El acero es el material de construcción más seguro

Estructuras Metálicas de Contención: Tablestacas, Pilotes, Anclajes, Entibaciones y Más - Soluciones para Excavaciones, Taludes y Obras Subterráneas en Bogotá y Colombia. Desde el Diseño Geotécnico hasta la Instalación de las Estructuras Metálicas de Contención

Estructuras Metálicas de Contención: Resistiendo Empujes y Protegiendo Espacios

Las estructuras metálicas de contención desempeñan un papel fundamental en la ingeniería civil y geotécnica, proporcionando soporte y estabilidad a terrenos, excavaciones, taludes y cuerpos de agua. A diferencia de las estructuras que soportan cargas verticales (como edificios o puentes), las estructuras de contención están diseñadas principalmente para resistir fuerzas horizontales o inclinadas, como el empuje del suelo, la presión hidrostática del agua o las cargas de materiales almacenados. El acero, con su alta resistencia y versatilidad, se ha convertido en un material clave para la construcción de una amplia variedad de estructuras de contención, ofreciendo soluciones eficientes, duraderas y, en muchos casos, más económicas que las alternativas tradicionales de concreto.

¿Qué es una Estructura Metálica de Contención?

Una estructura metálica de contención se define por las siguientes características:

Función Principal: Resistir fuerzas horizontales o inclinadas (empujes) provenientes del suelo, agua u otros materiales, evitando deslizamientos, colapsos o deformaciones excesivas.
Material Predominante: Acero estructural, en diversas formas (tablestacas, perfiles, pilotes, anclajes, etc.). El acero galvanizado o el acero inoxidable se utilizan en ambientes agresivos.
Interacción Suelo-Estructura: El diseño de estas estructuras implica una interacción compleja entre el suelo (o el material contenido) y la estructura metálica. Se requiere un conocimiento profundo de la mecánica de suelos y la geotecnia.
Diseño Especializado: El diseño debe considerar factores como:
- Las propiedades del suelo (ángulo de fricción interna, cohesión, peso específico, nivel freático).
- La magnitud y dirección de los empujes.
- La geometría de la excavación o talud.
- Las condiciones de carga (estáticas, dinámicas, sísmicas).
- La presencia de agua subterránea.
- La durabilidad y la vida útil requerida.
Aplicaciones Diversas: Se utilizan en una amplia gama de proyectos, desde pequeñas excavaciones hasta grandes obras de infraestructura.

Tipos Comunes de Estructuras Metálicas de Contención

Existe una gran variedad de estructuras metálicas de contención, cada una con sus propias características, ventajas y aplicaciones. Algunos de los tipos más comunes son:

1. Tablestacas Metálicas (Sheet Piles)

Descripción: Son elementos de acero laminado en caliente o conformado en frío, con forma de U, Z o recta, que se hincan en el terreno para formar una pared continua. Las tablestacas se entrelazan entre sí mediante uniones (enganches) en sus bordes, creando una barrera impermeable o semipermeable.
Tipos:
- Tablestacas en U: Buena resistencia a la flexión y facilidad de hincado.
- Tablestacas en Z: Mayor resistencia a la flexión que las tablestacas en U. Son las más comunes.
- Tablestacas Planas: Se utilizan principalmente para formar celdas circulares o estructuras de contención de poca altura.
- Tablestacas combinadas: Combinan tablestacas con perfiles H o tubos, para aumentar la resistencia.
Materiales: Acero al carbono (ASTM A328, ASTM A572, ASTM A690), acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), acero galvanizado, acero inoxidable (en ambientes muy corrosivos).
Métodos de Hincado:
- Martinetes: Utilizan un martillo para golpear la tablestaca y clavarla en el terreno.
- Vibradores: Utilizan vibraciones de alta frecuencia para reducir la fricción entre el suelo y la tablestaca, facilitando su hincado.
- Prensado: Utilizan gatos hidráulicos para empujar la tablestaca en el terreno. Se utiliza en suelos blandos o donde se requiere minimizar las vibraciones.
Ventajas:
- Rapidez de instalación.
- Versatilidad (se pueden utilizar en una amplia variedad de suelos y condiciones).
- Pueden ser reutilizables (en algunos casos).
- Pueden formar estructuras impermeables o semipermeables.
- Requieren menos espacio que otros tipos de muros de contención.
Desventajas:
- Pueden ser difíciles de hincar en suelos muy duros o rocosos.
- Pueden generar ruido y vibraciones durante el hincado.
- Pueden ser susceptibles a la corrosión si no se protegen adecuadamente.
- Limitadas a cierta profundidad.
Aplicaciones:
- Excavaciones para sótanos, cimentaciones, túneles, etc.
- Protección de riberas de ríos y canales.
- Construcción de muelles y puertos.
- Estabilización de taludes.
- Contención de rellenos.
- Ataguías (estructuras temporales para desviar el agua durante la construcción).

