Criterios de diseño de muros pantalla

En el diseño de un muro pantalla intervienen muchos factores. Ahora bien, ¿cuáles son los que tienen un mayor impacto en el dimensionamiento y posterior comportamiento de la estructura? En este artículo repasamos algunos de ellos.

📢 ¡Antes de nada! Este texto lo escribí hace ya algunos años y, como es lógico, recoge información de varias fuentes. Lamentablemente no he conservado todas las referencias y sólo he podido recuperar las que incluyo al final del artículo. Si reconoces alguna fuente no citada, no dudes en comunicármelo para incorporarla.

Volviendo al tema del artículo, a la hora de diseñar un muro pantalla debemos prestar especial atención a los siguientes factores:

Parámetros del terreno

El primer tema que debe estudiarse a la hora de diseñar un muro pantalla es el terreno en el que se va a construir. La información geotécnica disponible no es siempre tan extensa y precisa como todos desearíamos, pero debe exigirse que al menos sea suficiente como para definir algunos parámetros fundamentales del terreno: densidad (aparente y sumergida si existe nivel freático), ángulo de rozamiento interno, cohesión, módulo de elasticidad, módulo de balasto, etc. De no ser así, es recomendable realizar campañas de investigación complementarias.

La falta de información geotécnica puede llevar a considerar propiedades del terreno excesivamente conservadoras, lo que en ocasiones nos aleja del comportamiento real de la estructura que estamos proyectando. Puede ser más recomendable utilizar parámetros del terreno ajustados a los datos de campo disponibles y posteriormente aplicar coeficientes de seguridad globales directamente proporcionales a la incertidumbre de los datos geotécnicos. Por otro lado, los análisis probabilísticos son cada día más utilizados en el ámbito geotécnico y en ellos la calidad de los datos existentes juega un papel fundamental.

En el cálculo de muros pantalla es recomendable ser prudente con los datos geotécnicos, pero no excesivamente conservador para evitar una modelización errónea de la estructura.

En el cálculo de pantallas en terrenos cohesivos debería realizarse una doble comprobación, en tensiones totales y efectivas, y variar el ángulo de rozamiento interno y la cohesión desde sus valores sin drenaje hasta los drenados. La utilización de unos valores u otros depende principalmente de la duración de las distintas fases del proceso de ejecución. No obstante, el cálculo en tensiones efectivas queda en la mayoría de los casos del lado de la seguridad, por lo que suele utilizarse como modelo único.

Respecto a la cohesión, no es recomendable ser demasiado optimista en su valoración, ya que influye de forma determinante en la magnitud de los empujes.

Si no se dispone de suficientes ensayos de caracterización, es una práctica prudente asignar una cohesión nula a terrenos granulares y entre 2 y 3 T/m², como máximo, a terrenos cohesivos.

En cuanto al módulo de balasto, necesario para aplicar modelos tensión – deformación basados en el método de Winkler, conviene recordar que es una relación entre la flecha de la pantalla y la presión en el punto de medida. Son numerosas las propuestas que pretenden definir este parámetro vinculándolo con variables como el módulo de elasticidad, módulo presiométrico, dimensiones de la parte cargada, rigidez de la pantalla, etc. El ábaco de Chadeisson, por ejemplo, relaciona el módulo de balasto con el ángulo de rozamiento interno y la cohesión. El resultado que se obtiene con este ábaco suele ser conservador, por lo que a falta de resultados experimentales puede utilizarse para una primera aproximación del valor del módulo de balasto.

El módulo de balasto no es una propiedad intrínseca del terreno sino que depende de la superficie de carga.

Situación del nivel freático

El empuje generado por el agua es quizá el factor más importante en el cálculo de un muro pantalla. Si bien en los parámetros vistos en el apartado anterior se aconsejaba adoptar valores característicos, en el caso del nivel freático es conveniente ser conservador.

El nivel freático considerado no debe basarse en una medida puntual, sino que debe englobar las posibles fluctuaciones que puedan existir en un periodo de tiempo representativo.

A la hora de situar el nivel freático deben estudiarse los registros históricos para tener en cuenta situaciones excepcionales y, en cualquier caso, elevar al menos 1 metro su posición sobre el nivel máximo detectado en la investigación geotécnica efectuada.

