El objetivo de este proyecto investigativo es revisar las técnicas que se pudieran desarrollar como una posible alternativa y solución técnica para construir muros de contención artesanales de bajo costo para viviendas ubicadas en las laderas de la región de Valparaíso.
Este trabajo presenta una visión del estado internacional, nacional y local de los muros de contención construidos con neumáticos y algunos ejemplos.
Luego de una encuesta y evaluación de las posibilidades, la misma investigación nos condujo al uso de neumáticos de desecho como un material ampliamente disponible para crear muros de contención. Como los neumáticos se consideran desperdicios, se pueden obtener gratuitamente y, como resultado positivo e importante, la propuesta también considerara el aspecto ecológico y el cuidado del medio ambiente, dándole una finalidad a estos elementos botados en todas partes.
El Problema de los Neumáticos de Desecho
Chile posee actualmente una flota de 4.960.945 vehículos, lo que significa un potencial de 20.000.000 de neumáticos de desecho en un periodo de 4 a 5 años (INE 2017). En consecuencia, los neumáticos constituyen un residuo de gran volumen, abundante y persistente para el medio ambiente en las cercanías de las ciudades.
Se estima que en Europa, los neumáticos en desuso alcanzan las 3,4 millones de toneladas (Ramos et al. 2011) y en Chile, esta cantidad llega a los 3 millones anuales (CONAMA 2008). Por último, es importante señalar que la reutilización de los neumáticos ha despertado interés en la tecnología de los materiales (ETRMA 2015).
Sus propiedades han expandido la gama de posibilidades en la construcción: absorbedores de energía, impermeabilidad, posibilidad de ser chancados y usados en mezclas de materiales con características rígido-flexibles (Long 1990) transformándolos en un material interesante tanto para la arquitectura como la ingeniería.
Muros de Contención con Neumáticos: Una Solución Sostenible
Un muro de contención es una estructura construida para retener un terreno natural o soportar un relleno artificial. Para lograr la estabilización y equilibrio de la masa de tierra, el muro de contención transmite las cargas que genera hacia la fundación. Se usan para detener las masas de terreno cuando las condiciones no permiten la pendiente natural.
A través de la historia, los muros de contención se han construido en diferentes materiales. Existen diversas técnicas que usan rocas, concreto, metal, tierra y otros; todas con diferentes características y costos. En sectores urbanos o rurales de escasos recursos, la variable económica es clave para escoger el material que se usará.
Los neumáticos de desecho abundan en todo el planeta y es posible encontrar ejemplos de su uso como retenedores en varios países. Es el desecho volumétrico más abundante en las cercanías de las zonas urbanas. Los neumáticos constituyen una tecnología que solo utiliza su banda de rodamiento externa, por lo que el 90% de su estructura queda intacta.
Este sistema usa los neumáticos de desecho como elemento de contención y/o de refuerzo.
Ejemplos de Muros de Contención con Neumáticos
La (Figura 4) presenta un muro de 9 capas o hileras de neumáticos, por lo que se estima que mide unos 1,80m de alto.
La (Figura 5) muestra un muro de casi 4m de altura construido sobre albañilería de piedra. Visto en detalle (Figura 5), la albañilería se usa para nivelar la base del muro.
Además, se estima que la vegetación que ha crecido entre los neumáticos podría actuar como refuerzo, ayudando a soportar el empuje del suelo.
Un caso interesante de considerar es el de la compañía Yantek en México. Como se observa en el informe del contratista para la Junta Directiva Integrada de Manejo de Desechos de California (CIWMB, por su nombre en inglés) el sistema "puede ser anclado y asegurado a los taludes para su estabilización y es adecuado para cortes profundos en los caminos, característicos de la construcción de caminos en Baja California" (CIWMB 2009).
Allí se construyen muros con neumáticos modificados; se les corta la cara lateral de las bandas con ayuda de una maquinaria especial. Luego, la banda se gira hacia adentro, dejando su cara interna hacia afuera, generando así una unidad de caucho llamada “8”, debido a su forma (Figura 7); la unión de muchos "8" forma una "estera", que se rellena con suelo compactado. Los costados de los neumáticos se usan en la parte trasera del muro.
Una hilera se desfasa unos 5cm, creando así una inclinación de aproximadamente 70° en la parte frontal del sistema, como se aprecia en la Figura 8. En ese espacio de 5cm se pueden colocar plantas. Este sistema no genera residuos y trabaja por gravedad. El muro es pesado, flexible y con capacidad de drenaje. Además posee una base amplia que constituye el 60% de su altura.
Diseño y Construcción de Muros de Contención con Neumáticos
Al revisar la literatura, se encuentran diversas formas de construir muros de contención con neumáticos. Estos sistemas usan neumáticos ya sea en su forma original o intervenida por procesos industriales, con sistemas de apoyo simples o con algún tipo de refuerzo. Las restricciones de diseño se establecen en base a las condiciones contextuales.
