20 años de cálculo de estructuras de terreno reforzado: Macstars

Las exigencias a nivel mundial en el desarrollo de infraestructuras es una de las razones por las que nos enfrentamos a problemas difíciles en ingeniería civil que requieren soluciones competentes en el ámbito de las estructuras de terreno reforzado (RSS).

En la actualidad, Maccaferri, que tiene un registro de más de un centenar de soluciones en el ámbito de la geotecnia (inicialmente con muros de gravedad de realizados con gaviones de doble torsión, y más tarde con estructuras de terreno reforzado), desarrolló un software para adaptarse a las necesidades de sus ingenieros en todo el mundo en el cálculo de esta tipología de estructuras: Macstars (Maccaferri Stability Analysis of Reinforced Soils).

El software Macstars fue desarrollado por Maccaferri a finales de los años 90 en colaboración con el gabinete Studio Geotecnico Italiano y la empresa de desarrollo de software Autosoft. Antes de lanzarse para su uso, Macstars se validó comparándolo con el mejor software del mercado que había en aquel momento para el cálculo de estructuras de terreno reforzado a la vez que se realizó un modelo a escala real de un muro de terreno reforzado completamente instrumentado con el fin de comparar los resultados reales con los obtenidos de manera teórica mediante el software de cálculo.

Con más de 130 años de existencia, Maccaferri ha investigado, diseñado, desarrollado, fabricado y construido soluciones técnicamente avanzadas para resolver problemas complejos en obras civil y de protección del medio ambiente. Con más de 2.500 trabajadores, está presente en cinco continentes y en más de 100 países distintos. Esta experiencia global, junto con el conocimiento local, ha permitido a Maccaferri posicionarse como una empresa líder y de referencia en el sector de la obra civil y en la preservación del medio ambiente.

La filosofía detrás de Macstars fue obtener un software en línea con los productos más novedosos que se utilizaban en RSS, tanto materiales a emplear en el paramento del muro como de los refuerzos sintéticos o metálicos, eliminando de este modo el trabajo adicional de investigar los valores característicos de cada uno de los refuerzos, los cuales podían comprometer al estado límite último de la estructura si no se evaluaban correctamente.

En el programa están introducidos los parámetros característicos de los distintos elementos de refuerzo de Maccaferri (geomallas de refuerzo, Terramesh, etc.), previamente analizados y certificados en laboratorios independientes, así como la interacción de estos elementos entre sí y entre los distintos tipos de suelo. El comportamiento de las conexiones entre los elementos metálicos Terramesh y los elementos sintéticos de refuerzo (ángulos de fricción, pull– out, etc.) introducidos en Macstars han sido ensayados en el Laboratorio ‘Bathurst, Jarret and Associates Inc’. Macstars ha sido validado mediante la motorización de estructuras reales y validado con software de elementos finitos (FLAC). Dentro de las bases de datos de Macstars están introducidas también las principales normativas existentes (con los coeficientes reductores y amplificadores y las combinaciones de acciones definidas en las normas) de manera que es el cliente quien elige la normativa a emplear en el cálculo de la estructura.

La introducción de un planteamiento que toma como base el estado límite para el diseño de las estructuras de terreno reforzado requería la implementación de factores que caracterizasen cualquier parámetro implicado en el diseño. Macstars se desarrolló para tener en cuenta la mayoría de normas mundiales en el diseño de RSS, y actualmente el archivo permite al usuario hacer el diseño aplicando las siguientes normas: Eurocódigo 7 (EC-7), Guía de Cimentaciones en obras de Carretera del Ministerio de Fomento, BS8006:2010 (británica), NF P94-270 o NF XP G38-064 (francesa), SANS 207:2006 (sudafricana), A-NZ (australiana), griega, o DM 14-1-2008 (italiana) entre otras.

En este artículo, a partir de interesantes casos reales, nos centraremos en una de las soluciones que más ha crecido en los últimos 15 años: el refuerzo del suelo para construir estructuras de suelo reforzado, sobre todo con la técnica, exclusiva de Maccaferri, Terramesh, basada en refuerzos metálicos a base de enrejados de triple torsión y con la solución mixta Paramesh, que combina refuerzos metálicos con refuerzos sintéticos y que permite la realización de estructuras de contención de gran altura diseñadas con éxito utilizando el software Macstars. Los siguientes párrafos proporcionan una breve descripción de algunos proyectos significativos tanto en España como en todo el mundo.

El primer diseño significativo utilizando Macstars fue para una estructura de terreno reforzado requerida para retener una zona de relleno entre un muelle nuevo y un dique seco ya existente de 240 m de longitud y 15 m de altura. El diseño se desarrolló de acuerdo con la BS8006, utilizando el software Macstars y haciendo una comprobación cruzada con el software comercial SLOPE, el software de equilibrio límite vigente en aquel momento. El principal reto en el proyecto era satisfacer en el diseño, la consideración de una bajada rápida de nivel del agua, en concreto de 13 m a 0 mm en menos de doce horas, lo que requería el uso de geomallas de poliéster de alta resistencia y baja deformación y cálculos en condiciones saturadas.

En este caso se construyó mediante la tecnología de Terramesh System, conforme a UNE EN 10223-3, un muro vertical de 21 m de altura para facilitar el acceso de los dumpers portadores de mineral a la cabeza de la machacadora. El diseño elaborado por Maccaferri Southern Africa y gracias a la rigidez de los módulos Terramesh System, permite que camiones y maquinaria de 200 toneladas trabajen en el frente de la estructura. Mediante la utilización del Macstars en el diseño se satisfacieron todos los requerimientos para el análisis de la estabilidad: estabilidad global e interna, deslizamiento, vuelco y capacidad portante. Desde su construcción, el muro ha sido constantemente controlado por Maccaferri, y después de todos esos años su comportamiento está todavía en los límites prescritos en el diseño.

Uno de los hándicaps de este muro es que el cliente quería un paramento totalmente vertical; con los muros de terreno reforzado diseñados con los elementos Terramesh System lo normal es dotar al muro de una inclinación máxima de 85º. En este proyecto se ejecutó la solución a 90º pero se instrumentalizaron diferentes tongadas del muro para ver su comportamiento en carga y en vida útil.

Para una área de aparcamiento en un emplazamiento donde había una obra de drenaje y un talud caracterizado por capas de arcilla, se diseñó una estructura híbrida de terreno reforzado con la parte inferior en Terramesh System (acabado en piedra) para prevenir la erosión del terreno por parte de la obra de drenaje, y la parte superior en Green Terramesh (acabado verde), con una inclinación del paramento de 70° y 29,2 m de altura en la sección más alta. Mediante la utilización de geomallas de alta resistencia a la tracción (Paralink), se permitió ahorrar hasta un 15% en comparación con el sistema wrap around convencional típico en los muros verdes, el cual utiliza geomallas de menos resistencia a la tracción.

En 2007 Maccaferri aceptó el diseño más desafiante de RSS de los últimos años. Se trataba de una autopista para conectar las ciudades de RReshen y Kalimash en Albania que requería un muro de terreno reforzado de 35.000 m², siendo la sección de 38 m de altura la más alta.

La autopista, de 103 kilómetros de largo, es una conexión clave entre Durres, el principal puerto de Albania en el mar Adriático, y Kosovo. La autopista, ya terminada, ha permitido reducir el tiempo de conexión entre los dos lugares de las 6h que se tardaba a las 2h actuales, y de bien seguro ayudará a estimular la economía de la región del noreste de Albania. El tramo central de la autopista, entre Rreshen y Kalimash, tiene una longitud de 61 km y fue adjudicado a la unión temporal de empresas Bechtel Enka (BEJV Joint Venture). Las obras terminaron en septiembre de 2009.

La autopista, de cuatro carriles de 3,75 m de ancho (dos en cada sentido) más dos arcenes de 2 m de ancho (uno en cada lado), se encuentra en una zona de difícil acceso rodeada de montañas con picos de más de 1.000 m de altura y laderas de fuerte inclinación y longitud. Debido a la cambiante morfología del terreno muchos de los tramos eran a media ladera, por lo que se tuvieron que construir grandes terraplenes y desmontes.

La disponibilidad cercana de piedras reforzó la decisión de utilizar una solución Paramesh, basada en una combinación de Terramesh System para el paramento, y Paralink 300 como refuerzo primario. El diseño se basó en el método de cálculo de Bishop, caracterizado por una fallida por deslizamiento circular y se utilizó la norma BS8006 para la evaluación del refuerzo. Esta estructura de terreno reforzado es actualmente la más alta de este tipo en Europa.

Para mejorar el turismo en Sikkim, el gobierno indio aprobó en Pakyong la construcción de un nuevo aeropuerto en una zona de terreno muy accidentado donde el desafío consistía en crear toda la plataforma para esta nueva estructura mediante el uso de muros de terrenos reforzados y que además, resistieran los terremotos de la zona, bastante comunes.

El proyecto requería operaciones de desmonte y relleno así como la utilización de material disponible de préstamo para crear la superficie plana necesaria para una pista nivelada. Para apoyar y estabilizar la zona de relleno y los 80 m de alto de la estructura de terreno reforzado, la cual tiene una base de 65 m, se utilizaron refuerzos de alta resistencia a la tracción para satisfacer los requerimientos.

Para mantener el terraplén dentro de los límites del aeropuerto en el lado valle, se planificaron estructuras de contención de tierras casi verticales con alturas comprendidas entre los 4 y los 72 m. El sistema Paramesh fue la solución adoptada para la construcción de los terraplenes reforzados. Se introdujeron capas de Paralink (de rango comprendido entre los 200 kN/m y los 900 kN/m) en el suelo como refuerzo principal. Para prevenir desprendimientos locales y mejorar la compactación en el frente del muro se utilizaron como revestimiento frontal módulos Green Terramesh, Terramesh System o una combinación de ambos sistemas. La elección de uno u otro sistema fue en función de la disponibilidad de espacio y de las necesidades de introducir cajones de hormigón (drenaje transversal).

Las estructuras de terreno reforzado construidas tienen aproximadamente 60.000 m² de revestimiento mineral y vegetal con unidades Terramesh System y Green Terramesh y 160.000 m² de geomallas de refuerzo en su interior.

El Proyecto del Aeropuerto de Sikkim ha recibido entre otros los siguientes premios: ‘Premio de Oro’, que ha entregado la Fundación ‘Greentech Foundation’ al cliente final del Proyecto y el ‘Premio Proyecto internacional del año’, que ha entregado la revista Ground Engineering a Maccaferri y ya es considerado como uno de los muros de terreno reforzado más grandes del mundo.

El edificio Infinity View es un resort de alto standing situado en Elche (Alicante) cuya estructura recuerda a un barco tipo crucero. Para crear la plataforma de edificación junto con las diferentes estructuras del resort (pistas de baloncesto, pistas de pádel, spas) era necesario una solución integrada ambientalmente en el entorno a la vez que resistente al ambiente de tipo C5 debido a la proximidad del mar. La solución Terramesh System, con su recubrimiento de PVC, fue la solución escogida para este proyecto al proporcionar la durabilidad exigida, junto con su estética, flexibilidad y capacidad drenante.

Para el muro Terramesh System se optó por una tipología en bermas que funcionarían como jardineras de manera que la mezcla entre acero/piedra/vegetación fuera muy atractiva, empleando plantas. Estas jardineras se impermeabilizaron con nuestra geomembrana Macline SDH 150 al igual que la coronación del muro. Todo el trasdós del muro se forró con la geomanta Macdrain W1051 asegurando así que trabajaría en condiciones secas. La altura máxima del muro era de 14 m.

