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|UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL SECCIÓN DE POSGRADO MAESTRIA EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

COMPORTAMIENTO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO Entrega Final

Diseño Estructural De Un Estribo de Concreto Armado para un Puente Carretero PROFESOR: Dr. Víctor Fernández Dávila GRUPO: N° 01 INTEGRANTES: Cueva Caller, Carlos Eduardo Llanos Álvarez, Murakame Guzman Salas, Rodolfo Beltran

CICLO: 2015-II LIMA – PERÚ 2015

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA SECCION DE POSGRADO FIC

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

INTRODUCCIÓN

Se conoce con el nombre de estribo a aquella parte de la subestructura de un puente situada en los extremos del mismo. En el caso de estribos de extremo cerrado de puentes sirven para transmitir la carga desde la superestructura hasta la cimentación y actúan como muros de contención para retener la tierra de relleno por detrás de ellos. Por tanto se podría decir, que los estribos de extremo cerrado es usado con doble propósito: el de transferir las cargas de un tramo de la superestructura al terreno, y el de soportar el empuje lateral del terraplén situado en su parte posterior. Los estribos son por lo tanto, una combinación de pilar y muro de contención. Los estribos se deben dimensionar de modo que debemos asegurar su estabilidad contra fallas por vuelco, deslizamiento y presiones en la base. Así, las cargas que se tendrán que considerar para su estabilidad son: cargas verticales de la superestructura; incluyendo cargas muertas y móviles sin considerar el impacto; cargas del peso propio del estribo y del relleno; cargas debido al empuje del terreno más el efecto sobrecarga sobre el terreno; fuerzas de frenado debido a la carga móvil; cargas debido a la fuerza sísmica sobre la superestructura y subestructura, entre otros. El planteamiento de tipos de estribos varía según muchos factores, donde usualmente rige lo económico; las condiciones geométricas son un factor importante donde se sugiere una determinada altura mínima buscándose por tanto economizar sin afectar el desempeñoño estructural del estribo. Para el caso de estribos de considerable altura, usualmente se plantean los tipos de estribos en voladizo, y a mayores alturas inclusive suele plantearse los estribos con contrafuertes, que es materia del presente trabajo. En este proyecto semestral, se busca realizar el diseño estructural, poco citado en las bibliografías, de un estribo con contrafuertes, eligiéndose para tal fin, las cargas y consideraciones de diseño del estribo de concreto armado que sirve de apoyo extremo del Puente el Dorado de 80m de luz aguas abajo, el cual se ubica sobre el Rio Santa Isabel, en el distrito de Constitución, perteneciente a la provincia de Oxapampa, en el departamento de Pasco, ubicado en el tramo entre la ciudad de Constitución con el Puerto Súngaro. De acuerdo a la Ingeniería Básica del proyecto se sabe que el Estribo deberá tener una altura de 14m y debe cubrir un ancho de calzada de 15.80 m (4 carriles), considerando un concreto de resistencia 280kg/cm2 por durabilidad.

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INDICE GENERAL 1.0 GENERALIDADES 1.1 Alcance 1.2 Códigos y Estándares 1.3 Documentos Referenciales 1.4 Datos considerados para el Análisis y Diseño 1.4.1

Datos Geométricos

1.4.2

Propiedades de los Materiales

1.4.3

Datos de Reacciones del Puente

1.4.4

Parámetros Sísmicos

2.0 ANALISIS ESTRUCTURAL 2.1 Calculo de Fuerzas de Empuje Estático 2.2 Calculo de Fuerzas de Empuje Activo Sísmico (Método Mononobe-Okabe) 2.3 Calculo de Fuerzas de Gravedad 2.4 Calculo de Fuerzas Sísmicas 2.5 Cargas y Combinaciones 2.6 Verificación de Estabilidad 2.6.1

Verificación por Deslizamiento

2.6.2

Verificación de la Excentricidad

2.6.3

Verificación de presiones en el suelo de fundación

2.7 Modelamiento Estructural 3.0 RESULTADOS DEL ANALISIS ESTRUCTURAL 3.1 Métodos de Análisis estructural aceptables 3.2 Comportamiento de los materiales estructurales 3.3 Geometría 3.4 Diagrama de Esfuerzos de flexión 3.5 Deformaciones Laterales

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4.0 DISEÑO DE ELEMENTOS 4.1 Estados Límites 4.1.1

Estados Límite de Servicio

4.1.2

Estados Límite de Resistencia

4.2 Diseño de Pantalla Principal 4.3 Diseño de Parapeto 4.4 Diseño de Contrafuertes 4.5 Diseño de Zapata 4.6 Diseño de Alas de Contención 5.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 Conclusiones 5.2 Recomendaciones ANEXOS

