El nacimiento de las estructuras híbridas de terreno reforzado

La utilización de refuerzos de distintas propiedades mecánicas (por ejemplo resistencia y rigidez) permite a los ingenieros obtener diseños más económicos ya que pueden beneficiarse de los aspectos positivos de los dos materiales, reduciendo así el coste del refuerzo al mismo tiempo que se mantiene una estabilidad interna adecuada.

Desde un punto de vista general, en estructuras de terreno de cierta magnitud, las cargas del refuerzo pueden variar significativamente con la profundidad, y esto puede requerir que sea necesaria la utilización de más de un tipo de refuerzo o patrón de espaciamiento a lo largo del muro. Además, la colocación de una refuerzo rígido absorberá más carga en la zona más rígida del terreno reforzado.

Para diseñar correctamente una estructura de terreno reforzado combinando mallas de acero y geomallas, es necesario un conocimiento completo del comportamiento de interacción, ya que estos materiales responden estructuralmente de manera muy diversa cuando entran en carga. Las geomallas, en general, están caracterizadas por una respuesta sensitiva durante el tiempo de carga (fluencia), y por elongaciones a rotura más grandes que las obtenidas en las mallas de acero, que contrariamente, se caracterizan por una respuesta rígida y constante de tipo elastoplástica.

Hasta el presente, este tipo de estructuras híbridas han estado sujetas a análisis numéricos con el fin de investigar sus respuestas estructurales y con ensayos a escala completa, de modo que se ha podido comprobar la influencia de las distintas deformaciones de los refuerzos tanto en las condiciones de diseño como en las de colapso; el objetivo era evaluar si los métodos convencionales de equilibrio límite pueden aplicarse a estructuras de terreno reforzado que no sean uniformes o si deben utilizarse aproximaciones más sofisticadas, como por ejemplo los conceptos de compatibilidad cinemática de Lemonnier (1998) y/o el Método de Desplazamiento propuesto por Gource et al (1986).

El siguiente artículo muestra los resultados principales de las modelizaciones físicas y numéricas, los cuales han autorizado Maccaferri a diseñar con seguridad estructuras híbridas. Se analizan dos ejemplos internacionales diseñados por Maccaferri: un muro de 15 metros de altura construido en el Reino Unido en 1997 y otro en Albania de 37 metros de altura; a continuación se presentarán algunas de las estructuras más importantes.

Las estructuras de terreno reforzado ofrecen ventajas económicas respecto a los sistemas convencionales de muros de contención, ya que este tipo de estructuras nos permiten incrementar la altura total del paramento.

El coste del refuerzo constituye una parte importante del coste total y puede significar el 30% del coste del muro, dependiendo de la altura de éste, el tipo de terraplén y las condiciones de carga de diseño. Esta asunción ha enfrentado a investigadores y a diseñadores para encontrar una solución que pudiera reducir el coste total de la estructura de terreno reforzado mediante la optimización del uso de refuerzos de diferente tipo, con especial énfasis en la combinación de geomallas y refuerzos con malla de alambre de acero. (Hatami et al., 2001).

Las simulaciones numéricas llevadas a cabo asumiendo condiciones de cargas lineales, han mostrado que, la alternancia de refuerzos, parece ser una manera más efectiva de disponerlos, comparándola con la combinación conjunta de sistemas de refuerzo con diferente resistencia. En las simulaciones realizadas se constató que las configuraciones mixtas de refuerzos con menor resistencia según se crece hacia la coronación del muro no dieron lugar a desplazamientos transversales significativamente mayores que los obtenidos en muros con refuerzos uniformes utilizando los de tipo más resistente.

Otro aspecto interesante para el diseño económico de muros de terreno reforzado es reducir la longitud del refuerzo en cada bloque al 50%, manteniendo el mismo valor de resistencia. Este planteamiento pareció ser el mejor método para reducir la medición de los refuerzos a emplear al mismo tiempo que se mantiene el rendimiento y la capacidad funcional del muro.

