DISEOANALISIS Y DISEO DE LA ESTRUCTURA COLGANTE PARA TUBERIA

DATOS GENERALES PARA EL DISEO DE PENDOLA Y CABLE PRINCIPALingresar datos en las celdas amarillasno tocar las celdas rojasGEOMETRIA DEL PUENTE Longitud Total del Puente(L)40.0m Longitud de la Flecha(f)4.0m Por Proceso Constructivo Redondear flecha (f)4.0m Long. Min. de la pendola (a)0.5m Espaciamiento entre Pndolas(l)3.0mSeparacin entre el anclaje1 y torre 1(L1)8.0mSeparacin entre el anclaje 2 y torre 2(L2)8.0mCota de la tubera a la entrada (torre1)3859.89msnmCota de la tubera a la salida (torre2)3859.45msnmCota del anclaje 13861.03msnmCota del anclaje 23861.29msnm Altura mnima de las torres (HT)4.5mAltura de la Torre 14.50mAltura de la Torre 24.50m0.02

CARACTERSTICAS DEL TUBO HDPENorma Aplicableiso 4427, PE 100Presin NominalSDR 33 PN5Dimetro Nominal mm450Espesor de tubo (mm)13.8D interno (mm)422.4Peso del Tubo (Kg/m)18.937Mdulo de elasticidad (MPa)1400

METRADO DE CARGAS

CARGA VIVA:En la carga viva se consideran las siguientes cargas:Carga de montaje y de futuras reparaciones durante la etapa de operacin, se considerar una carga distribuida de 100Kg/cm2

Sobre carga100.00 Kg/m2Ancho Tributario:0.45mCarga Distribuida por metro45.00 Kg/m

CARGA DE VIENTO:Se calcula segn lo estipulado en la norma E 020

Clculo de la velocidad del viento:

Donde:Vh: Velocidad de Diseo en la altura h, en km/h.V: Velocidad de diseo hasta 10m de altura en km/h.h:altura sobre el terreno en metros

Para la zona del proyeto V es 55km/h

V=55.00 Km/hh=7.00mVh=50.85 Km/h

Con la velocidad estimada del viento se calcula la presin generada P en Kgf/m2

C: 0.8 para barlovento y -0.6 para sotaventoV=50.85 Km/hCbarlov.0.8Csotav.-0.6Pbalov.10.34 Kg/m2Psotav.-7.76 Kg/m2

Para el caso de la tubera, la presin generada en el barlovento tendr la misma direccin que la succin generada en el sotavento, por lo que para propsitos prcticos se sumarn dichos valore, la sobrecarga generada actua en la direccin HORIZONTAL

P18.10 Kg/m2Con lo que se obtiene:

Sobre carga18.10 Kg/m2Ancho Tributario:0.45mCarga Distribuida por metro8.14 Kg/m

CARGA MUERTA:En la carga muerta se consideran las siguientes cargas:a) Peso de la Tubera:Para el dimetro y tipo de tubera utlizada el peso es el siguiente:W tubera18.94 Kg/m

b) Peso del AguaSe considera el caso ms crtico que es a tubera llenaD(mm)=422.4W agua=140.13 Kg/m

c) Peso de cable principalSe asume un dimetro y tipo de cableSerieSerie 6x19Tipo de almaAlma de FibraD(pulg)=1 1/8W Cable=3.17 Kg/mCarga Resistente=46.53 Ton

d) Peso de las pndolasSe asume un dimetro, tipo de cable y separacin entre pendolasSerieSerie 6x19Tipo de almaAlma de FibraD(pulg)=5/16W Cable=0.24 Kg/mCarga Resistente=3.87 TonLongitud Promedio de las pndolas=3.00mSeparacin, asumida, de pndolas =3.00mDe preferencia debe ser un valor inferior a 7.97mW pendolas=0.24 Kg/m

e) Peso de los accesoriosSe asumir el 10% del peso del resto de la estructura vaca

W accesorios=2.23 Kg/m

CARGA MUERTA=164.71 Kg/m

CARGA DE SISMO:Esta carga se estimaren el diseo de las torres del cruce

ANALISIS Y DISEO DE LA ESTRUCTURA COLGANTE

a) Verificacin del espaciamiento de las pndolasEste espaciamiento se calcula a fin de que la flecha vertical producida en la tubera sea imperceptible, para ello se tienen la siguiente ecuacione: (Bibliografa: manual tcnico de Duratec - Chile)

Donde:L: Separacin entre Pendolas cmEk: Mdulo de elasticidad para la tubera Kg/cm2D: Dimetro Externo de la Tubera cm.d: Dimetro Interno de la Tubera cm.q: Carga Distribuida que acta sobre la tubera Kg/cm.d: Flecha o defleccin (cm)d/L: Se recomienda trabajr con valores entre 1/200 y 1/300Para el caso analizado se tienen los siguientes datos