En cuanto a las leyes de presiones intersticiales a ambos lados de la pantalla, es habitual considerar los valores hidrostáticos. Puede darse el caso de que estratos suficientemente impermeables rompan la transmisión vertical de presiones, resultando una ley más favorable. Este hecho se debe contrastar experimentalmente mediante la instalación de piezómetros o, de lo contrario, puede resultar arriesgado considerar leyes diferentes de las hidrostáticas.

Empujes del terreno

Como se ha señalado con anterioridad, los modelos actuales de cálculo tienen en cuenta que los empujes varían con el desplazamiento de la pantalla según una ley elastoplástica. Para desplazamientos nulos, el valor del empuje será el correspondiente al reposo, y en los estados límite se alcanzarán los empujes pasivos y activos, dependiendo del sentido del desplazamiento.

Es habitual aplicar al empuje pasivo un coeficiente de seguridad de entre 1,50 y 2,00, ya que para movilizarlo se requiere un desplazamiento importante de la estructura. Esta práctica tiene sentido en métodos de equilibrio límite en los que siempre se trabaja con el terreno plastificado, independientemente del nivel de deformación. Sin embargo, en modelos tensión – deformación en los que los empujes vienen definidos en cada momento por el desplazamiento de la pantalla, adoptar un factor de seguridad elevado para el empuje pasivo puede resultar excesivamente conservador.

Rozamiento terreno – pantalla

Al existir desplazamientos y ser el hormigón un material rugoso, el empuje sobre la pantalla se inclina sobre ésta un determinado ángulo con la horizontal que favorece la estabilidad. El valor de este ángulo (δ) es siempre una incógnita y su influencia en el cálculo resulta determinante.

El Código Técnico de la Edificación (CTE) limita el valor de δ a 1/3Φ para el empuje pasivo y a 2/3Φ para el empuje activo (δ=0 para empuje activo si se emplean lodos tixotrópicos), siendo Φ el ángulo de rozamiento interno del terreno. La ROM (Recomendaciones para Obras Marítimas), por su lado, recomienda valores de δ moderados, inferiores a Φ tanto en el empuje pasivo como en el activo. Otras recomendaciones, como por ejemplo las del Cuerpo de Ingenieros de Estados Unidos, indican que los valores de δ no deben superar 1/3Φ en empuje pasivo y 1/2Φ en empuje activo.

Considerar un ángulo de rozamiento nulo en el empuje activo debido a la utilización de lodos tixotrópicos penaliza cálculo en exceso y no parece ajustarse a la realidad si se lleva a cabo un control adecuado de los lodos de perforación y del proceso de ejecución de la pantalla. Por el contrario, valores muy altos del ángulo de rozamiento pueden llevar el cálculo al lado de la inseguridad.

Es habitual considerar un ángulo de rozamiento entre el muro pantalla y el terreno de 1/3Φ, tanto en el empuje activo como en el pasivo.

Sobrecargas de estructuras medianeras

El efecto de las cargas medianeras sobre la pantalla puede llegar a ser muy importante, especialmente si existen edificios de gran altura o estructuras pesadas en las proximidades. En la mayoría de los cálculos se utilizan las soluciones que proporciona la teoría de la elasticidad para cargas puntuales, uniformes o en faja.

Se ha demostrado que, en algunas ocasiones, los empujes reales son superiores a los valores teóricos que proporciona la elasticidad, por lo que algunos autores recomiendan utilizar un coeficiente de mayoración de estas cargas de hasta 2,00.

También es cierto que, cuando las cargas se sitúan a una cierta distancia de la pantalla, los empujes reales pueden llegar a ser despreciables, mientras que por la teoría de la elasticidad continúan teniendo un efecto significativo. Es complicado definir a partir de que punto las cargas no tienen influencia sobre la pantalla. Algunas publicaciones utilizan el concepto de la cuña activa, de forma que toda carga situada fuera de ella puede no ser considerada en el cálculo. Parece más prudente no tener en cuenta las cargas medianeras cuando se sitúan a una distancia de la pantalla superior a la profundidad de ésta, salvo casos excepcionales con cargas de gran magnitud (edificios de más de 15 plantas).