Esta investigación inicial apuntó que, al usar un modelo numérico de predicción de rotura más realista (diferencias finitas), algunas de las configuraciones mixtas de refuerzo daban lugar a una respuesta similar a modelos teóricos uniformes de refuerzo. Este descubrimiento puede interpretarse también como la posibilidad de poder utilizar una aproximación numérica más simplificada cuando se pone en práctica el diseño de una estructura con refuerzos mixtos que tenga una geometría como la ilustrada en la Fig. 1.

Los resultados de este estudio han sugerido que la resistencia de las capas de refuerzo situadas con espaciamientos pequeños es la mejor estrategia para minimizar la deformación que la utilización de refuerzos de mayor resistencia colocados con espaciamientos más grandes.

Todos estos descubrimientos han conducido a Maccaferri a diseñar estructuras de terreno reforzado híbridas hechas de una combinación de malla de alambre de acero y geomallas, donde el componente acero proporciona una función de refuerzo secundario y las geomallas actúan como refuerzo primario, de modo que el material alcanza una resistencia mayor a un coste moderadamente bajo con una instalación relativamente simple. Con el objetivo de asegurar la estabilidad necesaria de la malla de alambre de acero, se debe asegurar una longitud mínima de 3 metros, y el espaciamiento entre geomallas no debe exceder los 2 metros para permitir una distribución más amplia de las fuerzas de estabilización proporcionada por los refuerzos primarios al muro de terreno reforzado (Fig. 2)

Para investigar completamente el comportamiento actual de estructuras híbridas, entre los años 2000-2003 se llevó a cabo un proyecto de investigación con la cooperación de laboratorios y Universidades, que cubría tanto el modelo físico como el numérico.

El modelo del ensayo fue construido en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Civil de ENEL-HIDRO en Seriare, Italia. Las dimensiones internas del muro ensayado fueron 2.130 x 5.100 x 4.000 mm (Ghionna et al. 2002).

El suelo utilizado como material de relleno fue una arena silícica uniformemente graduada (Ticino Sand) cuyos parámetros geotécnicos son los siguientes:

• Angulo de rozamiento interno ϕ‘p = 43°
• Cohesión drenada c’ = 0
• Vol. constante ángulo de fricción ϕ‘cv = 34°
• Módulo corte directo G_o = 630÷900 kPa

La arena fue sujeta a ensayos de corte directo con el objetivo de determinar el coeficiente de deslizamiento directo (α_ds) con el fin de determinar su coeficiente de interacción suelo-refuerzo. (Vicari and Duran da Silva, 2003).

Los dos refuerzos empleados en el modelo son:

• Una malla doble torsión de alambre de acero, aleación Zn95Al5 recubierta de PVC (Maccaferri Green Terramesh, Resistencia a la tracción T_ult = 50 kN/m);
• Una geomalla de poliéster (MacGrid WG 3, T_ult = 30 kN/m);

Se construyó un modelo real con una cara vista envuelta de 2 metros de ancho y 3,6 de alto que consistía en 6 capas de refuerzo colocadas alternativamente: la capa de la base estaba hecha de malla de acero de doble torsión, y en la capa de encima de ésta se colocó una geomalla (Figura 2). El ángulo de inclinación del talud del muro es de 20º respecto la vertical.

La carga en la coronación del muro fue aplicada empleando una placa de acero de 1.9x1.1 y un sistema hidráulico que actuaba sobre la placa a través de una junta esférica. Se desplegaron un total de 70 puntos de instrumentación en el muro modelo (Ghionna et al. 2002). El análisis de todas las medidas recogidas durante la fase de carga y las observaciones de la integridad de los refuerzos después de la eliminación de material de relleno del trasdós permitió determinar la superficie de rotura (Fig. 3).

La modelización numérica del comportamiento del muro se llevó a cabo mediante un código bidimensional de diferencias finitas (FLAC-2D); se añadió una sub-rutina a la versión comercial del código con el objetivo de implementar una nueva ley constitutiva no lineal para suelos granulares. El modelo numérico adoptado consiste en los tres siguientes elementos: suelo, refuerzos e interfaz suelo-refuerzo; sus relaciones constitutivas se describen a continuación.

