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7/29/2019 Defensas ribereas.doc

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CONTENIDO

1. INTRODUCCION......................................................................................ii2. DESARROLLO HISTORICO DE LOS GAVIONES..................................ii3. VENTAJAS DE LA UTILIZACIN DE GAVIONES................................iv4. CARACTERISTICAS DE LOS GAVIONES..............................................v

4.1. Dimensiones.....................................................................................v4.2. Materiales..........................................................................................v

4.2.1. Alambre.......................................................................................v4.2.2. Mallas........................................................................................vii4.2.3. Material de Relleno.................................................................viii

4.3. Caractersticas de Resistencia de Gaviones................................ixA) Distorsin angular.........................................................................ix

B) Volteo...............................................................................................xC) Deslizamiento..................................................................................xD) Flexin..............................................................................................x

5. EVALUACIN DE ESFUERZOS LATERALES SOBRE ESTRUCTURASDE GAVIONES............................................................................................xi

6.1. Empuje Activo..................................................................................xi5.1. Otras Acciones...............................................................................xii5.2. Presiones de Compactacin.........................................................xii

5.2.1. Compactacin de Rellenos Granulares.................................xii5.2.2. Compactacin de Rellenos Cohesivos.................................xiv5.2.3. Recomendaciones Constructivas.........................................xiv

5.3. Efectos Ssmicos............................................................................xv6. DISEO DE MUROS DE GAVIONES...................................................xvi

6.1. Criterios para el Diseo................................................................xvi6.1.1. Volcamiento.............................................................................xvi6.1.2. Deslizamiento .........................................................................xvi6.1.3. Capacidad portante...............................................................xvii6.1.4. Estabilidad general................................................................xvii6.1.5. Estabilidad interna.................................................................xvii

6.1.6. Deformaciones.......................................................................xvii6.1.7. Seccin Resistente de una Estructura de Gaviones.........xviii6.1.8. Contrafuertes........................................................................xviii6.1.9. Puntales...................................................................................xix

6.2. Procedimiento de Diseo.............................................................xix8. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO..................................................xxv9. REFERENCIAS.................................................................................xxviii


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DISEO DE ESTRUCTURAS DE GAVIONES:MUROS Y RECUBRIMIENTOS

1. INTRODUCCION

Este documento contiene los aspectosrelevantes tratados en el curso organizadopor la SCG sobre el diseo de estructurasde gaviones. Se trat de enfatizar losprincipios que son particulares y propios delas estructuras flexibles de gaviones,pasando rpidamente por temas clsicos dela mecnica de suelos que se encuentranen varios textos.

Este documento complementa las"Especificaciones Tcnicas Bsicas para laConstruccin de Estructuras de Gaviones"'preparadas por la SCG y entregadasdurante el curso.

NOTA: el presente documento fue preparadopor los Ings. Jos Vicente Amrtegui y HugoErnesto Acosta con la colaboracin en laedicin del Ing. Francisco Alonso Corts.

2. DESARROLLO HISTORICO DE LOSGAVIONES

La aparicin de los gaviones se remonta alao 500 A.C. cuando los egipcios usaroncestas de fibras naturales para construirdiques en las orillas del ro Nilo. Ya en elsiglo XVI, los ingenieros utilizaban enEuropa unas cestas de mimbre rellenas detierra denominadas por sus inventoresitalianos gabbioni o "jaulas grandes", parafortificar los emplazamientos militares yreforzar las orillas de los ros. Actualmenteun armazn de tela metlica, relleno depiedras en lugar de tierra, ha sustituido lacesta de mimbre, pero la fuerza bsica delos gaviones y sus ventajas respecto a otrasestructuras rgidas utilizadas en las obrasde ingeniera es la misma. En la Tabla N 1se presenta un resumen de losacontecimientos ms importantes quemarcaron la evolucin de los gaviones en elmbito mundial y en nuestro pas.

TABLA N 1: DESARROLLO HISTORICO DE LOS GAVIONES

FECHA LUGAR ACONTECIMIENTO

~5000 AC EGIPTO Diques en el borde del ro Nilo, utilizando mimbre y betn.

~1000 AC CHINA Diques en el ro Amarillo, con fibras vegetales tejidas.

100 AC ROMA (GALIAS) Uso de gaviones en fortificaciones temporales.

20 AC ROMAVitruvios los recomienda como ataguas en sus libros de arquitectura yconstruccin.

40 a 50 DC ROMAConstruccin del muelle de Ostia, para contencin de rellenos en una zonapantanosa.


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Siglo XVI EUROPA

El diccionario Oxford establece una referencia en el ao 1579, e indica quela palabra "gavin" se deriv del latn cavea .En 1588 aparece la primera publicacin sobre el uso de gaviones "LeDiverse et Artificiose Macchine" escrita por Agostino Ramelli. Reaparecenen Italia los gaviones de mimbre (gabbioni o jaulas grandes).

TABLA N 1: (CONTINUACION)

FECHA LUGAR ACONTECIMIENTO

Siglo XVII EUROPAIngenieros militares de Francia utilizaban el gavin como proteccin anteataques militares.

Siglo XIX EUROPA Aparecen los gaviones de malla metlica.

1932 USAEl manual de ingeniera del Departamento de Guerra establece algunasespecificaciones para la construccin de gaviones

1960 AMRICA LATINA Se inicia el empleo de gaviones.

1963 a 1966 COLOMBIA Se inicia el empleo de gaviones.

1965 COLOMBIAPublicaciones y traducciones privadas o internas. Universidad Nacional yfirmas consultoras.

1970 (?) COLOMBIA FFCC Nacionales adquieren mquina para la fabricacin de mallas.

1972 COLOMBIA Primera publicacin sobre el tema a cargo del INDERENA.

1972 1973 COLOMBIALa Secretara de OOPP de Antioquia adquiere una mquina para lafabricacin de mallas.

1973 COLOMBIA El MOPT adquiere en Alemania, una mquina para fabricacin de mallaspara gaviones.

1974 COLOMBIA Publicacin de la Secretara de OOPP de Antioquia. Publicacin del MOPT.

1977 COLOMBIA Aparecen los gaviones de malla electro-soldada.

1979 COLOMBIASe llev a cabo un curso especial de gaviones en la Universidad Industrialde Santander, dictado por los Ingenieros Jaime Surez y Manuel Garca.

