ESTUDIO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

CONSORCIO KURAKATÁ

ESTUDIO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

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Carrera 67 A No. 48 D – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06 www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

I

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN ________________________________________________ 1

2 OBJETIVO Y ALCANCES _________________________________________ 3

2.1 OBJETIVOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE ____________________________ 3

2.2 OBJETIVOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO _______________________________ 3

2.3 OBJETIVOS DISEÑO DE LOS BOX CULVERT _____________________________ 3

3 PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE __________________________________ 5

3.1 ASPECTOS GENERALES ______________________________________________ 5

3.2 JUNTAS DE DILATACION ______________________________________________ 6

3.3 LOSA DEL TABLERO _________________________________________________ 7

3.4 ESTRIBOS Y ALETAS DE LOS PUENTES _________________________________ 9

3.5 VIGAS ____________________________________________________________ 14

3.6 LOSAS DE APROXIMACIÓN __________________________________________ 15

3.7 ASPECTOS GEOTÉCNICOS __________________________________________ 16

3.7.1 Sistema actual de cimentación del puente y las aletas _____________________ 17

4 DISEÑO PUENTE VEHICULAR NUEVO ______________________________ 20

4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y ALCANCE ____________________________ 20

4.2 ANALISIS ESTRUCTURAL Y METODOLOGIA DE DISEÑO __________________ 20

4.3 DISEÑO DESCRICPIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO _____________________ 21

4.4 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA SUPERESTRUCTURA ___________________ 23

4.4.1 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA LOSA _____________________________ 23

4.4.2 PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS VIGAS REFORZADAS ________________ 23

4.5 ANÁLISIS DE CARGAS _______________________________________________ 24

4.5.1 CARGA MUERTA ______________________________________________ 24

4.5.2 CARGA VIVA __________________________________________________ 24 4.5.3 CARGA DE VIENTO ____________________________________________ 24 4.5.4 FUERZAS LONGITUDINALES _____________________________________ 25 4.5.5 CARGAS POR SISMO ___________________________________________ 25

5 DISEÑO DE LOS BOX CULVERT ___________________________________ 27

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II

5.1 CONSIDERACIONES DE ANALISIS Y DISEÑO ____________________________ 27

5.2 ESPECIFICACIONES ________________________________________________ 27

5.2.1 MATERIALES _________________________________________________ 27 5.2.2 CARGAS _____________________________________________________ 27 5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA _____________________________________ 30

5.3 PROCEDIMIENTO ESTRUCTURAL _____________________________________ 31

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ___________________________ 32

6.1 DE LA PATOLOGÍA DEL PUENTE EXISTENTE ___________________________ 32

6.2 DE LAS ESTRUCTURAS DISEÑADAS ___________________________________ 33

7 LIMITACIONES ________________________________________________ 34

8 REFERENCIA _________________________________________________ 35

9 ANEXOS _____________________________________________________ 36

9.1 ANEXOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE _____________________________ 36

9.2 ANEXOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO ________________________________ 36

9.3 ANEXOS DE LOS BOX CULVERT ______________________________________ 36

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III

LISTAS DE TABLAS

Tabla 1. Especificaciones de los cilindros extraídos. ____________________________ 7

Tabla 2. Resultados Esclerometría en el tablero. _______________________________ 7

Tabla 3. Resultados Esclerometría en el estribo 1. _____________________________ 12

Tabla 4. Resultados Esclerometría en el estribo 2. _____________________________ 13

Tabla 5. Resultados Esclerometría en vigas. _________________________________ 14

Tabla 6. Parámetros utilizados para la modelación geotécnica __________________ 17

Tabla 7. Sistema de fundación del puente existente __________________________ 18

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IV

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Localización general de la zona de estudio ____________________________ 2

Figura 2. Esquema del perfil longitudinal del puente existente. ____________________ 18

Figura 3. Sección transversal típica del puente. _______________________________ 20

Figura 4. Interfaz del software módulo de puentes versión básica. _________________ 22

Figura 5. Sección típica viga del puente. ____________________________________ 23

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V

LISTA DE FOTOGRAFÍAS

Fotografía 1. Vista general de las condiciones del carreteable existente. ______________ 2

Fotografía 2. Aspecto general del puente. ____________________________________ 5

Fotografía 3. Vista del puente desde la parte inferior. ____________________________ 5

Fotografía 4. Junta de dilatación estribo - tablero. ______________________________ 6

Fotografía 5. Aspecto general del tablero. ____________________________________ 8

Fotografía 6. Vista del tablero desde la parte inferior. ____________________________ 8

Fotografía 7. Estribo margen izquierda – presencia de plantas. _____________________ 9

Fotografía 8. Estribo margen derecha – presencia de plantas. ____________________ 10

Fotografía 9. Aspecto general aletas – ensuciamientos. _________________________ 10

Fotografía 10. Aspecto general estribos y aletas – ensuciamientos. ________________ 11