3.1. Suelo, refuerzos e interacción

El modelo de suelo adoptado por la arena Ticino es un modelo elástico no lineal asociado al criterio de rotura de Mohr-Coulomb con asignación por hinchamiento y reblandecimiento post-pico. (Vicari et al. 2003). El comportamiento no lineal tensión-deformación se contempla mediante una ley hiperbólica de degradación del módulo de cizalla. Los dos refuerzos fueron modelizados a través de un elemento axial lineal elástico unidimensional, tipo catenaria, sin rigidez a la flexión y flexibilidad únicamente en tensión caracterizados por la siguiente resistencia a la tracción Tult y rigidez linear J:

• Malla de alambre de acero de doble torsión: T_ult = 50 kN/m; J = 500 kN/m
• Geomalla: T_ult = 30 kN/m; J = 186 kN/m

La interfaz ha sido modelizada a través de dianas hormigonadas representados por sistemas ‘spring-slider’ que están situados en los nodos; el comportamiento a cizalla de estas dianas hormigonadas durante el desplazamiento entre el refuerzo es descrito numéricamente por una relación linear, elástica, perfectamente plástica caracterizada por los siguientes parámetros:

• K_b = interacción (adhesión) coeficiente de rigidez
• Ƭ_b = Resistencia última al corte (adhesión).

Además, se ha asumido un modelo puramente friccional (cohesión cero) para Ƭ_b de acuerdo con la expresión Ƭ_b = σ’_v α_b tanϕ‘_p donde α_b es la interacción (adhesión) del coeficiente de esfuerzos.

3.2. Análisis FLAC

Para los cálculos en FLAC se adoptó una red de 4 nodos hecha de 3.656 elementos, de dimensiones 3.800 mm (altura), longitud 5.400 mm (base) y 3.800 mm (en coronación); el análisis numérico comenzó con el muro modelo completamente ejecutado; al principio de cada escalón de carga se comprobó que la carga por tracción en el refuerzo no excedía su carga de rotura nominal, tomándose un valor del ángulo de dilatación δ’ de 17°. El análisis cubrió dos casos en términos de los ángulos de fricción máximo del suelo ϕ‘_p:

• ϕ‘_p (TX)= 47° en condiciones triaxiales
• ϕ‘_p (PS)= 53.5°en condiciones de tensión planas

3.3. Resultados de FLAC ϕ‘_p en condiciones de Tensiones Planas

El modelo teórico de la placa de carga se acerca mucho a las medidas realizadas ‘in situ; pero, a lo largo de los bordes de la placa y a su centro, la diferencia entre los valores medidos y calculados es del 13% en el centro de la placa y del 10% al borde superior.

Los modelos calculados a lo largo de los planos de refuerzo muestran una muy buena correspondencia, especialmente aquellos que están localizados cerca de la placa de carga (refuerzos 5 y 6), donde las diferencias no superan el 17%. Los refuerzos inferiores muestran diferencias más elevadas (30-35%) y esto es debido básicamente a una menor precisión a causa de las pequeñas deformaciones medidas.

La figura 4 muestra las fuerzas a tracción en el refuerzo durante la última fase de carga: como regla general, los elementos de malla de alambre de acero están más cargados que las geomallas. El análisis en las secciones centrales, donde las tensiones son más altas en ambos refuerzos, arrojan las siguientes tensiones:

• Malla de alambre de acero de doble torsión: T_w ≈ 42 kN/m
• Geomalla de refuerzo: T_g ≈ 19 kN/m

La relación T_w/T_g es igual a 2.26, lo cual es coherente con la relación entre los módulos lineales de rigidez de los refuerzos J_w/J_g = 2.69. Por tanto, las deformaciones longitudinales máximas calculadas ε son respectivamente 9% para la malla de alambre de acero y 10 % para la geomalla, muy parecidos a los valores de rotura medidos en el muro del experimento.

3.4 Resultados de FLAC con ϕ‘_p Condiciones Triaxiales

La Figura 5 muestra las deformaciones plásticas a rotura obtenidas con ϕ‘_p(TX) en la última fase de carga: la superficie crítica ϕ‘_p(PS) se parece mucho a la mostrada en la Figura 5. Sin embargo, en relación al estado de deformaciones, los valores calculados son considerablemente más elevados (65 a 75%) que los correspondientes a ϕ‘_p(PS) y los medidos en el muro experimental.