Si no se tienen datos acerca del tipo y configuración de la cimentación del edificio colindante, es frecuente considerar en el cálculo una carga indefinida situada a la cota del último sótano, o en superficie si no hay sótanos, de valor igual a 1 T/m² por cada piso del edificio. Si en la modelización no puede eliminarse el terreno que realmente ocupan los sótanos, debe sustraerse de la carga obtenida el peso del terreno ubicado en esa zona. Una carga de esta magnitud suele llevar a resultados conservadores. Evidentemente, si se conoce la ubicación y forma de la cimentación, y la carga que actúa sobre ésta, el cálculo puede realizarse con mayor exactitud.

Por ejemplo, un edificio de 10 plantas sobre superficie con un único sótano puede modelizarse mediante una carga a la cota -3,00, aproximadamente, de valor igual a 10,00 T/m² menos el peso del terreno situado en la zona del sótano. Si se considera una densidad de terreno de 1,80 T/m³, se obtiene una carga generada por el edificio de 10,00 – 1,80 x 3,00 = 4,60 T/m².

En el cálculo no deben olvidarse las cargas existentes en la cabeza del muro pantalla debidas a la superestructura, ni las derivadas de los elementos de apoyo: anclajes, forjados, losas, etc.

Comprobaciones de estabilidad, capacidad e impermeabilidad

En un muro pantalla deben realizarse, como mínimo, las siguientes comprobaciones en fase de diseño (relación tomada del CTE):

Estabilidad global

Deben analizarse las superficies de deslizamiento y comprobar que se respeta un coeficiente de seguridad adecuado en la situación más desfavorable. Los fenómenos de inestabilidad global, en caso de producirse, pueden llevar a situaciones catastróficas.

Estabilidad del fondo de la excavación

En terrenos cohesivos puede producirse la rotura del fondo de la excavación durante el vaciado del recinto. Este fenómeno se origina cuando la magnitud de la excavación lleva al agotamiento de la resistencia a esfuerzo cortante por efecto de las presiones verticales del terreno. En el cálculo son frecuentes coeficientes de seguridad de 2,00 si no existen estructuras sensibles a movimientos en las proximidades de la pantalla, y 2,50 en caso contrario.

Si se corre el riesgo de que se produzca la rotura del fondo, puede estudiarse la posibilidad de realizar un tratamiento de mejora del terreno para aumentar su resistencia al corte.

Si la excavación del intradós se realiza en presencia del nivel freático, la corriente de filtración de agua puede producir arrastre de material o sifonamiento. La seguridad frente a este fenómeno se estudia comparando el gradiente de filtración con el gradiente crítico, incorporando generalmente un coeficiente de seguridad de 2,00. Según palabras del profesor Jiménez Salas: “Los casos más graves de sifonamiento con inestabilidad total o colapso de la pantalla, no se producen en la práctica más que en terrenos de arena fine uniforme. En suelos granulares bien graduados no suele ocurrir de esta mantera y el terreno se ablanda, para terminar en tubificaciones o, a lo más, zonas inestables locales. En los terrenos con alguna cohesión, por presencia de limo o pequeñas cantidades de arcilla, suele acabarse también en tubificación. Esto se debe a que, mientras que en la arena uniforme se comporta con arreglo a la teoría esquemática del sifonamiento, los demás suelos movilizan defensas que retrasan el fenómeno, hasta que son superadas localmente”. Por lo tanto, debe prestarse especial atención a este fenómeno cuando los terrenos estén formados por arenas finas de graduación uniforme.

El sifonamiento se previene disminuyendo el gradiente hidráulico, por lo que en situaciones normales suele bastar con aumentar la profundidad de las pantallas.

El flujo de agua hacia la excavación puede provocar también el levantamiento del fondo. Para que se desarrolle este fenómeno, debe existir una capa de terreno poco permeable en cuya base actúe una presión intersticial ascendente superior al peso de tierras situado sobre ella.

En estos casos, es inútil aumentar la profundidad de las pantallas y deben estudiarse otras posibles soluciones. Es frecuente proceder a macizar el terreno situado sobre la capa poco permeable, por ejemplo con columnas de jet grouting, de forma que aumente el peso que se opone al levantamiento. También pueden ejecutarse pozos de sangrado que liberen las presiones intersticiales en la zona problemática.

