Capítulo 4. Estimación de daños en edificios debidos a la

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Capítulo 4. Estimación de daños en edificios debidos a la excavación de túneles.

CAP 4.- ESTIMACIÓN DE DAÑOS EN EDIFICIOS DEBIDOS A LA EXCAVACIÓN DE TÚNELES

33

4.1 INTRODUCCION Los proyectos de ingeniería que incluyen trabajos subterráneos, túneles y excavaciones que se desarrollan como respuesta a las necesidades de brindar alternativas de movilidad, optimización de espacios y uso de suelos, traen inmersos impactos medioambientales y del entorno, que se hacen necesarios evaluar. Particularmente, la generación de movimientos inducidos al terreno como respuesta a los trabajos de excavaciones, se refleja en esfuerzos que se transmiten a su vez, en las cimentaciones de los edificios próximos al entorno de actuación del proyecto y que se evidencian finalmente en los componentes arquitectónicos y/o estructurales de los edificios. Por esta razón, se hace necesario el uso de herramientas que permitan definir a priori, los criterios de evaluación del riesgo de los edificios generados por los trabajos de excavaciones subterráneas, para poder definir los lineamientos o medidas de tipo preventivo, de forma tal que se mitiguen dichos movimientos y las posteriores consecuencias como daños y creación de ambientes con alarma social. La importancia de implementar criterios de evaluación de daños, está argumentada por la susceptibilidad del tema: daños en el entorno social y el coste económico asociado, dichos argumentos testifican que la aplicación e interpretación de los criterios de daños debe darse con trato cauteloso, brindando siempre la importancia que se merece cada caso. Boscardin y Cording (1989), han propuesto una metodología muy extendida y aplicada, para evaluar el riesgo de daños de edificios referido a los movimientos del suelo como respuesta a excavaciones. Aunque se trata de una metodología ampliamente difundida, su aplicación no ha sido completamente aceptada y se han puesto de manifiesto en diversos proyectos diferentes interpretaciones para la estimación de los parámetros que requiere su implementación. La aplicación de la metodología descrita, permite identificar los edificios que sufrirán defectos de pequeña consideración con respecto a aquellos más susceptibles de daños que comprometan su integridad estructural, caso en el cual se deben adoptar metodologías de estimación más profundas. 4.2 ALCANCE DE LOS CITERIOS DE EVALUACION DE DAÑOS La aplicación de la metodología de evaluación de daños permite llegar a identificar aquellos edificios próximos al entorno de desarrollo del proyecto, que tienen asociada la posibilidad de verse afectados por la ejecución de excavaciones subterráneas. Una vez hemos identificado aquellos edificios susceptibles de tener alteraciones como resultado de la ejecución de las obras, se deberá realizar una evaluación detallada y mas exhaustiva del mismo, contemplando

ESTUDIO DE LAS AFECCIONES AL ENTORNO DE UN TÚNEL URBANO

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características propias tales como la orientación, tipo y materiales estructurales, cimentación, estado actual y periodos de mantenimiento, movimientos previos, entre otros. Paralelamente, las características del edificio deberán estar asociadas a las diferentes fases constructivas como tipo y proceso de excavación, tipos de contención y periodos de los mismos. La consecuencia asociada a la evaluación detallada es la necesidad técnica de implementar medidas preventivas en los edificios que así lo estimen conveniente. El hecho de que las hipótesis en que se fundamentan los criterios de evaluación de daños, ignoren la rigidez del edificio, hacen que la metodología tenga una postura conservadora, razón por la cual, los resultados de la evaluación detallada pueden orientarse a implementar reducciones de los niveles de posibles daños. 4.3 CLASIFICACION DE DAÑOS (BURLAND) Dentro de las propuestas de clasificación de daños de los edificios planteadas por diversos autores, se distinguen básicamente tres categorías: Los daños que afectan el componente estético o el aspecto del edificio, los daños que afectan su funcionalidad y estado de servicio y aquellos que afectan y son una amenaza inminente para la estabilidad del edificio. Como se puede inferir de las anteriores categorías, la importancia de los desplazamientos de la cimentación se han definido progresivamente entre las categoría denominadas I a III. Gracias al aporte de Burland (1977) y a otros autores que han sumado esfuerzos con sus trabajos, entre los cuales podremos citar a Jenning y Kerrich (1962), U.K. Nacional Coal Borrad (1975), MacLeod y Littlejohn (1974), entre otros, se ha podido definir una clasificación de daños detallada basada en la facilidad de reparación de daños visibles y que a lo largo del tiempo se ha impuesto como una referencia normal cuyo uso ha sido generalizado en la evaluación de daños de edificios. La clasificación de los daños producidos en los edificios según Burland (1977), es la que se presenta en la tabla 4-1. En dicha tabla se define en orden creciente la severidad de los daños de la categoría 0 a la 5. Las categorías 0, 1 y 2 tienen relación con los daños estéticos, las categorías 3 y 4 con daños de tipo funcional y la categoría 5 con aquellos daños que suponen una amenaza para la integridad estructural del edificio.