Fotografía 11. Aspecto general estribos – presencia de fisuras. ___________________ 11

Fotografía 12. Aspecto general de vigas. ___________________________________ 15

Fotografía 13. Acero para losa de aproximación. ______________________________ 16

Fotografía 14. Acero para losa de aproximación. ______________________________ 16

Fotografía 15. Material recuperado del depósito de aluvial durante la etapa de

exploración de campo. ________________________________________________ 17

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1

1 INTRODUCCIÓN El CONSORCIO KURACATÁ adelanta la construcción del tramo vial comprendido entre Badillo (Cesar) - San Juan del Cesar (Guajira), sector PR 38+250 – PR 51+250, Ruta 49, por este motivo contactó la empresa de consultoría CONSULCIVIL S.A.S. para la realización los siguientes estudios y diseños:

Estudios de Tránsito.

Estudio de trazado y diseño geométrico.

Estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras en concreto.

Estudio de estabilidad y estabilización de taludes.

Estudio y diseño de estructuras. El tramo vial en estudio es el complemento del corredor que comunica la población de Badillo (nororiente del departamento del Cesar) y el municipio de San Juan del Cesar (Sur del departamento de la Guajira). La zona donde se encuentra la vía se caracteriza por presentar una topografía plana con presencia de algunas serranías de poca elevación. Los municipios a los que comunica la vía en estudio están ubicados entre dos formaciones montañosas de gran importancia, al oriente limitan con la Sierra Nevada de Santa Marta y al occidente limitan con la Serranía del Perijá. La vía a intervenir inicia en el PR 38+250 a aproximadamente 5 km al norte de Badillo y se extiende 14 km hasta el PR 51+250 en el municipio de San Juan del Cesar. En la Figura 1, se presenta la localización general del proyecto.

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Vía Badillo – San Juan PR 38+250 a el PR 51+250

Ruta 49

Figura 1. Localización general de la zona de estudio1

Fotografía 1. Vista general de las condiciones del carreteable existente. El presente informe contiene la descripción detallada de los trabajos realizados en el campo, laboratorio y oficina, se presentan y se discuten los resultados obtenidos en el “Diseño y patología de estructuras”.

1Adaptado: http://www.invias.gov.co/invias/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/01_general/mapas/contenidos/15042008/13_guajira.jsp#

http://www.invias.gov.co/invias/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/01_general/mapas/contenidos/15042008/13_guajira.jsp

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2 OBJETIVO Y ALCANCES Para la vía que comunica el municipio de Badillo (Cesar) y San Juan del Cesar (Guajira), se plantea la construcción de varias estructuras, entre las cuales se encuentran 1 puente y 3 box-culvert cuya concepción, análisis y diseño estructural se encuentran consignados en el presente documento. Las recomendaciones para la construcción de las estructuras se basan principalmente en las condiciones del sitio, en los resultados de las exploraciones y en las recomendaciones propuestas en el estudio de suelos por la ingeniería geotécnica. Además del diseño y las recomendaciones de las estructuras mencionadas, el presente informe contiene un diagnóstico de las patologías de un puente existente, el cual atraviesa la Quebrada San Francisco. 2.1 OBJETIVOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE En este documento se hace referencia a la auscultación visual y física del estado actual del puente ubicado en la vía Badillo (Cesar) - San Juan del Cesar (Guajira), sobre la quebrada San Francisco (PR 40+520 a PR 40+545), en el cual se proyecta el tránsito de toda clase de vehículos. A partir de un registro fotográfico y de ensayos para medir la resistencia del concreto se presenta un análisis de las condiciones actuales de la estructura y se plantean algunas recomendaciones de mantenimiento para el puente que deben implementarse antes de entrar en funcionamiento. 2.2 OBJETIVOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO En el presente documentó se plasmará el diseño estructural del puente y los elementos que lo componen, ubicado en la vía Badillo – San Juan del Cesar entre las abscisas PR 39+300 y PR 39+320, bajo los parámetros geométricos, geotécnicos e hidráulicos establecidos, y a la luz de Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (CCDSP95). 2.3 OBJETIVOS DISEÑO DE LOS BOX CULVERT En este proyecto se propone la construcción de dos tipos de box culvert de dimensiones internas dependiendo del diseño hidráulico y la profundidad de desplante. El objetivo principal del diseño de esta estructura, es el de realizar los cálculos necesarios para determinar la estabilidad, resistencia y funcionalidad de la estructura, cumpliendo con las exigencias de la norma sismo resistente NSR-10, vigente a la fecha. El alcance de los diseños consiste en calcular el box-culvert según

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las dimensiones que se mencionaran más adelante las cuales fueron suministradas por los diseñadores del proyecto. En este informe se presentan las memorias correspondientes a las siguientes estructuras:

Box culvert 1.50x3.00: con dimensiones interiores de 1.50 m de altura y 3.00 de ancho. La altura de relleno sobre la losa superior del box culvert varia de 0.60 m a 0.80 m. El espesor de paredes y losa de fondo de 25 cm. Este tipo de box se utilizará en las abscisas km 43+820 y km 47+295.