1981 COLOMBIATesis Laureada de la Universidad Nacional: Comportamiento deGaviones. Baquero, F.; Barbosa, R. y Pabn, G.


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3. VENTAJAS DE LA UTILIZACIN DEGAVIONES

Una de las principales ventajas de losgaviones, respecto a otro tipo deestructuras, es la flexibilidad intrnseca delarmazn, que sujeto a tensin ycomprensin alternantes, le permite trabajarsin romperse, y sin perder su eficaciaestructural. Como estructura deformable,todo cambio en su forma por hundimientode su base o por presin interna es unacaracterstica funcional y no un defecto. Aspues, se adapta a los pequeosmovimientos de la tierra y, al deformarse,

conserva su solidez estructural sin fracturas.

Como los gaviones se sujetan entre s, latela metlica resiste mucho la tensin, adiferencia del concreto. Una estructura degaviones soporta un grado de tensin quecomprometera mucho a una estructura depiedra seca y sera francamente peligrosapara el concreto y la mampostera simples.El armazn de tela metlica no es slo unrecipiente para el relleno de piedras, sino unrefuerzo de toda la estructura.

La forma de los gaviones ha evolucionado ysus bordes se han reforzado con alambrede dimetro ms ancho. Esto refuerza loslados del armazn durante la construccin,facilita las operaciones de sujecin yrefuerza en general las estructuras degaviones. Los diafragmas verticales sujetosa la base de los gaviones tienen comopropsito limitar el movimiento interno delrelleno de piedras y reforzar ms elarmazn. La tela metlica con forma de

hexgonos es de doble torsin y estgalvanizada para darle resistencia a lapresin y la corrosin.

Las piedras de relleno ofrecen un mayorgrado de permeabilidad en todo laestructura, lo que elimina la necesidad deun sistema de desage. En las obrashidrulicas tambin se eliminan as laspresiones contrarias ejercidas en las orillasde los ros por la variacin de la profundidaddel agua debida a las crecientes y losestiajes.

Otra ventaja radica en que los costos de

mano de obra son mnimos ya que esposible capacitar rpidamente trabajadoresno calificados, con supervisin de algunoscalificados, para armar los gaviones,rellenarlos y sujetarlos entre s con alambrede hierro galvanizado.

Las estructuras de gaviones se puedenhacer sin equipo mecnico y la obra puedeiniciarse enseguida porque las primerasetapas de excavacin y colocacin de loscimientos son mnimas y se pueden realizar

a mano. Al terminar, los gaviones puedenrecibir de inmediato toda su carga sin losperiodos de espera, de hasta un mes,normalmente asociados a lasconstrucciones de concreto. Adems,resulta relativamente fcil lograr una buenacalidad de construccin por la simplicidadde los dos materiales utilizados, lascanastas y las piedras.


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Aunque es ms bien fcil fabricar gaviones,siempre hay que respetar las reglas bsicasde la ingeniera para asegurar la estabilidadde la estructura, y as, su sostenibilidad ydurabilidad en el tiempo. En particular, los

gaviones a menudo se asocian a los cortesy rellenos de los terrenos y, por ende, debegarantizarse la estabilidad y la resistenciaintrnseca de la estructura en conjunto y detodas sus partes por separado.

En nuestro pas, se han empleado gavionespara la construccin de estructuras decontencin de hasta 12 m de altura y en laconstruccin de estribos para puentes conalturas de 10 m, los cuales se hancomportado de manera satisfactoria.

Tambin se han empleado comorecubrimientos de hasta 35 m en taludesreforzados mediante distintos sistemas. Loanterior nos da una idea de las capacidadesde ste tipo de estructuras para soportarcargas importantes y servir comorecubrimiento de grandes reas, siendo unsistema comparativamente ms econmicoque las estructuras en concreto reforzado ycon resultados igualmente competentes.

4. CARACTERISTICAS DE LOS

GAVIONES

4.1. DIMENSIONES

Por lo general, se emplean gaviones enforma de paraleleppedo con dimensionesque varan segn su empleo o colocacindentro de la estructura. En la Tabla N 2 semuestran las dimensiones de los gavionesms empleados en nuestro medio.

TABLA N 2: DIMENSIONES DE LOS TIPOS DE

GAVIONES MS EMPLEADOS EN COLOMBIA.TIPO LONG. (m) ANCHO (m) ALTO (m)

Gaviones debase

2.00 1.00 0.50

Gaviones decuerpo

2.00 1.00 1.00

Colchonetas 4.00 2.00 0.15 a 0.30

Sin embargo, es posible usar dimensionesdiferentes de acuerdo con las

caractersticas especficas de cadaestructura.

Las dimensiones recomendadas porempresas productoras de gaviones son las

siguientes (Ref. 15, 1983):

- Longitud: 2.00 m, 3.00 m 4.00 m- Ancho: 1.00 m- Altura: 0.50 m 1.00 m

Se admite una tolerancia de 3 % en lalongitud del gavin y de 5 % en el anchoy alto.

4.2. MATERIALES

4.2.1. ALAMBRE

Todo el alambre usado en la fabricacin delos gaviones y para las operaciones deamarre y atirantamiento durante lacolocacin en obra, debe ser de acero dulcerecocido, galvanizado en caliente con zincpuro y exento de escamas, grietas,corrosin u otros defectos. Existen variasdenominaciones para el calibre de losalambres galvanizados usados en laconstruccin de las canastas, estas

denominaciones se presentan en la TablaN 3. Es recomendable indicar el dimetrodel alambre en milmetros para evitarconfusiones respecto a la denominacinque se est utilizando.

TABLA N 3: DENOMINACIONES PARA DIMETROSDE ALAMBRES.

DENOMINACION GALGA DE PARIS

CalibreN

13 14 15 16 17 18 19

Dimetro

(mm)2.00 2.20 2.40 2.70 3.00 3.40 3.90

DENOMINACION BWG

CalibreN

10 11 12 13 14 15 16

Dimetro(mm)

3.40 3.05 2.77 2.41 2.11 1.83 1.65

El alambre debe estar recubierto con unacapa de zinc (galvanizado) cuya funcinprincipal es la de proveer la resistencia a la


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corrosin requerida para las condiciones enlas cuales se van a emplear los alambres.El zinc tiene buena resistencia a lacorrosin si el pH del agua en contacto conel gavin est entre 6 y 12.5; sin embargo,

en obras que estn en contacto con aguasnegras o suelos cidos se debencontemplar revestimientos adicionales conasfalto o P.V.C.

El recubrimiento con asfalto aslaparcialmente la humedad y previene lacorrosin. El recubrimiento con P.V.C. aslatotalmente la humedad y resiste en formaapreciable la corrosin, su principal ventajaes la proteccin contra las aguas saladas ylas aguas negras.

El alambre tambin puede ser protegidomediante revestimientos con concreto enlas partes del gavin que estn en contactocon aguas negras u otro agente corrosivo.El recubrimiento con concreto tambin estil cuando se requiere proteccin contra laabrasin producida por corrientes de agua.

La efectividad del galvanizado depende dela proporcin de peso de zinc por rea dealambre expuesto. El peso mnimo del

revestimiento de zinc determinado segn lanorma NTC 3237 o la ASTM A-90, debeestar de acuerdo con los que se presentanen la Tabla N 4.

TABLA N 4: PESOS MNIMOS DELREVESTIMIENTO DE ZINC SEGN EL DIMETRODEL ALAMBRE.

Dimetro (mm) 2.20 2.40 2.70 3.00 3.40

Peso mnimo delrevestimiento dezinc (gr/m)

240 260 260 275 275

Para verificar la calidad del revestimiento dezinc se deben efectuar cuatro inmersionessucesivas de un minuto cada una, en unasolucin de sulfato de cobre cristalizado, sinque el acero aparezca an parcialmente. Laconcentracin de sta solucin debe ser deuna parte por peso de cristales a cincopartes por peso de agua. La temperaturadel bao debe ser de 15C y entre cada

inmersin, las muestras deben ser lavadassecadas y examinadas.

Adems de lo anterior, los alambres usadosen la fabricacin de mallas para gavionesdeben cumplir los siguientes requisitos de

resistencia:

Resistencia a la tensin: La cargamedia de rotura a tensin de losalambres empleados en la construccinde gaviones debe estar entre 38 y 50kg/mm, medida segn el procedimientoestablecido en la norma NTC 2.

Alargamiento: La prueba dealargamiento debe ser efectuada antesde la fabricacin de la malla sobre una

muestra de alambre de 30 cm de largo.El alargamiento de la muestra no debeser inferior al 12%.

Resistencia a la flexin: El alambresostenido en una prensa con bordesredondeados debe soportar sinromperse diez (10) plegados sucesivosde 90 grados. Los plegados debenefectuarse en un mismo plano y con unaamplitud de 180 grados de acuerdo conel procedimiento establecido en la

norma NTC 3973.

Resistencia a la torsin: La muestra dealambre debe soportar treinta (30)vueltas completas de torsin sinromperse y sin que el zinc se agriete ose desprenda. El eje de la muestra dealambre debe permanecer recto durantetoda la prueba, la cual se debe efectuarde acuerdo con el procedimiento que seestablece en la norma NTC 3995.

Enrollamiento: El alambre debepoderse enrollar en espirales ajustadasy cerradas sobre un cilindro de dimetroigual al doble del suyo, sin que el zincse agriete o se desprenda.

Los alambres utilizados en el cosido de losgaviones, los tirantes interiores y lasuniones entre unidades, deben ser del


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mismo dimetro y calidad que el alambre dela malla. El alambre usado en las aristas obordes del gavin debe tener un dimetromayor; se recomienda que ste sea de uncalibre inmediatamente superior al del

alambre usado para la fabricacin de lamalla. Se debe tener en cuenta que amayor dimetro del alambre mayor ser larigidez del gavin.

4.2.2. MALLAS

Para la construccin de las canastas degaviones se han empleado tres tipos demalla:- Malla hexagonal o de doble torsin.- Malla de eslabonado simple.

- Malla electrosoldada.

La malla de eslabonado simple es muyflexible, lo cual dificulta su conformacindurante la construccin del gavin, adems,presenta la desventaja de que al romperseun alambre se abre toda la mallapermitiendo la salida del material de relleno.

La malla electrosoldada es ms rgida quela eslabonada y la hexagonal, y suconformacin se hace en cuadrculas de

igual espaciamiento en las dos direcciones.La fragilidad y la rigidez de las unionessoldadas las hace muy poco resistentes alas deformaciones a las que estn sujetas,llevndolas a la rotura. Lo anterior, sumadoa la corrosin por la desaparicin delrecubrimiento de zinc en stas mismasuniones, se constituye en la principaldesventaja de las mallas electrosoldadas.En general, este tipo de mallas se comportade manera satisfactoria en estructuras queno estn sujetas a grandes deformaciones,

tales como recubrimientos de canales oestructuras de contencin de menos de 3 mde altura.

Las mallas hexagonales permiten toleraresfuerzos en varias direcciones sin que seproduzca rotura, lo cual las hace msflexibles ante movimientos en cualquierdireccin. Otra ventaja de este tipo demallas consiste en que al romperse un

alambre en un punto determinado, la mallano se abrir por completo como ocurre conla eslabonada.Las dimensiones de las mallas hexagonalesse indican por la distancia entre

entorchados paralelos y colineales, tal comose muestra en la Figura N 1. Los dimetrosdel alambre varan segn las dimensionesde las mallas, aumentandoproporcionalmente con la escuadra destas, de modo que el peso por unidad derea se mantiene mas o menos constante.

Los tres tamaos de malla hexagonal quese usan para la construccin de gavionesson los siguientes (Figura N 1):

- Malla de 5.0 X 7.0 cm de escuadra.Alambre calibre N 14 ( = 2.11 mm).Figura N 1 (a).

- Malla de 8.0 X 10.0 cm de escuadra.Alambre calibre N 13 ( = 2.41 mm).Figura N 1 (b).

- Malla de 12.0 X 14.0 cm de escuadra.Alambre calibre N 11 ( = 3.05 mm).Figura N 1 (c).

La resistencia de las mallas hexagonales dedoble torsin se puede determinar en

funcin de la resistencia del alambreutilizado y del nmero de mdulos porunidad de rea as:

Un mdulo

TABLA N 5: CARACTERISTICAS DE LA MALLA

RalResistenciadel alambre

(acero)

30 a 50 kg/mm2 (2/4)=2.4 mm

RmResistenciade la malla

a - 3690 kg/mb - 1866 kg/m a - 2300 kg/m

b - 1700 kg/mRun

Resistenciade la unin

a - 2280 kg/mb - 1600 kg/m

a

b


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Rmod= 1.6 Ral = Resistencia de un mdulo

Rm= NRmod ; N: Nmero de mdulos pormetro cuadrado de malla

K50m: Mdulo de deformacin de la malla

a - 26.300 kg/mb - 10.500 kg/m

4.2.3. MATERIALDE RELLENO

El relleno de las canastas se debe efectuarcon fragmentos de roca o cantos rodados,

resistentes y durables. La dimensin decada fragmento de roca o canto rodadodebe estar entre 10 y 30 cm. No se puedenutilizar materiales descompuestos,fracturados o agrietados, as mismo, es

recomendable evitar la utilizacin defragmentos de lutita, arcillolita o pizarra, amenos que cumplan con los requerimientosde durabilidad y resistencia que seespecifican a continuacin.

FIGURA N 1:CARACTERSTICAS DE LAS MALLAS HEXAGONALES.

Los requisitos de resistencia y durabilidadque deben cumplir los materiales rocososusados para rellenar las canastas son lossiguientes:

- Indice de desleimiento durabilidad:El ndice de desleimiento durabilidad(Ref. 8, 2000) debe ser mayor o igual al90%.

5 . 0 c m

7.0cm 1

0.0cm

8 . 0 c m

14.0cm

1 2 . 0 c m

E s c u a d r a 5 X 7 . A la m b r e N 1 4 ( 2 .1 1 m m )

E s c u a d r a 8 X 1 0 . A l a m b r e N 1 3 ( 2 .4 1 m m )

E s c u a d r a 1 2 X 1 4 . A l a m b r e N 1 1 ( 3 . 0 5 m m )

( a )

( b )

( c )


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- Porcentaje de desgaste en la Mquinade los Angeles:El porcentaje de desgaste, determinadode acuerdo con la norma INV E218debe ser menor al 60%.

- Resistencia a la carga puntual sobrefragmentos o ncleos de roca:La resistencia a la carga puntual (Is(50)),determinada segn el procedimientoestablecido por el grupo de trabajosobre Revisin del Mtodo de Ensayode Carga Puntual (Ref. 8, 2000) debeser mayor a diez (10) veces el nivel deesfuerzos al que va a estar sometida laestructura de gaviones, de acuerdo conlo establecido en el diseo de la misma.

El relleno debe ser efectuado de maneraque los fragmentos de roca con tamaosms pequeos queden dispuestos en laparte central del gavin, y los fragmentosms grandes queden dispuestos en la parteexterior, en contacto con la canasta. Enningn caso los fragmentos de roca debenser menores de 10 cm.Cuando no se pueda disponer de materialrocoso, pueden utilizarse sacos depolipropileno rellenos de suelo cemento en

proporcin 3:1, los cuales se debendisponer entrabados dentro de la malla enreemplazo de los fragmentos de roca.

4.3. CARACTERSTICAS DE RESISTENCIA DEGAVIONES

La resistencia al esfuerzo cortante de ungavin de 2 X 1 X 1 m ,fabricado con mallahexagonal de caractersticas similares a laspresentadas en la Tabla N 5, se puedecalcular de la siguiente manera:

g = 10 t/m2 + tan( +i)

g: Resistencia al esfuerzo cortante deun gavin

: Esfuerzo normal : Angulo de friccin interna del

enrocadoi: Dilatancia del enrocado

La resistencia a la compresin (qug) de ungavin de iguales caractersticas,determinada por medio de ensayosrealizados en especmenes a escala y

prototipos, es de 34 t/m2 (Ref. 2, 1981).

As mismo, el mdulo de deformacin delgavin inconfinado (Erog) es de 1050 t/m2.

Para determinar el comportamiento de ungavin al ser sometido a cargashorizontales, se plantean diferentes modosde falla en forma individual, aunque en elcomportamiento real, la falla se puede darpor combinacin de dos o ms modos. Estopermite determinar el modo ms crtico, el

cual gobernar el comportamiento de laestructura. Los modos de falla consideradosson:

A) DISTORSINANGULAR

Se debe verificar que la malla posea laresistencia necesaria para soportar lasdeformaciones por distorsin angular deacuerdo con las cargas a las cuales estarsometido el gavin, analizadoindividualmente como se muestra en la

Figura N2.

FIGURA N 2: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEUN GAVION SOMETIDO A DEFORMACION PORDISTORSION

, We: Cargas externasP: Empuje

l: Alargamiento de la malla

tv

Wg

Ri

t

We

hP

th


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l = )(h 22 + - h

l = t . h / K50mK50m: Mdulo de deformacin de la mallaRi: Resistencia interna

Ri = (We +Wg/2 + tv) + tan( +i)t Rm : Resistencia de la malla

B) VOLTEO

FIGURA N 3: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEUN GAVION. VOLTEO

Para que ocurra se requiere:

F.y Wg (b-) + WeX + Ntab2 2

F: Resultante de las fuerzas aplicadasta: Resistencia de un amarreN: Nmero de amarresWe: Carga externaWg: Peso del gavin

La Resistencia del amarre ta corresponde ala resistencia del alambre utilizado en lasuniones.

C) DESLIZAMIENTO

Se debe verificar que la resistencia en labase del gavin, sea mayor que lasumatoria de las cargas horizontales (F):

FIGURA N 4: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEUN GAVION. DESLIZAMIENTO.

We, : Cargas externasP: EmpujeWg: Peso del gavinRp: Resultante del empujeF = T + RpRb: Resistencia en la base

Rb = (We + Wg) tan + Nta

: Angulo de friccin en la baseN: Nmero de amarres

ta: Resistencia de un amarre

D) FLEXIN

El diseador debe verificar que la deflexinmxima del gavin no sobrepase los valoresadmisibles para la estructura. La deflexinmxima se puede calcular as:

FIGURA N 5: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEUN GAVION. FLEXION.

y

F

b

ta

Wg

We

X

Rb

PW

g

We

L

P

b

b


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P: Empuje: Esfuerzo mximo (flexin):

= M.b / 2

M: Momento aplicado:

M ~ PL28

I: Momento de inercia:

= b . h38

Entonces:~ ML2

8EE: Mdulo de deformacin del gavin

h: Altura del gavin

Con base en ensayos efectuados sobremallas hexagonales de caractersticassimilares a las presentadas en la Tabla 5 ycomparando las cargas aplicadas parallevar a la rotura dichas mallas, se encontrpara los modos considerados lo siguiente(Ref. 2, 1981):

R distorsin


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este descenso del terreno se opone elpropio trasds del muro, por ser un materialde diferente naturaleza y deformabilidad,con lo que se induce por rozamiento unafuerza vertical en el trasds. Este

rozamiento hace que la lnea de accin seincline un ngulo . En estructuras decontencin de gaviones suele adoptarse= .

El empuje activo puede calcularse con lasformulaciones clsicas de Coulomb oRankine. La Tabla H.4.3 de la Norma NSR-98 presenta un completo resumen con lasfrmulas de calculo para estos casos y paraotros mas generales. Para un muro conparamento vertical interno el empuje se

calcula sobre dicha superficie; si el murotiene escalones internos para el calculo sesupone una superficie imaginaria que unelos extremos superior e inferior del muro. Eltrasds del muro suele inclinarse entre 6 y10 para disminuir la magnitud delcoeficiente activo.

Siempre debe tenerse en mente que en elcaso de estructuras flexibles los cambios deforma del conjunto pueden influir claramente en la distribucin y resultante

(magnitud y direccin) de dichos empujes, adiferencia del caso de estructuras rgidas enque los efectos son despreciables.

5.1. OTRAS ACCIONES

Para el clculo de los empujes totales sobrela estructura de contencin con gaviones,debe calcularse adems de los empujesdebidos al terreno natural o al material derelleno los causados por el aguasubterrnea y por cargas externas

(sobrecargas en la corona del muro, cargasvivas temporales, etc). Para este efectopueden emplearse las formulacionesclsicas de la mecnica de suelos y de lateora de la elasticidad para el caso decargas externas.

El empuje del agua suele despreciarseconsiderando que el gavin es un materialde alta permeabilidad. Sin embargo, este

tipo de simplificaciones debe basarse enconsideraciones sobre el material derelleno, las condiciones hidrogeolgicas delsitio y el sistema de drenaje de laestructura, entre otros.

Considerando las prcticas normales deconstruccin de estas estructuras en elmedio colombiano y la alta actividad ssmicade nuestro pas, merece atencin especialreferirse al clculo de las presiones lateralesdebidas a compactacin y a los efectosssmicos. Estos puntos se tratan en lossiguientes numerales.

5.2. PRESIONESDE COMPACTACIN

Como se conoce ampliamente, la aplicacinde cargas en la superficie de un suelodetrs de una estructura de contencingenera un incremento en los esfuerzoshorizontales en el suelo y por lo tantoincrementos de carga en la estructura.

En muchos casos las estructuras degaviones se construyen antes de que secoloque el suelo a contener. El material derelleno debe compactarse adecuadamentepara prevenir asentamientos del mismo

relleno o deformaciones por detrs delmuro. La consecuencia principal delproceso de compactacin es un incrementoen las presiones laterales.

A pesar de que no se cuenta con una basede mediciones extensas de presiones decompactacin, se cuenta con mtodosaproximados, tambin aplicables a lasestructuras de gaviones.

NOTA: el contenido de este numeral se basa

en el Captulo 6 de Clayton et al. (Ref. 6,1993).

5.2.1. COMPACTACINDE RELLENOS GRANULARES

El caso extremo para la compactacin de unrelleno es el uso de un compactadorconvencional, el cual produce incrementosen los esfuerzos verticales dentro delrelleno. Si el compactador fuera de longitud


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y ancho infinitos, es razonable suponer queadyacente a un muro indeformable, elincremento en la presin horizontal serelaciona con el incremento en la presinvertical por el coeficiente de presin de

tierras en reposo Ko, suponiendo que elproceso de carga es normalmenteconsolidado.

Cuando el esfuerzo vertical se reduce (alretirar el compactador), se requiere unadisminucin en la presin horizontal paramantener la condicin de deformacinlateral nula del muro. A medida quecontinua el proceso de reduccin delesfuerzo vertical, se aproxima un estado defalla pasivo, y la curva de descarga se

mueve hacia la lnea 'h = Kr*'v. El valor deKr (coeficiente de presin de tierras enreposo para descarga) depende del ngulode friccin de un suelo granular. Se hasugerido emplear Kr= 1/Ko. Estaformulacin se debe a Broms.

Puesto que el incremento de esfuerzo porcompactacin se reduce con la profundidad,existe una profundidad crtica (Zc) a la cualel estado de esfuerzos regresa a lacondicin inicial. Puede demostrarse que:

BROMSZc= [(2.Ka.Ko.p)/

(.)]^0.5hc= [(2.p)/(Ka.Ko..)]^0.5

INGOLD(Ko=Ka) Zc= Ka.[(2.p)/(.)] 0.5 hc= [1/Ka] . [(2.p)/(.)]^0.5

FIGURA N 6: DIAGRAMA DE PRESIONES DEDISEO CON EFECTOS DE COMPACTACION

Zc= [Ko/] * ['vm/Kr]

Se tiene que el esfuerzo vertical es 'vm= 'v+ v, donde 'vm es el esfuerzo verticalinicial y v el incremento temporal en elesfuerzo vertical debido al compactador, elcual puede calcularse con distribuciones deesfuerzos de la teora elstica.

Ingold sugiri un anlisis simplificado queen esencia corresponde al mismo de Bromspero en el cual sustituy Ka por Ko y Kp porKr, al considerar una trayectoria de esfuerzosimplificada durante la compactacin. Estaconsideracin parece modelar mejor lacondicin real de un muro durante lacolocacin del relleno, en la cual si existe unmovimiento del mismo. En este caso, losesfuerzos iniciales se calculan para unacondicin activa y la profundidad criticaresulta:

Zc= [Ka2 * v]/[ ]

Ingold tambin sugiri la siguiente expresinaproximada para calcular el incremento deesfuerzo vertical por un compactador,suponiendo una carga lineal infinita en unsemi espacio elstico:

v = [2*p] / [ * z ]

donde p es la carga por unidad de longitud,z la profundidad desde la superficie y v elincremento de esfuerzo verticalinmediatamente debajo de la lnea de carga.

Para compactadores vibratorios serecomienda que la carga lineal sea la sumade la carga esttica y la fuerza vibratoriacentrifuga, ambas por unidad de longitud. Siesta ltima no se conoce, puede suponerseque la carga es el doble de la esttica porunidad de longitud.

Con estas suposiciones se puede calcular:

Profundidad critica:

Zc

hc

'h

z

'h

= Ko ' z

'h

= Kr*'v

'hrm

= (2*p*)/()


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Zc= Ka * [(2*p)/()]^0.5

Esfuerzo horizontal residual mximo(despus de retirar el compactador):

'hrm = [(2*p*)/()]^0.5

Profundidad a partir de la cual las presionesde compactacin son insignificantes:

hc= [1/Ka] * [(2*p)/()]^0.5

Para el caso de muros de gaviones, elmtodo simplificado de Ingold puederesultar de mayor utilidad pues considera un

nivel de deformacin lateral del muro,acorde con la naturaleza flexible de estetipo de estructuras.

5.2.2. COMPACTACINDE RELLENOS COHESIVOS

En general, los esfuerzos de compactacinen materiales arcillosos son mayores queen suelos granulares. Existen grandesdiferencias en el proceso de compactacinentre estos dos tipos de materiales.

Los materiales granulares permiten el libredrenaje por su permeabilidad alta y secompactan bajo condiciones drenadas, sinincrementos en la presin de poros, por loque no ocurren deformaciones volumtricasdespus de la compactacin.

De otra parte, en materiales arcillososdeben considerarse por lo menos tresetapas: compactacin, relajacin y equilibrioo estabilizacin de las presiones de poros.En general, un relleno arcillo comienza adesarrollar presiones considerables contraun muro cuando el contenido de aire en losvacos se reduce en un 15%.

Algunos resultados de mediciones enprototipos sugieren que el incremento delesfuerzo lateral total por compactacin esfuncin de la plasticidad y de la resistenciano drenada Cu del material compactado. Se

han medido los siguientes valores que danun orden de magnitud:

TABLA N 6: VALORES MEDIDOS DELINCREMENTO DEL ESFUERZO LATERAL TOTAL

POR COMPACTACIONTIPO DE ARCILLA ESFUERZO LATERAL

Alta plasticidad(LL= 73%, LP= 25%)

0.8*Cu

Plasticidad media(LL= 38%, LP= 16%)

0.25 * Cu

En arcillas colocadas en una condicinrelativamente seca, se ha observado unareduccin (relajacin) en los esfuerzoslaterales despus de terminar la colocacin.

La etapa final involucra alcanzar lacondicin de equilibrio de las presiones deporos del relleno arcilloso. Si luego de lacompactacin existen presiones de porospositivas, la arcilla se consolidar y sepresentar una reduccin de los esfuerzoslaterales con el tiempo. En este caso laspresiones mximas que debe soportar laestructura corresponder a las presentes alfinal de la compactacin. De otra parte, sise tienen presiones de poros negativas, yse tiene una fuente de agua cerca, pueden

ocurrir procesos de expansin e incrementode los esfuerzos laterales en el tiempo. Estecomportamiento es tpico en arcillas durasde alta plasticidad.

Para una condicin a largo plazo, despusde alcanzar el equilibrio de las presiones deporos, los esfuerzos horizontales sonmayores que los verticales. Algunasevidencias experimentales sugieren que sealcanza un estado pasivo en el cual:

'h = Kp * ' v

5.2.3. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS

A partir de observaciones en variosproyectos, la principal recomendacinpractica consiste en efectuar lacompactacin del relleno a medida que secoloca cada fila de gaviones, de modo quese evite el proceso de acumulacin de las


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presiones de compactacin al permitir elmovimiento del muro.Si por la disponibilidad de materiales en unazona debe recurrirse a un relleno arcilloso,es importante colocarlo en condicin

relativamente hmeda y limitar suplasticidad (IP


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El coeficiente de presin de tierras activaes:

KAE= [cos2(--)] / [cos*cos2*cos(++)*F]

donde

F= {1+ [(sen{ + }sen{ -i})/(cos{++}cos{i-})]^0.5}^2

= tan-1 [Kh/(1-Kv)]= ngulo de friccin del suelo.= ngulo de friccin del muro.

i= pendiente de la superficie del terreno pordetrs de muro.

= inclinacin del trasds del muro con lavertical.

Aparentemente Mononobe y Okabesupusieron que la presin total calculadacon esta formulacin actuaba en la mismaposicin que la presin esttica inicial, estoes, a una altura de H/3 por encima de labase. En realidad la resultante suele quedarligeramente por encima de esta altura perola aproximacin es vlida para clculosprcticos.

Para el caso pasivo la formulacin de

Mononobe y Okabe arroja valoresextremadamente altos del coeficiente depresin de tierras por lo cual se recomiendaemplear en esta condicin los valores de Kpdados segn Muller-Breslau. (Ver NormaNSR-98).

6. DISEO DE MUROS DE GAVIONES

6.1. CRITERIOSPARAEL DISEO

Adems de las condiciones propias del

lugar (topografa, geologa, etc.), debenconocerse las caractersticas geotcnicasde los materiales en la zona paradeterminar los empujes y reacciones. Lasprincipales caractersticas que debenevaluarse son: peso unitario, cohesin yngulo de friccin.

Con estos datos y las condiciones deestructuras prximas se determinan losempujes debidos a:

El suelo (relleno) del trasds. El material en la base del muro. El agua. Sobrecargas prximas. Presiones de compactacin. Esfuerzos por cargas ssmicas.

Con este conjunto de acciones, las cualesdeben fijarse en magnitud y posicin paraun predimensionamiento dado del muro, sedebe comprobar la seguridad de laestructura para las siguientes causas de

falla, entendida como un problema decomportamiento relacionado con resistenciao deformacin que debe verificarse paracondiciones a corto y largo plazo.

6.1.1. VOLCAMIENTO

El factor de seguridad ante vuelcocorresponde a la relacin entre losmomentos estabilizadores y losinestabilizantes. Usualmente se calculatomando momentos con respecto al pie delmuro. Se recomienda que sea como mnimode 1.5 y resulta conveniente que sea delorden de 2.0. Sin embargo, la norma NSR-98 establece factores mnimos de 2.0 y 3.0para suelos cohesivos y granulares,respectivamente. Como se mencionoanteriormente, se debe verificar elvolcamiento de toda la estructura, teniendoen cuenta las deformaciones internas, quedesplazan el centro de gravedad de lamisma.

6.1.2. DESLIZAMIENTO

Se evala en el plano de la base del muro,aplicando ecuaciones para el equilibrio defuerzas horizontales. Se recomienda que elfactor de seguridad sea superior a 1.5 ensuelos granulares y a 2.0 en materialescohesivos. En algunos casos se inclina labase del muro para mejorar este nivel deseguridad.


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Puesto que normalmente se presentaalteracin del material superficial sobre elque se construye el muro, sueledespreciarse la componente de cohesin en

la resistencia para esta evaluacin.Aunque resulta conveniente que la cota deapoyo del muro este entre 1.0 a 1.5 m pordebajo del nivel de excavacin, no suelecontarse con la resistencia pasiva en el pie,salvo casos especiales en que puedegarantizarse la continuidad del terreno enesa zona, su inalterabilidad ambiental, etc.En este ultimo caso se considera solo unafraccin de dicha resistencia para que existacompatibilidad de deformaciones en lasdiferentes zonas del muro.

Es importante resaltar que si el factor deseguridad contra deslizamiento es muy alto,las presiones de compactacin suelen serde gran magnitud.

6.1.3. CAPACIDADPORTANTE

Entre los anlisis que deben realizarse paraestructuras de gaviones se tiene el deverificar las condiciones de cimentacin delmismo. Deben satisfacerse los requisitos de

estabilidad (capacidad portante),deformaciones (asentamientos) yfuncionalidad dentro de unas condicioneseconmicas adecuadas.Deben considerarse todos los factores quenormalmente se evalan en cualquierestructura de cimentacin. En particulardeben considerarse todas las accionespermanentes y temporales, tanto estticascomo dinmicas, que puedan afectar laestructura.

Puesto que en general las estructuras degaviones tienen una relacin B/L grande,para la evaluacin de la capacidad portantedel terreno pueden considerarse lasformulaciones clsicas existentes paracimientos superficiales continuos.

La base del muro se considera equivalentea una zapata continua con carga excntrica.El factor de seguridad debe ser superior a

2.5. En algunos casos es suficiente que laexcentricidad de la resultante se inferior a1/6 del ancho de la base del muro. Sinembargo, dependiendo de las condiciones yconsiderando la flexibilidad de los gaviones

pueden admitirse valores bajos deesfuerzos de traccin en seccionesreducidas de la base, sin sobrepasar enninguna zona la capacidad del terreno.

6.1.4. ESTABILIDADGENERAL

Se deben efectuar anlisis de estabilidad detaludes para diferentes superficies de roturapara verificar factores de seguridadapropiados ante fallas del conjunto muro-suelo. Se aplican los mtodos de anlisis

de equilibrio lmite comunes en laestabilidad de taludes, en los cuales secomparan los esfuerzos desviadores con laresistencia disponible a lo largo de unasuperficie potencial de falla. Se asume quela masa falla como un cuerpo rgido y no sehacen consideraciones acerca de ladeformabilidad del suelo. Debe garantizarseun factor de seguridad mnimo de 1.5.

6.1.5. ESTABILIDADINTERNA

En muros de gaviones se refiere al clculode los esfuerzos en secciones intermediaspara verificar la capacidad estructural de lamalla, garantizando que los esfuerzos seanadmisibles. Para esta evaluacin laestructura se considera multielemental y enrigor debe efectuarse el clculo para todaslas secciones. En el Numeral 4.3 sepresentan los factores que se deben teneren cuenta para la verificacin de laestabilidad interna.

6.1.6. DEFORMACIONES

Se deben calcular las deformacionespropias de la estructura de gaviones, ascomo las generadas en las vecindades encaso de que se considere importante. Parael control de los movimientos del murocuando las deformaciones del relleno pordetrs de la corona son importantes,pueden construirse contrafuertes de


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refuerzo. El diseador debe determinar lacantidad y la longitud de los contrafuertesde refuerzo necesarias para hacer unaestructura ms o menos deformable, deacuerdo con las deformaciones admisibles

para la estructura que se esta diseando.

6.1.7. SECCIN RESISTENTE DE UNA ESTRUCTURADE GAVIONES

Con base en los empujes a que vaya aestar sometida la estructura y lascaractersticas fsicas y de resistencia ydeformabilidad de los gaviones sedetermina la disposicin de los gavionesque conformen la estructura.

Para controlar la resistencia interna de laestructura, se busca que sucomportamiento sea gobernado por el modode falla de distorsin angular, en el cual seexige la resistencia de la malla y delenrocado en condiciones de deformabilidadcompatibles.

6.1.8. CONTRAFUERTES

Cmo se encontr que para luces alrededorde 5 m el comportamiento en los modos de

flexin y distorsin angular es similar (Ref.2, 1981), se propone el empleo decontrafuertes a esta distancia, los cualesservirn para rigidizar la estructura en stospuntos y mantener el modo de falla pordistorsin.

Los contrafuertes, dispuestos de maneraperpendicular a la estructura (Figura N 8),tienden a estar empotrados en el terreno demanera que funcionen como refuerzos

adicionales a partir de la friccin que segenera entre el suelo y las paredes delcontrafuerte. Esta friccin puede serdeterminada mediante la siguienteexpresin:

f = s(Zi+Zs)b Ko tan s + cs(Zi-Zs) b < Rm (b)2 2

Donde:Zi, Zs: Profundidad hasta la base y el topedel gavin, respectivamente.

Ko: Coeficiente de presin de tierras enreposo.

s: Densidad del suelo.Rm(b): Resistencia de la malla en la

direccin b, o de la junta si la hay.Puede complementarse con varillaso cables.

Km: Mdulo de deformacin de la malla.t < Rm(a): Resistencia de la malla en la

direccin a.cs: Cohesin del relleno compactado

detrs de los gaviones.

s: Angulo de friccin del rellenocompactado.

: Angulo de friccin del enrocado delos gaviones.

i: Dilatancia del enrocado de los gaviones.

Superficie del terreno

P

Ws

ts

Wi

R

X ~

tv

th

tZ

i

Zs

P

bf

f

L

f

f

PLANTA PERFIL

Rd = (Ws + tv + Wi/2) tg ( +i)

Rs = ts + P - th - 2f/L

t = Km X_

Zi - Zs


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FIGURA N 8:DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE UN MURO DE GAVIONES CON CONTRAFUERTES

Para determinar el tipo amarre de loscontrafuertes a la estructura de gaviones sedeben seguir los siguientes criterios:

Si la friccin generada en las paredesdel contrafuerte es menor que laresistencia a la traccin de la unin, noes necesario ningn tipo de amarre,

distinto al amarre convencional entremdulos de gaviones.

Si la friccin generada en las paredesdel contrafuerte es mayor que laresistencia de la unin, determinada conbase en la resistencia del alambre deamarre, se deben unir los contrafuertesmediante ganchos de acero dispuestosentre el contrafuerte y el moduloadyacente, tal como se muestra en laFigura 8.

Si la friccin generada en las paredesdel contrafuerte es mayor que laresistencia a la traccin de la malla, sedeben amarrar los contrafuertesmediante un anclaje que los atravieselongitudinalmente, dispuesto entre lascaras opuestas de la estructura tal comose muestra en la Figura 8.

6.1.9. PUNTALES

En ocasiones es posible utilizar losgaviones como estructuras que soportenfuerzas de compresin, que pueden serusadas como refuerzo de una estructuraante deslizamiento (gaviones de punta), odispuestos a manera de puntal entre lasparedes de un cauce. En este caso, sedebe verificar que las cargas de compresina las que van a estar sujetos los gaviones,no superen la resistencia de estos a la

compresin, de acuerdo con lo establecidoen el Numeral 4.3.

FIGURA N 9:DISPOSICION DE UN PUNTAL

6.2. PROCEDIMIENTODE DISEO

A) Con base en la geometra del problema,predimensionar la estructura.

B) Caracterizar los materiales disponibles yverificar que cumplan con laspropiedades mnimas requeridas, deacuerdo con lo presentado en el

Numeral 4.

C) Calcular las cargas a las que estarsometida la estructura, de acuerdo conlo presentado en el Numeral 5.

D) Evaluar la estabilidad general, teniendoen cuenta las deformaciones, como seexplic en el Numeral 6.


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E) Determinar la disposicin general de losgaviones (seccin y contrafuertes).

F) Verificar la estabilidad externa:volcamiento, deslizamiento y

deformacin admisible, como se explicen el Numeral 6.

G) Verificar la estabilidad interna:resistencia de la malla y del enrocado,como se explic en el Numeral 4.

H) Adelantar la distribucin (despiece) delos gaviones, nivel por nivel. En lasfiguras 11, 12 y 13 se presentan algunosejemplos de los despieces deestructuras de gaviones.


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7.8. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO

A continuacin, se describen las actividadesa realizar durante la construccin de una

estructura de gaviones (Fotografastomadas de FAO, Revista Enfoques:Gaviones, Ref. 11, 1998):

Primero, extienda la canasta sobre unasuperficie plana:

Enseguida, una las cuatro aristas conalambre galvanizado de la mismacalidad que el empleado en la malla:

Despus una los diafragmas alcuerpo del gavin:

La unin de las aristas debe de estarbien reforzada, por ello se alternantorsiones sencillas y dobles paraasegurarla:

Las canastas armadas se colocan enel sitio, se alinean y se unen unascon otras, para luego ser rellenadas:


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Por razones tcnicas y estticas esmuy importante tensar las canastasantes de rellenarlas, ya que as se

comprueba si no existen deficienciasen la unin, se logra optimizar elrelleno y se obtiene un mejorrendimiento en la aplicacin:

La piedra de relleno puede ser decanto rodado de explotacin y debecumplir los requerimientos dados enel numeral 4.2.3:

Conforme se va rellenando con lapiedra, se colocan los tensores a 1/3y a 2/3 de la altura del gavin,abarcando 2 escudaras de la mallaen la unin:

El relleno debe ser compacto y con elmnimo de vacos posibles:

Tirantesdiagonales enlascuatro esquinas(Gavi ones de borde)

Detalle de la unin del tirante ala malla

(b)

Tiposde tirantes

(a)

Tirantes horizontales

Tirantesverticales(Gavionesde base)


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Al finalizar el relleno, una la tapa alcuerpo del gavin, colocando grapascada 30 cms e hilvanando con laayuda de unas tenazas y un gancho:

Terminado el primer nivel degaviones repita el proceso, coloqueel siguiente nivel y nalo firmementecon el de abajo para despus grapare hilvanar:


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9. REFERENCIAS

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Resistente, Ley 400 de 1997, Decreto33 de 1998.

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4. BIANCHINI Ingeniero S.A.Instrucciones prcticas para el montajey ejecucin de obras con gavionesmetlicos, corazas y enrejadosmetlicos. Barcelona, 1975.

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6. CLAYTON, C.R.I.; Milititsky, J.; Woods,R.I. Earth Pressure and Earth-retainingstructures, 2 ed, Blackie Academic &Professional, London, 1993.

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8. CORREA, Alvaro. Caracterizacin derocas, Ensayos de Laboratorio.Sociedad Colombiana de Geotecnia,Universidad Nacional de Colombia.Santaf de Bogot, Julio de 2000.

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gavin de tablestacas. Bulletin deLiaison des Laboratoires Routiers. Pontset Chausss, N 110. Paris, 1980.

10. ECOPETROL. Normas de Ingeniera de

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11. FAO. Gaviones para proyectoshidrulicos. Revista Enfoques:Gaviones. Artculo publicado enhttp://www.fao.org. Diciembre de 1998.

12. Instituto Nacional de Vas. Normas deEnsayo de Materiales para Carreteras.Tomos I y II. Editorial EscuelaColombiana de Ingeniera. Bogot,

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Maccaferri. Bogot, Marzo de 1971.

Tambin se pueden consultar en Internetms de 250 sitios web en espaol quecontienen informacin sobre usos yespecificaciones tcnicas de gaviones yproductos relacionados. La informacin espublicada por empresas fabricantes ydistribuidoras de pases como Espaa,Mxico y Chile, entre otros.

defensas ribereñas.doc

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