D45.00 cmd42.24 cmMdulo de Elasticidad14000.0d/L=1/300Q1.59 Kg/cm

L797.49 cm

L Asumida3.00mOk0.04Defleccin por cambio de temperatura:Adems de la defleccin por carga, tambin existir una defleccin lateral por temperatura entre los puntos de fijacin de los contravientos, debido a las propiedades mecnicas del polietileno, esta no llegar a afectar la resistencia del material, sin embargo es conveniente verificar dicha defleccin a fin que no sea excesiva y llegue a generar prdidas locales de carga, esta se analisa con la siguiente ecuacin:

Donde:Dy: Defleccin (m)L: Longitud de Anclajes (m)a: Coeficiente de Expansin trmica lineal, para el HDPE es 0.0002m/m linealCDT: Variacin de la temperatura (C)

Para el caso analizado se tienen los siguientes datosL=3.00 ma=2.0E-4DT=25.0

Dy=0.15 m

La defleccin lateral es aceptable

b) Diseo de las pndolasSe usar la siguiente combinacin de Cargas, de acuerdo a la norma E 020

C. Ultima= Carga Viva + Carga Muerta

C. Ultima=209.71 Kg/m

Adems la separacin asumida para las pndolas es: 3m por lo tanto la carga que resistira cada pndola ser:

C Actuante=0.63 Ton

Adems se tienen los siguientes factores de seguridad:

FACTORES DE SEGURIDAD PARA EL DISEO DE PENDOLA Y CABLE PRINCIPAL

Factor de seguridad para el diseo de Pndolas4.0factor de seguridad para el diseo del cable principal4.0

C Resistente=3.87 Ton

F.S Calculado=6.145Ok

b) Diseo del Cable PrincipalSe usar la siguiente combinacin de Cargas, de acuerdo a la norma E 020

C. Ultima= Carga Viva + Carga Muerta

C. Ultima=209.71 Kg/m

El anlisis se realiza pormedio de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de un cable parablico

Dado que se tienen 4 ecuaciones para 5 variables, se debe de aasumir el valor de una de ellas, en este caso se asume la flecha menor, la cual no debe mayor que 4m

Datos:

wo=209.71 Kg/mL=40.00mDH(f1-f2)=0.44mf1=4.00mAsumido

Resolviendo las ecuaciones por clculos iterativos se tienel1(m)22l2(m)20.5216817144f24.44Fh=9945.80604768239945.8060476823

l119.47831828562.521681714402.52l220.5216817145-00-0.00f24.44000.00Fh=12687.6862681555-2741.88022047320-2741.88l1(m)19.482.5216817144l2(m)20.52ERROR:#DIV/0!ERROR:#DIV/0!-0f2(m)4.440.000.000Fh(Kg)=9945.81ERROR:#DIV/0!ERROR:#DIV/0!-2741.8802204732Fh(Kg)=10312.89

Para el diseo se tienen los siguientes datos:

reemplazando en las ecuaciones

Fh95324.46 KgTmax95416.69 Kg

C Resistente=46.53 Ton

F.S Calculado=0.488Se debe de Cambiar a un dimetro mayor

Long.Curva (m)=41.06

Clculo de Flecha de las pndolas

La separacin entre la primera y la segunda pndola ser:2

x (m)y (m)0.000.940,0.942.000.862,0.865.000.755,0.758.000.668,0.6611.000.5911,0.5914.000.5414,0.5417.000.5117,0.5120.000.5020,0.5

DETERMINACION DEL NUMERO DE GRAMPAS PARA SUJECION DE CABLES

NOTA : Para fijar la pendola con la abrazadera asi como la pendola y el extremo superior de la tubera, los dobleces tanto como en el extremo superior y extremo inferior de la pendola se estiman segn el cuadro

DIAMETRO DE CABLE Y TAMAO DE GRAMPASCANTIDAD GRAMPASDISTANCIA ENTRE CADA GRAMPALONG. CABLE A DOBLAR DESDE GUARDACABOLONGITUD EXTREMO LIBRE

pulg.mmpulg.mmpulg.mmpulg.mm1/37.937521 7/8483 3/4961 7/8481 1/828.57566 3/41744110446 3/4174

# Total de grampas por pendola4# de grampasDistancia entre cada grampaLongitud de extremo libreLongitud de cable a doblarLongitud total doblez arriba y a bajo

Unin Pndola-Cable Principal24.8cm4.8cm9.6cmUnin Pndola-Tubera 24.8cm4.8cm9.6cm28.8cm