Box culvert 2.00x4.00: con dimensiones interiores de 2.00 m de altura y 4.00 de ancho. La altura de relleno sobre la losa superior del box culvert varia de 0.60 m a 0.80 m. El espesor de paredes y losa de fondo de 30 cm. Este tipo de box culvert se utilizará en la abscisa km 41+187.

Se diseña el sistema de fundación de acuerdo con las recomendaciones del estudio de suelos. Durante el cálculo estructural se han respetado las dimensiones internas hidráulicamente definidas y se han diseñado los espesores de los elementos estructurales y su correspondiente refuerzo.

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3 PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE 3.1 ASPECTOS GENERALES En términos generales este puente se encuentra en buenas condiciones, aunque nunca ha estado en funcionamiento, debido a que ni la vía contigua, ni los accesos a éste, fueron construidos. Hay algunos aspectos técnicos que son importantes resaltar, los cuales se describen en el desarrollo de este documento. Los puentes están construidos en su totalidad en concreto con una configuración de losa sobre de 4 vigas en I, con luces del orden de 25 m simplemente apoyadas.

Fotografía 2. Aspecto general del puente.

Fotografía 3. Vista del puente desde la parte inferior.

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3.2 JUNTAS DE DILATACION Las juntas de dilatación son dispositivos que permiten los movimientos relativos entre dos partes de una estructura. Algunos proyectos de puentes interrumpen los tableros para cubrir requerimientos estructurales de diseño y construcción, para garantizar los movimientos reológicos como cambios de temperatura, efectos de retracción o flujo plástico, acortamientos por pretensado, cargas de tráfico, asentamientos diferenciales o tolerancias requeridas, compatibles con las condiciones de apoyo. En tales casos, en la estructura se deben considerar movimientos permisibles que garanticen un desempeño adecuado para los diferentes estados límites de utilización del puente, donde el deterioro o la falla de las juntas pueden comprometer su seguridad. Los tipos de juntas y las interrupciones superficiales del pavimento deben considerar además del confort de los usuarios vehiculares y el movimiento de bicicletas y de motos. Entre los estribos y el tablero hay una junta que no se encuentra bien adecuada,

se pudo observar que están parcialmente unidas por barras soladas, restringiendo de esta manera los movimientos relativos de los que se hace

mención en el párrafo anterior ( Fotografía 4). Para que las juntas tengan adecuado funcionamiento se les recomienda retirar los conectores soldados que existen en la actualidad.

Fotografía 4. Junta de dilatación estribo - tablero.

http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO

http://www.monografias.com/trabajos12/pmbok/pmbok.shtml

http://www.monografias.com/trabajos35/materiales-construccion/materiales-construccion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/indicad-evaluacion/indicad-evaluacion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/seguinfo/seguinfo.shtml

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3.3 LOSA DEL TABLERO La losa del tablero se encarga de soportar y transmitir directamente tanto cargas como sobrecargas a la armadura, que a su vez se las transmite a los estribos y a las pilas. En la inspección visual el tablero se ve en buenas condiciones, no presenta fisuramiento. Los resultados de los tres núcleos extraídos son:

Tabla 1. Especificaciones de los cilindros extraídos.

Nº CILINDRO

DIÁMETRO [mm]

LONGITUD [mm]

RESISNTENCIA [kg/cm2]

1 85 158 178.7

2 85 161 118.3

3 85 150 113.2

Se omite el resultado del cilindro Nº1, ya que está muy desfasado en relación con los otros. El promedio de resistencia a compresión para el concreto del tablero es: f’c = 116 kg/cm2. Los resultados del ensayo de esclerometría son los siguientes:

Tabla 2. Resultados Esclerometría en el tablero. TABLERO (-90°)

N1-P1 N1-P2 N2-P1 N2-P2 N3-P1 N3-P2

26 34 23 25 29 27

31 31 32 28 28 26

33 29 30 26 32 30

28 30 30 28 27 34

35 26 26 31 28 27

33 32 28 27 27 26

34 35 38 32 31 28

31 26 32 25 32 26

27 40 30 33 30 25

36 30 29 28 28 26

29 30 30 28 28 28

27 28 30 27 27 26

31 31 30 28 29 27

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El promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 29 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=-90º, f’c= 3800 psi= 273 kg/cm2. El ensayo de esclerometría tiene mucha incertidumbre, por lo que se toma como valor real en ensayo hecho a partir de los nucleos extraidos.

Fotografía 5. Aspecto general del tablero.

Fotografía 6. Vista del tablero desde la parte inferior.