2. Muros Pantalla de Pilotes Metálicos

Descripción: Se construyen hincando pilotes metálicos (generalmente tubos o perfiles H) en el terreno, uno al lado del otro, formando una pared continua o discontinua.
Tipos:
- Muros de pilotes tangentes: Los pilotes se colocan uno al lado del otro, tocándose.
- Muros de pilotes secantes: Los pilotes se colocan de manera que se superponen parcialmente, creando una pared más impermeable. Se construyen alternando pilotes primarios (sin armadura) y secundarios (con armadura).
- Muros de pilotes discontinuos: Los pilotes se colocan separados, dejando un espacio entre ellos. Se utilizan cuando no se requiere una pared impermeable y las cargas son menores.
Materiales: Acero (tubos o perfiles H). Los tubos pueden rellenarse de concreto.
Ventajas:
- Pueden alcanzar grandes profundidades.
- Pueden construirse en suelos difíciles.
- Pueden resistir cargas verticales además de los empujes horizontales.
Desventajas:
- Mayor costo que las tablestacas.
- Mayor tiempo de construcción que las tablestacas.
Aplicaciones:
- Excavaciones profundas.
- Muros de sótano.
- Cimentaciones profundas.
- Estabilización de taludes.

3. Entibaciones Metálicas

Descripción: Son estructuras temporales utilizadas para soportar las paredes de una excavación y prevenir derrumbes durante la construcción. A diferencia de las tablestacas y los muros pantalla, las entibaciones suelen ser estructuras más ligeras y no están diseñadas para ser permanentes.
Tipos:
- Entibaciones con Puntales: Utilizan puntales (elementos horizontales o inclinados) que se apoyan contra las paredes de la excavación y se arriostran entre sí.
- Entibaciones con Paneles: Utilizan paneles metálicos (o de madera) que se colocan contra las paredes de la excavación y se soportan con puntales o marcos.
- Entibaciones Deslizantes: Sistemas modulares que se pueden ajustar a medida que avanza la excavación.
- Zanjadoras: Sistemas de entibación para zanjas.
Materiales: Acero (perfiles, tubos, paneles), aluminio (en sistemas ligeros).
Ventajas:
- Flexibilidad y adaptabilidad a diferentes geometrías de excavación.
- Rapidez de instalación y desmontaje.
- Pueden ser reutilizables.
Desventajas:
- No son adecuadas para excavaciones muy profundas o en suelos muy inestables.
- Requieren una supervisión constante para asegurar su estabilidad.
- No son impermeables.
Aplicaciones:
- Excavaciones para cimentaciones, zanjas para tuberías, etc.
- Construcción de túneles (en algunos casos).

