lunes, 14 de diciembre de 2009

CAPITULO I: PROPUESTA INVESTIGATIVA

DISEÑO Y OBTIMIZACION DE MUROS DE CONTENCION DE GAVIONES CON EL SOFTWARE “GAWACWIN”
1.- INTRODUCCION.-
Es de conocimiento de todos que ahora en día la computadora es una herramienta indispensable para los ingenieros que pueden explotarla, ya que con ella a diferencia de antes se puede lograr diseños optimizados y por lo tanto económicos que es un aspecto muy importante en base a softwares desarrollados que permiten realizar operaciones o procesos iterativos en fracción de segundos y saber los resultados para ser evaluados y optimizarlos, es aquí que se quiere aprovechar la aplicación del software GAWACWIN en el diseño y optimización de muros de contención de gaviones, ya que este relativamente nuevo material de construcción como es el “Gavión” ofrece muchas y otras ventajas en comparación al hormigón armado, además de ofrecer otra opción para los diferentes problemas de ingeniería civil.
Por lo tanto este es un aporte para la difusión y enseñanza de un instrumento de diseño como es el software GAWACWIN.
2.- JUSTIFICACION.-
Debido a los fenómenos climatológicos ocurridos en estos últimos años como el fenómeno del Niño y de la Niña, las carreteras de nuestra red fundamental se encuentran muy deterioradas, como ejemplo podemos citar la carretera antigua a Cochabamba, en la cual se puede observar a todo lo largo de ella un gran deterioro de la misma, quedando de esta manera dañada y con muchas necesidades entre las cuales se puede mencionar: desestabilizad de taludes de los cerros ocasionados por los derrumbes, la desestabilizad de taludes en la plataforma existente por fallas geológicas ocasionando la reducción del ancho de plataforma en consecuencia el peligro inminente para el trafico, falta de drenajes longitudinales y transversales, etc.
Por lo anterior expuesto es necesario una solución económica, rápida y fácil de construcción como es la construcción de muros de contención de gaviones que se adapta muy bien a los requerimientos de dichos problemas y es por eso que en el proceso de diseño y optimización de dichos elementos jugara un papel muy importante el aspecto económico, por lo que la difusión de herramientas como el software GAWACWIN se convierte en algo muy importante para los ingenieros actores en dar solución a dichos problemas.
3.- OBJETIVOS.-
3.1.- Objetivo general.-
Aplicar el software GAWACWIN para el diseño y optimización de muros de contención de gaviones.
3.2.- Objetivos específicos.-
 Conocer la interfaz del programa GAWACWIN
 Poder graficar las caracteristicas geométricas y geotécnicas del muro de gaviones en cuestión
 Introducir las solicitaciones de fuerzas externas al muro de gaviones en cuestión
 Analizar la estructura de gaviones
 Interpretar los resultados y realizar la optimización correspondiente
4.- FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.-
4.1.- Conceptos básicos.-
Los muros de contención se utilizan fundamentalmente para estabilizar masas de tierra u otros materiales sueltos, cuando las condiciones no permiten dejar que estas masas asuman sus pendientes naturales. De manera general los muros de contención se utilizan para sostener taludes de tierra de caras verticales o casi verticales, estas condiciones se presentan cuando el ancho de una excavación, corte o terraplén está restringido por condiciones de propiedad, utilización de la estructura o economía .Por ejemplo en la construcción de vías férreas o de carreteras, el ancho de servidumbre de la vía es fijo y el corte o terraplén debe estar contenido dentro de este ancho.
Sin embargo, en ocasiones el muro desempeña una segunda misión que es la de transmitir cargas verticales al terreno en una función de cimiento. La carga vertical puede venir de una cubierta situada sensiblemente a nivel del terreno o puede ser producida también por varios forjados apoyados sobre el muro y por pilares que apoyen en su coronación transmitiéndole las cargas de las plantas superiores (muros de sótano).
El estribo de puente es un tipo especial de muro de retención, no sólo contiene el relleno de acceso sino que también sirve de soporte para una parte de la superestructura del puente.
Los muros de contención son generalmente soportados por el terreno o roca subyacente a la losa base, pero también son soportados sobre pilotes; esto es especialmente cierto para estribos de puentes. Los pilotes son también utilizados cuando el agua puede erosionar y socavar el suelo base, generalmente en estructuras frontales al agua.
4.2.- Designaciones.-
Tomando el tipo más común de muro, emplearemos las designaciones que se indican en la figura. 4.2

4.3.- Muros de gravedad.-
Son muros de hormigón en masa o de gaviones ( figura 4.3 ) en los que la resistencia se consigue por su propio peso .Normalmente carecen de cimiento diferenciado (figura4.3 a,b) aunque pueden tenerlo ( figura4.3 c,d ).