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INDICE DE FIGURAS 1.1: Localización referencial de puente 1.2: Ubicación del Puente sobre el rio Santa Isabel 1.3: Vista general en planta del puente El Dorado. 1.4. Elevación del puente El Dorado 1.5: Vista Sección Transversal del Puente El Dorado. 2.1:.Simbología para el empuje activo de Coulomb 2.2: Aplicación típica de factores de carga para Resistencia de soporte 2.3: Aplicación típica de factores de carga para deslizamiento y excentricidad 2.4: Aplicación típica de sobrecarga viva 2.5: Criterio de esfuerzos convencional de soporte para cimientos de muros sobre suelo 2.6: Criterio de esfuerzos convencional de soporte para cimientos de muros sobre roca 2.7: Predimensionamiento para estribos de pantalla con contrafuerte 2.8: Muros con Contrafuertes 2.9: Distribución de momentos sobre la pantalla vertical en estribos de muros con contrafuertes 2.10: Cargas que actúan sobre los talones del estribo de muro con contrafuertes y distribución del acero

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CAPITULO I: GENERALIDADES 1.1 Alcance El presente proyecto semestral tiene como alcances detallar los criterios estructurales adoptados que sirven de base para el desarrollo del diseño del Estribo de Concreto Armado para el Puente El Dorado de 80m de luz entre ejes, logrando un buen desempeño de la estructura en su vida útil ante cargas de servicio y eventos extremos debido a la ocurrencia de un sismo en el sitio, con el fin de limitar daños, reducir gastos de reparación, y mantener su funcionalidad y operatividad. Para lo cual para el diseño de los elementos se consideran los requerimientos indicados en el código AASHTO LRFD Bridge Design Specifications y para considerar los requerimientos sísmicos de la estructura lo indicado en el Manual de Diseño de Puentes, MTC, Dirección General de Caminos y Ferrocarriles, 2003, además se consideró requerimientos de códigos y estándares afines para el proyecto. Este proyecto semestral contemplará, al finalizar, los diseños de los siguientes elementos como producto final:     

Diseño de Zapata Diseño de Pantalla Principal Diseño de Parapeto Diseño de Alas de Contención Diseño de Contrafuertes

1.2 Códigos y Estándares Para el desarrollo del trabajo se hará uso de los códigos y estándares que se especifican: - AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 6th Ed, 2012 - Manual de diseño de puentes, MTC, Dirección General de Caminos y Ferrocarriles, 2003 - Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural, ACI 318S-14 1.3 Documentos Referenciales En este proyecto semestral, se busca realizar el diseño estructural de un estribo de concreto armado de extremo cerrado, eligiéndose para tal fin, las cargas y consideraciones de diseño del estribo de concreto armado que sirve de apoyo extremo al Puente el Dorado que cuenta con 80m de luz aguas abajo, el cual se ubica sobre el Rio Santa Isabel, en el distrito de Constitución, perteneciente a la provincia de Oxapampa, en el departamento de Pasco, ubicado en el tramo entre la ciudad de Constitución con el Puerto Súngaro; cuyos estudios básicos servirán como de punto de inicio al presente proyecto semestral.

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Fig. 1.1: Localización referencial de puente 1.4 Datos Considerados Para el Análisis y Diseño 1.4.1. Datos Geométricos Para un mejor panorama de los datos geométricos se citan las siguientes imágenes con el dimensionamiento de la superestructura que son requisitos para el diseño del estribo, en este caso, el estribo extremo derecho aguas abajo.

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Fig. 1.2: Ubicación del Puente sobre el rio Santa Isabel

Fig. 1.3: Vista general en planta del puente El Dorado.

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Fig. 1.4: Elevación del puente El Dorado

Estribo considerado a diseñarse (H=14 m)

Fig. 1.5: Vista Sección Transversal del Puente El Dorado.

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Dada las condiciones de requerimiento en altura para el estribo considerado a diseñarse (H=14 m), se hace elección por tanto, de un estribo con contrafuertes ya que por lo general según bibliografías y la experiencia indican que resulta más económico que un estribo en voladizo o ménsula a alturas mayores de 10 m. 1.4.2. Predimensionamiento