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CATEGORÍA

DE DAÑO

CLASES DE

DAÑOS

DESCRIPCION DE LOS

DAÑOS

ANCHURA

APROXIMADA

DE LAS

GRIETAS [mm]*

0 Inapreciables Fisuras casi imperceptibles <0.1

1 Muy Ligeros

Grietas finas fácilmente reparables con pintura y decoración normal, ocasionalmente grietas mayores. Grietas en fachadas o muros de carga visibles en una inspección cuidadosa.

<1.0

2 Ligeros

Grietas que se pueden rellenar sin problemas. Grietas recurrentes pueden taparse con tratamientos específicos. Fracturas ligeras en el interior de los edificios y visibles en el exterior. Las puertas y ventanas cierran con dificultad.

<5.0

3 Moderados

La reparación de las grietas supone trabajos importantes, se deben picar y rellenar con mortero, se pueden presentar tanto en el interior como en el exterior. Las puertas y ventanas cierran difícilmente. La utilización del edificio debe ser interrumpida hasta la reparación.

<5 a 15 (muchas grietas con abertura superior a

3mm)

4 Severos

Intensas reparaciones en los tabiques. Distorsión en los marcos por lo que las puertas y las ventanas no cierran y los suelos tienen apreciables inclinaciones. En algunos casos perdida de resistencia de las vigas. El edificio debe ser desalojado.

15 a 25

5 Muy Severos

La reparación puede suponer la reconstrucción parcial o completa del edificio. Las grietas afectan la estructura, perdida de carga en las vigas, paredes inclinadas que requieren apeos, se rompen los marcos de ventanas. Riesgo de inestabilidades, Peligro de colapso.

>25.0

* El ancho de las grietas es únicamente un factor para asignar la categoría de daño y no debe usarse en si como una medida directa del daño.

Tabla 4-1. Clasificación de los daños producidos en los edificios según Burland.

Una particularidad que definen diversos autores, es la identificación e interpretación de la frontera entre las categorías de daños 2 y 3, es decir, el límite entre daños estéticos y funcionales. La experiencia derivada de la inspección de edificios ha permitido concluir que los daños hasta la categoría 2, pueden estar asociados a diversas causas como aquellas de tipo intrínsico de la estructura tales como contracciones, retracciones y afecciones por el componente térmico, hasta las debidas a las propiedades y el comportamiento del suelo donde están cimentados dichos edificios. Aunque resulta difícil determinar el origen de esos daños, se puede expresar que éstos son debidos a una suma de las causas mencionadas anteriormente. Para las demás categorías 3 a 5, la causa es identificable con mayor facilidad y generalmente esta asociada con movimientos del terreno.


36

Aquellos edificios donde la predicción del grado de daños esta comprendida entre la categoría 0 a 2, son definidos como edificios de bajo riesgo, donde en ningún caso la integridad estructural del edificio se ve comprometida y las reparaciones de daños en todo caso son fáciles, rápidas y asequibles. 4.4 CRITERIO DE BOSCARDIN Y CORDING El criterio de evaluación de daños propuesto por Boscardin y Cording (1.989) que tiene en cuenta la deformación horizontal del terreno, se basa en el concepto de formular que los daños en las paredes de carga de mampostería, son debidos al agrietamiento que se produce cuando se supera la capacidad a tracción del material. Polshin y Tokar (1.957) asociaron la aparición de daños observables o fisuras visibles, a la deformación crítica de tracción del material Ɛcrit. Burland y Wroth (1.974) aplicaron dicha aparición de fisuras, después que se supera la deformación crítica de tracción Ɛcrit a una viga simplemente apoyada que idealiza el comportamiento de los edificios. Esta metodología se compone de las siguientes etapas: Etapa 1: Estimar el campo de desplazamientos producidos en el terreno por

la excavación del túnel, sin tener en cuenta el edificio. Etapa 2: Analizar el edificio bajo la premisa de ser idealizado como una viga

equivalente, a la cual se le induce una carga de flexión (originada por el campo de desplazamientos del terreno) y con ello estimar la deformación crítica de tracción Ɛcrit.

Etapa 3: Finalmente se puede asignar al edificio una categoría de los daños producidos a partir de la deformación crítica de tracción Ɛcrit encontrada para la viga.