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3.4 ESTRIBOS Y ALETAS DE LOS PUENTES

Los estribos y aletas del puente se evaluaron tanto de forma ocular como por ensayos de esclerometría. En la inspección visual se detalló material biológico,

como plantas, situadas en las paredes y en zonas cercanas (ver Fotografía 7 y

Fotografía 8). También por efectos de la lluvia se ven ensuciamientos que van desde la parte superior hacia la base (ver

Fotografía 9 y Fotografía 10). No se encuentran grietas que evidencien vulnerabilidad estructural alarmante. Los anteriores agentes patógenos no afectan por el momento estructuralmente los estribos y las aletas, pero se recomienda que se le hagan un mantenimiento periódico para que no se presenten problemas que puedan afectar su estabilidad más adelante.

Fotografía 7. Estribo margen izquierda – presencia de plantas.

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Fotografía 8. Estribo margen derecha – presencia de plantas.

Fotografía 9. Aspecto general aletas – ensuciamientos.

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Fotografía 10. Aspecto general estribos y aletas – ensuciamientos.

Fotografía 11. Aspecto general estribos – presencia de fisuras.

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Del ensayo de esclerometría se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 3. Resultados Esclerometría en el estribo 1.

ESTRIBO 1 (0°) IZQ-P1

IZQ-P2

CENTRO-P1

CENTRO-P2

DERECHO-P1

DERECHO-P2

37 47 43 40 32 37

41 36 36 44 43 41

37 37 34 30 35 40

34 36 42 28 36 35

38 35 35 32 30 37

40 35 40 37 30 30

36 38 38 36 31 44

36 38 34 34 30 35

35 38 40 32 38 30

35 41 41 32 30 30

28 30 44 31 28 32

39 35 44 32 30 40

36 37 39 34 33 36

El promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 36 De la gráfica que relaciona los datos del esclerometro con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 4750 psi= 332.5 kg/cm2

Correlacionando los datos obtenidos en el tablero, tanto del ensayo a la compresión con los nucleos extraidos (que son mas cecanos a la realidad), como del ensayo de esclerometría, se encuentra un factor de corrección:

42.0/273

/116

'

'_

2

2

cmkg

cmkg

cf

cfFCCorrecciónFactor

ríaescleromet

núcleos

Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en el estribo izquierdo es:

2/1405.33242.0'' cmkgxcfFCcf corregido

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Tabla 4. Resultados Esclerometría en el estribo 2.

ESTRIBO 2 (0°)

IZQ-P1

IZQ-P2

CENTRO-P1

CENTRO-P2

DERECHO-P1

DERECHO-P2

36 44 49 48 45 33

40 42 35 44 38 40

40 40 39 41 50 374

48 44 46 38 48 28

41 40 45 52 47 38

46 41 44 45 50 37

40 45 38 40 48 42

38 40 39 46 35 37

48 50 43 41 46 35

50 48 42 50 52 35

48 46 44 48 44 34

48 46 38 50 44 40

44 44 42 45 46 64

Se omite el último valor, ya que está muy desfasado en relación con los otros, por lo tanto el promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 44 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 6750 psi= 472.5 kg/cm2

Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en el estribo derecho es:

2/5.1985.47242.0'' cmkgxcfFCcf corregido

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3.5 VIGAS En la inspección visual, las cuatros vigas que soportan el tablero y que están apoyadas sobre los estribos, no muestran fisuras o grietas que indique algún tipo de falla estructural. Lo anterior no es garantía que la estructura más adelante no vaya a presentar algún tipo de problema, debido a que este puente no ha estado en servicio. Del ensayo de esclerometría se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 5. Resultados Esclerometría en vigas.

VIGA 1 (0°) VIGA 2 (0°) VIGA 3 (0°) VIGA 4 (0°)

INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL

44 42 42 36 40 45 42 41 45 40 43 42

42 40 38 34 35 50 42 39 45 44 42 43

38 44 45 38 42 45 45 42 42 40 41 45

42 42 48 38 42 43 40 42 42 40 45 42

41 40 44 42 44 44 40 48 40 42 40 42

44 39 42 43 46 40 45 41 41 50 40 44

36 45 40 44 45 42 40 37 40 45 38 45

45 38 39 40 43 44 48 41 39 46 45 40

41 45 45 40 37 44 40 36 42 42 40 42

44 40 40 51 44 42 40 40 40 47 45 45

43 46 40 40 45 43 42 42 45 50 42 43

45 42 40 40 48 42 40 38 42 52 40 49

42 42 42 41 43 44 42 41 42 45 42 44

Epromedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 42 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 6250 psi= 437.5 kg/cm2

Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en las vigas es:

2/1845.43742.0'' cmkgxcfFCcf corregido

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Fotografía 12. Aspecto general de vigas. 3.6 LOSAS DE APROXIMACIÓN Las losas de aproximación sirven para minimizar los efectos del asentamiento de los terraplenes en los extremos del puente, las cuales se encuentran apoyadas en los estribos y en el suelo. Se observó en la inspección visual que perpendicular a los estribos sobresalen barras de acero para empalmar la losa de aproximación (ver

Fotografía 13 y Fotografía 14). Dichas barras de acero están corroídas debido a que han pasado mucho tiempo a la intemperie. Cierto grado de oxidación mejora la adherencia acero-concreto, pero se recomienda limpiarlas con un cepillo de alambres. El acero en la otra dirección se deberá anclar con material epóxico a las aletas.

