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U.T.N. - F.R.B.A. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Bs. As.

ANCLAJES Y SISTEMAS DE ANCLAJES

Cátedra: Cimentaciones Editó: Pérez, María Celeste. Fecha: Noviembre 2004 Revisión: 0 1

INDICE

1. ANCLAJES...........................................................................................................................4 1.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................4 1.2. DEFINICIÓN ANCAJES-SISTEMAS DE ANCLAJES...............................................4 1.3. COMPONENTES DE UN ANCLAJE............................................................................5 1.4. MATERIALES DEL TENDÓN......................................................................................8 1.5. TIPOS DE ANCLAJES....................................................................................................8 1.5.1. Generalidades.................................................................................................................8 1.5.2. Anclajes inyectados a gravedad....................................................................................8 1.5.3. Anclajes inyectados a presión.......................................................................................9 1.5.4. Anclajes post-inyectados................................................................................................9 2. MECANISMOS DE FALLA DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES.............................9 2.1. CONCEPTO PRINCIPAL...............................................................................................9 2.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MECANISMOS POSIBLES DE FALLA.......................................................................................................................................9 3. INVESTIGACIONES ACERCA DE LA DISTRIBUCIÓN Y TRANSFERENCIA DE CARGAS ENTRE EL ANCLAJE Y EL TERRENO. SHIELDS Y OTROS (1978).......11 4. ANCLAJES EN ROCA.....................................................................................................12 4.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................12 4.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN ROCA...........................................................................12 4.2.1. Resistencia al tiro por falla en el macizo de roca (cono de rotura).........................13 4.2.2. Verificación de la interfase inyección-roca................................................................14 4.2.2.1. Dimensiones usuales de la raíz y datos del tendón usados en la práctica............16 4.2.3. Verificación de la falla inyección-tendón...................................................................17 4.2.4. Verificación del tendón de acero.................................................................................17 5. ANCLAJES EN SUELO...................................................................................................17 5.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................17 5.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN SUELO..........................................................................17 5.2.1. Anclajes inyectados a gravedad o a baja presión (presión menor a 10 kg/cm2)......................................................................................................................................17 5.2.1.1. Cálculo tradicional....................................................................................................17 5.2.1.2. Cálculo de la carga última considerando una distribución “no lineal” de tensiones aplicando “factores de eficiencia” (Woods y Barkhordari)............................................................................................................................19 5.2.2. Ancajes inyectados a alta presión (presión mayor a 10 kg/cm2) y postinyectados.................................................................................................................................20 5.2.2.1. Descripción de anclajes inyectados (I. R. S.)..........................................................21 5.2.2.2. Descripción de anclajes tipo I. G. U. (Inyección Global Unificada).....................25 5.2.2.3. Relaciones de Bustamante y Doix............................................................................25 5.2.3. Método de cálculo de la capacidad del anclaje en suelo por FHWA-IF-99-015 (1999) (Kulhawy).....................................................................................................................27 5.2.4. Selección del elemento de acero pretensado..............................................................28 6. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES............................................28 2

6.1. ESTRUCTURAS FLEXIBLES DE RETENCIÓN......................................................29 6.1.1. Modos de falla en muros anclados..............................................................................29 6.1.2. Pasos en el diseño de un muro de retención flexible.................................................32 6.1.3. Evaluación de las presiones en el terreno para el diseño del muro.........................32 6.1.3.1. Introducción..............................................................................................................32 6.1.3.2. Diagramas de empujes aparentes de Terzaghi y Peck...........................................33 6.1.3.2.1. Cálculo de las cargas en el anclaje a partir de los diagramas de empujes aparentes..................................................................................................................................34 6.1.3.3. Diagramas de empujes para suelos estratificados..................................................37 6.1.3.4. Método de análisis de la cuña deslizante.................................................................37 6.2. ESTRUCTURAS SOMETIDAS A LEVANTAMIENTO POR FUERZAS HIDROSTÁTICAS.................................................................................................................39 7. DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE PROYECTO............................................40 7.1. UBICACIÓN DE LA SUPERFICIE POTENCIAL DE FALLA...............................40 7.2. REQUERIMIENTOS PARA LA SEPARACIÓN DE ANCLAJES..........................40 7.3. DISEÑO DE LA LONGITUD LIBRE..........................................................................41 7.4. DISEÑO DE LA LONGITUD DE LA RAÍZ...............................................................41 8. CONSIDERACIONES ACERCA DE LA CORROSIÓN.............................................41 8.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................41 8.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN DE ANCLAJES................................42 8.2.1. Requerimientos de los sistemas de protección contra la corrosión.........................42 8.2.2. Diseño de los sistemas de protección contra la corrosión.........................................42 9. ENSAYOS DE CARGA EN ANCALJES........................................................................46 9.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................46 9.2. ENSAYOS DE RENDIMIENTO U HOMOLOGACIÓN..........................................46 9.3. ENSAYOS DE PRUEBA O RECEPCIÓN...................................................................47 9.4. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN..................................................................................48 9.4.1. Generalidades...............................................................................................................48 9.4.2. Creep............................................................................................................................48 ANEXO – IMÁGENES: APLICACIONES DE ANCLAJES.............................................49 REFERENCIAS......................................................................................................................54