Las solicitaciones inherentes a la excavación de túneles y/o obras subterráneas que provocan los daños en los edificios, son debidas exclusivamente a la deformación impuesta por el terreno, sin analizarse los estados tensiónales previos del terreno y de los edificios. El fundamento teórico del criterio esta inferido de las fórmulas de la teoría de la elasticidad aplicadas a una viga simplemente apoyada, donde se relaciona la deformación crítica de tracción Ɛcrit con los parámetros que se presentan en la tabla 4-2.


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PARAMETRO ABREVIATURA

Común DESCRIPCION

L Longitud Dimensiones

H Altura

E Módulo de deformación longitudinal

G Módulo de deformación transversal Constantes Elásticas

U Relación de Poisson

Relación Deformación L

Δ = desplazamiento relativo.

Tabla 4-2. Parámetros que permiten definir la deformación crítica de tracción, Ɛcrit.

La deformación crítica de tracción Ɛcrit se puede producir desde dos formas extremas, la primera de ellas se da en el estado de flexión pura que se origina en las fibras más alejadas del eje neutro o externas y que producen fisuras perpendiculares al eje neutro de la viga, a ésta se le denomina deformación de flexión pura, Ɛ bmáx. El segundo caso ocurre en el estado de cortante puro, originado en el eje neutro y con una inclinación aproximada de 45º, produciendo fisuras diagonales al eje neutro de la viga, y que se denomina deformación de cortante pura, Ɛ dmáx. Como generalmente ambas formas actúan de manera simultánea, el interés se centra en averiguar en cada caso, cual de estas dos es la más crítica para el comportamiento de la viga. Como orientación se puede decir que para pequeñas relaciones altura longitud (H/L) y entre módulos de deformación (E/G), la influencia de las deformaciones por efecto cortante también lo es. Boscardin y Cording (1.989) introducen la distorsión angular β, como parámetro a relacionar con la deformación crítica de tracción Ɛcrit, en lugar de la relación de deformación Δ/L. La distorsión angular β, es una medida de las deformaciones de cortante, y se expresa como el máximo cambio de pendiente a lo largo de la viga equivalente y corresponde a la pendiente en los extremos. Para llegar a esta conclusión, Boscardin y Cording (1.989) presentaron una serie de curvas donde se relaciona la distorsión angular β en la relación L/H de la viga para varios valores de E/G. De dichas curvas se puede inferir que: para valores altos de E/G la aparición de daños esta gobernada por deformaciones de cortante, en una amplia gama de la relación L/H. Por su parte, para valores de E/G bajos, la aparición de daños esta gobernada por deformaciones de cortante en una corta gama de la relación L/H, generalmente menor que la unidad. La aparición de fisuras y daños en los edificios, esta condicionada por las deformaciones de cortante que se presentan en el terreno. Dicha situación se testifica en la práctica, con aquellos casos de aparición de fisuras debidas a tensión diagonal antes de las fisuras debidas a flexión.


38

Como conclusión generalizada de los diferentes autores, se ha observado que para correlacionar el comportamiento de los edificios sometidos a deformaciones inducidas por excavaciones, la distorsión angular β se elige como un parámetro apropiado. Adicionalmente, se comprobó que la presencia de deformación de tracción horizontal Ɛ h en la estructura, hace que la relación de deformación Δ/L y la distorsión angular β necesarias para producir la deformación crítica de tracción Ɛcrit, disminuyan. Con las deformaciones inducidas por efecto de las excavaciones subterráneas, aparecen deformaciones horizontales que se superponen con aquellas deformaciones derivadas de las deformaciones verticales, es decir, para alcanzar el estado de deformación crítica de tracción Ɛcrit, se debe adicionar a la deformación de tracción horizontal Ɛ h la componente de deformación de flexión pura Ɛ bmáx y la deformación de corte puro Ɛ dmáx. Para las zonas de flexión pura tales como la fibra extrema, la composición es directa y en los casos de corte puro, dicha composición se debe realizar apoyándose en el círculo de Mohr de deformaciones, ya que Ɛ h tiene componente horizontal y Ɛ dmáx tiene inclinación de 45º. Como resultado del criterio planteado por Boscardin y Cording, se han definido unos gráficos que permiten evaluar el riesgo en los edificios para aquellos casos en que se cumplen las siguientes hipótesis: Edificios con paredes de carga de mampostería. Modelo basado en el análisis de viga equivalente. El eje neutro de dicha viga coincide con uno de los bordes. La relación L/H es igual a la unidad. En los gráficos están representadas curvas que relacionan la distorsión angular β con la deformación de tracción horizontal Ɛh y definen con ello un valor dado de la deformación crítica de tracción Ɛcrit. Dichas curvas delimitan cinco superficies o zonas que representan un nivel de daños denominados: Inapreciables, Muy Ligeros, Ligeros, Moderados a Severos y Severos a muy Severos. 4.5 APLICACIÓN DEL CRITERIO DE BOSCARDIN Y CORDING El resultado de la aplicación del método propuesto, es obtener la deformación crítica de tracción Ɛcrit sobre la viga equivalente en función de la cual se puede encontrar la categoría de daño que se producirá sobre el edificio. Para poder dar aplicación a la metodología de evaluación de daños de edificios planteada por Boscardin y Cording, es necesario disponer de la siguiente información: Curvas de desplazamientos y asientos (cubetas de asientos) provocadas

por la excavación subterránea y las cuales pueden ser tomadas a partir de la modelización del caso de interés.


