Muros pantalla con anclajes activos bajo condiciones sísmicas en zonas urbanas: Análisis de estabilidad en Bolivia y Colombia.

Introducción: La Necesidad de infraestructura vial segura en Medellín

La expansión urbana y el crecimiento poblacional en ciudades como Medellín, Colombia, traen consigo una creciente demanda de infraestructura vial como muros pantalla. Acorde con la consecuente necesidad de proyectos de adecuación en zonas densamente construidas. Específicamente, en la comuna de Buenos Aires del municipio de Medellín, surge la necesidad de mejorar la movilidad. Lo que implica la demolición de viviendas y la construcción de estructuras de contención. Estas estructuras no solo deben contrarrestar los empujes del terreno y estabilizar taludes, sino también garantizar la seguridad de las cimentaciones de construcciones existentes. Fundamentalmente, en la seguridad de los residentes en el sectorbajo condiciones sísmicas.

Este trabajo final de máster se enfoca en la investigación, cálculo y análisis para la construcción de un muro de contención. Específicamente, en el sector de Fraternidad, Medellín. La solución propuesta es un muro pantalla con anclajes activos, diseñado para operar bajo las exigentes condiciones sísmicas de la región. Para ello, se realiza un estudio detallado del suelo y se comparan los diseños geotécnicos resultantes de la aplicación de normativas de Colombia y Bolivia.

La problemática: Desafíos geotécnicos en zonas urbanas sísmicas

La construcción de nuevas vías en áreas urbanas, como el tramo sobre la Carrera 25C en el sector de Fraternidad en Medellín. Esto, a menudo requiere la demolición de estructuras existentes y la creación de taludes que necesitan ser estabilizados. En este caso particular, la intervención implica la demolición de aproximadamente 728 m² de viviendas. Tras esta demolición, es imperativa la construcción de una estructura de contención que cumpla con dos funciones críticas: evitar el desconfinamiento de las cimentaciones de las construcciones adyacentes y estabilizar el nuevo talud generado.

A esto se suma la complejidad geológica y geotécnica de la región de Medellín, caracterizada por una diversidad de unidades litológicas que incluyen depósitos de vertiente (flujos de lodos y/o escombros), suelos residuales del batolito antioqueño y llenos de origen antrópico. La presencia de suelos con potencial de expansión (limos de alta y baja plasticidad) y la necesidad de considerar los efectos sísmicos dada la ubicación en una zona de amenaza, añaden capas de complejidad al diseño geotécnico.

La ausencia de una normativa específica en Bolivia para el diseño geotécnico y de cimentaciones introduce un desafío comparativo, obligando a recurrir a normativas como la española EHE-08 y las integradas en el software CYPE-STRUBIM EMBEDDED WALLS. Esto plantea la pregunta de si los diseños geotécnicos de muros pantalla con anclajes activos, bajo condiciones sísmicas, resultan similares o divergentes al aplicar diferentes marcos normativos en Colombia y Bolivia. La investigación busca proporcionar una solución viable técnica y económicamente, que garantice la estabilidad de la estructura y, sobre todo, la seguridad de las personas.

Objetivos planteados: Garantizando la estabilidad y seguridad vial

El objetivo general de esta investigación fue:

• Caracterizar geológica y geotécnicamente el tramo objeto de estudio para la adecuación vial en el sector de Fraternidad (Muros de pantalla con anclajes activos bajo condiciones sísmicas), determinando las propiedades físicas y mecánicas de los materiales térreos para los análisis y diseños geotécnicos del proyecto.

Para alcanzar este objetivo general, se establecieron los siguientes objetivos específicos:

1. Caracterizar geológicamente la zona de estudio para establecer el origen y composición del suelo, identificando estratos y materiales a partir de informes de exploración geotécnica.
2. Clasificar física y mecánicamente el comportamiento de los materiales, determinando límites de consistencia, composición granulométrica, estados de humedad, ángulo de fricción, cohesión y módulo de elasticidad.
3. Diseñar geotécnicamente el sistema de contención para una adecuada implantación del proyecto en la zona.

Alcances y limitaciones del estudio

El alcance de este trabajo se centró en la realización de un estudio de suelos, proyección sísmica y diseño geotécnico detallado de una pantalla de pilas arriostrada con anclajes activos en el polígono de intervención de la Carrera 25C en el sector de Fraternidad, Medellín. Se establecieron las características geotécnicas del área, se caracterizaron los estratos mediante la determinación de parámetros geomecánicos para entender el comportamiento del suelo bajo carga, y se realizaron las recomendaciones para la construcción de la obra propuesta. Para el diseño y análisis, se emplearon los softwares GEO5 (con normativa colombiana) y CYPECAD V2025 con el módulo STRUBIM EMBEDDED WALLS (para Bolivia, utilizando las normas del software y la EHE-2008 ante la ausencia de una normativa geotécnica propia).

A pesar de la exhaustividad del estudio, existen ciertas limitaciones:

• Ausencia de Normativa Específica en Bolivia: La principal limitación es la falta de una norma boliviana específica para el diseño geotécnico y de cimentaciones, lo que obligó a la adopción de normativas y criterios de software externos. Aunque esto permitió una comparación, la validación en campo de los resultados obtenidos bajo estas normas bolivianas requeriría mayor desarrollo normativo local.
• Alcance Geográfico Limitado: El estudio se ciñe a un tramo vial específico en Medellín, lo que restringe la generalización directa de los resultados a otras zonas con condiciones geotécnicas o sísmicas distintas.
• Dependencia de Datos Preexistentes: Aunque se realizaron nuevas perforaciones y ensayos, la caracterización geológica y geotécnica se complementó con información de informes de exploración geotécnica preexistentes, lo que podría influir en la completitud de los datos primarios.
• Enfoque en Diseño Preliminar: Si bien se realizaron diseños detallados, estos se enmarcan en un estudio técnico que senta las bases para una futura construcción, requiriendo potenciales ajustes en fases de ingeniería de detalle.