H

14.00

m

Altura Total del Estribo

L

17.80

m

Longitud Total del Estribo

tp1

0.60

m

Espesor Sup. de la Pantalla

tp2

1.20

m

Espesor Inf. de la Pantalla

tp3

0.40

m

Espesor del contrafuerte

N

1.00

m

Ancho de Cajuela

H1

9.50

m

Altura de Pantalla

H2

0.60

m

Dimensones de Ménsula

H3

0.40

m

th1

0.30

m

H4

1.50

m

th2

0.20

m

B

12.00

m

Longitud Total de la Zapata

B1

4.00

m

Longitud del Pie

B2

6.80

m

Longitud del Talón

Hz

2.00

m

Altura de la Zapata

Sc

3.50

m

Espaciamiento de Contrafuertes

1.4.3. Propiedades de los materiales Propiedades de los Materiales Acero de refuerzo Esfuerzo de fluencia

fy

4200 kgf/cm2

Resistencia a la Compresión

f´c

280 kgf/cm2

Peso específico del concreto

gc

2.4 ton/m3

Módulo de Elasticidad del Concreto

E

Concreto Armado

250998 kgf/cm2

Suelo de Relleno Tipo

Material granular no cohesivo

Densidad

gs

Angulo de fricción

f1

1.80 ton/m3 31 °

Suelo de Fundación Tipo

Grava limpia,mezclas de grava y arena

Angulo de fricción

f2

Coeficiente de fricción

m

32 ° 0.62

Dimensones de Parapeto

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CAPITULO II: ANÁLISIS ESTRUCTURAL En la sección anterior se vio por conveniente la elección del diseño del estribo del tipo muro con contrafuertes dada básicamente por sus condiciones geométricas y económicas. De aquí en adelante se trata de darle un enfoque a la metodología del análisis para finalmente gravitar en el diseño de los elementos. Para esto se centrará en el análisis estructural como sigue: 2.1. Cálculo de Fuerzas de Empuje Estático

    

La rigidez de la estructura y las características del material contenido son los factores que influyen de manera más significativa en el desarrollo de las presiones horizontales de tierras. Las estructuras que pueden movilizarse o deflectarse alejándose del suelo contenido pueden desarrollar un estado activo de presiones en la masa de suelo. Las estructuras que se encuentran restringidas al movimiento deben ser diseñadas para resistir una distribución de presiones de tierra en reposo. Las estructuras que se encuentran forzadas a deflectarse horizontalmente contra un suelo contenido deben ser diseñadas para resistir una presión de tierras pasiva. AASHTO considera el empuje pasivo no como una carga sino como un componente de resistencia.

2.1.1. Empuje De Suelo

La presión de tierras horizontal (p) varía linealmente en forma proporcional a la profundidad. Se encuentra definida por la siguiente ecuación (AASHTO 3.11.5.1) 𝑝 = 𝑘𝛾𝑠 𝑧 Donde: p = Presión de Tierras Lateral gs= Peso unitario del suelo Z = Profundidad debajo de la superficie K = Coeficiente de empuje lateral de tierras Ko : Para elementos que no se deflectan o mueven Fig. 07. Empuje de Suelo sobre Estribo.

Ka : Para elementos que se desplazan lo suficiente para desarrollar la presión activa. Kp : Para elementos que se desplazan lo suficiente para desarrollar las condiciones de presión pasiva.

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Se asumirá que la carga de suelo lateral resultante debida al peso del relleno actúa a una altura igual a H/3 desde la base del muro, siendo H la altura total del muro medida desde la superficie del terreno en el respaldo del muro hasta la parte inferior de la zapata. 2.1.2. Coeficiente De Presión En Reposo Para suelos normalmente consolidados, muro vertical y terreno nivelado, el coeficiente de empuje lateral en reposo se puede tomar como:

Donde: f’f = ángulo efectivo de fricción del suelo ko = coeficiente de empuje lateral del suelo en reposo

2.1.3. Coeficiente de Presión Activa

Fig. 2.1:.Simbología para el empuje activo de Coulomb

El coeficiente de empuje lateral activo se puede tomar como:

Y además:  = ángulo de fricción entre relleno y muro (como referencia puede ser tomado como se especifica en la Tabla N° 01

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL  = ángulo que forma la superficie del relleno respecto de la horizontal como se indica en la figura 08.  = ángulo que forma el respaldo del muro respecto de la horizontal como se indica en la figura 08. f’f = Ángulo efectivo de fricción interna del suelo 2.1.4. Coeficiente de Presión Pasiva Para los suelos cohesivos, los empujes pasivos se pueden estimar de la siguiente manera:

Donde: Pp = empuje lateral pasivo del suelo gs = densidad del suelo z = profundidad debajo de la superficie del suelo c = cohesión del suelo kp = coeficiente de empuje lateral pasivo del suelo especificado en los ábacos 01 y 02 g = aceleración de la gravedad Coeficientes de Presión del Suelo de Relleno Presión en Reposo

=

Ko

0.485

Ka

0.320

Presión Activa

= Presión Activa de Mononobe-Okabe

2.2. Cálculo de Fuerzas de Empuje Activo Sísmico (Método Mononobe-Okabe) La presión horizontal en estructuras de retención es amplificada durante el evento sísmico debido a la aceleración en la masa de tierra contenida. El método de Mononobe-Okabe es un método de Coeficiente Sísmico Horizontal Kh 0.16 (A/2) análisis que permite determinar una presión de tierras estática equivalente. Coeficiente Verticalcuando: Kv 0.016 (0.05Kh < Kv < 0.3Kh) El métodoSísmico es aplicable =



𝑘

𝑘



9.24 °

La estructura puede deflectarse lo suficiente para movilizar la presión activa en el suelo Angulo de fricción entre el estribo y el suelo  15.5 ° contenido. AnguloentreElsuperficie de terreno y linea horizontal i 0° relleno puede deflectarse lo suficiente para movilizar la presión activa en el suelo Angulo entrecontenido. pared de muro y linea vertical  0°  El relleno está conformado por material no-cohesivo y no-saturado. KAE 0.403  La cuña de falla está definida por una superficie plana.  La aceleración es uniforme en la masa de suelo contenido.