39

Localización, características y dimensiones de los edificios (Longitud, Altura).

Seguidamente podremos calcular los parámetros de distorsión angular β y la deformación de tracción horizontal Ɛ h para las longitudes del edificio y con ello obtenemos las coordenadas del punto a localizar en el gráfico. De acuerdo con la zona a la que pertenece el punto, se puede evaluar el riesgo de daños.

Figura 4-1. Relación de daños propuesta por Boscardin & Cording (Fuente: “Building Response to Excavation-Induced Settlement”, J. Of Geotech. Eng., 1989, ASCE, 115 (1), 1-21).

Posteriormente al planteamiento de Boscardin y Cording, varios autores han introducido ciertos cambios basados en la inclusión de nuevos parámetros para desarrollar su método de evaluación. Burland y Wroth (1997), ha reemplazado la distorsión angular por la relación de deformación o radio de deflexión Δ/L y manteniendo la deformación crítica de tracción Ɛcrit ya que considera estos límites, como parámetros de servicio que se pueden modificar para tener en cuenta varios materiales y varios estados límites de servicio. La figura 4-2 muestra diferentes categorías de daño a partir de los parámetros mencionados anteriormente Δ/L y Ɛcrit.

Figura 4-2. Relación de daños propuesta por Burland (1997) (Fuente: “Assessing construction and settlement-induced building damage: a return to fundamental principles”, Bone, S.

J. (2001). Proceedings, Underground Construction, Institution of Mining and Metalurgy, London, 559-570.


40

Como ya se ha mencionado, es frecuente encontrar discrepancias en la evaluación de daños, ya que la interpretación de los parámetros es dispersa y en algunos casos contradictoria. Una medida que permite ampliar el abanico y mitigar dichas discrepancias, es el uso de varias metodologías para la estimación de daños. 4.6 ANÁLISIS DE BURLAND Y BOSCARDIN-CORDING (Luís Muñoz C.) Las metodologías ampliamente difundidas de Burland y Boscardin-Cording empleadas para la estimación de daños producidos en edificaciones del entorno de trabajos de excavación subterránea, difieren únicamente de la variable de referencia. Una flecha relativa (relación entre la flecha máxima y la longitud de la fachada) en el caso de Burland y un ángulo para el caso de Boscardin-Cording, siendo ésta última la más utilizada. La preferencia de uso está soportada en la inclusión de la influencia del estado de deformación del terreno en las deformaciones propias que sufre el edificio. El artículo “Building Response to Excavation-Induced Settelment” publicado por Boscardin-Cording en 1989, propone que a partir de las deformaciones debidas a la flexión y al esfuerzo cortante producidas por la carga puntual y bajo la hipótesis de que la fibra neutra coincide con la fibra inferior de la viga, se establecen unos valores frontera entre distintos niveles de daño que se representan en un ábaco. En dicho ábaco, el nivel de daño se determina en función de la denominada distorsión angular (ángulo entre la deformada y la viga en el apoyo) y de la deformación por tracción del terreno. En el documento “ANÁLISIS DEL METODO DE BOSCARDIN Y CORDING Y DEL METODO DE BURLAND PARA LA ESTIMACIÓN DE DAÑOS QUE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS PUEDEN PRODUCIR EN LOS EDIFICIOS DEL ENTORNO” presentado por Luís Muñoz Campos en 2008, se analizan las hipótesis y fórmulas empleadas en los métodos para la estimación de daños propuestos por Burland y Boscardin-Cording. La tabla 4-3 resume los resultados de los análisis. Como resultado del análisis de Luís Muñoz Campos, se ha propuesto la reconstrucción de los ábacos empleados por Burland y Boscardin-Cording para carga uniforme dado un valor de Δ/L ó β. Se busca el valor de la tracción horizontal tal que el mayor de los valores de tracción por flexión y tracción diagonal, coincida con los valores límites propuestos (Tabla 4-4) que define las fronteras entre las distintas categorías de daño.


41

HIPÓTESIS RESULTADOS ANALISIS

1

Edificio=Viga Homogénea e Isotropa. (Burland 1974)

Modelo útil como primera aproximación para estimar deformaciones que el movimiento vertical del terreno produce en fachadas que son muros de carga.