4. Anclajes Metálicos

Descripción: Son elementos de acero (barras, cables o perfiles) que se instalan en el terreno para proporcionar un punto de anclaje y resistir fuerzas de tracción. Se utilizan para estabilizar muros de contención, taludes, estructuras enterradas, etc.
Tipos:
- Anclajes Pasivos: Trabajan por adherencia o fricción con el terreno. No se pretensan.
- Anclajes Activos (Pretensados): Se tensan después de su instalación, aplicando una fuerza de tracción predeterminada. Proporcionan una mayor capacidad de carga y reducen las deformaciones.
- Anclajes de barra.
- Anclajes de cable.
- Anclajes helicoidales.
Componentes:
- Cabeza de Anclaje: Placa o dispositivo que se fija al elemento a anclar (muro, talud, etc.).
- Elemento Resistente a la Tracción: Barra, cable o perfil de acero.
- Bulbo de Anclaje: Zona del terreno donde se transfiere la fuerza de tracción del anclaje al suelo. Puede ser por adherencia (inyección de lechada de cemento) o por fricción (en el caso de anclajes helicoidales).
Materiales: Acero de alta resistencia (para el elemento resistente a la tracción), acero al carbono (para la cabeza de anclaje).
Ventajas:
- Permiten estabilizar estructuras de contención y taludes de gran altura.
- Pueden utilizarse en una amplia variedad de suelos.
- Pueden ser temporales o permanentes.
Desventajas:
- Requieren un diseño y una instalación cuidadosos.
- Pueden ser susceptibles a la corrosión si no se protegen adecuadamente.
- Su eficacia depende de las propiedades del terreno.
Aplicaciones:
- Estabilización de muros de contención (tablestacas, muros pantalla, muros de suelo reforzado).
- Estabilización de taludes.
- Anclaje de estructuras enterradas (túneles, tuberías).
- Anclaje de estructuras flotantes.

5. Micropilotes Metálicos

Descripción: Son pilotes de pequeño diámetro (generalmente menos de 300 mm) que se instalan en el terreno para reforzar cimentaciones existentes, estabilizar taludes o construir muros de contención.
Tipos:
- Micropilotes Tubulares: Tubos de acero que se hincan o perforan en el terreno y se rellenan de concreto (o lechada de cemento).
- Micropilotes con Perfiles H: Perfiles H de acero que se hincan en el terreno.
Materiales: Acero (tubos o perfiles H).
Ventajas:
- Pueden instalarse en espacios reducidos y con equipos de perforación pequeños.
- Generan pocas vibraciones durante la instalación.
- Pueden utilizarse para reforzar cimentaciones existentes.
Desventajas:
- Menor capacidad de carga que los pilotes convencionales.
- Pueden ser más costosos que otras soluciones en algunos casos.
Aplicaciones:
- Refuerzo de cimentaciones existentes.
- Estabilización de taludes.
- Construcción de muros de contención en espacios reducidos.
- Recalce de edificios.

6. Muros de Suelo Reforzado con Elementos Metálicos

Descripción: Se construyen con capas de suelo compactado y elementos metálicos de refuerzo (mallas, tiras, barras) que aumentan la resistencia del suelo y permiten construir muros con taludes más verticales.
Tipos:
- Muros con mallas metálicas: Se utilizan mallas de acero (generalmente galvanizado) como refuerzo.
- Muros con tiras metálicas: Se utilizan tiras de acero (generalmente galvanizado) como refuerzo.
Materiales: Acero galvanizado, acero inoxidable (en ambientes agresivos).
Ventajas:
- Económicos.
- Flexibles.
- Adaptables a diferentes geometrías.
Desventajas:
- Requieren un buen control de calidad durante la construcción.
- Pueden ser susceptibles a la corrosión si no se protegen adecuadamente.
Aplicaciones:
- Muros de contención en carreteras y ferrocarriles.
- Estribos de puentes.
- Rellenos estabilizados.

Materiales Utilizados en Estructuras Metálicas de Contención

El material predominante en las estructuras metálicas de contención es el acero, debido a su alta resistencia, ductilidad y versatilidad. Sin embargo, la elección del tipo específico de acero depende de varios factores, como las cargas a soportar, las condiciones ambientales, la vida útil requerida y el costo.