Metodología

La metodología se centró en una caracterización geológica y geotécnica exhaustiva del sitio, incluyendo sondeos directos y ensayos de laboratorio para determinar propiedades físico-mecánicas y potencial de expansión/colapso. Se complementó con prospección geofísica (MASW y ReMi) para obtener parámetros sísmicos. Posteriormente, se diseñó un muro pantalla con anclajes activos, evaluando su estabilidad y servicialidad bajo condiciones sísmicas. Finalmente, se compararon los resultados de diseño utilizando normativas de Colombia y Bolivia a través de softwares GEO5 y CYPECAD, asegurando la seguridad y el desempeño de la estructura.

Resultados obtenidos: Un diseño geotécnico robusto y comparativo

Los resultados de esta investigación proporcionan una comprensión exhaustiva de las condiciones geotécnicas del sitio y un diseño optimizado para el muro de contención, además de una valiosa comparación normativa:

• Caracterización Geológica y Geotécnica Detallada: Se identificaron y caracterizaron las unidades geológicas predominantes en la zona: flujos de lodos, depósitos de vertiente (FIII) y suelos residuales provenientes del Batolito Antioqueño, además de llenos antrópicos. Los sondeos (Perforaciones 1, 2, 4 y 5) revelaron la estratigrafía del subsuelo, encontrándose flujos de lodos y horizontes residuales IB.
  • Propiedades Físico-Mecánicas: Los análisis de laboratorio determinaron las propiedades índice y físico-mecánicas de los suelos. Por ejemplo, el flujo de lodos presentó un promedio de 1.4% de gravas, 18.1% de arenas y 80.4% de finos, con un contenido de humedad del 37.7%, límite líquido de 53.7% e índice de plasticidad del 14.0%. Se clasificó el material como MH y ML (limos de alta y baja plasticidad).
  • Potencial de Expansión y Colapso: Se evaluó el potencial de expansión, identificándose rangos de bajo a muy alto, y el potencial de colapso de los suelos, estableciendo la necesidad de medidas preventivas.
• Prospección Sísmica y Parámetros Dinámicos: La exploración geofísica, mediante ensayos MASW y ReMi, permitió determinar la distribución de la velocidad de las ondas de cizalla (Vs) y caracterizar el perfil estratigráfico en función de la rigidez de los materiales. Se obtuvieron parámetros sísmicos como las velocidades de ondas de corte para cada capa y se estimaron parámetros geomecánicos como la relación de Poisson y los módulos de elasticidad y corte máximo.

Diseño geotécnico del muro de contención:

• Comparación Normativa (Colombia vs. Bolivia): Para Colombia, se aplicaron los lineamientos del Código Colombiano de Puentes (CCP-14) y el Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Para Bolivia, ante la carencia de una norma geotécnica propia, se utilizaron la Norma Española EHE-08 y las empleadas por el software CYPE-STRUBIM EMBEDDED WALLS. Los resultados de diseño para ambos casos fueron similares, indicando que las condiciones de diseño aplicadas produjeron estructuras con comportamientos comparables.
• Estabilidad y Serviciabilidad: Se comprobó la estabilidad global del muro (círculo de deslizamiento pésimo), obteniendo un valor mínimo de 2.16 en condiciones normales y 1.48 bajo acciones sísmicas, ambos cumpliendo con los mínimos establecidos. El análisis de estabilidad general de la estructura de contención en condición pseudo estática arrojó una utilización del 74%, lo que indica que el sistema cumple con los criterios de estabilidad definidos por la norma (utilización menor al 100%).

Conclusión: Un paso hacia la ingeniería geotécnica resiliente

Esta investigación aporta un valor significativo al campo de la ingeniería geotécnica, especialmente en el diseño de infraestructuras viales en zonas urbanas sísmicas. Al abordar la compleja problemática de la estabilidad de taludes y cimentaciones adyacentes, y proponer una solución robusta con muros pantalla y anclajes activos, el estudio demuestra la viabilidad técnica de este tipo de estructuras para proyectos de adecuación vial.

La exhaustiva caracterización geológica y geotécnica, respaldada por prospección directa e indirecta, establece una metodología sólida para la comprensión del subsuelo. La comparación normativa entre Colombia y Bolivia, aunque esta última carezca de regulación específica en geotécnica, es un aporte crucial. Al demostrar que bajo condiciones de diseño equivalentes se obtienen resultados similares, se abre una puerta para la adopción de criterios de diseño validados internacionalmente en regiones con vacíos normativos.

Referencias

1. American Society for Testing and Materials [ASTM]. (2011). ASTM D6429-99: Standard Guide for Selecting Surface Geophysical Methods.
2. Asociación de Municipios del Valle de Aburrá [AMVA]. (2016). Estudio de la microzonificación sísmica detallada de los municipios de Barbosa, Girardota, Copacabana, Sabaneta, La Estrella, Caldas y Envigado.
3. Comisión Permanente del Hormigón [EHE]. (2008). Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08.
4. Instituto Nacional de Vías [INVÍAS]. (Fecha no especificada). Norma INVIAS E – 102.
5. Ministerio de Transporte. (2014). Código Colombiano de Puentes (CCP-14).
6. Mayne, P. W. (2001). Stress-Strain-Strength Properties of Soils.
7. Das, B.M. (2011). Principles of Geotechnical Engineering.

Autores: Dalma Raquel Benitez Achata, John Felipe Castaño Loaiza, Marvin Adrian Peralta Rodas. Máster en Geotecnia y Cimentaciones