Valparaíso, una ciudad que creció en forma de anfiteatro sobre las laderas de sus cerros, expuso muchas deficiencias estructurales y constructivas en la edificación en pendiente tras el gran incendio de 2014. De ahí surgió la motivación para desarrollar tecnologías económicas para los muros de contención, que fueran estructuralmente válidas y pudieran ser implementadas por personas sin mayores conocimientos técnicos.
Este trabajo presenta una visión del estado internacional, nacional y local de los muros de contención construidos con neumáticos y algunos ejemplos. En este contexto identificamos como principal objetivo de esta investigación, la oportunidad de contener los rellenos de tierra con estructuras construidas con neumáticos de desecho. Se desarrollaron algunas propuestas exploratorias que derivaron finalmente en la definitiva: un muro de contención construido con neumáticos estabilizados mecánicamente.
El Problema de los Neumáticos de Desecho
Por otra parte, el año 2015, Chile contaba con una flota de unos 5.000.000 vehículos (INE 2017). Esto significa que existe un potencial de 20 millones de neumáticos de desecho acumulables en un periodo de entre 4 a 5 años, volumen que se transforma en un residuo abundante y persistente para el medio ambiente, y que se acumula principalmente en las quebradas entre los cerros de Valparaíso.
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). En consecuencia, los neumáticos constituyen un residuo de gran volumen, abundante y persistente para el medio ambiente en las cercanías de las ciudades. De ahí, el interés de encontrar formas de reutilizarlos en la construcción de terrenos planos.
Muros de Contención: Una Solución con Neumáticos
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.
Tipos de Muros de Contención
- Gravitacional: depende principalmente de su propio peso y de su resistencia natural a la compresión.
- Estructural: materiales moldeados.
- Tierra reforzada o suelo reforzado: formados por el material del mismo suelo al que se le introducen horizontalmente bandas de refuerzo para resistir el movimiento.
Idealmente, se busca evitar las obras húmedas (como los muros de hormigón) y el movimiento de grandes cantidades de material, como en el caso de los muros de piedra. La tecnología de contención de los suelos avanza hacia la creación de soluciones que sean cada vez más simples, económicas y rápidas de ejecutar. Las investigaciones e innovaciones destacan este razonamiento con propuestas como muros de contención en base a geoceldas (Mattox 1994) o pantallas de malla de acero ancladas, como el sistema Erdox® (Posadas 2017).
El Uso de Neumáticos en la Construcción
El uso de neumáticos en las obras civiles se ha estudiado por décadas. Los primeros datos se registran en Francia en 1976 (Long 1990). En 1990, Nguyen Thanh Long publicó The Pneusol, donde recopila estudios sobre la combinación suelo-neumático y su aplicación en las obras civiles, estabilización de taludes y refuerzo de suelos, hasta su uso en la construcción de caminos.
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.
Ejemplo de Muro de Contención con Neumáticos
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 Consideraciones Estructurales
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. 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?
Análisis y Resultados
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 Consideradas
- 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.
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 la (Figura 14), se aprecia que para los muros de 3m de alto y con sobrecarga de 8 (kN/m2), la longitud del refuerzo requerido aumenta considerablemente a medida que sube el nivel del agua 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.
Estabilidad y Prevención de Erosión
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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