Memoria de Calculo Muelle San Jose

Ing. José Francisco Núñez Ernau

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MEMORIA DE CALCULO ESPECIALIDAD ESTRUCTURAS –DPA SAN JOSE

1.0 OBRAS DE MAR

Dentro de los referente a memoria de cálculo presentamos la memoria de cálculos de los

elementos mas importantes en el muelle:

1.1 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO

Se ha tomado en cuenta las consideraciones técnicas para la modulación estructural

La profundidad de empotramiento dentro del fondo marino para los pilotes

es de Df=15 metros. La altura del nivel del fondo marico al nivel de la

plataforma (cabezo- puente de acceso) es de 10.70 =11 m. Por lo tanto la

altura total del pilote es de 26.00m.

De acuerdo la Norma Técnica del “Diseño Sismo – Resistente” del

Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE), el suelo en estudio se

encuentra en la en la Zona 3 de alta Sismicidad. Y los valores de los

parámetros sismo resistente son:

S (factor del suelo) = 1.40;

periodo predominante de Tp(s) =0.90” y

un factor de zona Z = 0.40 g.

Suelo de cimentación

Por las características geológicas de la zona, el suelo de cimentación en el

alineamiento propuesto del muelle espigón y enrocado de protección en toda la

zona es de arena media fina (SP) de densidad relativa suelta, con presencia de

arena con conchuelas y bajo porcentaje de gravas hasta profundidad de 3 m.

medidos desde el fondo marino, continuando con densidad relativa media

continuando con un estrato de arena y gravas hasta una profundidad de 5.00 m

explorados.

Los suelos presentan un grado de exposición a los sulfatos severo por lo

que el estudio de suelos recomienda el empleo de Cemento tipo V, para

evitar la desintegración del concreto al reaccionar con los hidróxidos de

calcio liberados en el proceso de hidratación del cemento.


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Además por la presencia elevada concentración del ion cloruro es necesario

el empleo de cemento con mayor contenido de aluminato tricalcico (C3A),

así como el empleo de concretos poco permeables y con relación agua

cemento 0.45.

1.2 PARAMETROS DE DISEÑO ADOPTADOS

Concreto:

Pilotes de Concreto: Concreto f’c=350kg/cm2.

Elementos Estructurales: Concreto f’c= 280 kg/cm2.

Cemento: Cemento Tipo V

Acero:

Corrugado: Fy = 4,200 Kg/cm2.

Pesos:

Concreto Armado: 2,400 kg/m3.

Sobre Carga:

Carga Viva: 1,000 kg/m3.

Grúa 36 Tn.

Cargas de impacto contra el muelle

Fuerza Normal = 10.4 Tn.

Fuerza Paralela = 5.3 Tn.

COMBINACIONES DE CARGA

Las combinaciones de carga por condiciones de rotura para el diseño de concreto:

CU1: 1.4D+1.7L

CU2-1: 1.25D+1,25L+1.25W1

CU2-2: 1.25D+1,25L-1.25W1

CU2-3: 1.25D+1,25L+1.25W2

CU2-4: 1.25D+1,25L-1.25W2

CU3-1: 0.9D+W1

CU3-2: 0.9D-W1

CU3-3: 0.9D+W2

CU3-4: 0.9D-W2

CU3-1: 1.25D+1,25L+Ex

CU3-2: 1.25D+1,25L-Ex


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CU3-3: 1.25D+1,25L+Ey

CU3-4: 1.25D+1,25L-Ey

CU4-1: 0.9D+Ex

CU4-2: 0.9D-Ex

CU4-3: 0.9D+Ey

CU4-4: 0.9D-Ey Donde: CM: Carga muerta

CV: Carga viva Ex, Ey: Cargas de sismo en dirección x e y, respectivamente W1, W2: Cargas de Viento. Análisis Sísmico:

La zona en estudio se encuentra en la Zona 3 en la Zonificación Sísmica del Perú

con un factor de zona = 0.40, los parámetros geotécnicos corresponden a un suelo

de perfil tipo S3, con periodo predominante de Tp= 0.90 seg. y factor de suelo S=

1.40 para ser usado en las Normas de diseño Sismo-Resistente.