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Fotografía 13. Acero para losa de aproximación.

Fotografía 14. Acero para losa de aproximación.

3.7 ASPECTOS GEOTÉCNICOS

De acuerdo con la información obtenida de los registros de perforaciones SPT-18, 19

y 20 (Ver anexo 1), el puente se localiza en una zona de depósitos aluviales. Los

suelos son de textura arenosa de color café oscuro, con presencia de nivel freático y

en algunos casos se encuentran zonas arcillosas. Las muestras poseen humedad

alta y densidad relativa suelta predominantemente, al ser materiales arenosos estos

presentan valores muy bajos o nulos de plasticidad y cohesión.

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SPT-18_ M9 (8,0 – 8,45 m) SPT-17_M4 (3,0 – 3,45 m)

Fotografía 15. Material recuperado del depósito de aluvial durante la etapa de

exploración de campo.

De acuerdo con el informe geotécnico realizado para el sitio2 los parámetros de resistencia son lo que se indican en la Tabla 6.

Tabla 6. Parámetros utilizados para la modelación geotécnica

Estrato Peso unitario

húmedo (kN/m³)

Peso unitario saturado (kN/m³)

c (kPa)

(°)

Módulo elástico

(kPa)

Relación de Poisson

Depósito aluvial

20 22 5 27 16000 0,35

3.7.1 Sistema actual de cimentación del puente y las aletas

En la Figura 2 se muestra el esquema del puente existente, el cual consta de estribos de 5,50 m de altura y de 12,24 m de ancho.

2 Consulcivil. 2012. estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras de contención.

Informe de consultoría de propiedad privada.

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Figura 2. Esquema del perfil longitudinal del puente existente. Partiendo de esta información se tiene que el sistema de fundación para los apoyos del puente es superficiales tipo zapata continua. La zapata continua tiene un ancho de 6,47 m y largo de 12,24 m. Las modelaciones geotécnicas para el cálculo de la capacidad de soporte y asentamientos para fundaciones profundas se realizaron mediante el módulo LoadCap del software GEOSTRU 2012.

Tabla 7. Sistema de fundación del puente existente

Estrato de cimentación Depósito aluvial reciente de textura arenosa de

compacidad relativa media.

Profundidad mínima de desplante

3,78 m. contados a partir del nivel actual del terreno

Tipo de cimentación Zapata continua vaciada “In Situ” de dimensiones

6,47 m X 12,24 m

Esfuerzo aproximado transmitido por la fundación

al suelo 200 ton (x Estribo) 40 KPa

Capacidad portante admisible del estrato de

cimentación Df mín. = 3,78 m 461 kPa

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Los análisis realizados anteriormente concluyen que la cimentación propuesta para el puente es suficiente por capacidad de carga (falla por corte), sin embargo, se desconoce la cota de socavación de la Quebrada San Francisco en este punto, por lo que se recomienda tomar las medidas pertinentes desde el punto de vista hidráulico, para evitar procesos de socavación que comprometan la estabilidad de los estribos.

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4 DISEÑO PUENTE VEHICULAR NUEVO 4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y ALCANCE El proyecto contempla el diseño estructural de un puente vehicular de 20.0 m de longitud, en una sola luz. Las estructura estará compuesta por un tablero de 11.3 m de ancho, el cual se apoya sobre 5 vigas en concreto reforzado, diseñadas de acuerdo a las especificaciones del CCDSP95. El puente cuenta con dos estribos, ubicados cada uno en los extremos que reciben la carga de la superestructura. La cimentación consiste en pilas circulares que trasfieren al suelo la carga recibida, a la profundidad sugerida por el geotecnista.

Figura 3. Sección transversal típica del puente.

4.2 ANALISIS ESTRUCTURAL Y METODOLOGIA DE DISEÑO El análisis estructural del puente se realizó cumpliendo con las exigencias del CCDSP95. Para el diseño de la superestructura y la subestructura, se empleó el programa Modulo de Puentes Versión básica 1.09. Para el diseño de la superestructura, en el programa se introducen todas las variables necesarias para calcular los elementos que la componen, como geometría de las vigas, luz total del puente, ancho del tablero, numero de vigas, separación entre vigas, etc. Todos estos parámetros de entrada deben estar previamente definidos antes de iniciar con el proceso de diseño. De la misma forma se procede con el diseño de la subestructura, después de definir parámetros como topografía, geometría de los estribos, cargas de diseño, variables sísmicas y del sitio, se introducen todos estos datos en el programa y se calcula la subestructura. Este programa está diseñado para puentes de una sola luz.