Acero al Carbono: Es el material más común, utilizado en una amplia variedad de aplicaciones. Se utilizan diferentes grados de acero, como:
- ASTM A36: Un acero de uso general, con un límite elástico mínimo de 36 ksi (250 MPa). Se utiliza en aplicaciones de baja a moderada exigencia.
- ASTM A572: Un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), con diferentes grados (42, 50, 55, 60, 65) que indican el límite elástico mínimo en ksi. El grado 50 (50 ksi o 345 MPa) es el más común. Se utiliza en aplicaciones donde se requiere una mayor resistencia que la del A36.
- ASTM A690: Un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA) con resistencia a la corrosión mejorada, especialmente diseñado para tablestacas utilizadas en ambientes marinos.
- ASTM A328: Especificación para tablestacas de acero.
- ASTM A500: Especificación para tubos estructurales.
- ASTM A252: Especificación para pilotes de tubería de acero, soldados y sin costura.
Equivalentes Europeos: S235JR, S275JR, S355J2 (EN 10025).
Acero Galvanizado: Acero al carbono recubierto con una capa de zinc para protegerlo de la corrosión. El galvanizado se puede realizar por inmersión en caliente (el método más común) o por electrodeposición. Se utiliza en aplicaciones donde la estructura estará expuesta a la intemperie o a ambientes húmedos.
Acero Inoxidable: Se utiliza en aplicaciones donde se requiere una resistencia a la corrosión excepcional, como en ambientes marinos muy agresivos, en la industria química o en aplicaciones donde la durabilidad es crítica. Los tipos más comunes son AISI 304 y AISI 316. Su costo es significativamente mayor que el del acero al carbono.
Acero Resistente a la Intemperie (Corten): Un tipo de acero HSLA que forma una capa de óxido adherente y protectora ("pátina") en su superficie, lo que reduce significativamente la velocidad de corrosión. Se utiliza en aplicaciones donde se desea un aspecto "oxidado" y donde no se requiere pintura. (ASTM A588, A242).
Aluminio: En algunos casos, para estructuras ligeras.

Diseño de Estructuras Metálicas de Contención

El diseño de estructuras metálicas de contención es un proceso complejo que requiere un conocimiento profundo de la mecánica de suelos, la geotecnia y la ingeniería estructural. El objetivo principal del diseño es garantizar la estabilidad y seguridad de la estructura, evitando fallas como:

Deslizamiento: Movimiento horizontal de la estructura debido a un empuje excesivo del suelo.
Volcamiento: Rotación de la estructura debido a un momento de vuelco excesivo.
Falla por Capacidad Portante: Hundimiento de la estructura debido a una carga excesiva sobre el suelo de cimentación.
Falla Estructural: Rotura o deformación excesiva de los elementos de la estructura (tablestacas, pilotes, anclajes, etc.).
Falla por sifonamiento: Erosión interna del suelo.
Falla por licuefacción: Perdida de resistencia del suelo.

Etapas del Diseño

Investigación Geotécnica:
- Se realizan estudios de suelos para determinar las propiedades del terreno (ángulo de fricción interna, cohesión, peso específico, nivel freático, etc.).
- Se identifican los estratos del suelo y sus características.
- Se determina la capacidad portante del suelo.
- Se evalúa el potencial de licuefacción del suelo (en zonas sísmicas).
Definición de la Geometría:
- Se define la altura y la forma de la estructura de contención.
- Se determina la profundidad de empotramiento de la estructura (en el caso de tablestacas o pilotes).
- Se define la inclinación del talud (si aplica).
Cálculo de Empujes:
- Se calculan los empujes del suelo sobre la estructura, utilizando teorías como la de Rankine o la de Coulomb.
- Se considera la presencia de agua subterránea y su efecto sobre los empujes (presión hidrostática).
- Se consideran las sobrecargas que puedan actuar sobre el terreno (edificios, vehículos, etc.).
- Se consideran las cargas sísmicas (si aplica).
Análisis de Estabilidad:
- Se verifica la estabilidad de la estructura frente al deslizamiento, el volcamiento y la falla por capacidad portante.
- Se utilizan factores de seguridad para garantizar un margen de seguridad adecuado.
- Se pueden utilizar métodos de análisis de equilibrio límite o métodos numéricos (como el método de los elementos finitos).
Diseño Estructural:
- Se seleccionan los elementos estructurales (tablestacas, pilotes, anclajes, etc.) y se determinan sus dimensiones y características.
- Se verifican las resistencias de los elementos estructurales (a flexión, corte, compresión, tracción, pandeo, etc.).
- Se diseñan las conexiones entre los elementos.
Elaboración de Planos y Especificaciones:
- Se elaboran planos detallados de la estructura de contención, que incluyen la geometría, las dimensiones de los elementos, las conexiones, los materiales y los procesos de construcción.
- Se redactan especificaciones técnicas que describen los requisitos de calidad de los materiales, la fabricación, el montaje y la inspección.