El análisis sísmico se ha efectuado de acuerdo a la nueva norma E-030, que

contempla lo siguiente:

V= ZUCS P

R

Donde:

V= Fuerza Cortante en la base

Z= Factor de Zona

U= Factor de Uso 1.30 (Edificación Importante)

C= Factor de Ampliación Sísmica

R= Coeficiente de Reducción por ductilidad

Con el siguiente valor mínimo: C/R >= 0.10

Para el coeficiente de reducción “R”, se ha considerado un tipo de elemento sismo

resistente conformado por pórticos en ambos sentidos por lo que se adopta un

coeficiente R = 8.

Factor de Zona Se trata de un edificio ubicado en el Departamento de Lima

Zona 3 entonces: Z = 0.4

Factor de Uso Edificio Esenciales U = 1.5


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Factor de Amplificación del suelo: Suelo tipo S3: S = 1.4

Factor de Reducción de Fuerza Sísmica Rx=8, Ry=8

1.3 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño estructural se ha efectuado para el máximo efecto de las cargas sobre cada uno de los elementos empleando las combinaciones y los esfuerzos permisibles de las especificaciones del reglamento, además se ha escogido el valor máximo de las combinaciones de carga que señala el mismo. Se resolvió las estructuras utilizando los programas de cómputo SAP 2000 el cual contamos con certificación y licencia, dicho programa permiten trabajar con elementos tipo pórtico tridimensional considerando además la opción del diafragma rígido para el análisis estático y/o dinámico.


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Fig. N°2 Tramo típico que se modelo en el Sap 2000

Fig. N°2 Modelamiento Matemático


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1.4 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL VERIFICACION DE PILOTE Se está verificando los pilotes de secciones (0.50x0.50m)

f´c= 350 Kg/cm2

Fig. N°3 ubicación de pilotes en los diferentes ejes típicos en el muelle.

Fig. N°4 Refuerzo requerido del pilote


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Los aceros requeridos para el pilote en el eje más crítico según los cálculos del programa son de 71 cm2. Esto equivale a un acero de 14 Ø1”, para la parte más crítica del pilote, considerando un momento flector máximo igual a 26 Tn/m y una carga puntual de 40 Tn

Acero proyectado 14 Ø1”

VERIFICACION DE VIGA VC-01 Se ha modelado la viga de soporte entre los pilotes en el eje más crítico.

Fig. N°5 Ubicación de viga principal del muelle

Fig. N°6 Modelamiento viga principal del muelle


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DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE

Fig. N°7 Diagrama de Fuerza Cortante Tn DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR

Fig. N°8 Diagrama de Momento Flector Tn/m2

AREA DE ACERO DE REFUERZO

Fig. N°9 Aceros requeridos en la viga en cm2


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Refuerzo según diseño de viga VC-1

ESTUDIO DE CAPACIDAD DE CARGA DEL ATRAQUE Se pretende realizar un estudio de la capacidad resistente de las cimentaciones, con el objeto de evaluar la capacidad resistente del muelle, como carga de diseño o esquema de analisis de las solicitaciones actuantes, Carga Horizontal de Diseño (Debido a la accion de los buques),entre otros aspectos. Para el caso de las estructuras portuarias es inevitable tener en cuenta los requisitos fundamentales para el proyecto, especialmente en elos efectos que produce el buque hacia la estructura o la instalacion donde se ejercen fuerzas de empujes, cuando el mismo esta amarrado al muelle producto de los agentes exteriores (medio ambiente), tambien al realizar la tarea de atracar en el que provoca sobre el muelle fuerzas o cargas paralelas a la superficie defensa que actuan vertical y horizontalmente en la zona de contacto entre el casco del buque y el sistema de atraque. FUERZAS NORMALES DEL BUQUE AMARRADO Fuerzas Normales del Buque amarrado FNT.

Fnt = Fnv + Fnc + Fno Fnv= Fuerza Normal de Viento en Kilometros Fnv = 73.6x10‾5 x An x V²n x ɛ Donde . 73.60 coeficiente empirico


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An = Area neta expuesta del buque en lastre normal en m2 que se determina según formula

An= A – Ap A = Area expuesta bruta del buque en lastre en m2, a falta de datos exactos se puede determinar por una de estas formula sempiricas.