Su ventaja fundamental es que no van armados. Pueden ser interesantes para alturas moderadas pero teniendo en cuenta su longitud, ya que si esta es muy grande , y el volumen es importante , la parte económica justifica entonces un muro de hormigón armado .
4.4.- Teorías de presión del terreno sobre muros de contención.-
Uno de los problemas que continuamente se presenta en el campo de la ingeniería civil es sin duda la determinación de los esfuerzos que se originan en un macizo terroso durante su desplazamiento, ya que estos deben ser evaluados previamente para poder construir elementos estructurales que controlen este desplazamiento, como son los muros de contención.
Muchas teorías se han planteado desde el siglo XVII, pero ninguna hasta la fecha ha logrado describir de una manera rigurosa la mecánica de suelos en movimiento, todas ellas establecen una serie de hipótesis representativas de la realidad del problema con las que se obtienen valores con un cierto margen de seguridad apropiado, lo que hace que no puedan dejar de ser utilizadas.
La presión del terreno sobre un muro esta fuertemente condicionada por la deformabilidad del muro, entendiendo por tal no solo la deformación que el muro experimenta como pieza de hormigón, sino también la que en el muro produce la deformación del terreno de cimentación.
Si el muro y el terreno sobre el que se cimienta son tales que las deformaciones son prácticamente nulas, se esta en el caso de empuje al reposo.
Si el muro se desplaza, permitiendo la expansión lateral del suelo se produce un fallo por corte del suelo y la cuña de rotura avanza hacia el muro y desciende.
El empuje se reduce desde el valor del empuje al reposo hasta el denominado valor de empuje activo, que es el mínimo valor posible del empuje.
Por el contrario, si se aplican fuerzas al muro de forma que este empuje al relleno , el fallo se produce mediante una cuña mucho más amplia , que experimenta un ascenso este valor recibe el nombre de empuje pasivo y es el mayor valor que puede alcanzar el empuje . El empuje al reposo es por tanto el valor intermedio entre el empuje activo y el empuje pasivo.
4.5.- Empuje de tierras (Empuje Activo y Empuje Pasivo)
El empuje de tierras, es la acción ejercida por un macizo terroso sobre cualquier elemento en contacto con él.
Esta acción puede ser denominada Estado de reposo, Empuje activo o Empuje pasivo en función del sentido del desplazamiento.
Supongamos que una porción de macizo terroso, se expande en dirección horizontal, dentro el cual cada elemento del macizo está sometido a una presión vertical σv constante y a una presión σh que va disminuyendo paulatinamente hasta un cierto valor mínimo donde se movilizara toda la resistencia al corte del suelo, la presión horizontal correspondiente a este estado se denominará presión activa y la relación entre σv y σh se denominará coeficiente de presión activa Ka.
La dirección del empuje varia según el movimiento relativo entre el muro y el macizo, y la intensidad de este empuje varía con la inclinación, el menor empuje es el que actúa con un ángulo igual al de fricción interna del material retenido φ.
Si ahora el suelo se comprime en dirección horizontal como en el caso de un bloque de anclaje que transmite al terreno la tracción de los cables, los elementos del suelo estarán sometidos a una presión vertical constante y a una presión horizontal creciente hasta un punto máximo denominado presión pasiva, y la relación entre σv y σh se denominará coeficiente de presión pasivo Kp.
Este empuje es alcanzado a un valor mucho mayor que el empuje activo, varia también con la inclinación y su valor máximo se presenta para una inclinación -φ . Es decir, el empuje activo es aquel que corresponde a una expansión del suelo y el pasivo a una compresión, los coeficientes respectivos Ka, Kp, serán posteriormente calculados . Los dos estados anteriormente descritos se conocen como estados planos de Rankine.
4.6.- Calculo del empuje Activo y Pasivo.-
En el estado actual de conocimiento podemos calcular los empujes del terreno con razonable precisión en el caso de suelos granulares. Para otros tipos de suelo lamentablemente la precisión es menos satisfactoria.
4.6.1.- Método de Coulomb
Uno de los primeros métodos para estimar la presión de tierras contra muros, es atribuido a Coulomb (1776). Sin embargo la principal deficiencia en la teoría de Coulomb , es la suposición de que el suelo es ideal y que la zona de ruptura es plana, aunque para arena limpia (sin limos ni arcilla ) en el caso de presión activa la zona de ruptura es muy aproximada a un plano.
De forma general:
Presión activa
- Para el caso activo la presión activa será:


