Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD CATOLICA DE LA SANTISIMA CONCEPCION
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Civil
DISEÑO DE ESTRIBO, RAMPA Y PUENTE DE ACCESO AL
MUELLE DE SERVICIO DEL TERMINAL DE DERRAMES DE
HIDROCARBUROS DE QUINTERO
MARCIA ANDREA MUÑOZ CUADRA
INFORME DE PROYECTO DE TITULO PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO CIVIL
MODALIDAD PROYECTO
Profesor Guía
Mauricio Villagrán V.
Concepción, Abril 2009
2
SUMARIO
Los derrames por hidrocarburos son sin duda el desastre ecológico que mayor
controversia genera en la sociedad, las imágenes impactantes de animales que
pierden la vida por estar cubiertas de crudo han logrado crear conciencia dentro
de las grandes potencias mundiales que utilizan este compuesto como fuente de
energía. Nuestro país no se encuentra ajeno a este tipo de desastres, es por esto
que las empresas que están vinculadas diariamente con éste tipo de compuesto
han invertido grandes sumas de dinero en seguridad ante inminentes desastres
petroleros.
A continuación se presentará el diseño de la Rampa, Estribo y Puente de Acceso
que ha solicitado ENAP Refinería Aconcagua (ERA) para el emplazamiento de sus
barreras de contención de derrames de hidrocarburos en emplazamientos que
mejoren sus tiempos de respuesta ante una emergencia de derrame. El nuevo
proyecto se ubicará en la V Región de Valparaíso, específicamente en la Bahía
de Quintero.
Bajo tal premisa se desarrolló una Ingeniería Conceptual con seis alternativas
diferentes de trazado, que contemplan diferentes posibilidades de embarcar los
carretes en los que se enrollan las barreras, en embarcaciones especialmente
destinadas para tales efectos y aquellas que consideran disponer en posiciones
fijas dichos carretes.
En base a los resultados de la Ingeniería Conceptual, se optó por la alternativa de
disponer los carretes mas allá de la zona de rompientes, sobre un Cabezo al que
se puede acceder en vehículo mediante un Puente de Acceso que se dispone a
continuación de un pedraplen existente. El cabezo tiene dimensiones adecuadas
para disponer los carretes en posiciones permanentes que facilitan el
acercamiento de las embarcaciones especialmente destinadas para el despliegue
y traslado de las barreras hasta el lugar de la emergencia, proveer espacio
suficiente para llevar a cabo las labores de mantención de las cadenas, flexibles,
etc. y permitir, además la movilización de defensas marítimas, boyas y otros
elementos mediante una grúa marítima rotatoria dispuesta sobre el cabezo.
3
El desarrollo que se presentará en los capítulos siguientes consiste en el análisis
de las condiciones de diseño y el diseño estructural de las obras que conforman el
muelle tales como: Rampa, Estribo y Puente de Acceso propiamente tal para la
alternativa seleccionada.
4
SUMMARY
Hydrocarbon spills are undoubtedly the ecological disaster that generates more
controversy in society, those shocking images of animals that are killed by being
covered with oil have caused awareness among the major world powers that use
this compound as a source of energy. Our country is no stranger to such disasters,
that is why companies involved daily with this compound have invested large sums
of money on security against these imminent oily disasters.
This work presents the design of the Ramp, Stirrup and Approach Trestle Which
has been requested by ENAP Aconcagua Refinery (ERA) for the location of its
barriers of containment of hydrocarbon spillages in locations that improve their
response times in case of a spillage emergency. The new project will be located in
the V Region of Valparaiso, specifically in Quintero Bay.
Under this premise developed Conceptual Engineering with six different
alternatives from design, that they contemplate different possibilities of embarking
the spools in which the barriers are roll up, in boats specifically designated for such
purposes and those that consider to prepare in fixed positions these spools.
On the basis of the results of Conceptual Engineering, it was decided on the
alternative to have the spools beyond the brake zone, on a Pier to can be acceded
by vehicle by a Approach Trestle that get ready after existing rockfill. The Pier has
suitable dimensions to prepare the spools in fixed positions that facilitate the
approach of the boats specifically designated for the unfolding and transfer of the
barriers to the location of the emergency, to provide sufficient space to carry out
the workings of maintenance of the chains, flexible, etc. and to allow, in addition
the mobilization to marine defenses, buoys and other elements by means of a
prepared rotatory marine crane on the Pier. The analysis that will appear in the
following chapters consists of the design of conditions, the design of the structures
that form the Ramp, Stirrup and Approach Trestle properly so for the selected
alternative.
5
AGRADECIMIENTOS
Después de un largo camino recorrido lejos de mi familia y mis seres queridos,
encontré en una ciudad extraña y desconocida, personas que me ayudaron a ser
la persona en la que me he convertido hoy.
Agradezco a mis padres por el apoyo incondicional que siempre me dieron y por
haber confiado en mi y dejarme luchar por las metas que me propuse siendo una
niña que dejaba el hogar por cumplir sus sueños. A mis hermanas por levantarme
el ánimo en los momentos en que daban ganas de desistir y de volver a casa. A mi
novio que en la etapa final donde las ansias por volver son tan grandes, me ayudo
a ser serena y paciente por las cosas.
En todo el hermoso camino que recorrí en mis años de universidad existieron
personas que comenzaron el camino conmigo, pero desgraciadamente no
pudieron ver el fruto del esfuerzo. Gracias a mis abuelos por todo el apoyo del
comienzo.
A mis profesores por entregar sus conocimientos de manera desinteresada, por
estar tan entregados a la docencia y por tener una paciencia única conmigo.
A pesar de haber estado lejos de las personas que más quiero, conocí a gente
maravillosa, de la cual espero nunca perder el contacto. A mi amiga del alma que
me acogió en su casa como parte de su familia. A la Tía Mariella, que siempre
prestaba ayuda cuando la necesitaba y brindaba palabras alentadoras justo
cuando eran necesarias y a todas esas personas que me permitieron compartir
con ellas un tiempo en sus vidas.
6
INDICE
SUMARIO................................................................................................................ 2
SUMMARY.............................................................................................................. 4
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. 5
INDICE .................................................................................................................... 6
NOMENCLATURA Y ABREVIACIONES................................................................. 8
CAPITULO 1 ......................................................................................................... 11
1.1 Introducción..................................................................................................... 11
1.2 Criterios de Diseño.......................................................................................... 16
1.3 Metodología de Diseño ................................................................................... 18
1.4 Situación Actual............................................................................................... 20
1.5 Análisis de Alternativas ................................................................................... 20
CAPITULO 2 CONDICIONES DE DISEÑO........................................................... 28
CAPITULO 3 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES.............................. 39
3.1 Diseño de Pilotes ............................................................................................ 39
3.2 Capacidad de Soporte del Suelo..................................................................... 40
3.3 Diseño de Viga Longitudinal............................................................................ 41
3.4 Diseño de Llave de Corte ................................................................................ 47
3.5 Diseño de Losetas Prefabricadas.................................................................... 48
3.6 Diseño Apoyo Deslizante Puente de Acceso .................................................. 51
3.7 Diseño de la Rampa de Acceso ...................................................................... 52
3.8 Estabilidad Rampa de Acceso......................................................................... 54
3.9 Diseño de Armaduras de la Rampa ................................................................ 55
3.10 Diseño del Estribo ......................................................................................... 56
3.11 Diseño de Muro Resistente ........................................................................... 58
3.12 Diseño Ménsula............................................................................................. 59
CAPITULO 4 ......................................................................................................... 64
4.1 Discusión y Análisis de Resultados................................................................. 64
4.2 Conclusiones................................................................................................... 68
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 70
7
ANEXOS ............................................................................................................... 72
Figura N° A1: Alternativa A1.................................................................................. 73
Figura N° A2: Alternativa A2.................................................................................. 74
Figura N° A3: Alternativa A3.................................................................................. 75
Figura N° A4: Alternativa B1.................................................................................. 76
Figura N° A5: Alternativa B2.................................................................................. 77
Figura N° A6: Disposición General, Planta............................................................ 78
Figura N° A7: Disposición General, Elevación. ..................................................... 79
Figura N° A8: Puente de Acceso, Formas............................................................. 80
Figura N° A9: Estribo y Rampa de Acceso............................................................ 81
Figura N° A10: Estribo y Rampa de Acceso.......................................................... 82
Figura N° A11: Losetas Prefabricadas. ................................................................. 83
Figura N° A12: Losetas Prefabricadas. ................................................................. 84
Figura N° A13: Disposición de Pilotes, Plata, Elevación y Seciones..................... 85
Figura N° A14: Puente de Acceso, Vigas de Acero............................................... 86
Figura N° A15: Puente de Acceso, Vigas de Acero............................................... 87
Figura Nº A16: Lane de Carga. ............................................................................. 88
Figura Nº A17: Camión Estándar AASHTO........................................................... 89
Figura Nº A18: Peso Sísmico. ............................................................................... 90
Figura Nº A19: Perfil Estratigráfico Según Mecánica de Suelos. .......................... 91
Figura Nº A20: Empujes según Mecánica de Suelos. ........................................... 92
Figura Nº A22: Composiciones Estándares de Fabreeka. .................................... 94
Figura Nº A23: Cargas Sobre Rampa de Acceso.................................................. 94
Figura Nº A24: Factores de Utilización Pilotes Puente de Acceso. ....................... 95
Figura Nº A25: Tubos en Flexo-compresión Biaxial. ............................................. 96
Figura Nº A26: Armadura Losa Rampa. ................................................................ 97
Figura Nº A27: Armadura Muro Rampa................................................................. 98
8
NOMENCLATURA Y ABREVIACIONES
Ao = Aceleración Efectiva Máxima.
As = Área de Acero de Refuerzo.
b = Ancho de Ala Perfil H
bp = Ancho Losa Hormigón.
C = Coeficiente Sísmico.
=Cad Peso Paño Cadena (ton)
Cmáx = Coeficiente Sísmico Máximo.
Cmín = Coeficiente Sísmico Mínimo.
Cs = Coeficiente Sísmico de Estribo y Rampa de Acceso.
d = Altura útil hasta el centro de las barras de refuerzo extremas.
D = Diámetro del Pilote
=Def Peso de Defensas Camineras (ton/m).
=ple Espesor Llave de Corte.
E = Módulo de Elasticidad del Acero.
=cf' Tensión de Compresión.
=vf Tensión de Corte.
Fd = Fuerzas Deslizantes.
Fr = Fuerzas Resistentes.
FS = Factor de Seguridad.
FSe = Factor de Seguridad Cargas Estáticas para Pilotes.
FSs = Factor de Seguridad Cargas Sísmicas para Pilotes.
Fy, yf = Tensión de Fluencia del Acero.
h = Altura Alma Perfil H
I = Coeficiente de Importancia.
=K Factor de Longitud Efectiva.
=vK Constante de Balasto.
L = Longitud de Pandeo.
=fL Ficha del Pilote
9
=pL Luz libre viga longitudinal.
Lx = Ancho Llave de Corte.
Ly = Altura Llave de Corte.
=minm Momento Obtenido Mediante Tablas Stiglat.
=maxM Momento Máximo.
=+
nM Momento Nominal Positivo.
=−
nM Momento Nominal Negativo.
Mr = Momento Resistente.
Mv = Momento Volcante.
n = Parámetro que Depende del Tipo de Suelo.
PP = Peso Propio.
Pu = Capacidad de Soporte Admisible a la Compresión.
=maxq Corte por Unidad de Área.
Q = Esfuerzo de Corte Basal.
=pQ Carga Tren Trasero AASHTO H20-44.
r = Radio de Giro.
R = Factor de Modificación de la Respuesta.
=aR Fuerza Requerida (ASD).
=fR Resistencia al Fuste del Pilote.
=nR Fuerza Nominal.
=pR Resistencia por Punta del Pilote.
=Ω/nR Fuerza Admisible.
=cS Sobrecarga de Uso (ton/m2).
Sv = Sismo Vertical.
Sx = Sismo en la dirección X (Dirección Longitudinal)
Sy = Sismo en la dirección Y (Dirección Transversal)
tTadm = Capacidad de Soporte Admisible a la Tracción.
tf = Espesor Ala Perfil H.
10
tw = Espesor Alma Perfil H.
T* = Período Fundamental de Vibración en la Dirección de Análisis.
T’ = Parámetro que Depende del Tipo de Suelo.
Vc = Fuerza de corte
=β Relación entre la distancia entre el eje neutro y el baricentro de las
armaduras.
=aγ Peso Específico del Acero (Ton/m3).
=hγ Peso Específico del Hormigón (Ton/m3).
=secγ Peso Específico del Relleno Estructural (Ton/m3).
=δ Ángulo de fricción del muro.
=∆adm Deformación Admisible Viga Longitudinal.
=λ Esbeltez de un Elemento.
=π Pi (3.14)
=ρ Cuantía de Refuerzo.
=ξ Razón de Amortiguamiento.
=eσ Tensión Admisible para Solicitaciones Estáticas Permanentes.
=sσ Tensión Admisible para Solicitaciones Estáticas Permanentes + Eventuales.
=bφ Diámetro de Barra de Refuerzo.
=cφ Ángulo de fricción interna.
=φ Factor de Minoración
=Ω Factor de Seguridad.
=ΩC Factor de Seguridad Compresión.
=Ωb Factor de Seguridad Flexión.
11
CAPITULO 1
1.1 Introducción
Hace un año atrás el país fue testigo del grave impacto ambiental que causó el
derrame de petróleo producido en la Bahía de San Vicente donde se vertieron
692.172 m3 de crudo aproximadamente.
Los derrames de crudo son sin duda los mayores riesgos ambientales que se
pueden encontrar en los océanos, se producen principalmente en los terminales
marítimos de carga y descarga de crudo o de sus derivados. El petróleo es una
sustancia que al derramarse en el agua se esparce como una delgadísima capa,
de modo, que el volumen derramado ocupa una enorme superficie en el mar,
afectando de este modo grandes áreas donde viven los organismos marinos.
Estos seres se embeben o quedan atrapados en el oleoso líquido, de modo que
no tienen posibilidad de sobrevivencia. Así las aves, los mamíferos, los peces y
todos los microorganismos, se ven afectados por este desastre ecológico. Si el
tiempo de exposición en el elemento es breve y existe la posibilidad de un
adecuado lavado de los animales, es posible lograr salvarlos.
Es por esto que es necesaria una respuesta rápida y efectiva ante el derrame de
crudo y contar con estructuras marítimas que permitan llegar eficazmente al lugar
de la emergencia desplegando las barreras de contención y reteniendo el derrame
para que no se distribuya en el océano, disminuyendo así los impactos
ambientales que se puedan ocasionar.
Ante el problema expuesto se solicita diseñar una estructura que permita reducir
los tiempos de respuesta frente a emergencias de derrames petroleros.
Las instalaciones proyectadas serán utilizadas principalmente por los terminales
de RPC y ENAP. Además de prestar servicio para el resto de los terminales
indicados en la fig. Nº 1, con sus respectivas capacidades.
12
Fig. Nº 1: Mapa de Hidrocarburos [11].
Para hacer notar la magnitud de las cifras indicadas, se obtienen porcentajes de la
Comisión Nacional de Energía los cuales indican que las ventas de combustibles
de las refinerías abastecen el 85.4% del mercado nacional. En términos de
volumen esto equivale a aproximadamente 13 millones de m3 al año.
La estructura a proyectar se ubicará en la Bahía de Quintero, específicamente en
el sector “El Bato”, V Región de Valparaíso.
13
Fig. Nº 2: Bahía de Quintero [12].
La solución desarrollada permite sobrepasar la zona de rompiente hasta alcanzar
profundidades adecuadas para el trabajo de las embarcaciones. Se proyecta una
prolongación del pedraplén existente con estructura mixta (estructura metálica y
hormigón armado) sobre pilotes tubulares metálicos hincados en el fondo marino,
similar a un muelle transparente y dispuesto con la misma orientación en planta
que la del pedraplén antes mencionado. Para tales efectos, el diseño considera
que la estructura con la que se prolongará el pedraplén estará constituida por un
Puente de Acceso (ver Fig. N° 3), al cual se accede mediante una plataforma
constituida por muros de contención perimetrales y una rampa de acceso con el
mismo concepto de diseño de la plataforma, pero con una pendiente de un 15%
que logra establecer un vínculo entre el Puente de Acceso ubicado a una
elevación de 7,26m y el nivel de terreno natural ubicado a 5,40m.
14
Fig. Nº 3: Elevación General Muelle.
El diseño considera un Puente de Acceso de 120m de longitud y 5m de ancho,
estructurado en base a una losa de hormigón armado, soportada por vigas
metálicas apoyadas sobre pilotes metálicos tubulares hincados en el fondo marino
y sobre un muro de hormigón armado existente en el pedraplén. El objetivo
principal de esta estructura es permitir el acceso vehicular a un cabezo, constituido
por una losa de hormigón armado donde se encuentran ubicadas las barreras de
contención de derrames de hidrocarburos.
Dichos barreras son fabricadas en PVC con flotación de espuma. La principal
ventaja es que el tiempo de despliegue de éstas sobre el mar es de 3 a 5 minutos
por cada 200 metros de largo, tiene un alto seguimiento a las olas, por lo que
tienen una gran capacidad de contención, el método de utilización es el indicado
en la Fig. N° 4 y N° 5 .
15
Fig. Nº 4: Barreras de Contención de Hidrocarburos [13].
Fig. Nº5: Barreras de Contención de Hidrocarburos [13].
16
1.2 Criterios de Diseño
La modelación estructural se realizó mediante el software SAP 2000, la cual
consideró el Puente de Acceso en su totalidad representando los elementos
metálicos, como lo son pilotes y vigas y la losa de hormigón armado. Los diseños
de la Rampa de Acceso y el Estribo fueron analizados de forma separada.
Los elementos de hormigón armado de las losas sobre los pilotes se diseñaron por
el método de la rotura indicado en ACI 318 2005, es decir, se efectuó un análisis
elástico y posteriormente se amplificaron los esfuerzos por un factor que considera
la mayoración de la carga para diseño último. Dentro de los elementos a diseñar
de hormigón armado destacan la losa del Puente de Acceso (ver Fig. N° 6), cuyas
dimensiones fueron mencionadas anteriormente, estribo de 3m de altura y 0,6m
de ancho que es un apoyo para la losa del Puente de Acceso (ver Fig. N° 7) y a su
vez resiste las cargas de corte transmitidas desde la losa, finalmente una rampa
de acceso (ver Fig. N° 8 y N° 9) constituida por muros perimetrales de 0,4m de
espesor y una pendiente de un 15%.
Fig. Nº6: Vista Transversal Puente Acceso.
17
Fig. Nº7: Conexión Estribo con Puente de Acceso.
Fig. Nº8: Rampa de Acceso.
Fig. Nº9: Vista Transversal de Rampa de Acceso.
18
Los elementos de acero se diseñaron por el método de tensiones admisibles
indicado en AISC “Design, Fabrication And Erection Of Structural Steel For
Building”, que se basa en el análisis elástico lineal, válido para pequeñas
deformaciones. Dentro de los elementos de acero diseñados destacan pilotes,
vigas transversales y longitudinales del Puente de Acceso (ver Fig. N° 6).
Debido a que en Chile no existe una norma sísmica para el diseño de puertos, se
utilizó la Norma Chilena 2369 para diseños de estructuras industriales, es decir,
los parámetros sísmicos y el cálculo del corte sísmico sigue las indicaciones de la
NCh 2369.
Para el cálculo de la longitud de empotramiento de los pilotes y las condiciones
marítimas se utilizó la norma japonesa "Technical Standards for Port and Harbour
Facilities in Japan", The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan,
2002.
1.3 Metodología de Diseño
En primera instancia para comenzar a diseñar se definió la altura de la plataforma
del muelle, la cual está ligada a los criterios de diseño del proyecto, los cuales
exigen un resguardo bajo la quilla del barco de 1 m, tomando la batimetría del
sector, respetando el resguardo exigido y considerando la variación de mareas, se
obtuvo una altura de plataforma de 7.26m desde el nivel de reduccion de sondas
(N.R.S).
Se obtuvo los períodos fundamentales de la estructura, con los cuales se
calcularon los coeficientes sísmicos para las direcciones de análisis. Mediante el
software SAP 2000 (ver Fig. N° 10) se calculó la masa sísmica y se realizó un
prediseño de dimensiones de elementos los cuales se verificaron para el más
desfavorable de estos.
19
Fig. Nº10: Modelos de SAP 2000.
Las losa de hormigón armado es de 25cm de espesor y está compuesta por
losetas prefabricadas de espesor 12.5 cm, se optó por esta solución, ya que en el
mar es muy difícil alzaprimar la losa, por lo tanto esta solución es bastante
económica y fácil de realizar, las losetas son fabricadas en tierra y posteriormente
son montadas sobre las vigas de acero mediante una grúa.
Se considera un espesor por corrosión de 1mm para el diseño de estructuras de
acero.
Los muros de hormigón armado, que constituyen la plataforma y rampa de acceso,
se calcularon según el Manual de Carreteras Vol. III, además se tomó en
consideración el estudio de Mecánica de Suelos realizado por PETROS Ingenieros
Consultores en Geotecnia.
20
Antecedentes Previos
Se utilizó como apoyo un proyecto realizado en ARA WorleyParsons en el año
1997, que consistía en el diseño de un muelle con 3 sitios de atraque ubicado a
600m del proyecto actual. Usando como base la mecánica de suelos realizada
para este proyecto se pudo conocer la estratigrafía del terreno mediante análisis
de penetración estándar y las consideraciones para la resistencia por punta y por
fuste de los pilotes, además de los empujes del terreno sobre el estribo.
1.4 Situación Actual
Actualmente ENAP mantiene sus barreras de contención de derrames en tierra,
cercanas al terminal de Oxiquim. En el momento de presentarse alguna
emergencia, ENAP tiene que trasladar sus barreras a las instalaciones portuarias
para que posteriormente estas sean embarcadas y puedan controlar el derrame.
El hecho de transportar las barreras desde tierra hacia el mar, hace bastante lento
el proceso de respuesta ante la emergencia.
1.5 Análisis de Alternativas
A continuación se presentan dos tipos de alternativas las cuales se diferencian en
el tipo de fijación de los carretes en los que se enrollan las barreras de contención
a las estructuras que los soportan. Dichas alternativas se dividen a su vez en sub-
alternativas que dependiendo de los equipos utilizados para la movilización de los
carretes, el lugar de emplazamiento de los mismos, etc. A continuación se realiza
un listado general de las alternativas las cuales son descritas en detalle más
adelante.
• Alternativa A: Carretes para embarcar:
- Carretes ubicados en cabezo y embarcados mediante grúa rotatoria
tipo pescante.
21
- Carretes ubicados en tierra y trasladados por rieles hasta el cabezo.
- Carretes ubicados en el cabezo y embarcados por sistema
Multibaket.
• Alternativa B: Carretes Fijos:
- Carretes Fijos en Cabezo embarcados por grúa Petrel.
- Carretes Fijos sobre el Piedraplen, las barreras se despliegan entre
el cabezo y el boyarin.
ALTERNATIVA A: Carretes Para Embarcar
Las tres alternativas que serán descritas a continuación consideran que ambos
carretes pueden ser eventualmente cargados en embarcaciones especialmente
dispuestas para tales efectos y que son las encargadas de trasladarlos hasta el
lugar de la emergencia, ya sea mediante su embarque o su arrastre por mar.
En todos los casos se requiere que los carretes estén dispuestos en ubicaciones
en que las profundidades de agua permitan la llegada de las embarcaciones en las
que serán embarcados, por lo tanto, todas las alternativas consideran los carretes
dispuestos sobre estructuras emplazadas fuera de la zona de rompiente.
A continuación se hace una descripción detallada de cada alternativa.
Alternativa A1
La siguiente alternativa considera la prolongación, mar adentro, del pedraplén
existente con estructura metálica y de hormigón armado emplazada con la misma
orientación en planta que la del pedraplén, con el objetivo de disponer los carretes
fuera de la zona de rompiente y permitir su embarque cuando las condiciones
oceanográficas imperantes lo permitan.
Para tales efectos, se ha proyectado un Puente de Acceso de 30 m de longitud y
4.8 m de ancho, apoyado en tierra sobre un muro de hormigón armado existente y
estructurado en base a parrilla metálica de piso soportada por vigas metálicas que
a su vez se apoyan sobre pilotes metálicos tubulares hincados en el fondo marino.
22
El Puente de Acceso antes mencionado tiene por objetivo permitir acceder a un
cabezo estructurado en base a una losa de hormigón armado de 8.2 m de
longitud, 8.4 m de ancho y 25 cm de espesor, apoyada sobre vigas metálicas que
a su vez son soportadas por pilotes metálicos tubulares hincados en el fondo
marino.
El diseño considera sobre la losa del cabezo los dos carretes (con los que cuenta
ENAP Refinerías Aconcagua) en los que se enrollan las barreras de contención,
dentro de un cobertizo destinado a protegerlos del efecto corrosivo de las
condiciones medioambientales propias de una estructura dispuesta en el mar.
Además, sobre el cabezo se considera disponer una grúa rotatoria (tipo pescante)
que permita embarcar uno o ambos carretes en una o más embarcaciones.
Si el Cabezo o zona donde se almacenan los carretes se desocupa
temporalmente, esta alternativa le permitiría a ERA poner en seco elementos de
fondeo tales como cadenas, flexibles, etc; para ser inspeccionados según los
requerimientos de la Autoridad Marítima.
Ver Figura Nº A1 en Anexo.
23
Alternativa A2
Esta alternativa considera una solución similar a la descrita en la Alternativa A1,
diferenciándose en que en caso de condiciones oceanográficas desfavorables,
permite que los carretes sean retirados del cabezo y guardados en un cobertizo
que se construiría en el pedraplén existente. La opción de mantener siempre los
carretes guardados en el pedraplén no fue acogida por Operaciones,
argumentando que en la emergencia constituiría un grado de dificultad. En cuanto
a la solución estructural y el equipo considerado para movilizar y/o desembarcar
los carretes, son los mismos que los considerados en la Alternativa A1.
Esta alternativa incluye disponer rieles (entre el cabezo y el pedraplén) con el
objetivo de permitir la movilización de los carretes desde el cabezo hasta el
pedraplén y viceversa. Para tales efectos, el diseño considera la utilización de la
grúa rotatoria (pescante) emplazada en el cabezo para ubicar los carretes sobre
rieles que se disponen tanto sobre la losa de hormigón armado del cabezo como
sobre la parrilla de piso del Puente de Acceso, y que permiten trasladar dichos
carretes hasta el pedraplén, hasta una ubicación segura y menos expuesta a las
condiciones oceanográficas en caso de tormenta.
Para tales efectos, esta solución considera reemplazar las plataformas de
inspección existentes sobre el pedraplén por nuevas plataformas metálicas que
permitan disponer ambos carretes dentro de un cobertizo emplazado al Oeste de
la casa de bombas ubicada sobre el pedraplén existente.
Esta solución considera trasladar nuevamente ambos carretes hasta el cobertizo,
una vez que las condiciones oceanográficas sean más desfavorables.
Al igual que la alternativa antes descrita, ésta también le permitiría a ENAP
Refinerías Aconcagua poner elementos de fondeo en seco para cumplir con las
inspecciones dispuestas por la Autoridad Marítima.
Ver figura Nº A2 en Anexo.
24
Alternativa A3
Esta alternativa considera una solución similar a la descrita en la Alternativa A1,
en cuanto a que también contempla la prolongación del pedraplén existente con
estructura metálica y de hormigón armado, pero diferenciándose en el tipo de
equipo de izaje considerado, ya que se reemplaza la grúa rotatoria por un sistema
de levante Multibaket, que consiste en un sistema hidráulico de levante utilizado
en los camiones de recolección de basura, este sistema permitirá un embarque
más estable de los carretes.
Para el Puente de Acceso la solución es exactamente la misma, mientras que para
el Cabezo la estructuración es la misma, pero varían las dimensiones de la losa de
hormigón armado (9.5 m de longitud, 10.5 m de ancho y 25 cm de espesor).
Se considera disponer sobre el Cabezo un Sistema de Levante Multibaket, el que
consiste en un equipo mecánico constituido por un pórtico metálico que rota en
torno a un eje horizontal dispuesto a la altura de la losa de hormigón armado del
cabezo y que permite movilizar y/o embarcar los carretes en las embarcaciones
especialmente destinadas para estos efectos.
Ver figura N° A3 en Anexo.
ALTERNATIVA B: Carretes Fijos
En este caso se considera disponer los dos (2) carretes en posiciones fijas, ya sea
sobre una plataforma nueva ubicada más allá de la zona de rompiente
(prolongación del pedraplén existente) ó directamente sobre el pedraplén antes
mencionado. En ambos casos, las soluciones consideran que las barreras de
contención son desplegadas y/o transportadas hasta el lugar de la emergencia
mediante el arrastre de las mismas por una o más embarcaciones especialmente
destinadas para estos efectos, y que los carretes no se embarcan.
25
Alternativa B1
Esta alternativa considera desarrollar actividades adicionales a las de permitir
lanzar las barreras de contención. En este caso, se considera la prolongación del
pedraplén con un puente de acceso de estructura mixta (estructura metálica y
hormigón armado) dispuesta con la misma orientación en planta que la del
pedraplén existente y un cabezo de mayor tamaño que el considerado para las
otras alternativas, donde en el costado Noreste del mismo se ubican los carretes,
mientras que en el costado Noroeste se deja una zona libre con los siguientes
objetivos:
• Disponer los carretes fuera de la zona de rompiente en posiciones que
faciliten el acercamiento de las embarcaciones para el despliegue de las
barreras. Para tales efectos, una embarcación permanecería a la gira
amarrada a un boyarín dispuesto en las cercanías de las nuevas
estructuras.
• Permitir hacer las mantenciones de cadenas, flexibles, etc. sobre el cabezo
y puente de acceso. Actualmente se hacen en tierra (en el Terminal) y por
lo mismo involucran su transporte hasta dicho lugar.
• Permitir la movilización de las defensas marítimas Yokohama. Actualmente
ERA debe utilizar instalaciones y equipos de terceros para tales efectos.
• Permitir la desmovilización de boyas para cumplir con las inspecciones que
decreta la Autoridad Marítima.
Para tales efectos, se ha proyectado un puente de acceso de 30 m de longitud y
5.0 m de ancho, apoyado en tierra sobre un muro de hormigón armado existente y
estructurado en base a una losa de hormigón armado, soportada por vigas
metálicas que a su vez se apoyan sobre pilotes metálicos tubulares hincados en el
fondo marino. El objetivo principal de esta estructura es permitir el acceso
vehicular a un cabezo estructurado en base a una losa de hormigón armado de
17.3 m de longitud, 8.0 m de ancho y 25 cm de espesor. El puente de acceso tiene
además objetivos tales como: permitir efectuar la mantención de cadenas,
26
flexibles, etc. y permitir la movilización de defensas marítimas, boyas y otros
elementos.
Al igual que en las alternativas anteriormente descritas, esta alternativa considera
disponer en posiciones fijas sobre la losa del cabezo los dos (2) carretes en los
que se enrollan las barreras de contención, dentro de un cobertizo destinado a
protegerlos del efecto corrosivo de las condiciones medioambientales propias de
un estructura dispuesta en el mar. Además, sobre el cabezo se considera disponer
una grúa marítima rotatoria (tipo Petrel o similar) que permita movilizar los carretes
y elementos tales como: cadenas, flexibles, defensas marítimas, boyas, etc.
Finalmente, para materializar el acceso vehicular a las nuevas estructuras
marítimas, esta alternativa considera disponer sobre el pedraplén existente una
rampa de acceso estructurada en base a muros de contención y rellenos
granulares debidamente compactados, destinada a permitir alcanzar la elevación
del tope de concreto del muro de hormigón armado existente a un costado de las
tuberías de la red de incendio y permitir materializar el cruce sobre las mismas.
Para tales efectos, el diseño considera disponer una losa de hormigón armado
apoyada tanto en la rampa como en el muro existente antes mencionado,
especialmente diseñada para resistir el paso de un vehículo liviano.
Ver figura N° A4 en Anexo.
Alternativa B2
La alternativa B2 considera que los carretes siempre están guardados en el
cobertizo del pedraplén y que el despliegue de las barreras se efectúa desde dicha
posición sin tener necesidad de movilizar los carretes. Esta alternativa es
geométricamente igual a la alternativa A2.
Así entonces, esta alternativa considera disponer los dos (2) carretes en los que
se enrollan las barreras de contención en posiciones fijas sobre el pedraplén
existente que permitan un fácil y rápido despliegue de las mismas.
Al igual que la alternativa A2, esta solución considera reemplazar las plataformas
de inspección existentes sobre el pedraplén por nuevas plataformas metálicas que
27
permitan disponer ambos carretes dentro de un cobertizo emplazado al Oeste de
la casa de bombas ubicada sobre el pedraplén existente.
Por otro lado, para efectos del despliegue de las barreras de contención, esta
alternativa considera disponer un boyarín (en una profundidad adecuada) al que
se fija un cable guía que va a tierra (a las barreras de contención) y permite
desplegar las barreras mediante el arrastre con una embarcación especialmente
destinada para este fin.
Esta alternativa permite mantener el cabezo despejado para disponer los
elementos de fondeo en seco y cumplir con las inspecciones dispuestas por la
Autoridad Marítima.
Ver figura N° A5 en Anexo.
En base a las necesidades del cliente, ERA ha seleccionado la alternativa B1
como aquella que debe ser desarrollada en detalle, debido a que permite utilizar
las futuras instalaciones para múltiples propósitos, tales como terminal de
embarque y desembarque de pasajeros, embarque y desembarque de elementos
marítimos que requieran reparación, etc.
La alternativa seleccionada considera disponer los carretes, más allá de la zona
de rompiente, sobre un cabezo nuevo al que se puede acceder incluso en vehículo
mediante un Puente de Acceso también nuevo que se dispone a continuación del
pedraplén existente. El cabezo antes mencionado tiene dimensiones adecuadas
para disponer los carretes en posiciones permanentes que facilitan el
acercamiento de las embarcaciones especialmente destinadas para el despliegue
y traslado de las barreras hasta el lugar de la emergencia, proveer espacio
suficiente para llevar a cabo las labores de mantención de cadenas, flexibles, etc.
y permitir, además, la movilización de defensas marítimas, boyas y otros
elementos mediante una grúa marítima rotatoria (tipo Petrel o similar) dispuesta
sobre el cabezo.
A pesar de la alternativa elegida por ERA, el proyecto que se desarrollará en los
capítulos siguientes varía en la longitud del cabezo y del Puente de Acceso. Esto
producto de que al desarrollar las alternativas presentadas no se disponía de las
28
características de la embarcación de diseño, producto de esto se optó por un
Puente de Acceso de 120m de longitud y 5m de ancho, formado por una losa de
hormigón armado de 25 cm de espesor apoyada sobre pilotes metálicos tubulares
hincados en el fondo marino.
Una de las principales ventajas que tendrá la nueva estructura es que además de
ser utilizada para ocasiones en las cuales se produzca derrame de petróleo, posee
la ventaja de permitir el embarque de naves con pasajeros en caso de ser
necesario. Además la nueva estructura estará en condiciones de recibir
embarcaciones de hasta 4 metros de calado debido a su largo Puente de Acceso
(120 m. app.)
CAPITULO 2 CONDICIONES DE DISEÑO
El siguiente Capítulo detalla las condiciones de diseño utilizadas para el cálculo
estructural de las estructuras que forman parte del Puerto del Terminal Quintero.
Debido a que Chile es un país con alta sismicidad, ésta precisamente es la
variable que predomina el diseño en la gran mayoría de las estructuras.
1. PESO PROPIO
Para la cuantificación de las cargas de peso propio, se realizó un modelo completo
de la estructura en SAP 2000 indicando las densidades de los diferentes
materiales y las secciones reales que tendrá cada estructura, además se
incorporaron los pesos que actuarán de manera permanente sobre la estructura
como lo serán las defensas camineras como protección de peatones y vehículos
ubicadas en los bordes de toda la estructura. En detalle se consideró lo siguiente:
Hormigón 3
5.2m
tonh =γ
Relleno Estructural 3sec 2.2m
ton=γ
Acero 3
85.7m
tona =γ
29
Defensas Camineras m
tonDef 45.0=
Del programa de Cálculo estructural se obtienen los siguientes valores que
corresponden a los pesos de las estructuras, indicados en la segunda columna.
Masas y Pesos
Grupo Masa Peso Masa en X Masa en Y Masa en Z
(unidades) Ton-s2/m Ton Ton-s2/m Ton-s2/m Ton-s2/m
Estructura Completa 23.43 468.32 23.43 23.43 23.43
Pilote 0.92 31.06 0.92 0.92 0.92
Viga Longitudinal 2.23 43.75 2.23 2.23 2.23
Losa 18.51 370.62 18.51 18.51 18.51
Marco 0.03 0.33 0.03 0.03 0.03
Viga Transversal 0.41 9.59 0.41 0.41 0.41
Tabla N° 1: Masas y Pesos de SAP 2000.
2. SOBRECARGA
Se considera una sobrecarga uniforme actuando sobre toda la estructura en su
totalidad, esta corresponde a:
Sobrecarga de Uso 2
5.0m
tonSc =
La sobrecarga de uso indicada es la que se señala en los criterios de diseño del
proyecto.
3. SOBRECARGA SISMICA
Se aplica una sobrecarga sísmica a la estructura que corresponde al 50% de la
sobrecarga normal, es decir:
Sobrecarga Sísmica 2
25.0m
tonScs =
Se indica en los criterios de diseño que en el caso de una eventualidad sísmica , la
mitad de la sobrecarga se encuentra activa sobre la estructura, es decir, que al
momento del sismo, como masa sísmica actúan todo el peso propio de la
estructura y la mitad de la sobrecarga que existe sobre ésta.
30
4. PAÑO DE CADENA
En el caso de que necesite reparación alguno de los paños de cadena que se
encuentran en el fondo del mar, se considera el peso de éste actuando sobre la
superficie de la losa del Puente de Acceso. Para cuantificar esta carga se utilizó
un tamaño de eslabón de 3.5" y un paño de cadena estándar de 25 metros. Según
el catálogo de Metalsan, el peso para un paño de cadena de estas características
es:
Peso Paño Cadena tonCad 435.4=
5. SOBRECARGA MOVIL
De acuerdo con los requerimientos por parte del cliente, se consideró un camión
definido por AASHTO, H20-44. La carga por camión, se realizó definiendo un tren
de carga (LANE) en el programa SAP 2000 para el Puente de Acceso (Ver Fig. Nº
A6 en Anexo).
Además se ingresó el camión estándar circulando por el LANE de carga (Ver Fig.
Nº A7 en Anexo).
Figura N° 11: Camión estándar [14].
31
Para el camión indicado, se señala que la carga del tren delantero corresponde a
3.63 ton. y la carga del tren trasero a 14.51 ton. Si se observa la figura Nº 17 del
anexo se pueden apreciar las cargas dispuestas en planta y en elevación en el
costado derecho y en la columna Nº 7 se indica el peso de cada eje en ton.
Tanto para la Rampa de Acceso, como para el Estribo, se consideró solamente
una carga puntual para la carga del tren trasero del mismo camión ingresado por
el LANE de carga para el Puente de Acceso, considerando un coeficiente de
impacto de 1.3.
Carga Tren Trasero AASHTO H20-44 tonQp 45.9=
La distribución de presiones debido a una carga puntual no sólo varía en altura,
sino también a lo largo del muro, por lo tanto se utilizó el método basado en la
teoría de la elasticidad.
Figura N° 12: Distribución depresiones por carga puntual [15].
Las combinaciones de carga utilizadas son las siguientes:
Tabla N° 2: Combinaciones de Carga.
32
6. CONDICIONES GEOTECNICAS
Del análisis de las columnas estratigráficas y resultados de ensayos de terreno
(SPT), se puede inferir que el subsuelo está representado por las siguientes
unidades de suelo:
Unidad 1: Depósito de arena algo limosa con abundantes conchuelas, color gris
oscuro a café, compacidad media. Esta unidad alcanza hasta una profundidad de
3.5 a 6.5 m aprox.
Unidad 2: Subyaciendo el estrato anterior, se detecta arena limosa a arcillosa,
color gris oliva a café, compacidad media a alta, incluso rechazo en gran parte de
la altura con presencia de cementación. Presencia de partículas rojizas producto
de oxidaciones, además de materiales micáceos, color café gris a amarillento. El
estrato se desarrolla a lo menos en toda la profundidad de exploración.
Lo que corresponde a un suelo tipo II, según la NCh 2369, ya que el índice de
penetración estándar es mayor que 40.
Según el estudio de mecánica de suelos utilizado para el proyecto los valores
utilizados en el análisis de suelo son los siguientes:
a) Tensiones de Contacto
Solicitaciones estáticas permanentes 2
3cm
kgfe =σ
Solicitaciones estáticas permanentes + eventuales 2
4cm
kgfs =σ
b) Constantes de Balasto
Para estimar los asentamientos que se producen por efecto de la carga del muro
sobre el relleno de apoyo, se utilizan las constantes de balasto Kv que se entregan
a continuación para carga estática:
⋅+⋅
=
L
B
BK v 5.01
420
Donde Kv se expresa en kgf/cm3, si el ancho de la fundación (B) se expresa en
(cm).
33
Para la componente cíclica de las solicitaciones (sismo), la constante de balasto
se obtuvo multiplicando por 2.0 el valor de la constante de balasto obtenido con la
relación anterior.
c) Factores de Seguridad
Se debe verificar que el empuje calculado no origine volcamientos y/o
deslizamientos del muro. Para evitar esta situación debe cumplirse
simultáneamente las siguientes condiciones respecto al Factor de Seguridad (FS):
Deslizamiento FS ≥ 1.5 / 1.3 Estático/Sísmico
Volcamiento FS ≥ 1.5 / 1.4 Estático/Sísmico
d) Parámetros Utilizados
Se consideran las características de un relleno granular promedio:
Ángulo de fricción interna º40=cφ
Ángulo de fricción del muro º15=δ
e) Empujes del Terreno
Según el estudio geotécnico realizado por Petrus, el cálculo del coeficiente de
empuje K, para determinar si el muro se encuentra en un estado pasivo o activo,
se calcula de la siguiente forma iterativa:
a) Es necesario suponer que la estructura se encuentra en un estado pasivo,
ya que al ser tan rígido este estado es el más certero.
b) Luego hay que calcular el empuje estático que está actuando sobre el
muro.
c) Es necesario calcular los desplazamientos que se generan debido a la
flexión del muro y debido al giro.
d) Volver a calcular el coeficiente de empuje estático.
La indicación anterior puede ser vista en detalle en la Fig. Nº A20, además del
cálculo de las fuerzas de empuje sobre el estribo indicadas en la Fig. Nº A21.
La longitud de empotramiento de pilotes se calcula según el punto 9.5.3 de la
Norma Japonesa de Puertos "Technical Standards and Commentaries for Port and
Harbour Facilities in Japan".
34
Se utilizaron los resultados del sondaje SM6 para el índice de penetración
estándar. El sondaje en estudio se encuentra ubicado a 9 metros aprox. de
profundidad según la batimetría del sector.
Según la Norma Japonesa de Puertos, la longitud de empotramiento para los
pilotes es:
mIE
Dkh 1
44
⋅⋅
⋅=β
Donde:
β = Longitud de Empotramiento de pilotes (1/m).
Kh = Coeficiente de Balasto Horizontal = 0.15·N, donde N = índice de Penetración
Estándar.
E = Modulo de Elasticidad del Acero.
I = Inercia del Pilote.
D = Diámetro del Pilote.
El nivel de empotramiento de los pilotes se encuentra a 1.83 metros del fondo
marino.
7. OLEAJE
Las condiciones de las olas frente a la bahía de Quintero son las siguientes:
- Altura promedio de las olas de temporal en alta mar: 3,7m
- Altura máxima de las olas de temporal en alta mar: 9,5m
Las condiciones de refracción de la bahía, son preliminarmente las siguientes:
Dirección de ola de temporal Período (seg.)
Factor de reducción de altura
Norte 12 0,26
Oeste 12 0,21
Nor – Oeste 12 0,23
35
8. CARGAS SISMICAS
El análisis sísmico del Puente de Acceso se considera en forma estática de
acuerdo con lo establecido en la Norma Nch 2369 Of. 2003. Los siguientes son los
parámetros requeridos para establecer las cargas sísmicas de la estructura:
Categoría del Suelo Suelo Tipo II
Zona Sísmica Zona III
Factor de Modificación de la Respuesta R = 5
Razón de Amortiguamiento 002.0=ξ
Coeficiente Sísmico Máximo Cmáx = 0.26
Coeficiente Sísmico Mínimo Cmín = 0.15
Aceleración Efectiva Máxima Ao = 0.4g
Coeficiente de Importancia I = 1.2
Parámetro que Depende del Tipo de Suelo T’ = 0.35
Parámetro que Depende del Tipo de Suelo n = 1.33
Tabla N° 3: Parámetros Sísmicos.
Para efectos de cálculo del peso sísmico, se considera el peso total de la
estructura más la sobrecarga sísmica. Debido a la baja probabilidad de que el
sismo ocurra en el instante en que el Puente de Acceso esté con una carga de
camión sobre él, no se consideró la carga móvil. El parámetro de peso sísmico se
ingresa a través de la fuente de masas del programa SAP como se muestra en la
Fig. Nº 18 en Anexo.
De acuerdo con las definiciones anteriores se obtiene del modelo estructural los
períodos fundamentales de la estructura mediante la fuente de masas involucrada.
Sismo Horizontal
El Sismo horizontal se obtiene por las fórmulas de la NCh 2369 que se detallan a
continuación:
WCIQ ⋅⋅=
36
Donde:
I = Coeficiente de Importancia dado en tabla N° 3.
W = Peso sísmico de la estructura.
C = Coeficiente sísmico de la estructura calculado de la siguiente manera:
4.0
*
' 05.075.2
⋅
⋅
⋅
⋅=
ξ
n
o
T
T
Rg
AC
Las fuerzas sísmicas horizontales se distribuirán en los elementos resistentes, en
proporción a su rigidez y considerando el sistema de arriostramientos laterales
Para el Estribo y Rampa de Acceso, las cargas sísmicas sobre la estructura se
determinarán según la sección 5.6 de la Norma Chilena Nch 2369 of. 2003. En
esta sección se señala que para equipos robustos y rígidos apoyados en el suelo,
cuyo periodo fundamental propio es menor o igual a 0.06s, incluyendo el efecto del
sistema de conexión a su fundación, se pueden diseñar por el método de análisis
estático, con un coeficiente sísmico horizontal igual a 0.7 Ao/g y un coeficiente
sísmico vertical igual a 0.5 Ao/g.
Cs = 0.28
Además se utiliza un coeficiente de importancia de 1.2 sobre la estructura.
Se analiza la estructura desde dos puntos de vista:
El primero considerando una masa de suelo según la Nch 2369 que es acelerada
por un coeficiente sísmico más un factor de importancia, para analizar la
estabilidad global de la estructura, es decir, se diseña de manera similar a un
estanque de forma cuadrada considerando como peso sísmico todo aquel que se
encuentra sobre el nivel de fundación, además debe considerarse el relleno
estructural que se encuentra dentro de los muros.
El segundo análisis corresponderá a las distribuciones de esfuerzos como
empujes estáticos y sísmicos actuando sobre los muros para calcular armaduras,
37
9. REACCIONES DEL PUENTE DE ACCESO
El diseño estructural de este muelle de servicio comenzó con el diseño del Puente
de Acceso, debido a que es indispensable para el diseño del estribo las
reacciones que provienen del Puente de Acceso y que el Estribo debe ser capaz
de resistir.
Se utilizaron las reacciones que se obtienen del apoyo de ambas vigas
longitudinales (solo fuerzas verticales), más las reacciones que se producen en el
centerline de ambas vigas longitudinales, que es precisamente donde está
ubicada la llave de corte, la cual resiste las fuerzas de corte que provienen desde
el puente de acceso que alcanzan las 118 ton.
10. CARGAS HORIZONTALES SOBRE MUROS
Las cargas horizontales se calculan por metro de ancho de muro, y sólo son
utilizadas para el cálculo de la armadura, ya que el cálculo de la estabilidad se
realiza de la forma explicada en el punto número 2.7.
Debido a que el muro es linealmente variable, se calculan las cargas horizontales
para una altura promedio por metro de muro, en el lugar más desfavorable, es
decir, el metro de altura mayor (ver Fig. N°13):
38
Figura N° 13: Planta y Elevación, Rampa de Acceso.
39
CAPITULO 3 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
3.1 Diseño de Pilotes
Todas las estructuras de Acero que se encuentran bajo la agresividad de
ambientes marinos fueron diseñadas con un sobre-espesor debido a la corrosión
de 1mm, según los estándares de diseño de ARA WorleyParsons.
Los pilotes se diseñaron con el método de las tensiones admisibles que satisface
los requerimientos cuando la fuerza admisible de cada componente estructural
iguala o excede la fuerza requerida determinada en base a las combinaciones de
carga de cálculo del método ASD.
Todos los elementos tubulares de acero que soportan el Puente de Acceso,
satisfacen la siguiente ecuación:
Ω≤ /na RR
Donde:
Ra = Fuerza Requerida (ASD)
Rn = Fuerza Nominal.
Ω = Factor de Seguridad (ASD)
Para elementos en compresión, como lo son los pilotes, el factor de seguridad
67.1=ΩC .
La esbeltez del elemento en compresión debe ser calculada como:
200≤⋅
=r
LKλ
Donde:
λ = Esbeltez del elemento.
K = Factor de Longitud Efectiva.
L = Longitud de Pandeo.
r = Radio de Giro.
Para los resultados obtenidos sobre los factores de utilización de los pilotes, ver
figura Nº A24, además se presenta en el anexo la planilla de cálculo oficial de ARA
40
WorleyParsons para el diseño de elementos en Flexo-Compresión Biaxial (ver
figura Nº A25).
3.2 Capacidad de Soporte del Suelo
Se realiza mediante un proceso iterativo de la ficha del pilote y así lograr una
capacidad admisible a la compresión mayor a la solicitada.
La ficha necesaria para el pilote que presenta la mayor compresión es de 6m que
se obtuvo para un factor de seguridad por cargas eventuales (sismo) de 2.
Fse = 3 Factor de seguridad para cargas estáticas.
FSs = 2 Factor de seguridad para cargas sísmicas.
En términos Generales la ficha es la profundidad de penetración del pilote desde
el fondo marino para resistir las solicitaciones por punta y por fusto
respectivamente.
Resistencia de Fuste
TonFSs
LDR
f
f 2.5243 =⋅
⋅=
Donde:
Rf = Resistencia de Fuste (Ton).
D = Diámetro del Pilote (m).
Lf = Ficha del Pilote (m).
FSs = Factor de Seguridad para Cargas Sísmicas.
Resistencia por Punta
TonFS
DLR
s
f
p 5.2756
2
=⋅
⋅=
Donde:
Rp = Resistencia por Punta (Ton).
D = Diámetro del Pilote (m).
Lf = Ficha del Pilote (m).
FSs = Factor de Seguridad para Cargas Sísmicas.
41
Capacidad de Soporte Admisible de Compresión
tonRRP pfu 6.79=+=
Capacidad de Soporte Admisible a Tracción
Para solicitaciones de arranque estáticas y sísmicas la capacidad admisible, tadmT ,
se determinará utilizando el término Rf calculado anteriormente, debiendo
adicionarse el peso propio sumergido de cada pilote, esto según la Mecánica de
Suelos realizada por PETRUS.
3.3 Diseño de Viga Longitudinal
Para hacer un análisis más exhaustivo de las vigas longitudinales, se utilizaron
modelos por separado al de la estructura completa, de acuerdo con las fases
constructivas y de servicio que tendrá el proyecto. La fase uno considera que ya
han sido colocados los pilotes y montadas las vigas de coronamiento.
La fase dos evalúa la estructura en su totalidad como modelo tridimensional
Las etapas consideradas son las siguientes:
Fase 1
Grúa instala las vigas de rodado, del primer y segundo tramo. La grúa
nunca se apoya sobre las vigas del Puente de Acceso.
Grúa pasa al segundo tramo he instala viga permanente del primer tramo
(viga simplemente apoyada, de extremos fijos).
Se agregan los diafragmas transversales (crucetas).
Grúa instala losetas sobre viga permanente (viga simplemente apoyada con
total de carga muerta. En esta etapa se produce el máximo momento
positivo.
Grúa pasa al tercer tramo sobre vigas de rodado he instala las vigas
definitivas del segundo tramo.
Se materializa la conexión entre ambas vigas dejando unión continua. (dos
tramos de viga continuas con apoyo simple en sus extremos).
Se agregan los diafragmas transversales (crucetas).
Se instalan las losetas sobre el segundo tramo de viga permanente. En esta
etapa se produce el máximo momento negativo.
42
Fase 2
Es la etapa de servicio del Puente de Acceso, donde el hormigón ya se encuentra
en condiciones de recibir las cargas para las cuales fue diseñado.
El diseño se realizó con las fases antes mencionadas. En la Fase 1 se considera
la viga de 13 m., montada y soportando las cargas permanentes de las losetas y el
hormigón sin fraguar, Luego se monta la segunda viga de 10 m., obteniendo una
viga continua con las mismas características de la viga anterior (momento máximo
negativo en fase 1). La fase dos es la que se indicó anteriormente.
Se verifica la viga para que no sufra pandeo local:
• 1, =sf
Qt
b Para elementos atiesados
• 97.0, =sW
Qt
h Para elementos no atiesados
Se verifica la flexión en el eje fuerte de la viga longitudinal formada por un perfil H.
Además se colocan crucetas cada 4.3 m aproximadamente para evitar el
volcamiento de las vigas en la etapa constructiva.
Para la Fase dos, fue necesario considerar que las ruedas del camión pueden no
ir directamente sobre las vigas del Puente de Acceso, por lo tanto se realizó una
repartición transversal S/7 de acuerdo a AASHTO que consiste en lo siguiente: Se
consideró una carga unitaria para determinar los porcentajes de repartición en la
posición más desfavorable del Puente de Acceso, de donde se deduce que en la
posición más desfavorable del camión, la viga mas solicitada recibiría un 79% de
la carga móvil.
Para el diseño de la viga longitudinal, considerando ahora la fase de servicio
(Fase2), se toma en cuenta el esfuerzo inducido durante la primera etapa. Es
decir, se considera una tensión inicial sobre la viga proveniente del análisis en
fase1 y sobre ella se calcula la viga transformada por la sección colaborante de la
losa de acuerdo con las disposiciones AASHTO con el esfuerzo de la sobrecarga
correspondiente.
Es necesario transformar en acero la sección de hormigón armado que
corresponde a la losa del Puente de Acceso de 25 cm de espesor.
43
El momento positivo admisible bMn Ω+ / , con 67.1=Ωb , debe ser determinado por
el límite de elasticidad de la siguiente manera:
a) Para yw F
E
t
h76.3≤ [7].
Mn debe ser determinado de la distribución plástica de la tensión en la sección
compuesta para el estado límite de fluencia (momento plástico).
b) Para yw F
E
t
h76.3> [7].
Mn debe ser determinado desde la superposición de las tensiones elásticas,
considerando los efectos del refuerzo de armadura para el estado límite de
fluencia (momento plástico).
Para Momento admisible negativo bMn Ω− / , para 67.1=Ωb , éste debe ser
determinado solamente por la sección de acero.
Alternativamente, el momento admisible negativo puede ser determinado de la
distribución plástica de la tensión en la sección compuesta, para el estado límite
de fluencia (momento plástico). Siempre y cuando:
a) La viga de acero sea compacta y tiene apoyos adecuados.
b) Los conectores de corte (Nelson Stud) conectan la losa con la viga de acero
en el área de momento negativo.
c) El refuerzo de la losa paralelo a la viga de acero dentro del ancho efectivo
de la losa se desarrolla de manera correcta.
El análisis de las deformaciones se realiza con la viga de mayor longitud entre
apoyos. La deformación admisible se obtiene de la siguiente manera:
300
p
adm
L=∆
44
La deformación de la estructura se obtiene sumando las deformaciones de ambas
fases constructivas señaladas anteriormente.
A continuación se presentan resultados del análisis de viga con losa colaborante y
sus respectivos conectores de corte.
45
46
47
3.4 Diseño de Llave de Corte
La llave de corte es una de las estructuras de acero más importante del Puente de
Acceso, debido a que es el punto que recibe todas las cargas sísmicas que son
traspasadas al Estribo. Se encuentra ubicada en el eje central del Puente de
Acceso, embebida dentro del hormigón del estribo. El espesor de la llave de corte
se determina de la siguiente manera:
min
max
maxm
LLqM
yx ⋅⋅= (eq. 1)
33.175.0
6 max
⋅⋅
⋅=
y
plf
Me [16]
El momento mínimo indicado en la ecuación 1 se obtiene de cualquier tabla de
losas por ejemplo las tablas que presenta Stiglat.
48
Figura N° 14: Planta y Elevación, Rampa de Acceso.
3.5 Diseño de Losetas Prefabricadas
Por razones de economía y facilidad constructiva, se opta por utilizar losetas
prefabricadas a lo largo del Puente de Acceso.
La separación entre losetas se define para asegurar el desarrollo de la barra de
acero para un gancho estándar.
Se consideran las cargas sobre la loseta prefabricada en la etapa de construcción,
es decir, las cargas producto del hormigonado y de un obrero trabajando sobre
ella.
49
Se verifica la armadura al corte para verificar que no se necesiten estribos, este
cálculo se realiza con el método LRFD, que minora las resistencias y mayora las
cargas.
máxpcc VdbfV >⋅⋅⋅⋅=
=
'53.0
75.0
φφ
φ
Es necesario verificar la fisuración del hormigón, mediante el código ACI224. Se
supone un área de acero y se calcula con ésta la cantidad de barras por loseta.
La cuantía de acero de refuerzo será la indicada según ACI 318 y se calcula de la
siguiente forma:
4º
2
b
s barrasNAφπ ⋅
⋅= db
A
p
s
⋅=ρ
Es necesario calcular la tensión de trabajo del acero de refuerzo para verificar la
fisuración:
poss
neg
sdjA
Mf
⋅⋅=
Donde:
−=3
1k
j y ccc f
E
f
E
f
Ek
'151002
'15100'15100
2
⋅⋅⋅+
⋅⋅+
⋅⋅−= ρρρ
El ancho de la grieta que se produce en el hormigón está limitado a una grieta de
tamaño no superior a 0.15mm.
3310076.0 Adfw cs ⋅⋅⋅⋅⋅= − β
Donde:
2.1=β
barrasdeN
bdA c
º
2 ⋅⋅=
2
brd c
φ+=
50
Transversalmente la armadura de la loseta se calcula como viga. Se analizan los
esfuerzos en la viga para las posiciones del camión más desfavorables circulando
por el Puente de Acceso y se calculan los momentos respectivos para cada
posición del camión, incluyendo el coeficiente de impacto definido en AASHTO.
Existen dos posiciones que entregan los momentos máximos tanto negativos
como positivos. La primera es que el camión circule con amabas ruedas entre las
dos vigas, con lo que producirá el mayor momento positivo. La segunda posición
es para el máximo momento negativo y se obtendrá cuando el camión esté
circulando en el borde de la berma por lo tanto 2 de sus ruedas laterales estarán
por el borde externo de la viga y las otras dos ruedas laterales estarán ubicadas
en el centro de ambos vanos.
Posición Nº 1 Posición Nº 2
Figura N° 15: Planta y Elevación, Rampa de Acceso.
Con los momentos respectivos se calcula la armadura a flexión y se verifica si es
necesaria armadura de corte con las ecuaciones señaladas anteriormente.
51
3.6 Diseño Apoyo Deslizante Puente de Acceso
Como se mencionó en el comienzo de este trabajo, es necesario concretar un
apoyo deslizante en el medio del Puente de Acceso, para que la mitad del corte
sísmico sea resistido por la cupla ubicada en el eje G (ver Fig. N° 16). Este apoyo
deslizante se diseña según los requerimientos del fabricante. Para este caso
particular se diseño un Fabreeka PAD.
Figura N° 16: Planta y Elevación, Rampa de Acceso.
Para diseñar este tipo de apoyos deslizantes se obtiene del modelo estructural la
máxima carga de compresión a la que estará sometido el apoyo. De los catálogos
de Fabreeka se obtiene una tensión promedio de compresión.
Tabla N° 4: Espesor Requerido Fabreeka.
52
Con ambas tensiones de compresión se calcula el área de contacto necesaria
para el apoyo deslizante. El ancho de Apoyo se supone del mismo ancho de la
viga longitudinal donde estará ubicado el PAD, con esto se obtiene la longitud de
apoyo necesaria, y utilizando la tabla de referencia de diseño mostrada en la tabla
Nº 4, se determina el espesor del apoyo. La tabla se utiliza intersectando el
máximo promedio de tensión de compresión con el ángulo de rotación, así se
obtiene una longitud/espesor, y utilizando la longitud del apoyo que ya ha sido
definida, se obtiene de manera inmediata su ancho. (Ver en figura Nº A22
composiciones estándares de Fabreeka).
El mismo diseño se realizó en las vigas longitudinales que llegan al estribo. Se
optó por diseñar un solo apoyo en el centro del Puente de Acceso para evitar que
se formaran pares de fuerzas que afectan de manera negativa la estructura al
realizar un apoyo en cada viga longitudinal producto del sismo transversal.
3.7 Diseño de la Rampa de Acceso
El diseño de la Rampa de Acceso, se realiza con las condiciones requeridas para
el proyecto, es decir, se realiza un prediseño de ésta (se suponen dimensiones
según necesidades del proyecto) y posteriormente se verifica la estabilidad de la
estructura y las tensiones que esta produce sobre el terreno. Las cargas aplicadas
sobre la estructura que son necesarias para la verificación de la estabilidad, son
las indicadas en los puntos anteriores donde se definieron cada una de ellas.
53
Figura N° 27: Sección Trasversal Rampa de Acceso
Peso Propio
+
−= Df
DffLaP h
2···1 γ
2·11a
PM =
Muro
DfDff
LaP h +
−=
2···2 γ
−=2
·22a
cPM
Fundación LbcP h ···3 γ= 2·33c
PM =
( )L
DffdP ··
2·4 secγ
−=
+=2
·44d
aPM
Relleno
sec···5 γDfLdP =
+=2
·55d
aPM
Sobrecarga dLScP ··6 =
+=2
·66d
aPM
Sobrecarga
Sísmica dLScP sis ··7 =
+=2
·77d
aPM
Carga Camión QpP =8 )1·(88 maPM +=
Tabla N° 5: Resumen de Fuerzas y Momentos que actúan sobre
la Rampa de Acceso.
54
Se presenta en la Fig. Nº A23, todas las cargas que actúan sobre la Rampa de
Acceso, identificando claramente los Pi y los Mi.
3.8 Estabilidad Rampa de Acceso
Dado que la estructura se encuentra en equilibrio estático, no es necesario
calcular el factor de seguridad en este caso.
Para el caso del deslizamiento, se calcula el peso de la estructura a nivel basal, el
cual se multiplica por un coeficiente sísmico y un factor de importancia (se acelera
la estructura) según la Norma Chilena NCh 2369. Las fuerzas resistentes son las
aportadas por el peso propio de la estructura y el peso del material de relleno. En
las fuerzas resistentes es necesario tener en cuenta el sismo vertical en ambas
direcciones, ya que en una de estas aporta peso en la estructura, sin embargo, en
la otra dirección le disminuye peso a ésta. El factor de seguridad se obtiene con la
siguiente ecuación:
3.1>=d
r
F
FFS
Para el caso del volcamiento cada una de las fuerzas se multiplica por su
respectivo brazo palanca para formar: Momentos resistentes, producidos por las
fuerzas de peso propio de la estructura. Momentos volcantes, correspondientes a
la aceleración de la estructura. Importante es incluir el sismo vertical en ambas
direcciones en los momentos resistentes de la estructura. El factor de seguridad
para el volcamiento se calcula de la siguiente forma:
4.1>=v
r
M
MFS
Los resultados obtenidos del análisis son los escritos a continuación:
FSvolcamiento = 9.322
FSdeslizamiento = 3.595
55
Las tensiones en el terreno sirven para verificar el porcentaje de compresión que
tiene la estructura sobre el suelo. Siempre es recomendable que la zapata esté
100% comprimida, debido a que el suelo no resiste tracciones. Sin embargo es
aceptable hasta un 80 % de compresión según la norma chilena NCh 2369. Uno
de los casos donde es de vital importancia considerar el sismo vertical es en la
verificación de las tensiones en el terreno.
Cuando la fundación esta 100% comprimida se obtienen dos tensiones en el
terreno, una tensión máxima y otra mínima, en el caso que el suelo presentara
tracciones sobre la fundación, solamente se obtendría la tensión máxima y la
mínima sería cero, ya que el suelo “no” resiste tracciones.
3.9 Diseño de Armaduras de la Rampa
Para el cálculo de las armaduras de los muros y losa de la Rampa se realizó un
modeló en el programa SAP 2000.
Figura N° 18: Sección Trasversal Rampa de Acceso, Modelo SAP 2000
El apoyo de la estructura sobre el suelo se modelo con resortes para simular un
efecto más cercano a la realidad, la constante de balasto de los resortes utilizados
se obtuvo según lo indicado en la sección Condiciones de Diseño, mecánica de
suelos.
Para la componente cíclica de las solicitaciones (sismo), la constante de balasto
se obtiene multiplicando por 2.0 el valor de la constante de balasto obtenido según
56
las Condiciones de Diseño, según el estudio realizado por PETRUS Ingenieros
Consultores en Geotecnia.
En la combinación de carga utilizada los factores que mayoran las cargas se
utilizaron constantes (1.3) para las fuerzas aplicadas por indicaciones de la
empresa, además se realizó una comparación de éste criterio con las
combinaciones presentadas en ACI 318. Los resultados de las armaduras se
presentan en los anexos en planillas oficiales de ARA WorleyParsons. Ver figuras
Nº A26 y A27 en anexo.
3.10 Diseño del Estribo
El estribo es una gran plataforma que sirve de apoyo para las vigas del Puente de
Acceso y además sirve para disponer sobre el un camión grúa que realice labores
de mantención en la sala de bombas existente.
Los empujes del terreno sobre los muros se calculan de acuerdo a lo indicado en
el informe de Mecánica de Suelos (ver figura anexo A21).
Para determinar si se considera un empuje del tipo activo o en reposo, se utiliza la
figura 6B del informe (ver figuras Nº A20 y A21). Al analizar las deformaciones en
los muros del estribo, como estructuras en voladizo, no se alcanza a desarrollar la
condición activa del empuje, debido a que K = 0.36, obtenido mediante iteración,
corresponde a la condición pasiva del suelo, se supuso como material de relleno
grava.
Para efectos de diseño se considera el empuje en condición de reposo, además
hay que considerar que varios muros del estribo están arriostrados por muros
laterales.
Los empujes laterales generan fuerzas perpendiculares a los muros, los cuales se
deben traspasar a los ejes principales de inercia de la fundación.
Para analizar la estabilidad de la estructura en su conjunto, se considera toda la
estructura actuando como un cuerpo rígido apoyado en el suelo (muros
perimetrales y relleno granular interior), y se utilizan las disposiciones indicadas
en el punto 5.6 de la norma Nch 2369.
57
Se determinan las tensiones de contacto en los vértices del estribo, al analizar la
estructura como un cuerpo rígido que rota con respecto a sus ejes principales de
inercia.
Para la verificación al deslizamiento, el informe de mecánica de suelos indica un
coeficiente de roce µ=0,8 y una adherencia de 0,5 t/m2. Valores que son bastante
elevados de acuerdo a la práctica habitual de ARA WorleyParsons.
Por otra parte el Manual de Carreteras, Volumen III, indica un coeficiente de roce
µ = tan (φ), para el tipo de suelo del proyecto φ=40º, por lo tanto se obtiene un
coeficiente de roce µ = 0,83. Valor nuevamente alto para las prácticas de ARA.
Se adopta entonces un valor para el coeficiente de roce, µ = tan (2/3*φ) con lo
que se obtiene un valor de µ = 0,502 que si fue aprobado por la empresa.
El informe de Mecánica de Suelos establece un factor de seguridad al
deslizamiento FS > 1,3 En el análisis del estribo se obtuvo un factor de seguridad
mínimo de 1.2.
Combinación de Fx Fy Fz Fr FS
Carga (ton) (ton) (ton) (ton)
PP+0,5SC+Sx+Sv 289.3 973.5 488.9 1.7
PP+0,5SC-Sx+Sv -301.8 973.5 488.9 -1.6
PP+0,5SC+Sx-Sv 289.3 719.5 361.4 1.2
PP+0,5SC-Sx-Sv -301.8 719.5 361.4 -1.2
PP+0,5SC+Sy+Sv 177.5 973.5 488.9 2.8
PP+0,5SC-Sy+Sv -178.5 973.5 488.9 -2.7
PP+0,5SC+Sy-Sv 177.5 719.5 361.4 2.0
PP+0,5SC-Sx-Sv -178.5 719.5 361.4 -2.0
Tabla N° 6: Fuerzas resistentes y solicitantes de deslizamiento.
Sin embargo, si se toma en cuenta que para el análisis se utiliza un coeficiente de
roce más conservador que el indicado y además la condición crítica ocurre para
una combinación de cargas extremadamente desfavorable. Se considera
aceptable el factor de seguridad obtenido. La combinación de carga que controla
el diseño es la siguiente:
58
PP + 0.5 Sc – Sx – Sv
3.11 Diseño de Muro Resistente
El muro a diseñar es el que recibe las cargas del Puente de Acceso.
El Puente de Acceso transmite cargas gravitacionales al muro resistente, y
producto del sismo longitudinal en el Puente, se transmiten cargas normales al
plano del muro
Escala 1 : 20
300
500
2200
2500
1200
400
600
400
CargasGravitacionales
SismoLongitudinal
400
Figura N° 19: Sección Trasversal Estribo
Se realiza un modelo en SAP 2000 para calcular los esfuerzos sobre el muro
resistente y su respectiva armadura.
59
Figura N° 20: Modelación Estribo SAP 2000.
Las cargas ingresadas sobre el muro son las correspondientes al empuje estático
y sísmico determinadas en el capítulo Condiciones de Diseño, incluyendo las
reacciones del Puente de Acceso. Los resultados de la Armadura del estribo se
presentan en la planilla Nº 4.
Debido a que la geometría del resto de los muros del estribo es igual a los muros
de la rampa, se optó por utilizar la misma armadura para todos los muros (malla φ
16 @ 20).
3.12 Diseño Ménsula
La ménsula es una parte del estribo donde se apoyan las vigas longitudinales del
Puente de Acceso, además de la llave de corte. La geometría y dimensiones de la
ménsula de modo explicativo y actual se muestran a continuación:
60
Figura N° 21: Diseño Ménsula.
Para el diseño de la ménsula es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos
según las notas del ACI 318:
Características de los Materiales
Se consideran 3 tipos de hormigón:
61
Tipo 1: Hormigón Normal
Tipo 2: Hormigón Liviano, con arena de peso normal
Tipo 3: Hormigón Liviano, con todos sus componentes livianos
Para este caso el hormigón es tipo 1, por lo tanto λ = 1
Además, existen cuatro situaciones posibles según las condiciones de
hormigonado:
Caso 1: Consola Monolítica
Caso 2: Consola en segunda etapa a concreto áspero
Caso 3: Consola en segunda etapa en concreto liso
Caso 4: Consola sobre acero estructural con pasadores con cabeza o barras de
traspaso
En esta situación se está en presencia del caso 2, entonces µ = 1, por
disposiciones de la etapa constructiva.
Para hormigón de calidad H-30 se tiene:
2250'
cm
kgff c = Tensión de Compresión
38.8'53.0 =⋅= cv ff Tensión de Corte
75.0=φ Factor de Reducción
Acero
Para acero de calidad A63-42H, se tendrá:
24200
cm
kgff y = Tensión de fluencia
Cargas de Diseño
Las cargas de diseño fueron obtenidas del modelo SAP 2000 del Puente de
Acceso, mayoradas por los factores señalados en el Military Handbook.
Nuc = Carga Horizontal Aplicada = 155 ton.
Vu = Carga Vertical Aplicada = 0.4 ton.
Según punto 11.9.3.4 de ACI 318, la carga Nu, no será inferior a 0.2 Vu. Debido a
que la magnitud de la fuerza horizontal que actúa en la ménsula usualmente no
puede determinarse con mucha precisión, se especifica que Nuc debe
considerarse como carga viva.
62
toncasootroEnV
VNSiNN
u
uucuc
u 1552.0
2.0=
⋅
⋅≥= Carga Horizontal de Diseño
( ) tondhNaVM uuu 84.7=−⋅+⋅=
Momento de diseño según 11.9.3 ACI 318
Cálculo de Armadura
Sección necesaria, por transferencia de corte Vu, según punto 11.9.3.2 de ACI
318
2115.0 cmf
VA
y
uvf =
⋅⋅=
µφ
Donde:
=vfA Área de refuerzo de corte por fricción.
=uV Corte último (mayorado).
=φ Factor de reducción.
=yf Tensión de fluencia del acero.
=µ Factor que depende de las condiciones de hormigonado.
Sección necesaria, por carga normal Un, según punto 11.9.3.4 de ACI 318:
2639.44 cmf
NA
y
un =
⋅=
φ
Donde:
=nA Área de refuerzo de tracción.
=uN Fuerza Axial última (mayorada).
=φ Factor de reducción.
=yf Tensión de fluencia del acero.
Sección necesaria por momento Mu, de forma conservadora:
2345.39.0
cmdf
MA
y
uf =
⋅⋅⋅=
φ
Donde:
=fA Área de refuerzo de Momento.
63
=uM Momento último (mayorado).
=φ Factor de reducción.
=φ =yf Tensión de fluencia del acero.
=d Altura útil.
Área requerida para armadura de tracción primaria (Según 11.9.3.5 ACI 318)
2984.471 cmAAA nf =+=
2716.443
22 cmAAA nvf =+=
2984.472
211cm
casootroEnA
AASiAAs =
≥=
Verificación de cuantía (según 11.9.5 ACI 318)
01066.0=⋅
=db
Asρ Cuantía de cálculo
00238.0'
04.0 =⋅=y
c
f
ftρ Cuantía mínima
OKt →> ρρ
2984.47 cmcasootroEndbt
tSiAA
s
s =⋅⋅
≥=
ρ
ρρÁrea final de tracción primaria adoptada.
Se utilizarán 4 horquillas φ 16 en tres filas, obteniendo así un área de acero de
48.24 cm2.
Área requerida para estribos intermedios (Según 11.9.4 ACI 318)
( )AnAsAh −⋅= 5.0
Debido a la singularidad de la estructura, se proveerá de horquillas, en lugar de
estribos cerrados que serían muy complejos de materializar en terreno. Por lo
tanto se dispondrá de horquillas φ10 @ 25.
64
CAPITULO 4
4.1 Discusión y Análisis de Resultados
Condiciones Generales
Como en todo proyecto de Ingeniería, existen diversos antecedentes que no se
encuentran presentes a la hora de comenzar con el desarrollo de una Ingeniería
Básica como la presentada. Estos factores a medida que el proyecto se encuentra
en pleno desarrollo, se van esclareciendo y aportando antecedentes que de una u
otra forma cambian algunos conceptos con los cuales ya se había trabajado en
base a supuestos.
Cuando se comenzó a realizar la Ingeniería Conceptual, donde se le presentaron
al cliente diversas alternativas de disposición y localización para las barreras de
contención de derrames de hidrocarburos, se obtuvo mediante fotografías y
supuestos las características de las naves que cumplirían la misión de situarse en
el lugar de la emergencia reteniendo el derrame de petróleo. Para cumplir con
estas características, se proyectó un Puente de Acceso de 30 m de longitud para
así lograr un calado que permitiera a las embarcaciones atracar sin problemas,
todas las maniobras de atraque y embarque de los carretes se proyectaron a una
profundidad de 3.50m bajo el Nivel de Reducción de Sonda (N.R.S.).
Posteriormente se obtuvo las siguientes características de naves de diseño que
serían utilizadas por parte de ERA para las maniobras de embarque y
desembarque de las barreras de contención:
65
Descripción Unidad Máximo Mínimo
Tonelaje de Registro Ton 323 -
Desplazamiento Ton 430 -
Eslora m 32,00 12,80
Manga m 10,50 3,70
Calado Máximo m 4,00 1,70
Calado Mínimo m - 1,30
Tabla N°7: Barcos de Diseño.
Las características de las embarcaciones anteriores son propias de Remolcadores
de Alta Mar (RAM).
Debido al aumento en el calado de las naves de diseño, fue necesario prolongar el
Puente de Acceso para lograr maniobras de atraque seguras tanto para las
embarcaciones, como para los ocupantes de estas. La prolongación del Puente de
Acceso fue de aproximadamente 90 metros, lográndose una longitud final de 120
metros sin incluir el cabezo, el cual aporta con 30 m adicionales de longitud. Con
estas longitudes se logra una profundidad de atraque de 7 m, la cual es segura
para los tipos de embarcaciones consideradas.
Condiciones de Apoyo
En toda estructura de ingeniería uno de los aspectos más importantes es la
serviciabilidad, dentro de este concepto, los apoyos de la estructura con el terreno
juegan un papel fundamental para que el objetivo se logre (una viga con grandes
deformaciones, aunque sea resistente, no entrega la confianza necesaria hacia los
usuarios en términos de resistencia). Así como en las estructuras de gran altura
las fundaciones son uno de los diseños más importantes, Para los muelles, el
apoyo que estos tienen en las superficies del terreno son de vital importancia.
Tanto como para el apoyo de los pilotes como para el apoyo de las vigas
longitudinales sobre la superficie del estribo.
66
Como una primera aproximación, se pensó que el apoyo de las vigas
longitudinales se aproximaría a dos llaves de corte ubicadas en el término de cada
viga longitudinal, las cuales iban a ir inmersas en el estribo. Ante una eventualidad
sísmica, en dirección transversal al Puente de Acceso, se producen esfuerzos en
direcciones opuestas para cada viga longitudinal, formando un efecto de cupla en
el apoyo del Puente de Acceso. Este problema afectaba de sobremanera a la
estructura, incrementando los esfuerzos y poniendo en riesgo uno de los objetivos
principales a la hora de diseñar, como lo es la serviciabilidad.
La condición ideal para el apoyo de un muelle, es proyectar un solo punto de unión
entre éste y el estribo, el cual servirá como pivote y en el momento de
eventualidades sísmicas, el comportamiento de la estructura será más uniforme y
las fuerzas transversales producidas por el sismo en esa dirección serán resistidas
por los pilotes que se encuentran dispuestos con inclinación 1:3. Para materializar
este tipo de apoyo, se dispuso de una viga transversal apoyada sobre el estribo, la
cual va unida a las vigas longitudinales. Sobre esta viga transversal se materializó
la llave de corte justo en el eje central de ambas vigas longitudinales, para que
resistiera los eventos sísmicos producidos sobre la estructura. Sobre las vigas
longitudinales se materializó un sistema de apoyo que fuera capaz solamente de
transmitir los esfuerzos de compresión, pero que en la eventualidad de fuerzas
sísmicas transversales, se comportara como un apoyo deslizante, por lo tanto se
proyectó apoyo para cada viga longitudinal.
Para que el apoyo proyectado sea resistente, es necesario rigidizar la viga
transversal y así evitar efectos de torsión en ésta. Para lograr el objetivo propuesto
se realizó una especie de puntal en la viga transversal justo en la mitad de la luz,
este puntal es de las mismas características de la viga, la cual está unida a otra
viga transversal a 2 metros del apoyo aproximadamente. Con esto se evita
cualquier esfuerzo indeseado sobre la viga transversal.
Condiciones Sísmicas
Una de las condiciones de diseño que generalmente controla la estructura es el
sismo, y dado que Chile es un país sísmico, este factor debe ser aplicado
67
correctamente sobre las estructuras y realizar un análisis exhaustivo sobre el
tema. Para el proyecto descrito se utilizó un sismo estático, calculando un corte
sísmico el cual fue aplicado sobre la estructura. El problema que se hace presente
a la hora de aplicar esta carga sísmica es la variación que tiene la estructura en
altura, a medida que va ingresando al mar, los pilotes van variando su largo, por lo
tanto, las rigideces de la estructura van cambiando de cepa en cepa. Por esto no
es posible aplicar el sismo en cada marco rígido de cada cepa, optándose por la
alternativa de ubicar el sismo sobre la losa de hormigón armado que se encuentra
sobre cada una de las cepas, logrando así que la distribución de esfuerzos que
realiza el modelo SAP 2000 considere de manera coherente las rigideces de la
estructura y así reparta el sismo correctamente.
68
4.2 Conclusiones
En el presente trabajo se han mostrado las 5 alternativas propuestas para que
ENAP Refinerías Aconcagua disponga sus carretes de contención de derrames de
petróleo en la Bahía de Quintero. Luego de un extenso trabajo diseñando e
investigando antecedentes para realizar el mejor proyecto para el cliente, se logra
identificar el mayor de los problemas a la hora de diseñar en un país sísmico,
como en la mayoría de las proyectos, las cargas sísmicas son las que controlan
todo el diseño de las estructuras presentes, al igual que en la gran mayoría de las
obras diseñadas en nuestro país.
Con estas consideraciones, finalmente, el diseño desarrollado, no sólo provee un
lugar para disponer las barreras de contención en caso de emergencia, sino que
además permite utilizar éste espacio físico como embarcadero para naves
menores, por ejemplo, de pasajeros.
El Ingeniero a la hora de comenzar a diseñar se encuentra con diversos
obstáculos, los cuales debe ir solucionando para llevar a cabo sus proyectos, la
falta de información fue uno de los grandes problemas al enfrentar este diseño,
para el cual fue necesario reutilizar información de proyectos anteriores, ante tales
incertidumbres sobre los cambios que se puedan producir con el avance de los
años, es necesario que el elemento estructural más importante en este caso, los
pilotes, no se encontrarán diseñados a su máxima capacidad. Como se mencionó
en el párrafo anterior, las solicitaciones sísmicas fueron las que controlaron el
diseño de los pilotes, y para resistir dichas cargas se optó por inclinar estos
elementos.
Finalmente se logró obtener un diseño en el cuál los pilotes del puente de acceso
se encuentran ubicados con una inclinación 1:3 para resistir el sismo transversal y
además se formó una cupla de pilotes la cuál recibe el sismo longitudinal de ésta
estructura, todos los pilotes tienen un diámetro de 16” (406.4 mm) y un espesor de
12mm. Todas las vigas transversales como longitudinales son de acero A36 y de
69
una altura de 600 mm y los espesores de los elementos de hormigón armado
como lo son la losa del puente de acceso, estribo y rampa de acceso, fueron
descritos en los capítulos precedentes.
70
BIBLIOGRAFIA
[1] Technicals Standards for Port and Harbour Facilities in Japan. The Overseas
Coastal Area Development Institute of Japan. 2002.
[2] Piers and Wharves. Military Handbook 1025/1. US Department of Defense.
1994.
[3] Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-05) y
Comentario. American Concrete Institute. 2008.
[4] Building Code Requeriments for Structural Concrete (ACI 318-08) and
Commentary. American Concrete Institute. 2008.
[5] Causas, Evaluación y Reparación de Fisuras en Estructuras de Hormigón
(ACI 224.1R-93). American Concrete Institute. 1993.
[6] Manual de Diseño para Estructuras de Acero. Instituto Chileno del Acero.
1976.
[7] Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel
Construction, INC. 2005.
[8] Norma Chilena Oficial, Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones
Industriales. Instituto Nacional de Normalización. 2003.
[9] Manual de Carreteras, Volumen Nº 3, Instrucciones y Criterios de Diseño.
Gobierno de Chile, Ministerio de Obras Públicas, Dirección de Vialidad. 2002.
71
[10] Manual de Carreteras, Volumen Nº 5, Especificaciones Técnicas Generales
de Construcción. Gobierno de Chile, Ministerio de Obras Públicas, Dirección
de Vialidad. 2002.
[11] Comisión Nacional de Energía, Ministerio de Chile, www.cne.cl.
[12] Instituto Geográfico Militar.
[13] Catálogo Técnico Barreras de Contención de Hidrocarburos, Troilboom.
[14] Standard Specifications for Highway Bridges, AASHTO, 1996.
[15] Muros de Contención y Muros de Sótano, J. Calavera, Dr. Ingeniero en
Caminos, 2a Edición, 1989.
[16] Diseño de Estructuras de Acero, Elías Arze Loyer.
72
ANEXOS
73
Figura N° A1: Alternativa A1.
74
Figura N° A2: Alternativa A2.
75
Figura N° A3: Alternativa A3.
76
Figura N° A4: Alternativa B1.
77
Figura N° A5: Alternativa B2.
78
Figura N° A6: Disposición General, Planta.
79
Figura N° A7: Disposición General, Elevación.
80
Figura N° A8: Puente de Acceso, Formas.
81
Figura N° A9: Estribo y Rampa de Acceso.
82
Figura N° A10: Estribo y Rampa de Acceso.
83
Figura N° A11: Losetas Prefabricadas.
84
Figura N° A12: Losetas Prefabricadas.
85
Figura N° A13: Disposición de Pilotes, Plata, Elevación y Seciones.
86
Figura N° A14: Puente de Acceso, Vigas de Acero.
87
Figura N° A15: Puente de Acceso, Vigas de Acero.
88
Figura Nº A16: Lane de Carga.
89
Figura Nº A17: Camión Estándar AASHTO.
90
Figura Nº A18: Peso Sísmico.
91
Figura Nº A19: Perfil Estratigráfico Según Mecánica de Suelos.
92
Figura Nº A20: Empujes según Mecánica de Suelos.
93
Figura Nº A21: Empujes según Mecánica de Suelos.
94
Figura Nº A22: Composiciones Estándares de Fabreeka.
Figura Nº A23: Cargas Sobre Rampa de Acceso.
95
FU Pilotes Puente Acceso
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 5 10 15 20 25 30
Pilotes
FU
Figura Nº A24: Factores de Utilización Pilotes Puente de Acceso.
96
Figura Nº A25: Tubos en Flexo-compresión Biaxial.
97
Figura Nº A26: Armadura Losa Rampa.
98
Figura Nº A27: Armadura Muro Rampa.