3

ANCLAJES Y SISTEMAS DE ANCLAJES

1. ANCLAJES 1.1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este trabajo es presentar métodos y procedimientos de diseño para anclajes y sistemas de anclajes de acuerdo a la recopilación de investigaciones y estudios realizados. 1.2. DEFINICIÓN ANCLAJES – SISTEMAS DE ANCLAJES Conceptualmente, un anclaje es un elemento estructural instalado en suelo o roca y que se utiliza para transmitir al terreno una carga de tracción aplicada. Las presiones que desarrollan los suelos detrás de un talud pueden absorberse interponiendo estructuras de retención. Estas estructuras pueden estar constituídas por muros rígidos ó por sistemas flexibles. Los sistemas flexibles, como las tablestacas, los muros pantalla, ó los tabiques necesitan para su estabilidad, estar ligados a puntos fijos. En excavaciones grandes o en taludes naturales las retenciones flexibles logran su estabilidad generalmente con anclajes en suelo. Cuando los materiales involucrados son rocas, sobre las cuales se implantan estructuras que están sometidas a tracción, ó se trata de mejorar el comportamiento de un talud frente a la posibilidad de un derrumbe o un deslizamiento los anclajes serán anclajes en roca. Por lo tanto el mecanismo básico de un anclaje consiste en transferir las fuerzas de tracción que se generan en las inclusiones, hacia el suelo o la roca a través de la resistencia movilizada en la interfase entre el anclaje y el material que lo rodea (raíz).

Placa de anclaje superficie de deslizamiento potencial Raíz

Resistencia lateral

Fig. 1: Mecanismo básico de un anclaje

. Los anclajes que atraviesan potenciales superficies de rotura en los taludes generan sobre 4

dichas superficies un incremento de la presión normal σn la cual a su vez aumenta la resistencia al corte a lo largo de la misma (Fig. 1). τ = σn tg φ De esta manera, un sistema de anclajes en una estructura permite aumentar la seguridad contra el tiro vertical, el vuelco y el desplazamiento a lo largo de la superficie de falla (Fig. 2)

Estructura Ew

Anclaje U

Subpresión en cámara bajo agua

Vuelco en presa de hormigón

Fig.2: Sistemas de anclajes en diferentes estructuras

1.3. COMPONENTES DE UN ANCLAJE. Los anclajes están compuestos básicamente por (ver Fig. 3): •

La cabeza del anclaje

•

Tendón (Longitud libre).

•

Raíz (Longitud de adherencia)

5

cabeza del anclaje placa de asiento

Ca Te ble n o b dón (Lo arr n ad e h gitud ier libr ro red e) on vaina do

Ra íz

Diá m an etro cla de je l

inyección

Fig. 3: Componentes del anclaje.

La cabeza de anclaje, que está siempre en el exterior del paramento, es el sistema integrado por la placa de apoyo y una tuerca, que es capaz de transmitir la fuerza desde el acero (barra o cable) a la superficie del terreno o a la estructura de soporte (ver Fig. 4).

Fig. 4: Componentes de un anclaje con tendón de barra

El tendón, que conecta la cabeza con la raíz, puede elongarse elásticamente y transmitir la fuerza de resistencia de la raíz a la estructura. Para que el acero se deforme libremente se coloca un manguito o vaina de material plástico liso, alrededor del tendón para impedir la adherencia del tendón con la inyección circundante. El tendón puede estar formado por cables o barras de acero. 6

La raíz es un cuerpo enterrado que actúa en el extremo del anclaje destinado a fijar el mismo en el macizo que lo rodea. Este cuerpo puede formarse en suelo generalmente con una inyección controlada que adopta la forma de un bulbo ramificado. En cambio la raíz de un anclaje en roca puede lograrse llenando por gravedad una perforación con una lechada cementicia dentro de la cual se instala una barra de acero, ésta puede tener una tuerca de fondo (Figs 5.a y 5.b); también puede inyectarse a presión. De esta manera una porción de la barra se adhiere a la lechada y es capaz de transmitir dentro del terreno la carga de tracción aplicada. La raíz debe ubicarse detrás de la superficie crítica de falla. Fu

Fu

Lechada

a.

Lechada

b.

Fig. 5: Esquema simplificado de anclaje en roca

Existen otros elementos que pueden o no estar incluídos en el anclaje dependiendo del tipo de este último como por ejemplo, la vaina, los centralizadores, y los separadores. La vaina es un caño o tubo, liso o corrugado que protege el acero, en la longitud libre, de la corrosión. Los centralizadores posicionan el elemento de acero en la perforación de manera tal que se logre el mínimo recubrimiento especificado del mismo con la inyección (Fig. 6). Para tendones compuestos de elementos múltiples, los separadores se utilizan para espaciar a los cables o barras, componentes del tendón, para que cada uno pueda vincularse correctamente a la lechada.

Fig. 6: Corte de un tendón de cables

La inyección es una mezcla basada en cemento Portland que provee la transferencia de carga desde el tendón al suelo y le brinda, a éste último, protección contra la corrosión. El pretensado de un anclaje es un proceso por el cual se introduce en el mismo una fuerza permanente de tracción que se denomina fuerza de pretensado.

7

1.4. MATERIALES DEL TENDÓN Las barras están disponibles, usualmente, en diámetros de 20, 25 o 32 mm, este último a pedido especial. En comparación con los tendones constituidos por cables, las barras son más fáciles de tensar. Los tendones de cables comprenden cables múltiples de 7 alambres. Los anclajes que usan este tipo de cables no tienen limitaciones prácticas de cargas ni de longitud, siendo estas sus principales ventajas. Los tendones de acero tienen propiedades bajas de relajación como para minimizar las pérdidas de carga a lago plazo. 1.5. TIPOS DE ANCLAJES 1.5.1. Generalidades Existen tres tipos principales de anclajes (Fig. 7): 1- Anclajes inyectados a gravedad. 2- Anclajes inyectados a presión. 3- Anclajes post-inyectados.

Anclaje inyectado a gravedad

Anclaje inyectado a presión

Anclaje post-inyectado

Fig. 7: Principales tipos de anclajes.