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4.3 DISEÑO DESCRICPIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO La versión Básica de Módulo Puentes incluye los programas para el análisis y diseño integral de los elementos indispensables de un puente recto típico de nuestras carreteras con luces de hasta 24 metros. Módulo Puentes Versión Básica (MP vB) pretende ser una útil herramienta para los ingenieros civiles calculistas. Con MP vB, el usuario podrá analizar y diseñar en forma expedita y exacta Puentes RECTOS en Concreto. Se ha hecho especial énfasis en el cumplimiento (al máximo posible) de lo exigido por el Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (Tercera Edición de Septiembre de 2005) en cada capítulo involucrado. El diseño de un puente típico en especial el de la superestructura, está gobernado normalmente por la Carga Viva (que supera a la carga muerta en una relación de 3 a 1, 4 a 1 ó mayor). En Colombia, las Cargas Vivas de diseño que exige el Código actual están representadas básicamente por los Camiones C-40-95 y C-32-95 (con sus líneas de carga respectivas). El MP vB incluye un programa para determinar con gran facilidad los esfuerzos máximos (Momento, Cortante y Reacción) en tramos simples sujetos a cargas puntuales móviles, es decir bajo camiones de cualquier número de ejes (hasta 20). Los ejes podrán estar a la separación que defina el usuario. El análisis se hace para el paso del camión en los dos sentidos. De esta forma MP vB está en capacidad de diseñar puentes rectos en concreto, sujetos al paso de prácticamente cualquier camión que utilice nuestras carreteras. El presente programa permite el diseño integral de puentes en losa y vigas Te. Dada la facilidad con la que es posible editar los datos de geometría, características del puente y tipo de camión, el usuario podrá optimizar su diseño, buscando los valores ideales para la sección y separación de vigas, longitud de voladizos, espesores de losa, etc. Con base en la relación Peso de Acero Total / Volumen de Concreto, será sencillo hallar el puente más eficiente para la luz y tipo de camión requeridos. El tiempo necesario para dicha optimización será mucho más breve, usando este programa.

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IMPORTANTE Las dimensiones y armaduras definitivas finalmente colocadas en los planos constructivos dependerán siempre del buen criterio y experiencia del ingeniero calculista o diseñador. Módulo Puentes sólo pretende ser una herramienta que ayude al usuario a visualizar el comportamiento teórico de la estructura y permita recalcularla fácilmente después de efectuar modificaciones a su geometría o sus solicitaciones, liberando tiempo para obtener un diseño más eficiente y seguro.

Figura 4. Interfaz del software módulo de puentes versión básica.

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4.4 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA SUPERESTRUCTURA 4.4.1 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA LOSA

Espesor de placa mínimo.

4.4.2 PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS VIGAS REFORZADAS

Altura de la viga

Altura mínima.

Figura 5. Sección típica viga del puente.

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4.5 ANÁLISIS DE CARGAS 4.5.1 CARGA MUERTA

0.08 m × 2.2

0.20 m × 0.97 m × 2.4

0.50 m × 1.22 m × 2.4

0.18 m × 2.4

4.5.2 CARGA VIVA

Para L=20.00 m

Camión C40-95

4.5.3 CARGA DE VIENTO Se analizarán las fuerzas de viento generadas sobre la superestructura, infraestructura y sobre la carga viva. 4.5.3.1 CARGA DE VIENTO SOBRE LA SUPERESTRUCTURA De acuerdo con el numeral A.3.6.2.1.3 del CODSP para un ángulo de 0º, la fuerza lateral del viento es 245 kg/m2. Por tanto:

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4.5.3.2 CARGA DE VIENTO SOBRE LA CARGA VIVA De acuerdo con el numeral A.3.6.2.1.3 del CODSP para un ángulo de 0º, la fuerza lateral del viento es 245 kg/m2. Por tanto:

4.5.4 FUERZAS LONGITUDINALES De acuerdo con el numeral A.3.4.4 debe considerarse el efecto de la fuerza longitudinal equivalente al 5% de la carga viva de todos los carriles que tengan tráfico en la misma dirección. Suponiendo que pudiera darse el caso de que en ambos carriles el tráfico tenga la misma dirección, la fuerza longitudinal es la siguiente.

4.5.5 CARGAS POR SISMO Para el análisis sísmico de los estribos, se empleó el programa módulo de puentes versión básica con el fin de poder realizar un análisis sísmico. Siguiendo las exigencias y recomendaciones del CCDSP, se obtuvieron los siguientes parámetros de análisis:

Clasificación por importancia: Grupo 1 - Puentes.

Perfil del suelo tipo: E.