Normas y Códigos de Diseño

Estados Unidos:
- US Army Corps of Engineers (USACE) Manuals: Manuales técnicos sobre diseño de estructuras de contención.
- FHWA (Federal Highway Administration) Publications: Publicaciones sobre diseño de muros de contención y taludes.
- AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials): Especificaciones para diseño de puentes (incluye secciones sobre muros de contención).
- ASCE (American Society of Civil Engineers).
Europa:
- Eurocódigo 7 (EN 1997): Diseño geotécnico.
- Eurocódigo 8 (EN 1998): Diseño de estructuras para resistencia sísmica (incluye secciones sobre estructuras de contención).
Colombia:
- NSR-10: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente. Título H - Estudios Geotécnicos, Título E- Muros de Contención.
- NTC (Normas Técnicas Colombianas).
Otros países. Cada país tiene sus propias normas.

Fabricación, Construcción e Instalación

La fabricación, construcción e instalación de estructuras metálicas de contención varían según el tipo de estructura, pero generalmente siguen los siguientes pasos:

Tablestacas Metálicas

Fabricación: Las tablestacas se fabrican en acero laminado en caliente o conformado en frío, según la norma.
Transporte: Se transportan al sitio de la obra.
Preparación del terreno: Se realiza la excavación y nivelación necesarias. En algunos casos, se puede construir una viga guía para alinear las tablestacas.
Hincado: Se hincan las tablestacas en el terreno utilizando martinetes, vibradores o prensas hidráulicas. Se comienza con las tablestacas de esquina y luego se continúa con las intermedias. Se verifica la verticalidad y la alineación de las tablestacas durante el hincado.
Conexión de tablestacas: Las tablestacas se conectan entre sí mediante sus enganches. Se debe asegurar que los enganches estén limpios y libres de obstrucciones.
Corte (si es necesario): Si las tablestacas son demasiado largas, se cortan a la altura requerida.
Anclajes (si son necesarios): Se instalan los anclajes para aumentar la estabilidad de la estructura.
Relleno y compactación (si es necesario): Se rellena y compacta el terreno detrás de la estructura de tablestacas.
Drenaje (si es necesario): Se instala un sistema de drenaje para evitar la acumulación de agua detrás de la estructura.
Inspección: Se inspecciona la estructura para verificar su correcta instalación.

Muros Pantalla de Pilotes Metálicos

Fabricación: Los pilotes metálicos (tubos o perfiles H) se fabrican según la norma.
Transporte: Los pilotes se transportan al sitio.
Preparación del terreno: Se realiza la excavación y nivelación necesarias.
Perforación o hincado: Se perforan los orificios para los pilotes (en el caso de pilotes perforados) o se hincan los pilotes en el terreno (en el caso de pilotes hincados).
Colocación de la armadura (si es necesario): En el caso de pilotes de concreto reforzado, se coloca la armadura de acero dentro del orificio perforado.
Hormigonado (si es necesario): En el caso de pilotes de concreto reforzado, se rellena el orificio perforado con concreto.
Conexión de pilotes (si es necesario): En el caso de muros de pilotes secantes, se conectan los pilotes primarios y secundarios.
Viga de coronación (si es necesaria): Se construye una viga de concreto en la parte superior de los pilotes para unirlos y distribuir las cargas.
Anclajes (si son necesarios): Se instalan.
Inspección: Se verifica la calidad.

Entibaciones Metálicas

Preparación de la excavación: Se realiza la excavación hasta la profundidad requerida.
Instalación de los paneles o puntales: Se colocan los paneles o puntales contra las paredes de la excavación.
Arriostramiento: Se arriostran los paneles o puntales para asegurar su estabilidad.
Ajuste: Se ajusta la entibación a medida que avanza la excavación.
Desmontaje: Una vez finalizada la construcción de la estructura permanente, se desmonta la entibación.
Inspección: Verificar periódicamente.