El diagrama de cuerpo libre en donde actúan las fuerzas para un terreno con superficie horizontal e inclinado se muestra a continuación:

4.7.- Análisis y verificación de muros de contención.-
En general en el proyecto de un muro existen algunas características fijas y otras seleccionables por el proyectista.
Son características fijas:
- El suelo de cimentación y por lo tanto las presiones máximas admisibles, el coeficiente de rozamiento hormigón - suelo, y el empuje pasivo eventualmente movilizable frente al muro.
- La cota de coronación del muro
- La profundidad mínima de cimentación. Como norma general un muro no debe cimentarse a profundidad inferior a 1 m ya que hasta esa profundidad las variaciones de humedad del suelo suelen ser importantes, afectando a la estabilidad del muro. La posibilidad de penetración de la helada también debe ser considerada en relación
con este aspecto.
Son en cambio características seleccionables:
- Las dimensiones del muro
- El material de relleno del trasdós
- Las características resistentes de los materiales de muro.
Existen 2 fases importantes en el diseño de un muro de contención.
a) Sabiendo la presión lateral del suelo, la estructura como un todo, es verificada en su estabilidad, esto incluye verificar a vuelco, deslizamiento y capacidad portante.
b) Cada componente de la estructura es verificada para los esfuerzos adecuados y el acero de refuerzo es determinado para cada componente.
Los rellenos ejercen presión sobre la cara posterior de los muros y por esta razón la pantalla actúa como una viga en voladizo, y lo es en pequeñas proporciones, ya que se deflecta ligeramente para lograr un estado de presión de tierras activa sobre el muro.
4.7.1.- Predimencionamiento.-
Se sugiere a continuación las características de predimencionamiento para una primera verificación y diseño, la cual será base para la iteración y oprimizacion del muro:

4.7.2.- Verificación de la estabilidad.-
4.7.2.1.- Verificación al Volteo.-
El factor de seguridad contra el volteo alrededor de la puntera, que es alrededor del punto C en la figura 2.9, puede ser expresado como:

Momentos resistentes.
Como se muestra en la figura. 4.7.2.1, el peso del suelo arriba del talón y el peso de la estructura de concreto o (albañilería), ambos son los que contribuyen a la resistencia. Note que la fuerza Pv también contribuye a la resistencia, note también que la fuerza Pp fue despreciada.
El momento de la fuerza Pv alrededor de C es:

4.7.2.2.- Verificación al deslizamiento en la base.-
El factor de seguridad contra el deslizamiento puede ser expresado por la ecuación:

En la figura. 4.7.2.1 se muestra que la fuerza pasiva Pp es también un fuerza horizontal resistente.

Fuerzas deslizantes:
La única fuerza horizontal que tiende a causar el deslizamiento es la componente horizontal de la fuerza activa Ph

4.7.2.3.- Verificación a la capacidad portante.-
La presión es transmitida al suelo a trabes de la base del muro de contención (puntera, tacón, talón), por esta razón debe verificarse la capacidad portante del suelo


Note que el peso del suelo es también tomado en cuenta para la suma de las fuerzas verticales , y que , cuando el valor de la excentricidad ,e , se vuelve mayor que B/2 , y el valor qmin se vuelve negativa. Entonces podría existir un esfuerzo de tracción en el talón lo cual no es deseable, por que el esfuerzo de tensión en el suelo es muy pequeño .Si el análisis del diseño muestra que e> B/6, el diseño se debe reproporcionar y el calculo debe volver a hacerse .
La excentricidad de la resultante , puede expresarse entonces como:

4.7.2.4.- Verificación a al falla por estabilidad global,.
En adición a los posibles tipos de fallas discutidos con anterioridad , se encuentra otros, como la posible inestabilidad del talud , en esta clase de falla dos tipos generales pueden ocurrir : falla de cizallamiento superficial y la falla de cizallamiento profunda .
Falla de cizallamiento superficial (figura. 4.7.2.4 a) se da en los suelos bajo la base del muro de contención a lo largo de una superficie cilíndrica abc pasando a trabes del talón. El centro del arco abc del circulo esta localizado en el punto o, el cual es encontrado por el método de ensayo-error (este es correspondiente al mínimo factor de seguridad), o por diferentes métodos disponibles. Este tipo de falla puede ocurrir como el resultado de la inducción excesiva de esfuerzo cortante a lo largo de la superficie cilíndrica. En general el factor de seguridad contra el deslizamiento horizontal es mas bajo que el factor de seguridad obtenido para la falla de cizallamiento superficial Entonces si Fs(deslizamiento) es mayor que 1.5 la falla de cizallamiento puede no ocurrir.