1.5.2. Anclajes inyectados a gravedad Para este tipo de anclajes, se efectúa una perforación que luego se llena con lechada cementicia por gravedad sin formarse un bulbo en la raíz sino que la misma es cilíndrica. 8

Son instalados comúnmente en roca y en depósitos de suelos cohesivos muy compactos a duros, utilizando perforadoras rotativas o máquinas tuneleras. La resistencia del anclaje al arrancamiento depende de la resistencia al corte desarrollada en la interfase inyección-suelo. 1.5.3. Anclajes inyectados a presión Los anclajes inyectados a presión son más apropiados para suelos granulares gruesos y para roca débil fisurada. Este tipo de anclaje se usa también en suelos de granos finos sin cohesión. En los anclajes inyectados a presión la lechada se inyecta dentro de la zona de adherencia bajo presiones mayores a 3,5 kg/cm2. La perforación, usualmente, se ejecuta usando técnicas de barrenador de vástago o técnicas rotatorias con cañerías de encamisado. Cuando el barrenador o la camisa se retira, la lechada se inyecta dentro del agujero bajo presión. Este procedimiento de inyección incrementa la resistencia al arrancamiento porque: • •

aumenta la tensión normal (es decir, la presión de confinamiento) en el bulbo de inyección, como resultado de la compactación del material que lo rodea; incrementa el diámetro efectivo del bulbo de la lechada cementicia.

1.5.4. Anclajes post-inyectados Los anclajes post-inyectados usan inyecciones múltiples retardadas para agrandar el cuerpo de la lechada cementicia del tipo de anclajes inyectados a gravedad. Las inyecciones se realiza con intervalos de 1 o 2 días. El post-inyectado se realiza a través de un tubo de inyección sellado instalado con el tendón. El tubo está equipado con válvulas de control en la zona de adherencia. Las válvulas de control permiten una inyección adicional bajo gran presión dentro de la lechada inicial que ya ha sido realizada. Esta lechada adicional fractura la inicial y la encastra más afuera, dentro del suelo, agrandando el cuerpo de la inyección. De esta manera el bulbo tiene la forma de un cilindro con fracturas , cuyo diámetro es por lo menos dos veces el de la perforación. Además, las altas presiones de inyección, aseguran una buena adherencia entre el bulbo y el suelo circundante.

2. MECANISMOS DE FALLA DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJES 2.1. CONCEPTO PRINCIPAL La capacidad de carga de un anclaje es la carga bajo la cual se agota la resistencia de cualquiera de las partes que constituyen el conjunto anclaje-roca o anclaje-suelo (por ejemplo, el macizo de suelo, la estructura flexible, ó el anclaje en si), en consecuencia para la carga, el anclaje cesa en su función. 2.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MECANISMOS POSIBLES DE FALLA Existen diversos mecanismos de falla posibles de los anclajes. Estos están, generalmente, causados por cargas estáticas excesivas en los anclajes. Las mismas pueden deberse a: 9

• • • • •

tracción que aparece en el anclaje durante los ensayos de carga o al sellado del anclaje; la secuencia de excavación; sobrecargas debidas a materiales o equipos de construcción; construcción de estructuras adyacentes; combinación de las causas arriba mencionadas.

La falla del anclaje puede ocurrir: •

Falla en la masa de suelo: Estos tipos de falla se deben a cargas del anclaje. Las fuerzas exteriores, tales como derrumbes no introducen cargas estáticas excesivas en el anclaje. Para anclajes superficiales, la falla de la masa de suelo se caracteriza por un levantamiento de la masa de suelo en frente de la zona de adherencia del anclaje seguido por el arrancamiento de la misma. Se desarrolla en el suelo una superficie de corte, adelante del anclaje, al mismo tiempo que al incrementarse la tensión provoca la movilización completa de la resistencia de la raíz. La superficie de falla simula una falla por empuje pasivo. La falla en la masa de suelo, prácticamente, no es un factor de importancia para anclajes embebidos a más de 4.5 m debajo de la superficie del terreno. Para anclajes en roca, el plano de falla posible, para instalaciones superficiales en un manto de roca resistente, es un cono generado con un ángulo aproximado de 45º desde el anclaje. En roca fracturada o estratificada, la forma del cono y el tamaño varía con la distribución de la estratificación, de los planos de fractura y con las fisuras generadas en la lechada de cemento de la inyección. Aún en este tipo de terrenos, la falla raramente ocurre en anclajes embebidos a más de 4.5 m debajo del terreno porque la resistencia de adherencia entre la roca y la inyección o entre la inyección y el tendón es menor que la resistencia de la roca. •

Falla en la interfase suelo-inyección: Los anclajes movilizan la fricción lateral entre la raíz del anclaje y el suelo. En general, esta adherencia depende de la tensión normal actuante en la zona de inyección, en la adherencia propiamente dicha y en la fricción desarrolladas entre el suelo y la lechada de la inyección. En general, la interfase suelo-inyección se desarrolla progresivamente en un suelo o roca uniforme a medida que la tensión se transmite a lo largo de la longitud de la raíz. Inicialmente, cuando el anclaje es tensado, la porción de la raíz, más cercana a la aplicación de la carga, se elonga y transfiere la carga al terreno. A medida que se desarrolla la resistencia en esta porción, la tensión se transmite más abajo. Durante este proceso, el anclaje continúa su deformación para así movilizar las zonas de la raíz que se encuentran a más profundidad. De esta manera la falla por arrancamiento ocurre una vez que la tensión se transfiere al final de la raíz y la adherencia última entre suelo y lechada es excedida. Los anclajes que se inyectan inadecuadamente, como, por ejemplo, la existencia de una columna de lechada cementicia entre la placa de apoyo o muro y la parte superior de la raíz, no ofrecen ninguna transferencia de carga de la raíz cuando se incrementa la carga.. La experiencia demuestra que incrementando la longitud de la raíz, en anclajes típicos, más allá de 9 a 12 m no se logra un aumento en la resistencia. La falla en la interfase suelo-inyección puede caracterizarse por deformaciones excesivas bajo carga sostenida (Creep).