El fondo de la excavación de un recinto apantallado debe estudiarse con el máximo detalle. Se recomienda que en el cálculo de los fenómenos de rotura, sifonamiento y levantamiento se adopten criterios conservadores de cálculo.

Estabilidad, capacidad estructural e impermeabilidad de la pantalla

Los estados límite de rotura por traslación, rotación o hundimiento deben ser estudiados convenientemente.

Los empujes y momentos flectores originados por el trasdós y el intradós deben estar compensados en todas las fases de ejecución, con el coeficiente de seguridad que se estime oportuno (entre 1,50 y 2,00 habitualmente).

La pantalla debe armarse de acuerdo a la envolvente de esfuerzos obtenida en el cálculo de todas las etapas del proceso de ejecución, desde el comienzo del vaciado hasta la puesta en servicio.

En cuanto a la permeabilidad, debe tenerse en cuenta que los muros pantalla no son estructuras impermeables. Es habitual que durante la excavación del recinto aparezcan humedades y se produzcan pequeñas filtraciones de agua en juntas, conexiones o a través del propio hormigón de la pantalla. Y así lo refleja la normativa internacional, como por ejemplo la Norma Europea EN 1538: ‘Ejecución de trabajos geotécnicos especiales: muros pantalla’.

👉 Cómo mejorar la estanqueidad de un muro pantalla.

Movimientos

El diseño de muros pantalla debe hacerse teniendo en cuenta el umbral de movimientos admisible en el entorno. El nivel máximo de desplazamientos que debe aceptarse depende de la proximidad, tipología y estado de conservación de edificios, estructuras y servicios colindantes.

Los métodos tensión – deformación permiten calcular las deformaciones de la pantalla durante el vaciado de tierras. El problema es que, incluso conociendo con exactitud los movimientos, resulta complicado determinar los asientos inducidos en las proximidades. Por el contrario, los programas actuales de elementos/diferencias finitas sí están preparados para el cálculo de asientos, ya que permiten incluir en la modelización tanto la estrucutra como su entorno.

Algunos autores han definido leyes de distribución de asientos en función del asiento máximo de la pantalla, que a falta de información puede estimarse en el 75% del valor de la flecha máxima. Por norma general, a partir de una distancia de la pantalla igual a dos veces la profundidad de excavación, los asientos que se producen son relativamente pequeños y tienen una influencia menor en las construcciones medianeras.

Existen también inventarios extensos de flechas y asientos medidos experimentalmente en muros pantalla, que relacionan los movimientos con la altura de excavación. No obstante, las particularidades de cada caso hacen que estos valores deban tomarse con un cierto grado de escepticismo.

Cuando el entorno de la pantalla es delicado, es habitual adoptar criterios de distorsión angular para evaluar la peligrosidad de los asientos que se producen durante la excavación. No hay un límite claro y único de distorsión angular que no produzca daños en el entorno, aunque suele tomarse como referencia un umbral de 1/1000 (se define la distorsión angular como el asiento diferencial que se registra entre dos puntos dividido entre la distancia entre los mismos).

Como resumen de lo anteriormente expuesto, se incluye un criterio sencillo para limitar las flechas de la pantalla en fase de diseño. Si se denominan δ_H a la flecha máxima en la pantalla, H a la altura de excavación y D a la distancia entre el muro pantalla y los edificios medianeros, pueden considerarse admisibles las flechas que se indican en la figura siguiente.

Flechas inferiores a 15 mm en un muro pantalla suelen ser sinónimo de afección mínima a edificios, estructuras y servicios ubicados en las proximidades.

Estos valores reúnen la experiencia de obra y las conclusiones de lo estudios más significativos en este campo. En cualquier caso, cada proyecto requiere un estudio detallado de la influencia de los movimientos de la pantalla en el entorno.

Referencias

• MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS (2002). “Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes”. Ed. Liteam.
• MINISTERIO DE LA VIVIENDA (2006). “Código Técnico de la Edificación. Documento Básico SE-C. Seguridad estructural. Cimientos”.
• RODRÍGUEZ ORTIZ, J.M. (2008). “Algunos temas de interés en el diseño de muros pantalla”. Jornadas Técnicas SEMSIG – AETESS. Muros Pantalla en ámbito urbano. Ed. Aetess.