Falla de cizallamiento profunda (figura. 4.7.2.4 b) puede ocurrir a lo largo de una superficie cilíndrica abc ,como el resultado de la existencia de una capa débil de suelo inferior al muro a una profundidad de 1.5 veces la altura del muro de contención . En tal caso la superficie cilíndrica critica de falla abc tiene que ser determinada con el ensayo error con varios centros, como (figura. 4.7.2.4 b) La superficie de falla a lo largo del cual el mínimo factor de seguridad es obtenido, esa es la superficie critica de deslizamiento. Para rellenos con talud α<10º ,la superficie critica de falla aparentemente pasa a trabes del borde del talón tal como el arco def en la figura. 4.7.2.4.b. En esta situación el mínimo factor de seguridad también tiene que ser determinado por ensayo error, cambiando los centros del circulo de prueba.
Existen muchos métodos gráficos, tales como las desarrolladas por Bishop (1955), Teng (1962) , y ahora con la tecnología programas computacionales que permiten la resolución de estas superficies de falla en un menor tiempo y con mayor precisión.
5.- CONTENIDO ANALITICO.-
Después de la presentación en forma general y los conceptos fundamentales sobre los muros de contención se procederá a el desarrollo en si de lo que serán las exposiciones por parte del docente para la explicación y desarrollo del contenido del software GAWACWIN como sigue a continuación:
5.1.- Introducción.-
El programa GawacWin BR 2.0 es un sistema de análisis de estabilidad de muros de contención en gaviones sujetos a las más diversas situaciones.
Utiliza el método del "Equilibrio Limite", las teorías de Rankine, Coulomb, Meyerhof, Hansen y Bishop (optimizado a través del algoritmo minimizador Simplex) para la verificación de la estabilidad global del conjunto suelo/estructura.
La primera hipótesis de cálculo adoptada por el programa es la que considera el problema con una superficie plana. Para esta son necesarios nada más que las dimensiones del problema en el plano de sección. Otro factor que debe ser resaltado es que un análisis con superficie plana es más pesimista que un análisis tridimensional, conduciendo al usuario a resultados en favor de la seguridad.
Para utilizar el programa el usuario debe suministrar los datos del problema y en seguida accionar los comandos de análisis. Al final de este proceso el programa emite un informe con los datos del problema y los resultados de esos análisis.
A medida que el usuario introduce los datos, la ventana principal del programa presenta un grafico que representa la geometría del problema. Esta grafica puede ser ampliada, disminuida o movida utilizando los comandos del menú visualizar o los comandos de la barra de herramientas.
El usuario tiene aún la opción de interactuar con el dibujo presentado en la ventana principal, como en un programa de CAD, utilizando el mouse para modificar la geometría.
Finalizando es necesario aclarar que las teorías, anteriormente descritas tienen limitaciones en cuanto al uso en algunas situaciones especiales. Aunque el programa maneja una gran variedad de situaciones, en algunos casos, debido a tales limitaciones sean necesarias comparaciones y análisis complementarios.
5.2.- Interfaz del Programa.-
El ambiente utilizado por el Gawacwin es un ambiente Windows, amigable y de fácil manejo, donde se presenta un menú principal similar a los programas del office (Word, Excel, PowerPoint, etc.) que dará las opciones de partida al usuario.










7.- CONCLUSIONES.-
Una vez terminado el curso el estudiante podrá diseñar y optimizar muros de contención de gaviones con el programa Gawacwin el cual es una herramienta poderosa para dicho propósito, además, el presente trabajo es un aporte mas para aquellos ingenieros calculistas que tienen fe en la optimización de los materiales, ya que esto reduce mucho los costos de construcción y ejecución de las obras de ingeniería civil.
8.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.-
- CALAVERA RUIZ, J.: "Cálculo de estructuras de cimentación". Editorial INTEMAC, 2ª edición. Bilbao, 1987.
- CALAVERA RUIZ, J.: "Muros de contención y muros de sótano" editorial INTEMAC, Madrid, 2001.
- GONZÁLEZ PÉREZ, G: "Cimentaciones superficiales. Diseño y construcción". Editorial UPV. Valencia, 2003.
BARTOLOMÉ, M: Metodología cualitativa en Educación. Dossier de Doctorado. Departamento de Métodos de Investigación y Diagnóstico, Universidad de Barcelona, . 2001
SARAVIA MARCELO,: Orientación metodológica para la elaboración de proyectos e informes de investigación, 2003
- MARTÍNEZ SÁNCHEZ, F.. “El libro de texto como medio didáctico”. En Cabero, J. (coord.). Medios Audiovisuales y Nuevas Tecnologías para la formación en el siglo XXI. Murcia: Diego Marín-EDUTEC, 2000
- Miranda Solís Jehovana, “Apuntes de clases”. Evaluación de la enseñanza aprendizaje en Educación Superior
- Coca Baldiviezo Juan Pablo, “Herramientas de Evaluación de una exposición oral”