•

Falla en la interfase inyección-tendón: No debe sobrepasarse la adherencia entre la inyección y el tendón de acero. El mecanismo de falla de la interfase inyección-tendón incluye tres componentes: 10

1. la adherencia propiamente dicha; 2. la fricción; 3. la trabazón. La adherencia es la unión física entre el acero, microscópicamente rugoso, y el suelo circundante, aunque se utiliza el término “adherencia” para denominar la acción de los tres componentes. De este vínculo inicial sólo permanece la fricción luego que ocurre el desplazamiento, porque la trabazón y la adherencia se agotan. La fricción depende de la rugosidad de la superficie del acero, de la tensión normal, y de la magnitud del deslizamiento. La trabazón mecánica consiste en que la inyección moviliza su resistencia al corte contra irregularidades mayores del tendón, tales como nervaduras o roscas. Esta trabazón es el mecanismo dominante de vinculación para barras roscadas donde la resistencia última de la barra puede desarrollarse con una corta inmersión en la inyección. La vinculación entre la interfase inyección-tendón en tendones de acero liso se desarrolla progresivamente en una forma similar al vínculo entre el suelo y la inyección. El deslizamiento ocurre solo después que se ha movilizado la resistencia máxima del vínculo entre la inyección y el tendón sobre aproximadamente la total longitud de la raíz. Luego del mismo, y para futuras elongaciones, el tendón ofrecerá, solamente, resistencia a la fricción (alcanzando alrededor de la mitad de la resistencia total obtenida) •

Falla en el tendón de acero: Cuando el anclaje entra en carga, el tendón se tracciona. Si la carga aplicada es mayor que la capacidad estructural del tendón, la falla se hace inevitable. Por lo tanto se debe considerar aplicar un factor de seguridad al valor de falla del acero. Se recomienda que la carga del tendón no exceda el 60% de la resistencia mínima a tracción especificada para un proyecto de condiciones permanentes, y para condiciones temporales no debe exceder el 80%.

3. INVESTIGACIONES ACERCA DE LA DISTRIBUCION Y TRANSFERENCIA DE CARGAS ENTRE EL ANCLAJE Y EL TERRENO. SHIELDS Y OTROS (1978). La mayoría de los métodos y procedimientos tradicionales de cálculo de anclajes están basados en la suposición que la distribución y transferencia de cargas entre el anclaje y el terreno es uniforme. Investigaciones más recientes demuestran que la realidad está lejos de esta presunción simplificada. Por medio de resultados de ensayos de carga, realizados por Shields y otros, sobre anclajes instalados en arena, pudo representarse la distribución de la carga en el anclaje (ver gráfico en Fig. 8) y, la distribución de la carga de transferencia en el anclaje durante el ensayo, demostrando, principalmente, que la misma no es uniforme. Si se analiza el gráfico, se puede ver que la característica fundamental de la curva es la disminución rápida de la carga a lo largo de la raíz hacia el final del anclaje. De esta manera, la pendiente de la curva de distribución de cargas representa el índice de transferencia de carga desde el anclaje al suelo circundante. A pesar de esto, debido a simplificaciones necesarias de cálculo las estimaciones de la capacidad de transferencia de carga en la raíz del anclaje están basadas en experiencias previas de campo y las fórmulas utilizadas están orientadas a considerar la uniformidad de distribución de cargas. Además, cuando se realizan estas estimaciones se deben considerar variaciones posibles en dicha capacidad de transferencia debidas a los diferentes métodos de instalación e 11

inyección. En un depósito de suelo dado la capacidad real obtenida en el campo dependerá del método de barrenado incluyendo la calidad de lavado del barreno y el período de tiempo que la perforación se deja abierta, del diámetro del barreno, del método y de la presión utilizados para la inyección, y de la longitud de la raíz del anclaje.

668

carga [kN]

556 445 334 223 111 *4 *1

*2

*5

*6

*3

*7

*9

*8

*10 vaina de protección [m]

0,30

1,21

2,12

3,03

4,00

4,84

5,76

6,70

Nota: 1 kN = 0,1 t

Fig. 8: Distribución de los esfuerzos en los anclajes durante un ensayo de arrancamiento (Shields y otros).

4. ANCLAJES EN ROCA 4.1. INTRODUCCIÓN Los anclajes en roca constituyen piezas que generan, en el contacto estructura-roca, fuerzas de compresión, en consecuencia la roca y la estructura prácticamente “se adhieren” como consecuencia del proceso. En el análisis del diseño de este tipo de anclajes, el objetivo principal es establecer y utilizar fórmulas confiables con factores de seguridad reales. 4.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN ROCA Un anclaje en roca puede fallar según uno o más de los siguientes mecanismos: 1234-

Falla en la masa de roca donde se aloja el anclaje. Falla en la interfase inyección-roca. Falla en la interfase tendón-inyección. Falla del tendón de acero o falla de la cabeza. 12