2

Interacción Vertical de reacciones (Terreno-Edificio)=Carga puntual

centro viga. (Burland 1974)

Parece más próximo a la realidad que la carga de interacción sea distribuida. Es decir, que existan presiones de contacto entre la viga (muro carga) y el terreno.

3

Flecha máx. (Carga Puntual)

23 /18/1/48/1 LHIGEEIPL

(Burland 1974)

Tiene en cuenta la variación de la deformada a lo largo del eje de la viga.

LXLKLXLXDef //4/3/2/ 232

La deformada forma un ángulo con la horizontal en el inicio del voladizo (punto medio de la viga de longitud L) que es incompatible con la condición de empotramiento de la viga. Incluye los giros a lo largo de la viga:

222 /4/2/2/1/ LKLXLXEILLPx

Para reestablecer las condiciones de contorno, se necesita restar a la deformada el giro:

323 /3/2//18/ LXLXEILPx

4 Fibra neutra coincide Fibra inferior.

(Burland 1974)

La resultante de tensiones tangenciales Ta está aplicada a la profundidad de la fibra inferior y por lo tanto da lugar a un momento de valor (H/2)Ta que origina tracciones en la fibra inferior de la viga y compresiones en la parte superior, lo que conduce, a que la fibra neutra se sitúe por encima del eje de la viga. No tiene sentido físico, violaría las leyes de la estática.

5

Deformación horizontal Ɛh de tracción del terreno no aplicada en todos los

puntos del edificio. (Boscardin-Cording 1989)

La acción del terreno sobre la viga se produce en el contacto Terreno-Edificio y da origen a un esfuerzo de tracción y

un momento que hace variar las tensiones, y

consiguientemente las deformaciones de tracción en

la parte superior del edificio.

Tabla 4-3. Resultados Análisis Métodos de Burland y Boscardin-Cording (Luís Muñoz Campos)

Para dibujar la curva frontera entre dos niveles de daños correspondiente a una determinada relación L/H, se toma el valor límite (Tabla 4-4), se elige un valor de la distorsión angular β y se determinan los valores de deformación tracción Ɛflex (Ɛcrít) y la deformación por cortante Ɛdiag originados por el valor de β seleccionado, luego se tantean sucesivos valores de Ɛh hasta que el mayor de los siguientes valores sea igual al valor de frontera seleccionado.

hflextflex εεε += (4.1)


42

5,0222 4/12/1 diaghhtdiag (4.2)

Deformación Horizontal tracción (Límite)

∑h lím. (0/00) CATEGORIA DAÑO

0,00 - ≤0,50 INAPRECIABLE

>0,50 - ≤0,75 MUY LIGERO

>0,75 - ≤1,50 LIGERO

>1,50 - ≤3,00 MODERADO

>3,00 SEVERO

Tabla 4-4. Valores límites de ∑h lím. Y categorías de daño. El ábaco corregido del método de Boscardin-Cording se representa en la figura 4-3, la deformación límite alcanzada por flexión está por encima de la línea blanca y debajo se sitúan las debidas por cortante.

Figura 4-3. Ábaco de Boscardin-Cording corregido por Luis Muñoz Campos (Fuente: “Análisis del método de Boscardin-Cording y del método de Burland para la estimación de daños que las

excavaciones subterráneas pueden producir en los edificios del entorno”, Muñoz C. Luís, Las Rozas, 2008.)

Boscardin y Cording (L/H=1;=0.3)

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

distorsión angular, ,(o/oo)

de

form

ació

n h

ori

zon

tal d

e t

rac

ció

n ,

h , (

o/o

o)


43

La carga puntual que Burland y Boscardin-Cording utilizan para determinar la deformada de la viga por la que se sustituye el edificio, conduce a tener en cuenta la contribución del esfuerzo cortante en la deformación, con valores poco reales respecto a la flecha calculada. Esto se debe al alabeo que el esfuerzo cortante produce en las secciones normales al eje de la viga, lo que conduce a una discontinuidad de giros en su centro con un notable aumento de la flecha así calculada. (Muñoz C. Luís). Si la carga puntual (que produce un esfuerzo cortante constante con un cambio brusco de signo en el centro de la viga) se reemplaza por una carga uniforme (que produce cortante cero en el centro de la viga y variación continua y lineal a lo largo de ella) se evita el problema de discontinuidad mencionado. Adicionalmente, sí se sustituye la pobre definición que da Boscardin-Cording a la distorsión angular por la variación de la pendiente cuando la viga se recorre de un extremo a otro, tendríamos:

BA (4.3)

Donde:

A , B = ángulos que forma la tangente de la deformada en los puntos A

y B con la recta que une ambos puntos. En conclusión se propone la utilización de una carga uniforme que sustituye a la carga puntual que utilizan en sus publicaciones Burland y Boscardin-Cording, evitando los errores relacionados con las deflexiones y los giros y las consecuentes deformaciones de tracción originadas por la flexión y por las tensiones cortantes. Adicionalmente se propone una nueva definición y valor de la distorsión angular.