Anclajes Metálicos

Perforación: Se perfora el terreno hasta la profundidad requerida.
Instalación del elemento resistente a la tracción: Se introduce la barra, cable o perfil de acero en el orificio perforado.
Inyección de lechada (si es necesario): En el caso de anclajes pasivos, se inyecta lechada de cemento en el orificio para crear un bulbo de anclaje y asegurar la adherencia entre el anclaje y el terreno.
Tensado (si es necesario): En el caso de anclajes activos, se aplica una fuerza de tracción al anclaje utilizando un gato hidráulico.
Colocación de la cabeza de anclaje: Se fija la cabeza de anclaje al elemento a anclar (muro, talud, etc.).
Pruebas de carga (si son necesarias): Se realizan pruebas de carga para verificar la capacidad de carga del anclaje.
Protección contra la corrosión: Se aplica una protección contra la corrosión al anclaje (pintura, galvanizado, recubrimientos especiales).
Inspección: Verificar la calidad.

Micropilotes Metálicos

Se realiza una perforación.
Se coloca el elemento metálico.
Se rellena con hormigón o lechada.

Muros de suelo reforzado

Preparación del terreno: Se prepara y nivela.
Colocación de la primera capa de suelo: Se extiende y compacta.
Colocación de la primera capa de refuerzo: Se extiende la malla, tira o barra.
Construcción de capas sucesivas: Se repiten los pasos 2 y 3.
Construcción del paramento: Se construye un paramento (de bloques de concreto, paneles prefabricados, etc.) en la cara vista del muro.
Inspección: Se verifica la correcta instalación y compactación.

Consideraciones de Corrosión

La corrosión es un factor importante a considerar en el diseño y la vida útil de las estructuras metálicas de contención, especialmente aquellas que están enterradas o expuestas a ambientes agresivos. La corrosión puede reducir la sección transversal del acero, disminuyendo su resistencia y eventualmente causando la falla de la estructura.

Factores que Afectan la Corrosión

Tipo de Suelo: Suelos con alta humedad, alta salinidad, presencia de sulfatos o cloruros, y baja resistividad eléctrica son más corrosivos.
Presencia de Agua: La humedad y el agua subterránea aceleran la corrosión.
pH del Suelo: Suelos ácidos (pH bajo) o alcalinos (pH alto) son más corrosivos.
Presencia de Oxígeno: El oxígeno es necesario para la corrosión del acero.
Temperatura: La corrosión generalmente aumenta con la temperatura.
Contaminantes: La presencia de contaminantes industriales o agrícolas puede acelerar la corrosión.
Corrientes eléctricas: Pueden acelerar.

Métodos de Protección contra la Corrosión

Recubrimientos:
- Galvanizado: Recubrimiento con zinc, por inmersión en caliente (el más común) o electrodeposición. Proporciona una buena protección en muchos suelos.
- Pintura: Se pueden aplicar sistemas de pintura epoxi, poliuretano u otros recubrimientos orgánicos. Requiere una buena preparación de la superficie y mantenimiento periódico.
- Recubrimientos Bituminosos: Se utilizan en tablestacas y pilotes.
- Recubrimientos epóxicos.
Protección Catódica: Se utiliza una corriente eléctrica para contrarrestar el proceso de corrosión. Puede ser por ánodos de sacrificio (ánodos galvánicos) o por corriente impresa. Se utiliza principalmente en estructuras enterradas o sumergidas, como tablestacas, pilotes y tuberías.
Uso de Aceros Resistentes a la Corrosión:
- Acero Inoxidable: Se utiliza en ambientes muy corrosivos, pero es más caro.
- Acero Resistente a la Intemperie (Corten): Forma una pátina protectora, pero no es adecuado para todos los suelos.
Sobreespesor de acero: Considerar un espesor adicional para compensar.
Inhibidores de corrosión.
Control del ambiente: Drenaje adecuado para reducir la humedad.