Por lo tanto, para proporcionar una seguridad total al anclaje, se debe considerar cada una de las fallas descriptas. 4.2.1. Resistencia al tiro por falla en el macizo de roca (Cono de rotura) La evaluación de la resistencia al tiro de un anclaje se lleva a cabo para asegurar que no ocurra la falla en la masa de roca que rodea al anclaje. Para anclajes simples, se asume que la falla se desarrolla por un arrancamiento en la masa de suelo en forma de cono invertido. La resistencia al tiro del anclaje se supone, usualmente, que es igual al peso efectivo del cono invertido, como se muestra en la Fig. 9.a sin tener en cuenta la resistencia al corte de la roca debido a la posibilidad de existencia de fisuras en la masa de roca. De esta manera, si el peso efectivo de la roca contenida en el cono es mayor que la carga de diseño del anclaje, el mismo se considera seguro. Se supone que el vértice del mecanismo de falla se ubica en la parte superior, en la parte media, o en la inferior, de la zona de adherencia del anclaje y que el ángulo del cono oscila entre 60º a 90º. Para anclajes con conos que se yuxtaponen o solapan, se analiza la estabilidad del suelo como se muestra en la Fig. 9.b. La yuxtaposición de las zonas de influencia entre anclajes adyacentes da como resultado una resistencia relativa al tiro menor que para un anclaje actuando solo.

h

60º a 90º

Se utiliza 60º cuando la masa de roca es blanda, muy fisurada o erosionada Se utiliza 90º para las demás condiciones de la roca.

L/2 L/2

L

D

Peso del cono = Volumen cono x γ R donde γ = peso unitario de la roca R (por ej.: 2,75 t/m³) Nota: si el anclaje está situado bajo el nivel freático, utilizar el peso sumergido 9.a. Geometría del cono

13

9.b. Interacción entre los conos para el análisis de estabilidad general

Fig. 9: Mecanismo del cono invertido para la estabilidad general de la masa de roca Las recomendaciones mostradas en la Fig. 9.a, deben aplicarse en ausencia de modelos o resultados de pruebas de carga a escala total. Para los casos en los que el estrato de roca está debajo de un manto de suelo, el mecanismo de falla se supone que es cilíndrico arriba de la interfase roca-suelo. Cuando se analiza este tipo de falla se utiliza, comúnmente, un factor de seguridad de 1,6 (Littlejohn y Truman-Davies, 1974), 2 (Rawlings, 1968) ó 3 (Schmidt, 1956), para calcular la resistencia admisible al tiro. 4.2.2. Verificación de la interfase inyección-roca La resistencia al tiro del anclaje depende de la profundidad relativa de la raíz del mismo, definida como h/D, donde h es la profundidad desde la parte superior de la raíz y D es el diámetro del anclaje. Para valores de h/D>15, el mecanismo de falla dominante en roca es la falla en la interfase inyección-roca. Los resultados de los ensayos indican más específicamente, que en rocas débiles, la falla ocurre en la interfase roca-inyección, mientras que en rocas duras la falla ocurre en la interfase tendón-inyección. En muchos países la resistencia lateral, por el fuste, se asemeja la que corresponde a un pilote de diámetro “D”, siendo D el diámetro de la perforación del anclaje. Además, se asume, usualmente, que la distribución de la tensión de corte a lo largo de la parte inyectada (raíz) es uniforme, a pesar que todas las evidencias conducen a afirmar, como se demostró en el punto 3, que la misma decrece con la longitud de la raíz, a menos que la raíz se forme en roca blanda o débil; esto indica que en los extremos más cercanos a la cabeza puede producirse una progresiva falla de la adherencia entre lechada y roca. Por lo tanto, la carga de tiro está dada por: T = π × D × L ×τ

ec. 1

donde T, es la fuerza de tiro desarrollada por el anclaje, L es la longitud de la raíz, τ es la tensión de corte de trabajo en la interfase inyección-roca (Fig. 10).

14

T

h

τ

L

D

Fig. 10: Representación de los valores de la ecuación 1 Cuando se conoce bien la resistencia al corte por medio de ensayos realizados en la masa de roca, la máxima tensión de corte de trabajo en la interfase inyección-roca no debe exceder la mínima resistencia al corte dividida el factor de seguridad (con FS ≥ 2). Littlejohn (1977) establece que la tensión última actuante en la interfase inyección-roca se toma, usualmente, como el 10% de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca hasta un valor máximo τu = 42 kg/cm2. En rocas muy afectadas, especialmente aquellas con un bajo valor del ángulo de fricción, puede considerarse que la tensión última actuante en la interfase inyección-roca, es un 25% de la resistencia a la compresión simple de la roca. En la tabla 1 se muestran distintos valores de la tensión última de corte para distintos tipos de roca. De todas maneras, evidencias matemáticas, de laboratorio y de campo indican que la distribución de la tensión de adherencia en la interfase roca-inyección, es improbable que sea uniforme a menos que la roca sea blanda (como ya se aclaró en otro artículo). Tabla 1: Valores aproximados de τu para distintos tipos de roca. Tipo de roca

τu [kg/cm2]

Granito alterado

15 a 25

Granito sano

45 a 50

Basalto sano

40 a 45

Rocas calcáreas

13 a 20

Arenisca descompuesta

7a9

Arenisca sana

9 a 17

Arcilita (con fisuración)

3a4 15

4.2.2.1. Dimensiones usuales de la raíz y datos del tendón usados en la práctica G. S. Littlejohn (1977) informa sobre dimensiones de la raíz, utilizadas en la práctica, dadas por diferentes códigos internacionales. Según el Código de Sudáfrica, para rocas muy duras a blandas, las longitudes de la raíz oscilan entre 4 m a 6 m. Con respecto a la elección del diámetro de los anclajes se deben tener en cuenta distintas consideraciones: • • •

tipo y tamaño del tendón; la relación entre el diámetro y el área perimetral de la raíz; relación del área de acero respecto del área transversal del agujero de la perforación para una distribución confiable de la adherencia y una eficiente protección contra la corrosión; • método de barrenado y equipo usado; • naturaleza de la roca en la zona de anclaje y la existencia de sobrecargas no consolidadas.