Para seleccionar la propuesta más adecuada, se consideró una restricción adicional: no utilizar cimientos excavados a media profundidad para el apoyo del muro. Se estableció este requerimiento puesto que excavar y hormigonar una fundación implica un incremento de los costos y una mayor dificultad en la construcción (materiales, maquinaria, accesibilidad).
Para llegar al modelo definitivo, se evaluaron diferentes hipótesis de diseño del muro y de los materiales que componen el sistema. El resultado se resume en la (Figura 13): Construcción de un muro sin pendiente, con pilas de neumáticos dispuestos en 90° de la horizontal proyectada; uso de neumáticos de desecho como elemento principal; uso de geomallas como elemento de anclaje horizontal. Además, la propuesta considera arbitrariamente que se debe proveer un sistema de amarras, horizontal y vertical, de modo que el muro actúe como una sola estructura y ayude a resistir el cortante y evite las fallas estructurales.
- Se pueden usar en pilares apoyados sobre pilotes, donde las fuerzas sísmicas de la superestructura del puente están limitadas por los rodamientos de apoyo elastoméricos que soportan la superestructura del puente.
Interrogantes que el cálculo ingenieril debe responder: ¿cada cuántas hileras de neumáticos se debería instalar la geomalla para alcanzar la factibilidad estructural? ¿a qué profundidad se debe insertar la "banda" de geomalla?
Consideraciones de Diseño
Para responder a los aspectos relacionados con el diseño se usó el Manual de Carreteras, Ed. 2016, vol. 3 (MC V3) (Chile. Para el muro de contención propuesto, se consideraron de forma análoga los cálculos para muro TEM con capas estructuralmente colaborativas. Estas capas estructuralmente colaborativas pertenecen a una categoría especial de muros flexibles con contribución gravitacional. A menudo, en cuanto a sus dimensiones, se considera que el largo debe ser mayor al alto en al menos un 10%.
El diseño del muro fue proyectado para la ciudad de Valparaíso. De acuerdo a la norma chilena NCh433 Of.1966 Mod.2012, la zona sísmica corresponde a la 3, con un valor del coeficiente de aceleración de 0,4 (INN 2012).
- Cargas de relleno: se consideraron las cargas que ejercen ambos rellenos, el que forma el muro y el relleno tras el.
- Presión de la tierra: el suelo o material de relleno adyacente al muro de contención, que ejerce sobre el una fuerza que tiende a volcarlo o deslizarlo hacia afuera. Los esfuerzos considerados en el empuje lateral son el empuje activo junto con sus incrementos dinámicos correspondientes, donde la cohesión y el ángulo de fricción entre el muro y el relleno se consideraron como nulos.
- Acción sísmica: se consideró la interacción suelo-estructura, y se deben cumplir las condiciones del equilibrio dinámico.
- Volcamiento: factor de seguridad para el caso estático y caso sísmico.
- Falla a la extracción por deslizamiento: ocurre cuando uno de los refuerzos no es capaz de soportar las tensiones a la que está sometido y se desliza hacia el exterior.
En general, los resultados demostraron que, en muchos casos, existe una falla de extracción por deslizamiento. Sin embargo, se permitió esta condición porque en los cálculos no se consideró el amarre entre neumáticos en la dirección horizontal ni vertical.
Análisis de Sensibilidad y Altura del Muro
Para evaluar el comportamiento de estos muros, se realizó un análisis estadístico de sensibilidad, en el que se encontró que uno de los factores más influyentes para el sistema es el nivel de la capa freática detrás del muro.
En cuanto a la pregunta de cual debería ser la altura máxima del muro para tener un ancho de solo una hilera de neumáticos, su altura máxima no depende solamente del factor número de hileras. La altura podría elevarse proporcionando mayor cantidad de refuerzo de modo de alcanzar la resistencia requerida. Sin embargo, las restricciones deberían considerarse respecto a la razón alto-largo del muro, la que con frecuencia tiene una relación L = 1,1 veces al altura, ocupando mucho espacio.
Consideraciones Finales para el Diseño
El diseño se realizó de modo que los componentes estructurales fueran capaces de resitir las fuerzas de corte y momento generadas por las presiones del suelo y otras cargas. Además, se verificó la estabilidad a fin de que el muro se comportara de manera segura frente a un posible volcamiento o desplazamiento lateral. Esto se cumple solo cuando las cargas que ocurren en la base no exceden la capacidad soportante de la fundación.
Otro aspecto importante es que se debería evitar la erosión del suelo bajo y frente al muro. Igualmente, es aconsejable conocer el tipo de suelo para rellenar el muro y prevenir una posible expansión. Por ejemplo, los suelos arcillosos se ven afectados por esta condición, aumentando las cargas laterales, que tienden a ocurrir más superficialmente (raramente ocurren por debajo de 1,5m de profundidad).
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