# Total de grampas por lado en el cable Principal6# de grampasDistancia entre cada grampaLongitud de extremo libreLongitud de cable a doblarLongitud total doblez arriba y a bajo

Unin Pndola-Tubera 617.4cm17.4cm104.4cm121.8cm

DISEO DE LOS PERNOS DE CONEXIN CABLE PRINCIPAL - LAS PNDOLAS - SOPORTE DE TUBERA La resistencia de los pernos se calcula mediante las siguientes ecuaciones

Resistencia Nominal del pernos en tensin:Donde:At: rea neta efectiva (Parte Roscada)Ab: Area de seccin Transversal (Parte Lisa)Fu: Resistencia ltima (MPa)Fn: Resistencia Nominal a tensin Fnt o Resistencia Nominal a corte Fnv; Fn=0.75Fu (MPa)

Las resistencias nominales se obtienen de la siguiente tabla

Resistencia de Elementos a Tensin fRn:

Bajo este criterio se disea la varilla lisa en la unin entre la pndola y la abrazadera de la tubera, as como los pernos de unin en las abrazaderas

Varilla de Conexin entre pendola y abrazaderaD asumido (pulg.)=1/2Ag(mm2)126.68fRn por fluencia (N) =28730.31Ae(mm2)107.68OKfy (MPa)=252.00fu (MPa)=400.00fRn por Rotura (N) =32302.60Ru (N)=3145.00OK

Perno de Conexin entre abrazaderas (4 pernos)D asumido (pulg.)=1/2Ab(mm2)126.68fTn (N) =78539.66fn (MPa)=620.00OKTu (N)=1572.50

Resistencia de Soldadura en unin entre abrazadera y placa superior

Por lo que el dimetro usado es el correcto

Resistencia de Elementos a Cortante (pernos) fRn:

Bajo este criterio se disean los pernos de unin entre placas sujetadoras al cable principal y la placa que se conecta a la pndola, el perno usado ser ASTM A325

D asumido (pulg.)=1/2Ag(mm2)126.68Fu (MPa)=609.33Fnv (MPa)=219.36m=2.00Ru (N)=6290.00

fRn por Cortante (N) =41681.76OKPor lo que el dimetro usado es el correcto

DISEO DE LA CAMARA DE ANCLAJE

Geometra de la Cmara de anclaje (Predimensionamiento)

Largo (l)3.5m Ancho (a)2.5mh2.00m17.5 Alto (h)2m

l3.50m

Cargas que actan en la Cmara de anclaje

Tmx

VmxHmx00

Tmx95416.69 KgHmx95324.46 KgVmx4194.28 KgW dadoW dado40250.00 Kgl/2l/2

a(rad)=0.5123894603ERROR:#DIV/0!a=29.35775354281520ERROR:#DIV/0!

Adems se tiene a las siguientes fuerzas actiantes en el dado de anclaje:

Fh Dado83162.86 KgFv Dado46779.11 Kg

Estabilidad al Deslizamiento(FS=1.8) Estabilidad al Volteo (FS=1.75) Estabilidad por Presin Sobre el Terreno

Cfricc. =1.0Mr =70437.5Kg-mFv =36055.72 KgMv =248189.150092975Kg-mFh Dado83162.86 KgFSV =0.28Aumentar l y disminuir a y hExcentricidad Fuera del Tercio CentralFSD0.4335556164Aumentar dimensiones de, a y he =6.6799149373mt =1.5Kg/cm2cap. Port.del terreno1 =51307.4295583964Kg/m21 =5.1307429558Kg/cm2No cumple2 =-43066.1213189182Kg/m22 =-4.3066121319Kg/cm2ok

Diseo del Macizo de AnclajeDatos de DiseoCalculosArea del MacizoA =95.4166942891cm2Tmx Rot.95416.69 KgDimetro del MacizoD =11.0221734879cmF.S2D =4 1/3pulgfs2000Kg/cm2usar Macizo de AnclajeD =1 1/2pulgTmxTraccin Mxima en el FiadorF.SFactor de seguridadfsResistencia a la Traccin del Fierro Liso

Vista en planta de la cmara de anclaje

Macizo de anclajeCable del Fiadora2.50m

l3.50m

DISEO DE LA ESTRUCTURA APORTICADA (DISEO DE LA TORRE)

Carga Vertical Sobre la torre (P)Vmx4194.28 KgSe refiere a la mxima tensin en los cables principalesN cables1.00Se refiere a la cantodad de cables principalesP4194.2764522828KgCarga Total Producida Sobre la TorreP4194.2764522828KgCarga Actuante en el centro de la torre