Según una encuesta a distintas empresas comerciales se pudieron obtener los datos de la tabla 2 que relacionan el diámetro de la raíz con la capacidad de trabajo . Tabla 2: Relación aproximada entre el diámetro de la raíz y la capacidad de trabajo. Capacidad [t]

Diámetro [mm]

20 a 120

50 a 100

100 a 300

90 a 150

300 a 450

150 a 200

450 a 1400

200 a 400

Según el Código de Sudáfrica, cuando es importante la protección contra la corrosión, el diámetro de la raíz debe ser mayor o igual al diámetro del tendón más 1,2 cm. Es decir: D ≥φ tendón + 1,2 cm

ec. 2

Littlejohn y Truman-Davies sugieren que la sección de acero no debe exceder el 15% de la sección del agujero de la perforación (área del anclaje).

16

4.2.3. Verificación de la falla inyección-tendón La longitud de transferencia (LT) es la longitud requerida para transmitir la fuerza de pretensado inicial del tendón a la inyección que lo rodea. La misma varía con la resistencia de la lechada cementicia, como así también del tipo y tamaño del tendón (barras o cables). Según las normas británicas, en el caso de cables simples, para una resistencia a la compresión de la lechada mayor a 350 kg/cm2, la longitud mínima es 100 diámetros; en el caso de paquetes de cables de pequeño diámetro (9 a 18 mm), para una resistencia a la compresión de la lechada, entre 340 y 480 kg/cm2, la longitud oscila entre 15 a 31 diámetros. El Código Australiano, estipula un valor máximo de la tensión de adherencia de 10,5 kg/cm2 para un tendón de cables simples, y de 21 kg/cm2 para un paquete de cables. 4.2.4. Verificación del tendón de acero Los tendones pueden ser barras, cables o paquetes de cables. Los últimos dos tienen ventajas con respecto a las barras y son el almacenamiento, transporte y fabricación. Las barras se protegen más fácilmente contra la corrosión, y para los casos de anclajes superficiales de baja capacidad, son más fáciles y baratas de instalar. Si se emplean barras nervuradas de construcción, puede adoptarse una tensión admisible a tracción de σs = 1400 kg/cm2. 5. ANCLAJES EN SUELO 5.1. INTRODUCCIÓN Los anclajes y sistemas de anclajes en suelo pueden ser permanentes ó temporarios. Los anclajes permanentes son aquellos que, generalmente, se considera que tienen una vida útil de 75 a 100 años. La vida útil de los temporarios está basada en el tiempo requerido para contener el suelo mientras se instalan las estructuras permanentes. O sea, pueden tener su aplicación en estructuras permanentes o temporarias. 5.2. DISEÑO DE ANCLAJES EN SUELO 5.2.1. Anclajes inyectados a gravedad o a baja presión (presión menor a 10 kg/cm2) 5.2.1.1. Cálculo tradicional La transferencia de las cargas de la raíz al suelo se efectúa a partir de la resistencia lateral en la interfase con el suelo, siendo, según la clasificación del suelo, el siguiente valor:

17

D

Anclaje inyectado a gravedad

T

σn τ

L

T

De

D

Anclaje inyectado a baja presión ( 1,2 m

χ = 1,5 m ó 0,2 H (el mayor)

a. Corte transversal del muro

b. Vista en planta del muro

Fig. 27: Requerimientos para la separación vertical y horizontal para anclajes

7.3. DISEÑO DE LA LONGITUD LIBRE La longitud libre mínima para rocas y suelos es 4,5 m para tendones de cables y 3 m para tendones de barra de acero. Estos valores mínimos tienden a prevenir reducciones significantes en la carga debida a pérdidas durante la transferencia de cargas a la estructura después del ensayo de carga del anclaje. Existen casos en los cuales se pueden necesitar longitudes libres mayores que las anteriores, como por ejemplo para: •

ubicar la longitud de la raíz a una distancia mínima detrás de la superficie potencial de falla; • ubicar la zona de adherencia del anclaje en un suelo apropiado para el mismo; • Asegurar una estabilidad completa del sistema de anclajes; • Dar lugar a movimientos a largo plazo. En general, la longitud libre se extiende a una distancia mínima de H/5 o 1,5 m detrás de la superficie posible de falla para proveer una transferencia mínima de tensiones generadas por la raíz. 7.4. DISEÑO DE LA LONGITUD DE LA RAÍZ Para un proyecto en particular, el primer paso en la estimación de la capacidad mínima del anclaje es suponer la máxima longitud de adherencia posible. En el caso de un terreno sin restricciones se puede diseñar un anclaje con una inclinación de 15º y una longitud de adherencia de 12 m en suelo y de 7,5 m en roca.

8.