CAPITULO II: UNIDAD DIDACTICA

“DISEÑO Y OBTIMIZACION DE MUROS DE CONTENSION DE GAVIONES CON EL SOFTWARE “GAWACWIN”
1.- OBJETIVOS DE ENSEÑANZA – APRENDIZAJE DEL PROGRAMA
Los objetivos generales que deben alcanzar los alumnos tras recibir las enseñanzas impartidas en el curso de Diseño y optimización de muros de contención de gaviones con el software Gawacwin son:
1.1.- Conceptuales.-
- Conocer los fundamentos básicos de muros de contención para la aplicación al programa Gawacwin
- Comprender la importancia de la aplicación de muros de contención con gaviones como solución a los problemas de desestabilización de taludes.
- Conocer la existencia como un nuevo material de construcción como son los gaviones y su fabricación
- Aplicar la metodología con el software para el análisis, calculo y optimización de los muros de contención de gaviones.
- Analizar y comparar los resultados obtenidos por el programa para su optimización.
1.2.- Procedimentales.-
- Manejar de forma adecuada el paquete Gawacwin
- Ejercitar las técnicas de resolución de presentación y defensa en relación a terceros de las conclusiones obtenidas.
1.3.- Actitudinales.-
- Fomentar la capacidad de inventiva y creatividad, que permita afrontar cualquier problema de ingeniería.
- Desarrollar capacidad de razonamiento crítico.
- Capacidad de elección de las acciones adecuadas en la resolución de problemas concernientes a la aplicación de muros de contención.
2.- CONTENIDO.-
2.1.- Contenido Teórico.-
1.- Conceptos básicos.-
2.- Designaciones.-
3.- Muros de gravedad.-
4.- Teorías de presión del terreno sobre muros de contención.-
5.- Empuje de tierras (Empuje Activo y Empuje Pasivo)
6.- Calculo del empuje Activo y Pasivo.-
6.1.- Método de Coulomb
7.- Análisis y verificación de muros de contención.-
7.1.- Predimencionamiento.-
7.2.- Verificación de la estabilidad.-
7.2.1.- Verificación al Volteo.-
7.2.2.- Verificación al deslizamiento en la base.-
7.2.3.- Verificación a la capacidad portante.-
7.2.4.- Verificación a al falla por estabilidad global,
2.2.- Contenido de Trabajo en Gabinete de Computación.-
1.- Introducción.-
2.- Interfaz del Programa.-
3.- Suministro de datos.-
4.- Análisis.-
5.- Cambiar los datos.-
6.- Resultado de Análisis y optimización.-
3.- METODOLOGIA.-

4.- ACTIVIDADES.-
- Buscar información sobre estructuras de muros de contención que hayan fallado en la realidad ya sea por hundimiento, deslizamiento, volteo, falla global o interna.
5.- RECURSOS.-
- Pizarra
- Tizas o marcadores
- Computadoras
- Proyectora
6.- ORGANIZACIÓN.-
6.1.- Espacios.-
Las clases expositivas para el desarrollo del contenido teórico se deberá realizar en aulas con sus respectivos pizarrones y proyectoras.
El desarrollo y la explicación del software en cuestión se realizaran en un gabinete de computación adecuado con sus respectivas proyectoras y pizarras.
6.2.- Tiempos.-

7.- EVALUACION.-
7.1 Evaluación al alumno.-


7.2.- Evaluación al docente
Al final del curso se realizara una evaluación al Docente mediante un cuestionario Estructurado u objetivo.
7.3.- Evaluación a la Unidad Didáctica
También se deberá realizar una evaluación a la Unidad didáctica en sentido de mejorarla cada vez que se la aplique, se la realizara también con un cuestionario Estructurado u objetivo