Suelo reforzado con geomallas Fortrac® en ampliación del campo de vuelos del aeropuerto de Vigo (Pontevedra)
(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 96)
Patricia Amo Sanz y Marco Rodríguez; Departamento Técnico Huesker Geosintéticos S.A.U.
La obra de Ampliación del campo de vuelos del Aeropuerto de Vigo (Pontevedra) consistía en la ampliación de la franja Este de dicho campo de vuelos. Se propuso como solución alternativa la ejecución de dos estructuras de suelo reforzado con geomallas, cuya principal ventaja en este caso era la gran superficie de cimentación, lo que favorecía el reparto de cargas en profundidad y la posibilidad de verticalizar el talud para evitar invadir la carretera del pie.
Cercanos a los 10 años desde su ejecución en 2012, se analizan las principales características de estas estructuras, el diseño según las directrices de la normativa alemana de estabilidad de taludes DIN 4084 y las distintas fases de ejecución.
1. Introducción
La obra de Ampliación del campo de vuelos del Aeropuerto de Vigo (Pontevedra) consistía en la ampliación de la franja Este de dicho campo de vuelos. Para ello el proyecto contemplaba la ejecución de un terraplén 2H:1V. Esta propuesta tuvo que ser desechada debido a que la carretera que pasa por el pie de este quedaría invadida por las tierras. A continuación, se propuso realizar en la base un muro de escollera de altura variable y poder contener las tierras del talud. Propuesta que se desechó también debido a la carga que produciría la cimentación directa sobre el terreno de apoyo.
Finalmente, la empresa adjudicataria de las obras, DRAGADOS S.A., junto con el apoyo técnico de HUESKER propuso como solución alternativa la ejecución de dos estructuras de suelo reforzado con geomallas, cuya principal ventaja en este caso es la gran superficie de cimentación, lo que favorece el reparto de cargas en profundidad y la posibilidad de verticalizar el talud para evitar invadir la carretera del pie.
En la zona más ancha se realizó un talud reforzado de 45º de inclinación, abarcando una superficie de cara vista de 4.260 m2 y una altura máxima de 17 m y en la zona de mayor limitación de espacio se construyó un muro verde con una inclinación de la cara vista de 70º, con una superficie final de 1.000 m2 y una altura máxima de 12,5 m.
2. Diseño de estructuras de suelo reforzado con geomallas
2.1. Introducción
La ejecución de estructuras de suelo reforzado mediante geomallas presenta una serie de particularidades que deben ser consideradas tanto por el proyectista redactor del proyecto, como por la empresa contratista que lo ejecuta para asegurar un correcto funcionamiento del sistema.
De esta manera, en el presente artículo se pretende recoger las consideraciones que se tienen que seguir a la hora de realizar el diseño de la anterior estructura. Dentro de éstas se deberá prestar especial atención a la fluencia que sufren las geomallas utilizadas.
2.2. Criterios de diseño generales
Los geosintéticos utilizados en el refuerzo de suelo se fabrican con diferentes polímeros (Poliéster, Polivinil Alcohol, etc), pero todos ellos están sometidos al fenómeno de la fluencia. La fluencia se define como la disminución de las características mecánicas de un material sometido a un esfuerzo constante a lo largo del tiempo.
Lo anterior provoca que, para cada materia prima, el geosintético fabricado con esta presenta una curva tensión – deformación asociada con un tiempo por el efecto de la fluencia. De esta manera se obtiene una curva tensión deformación a 1 hora, 1 día, 1 mes, 1 año, 10 años, 120 años etc., provocada por la fluencia del material. A las anteriores curvas se les denomina curvas isócronas (Figura 1). Estas curvas son de suma importancia para determinar cuál será el comportamiento tenso – deformacional del geosintético a lo largo del tiempo.
Una vez determinada la máxima deformación por fluencia en los geosintéticos para este tipo de estructuras, generalmente fijando una vida útil de diseño, se procederá a su análisis para determinar el factor de seguridad de la estructura.
Generalmente, para el dimensionamiento de este tipo de estructuras se utilizan métodos de equilibrio límite, que determinarán el factor de seguridad del sistema, pudiéndose complementar el anterior diseño mediante la utilización de programas de elementos finitos que además del factor de seguridad permite estimar las deformaciones de la estructura.
Dentro de los métodos de equilibrio límite, es habitual realizar dos tipos de análisis, uno mediante el método de Bishop y otro mediante el método de Deslizamiento de Bloques.
2.3. Formulación empleada (ELU)
En el método de Bishop, la fuerza de tracción soportada por las diferentes geomallas de cada tongada se calcula utilizando superficies de deslizamiento circulares. Tras sucesivas iteraciones se busca el círculo de deslizamiento correspondiente al mayor valor de fuerza a tracción. El factor de seguridad de dicho círculo ha de cumplir las especificaciones mínimas de la norma de referencia que se esté siguiendo. En el método de Deslizamiento de Bloques se suponen unas superficies de rotura poligonales.
Las fórmulas usadas en los métodos anteriores se recogen a continuación:
Por otro lado, para comprobar el factor de seguridad obtenido con los métodos de equilibrio límite y analizar el comportamiento deformacional de la estructura, los programas de análisis numérico obtendrán soluciones para las distintas condiciones de equilibrio, compatibilidad, comportamiento estructural y condiciones de contorno, tanto fuerzas como desplazamientos.