Esto es coherente con los descubrimientos hechos recientemente basados en los análisis posteriores de un número importante de estructuras de terreno reforzado, que indican que el pico del ángulo de fricción controla la capacidad interna de las estructuras geosintéticas (Allen e Bathurst, 2001).

Figura 5: Deformaciones plásticas a cizalla con ϕ’_p(TX).

Macstars 2000 es un software desarrollado por el grupo Maccaferri para llevar a cabo un análisis de estabilidad de todo tipo de muros de terreno reforzado utilizando distintos tipos de refuerzos y escenarios complejos de diseño. El software utiliza un planteamiento convencional del equilibrio límite: Bishop, Janbu, y el Método de Desplazamiento. El Método de Desplazamiento, que recientemente se ha hecho más popular en la literatura, tiene la habilidad de comprobar la efectividad de los refuerzos a través del análisis de su rigidez en la intersección con el círculo de deslizamiento.

En el caso que nos ocupa, el Software Macstars 2000 se ha utilizado para verificar su efectividad en reconstruir la tensión y el modelo de esfuerzos del refuerzo del muro experimento, mediante la asignación de superficies de rotura y cargando por fases la estructura (Vicari. 2005). Los resultados principales del análisis del Método de Desplazamiento son:

Las condiciones experimentales de colapso se han obtenido con un valor del ángulo de fricción parecido al ϕ‘p(PS), de acuerdo con los resultados del FLAC.

Los asentamientos verticales calculados son casi los mismos que los medidos y tienden a ser más elevados únicamente cuando la carga aplicada es próxima al colapso (Figura 6).

• El valor máximo del FS se consigue para todas las fases de carga mediante la imposición de un esfuerzo de tensión del 18% en la malla de alambre de acero.
• La condición FS=1 es conseguida cuando q=650 kPa, a la cual corresponde un asentamiento vertical del muro de 40 mm.

En conclusión, el Método de los Desplazamientos implementado en Macstars 2000 ha evidenciado una muy buena capacidad en la modelización de las condiciones de diseño, lejos de las condiciones de colapso, que es el caso más habitual con el que tienen que lidiar los diseñadores.

5.1. Muelle seco de Nigg (Cromarty Firth, UK, 1997)

Barmac, la empresa propietaria del muelle seco de Nigg, identificó un nuevo mercado en instalaciones para infraestructuras de producción flotantes. El muelle Nigg podía reunir estas necesidades pero requería una modernización para permitir la facilidad de acomodar embarcaciones mayores que incluía un nuevo muro de contención de 240 m de longitud y 15 m de altura para sustituir el talud occidental. Una estructura de terreno reforzado era necesaria para contener la nueva área de relleno entre el nuevo muelle y el dique seco existente.

La tipología de muro Terramesh System ofrecía un sistema económico mientras proporcionaba la cantidad óptima de espacio rentable y la superficie necesaria para el almacenamiento de embarcaciones durante las remodelaciones. Las necesidades de los clientes fueron analizadas al detalle y debido a la naturaleza sin precedentes del diseño, Maccaferri y Ove Arup (gabinete de Ingeniería) trabajaron juntos para satisfacer las exigencias de los mismos.

El diseño preliminar de Maccaferri para el muro reforzado Terramesh se realizó de acuerdo con la norma BS 8006; comprobando la estabilidad interna y externa, utilizando el software de equilibrio límite propio Macstars y el software comercial Slope.

El obstáculo más grande fue el control del nivel freático de modo que se pudiera reducir la presión de poros en la arena, trabajando lo más cerca de Ru=0 mediante drenajes verticales y horizontales.

Teniendo en cuenta esta limitación juntamente con las elevadas cargas del muro, la estabilidad de la estructura sólo se garantizaba mediante la utilización de geomallas de poliéster de alta resistencia como el refuerzo ParaLink 300 utilizado juntamente con los refuerzos de suelo Terramesh System, tal y como se muestra en la Fig.7. El ParaLink tiene una estructura mixta, constituida por un núcleo interno de fibras de poliéster de baja fluencia recubiertas de polietileno resistente, haciéndolo más durable e ideal para el entorno severo a Nigg.