CONSIDERACIONES ACERCA DE LA CORROSIÓN

8.1. INTRODUCCIÓN Con la protección de los componentes metálicos del tendón contra los efectos destructivos de 41

la corrosión, se asegura una durabilidad a largo plazo del anclaje. La protección contra la corrosión incluye una o más barreras físicas que protegen al tendón de un ambiente corrosivo. Estas barreras incluyen: revestimiento del anclaje, compuestos que inhiben la corrosión, vainas, encapsulaciones, revestimientos de epoxi, e inyecciones. La elección del tipo de barrera depende de la vida útil de la estructura (temporario o permanente), de la agresividad del medio ambiente, las consecuencias de la falla del sistema de anclajes, y los costos de un nivel de protección mejor. 8.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN DE ANCLAJES 8.2.1. Requerimientos de los sistemas de protección contra la corrosión Los sistemas de protección deben satisfacer el siguiente criterio: • • • • • •

Asegurar que la vida útil del anclaje con respecto a la falla por la corrosión es al menos igual que la vida útil prevista del sistema de anclajes. No producir impactos adversos al medio ambiente o no reducir la resistencia del anclaje. Permitir movimientos irrestrictos del tendón a lo largo de la longitud libre, de manera tal que toda la carga sea transferida a la raíz. Incluír materiales que son químicamente estables y no reactivos con materiales adyacentes. Ser lo suficientemente fuerte y flexible para soportar las deformaciones que ocurren durante el tensado del tendón. Ser durable, como para resistir manipuleo sin dañarse durante la fabricación, transporte, almacenado e instalación.

8.2.2. Diseño de los sistemas de protección contra la corrosión Las tres partes básicas, constitutivas del tendón, son: 1- la cabeza; 2- la longitud libre o tendón; 3- la raíz. El sistema de protección consiste en brindar una barrera irrompible a cada componente y a las transiciones entre ellos. En los componentes del sistema de protección se incluyen: 1- para la cabeza, una cubierta de hormigón, una trompeta , y compuestos inhibidores de la corrosión; 2- para la longitud libre, inyección y una vaina rellena con un compuesto inhibidor de la corrosión o lechada; 3- para la raíz, inyecciones y encapsulaciones con centralizadores y revestimientos epoxi. (Ver Figs. 28 a 29) Breve descripción de los componentes de la protección: •

Revestimiento de la cabeza: La cobertura protege la cabeza del anclaje y el acero pretensado expuesto de la corrosión, y del daño físico. Se fabrican en acero o plástico.

•

Trompeta: La trompeta protege la parte de atrás de la placa de asiento y el acero 42

pretensado en la transición desde la cabeza hasta el tendón. Se fabrica con caño de acero o PVC. •

Compuestos inhibidores de la corrosión: Estos compuestos protegen los componentes de acero de la cabeza y del tendón.

•

Inyección: La inyección protege el acero pretensado en las longitudes con y sin adherencia y puede estar basada en cemento o resina poliéster.

•

Vainas: Las vainas son tubos de plástico lisos o corrugados, usadas para proteger el acero pretensado en el tendón. La vaina cubre todos los elementos pretensados y es comúnmente colocada y rellenada con lechada cementicia.

•

Manguitos: Se utilizan principalmente para proteger las cuplas que conectan las barras pretensadas en los empalmes.

•

Encapsulaciones: Son caños o tubos corrugados o deformados que protegen el acero pretensado en la raíz.

•

Centralizadores: Están, usualmente, hechos de acero o plástico y se utilizan para soportar el tendón en el barreno o dentro de una encapsulación para que el tendón se cubra con una mínima capa de lechada.

43

Trompeta Vaina llena con grasa

1- Lechada cementicia ó 2- Compuesto inhibidor de la corrosión Sellador

Cable pretensado Cuña Placa de la cuña Placa de asiento 100 mm 300 a 60 0 mm

Revestimiento entablonado

Inyección

a. Tendón de cables 1- Lechada cementicia ó 2- Compuesto inhibidor de la corrosión

Vaina llena con grasa

Barra pretensada Trompeta

Sellador

Tuerca del anclaje Placa de asiento

100 mm

Revestimiento entablonado

300 a 60 0 mm

Inyección

a. Tendón de barra

Fig. 28: Ejemplos de protección contra la corrosión

44

Corte A-A

Corte B-B

Centralizador exterior

Vaina engrasada

Tubo de inyección Tubo de inyección Vaina

Separador/Centralizador interior

inyección

Cables

Vaina A

Vaina engrasada Sellador Encapsulador Centralizador/separador interior Centralizador exterior

B

Long itud libre

A

Long itud de

adhe renc ia

B

Corte A-A

Corte B-B Tubo de inyección

Vaina engrasada

Separador/Centralizador Tubo de inyección

inyección Cables inyección Sellador

A

Vaina engrasada

Centralizador/separador

B Long itud libre

A

Long itud de

adhe renc ia

B

Fig. 29: Ejemplos de protección contra la corrosión

45

9.

