALES: 3. EXTENSMETROS. 4. CELULAS DE PRESIN TOTAL (TECHO Y
TRASDOS DEL ALZADO).
16.24: Esquema de un posible sistema de auscultacin en un paso
inferior, segn la Gua de cimentaciones en obras de carretera del M.
de Fomento.
BIBLIOGRAFA [16.1] Jimnez Salas, J. A. et al: Geotecnia y
Cimientos, Editorial Rueda, Madrid (1980). [16.2] Calavera Ruiz,
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[16.6] Hashash, Y. M. A. et al. : Seismic design and analysis of
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Servicio de publicaciones del Colegio Oficial de Arquitectos de
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Santander, Santander (1984). [16.10] Obras de paso de nueva
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Fomento, Madrid (2000).
NORMATIVA Instruccin de Hormign Estructural EHE (1998).
Instruccin sobre las acciones a considerar en el proyecto de
puentes de carretera IAP (1998). Instruccin sobre las acciones a
considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril IAPF (2003).
UNE 127 010 EX. Tubos prefabricados de hormign en masa, hormign
armado y hormign con fibra de acero, para conducciones sin presin
(1995). UNE-ENV 1998-4 Eurocode 8: Design of structures for
earthquake resistance-Part 4: Silos, tanks and pipelines.
UNE-EN 639. Prescripciones comunes para tubos de presin de
hormign incluyendo juntas y accesorios (1995). UNE-EN 640. Tubos de
presin de hormign armado y tubos de presin de hormign con armadura
difusa (sin camisa de chapa), incluyendo juntas y accesorios
(1995). UNE-EN 641. Tubos de presin de hormign armado con camisa de
chapa, incluyendo juntas y accesorios (1995). UNE-EN 642. Tubos de
presin de hormign pretensado, con y sin camisa de chapa, incluyendo
juntas, accesorios y prescripciones particulares relativas al acero
de pretensar para tubos (1995). UNE-EN 1115. Sistemas de
canalizacin enterrados de materiales plsticos, para evacuacin y
saneamiento con presin. Plsticos termoestables reforzados con fibra
de vidrio (PRFV) basados en resina de polister insaturada (up)
(1997). UNE-EN 1452. Sistemas de canalizacin en materiales plsticos
para conduccin de agua. Poli (cloruro de vinilo) no plastificado
(PVC-U) (2000). UNE 53131. Plsticos. Tubos de polietileno para
conducciones de agua a presin. Caractersticas y mtodos de ensayo
(1990). UNE 53323 EX. Sistemas de canalizacin enterrados de
materiales plsticos para aplicaciones con y sin presin. Plsticos
termoestables reforzados con fibra de vidrio (PRFV) basados en
resina de polister insaturada (up) (2001). UNE 53331 IN. Tuberas de
poli (cloruro de vinilo) (PVC) no plastificado y polietileno (PE)
de alta y media densidad. Criterio para la comprobacin de los tubos
a utilizar en conducciones con y sin presin sometidas a cargas
externas (1997). UNE 53966. Plsticos. Tubos de PE 100 para
conducciones de agua a presin. Caractersticas y mtodos de ensayo
(2001).