Coeficiente de aceleración: 0.15 (Región 4).

Categoría de comportamiento sísmico: CCSC.

Clasificación de regularidad: Puente regular.

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Procedimiento de análisis sísmico: PAS-S.

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5 DISEÑO DE LOS BOX CULVERT 5.1 CONSIDERACIONES DE ANALISIS Y DISEÑO El método de análisis empleado es el de la rigidez. Se consideran estructuras (pórticos planos). Es decir que se usa un elemento de pórtico plano para modelar cada miembro. La estructura del Box se modela usando los muros y losas del perfil (sección transversal) tomando las distancias a ejes. Se consideran ambas losas (tanto la superior como la fondo) como horizontales y las paredes del box como perfectamente verticales. NO se permiten losas ni paredes inclinadas. Si bien el detalle constructivo incluirá como esencial el empleo de pequeños acartelamientos, el modelo NO contempla estos acartelamientos en el proceso de análisis. 5.2 ESPECIFICACIONES 5.2.1 MATERIALES

Acero de Refuerzo

Fy = 420 Mpa (4200 kg/cm² ó 60000 psi)

Concreto

f’c = 28.0 Mpa (280 kg/cm² ó 4000 psi) 5.2.2 CARGAS

Carga Muerta (D): Corresponde al peso de los muros, losa de fondo y losa superior. Es el volumen de la masa de concreto por su peso específico. El peso específico para el concreto es de 2400 kgf/m3. El peso del agua es el volumen del agua, en condición de rebosamiento, que circula por el box por su peso específico. El peso específico para el agua es de 1000 kgf/m3.

Carga Viva (L): La Carga Viva por efecto del Camión contempla tres (3) alternativas en función de la altura del relleno actuando sobre la losa superior del Box-Culvert

Alternativa 1: Para Box Culverts de una sola celda, Si el relleno tiene una altura mayor a 2.40 metros, se puede despreciar el efecto de la Carga Viva (Camión) cuando pasa sobre el Box; para Box Culverts de dos o más celdas, si el relleno tiene una altura mayor al ancho total del Box Culvert (ancho total

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de la sección transversal tomado entre bordes exteriores), se puede despreciar el efecto de la Carga Viva (Camión) cuando pasa sobre el Box.

Alternativa 2: Si el relleno tiene una altura mayor a 0.60 metros y menor a 2.40 m (para 1 celda) o menor que el ancho del box para (dos o más celdas) se hace una distribución de las cargas por eje del camión aplicado así (AASHTO 6.4):

Esta distribución generará cargas distribuidas de igual longitud, aunque de valor dependiente del valor de la carga de eje P. Estas cargas se podrán traslapar si la distancia entre los ejes del camión es pequeña y la altura del relleno. La carga traslapada también se deberá tomar en cuenta. En la siguiente gráfica se aclara como quedan las cargas distribuidas de un camión para un relleno mayor a 0.60 m, en el caso de un camión hipotético (Cargas sin incluir todavía el Factor de Impacto)

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Alternativa 3: Si el relleno tiene una altura menor a 0.60 metros las cargas del camión se aplicarán directamente sobre la losa superior, afectadas eso sí, por los factores de distribución transversal, es decir P / (2E).

2 De eje a Rueda E = 1.219 + 0.06 x L (L = dist entre ejes de la celda) E =1.219 + 0.06x3.20 = 1.411

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Carga Horizontal (H): Presión del suelo ejercida sobre los muros. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia el fondo del terreno. Carga Horizontal (F): La presión del agua ejercida sobre las paredes. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia el fondo del terreno Carga Horizontal (Q): Sobrepresión ejercida por la acción del sismo. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia superficie del terreno. Para el cálculo de la sobrepresión ejercida por el sismo, se empleó la formulación de Mononobe-Okabe. Flotación (F): La presión del agua ejercida hacia arriba sobre la losa de fondo. 5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA Todas las estructuras fueron diseñadas bajo el método de la resistencia última. Carga Muerta: D Carga Viva: L Presiones Horizontales Suelo: H Presiones Horizontales Agua y Flotación: F Sismo en la Dirección X: Qx Sismo en la Dirección Y: Qy

COMB1 = 1.40 D

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COMB2 = 1.20 D + 1.60 L + 1.60 H

COMB3 = 1.20 D + 1.60 L + 1.60 F + 1.60 H

COMB4 = 1.20 D + 1.00 L + 1.00 Qx

COMB5 = 1.20 D + 1.00 L + 1.00 Qy 5.3 PROCEDIMIENTO ESTRUCTURAL Para el diseño estructural se procedió de la siguiente manera secuencial:

Determinación de los espesores estructurales para las paredes, la losa de fondo y la losa superior.

Determinación de los pesos específicos de los líquidos y las especificaciones de los materiales a utilizar (concreto, acero, etc.).