44

Figura 4-4. Burland y Boscardin-Cording carga Uniforme.

(Fuente: “Análisis del método de Boscardin-Cording y del método de Burland para la estimación de daños que las excavaciones subterráneas pueden producir en los edificios del entorno”, Muñoz C. Luís, Las Rozas, 2008.)

Burland (L/H=1;=0.3)

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,21,31,41,51,61,71,81,92,02,12,22,32,42,52,62,72,82,93,03,13,2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

3,1

3,2

3,3

3,4

asiento relativo, /L ,(o/oo)

def

orm

ació

n h

orizo

nta

l de

trac

ción

h ,(

o/o

o

original.muy ligero original.ligero original.moderado original.severo

corregido.muy ligero corregido.ligero corregido.moderado corregido.severo

Boscardin y Cording (L/H=1;=0.3)

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,21,31,41,51,61,71,81,92,02,12,22,32,42,52,62,72,82,93,03,1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,2

4,4

4,6

4,8

5,0

5,2

5,4

5,6

5,8

6,0

6,2

6,4

6,6

6,8

7,0

distorsión angular, ,(o/oo)

defo

rmació

n h

orizo

nta

l de tra

cció

n

h , (

o/oo

original.muy ligero original.ligero original.moderado original.severo

corregido.muy ligero corregido.ligero corregido.moderado corregido.severo


45

4.7 PROLONGACIÓN DE LA LÍNEA 2. TRAMO: PEP VENTURA BADALONA CENTRO. ANÁLISIS DE LAS DEFORMACIONES Y ESFUERZOS PREVISIBLES GENERADOS DURANTE LA CONSTRUCCIÓN DEL FALSO TÚNEL.

Con el objetivo de observar las deformaciones dentro y en los alrededores del túnel así como los esfuerzos en las estructuras del falso túnel, se desarrolló el estudio denominado “Perllongament de la línia 2. Tram: Pep Ventura-Badalona centre. Anàlisi de deformacions i esforços previsibles generats durant la construcció del fals túnel” (TEC-4 Ingenieros Consultores, 29-11-2005). Las deformaciones y esfuerzos se estudiaron sobre las edificaciones del entorno, en las pantallas y en los demás elementos del falso túnel, modelándose las situaciones de estudio en el programa informático PLAXIS V8 2D basado en el método de los elementos finitos. A continuación se detallan los resultados del análisis de asientos, que sirvió para realizar la estimación de daños en los edificios próximos al trazado del túnel y objeto del estudio. 4.7.1 Asientos en los edificios Por tratarse de un proyecto que se desarrolla en un entorno urbano y debido a que el trazado de prolongación de línea 2 sigue la calle Francesc Macià, se ha realizado un análisis de los posibles daños sobre los edificios. Se han analizado los edificios más próximos a unas secciones definidas para el estudio. El análisis de deformaciones y esfuerzos previsibles generados durante la construcción del proyecto de prolongación, producidas sobre los edificios y los elementos estructurales del falso túnel, se ha realizado en cuatro secciones transversales del túnel de metro. Éstas secciones corresponden a los puntos kilométricos Pk 0+400, Pk 0+540, Pk 0+580 y Pk 0+700. La elección de las secciones para el análisis se ha basado en tres aspectos: Perfil geológico. Tipología y proceso constructivo (con o sin ventanas, zonas de telescopio y

estación) Influencia de los edificios (Altura y proximidad a las pantallas) La sección Pk 0+700, corresponde a la zona de la estación de Badalona, donde en superficie se prevé la construcción de una plaza, por lo tanto, no ha sido analizada. La posible afectación que la construcción de un túnel pueda tener sobre los edificios existentes en las proximidades del trazado, está originada por los movimientos inducidos al terreno debidos en general, al desconfinamiento que se produce durante la excavación. Los criterios de daños sobre edificios


46

producidos por la excavación de túneles publicados por Boscardin y Cording (1989), están basados en la combinación de dos parámetros: la deformación horizontal en tracción y la inclinación de la superficie ó distorsión angular. En el análisis de daños del proyecto de prolongación de línea 2, se han empleado las seis categorías definidas por Burland (1977), tal como se mostró en la tabla 4-1 y que se representa gráficamente según la simplificación del criterio de Boscardin y Cording en la figura 4-5. La separación de cada región de la figura 4-5, está constituida por rectas que tienen por ecuación la expresión:

(4.4)

Donde: ∑crit = Deformación horizontal en tracción β = Distorsión angular

K = de acuerdo con las regiones de daños establecidas en la figura 4-5: 0,5 Daños Inapreciables – Daños muy ligeros. 0,75 Daños muy ligeros – Daños ligeros.