Estos programas generan una malla consistente en elementos finitos conectados entre sí por nodos. Cada uno de estos elementos de discretización se denomina elemento finito.
Cada elemento finito tiene unos nodos definidos en el contorno del elemento. Los nodos son puntos donde se calculan los valores de las variables primarias, los desplazamientos. Los valores de los desplazamientos nodales son interpolados en los elementos para dar expresiones algebraicas de esos desplazamientos y de las deformaciones en toda la malla.
Todos los elementos finitos asumen una forma polinomial. El número de nodos del elemento depende del grado de dicho polinomio. Normalmente se utilizan polinomios de 2º y 4º grado, de manera que los elementos generados en la malla presentan 6 ó 15 nodos. Los elementos generados usualmente tienen morfología triangular.
A mayor número de nodos se obtiene un resultado más aproximado con la realidad, por eso, se recomienda utilizar elementos de 15 nodos.
Un FEM (Método de Elementos Finitos) utiliza ecuaciones para un solo elemento de la siguiente forma:
Al solucionar las ecuaciones globales se obtiene el valor de los desplazamientos en los nodos. A partir de estos desplazamientos se evalúa tensión y deformación.
El valor de las deformaciones se relaciona con los desplazamientos por medio de una matriz, B.
La relación entre tensión y deformación en un contexto de elementos finitos se realiza mediante la matriz D, y se expresa de la siguiente manera:
3. Aplicación de estructura reforzada con geomallas en ampliación del campo de vuelos del aeropuerto de Vigo (Pontevedra)
La anterior metodología de cálculo se usó en los dos tipos de estructuras reforzadas con geomallas presentes en la obra Ampliación del campo de vuelos del Aeropuerto de Vigo. La solución mayoritaria se abarcó con un talud reforzado de 45º de inclinación, abarcando una superficie de cara vista de 4.260 m2 y una altura máxima de 17 m y en la zona de mayor limitación de espacio se construyó un muro verde con una inclinación de la cara vista de 70º, con una superficie final de 1.000m2 y una altura máxima de 12,5 m. Las geomallas se disponían cada 75 cm en el muro verde y cada 100 cm en el talud reforzado.
Una vez definida las características de la estructura se procedió a definir para todas las geomallas, la tensión de diseño al final de la vida útil.
Esta tensión se obtiene a partir de la resistencia nominal, es decir, la resistencia de fabricación del material, que debe ser minorada por diferentes coeficientes, siendo el de mayor magnitud el correspondiente a la fluencia (para la vida útil fijada). A largo plazo es habitual considerar una vida útil de 120 años para estructuras en ingeniería civil. Los coeficientes de minoración pueden estimarse por bibliografía técnica (Koerner, 1997), pero para un correcto diseño, se debe exigir que estén certificados por un organismo externo al fabricante.
La expresión de la resistencia de diseño a partir de la nominal es:
En el caso que nos ocupa, las geomallas empleadas en el diseño y construcción de ambos muros estaban avaladas por el certificado de homologación BBA nº 13/H197.
Con esa tensión de diseño se procedió inicialmente a realizar una propuesta de diseño utilizando los dos métodos de equilibrio límite indicados anteriormente, Bishop en las Figuras 2 y 4 y Bloques en las Figuras 3 y 5.
Una vez comprobadas las estructuras mediante los métodos de equilibrio límite se procedió a su análisis mediante elementos finitos, tal y como se recoge en las Figuras 6 y 7.
4. Conclusiones
Cercanos a cumplir diez años en servicio, las estructuras de suelo reforzado ejecutadas en la ampliación del campo de vuelos del aeropuerto de Vigo, son un claro ejemplo de la idoneidad de esta técnica constructiva y de la flexibilidad que aportan para adaptarse a las necesidades geométricas de las obras.
Durante este tiempo, el comportamiento estructural de las mismas ha sido excelente, sin presentar ninguna patología o deformación postconstructiva. La selección de un material de relleno de alta calidad, de geomallas certificadas y un buen diseño basado en un procedimiento contrastado, junto con una buena puesta en obra, son los fundamentos del buen desempeño. En la actualidad, el sistema constructivo está avalado por un Documento de Idoneidad Técnica.
Además, en este tiempo, la vegetación autóctona se ha arraigado en el frente de ambas estructuras, logrando una absoluta integración con el entorno (figura 8 y 9).
Referencias
- DIN 4084 Beiblatt 1 :1981-07. Baugrund; Gelände-und Böschungsbruchberechnungen. Deutsche Institut für Normung e.V
- Robert M. Koerner (1997). Designing with Geosynthetics, Prentice Hall, Englewood Clifts, NJ, USA, 761 p. Documento de Idoneidad Técnica: no 482p/18. Sistema de estructuras de contención de suelo reforzado congeosintéticos (GRS). Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja.
- BS 8006-1:2010 Code of practice for strengthened/reinforced soils and others fills, British Standard Institution. Braja M. Das (2012) Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones, Cengage Learning, 794 p.