Evaluación de las presiones bidireccionales sobre las paredes, losa de fondo y losa superior.

Evaluación de los momentos flectores de los diferentes elementos.

Cálculo de la cuantía de refuerzo y su control respecto a la máxima y a la mínima.

Selección del espaciamiento definitivo del refuerzo, acorde con los requerimientos de los pasos anteriores.

Chequeo de las longitudes de anclaje y de traslapo del refuerzo estructural.

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6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 DE LA PATOLOGÍA DEL PUENTE EXISTENTE Los resultados de los ensayos de compresión de los cilindros extraídos del tablero son demasiados bajos, el promedio fue de f’c= 116 kg/cm2. Al contrario ocurre con los resultados del ensayo de esclerometría, que arroja un valor de resistencia a la compresión muy alto, f’c= 273 kg/cm2. Este último valor es muy poco confiable, debido a que este último ensayo tiene mucho margen de error, por lo que se toma como resistencia a la compresión el arrojado por los cilindros. El ensayo con los cilindros simula mucho más la realidad, entonces para correlacionar los resultados de los ensayos de esclerometría que se hicieron en los otros elementos del puente, y en los cuales no se extrajeron núcleos de concreto, se tomaron los valores de resistencia a la compresión del concreto por los dos métodos y se halló un factor de corrección (FC), el cuál ajusta la resistencia encontrada por el ensayo de esclerometría al valor de resistencia encontrada por los cilindros de concreto. Estos fueron los resultados obtenidos:

Elemento

f'c cilindro [kg/cm2]

f'c esclerometría [kg/cm2]

FC f'c corregido

[kg/cm2]

Tablero 116 273 0.42 116

Estribo izquierdo - 332.5 - 140

Estribo derecho - 472.5 - 198

Vigas - 437.5 - 184

Aunque los resultados de los ensayos en la losa y las vigas dan resistencias menores a las de diseño y ante la observancia del buen estado por inspección visual de estos elementos, se recomienda hacer una prueba de carga. Si posterior a esta, después de una inspección visual detallada, se comprueba afectación (grietas y/o fisuras o una deformación muy pronunciada) en dichos elementos, queda a criterio de la interventoría el dejar el tablero actual o construir uno nuevo, para lo cual, si es del caso, anexamos planos con el diseño del nuevo tablero. Aunque la resistencia en los estribos no sea la de diseño, estos elementos podrán resistir a futuro las cargas impuestas, debido a sus dimensiones y a las condiciones de funcionamiento, las cuales son principalmente por carga vertical. No obrante se

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recomienda verificar la cota de socavación en este sector y tomar las medidas necesarias para evitar procesos erosivos en el sector. 6.2 DE LAS ESTRUCTURAS DISEÑADAS Las estructuras diseñadas para este proyecto cumplen con todas las exigencias de resistencia y servicio exigidas por la NSR-10, y se recomienda cumplir en su totalidad con todas las especificaciones expuestas en los planos y el estudio de suelos, para el correcto funcionamiento de cada una de ellas.

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7 LIMITACIONES Es importante resaltar que las recomendaciones consignadas en este informe obedecen a los resultados de las etapas constitutivas del trabajo de consultoría y a la experiencia de los profesionales técnicos que participaron en él. La no acogencia a estas recomendaciones o la variación de alguna de ellas sin dar aviso oportuno a CONSULCIVIL S.A.S. omitirá responsabilidad alguna de nuestra empresa sobre las decisiones tomadas. Si durante la etapa de construcción se encuentran condiciones del subsuelo diferentes a las descritas como típicas en el presente informe, se dará aviso a CONSULCIVIL S.A.S. para refinar las conclusiones y recomendaciones Abril de 2012.

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8 REFERENCIA

Ministerio De Transporte, Asociación Colombiana De Ingeniería Sísmica. 1995. Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes..

Consulcivil. 2012. estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras de contención. Informe de consultoría de propiedad privada.

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9 ANEXOS Se anexan resultados del análisis y diseño de los elementos estructurales y no estructurales del puente diseñado y de la patología del puente existente, además, se anexan las hojas de cálculo con los diseños del box culvert y los elementos que lo componen.

9.1 ANEXOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE

Diseño del tablero.

Diseño de viga interior y exterior.

Diseño de estribos.

Diseño de aletas.

Diseño de pilas.

Registros exploratorios de las perforaciones realizadas en el puente existente

Capacidad portante de estribos

9.2 ANEXOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO

Diseño del tablero.

Diseño de viga interior y exterior.

Diseño de estribos.

Diseño de aletas.

Diseño de pilas.

9.3 ANEXOS DE LOS BOX CULVERT

Memorias de cálculo box culvert 1,5 m x 3,0 m

Memorias de cálculo box culvert 2,0m x 4,0 m

Memorias de cálculo aletas H=2,4 m

Memorias de cálculo aletas H=3,0 m

Documents

ESTUDIO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS