2.6 Diseño Estructura Trocha Puchka

Municipalidad Distrital Mejoramiento de la Carretera Puchka – Socorro - Paucas Ingeniería básica De Paucas Distrito de Paucas – Huari - Ancash del Proyecto

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

Pág. 1


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

Pág. 2


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%.

Pág. 3


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.

Pág. 4


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.

Pág. 5


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.

Pág. 6


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

Pág. 7


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.

Pág. 8


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:

Pág. 9


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.

Pág. 10


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.

Pág. 11


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.

Pág. 12


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

Pág. 13


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)

Pág. 14


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.

Pág. 15

2.6 Diseño Estructura Trocha Puchka

Documents

Transcript of 2.6 Diseño Estructura Trocha Puchka