1,50 Daños ligeros – Daños moderados

Figura 4-5. Representación gráfica simplificada del criterio de BOSCARDIN-CORDING

El parámetro discriminante de los daños de estructuras que emplea el criterio Boscardin-Cording, es la deformación horizontal en tracción del terreno, él cual es el más utilizado como criterio de daños en problemas de subsidencia, corrigiéndolo con el valor de la distorsión angular inducida en el terreno β. De la figura 4.5 se puede inferir que si no hay distorsión angular, el valor límite de la deformación en tracción para que aparezcan daños muy ligeros, es de 0,5 mm/m, este valor corresponde exactamente con el valor habitual empleado como límite de daños en los problemas de subsidencia cuando el terreno está siendo sometido a tracciones horizontales.

K*crit

0

0,5

1

1,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

DISTORSIÓN ANGULAR (mm/m)

DE

FO

RM

AC

ION

HO

RIZ

ON

TA

L (

mm

/m

)

DAÑOS INAPRECIABLES

DAÑOS MUY LIGEROS

DAÑOS LIGEROS

DAÑOS MODERADOS


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Para evaluar la afectación de los edificios provocada por la excavación del túnel, se consideraron los siguientes resultados en superficie: La subsidencia. La distorsión angular (Relación entre la diferencia de desplazamiento

vertical y la de la posición horizontal inicial). La deformación horizontal (Relación entre la diferencia de desplazamiento

horizontal y la de la posición horizontal inicial). El modelo de PLAXIS ha sido modificado para que las deformaciones sobre las cimentaciones de los edificios sean lo mas cuidadosas posibles. En la figura 4-6 se representan los resultados de la distorsión angular vs. la deformación horizontal en la fase de cálculo. Dichos parámetros se han analizado según los criterios de Boscardin y Cording (1989).

Figura 4-6. Resultados de daños en los edificios según el criterio de BOSCARDIN Y CORDING En general, se puede concluir que los daños producidos por deformaciones del terreno en los edificios, resultan ser de Inapreciables a Ligeros. En el estudio se puede ver que los puntos que salen de la tendencia, corresponden a la sección Pk 0+540 costado montaña que aguanta un edificio de cinco plantas y el Pk 0+580 donde encontramos un edificio de solo dos plantas. Esto se debe a que ambos edificios se encuentran cimentados sobre terreno de relleno ya que el estudio geotécnico, les otorga una cohesión nula y un módulo de deformación bajo.


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Los edificios situados en la sección Pk 0+400 sufren menos deformación (aunque tengan mucha más carga por ser más altos) porque las cimentaciones están sobre un terreno Qc, formado por sedimentos coluviales y fluviotorrenciales que son de una mayor calidad, lo cual no pasa en las otras secciones que están sobre rellenos antrópicos. Las zapatas más próximas a las pantallas son las que sufren más deformaciones, por lo tanto, los puntos pertenecientes a las cimentaciones de un mismo edificio pueden variar. La explicación que se da para que existan más daños en los edificios pequeños en comparación con los más grandes, puede estar argumentada por el tamaño de las zapatas. Así, las zapatas de longitud entre 1 y 1,5 m., sufren más deformaciones que una con dimensiones de 3 m. Aunque el análisis de las deformaciones y esfuerzos previsibles ha permitido obtener resultados de cálculo admisibles que pueden ser considerados bastante realistas, puede existir un aumento en la severidad de la clasificación de daños de ciertos edificios y en algún momento los posibles daños Inapreciables pasen a ser muy ligeros como consecuencia de algún imprevisto durante la ejecución de las obras, el cual no ha sido considerado en el modelo. En estos casos se debe evaluar la conveniencia de adoptar una solución preventiva a efectos de evitar una eventual alarma social. Se considera imprescindible confirmar los resultados obtenidos en el estudio, controlando los movimientos en las fases de construcción, asegurando en todo momento que los desplazamientos medidos en obra se encuentran dentro de los rangos permitidos. En especial el edificio de nueve plantas que se encuentra en la sección Pk 0+400, que aunque este en zonas de daños Inapreciables y este cimentado sobre un nivel Qc, es un edificio levantado sobre un edificio antiguo de dos plantas (Archivo Ayuntamiento de Badalona). 4.8 ANÁLISIS DE LAS DEFORMACIONES. PROYECTO MODIFICADO DE

PROLONGACIÓN DE LA LÍNEA 2 DEL FMB. TRAMO: PEP VENTURA BADALONA CENTRO. CLAVE: TM-99456.1-M1.