Predimensionamiento del PrticoPredimensionamiento de Columnas del prticoP14194.2764522828KgAgusar Seccin MnimaAg calculadadimensiones de las columnasusarf'c210Kg/cm2fy4200Kg/cm231.7027698585cm2b30cm900cm2b30cm2%cuantiat30cmt30cmPredimensionamiento de las Vigas de ArriostreRESUMEN GENERALdimensiones de las VigasLas vigas cumplirn estrictamente la funcion de arriostramiento a las columnasdimensiones de las Vigaspredimensionamientodimensiones de las columnas

b30cmb30cmb30cmh30cmh30cmt30cmDIMENSIONES DEL PORTICO (GEOMETRIA DEL PORTICO)dimensiones de las VigasAreadimensiones de las columnasAream2m2hb0.30m0.09b0.30m0.09segundo nivelh0.30mt0.30mh2

nivel cerocolumnas2h =0.30mvolumenhho =2.00m0.4140m3primer nivellongitud total2.30mh1HTvigas1h =0.30mvolumenL =1.2m0.108m3hluz libre (L)1.2mnivel ceroprimer nivelcolumnas2hoh =0.30mvolumenh1 =2.85m0.567m3longitud total3.15mvigas1b L=1.2bh =0.30mvolumenL =1.2m0.108m3ALTURA TOTAL DEL PORTICO (HT)HTHTHTHTHTHTHTHTHTHTHTHTHTluz libre (L)1.2mHT = 8.6msegundo nivelcolumnas2h =0.30mvolumenh2 =2.85m0.567m3longitud total3.15mvigas1h =0.35mvolumenL =1.2m0.108m3luz libre (L)1.2m

PESO TOTAL DEL PORTICO (P2)cc =2.4Tn/m3peso especifico del concretonivel ceroprimer nivelSegundo nivel

columnascolumnascolumnasvolumenvolumenvolumen0.414m30.567m30.567m3

vigasvigasvigasvolumenvolumenvolumen0.108m30.108m30.108m3

Peso del nivel ceroPeso del primer nivelPeso del Segundo nivel

1.2528Tn1.62Tn1.62TnPeso Total del Prtico (P2)P24.49Tn

CARGAS QUE ACTUAN SOBRE EL PORTICOFvCarga de viento proveniente del sistema areo, trasmitida como una fuerza cortante que acta en la cspide de la torre.P1

W2FvF2FvFo F1 F2Fuerzas de sismo distribuido en cada nivel del prtico Wv1 Wv2

W2 W1carga distribuida en cada nivel del prtico; por ejemplo: W1 representa el peso del primer nivel expresado por metro lineal; W2 representa el peso del segundo nivel expresado en metro lineal.W1F1

Wv2

WoFoWv1 Wv2Carga distribuida que el viento ejerce sobre la torre

P1Es la carga ejercida por el cable principal y el fiador

P2Es la carga debido al peso propio del prticoEsquema general en el que se muestra todas las fuerzas que actan sobre el prtico

CALCULO DE LAS CARGAS QUE ACTUAN SOBRE EL PORTICODatos para el clculo de Fvresultados de ClculoCn =0.55Coeficiente para tubos con superficies lisosq =15Kg/m2Presin dinmica del vientoFv148.50Kgd =450.0Dimetro de la Tuberia de FG (d)0.1485TnL =40.0mLongitud Total del Puente(L)Datos para el clculo de Wv1resultados de ClculoCn =2.8Coeficiente para torresq =25Kg/m2Presin dinmica del vientoWv117.5Kg/md =0.25mPeralte de la viga de arriostre en la torre0.0175Tn/mWv28.750Kg/m0.009Tn/mResultados de Calculo de P1P14194.2764522828Kg4.1942764523TnResultados de Calculo de P2P24492.8Kg4.4928TnCALCULO DE LA FUERZA SISMICA QUE ACTUAN SOBRE EL PORTICO (F1, F2)

Datos para el clculo de las cargas producidas por sismoresultados de Clculo

Rd =4Factor de ductilidadCarga total sobre el prtico(P)12881.3529045656KgZ =0.4Factor de zona12.8813529046TnU =1.5Factor de uso e importanciala cortante Basal (H)927.4574091287KgS =1.2Factor de suelo0.9274574091TnC =0.4Coeficiente Ssmico

Clculo del Coeficiente Ssmico (C)datoscalculosN =2Nmero de pisos (Arriostre)T =0.16segTs =0.2Periodo predominante del suelo, est en funcin al tipo de sueloC =0.4444444444esta en el rango

CALCULO DE LAS FUERZAS SISMICAS EN CADA NIVEL DEL PORTICOh =8.6mb =1.8mf = 0.85 ; si : h/b >6h/b =4.7777777778f = 1.00 ; si : h/b