La geomalla ParaLink en la mitad inferior de la estructura proporciona una alta resistencia con el objetivo de controlar la estabilidad al vuelco y al deslizamiento. La longitud de los refuerzos en la base era de 20 metros. El trabajo fue completado en un mes, la misma semana el dique fue inundado por primera vez (Fig. 8).

5.2. El Proyecto del muro de 19 m de altura en Loreto Aprutino (Italia, 2001)

El proyecto consistió en la construcción de un muro de terreno reforzado a lo largo de la Carretera SS 151, que conecta las ciudades de Pescara y Loreto Aprutino, en Italia. Debido a la topografía del territorio, accidentado y montañoso, el diseño original contemplaba la construcción de un viaducto para proporcionar una mejor alineación de la carretera. Los ingenieros de la Autoridad de Carreteras (ANAS) miraron otras alternativas de diseño, y de hecho, optaron por una solución que permitiera la revegetalización del paramento y con menor impacto ambiental que el hormigón: un muro de terreno reforzado a 70º con paramento vegetalizable empleando unidades Green Terramesh. La sección transversal en el punto más alto de la estructura alcanzaba una altura de 19 metros.

Las cargas se mayoraron con un coeficiente sísmico horizontal de 0.07 y sin cargas adicionales actuando simultáneamente.

La solución optada para el diseño (Fig. 9) fue un talud de terreno reforzado usando mallas primarias combinadas (ParaLink 300 y 800) espaciadas verticalmente en intervalos de entre 1 y 1.8 m, situadas entre refuerzos más cortos de malla de alambre de acero que emplean las unidades Green Terramesh y Terramesh System.

Simultáneamente, se hizo un diseño comparativo mediante un planteamiento convencional, usando el mismo tipo de geomallas de refuerzo con unas resistencias inferiores y espaciadas uniformemente en la vertical. Las geomallas de refuerzo fueron elegidas para proporcionar factores de seguridad internos y globales comparables con la solución de combinar refuerzos primarios y secundarios; la sección alternativa de diseño se presenta en la Fig. 9. Basándose en la experiencia de campo, el coste de instalación del diseño de la sección utilizando refuerzos combinados, asumiendo el suministro de material y los costes de instalación (mano de obra, maquinaria y compactación del relleno) se estimó aproximadamente un orden del 10 al 12% más bajo de costes totales que el equivalente a la sección diseñada únicamente con geomallas de refuerzo.

El proyecto Loreto Aprutino se diseñó en octubre del 1998. La estructura, que consistió en 1.800 m² de paramento del muro, fue construida entre junio y setiembre del 2000. En mayo del 2001, se hizo un tratamiento de hidrosiembra para asegurar un proceso más rápido de vegetalización. (Fig. 10).

5.3. Retail Park, Leiria (Portugal), 29,2 metros de altura

Este muro de terreno reforzado se construyó para ampliar el espacio de estacionamiento en el Parque Retail en Leiria, Portugal. Alcanzó una altura máxima de 29.2 m empleando una combinación de geomallas, unidades Terramesh System y Green Terramesh. Al igual que en el proyecto explicado anteriormente se partió de dos hipótesis de trabajo (Figura 11), variando la longitud, resistencia y espaciamiento de las geomallas al combinarse con elementos de refuerzo estructural que emplean malla de doble torsión.

Basándonos en la experiencia de campo, el coste estimado de la sección diseñada utilizando refuerzos combinados, considerando el suministro de material y los costes de instalación (mano de obra, maquinaria y compactación del relleno) se estimó aproximadamente un 15% de ahorro que la sección equivalente diseñada únicamente con geomallas de refuerzo.

El proyecto en Leiria se diseñó en abril del 2001. La construcción del muro (3.300 m² de paramento) comenzó en mayo del 2001 y finalizó en agosto del 2001. El tratamiento de hidrosiembra se llevó a cabo en octubre del 2001 (Fig. 12).