La evaluación de las deformaciones del terreno previsibles por efecto de las obras de excavación contenidas en el proyecto modificado M1 han sido contempladas en el estudio “Anàlisi de les deformacions durant la construcció del fals túnel del projecte modificat del Perllongament de la línia 2 del FMB. Tram: Pep Ventura-Badalona Centre. Clau: TM-99456.1-M1” (TEC-4 Ingenieros Consultores, 24-03-2008). Para estudiar las deformaciones en superficie, se empleó el programa PLAXIS 2DV8 basado en el método de los elementos finitos. La modelización con el programa PLAXIS 2D se realizó en aquellas secciones de cálculo que en el proyecto modificado M1 había arrojado los mayores desplazamientos. Estas secciones son las que se muestran en la tabla 4-5.


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TRAMO SECCION Mvto horizontal

máx. (RIDO) [mm]

Lugar donde se

produce

Interestación V-A 16,14 Cota: -4,0 m.

Interestación VII-A 13,20 Cota: +9,3 m. Cabeza pantalla

Estación XII-XIII 22,11 Cota: +9,95 m. Cabeza pantalla

Tabla 4-5. Secciones de cálculo con mayores desplazamientos del M1 con el programa RIDO. 4.8.1 Análisis de daños en edificios, Sección V-A/B (P.k. 0+397) Para evaluar el riesgo sobre los edificios, se analizaron los movimientos registrados con los programas RIDO y PLAXIS 2D para la fase de cálculo de retirada de puntales provisionales, donde se registran los mayores movimientos. Las características de los edificios adoptados para el análisis del riesgo se muestran en la tabla 4-6.

EDIFICIO Distancia

(Edif-Pant) [m]

Longitud

Edif. [m]

Altura Edif.

[m]

F. Macià nº 50-56 3,7 19,3 35

F. Macià nº 31 2,7 14,4 14

Tabla 4-6. Características de los edificios considerados en el análisis de riesgo P.k. 0+397. Luego de analizados los movimientos según los métodos de Burland y Boscardin y Cording, se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 4-7. 4.8.2 Análisis de daños en edificios, Sección VII-A/B (Pk 0+537) En esta sección, la fase de cálculo que produce mayores movimientos en los modelos de RIDO y PLAXIS 2D es la restitución del nivel freático original. Las características de los edificios adoptados para el análisis del riesgo se muestran en la tabla 4-8. Los resultados de los movimientos de edificios para la sección VII según los métodos de Burland y Boscardin-Cording, se presentan en la tabla 4-7.


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EDIFICIO

Distancia

(Edif-

Pant)[m]

Longitud Edif.

[m]

Altura Edif.

[m]

F. Macià nº 8-10 4,5 20 18

Avda. Sant Ignasi de Loiola nº01

3,3 30 9

Tabla 4-8. Características de los edificios considerados en el análisis de riesgo P.k. 0+537. 4.8.3 Análisis de daños en edificios, Sección XII-XIII (Pk 0+730) Para evaluar el riesgo de daños sobre los edificios, se han analizado los movimientos registrados con el programa PLAXIS 2D para la fase de desmontaje de puntales provisionales. No se ha realizado la evaluación del riesgo para los cálculos realizados con el programa RIDO debido a que los edificios no están dentro del área de influencia de la pantalla. Las características de los edificios adoptados para el análisis del riesgo se muestran en la tabla 4-9.

EDIFICIO

Distancia

(Edif-

Pant)[m]

Longitud Edif.

[m]

Altura Edif.

[m]

Anselm Clavé nº 38 25,9 18,3 24

Calle la Creú nº 29 47,3 35 15

Tabla 4-9. Características de los edificios considerados en el análisis de riesgo P.k. 0+730. El resultado del análisis de los movimientos según los métodos de Burland y Boscardin-Cording, se muestran en la tabla 4-7.


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4.8.4 Conclusiones del estudio Los cálculos realizados con el programa PLAXIS 2D, se han definido mediante un modelo no simétrico con cargas de los edificios diferentes en cada uno de los costados de la excavación. Esto produce un efecto de asimetría en las deformaciones obtenidas a ambos costados de la excavación realizada entre pantallas. El mayor desplazamiento de las pantallas en fase de voladizo, se traduce en desplazamientos horizontales en superficie ó a cota de cimentación de los edificios más grandes que los que se esperarían en realidad. Por esta razón, la evaluación del riesgo de edificios, se puede considerar que también esta por encima de los valores esperados en realidad. Así, según el criterio Burland, todos los edificios evaluados obtuvieron daños de tipo Inapreciables. Por otro lado, el criterio de Boscardin y Cording, revela daños muy ligeros en el edificio Francesc Macià nº 50-56 y ligeros en el edificio de la calle Francesc Macià nº 8-10.

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Capítulo 4. Estimación de daños en edificios debidos a la