Download - 2.6 Diseño Estructura Trocha Puchka
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1.1 ANALISIS Y DISEÑO DE
ESTRUCTURAS
1.1.1CONSIDERACIONES DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL
Para el diseño estructural, de los diferentes elementos
estructurales, se ha tomado en cuenta los siguientes aspectos:
Metrados de cargas
Modelo de análisis
Análisis sísmico, hidrodinámico, según sea el caso.
Resultados de análisis
Selección de máximos esfuerzos
Normas de diseño
Dichos puntos, se detallan en las memorias de cálculo que se adjuntan.
1.1.2ELEMENTOS ESTRUCTURALES
1.1.2.1 Alcantarillas
Las estructuras de drenaje transversal tipo alcantarillas, obedece a la
necesidad de permitir la rápida evacuación pluvial del sistema de drenaje
longitudinal con alcantarillas tipo TMC d=36”, así como el pase de los flujos
superficiales de quebradas y/o cursos naturales de agua.
Los conductos de acero corrugado, reconocidos desde hace mucho tiempo por
su gran resistencia estructural bajo las cargas más pesadas, son el resultado
de una compleja interacción entre el suelo de relleno que rodea al conducto, y
el conducto propiamente dicho; es decir el suelo y el acero interactúan para
soportar las cargas de servicio. La estructura subterránea ideal sería aquella
que permita que las cargas de servicio sean en su totalidad absorbidas por el
relleno que las rodea y las cubre; en este sentido, las estructuras de acero
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corrugado se aproximan a esta condición ideal. Como ejemplo: se han visto
casos en los que los revestimientos de acero se han destruido total o
parcialmente por el tiempo y otros factores, pero el relleno sigue funcionando y
mantiene su forma.
DISEÑO DE LAS ALCANTARILLAS METÁLICAS
El proceso de diseño estructural consiste en los pasos siguientes:
Determinación de la densidad del relleno.
Aplicación del coeficiente de carga a la carga total para establecer
la presión que actuará sobre el acero.
Determinación del esfuerzo de compresión aceptable para el
diámetro de la tubería, la corrugación y la densidad del suelo.
Calculo de la compresión en la pared de la tubería.
Determinación del espesor necesario.
Verificación de la rigidez mínima para el manipuleo.
Verificación de las exigencias de la costura empernada.
CARGAS SOBRE ESTRUCTURAS ENTERRADAS
Las estructuras enterradas, están sometidas a 2 principales tipos de carga que
son:
Cargas muertas causadas por el relleno, más las cargas de superficie
uniformes o puntuales.
Cargas vivas, incluidos impactos y cargas en movimiento.
Las cargas vivas a tomarse en cuenta para el diseño de estructuras enterradas,
son en la práctica el tránsito vial; aparte de estas, otros tipos de carga viva
resultan insignificantes en la mayoría de los casos. Las cargas muertas vienen
dadas por el efecto del relleno que rodea y cubre la estructura, es decir están
en función del peso del suelo y la altura de relleno; estos efectos del relleno se
analizarán con detalle en el numeral de diseño de estructuras circulares
metálicas.
CHEQUEO DE LOS DIÁMETROS
Los diámetros obtenidos mediante el diseño hidráulico, deberán ser
comparados con los diámetros de tubería corrugada existentes. Existen
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además, valores estimados de altura máxima de la cobertura para tubería de
acero corrugado. A continuación se presenta una tabla que contiene los
diámetros comerciales que pueden satisfacer las necesidades de las obras en
este estudio, así como las alturas de relleno máximas, según el diámetro y el
espesor de las tuberías:
TABLA DE1:
LÍMITES PARA ALTURA DE COBERTURA PARA TUBERÍAS
CORRUGADAS
De la tabla anterior se adoptarán los valores de 1.219m de diámetro comercial.
Los espesores adoptados deben verificarse mediante tanteos, y es posible
adoptar otras corrugaciones dependiendo de los diámetros y otros limitantes
que se estudian posteriormente. Se observa además que las alturas máximas
de relleno son muy superiores a la máxima adoptada en este estudio, que es
de 2m.
DENSIDAD DEL MATERIAL PARA RELLENO
Para determinar una densidad de relleno promedio aceptable, se ha
establecido que el relleno estará compactado al 85%.
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En la fig. DE1 se puede obtener el coeficiente de carga K, para diferentes
porcentajes de densidad normal.
Fig. DE1: Coeficiente
de Carga K vs
Compactación
Para una densidad del
85%, le corresponde un
coeficiente de carga
K=0.86.
PRESIÓN PARA EL DISEÑO
El coeficiente de carga, se aplica a la carga total para obtener la presión de
diseño P.
Donde:
P: es la presión de diseño,
K: el coeficiente de carga,
CM: la carga muerta y
CV: la carga viva (en nuestro caso nulo).
CM=Hr∗γsuelo
CV=1.25∗(Peso deruedade vehículode diseño)
Para una altura de relleno de 0.70m, y peso volumétrico de suelo =
1800Kgf/m³; entonces tenemos que la CM= 1260Kgf/m².
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Para una rueda de vehículo C-2, de 11 tn aumentado en un 25%, y una
altura de relleno de 0.70m le corresponde un esfuerzo 9580 Kgf/m².
Para un K=0.86, CM= 1260Kgf/m², y CV=9580 Kgf/m²; le corresponde
una presión P= 9322.4 Kgf/m².
COMPRESIÓN ANULAR
El empuje compresivo sobre la pared del conducto, es igual a la presión radial
que actúa sobre la pared, multiplicada por el radio de la tubería, o:
C = P*R
Este empuje llamado compresión anular, es la fuerza que actuará sobre el
acero. La compresión anular es una carga axial que actúa en forma tangencial
a la pared del conducto.
Para una presión de diseño P= 9322.4 Kgf/m², y R=0.60m; entonces le
corresponde una compresión anular C=5593.4 Kgf/m².
ESFUERZO DE PARED ADMISIBLE
La compresión máxima en las paredes de la tubería, se expresan en las
siguientes ecuaciones:
Siendo:
D = diámetro (circular) o luz (abovedada o arco), en cm; y
r = radio de giro.
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La primera de estas ecuaciones (1), da el límite de fluencia mínimo
especificado para el acero que representa la zona de aplastamiento de la
pared, o de deformación. La ecuación (2) corresponde a la zona de interacción
de la deformación o de pandeo; La tercera se refiere a la zona de pandeo del
anillo.
ESFUERZOS MAXIMOS DE PARED PARA TUBERIAS DE ACERO
CORRUGADO CON RELLENO COMPACTADO DE DENSIDAD NORMAL
SEGÚN AASHTO T99.
Del gráfico, para alcantarillas de diámetro de 1.20m, le corresponde un fb=2320
Kgf/cm².
Para obtener el esfuerzo admisible se aplica un coeficiente de seguridad de
dos:
Entonces, tenemos que Fd=1160 Kgf/cm².
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ESPESOR DE PARED
El área de pared necesaria A, se calcula en base a la compresión calculada en
la pared de la tubería C y el esfuerzo admisible fd.
De la expresión anterior, y de los datos hallados, entonces tenemos que
A=4.82cm²/m.
En la tabla DE3, se elige el espesor de pared que proporciona el área
necesaria con la misma corrugación empleada para determinar el esfuerzo
admisible.
Tabla DE3.
MOMENTOS DE INERCIA Y SECCIÓN TRANSVERSAL DE LAS CHAPAS Y
PLANCHAS DE ACERO CORRUGADO PARA CONDUCTOS
SUBTERRÁNEOS
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VERIFICACIÓN DE LA RIGIDEZ PARA EL MANIPULEO
En base a la experiencia, se han formulado exigencias mínimas de rigidez para
la tubería para el manipuleo práctico y la instalación sin que hagan falta
cuidados especiales ni refuerzos. Un coeficiente de flexibilidad resultante, CF,
limita el tamaño de cada combinación de corrugación y espesor de metal.
Siendo:
E= módulo de elasticidad (2.11x10E6 kg/cm²);
D= el diámetro o luz;
I = el momento de inercia en cm4/cm.
Entonces, los máximos valores de CF recomendados son:
CF = 0.242 cm/kg para tubería armada en planta con costuras
remachadas, soldadas o helicoidales; en diámetros de 305 cm
nominales (120 in) o menos.
CF = 0.112 cm/kg para tubería armada en obra, con costuras
empernadas en todos los diámetros mayores a 305 cm nominales.
Para el diseño se considera un CFmáx= 0.242cm/kg.
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De la tabla 3-2, se tiene que el momento de inercia para un espesor de
1.626mm, y corrugaciones de 67.7x12.7mm le corresponde un momento de
inercia I=3.0999cm⁴/m.
Evaluando el valor de CF, con D=120cm, E=2100000 kg/cm² (módulo de
elasticidad), e I=3.0999cm⁴/m; entonces tenemos: CF=0.221 cm/kg.
Como CF< CFmáx; entonces los valores asumidos son correctos.
RESULTADO DEL ANÁLISIS
En conclusión, usar Tubería Metálica Corrugada, de diámetro 1.20m, con
espesor de 1.626mm, corrugaciones de 67.7mm de paso y 12.7mm de
profundidad; y una altura de relleno como mínimo de 0.70m; debido a los
cálculos anteriormente realizados, y por responder satisfactoriamente a las
hipótesis de diseño adoptados.
Estructuras de entrada de alcantarillas
Las estructuras de entrada de las alcantarillas son aquellas diseñadas e
instaladas para permitir el ingreso ordenado del flujo, según la topografía de la
zona donde se ubican y es la siguiente:
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Entrada tipo Alero Inclinado
Este tipo de entrada se ha considerado conveniente colocar cuando las
alcantarillas se ubican en zonas donde la carretera va en relleno o por
razones de topografía y requiere el ingreso del agua de las zonas que
quedan por debajo de la rasante de la carretera. Se tendrá la precaución
de colocar un sistema de protección de los taludes del terraplén de la
carretera, más aún si especialmente se encuentran en los casos en que
los taludes están directamente expuestos al paso del flujo de agua al
ingreso. En esta protección se dispondrá de piedra asentada y
emboquillada en una longitud mínima requerida en cada caso, lados de
la estructura de entrada de la alcantarilla.
a) Estructuras de salida de alcantarillas
Las estructuras de salida de las alcantarillas son aquellas diseñadas e
instaladas para permitir la salida ordenada del sistema de drenaje transversal,
que según la topografía de la zona donde se ubican y es la siguiente:
Salida tipo Muro con Alas Inclinadas
Se ha considerado colocar una estructura tipo muro con alas cuando se
tenga la necesidad de contener cierta altura de relleno sobre el tubo, o
cuando al salir el tubo del terraplén, este quede “colgado”, a una altura
determinada del nivel de terreno natural, la cual es salvada por este tipo
de estructura.
b) Estructuras de aproximación de entrada de alcantarillas
Las aproximaciones al ingreso de las alcantarillas se instalan con la finalidad de
evitar cualquier acción erosiva del flujo y que perjudique la estabilidad de las
mismas, además de brindar protección a la zona aledaña al terraplén de la
carretera.
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Adecuación de Entrada (RPE)
Para lograr este tipo de protección se instalan zanjas de ingreso en
piedra asentada y emboquillada de diámetro nominal 0.20m en zonas
llanas donde el nivel del fondo de la alcantarilla se encuentra por debajo
del nivel del terreno.
Estas zanjas tendrán una longitud aproximada de 10m y pendiente
similar a la de la alcantarilla (1% ó 2% según sea el caso) para así
propiciar el ingreso del flujo hacia la alcantarilla. La sección geométrica
de la zanja es variable según el nivel del terreno natural y el diámetro de
la alcantarilla.
c) Protección a las estructuras de salida de las alcantarillas
Las estructuras de protección a la salida de las alcantarillas y/o aguas abajo, se
instalan con la finalidad de evitar cualquier acción erosiva del flujo que
perjudique la estabilidad de las mismas, además de brindar protección a la
zona aledaña al terraplén de la carretera.
Encauzamientos (ENC)
Este tipo de salidas se plantean en zonas llanas y/o urbanas con el
objeto de evacuar ordenadamente el flujo al dren natural, con secciones
mínimas trapezoidales de 0.90m y 1.20m de base cuando se trabaje con
alcantarillas de diámetro de 36”. El talud de estos encauzamientos será
dado de manera tal que el flujo de agua discurra de forma natural y no
produzca erosión.
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1.1.2.2 Badenes
Los badenes son estructuras que permiten el pase continuo de flujos de lado,
agua y/o avalanchas, sin que esta avenida cauce daño a la vía ni interrumpa el
tráfico por mucho tiempo. Sólo en caso de eventos muy extraordinarios se
prevé que sería necesario paralizar el flujo vehicular por la obstrucción de la vía
con el material de arrastre y pasado el momento se puede realizar una limpieza
del área del badén, y reanudar el tránsito vehicular sin que haya desaparecido
la carretera como elemento importante para la transitabilidad.
Concepto de diseño
Es necesario precisar que el cauce natural de la quebrada es el que se ve
interrumpido por la carretera, por lo que la idea que debe primar para el diseño
de cualquier estructura de pase de quebradas es el trazo de la carretera y su
ubicación debe adecuarse a la quebrada para tener éxito en el control de la
misma.
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En la ejecución de estas estructuras debe tenerse en cuenta lo mencionado en
el párrafo anterior, así como los detalles mostrados en el plano
correspondiente.
DISEÑO DE ACERO DE REFUERZO - JUNTA LONGITUDINAL.
Espaciamiento S: para varilla de 5/8” de diámetro, esfuerzo de trabajo de 1600
Kg/cm2, ancho de sección pavimentada de 3m, espesor de pavimento de 20cm y peso
volumétrico del concreto de 2.4 Tn/m3
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Por lo tanto, la longitud de la varilla corrugada será de 45cm espaciada a 90cm.
1.1.2.3 Cunetas
Las estructuras de drenaje longitudinal denominadas cunetas laterales se
instalan con el propósito de captar las aguas de la escorrentía superficial tanto
de la calzada como del talud natural superior que inciden directamente sobre la
vía.
De esta manera toda la recolección del agua será conducida hasta las
estructuras de evacuación transversal y a su vez hacia el dren natural de la
zona.
Criterios de diseño
Las cunetas preferentemente serán de sección triangular y se proyectarán para
todos los tramos al pie de los taludes de corte.
Sus dimensiones serán fijadas de acuerdo a las condiciones pluviales, siendo
las dimensiones mínimas aquellas indicadas en el cuadro 4.1.3.a.
Cuando existan limitaciones de ancho de la plataforma se podrá proyectar
cunetas con doble función:
• Drenaje y
• Área de emergencia (berma)
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Para los cuales se buscará la solución más adecuada tales como: cunetas
cubiertas, berma-cuneta, etc.
En el cálculo hidráulico se tomó en consideración los siguientes puntos:
Determinación del coeficiente de escorrentía, caudal de diseño; que fueron
ampliamente detallados en el estudio hidrológico.
El área tributaria, es variable, depende del tramo a drenar, el ancho varía
desde los 50m hasta los 100m en otros casos; el ancho multiplicado por el
largo determina el área tributaria.
Velocidad máxima y mínima en el canal, estos valores establecen los
parámetros para evitar la erosión de las paredes de la cuneta (velocidad
máxima), y evitar la sedimentación (velocidad mínima), así también se
determinan los valores del coeficiente de rugosidad de Manning, las cuales
están establecidas en el Manual de Diseño de Carreteras Pavimentadas de
bajo volumen de tránsito (MTC).
La pendiente del fondo, varía de acuerdo al tramo a drenar, tomándose, si
hubiera más de una pendiente, la menor pendiente, por constituirse como el
más crítico.
El diseño geométrico responde a las exigencias que plantean los criterios
previamente expuestos. Se tomó en cuenta la estandarización de las
dimensiones de la cuneta, con criterios constructivos.
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