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2.3. Cálculo de Fuerzas de Gravedad Son las cargas de peso propio (DC) y de carga muerta (DW) Reacciones de Superestructura Peso Propio

DC1

477.10

ton

Barreras y barandas

DC2

60.00

ton

Carpeta Asfaltica

DW

45.20

ton

Camión de Diseño HL93+IM

LL+IM

167.70

ton

Carga Peatonal

PL

44.04

ton

Apoyofijo

BR

21.96

ton

Apoyofijo

Friccion

0.00

ton

Apoyofijo

EQ

279.50

ton

2.4. Cálculo de Fuerzas de Sobrecarga (LS) Se deberá aplicar una sobrecarga viva si se anticipa que habrá cargas vehiculares actuando sobre la superficie del relleno en una distancia igual a la mitad de la altura del muro detrás del paramento posterior del muro. El aumento del empuje horizontal provocado por la sobrecarga viva se puede estimar como:

donde: Δp = empuje horizontal constante del suelo debido a la sobrecarga viva (MPa) γs = densidad total del suelo (kg/m3)

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL k heq g

= coeficiente de empuje lateral del suelo = altura de suelo equivalente para carga vehicular (mm) = aceleración de la gravedad (m/s2)

Las alturas de suelo equivalente, heq, para cargas carreteras sobre estribos y muros de sostenimiento se pueden tomar de las Tablas 3.11.6.4-1 y 3.11.6.4-2. Para alturas de muro intermedias se deberá interpolar linealmente. La altura del muro se deberá tomar como la distancia entre la superficie del relleno y el fondo de la zapata a lo largo de la superficie de o considerada.

El factor de carga tanto para la componente vertical como para la componente horizontal de la sobrecarga viva se deberá tomar como se especifica en la Tabla 3.4.1-1 para sobrecarga viva.

2.5. Cargas y Combinaciones Todos los estados límites se deben considerar de igual importancia.

Para cargas para las cuales un valor máximo de γi es apropiado:

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Para cargas para las cuales un valor mínimo de γi es apropiado:

La solicitación mayorada total se tomará como:

donde: ηi = modificador de las cargas Qi = solicitaciones de las cargas aquí especificadas γi = factores de carga especificados en las Tablas 3.4.1-1 and 3.4.1-2

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Los componentes y conexiones de un puente deberán satisfacer la Ecuación 1.3.2.1-1 para las combinaciones aplicables de solicitaciones extremas mayoradas según se especifica para cada uno de los siguientes estados límites: RESISTENCIA I – Combinación de cargas básica que representa el uso vehicular normal del puente, sin viento. RESISTENCIA II – Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos de diseño especiales especificados por el Propietario, vehículos de circulación restringida, o ambos, sin viento. RESISTENCIA III – Combinación de cargas que representa el puente expuesto a vientos de velocidades superiores a 90 km/h. RESISTENCIA IV – Combinación de cargas que representa relaciones muy elevadas entre las solicitaciones provocadas por las cargas permanentes y las provocadas por las sobrecargas. RESISTENCIA V – Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos normales con una velocidad del viento de 90 km/h. EVENTO EXTREMO I – Combinación de cargas que incluye sismos. EVENTO EXTREMO II – Combinación de cargas que incluye carga de hielo, colisión de embarcaciones y vehículos, y ciertos eventos hidráulicos con una sobrecarga reducida diferente a la que forma parte de la carga de colisión de vehículos, CT. SERVICIO I – Combinación de cargas que representa la operación normal del puente con un viento de 90 km/h, tomando todas las cargas a sus valores nominales. También se relaciona con el control de las deflexiones de las estructuras metálicas enterradas, revestimientos de túneles y tuberías termoplásticas y con el control del ancho de fisuración de las estructuras de concreto armado. Esta combinación de cargas también se debería utilizar para investigar la estabilidad de taludes.

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL SERVICIO II – Combinación de cargas cuya intención es controlar la fluencia de las estructuras de acero y el resbalamiento que provoca la sobrecarga vehicular en las conexiones de resbalamiento crítico. SERVICIO III – Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tracción en superestructuras de concreto pretensado, cuyo objetivo es controlar la fisuración. SERVICIO IV – Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tracción en subestructuras de concreto pretensado, cuyo objetivo es controlar la figuración. FATIGA I: la combinación de carga de fatiga y fractura que se relacionan con la vida infinita fatiga inducida por carga. Las Figuras 2.3 y 2.4 ilustran cómo se aplican típicamente los factores de carga para producir las solicitaciones extremas totales mayoradas para evaluar la estabilidad externa de los muros de sostenimiento. Si es necesario considerar una sobrecarga, la fuerza mayorada debida a la sobrecarga generalmente se incluye sobre el relleno inmediatamente encima del muro solamente a los fines de evaluar la capacidad de carga de las fundaciones y el diseño de la estructura, tal como se ilustra en la Figura 2.5. La sobrecarga debida a esta sobrecarga de suelo no se incluye encima del muro para evaluar la excentricidad, el resbalamiento u otros mecanismos de falla para los cuales esta sobrecarga de suelo representaría una contribución a la resistencia. De forma similar, la sobrecarga que actúa sobre el estribo de un puente se incluye solamente para evaluar la capacidad de carga de la fundación y el diseño de la estructura. El factor de carga correspondiente a la sobrecarga de suelo es igual tanto para las solicitaciones verticales como para las solicitaciones horizontales. Las cargas y esfuerzos permanentes y transitorios ilustrados en las figuras incluyen, pero no se limitan a, los siguientes: • Cargas permanentes: DC = peso propio de los componentes estructurales y rios no estructurales DW = peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para servicios públicos EH = empuje horizontal del suelo ES = sobrecarga de suelo EV = empuje vertical debido al peso propio del suelo de relleno • Cargas transitorias: LS = sobrecarga viva WA = carga hidráulica y presión del flujo de agua

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Fig. 2.2: Aplicación típica de factores de carga para Resistencia de soporte

Fig. 2.3: Aplicación típica de factores de carga para deslizamiento y excentricidad

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Fig. 2.4: Aplicación típica de sobrecarga viva 2.5. Verificación de Estabilidad La estabilidad global de todos los muros de sostenimiento, el talud retenido y el suelo o roca de fundación se deberán evaluar utilizando métodos de análisis basados en el equilibrio límite. También se deberá investigar la estabilidad global de los taludes temporarios desmontados para facilitar la construcción. Cargas Resistentes Descripción

Vol. (m3)

xi (m)

yi (m)

Fvi (ton)

Mi (ton-m)

Zapata

427.2

6.00

1.0

1025.3

6,151.7

Pantalla 1

101.5

4.90

6.8

243.5

1,193.2

Pantalla 2

50.73

4.40

5.2

121.8

535.7

Viga Cabezal

18.16

4.9

12.0

43.6

213.5

5.3

5.4

13.3

12.8

69.2

1452.5

8.6

2614.5

12,491.3

DC (DC1+DC2)

537.1

4.9

537.1

2,631.8

DW

45.2

4.9

45.2

221.5

LL +IM

4.9

167.7

821.7

PL

4.9

44.0

215.8

8.8

132.8

1,162.1

Estribo

Parapeto Relleno Relleno Superestructura

Sobrecarga Superficial Sobrecarga Superficial

127.0

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Cargas Actuantes Descripción

yi (m)

Fhi (ton)

Mi (ton-m)

4.7

1522.7

7,106.1

4.7

1005.1

4,690.4

8.4

261.8

2,199.4

12.5

279.5

3,493.8

Inercia del Estribo

2.8

231.5

638.5

Inercia del Suelo de relleno (50%)

6.3

196.9

1,232.7

Friccion

0.0

0.0

0.0

Frenado

15.8

22.0

347.0

7.0

273.4

1,914.1

Empuje Estatico Empuje de suelo de relleno (F0) Empuje Activo Empuje de suelo de relleno (Fa) Fuerzas Sismicas Empuje dinamico de suelo de relleno (DFae) Superestructura

Fuerzas laterales de superestructura

Sobrecarga Superficial Sobrecarga Superficial

2.5.1 Verificación por Deslizamiento La falla por deslizamiento ocurre si los efectos de la fuerza debido a los componentes horizontales de la carga exceden la más crítica de la resistencia al corte factorada del suelo o la resistencia al corte factorada en la interface entre el suelo y la cimentación. Para zapatas en suelo granular, la resistencia al deslizamiento depende de la rugosidad de la interface entre la cimentación y el suelo. En muchos casos el movimiento de la estructura y su cimentación serán pequeños. Consecuentemente, si la resistencia pasiva es incluida en la resistencia, la magnitud es comúnmente tomada como el 50% de la máxima resistencia pasiva. La resistencia factorizada contra el fallo por deslizamiento, en kips, se tomará como:

Rn = resistencia al deslizamiento nominal contra el fallo por deslizamiento (kips) φτ = factor de resistencia para la resistencia al cortante entre el suelo y la base especificada en la Tabla 10.5.5.2.2-1. Rτ = nominal de resistencia entre el suelo y la base deslizante (kips) φep = factor de resistencia a la resistencia pasiva se especifica en la Tabla 10.5.5.2.2-1 Rep = resistencia pasiva nominal de suelo disponible en toda la vida de diseño de la estructura (kips)

Revisión: 0.1




Analisis por Deslizamiento - Resistencia I

Fa=

2,024.6

Ton-m

Fr=

4,932.8

Ton-m

sum V=

4,562.3

Ton

m= Fr . m = f= fFr . m = D/C =

0.6 3,082.4

Ton

0.8 2,465.9

Ton

0.82

OK

Analisis por Deslizamiento - Ev. Extremo I

Fa=

2,248.2

Ton-m

Fr=

4,776.5

Ton-m

sum V=

4,776.5

Ton

m= Fr . m = f= fFr . m = D/C =

0.6 2,984.7

Ton

1.0 2,984.7 0.75

Ton OK

Revisión: 0.1



MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 2.5.2. Verificación de la Excentricidad En las fundaciones en suelo la ubicación de la resultante de las fuerzas de reacción deberá estar dentro del medio central del ancho de la base. En las fundaciones en roca la ubicación de la resultante de las fuerzas de reacción deberá estar dentro de los tres cuartos centrales del ancho de la base. Analisis de Estabilidad a Voteo (Excentricidad) - Resistencia I

Ma=

10,992.5

Ton-m

Mr=

25,328.7

Ton-m

4,562.3

Ton

13,037.5

Ton-m

sum V=

M=Ma-Mr+sum V*B/2 = e=M/sum V =

2.9

e/B=

0.24

D/C =

0.43

e/B max=

0.25

OK

Analisis de Estabilidad a Voteo (Excentricidad) - Ev. Extremo I

Ma=

14,168.9

Ton-m

Mr=

24,670.0

Ton-m

4,776.5

Ton

18,157.9

Ton-m

sum V=


3.8

e/B=

0.32

D/C =

0.57

e/B max=

0.33

OK

Revisión: 0.1


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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 2.5.3 Verificación de presiones en el suelo de fundación Los estribos y muros de sostenimiento se deberán dimensionar de manera de asegurar su estabilidad contra las fallas por aplastamiento, vuelco y deslizamiento. También se deberá investigar la falla de las fundaciones. La capacidad de carga se deberá investigar en el estado límite de resistencia utilizando cargas y resistencias mayoradas, y asumiendo las siguientes distribuciones de la presión del suelo: • Si el muro es soportado por una fundación en suelo: la tensión vertical se deberá calcular suponiendo una presión uniformemente distribuida sobre el área de una base efectiva como se ilustra en la Figura 1. La tensión vertical se deberá calcular de la siguiente manera:

donde: Σ V = sumatoria de las fuerzas verticales y las demás variables son como se define en la Figura 13 • Si el muro es soportado por una fundación en roca: la tensión vertical se deberá calcular suponiendo una presión distribuida linealmente sobre el área de una base efectiva como se ilustra en la Figura 2. Si la resultante cae dentro del tercio central de la base,

donde las variables son como se define en la Figura 11.6.3.2-2. Si la resultante cae fuera del tercio central de la base,

donde las variables son como se define en la Figura 11.6.3.2-2.

Revisión: 0.1



MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Resistencia I

Ma=

13,550.1

Ton-m

Mr=

34,538.7

Ton-m

6,309.8

Ton

16,870.1

Ton-m

sum V=


2.67

e/B=

0.22

D/C =

0.39

e/B max=

qa =

53.28

Ton/m2

qn =

135.37

Ton/m2

jb =

0.45

qad =

60.92

D/C =

0.87

0.25

OK

Ton/m2 OK

Evento extremo I

Ma=

14,168.9

Ton-m

Mr=

24,670.0

Ton-m

4,776.5

Ton

18,157.9

Ton-m

sum V=


3.80

e/B=

0.32

D/C =

0.57

e/B max=

qa =

61.03

Ton/m2

qn =

135.37

Ton/m2

jb =

1.00

qad =

135.37

D/C =

0.45

Ton/m2 OK

0.33

OK

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2.7. Modelamiento Estructural 2.7.1. Predimensionamiento Se parte desde un predimensionamiento, para lo cual se puede hacer uso de las siguientes dimensiones propuestas en el siguiente esquema:

Fig. 2.8: Predimensionamiento para estribos de pantalla con contrafuerte N, es considerado en el AASHTO en el numeral 4.7.4.4-1 como:

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CAPITULO III: RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL 3.1. Métodos de Análisis estructural aceptables Se puede utilizar cualquier método de análisis que satisfaga los requisitos de equilibrio y compatibilidad y que utilice relaciones tensión-deformación para los materiales propuestos, incluyendo pero no limitados a: • Métodos clásicos de fuerza y desplazamientos, • Método de las diferencias finitas, • Método de los elementos finitos, • Método de las placas plegadas, • Método de las fajas finitas, • Analogía de la grilla, • Métodos de las series u otros métodos armónicos, • Métodos basados en la formación de rótulas plásticas, y • Método de las líneas de fluencia.

3.2. Comportamiento de los materiales estructurales 3.2.1 Comportamiento Elástico vs Comportamiento Inelástico Para los propósitos del análisis se deberá considerar que los materiales estructurales se comportan linealmente hasta un límite elástico, e inelásticamente luego de superar dicho límite. Las acciones en el estado límite correspondiente a evento extremo se pueden acomodar tanto en el rango inelástico como en el rango elástico.

3.3. Geometría 3.3.1 Teoría de las Pequeñas Deformaciones Si la deformación de la estructura no origina un cambio significativo de las solicitaciones debido a un aumento de la excentricidad de las fuerzas de compresión o tracción, dichas solicitaciones secundarias se pueden ignorar. 3.3.2 Teoría de las Grandes Deformaciones Si la deformación de la estructura origina un cambio significativo de las solicitaciones, en las ecuaciones de equilibrio se deberán considerar los efectos de la deformación. Los efectos de la deformación y falta de linealidad geométrica de los componentes se deberán incluir en los análisis de estabilidad y en los análisis de grandes deformaciones. En el rango no lineal sólo se deberán utilizar cargas mayoradas, y no se deberá aplicar superposición de solicitaciones. En los análisis no lineales el orden de aplicación de las cargas deberá ser consistente con la aplicación de las cargas en la estructura real.

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL A.

MODELAMIENTO ESTRUCTURAL

Fig. A.1 Modelo Estructural con elementos Shell en SAP2000 A.1.

CARGAS

Fig. A.2 Modelamiento con Carga EH_relleno

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Fig. A.3 Modelamiento con Carga LSH_sc

Fig. A.4 Modelamiento con Carga LV_relleno

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Fig. A.5 Modelamiento con Carga LSV_sc

Fig. A.6 Modelamiento con Carga EQ_fae

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Fig. A.7 Modelamiento con DW_super

Fig. A.8 Modelamiento con PL_super

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Fig. A.9 Modelamiento con EQ_super

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CAPITULO IV: DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES 4.1. Estados Límites Los componentes estructurales se deberán dimensionar de manera que satisfagan los requisitos en todos los estados límites de servicio, fatiga, resistencia y eventos extremos que correspondan. 4.1.1 Estados Límite de Servicio Las acciones a considerar en el estado límite de servicio serán fisuración, deformaciones y tensiones del concreto, 4.1.2 Estados Límite de Resistencia En el estado límite de resistencia se deberán considerar la resistencia y la estabilidad. El factor de resistencia φse deberá tomar como: Para flexión y tracción del concreto armado.............0,90 • Para flexión y tracción del concretopretensado...................................................... 1,00 • Para corte y torsión: concreto de densidad normal ….................. 0,90 concreto de baja densidad ...................... 0,70 • Para compresión axial con espirales o zunchos: a excepción de lo especificado en el Artículo 5.10.11.4.1b para Zonas Sísmicas 3 y 4 en el estado límite correspondiente a evento extremo............ 0,75 • Para apoyo sobre concreto …………………0,70 • Para compresión en modelos de bielas y tirantes .............................................. 0,70 • Para compresión en zonas de anclaje: Concreto de densidad normal Concreto de baja densidad

.................. 0,80 ....................... 0,65

• Para tracción en el acero en las zonas de anclaje ............................................. 1,00 • Para Resistencia durante el hincado de pilotes........................................................ 1,00

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 4.2. DISEÑO DE PANTALLA PRINCIPAL – CÁLCULO TÍPICO

Fig. A.10 Resultados M11 y M22 respectivamente

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 4.2.1. Cuadro resumen de refuerzo en Pantalla

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 4.4. DISEÑO DE CONTRAFUERTES

PREDIMENSIONAMIENTO H 12 m HZ 2 m Z 8 m H1 9.5 m B 12 m B2 6.8 m tp2 1.2 m S 4.1 m Nc 5 tp3 0.4 m

Altura total de estribo Altura zapata Altura contrafuerte Base

Espaciamiento contrafuertes Numero de contrafuertes Espesor contrafuerte

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Acero de refuerzo Esfuerzo de fluencia fy 4200 kg/cm2 Concreto armado resistencia a compresión f'c 210 kg/cm2 Peso específico del concreto ϒc 2.4 tn/m3 Suelo de relleno Angulo de fricción Ø 31° Peso específico del suelo ϒs 1.8 tn/m3 Suelo de fundación Angulo de fricción Ø 32° Coeficiente de fricción μ 0.62

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 4.4.1

Por Flexión

Angulo (contrafuerte) recubrimiento peralte

Tu Tu Tu

= = =

θ r d

255.960 tn 164.6859 tn 74.54048 tn 𝑇𝑢 𝐴 = 𝑓𝑦

0.6212 rad 0.07 m 7.93 m

inferior medio superior

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As As min

(cm2) (cm2)

Diámetro Área de (pulg) acero 1 5.07 1 5.07 1 5.07

4.4.2

tercio inferior 67.71 57.10

tercio medio 43.57 40.78

tercio superior 19.72 24.46

N° de Varillas 13 9 5

fe @ S(cm) 7.49 11.64 11.64

inferior medio superior

Por Fuerza Cortante (Refuerzo Horizontal) Vu

=

266.7543 tn.

𝑉𝑢1 = 𝑉𝑢

𝑇𝑢

Vu1

=

92.48429 tn.

𝑉 = 0. 3√𝑓′𝑐 𝑏𝑑 Vc 𝑉 = Vs

= 𝑉𝑢

281.3119 tn. 𝑉

=

32.51675 tn.

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL 4.4.3

Por Tracción De La Pantalla Al Contrafuerte(Refuerzo Horizontal)

Tu-cf 𝐴 =

= 50.64 tn. 𝑇𝑢−𝑐𝑓 𝑓𝑦

As As min

= 6.70 = 3.60

Diámetro (pulg) 5/8

Área de acero 1.98

4.4.4

cm2 cm2

calculado

fe @ s(cm) 28.43

Por Tracción De La Zapata Al Contrafuerte(Refuerzo Vertical)

WD Ws/c Wu qmax qmin qs

= = = = = =

Wun

=

Tu

tn/m tn/m tn/m tn/m tn/m tn/m

21.31354 tn/m

neto

𝑇𝑢 = 𝑊𝑢𝑛 (𝑆 𝑝3) = 78.860 tn 𝐴 =

As As min

26.1 0.97 38.189 42.37 0.927 21.056

= =

𝑇𝑢 𝑓𝑦 10.43 7.20

cm2 cm2

calculado

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Diámetro (pulg) 5/8 3/4

Área de acero 1.98 2.85

N° de Varillas 5 4

fe @ s(cm) 18.98 27.32

4.5. DISEÑO DE ZAPATA 4.5.1

Diseño De Zapata Posterior

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Mu(+) Mu(-)

= =

Acero Positivo ρ = As = As min = Diametro (pulg) 3/4

Area de acero 2.85

Acero Negativo ρ = As = As min = Diámetro (pulg) 3/4 4.5.2

Área de acero 2.85

22.393 29.857

tn-m tn-m

0.000159 3.074 cm2 34.74 cm2 N° de Varillas 4

fe @ s(cm) 8.20

0.000212 4.100 cm2 34.74 cm2 N° de Varillas 12

fe @ s(cm) 8.20

Diseño De Zapata Anterior

WD Wu qs Mu ρ As As min

= = = = = = =

18.00 25.2 18.688 166.970 0.001199 23.132 34.74

Diámetro (pulg) 3/4

Área de acero 2.85

N° de Varillas 4

tn/m tn/m tn/m tn/m cm2 cm2

fe @ s(cm) 8.20

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Fecha 21/12/2015

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CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones  Se observa en el “manual de diseño de puentes” que los valores de los factores de carga y resistencia son los mismos de AASHTO. Sin embargo, las condiciones de nuestra realidad son diferentes a la realidad norteamericana donde se tiene un mayor control de las cargas y de los procesos constructivos de puentes, por lo que se concluye que debería investigarse cómo se realizó el estudio de confiabilidad de estos factores de la norma peruana.  Un diseño de estribo de puente carretero que garantice un correcto funcionamiento, necesita el estudio de diversos campos como hidrología, hidráulica, topografía, geología, estudio de tránsito, sismo, etc. Muchas veces, la incertidumbre en estos campos de estudio influye negativamente en el diseño final del estribo.  La calidad de la subestructura controla el nivel de funcionamiento del puente.  Los estribos son un tipo particular de muros de contención que sirven de apoyo a la superestructura del puente. El estribo debe ser capaz de mantener el cauce estable y la vez contener el terraplén.  Los estribos deberán ser en lo posible paralelos a las márgenes de los ríos.  Cuando se evita la acumulación de agua en la carretera se reducen los costos de mantenimiento y de reposición del pavimento, sobre todo en las regiones de la sierra y selva.  La calidad de la subestructura controla el nivel de funcionamiento del puente.  El adecuado uso de los geosintéticos reduce los índices de derrumbes por saturación que perjudican las obras viales. Como se observo en los análisis de estabilidad, el factor de seguridad aumenta considerablemente al colocar un sistema de drenaje.  Al colocar un dren al muro de contención, se reduce considerablemente las dimensiones y las cuantías de acero de refuerzo, lo que se traduce en un ahorro en costos en la estructura.  Un diseño de estribo de puente carretero que garantice un correcto funcionamiento, necesita el estudio de diversos campos como hidrología, hidráulica, topografía, geología, estudio de tránsito, sismo, etc. Muchas veces, la incertidumbre en estos campos de estudio influye negativamente en el diseño final del estribo.  El predimensionamiento suele obedecer modelos y proporciones convencionales al cual hay que someterle las condiciones del proyecto para ajustar sus dimensiones realizándose un trabajo iterativo de comprobaciones sucesivas, hasta alcanzar un modelo final.  Existen muchas formas de modelar una estructura de este tipo, para el presente proyecto semestral se usó el modelo de elementos finitos, mediante el programa SAP2000; modelo al cual se sometió las distintos requerimientos de carga cuyas respuestas fueron usadas para el diseño de la pantalla, zapatas y dada la particularidad estructural de la ménsula, se usó un modelo de puntales y tirantes.

Diseño De Estribo De Puente El Dorado.pdf 716j6q

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