La solución se verificó con nuestro software de cálculo Macstars con los siguientes condicionantes:

• Cálculos realizados con EC-7
• Sismicidad de la zona (coeficiente 0,15 ab/g)
• Cálculo con materiales saturados (ru= 0,2)
• Carga del edificio de apartamentos en coronación del terraplén.

El nuevo centro comercial The Style Outlet de Viladecans es el nuevo referente de shopping en Barcelona. Con sus más de 10.000 m² a tan solo 15 minutos de Barcelona y de la terminal T1 del aeropuerto del Prat prevé tener a diario más de 5.000 visitas. Para crear el acceso sur al centro comercial era necesario salvar una balsa de laminación y drenaje con un puente con dos estribos flotantes siendo necesaria una solución integrada ambientalmente en el entorno y drenante. Los estribos se apoyan sobre unos terrenos con parámetros geotécnicos muy malos, totalmente saturados en agua ya que el nivel freático se encuentra a cota –1m. Además era imperativo emplear una solución resistente al ambiente de tipo C5 debido a la proximidad del mar. La solución Terramesh System, con su recubrimiento de PVC, fue la solución escogida para este proyecto al proporcionar la durabilidad exigida, junto con su estética, flexibilidad y capacidad drenante en caso de saturación del muro.

Para el muro Terramesh System se optó por una tipología en forma de ‘U’ que sería el cajón que soportaría a los estribos con geomallas Macgrid WG11 cruzadas en todos los sentidos a modo de refuerzo simétrico. La coronación del muro se impermeabilizó con nuestra geomembrana Macline SDH 150. El relleno fue compactado al 100% del Próctor con un control exhaustivo por parte de la constructora y de la dirección facultativa.

El relleno de las unidades Terramesh System fue mixto, con la cara concertada y vista con Calcoesquisto del macizo del Tibidabo y el resto con Granodiorita de la Serralada Litoral. La sección más alta del muro era de 8 m.

La solución se verificó con nuestro software de cálculo Macstars con los siguientes condicionantes:

• Cálculos realizados con EC-7
• Sismicidad de la zona (coeficiente 0,04 ab/g)
• Cálculo con materiales totalmente saturados en condiciones iniciales (ru= 0,2) y saturación total a cota de rasante.
• Presencia del nivel freático a cota –1 metro.
• Parámetros geotécnicos pésimos para el nivel de apoyo (densidades muy bajas y totalmente saturados)
• Sobrecargas y componente horizontal del estribo

La principal ventaja de utilizar Macstars está en que es un software de fiabilidad probada y aceptado mundialmente. Su base de datos actual está actualizada con los últimos productos de Maccaferri (cuyas especificaciones técnicas están publicadas en el BBA, British Board Agreement), lo que permite a nuestros ingenieros diseñar y consultar una gran variedad de productos con valores característicos predeterminados. Cuando se requiere utilizar un análisis de equilibrio límite con los distintos códigos de diseño (ya precargados), se crea una interfaz sencilla, en lugar de elaborar comprobaciones constantes en la guía de diseño en línea para el factor parcial correcto. En cada filial hay disponible un ingeniero especialista para ayudar el diseñador a utilizar efectivamente Macstars y asegurarse que se obtiene la solución correcta.

Este software no tiene como objetivo competir con los últimos softwares de análisis FEM y no proporciona ninguna interpretación sobre deformaciones, pero aplica un método de diseño general basado en las directrices principales del diseño. El archivo está dedicado únicamente a productos de eficacia probada por Maccaferri, y se actualiza constantemente con los resultados de las investigaciones más recientes.
Macstars representa los resultados de más de un centenar de años de experiencia, investigación y desarrollo. Su uso en más de 65 filiales de Maccaferri extendidas en todo el mundo ha sido validado por ingenieros civiles, geólogos y de minas diseñando estructuras de alto nivel, en las condiciones más diversas.