ENSAYOS DE CARGA EN ANCLAJES

9.1. INTRODUCCIÓN La aceptación o rechazo de los anclajes se determina en base a los resultados de: 1- Ensayos de rendimiento 2- Ensayos de prueba 3- Ensayos extendidos de creep Cada uno de los anclajes se somete a uno de los ensayos expuestos. Sus resultados se comparan con los valores de aceptación para evaluar si el anclaje puede ser puesto en servicio. Los criterios de aceptación están basados en las deformaciones por creep admisibles y en las deformaciones elásticas admisibles durante los ensayos de carga. 9.2. ENSAYOS DE RENDIMIENTO U HOMOLOGACIÓN Los ensayos de rendimiento involucran ciclos de carga y descarga en un anclaje. Estos ensayos se utilizan para verificar la capacidad del anclaje, establecer el comportamiento cargadeformación, identificar las causas del movimiento del anclaje y verificar si la longitud real de la raíz es igual o mayor a la supuesta en el proyecto. Para comenzar el ensayo se aplica una carga de alineación que es el 5% de la carga de diseño. Los ensayos de rendimiento son realizados, comúnmente, sobre los dos o tres primeros anclajes instalados y luego, como mínimo, en el 2% de los anclajes producidos restantes. Se registra cada desplazamiento para cada incremento de carga. El desplazamiento total δt, está compuesto por un desplazamiento elástico δe más un desplazamiento residual δr. Los desplazamientos elásticos son el resultado de la elongación del tendón y de los deslizamientos elásticos del anclaje a través del suelo. El desplazamiento residual incluye la elongación de la inyección del anclaje y del movimiento del anclaje total a través del suelo. Por lo tanto, el desplazamiento elástico es la diferencia aritmética entre el desplazamiento total medido para la carga máxima para un ciclo de carga y el desplazamiento medido para la carga de alineación. Cuando se ha finalizado el ensayo, es decir, cuando se alcanza la carga de ensayo, la misma se mantiene constante durante 10 minutos, mientras se toman los desplazamientos al primer, segundo, tercero, cuarto, quinto, sexto y décimo minuto. El propósito es medir la dependencia de los desplazamientos del anclaje con el tiempo (creep). Esta parte del ensayo se denomina ensayo de creep. Si el desplazamiento total entre el primer minuto y los 10 minutos exceden el desplazamiento especificado para creep, entonces, la carga del ensayo s mantiene otros 50 minutos y se toman los desplazamientos a los 20, 30, 40, 50, y 60 minutos. Si los resultados de un anclaje específico indican que los movimientos de creep son excesivos en comparación con el criterio especificado, el anclaje puede incorporarse dentro de la estructura con una carga menor o puede reemplazarse.

46

133

120

100

75

50

25

Ajuste Desplazamientos

Porcentaje de la carga de diseño

1

δr

2 3 4

δe

5 6 10 mín.

δt

Fig. 30: Gráfico de los datos del ensayo de rendimiento u homologación

Uno de los criterios de aceptación está basado en los desplazamientos elásticos durante los ensayos de carga. Estos desplazamientos elásticos, que se calculan para cada ciclo, se grafican en función de la carga correspondiente, también se realiza el mismo tipo de gráfico para los desplazamientos residuales

6

δe 5 4 Desplazamientos elásticos

3

Desplazamientos residuales

1

Porcentaje de la carga de diseño

135

120

100

75

50

1 25

Ajuste

2

2 3 4

δr

5

6

Fig. 31: Gráfico de desplazamientos elásticos y residuales para el ensayo de rendimiento 9.3. ENSAYOS DE PRUEBA O RECEPCIÓN El ensayo de prueba involucra un solo ciclo de carga y una carga mantenida constante (cuando se alcanza la carga de ensayo). El ensayo de prueba provee un medio para evaluar la aceptación de anclajes que no se someten al ensayo de rendimiento. La información del ensayo 47

Desplazamientos

135

120

100

75

50

25

Ajuste

se usa para evaluar la capacidad de los anclajes considerando los mismos factores que par los datos del ensayo de rendimiento. Porcentaje de la carga de diseño

δr

δe

10 mín.

δt

Fig. 32: Gráfico de los datos del ensayo de prueba o recepción 9.4. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN 9.4.1. Generalidades El anclaje será puesto en servicio siempre que los resultados de los ensayos cumplan con el criterio de aceptación. Este criterio dictamina límites de creep aceptables (movimientos durante carga sostenida) y los desplazamientos elásticos. 9.4.2. Creep Para los ensayos de rendimiento y prueba los desplazamientos totales medidos para la carga sostenida no deben exceder 1 mm entre el primer minuto y el décimo. Si los desplazamientos son menores que 1 mm para este período, los anclajes se consideran aceptables con respecto al creep. Como se comentó anteriormente, para ensayos de carga en los cuales los desplazamientos totales exceden el criterio arriba descripto, la carga se mantiene durante 50 minutos adicionales. Si los desplazamientos totales no exceden lo 2 mm durante los 6 a 60 minutos de este período, entonces el anclaje se considera aceptado.

48

ANEXO – IMÁGENES: APLICACIONES DE ANCLAJES

Imagen 1: Perforación con barreno contínuo en arcillas arenosas de Madrid, España.

49

Imagen 2: Excavación de 27 m de profundidad en Génova. Pantalla anclada con tirantes definitivos realizados en formaciones sedimentarias fracturadas.

Imagen 3: Excavación de 20 m de profundidad en Zurich. Anclaje definitivo de una pantalla de pilotes no tangentes en areniscas, margas y morenas.

50

Imagen 4: Pantalla de retención en talud.

Imagen 5: Complejo hidroeléctrico del Salto de Castro (España) 51

Imagen 6: Central Nuclear de latina (Italia)

Imagen 7: Dique seco para buques en Trieste. Anclaje Provisional de las ataguías y anclajes definitivos para subpresión.

52

Imagen 8: Anclajes permanentes para la excavación de la central de Villacampo (España).

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REFERENCIAS •

GROUND ANCHORS AND ANCHORED SYSTEMS Geotechnical Engineering Circular Nº 4 Publication Nº FHWA-IF-99-015 US. Department of Transportation - Federal Highway Administration.

•

ROCKS ANCHORS – DESIGN AND QUALITY CONTROL G. S. Littlejohn – D. A. Bruce Geotechnics Research Group University of Aberdeen – Scotland (1977).

•

LOAD TRANSFER IN PRESSURE INJECTD ANCHORS David Shields, Harry Schnabel Jr., David Weatherby. Journal of the Geotechnical Engineering Division Vol. 104 Nº GT9. Sept. 1978

•

ESSAIS EN FRANCE EL Á L’ÉTRANGER SUR. LE FROLTEMENT LATÉRAL EN FONDATION: AMÉLIORATION PAR INJECION Gouvenot. L’Ecole Centrale de Lyon.

• FOLLETO COMERCIAL DE LA FIRMA ROFIX

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