5.4. Estructura de terreno reforzado de 24 m de altura para la carretera Scut Interior Norte (Portugal)

La carretera Scut 5 Interior Norte es una autopista en concesión por un período de 30 años utilizando el principio de peaje en la sombra y fue ejecutada en la parte Norte de Portugal con el objetivo de desarrollar la economía de la región. La autopista, que tiene aproximadamente 154 km de longitud, va de Viseu hasta Chaves, ciudad fronteriza con España al norte, y se divide en 7 tramos.

A lo largo del tramo C, con 22 km de longitud entre Vila Real y Regua, el tramo discurre en un área accidentada en medio de los viñedos de Porto, en el que se requirieron distintas estructuras de terreno reforzado de una altura que oscilaba entre 15 y 24 metros. Después de haber evaluado las distintas alternativas de diseño, los diseñadores (Norinter, miembro del Grupo Eiffage) adoptaron finalmente la solución híbrida hecha con refuerzos de malla de alambre de acero y con el paramento de gaviones (Terramesh System) y geomallas de poliéster de muy bajo módulo elástico (ParaLink 200 and 300).

El diseño de las estructuras (Fig. 13) fue realizado por Maccaferri France mediante la utilización del Macstars 2000 software en cumplimiento con los requerimientos de la normativa BS 8006 y fue validado por Norinter mediante softwares comerciales como Talren y Plaxis; ambas comprobaciones de estabilidad se han realizado bajo cargas estáticas (20 kPa carga adicional para carreteras) y condiciones de sismicidad (aceleración horizontal y vertical igual a 0.053 y 0.025 g/m2 respectivamente).

La superficie total del paramento es de aproximadamente 20.000 m² construidos entre julio del 2002 y noviembre del 2003.

5.5. Autopista de Kalimash (Albania), 37 m de altura de muro Terramesh System

El proyecto de 103 km de longitud, otorgado a Bechtel Enka Joint Venture (BEJV), es una conexión clave entre el Puerto de Durnes, principal puerto de Albania en el mar Adriático y Kosovo. El trayecto, que antaño duraba 6 horas, ha pasado a durar 2 favoreciendo la economía de la región noreste de Albania. Todo el trabajo constructivo terminó en junio del 2009. La autopista se diseñó como una carretera de doble vía de 2 x 3.75 m, complementada con 20 metros de carril de emergencia en el arcén, todo ello en la complicada topografía del terreno de las montañas de Albania a una altitud de alrededor de 1.000 m.

Maccaferri fue la responsable del diseño, suministro y la instalación, a través del socio local Albania Draht, de 30 estructuras híbridas de terreno reforzado hechas con unidades de Terramesh System de 4 m de longitud y geomallas ParaLink 300, la longitud de las cuáles varía en función de los requerimientos del diseño; la máxima altura del muro es de 37 m.

Bibliografia

• Allen T.M. and Bathrust R.J. (2001). Prediction of Soil Reinforcement Loads in Mechanically Stabilized Earth (MSE) Walls. Final Research Report prepared for Washington DOT (USA).
• Ghionna V.N., Fioravante V., Vicari M. (2002). Full scale test on a retaining wall with non-uniform reinforcements. 7th ICG, Nice.
• Gourc J.P., Ratel A., Delmas P. 1986. Design of fabric retaining walls: The displacement method, 3rd International Conference On Geotextiles, II: 289-294, Vienna.
• Hatami K., Bathrust R.J., Di Pietro P. 2001. Static Response of Reinforced Soils Retaining Walls with Non- uniform Reinforcements. The International Journal of Geomechanics: Volume 1, Number 4, 477-506.
• Lemonnier P., Soubra A.H., Kastner R. 1998. Variational displacement method for geosynthetically reinforced slope stability analysis: I. Local stability, Geotextiles and Geomembranes 16: 1-25, Elsevier.
• Vicari M., Duran da Silva J. (2003). Interpretation of direct shear and pullout tests on double-twisted steel wire mesh reinforcements. Geosinteticos 2003, Porto Alegre.
• Vicari M., Duran da Silva J. (2005). Lessons learned from the numerical modelling of a retaining wall with non-uniform reinforcements, Infogeo 2005, Belo Horizonte.