Fig 1.0 Accion del viento sobre el buque

Fuerzas normales debido a la ola Fno, en Km Fnc = 0.59 x Ans x (Vnc)² Donde: Ans = area sumergida de buque en m2 normal a la direcion de la corriente. Vnc = Velocidad de la corriente normal atraque en m/s. Fuerzas normales debido a la ola Fno, en Km Fno = ɳ þ ġ ho Ans ɳ = Es un coeficiente que se toma del abaco en funcion de las relaciones de calado Cen m y la longitud de la ola en m. þ = Densidad del agua de mar 1.025 tf/m3 ġ = Aceleracion de la gravedad = 9.81 m/s2 ho = Altura de la ola en m que se determina de las informaciones hidrograficas del lugar para un 5 % de profundidad.


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Fuerzas paralelas del buque amarrado Es la fuerza paralela total Fpt que se considera como la suma de las fuerzas paralelas debido al viento Fpv, a la corriente marina Fpc, y las fuerzas paralelas debido alas olas Fpo. Fpt = Fpv + Fpc + Fpo. Fuerza normal de viento en kilometros Fpv = 49.0x10-5xApv x V²pv x ɛ 49.0 = coeficiente empirico Apv = Area neta expuesta del buque en lastre normal paralela a la velocidad del viento. Vpv = Componente de la velocidad del viento paralela ala atraque que se determina por las informaciones hidrograficas. ɛ = Coeficiente que swe toma de la tabla anterior. Fuerza paralela debida a la corriente maritima Es La Producida Por La Velocidad De La Corriente Vpc en Kn. Fpc = 0.59 x Aps x ( Vpc)²

0.95 coeficiente empirico Vpc = Velocidad de la corriente paralela al atraque, em m/s y se determina de las informaciones hidrograficas con un 2% de probabilidad. Aps = Afalta de datos se tomara el 14% del area sumergida normal.

Fuerza paralela debido a la ola Fno en Km. Fno = ɳ þ ġ ho Aps

Donde: ɳ þ ġ ho ya fueron definidos anetriormente. Aps A falta de datos se tomara el 14% del area sumergida total. Fuerza De Compresion Sobre El Muelle Como señalamos anteriormente la Fn, que le viento, la corriente y las olas producen sobre el buque se trasmites al atraque determinando fuerzas de compresion o de traccion.la fuerza total de compresion , C, EN Kilonewton, sobre el muelle.

C = 1.10 Fnt/ Lc

Lc = Longitud de contacto de la operación con el atraque, en m. este valor depende de la relacion entre el largo del muelle L y el largo de la recta del buque, Lr en m.


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FUERZA DE TRACION SOBRE LOS CABOS Cuando el buque ejerce traccion sobre el muelle, lo hace mediante las fuerzas de traccion Nt que actuan sobre los cabos de amarre,. Esta se determina apartir de la fuerza normal total Fnt, del numero de amarres que trabajan (n), del angulo de inclinacion ( βen grados) del cabo con el plano que contiene el tablero del muelle y del angulo ( βen grados) que forma la proyeccion de Nt con la linea de atraque. Nt = Fnt / n x sen xβ cos β Al atracar el Buque Al atracar el buque este produce impacto sobre el muelle , determinando la fuerza normal de impacto Fni y la fuerza paralela de impacto, Fpi. Fuerza Normal total debido ala impacto Fni Para obtener esta fuerza en KN. Es necesario determinar la energia absorbida Eab, por el sistema de atraque defensa en K J: Eab = Ψ V²/ 2g Donde: Ψ = Coeficiente que se toma de una tabla, para buques en lastre se reduciran los valores

en 15%.


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V = Componente de la velocidad de aproximacion normal del buque en m/s que se toma de una tabla. g = Aceleracion de la gravedad = 9.81 m/s. La fuerza normal total de impacto aplicado al atraque se obtiene por la expresion siguiente:

Fni = √ 2 K Eab Donde: K =Es la constante de rigidez del sistema atarque- defensa en KN/m. Eab = esta definida en la expresion anterior. Fuerza paralela total debida al impacto Fpi Fpi = μ Fni Donde: μ = Coeficiente que depende del material de la superficie en contacto de las defensas y buques, se producen los valores de: μ = 0.5 para hormigon o goma μ = 0.4 para madera.

CARGAS DE ROZAMIENTO (T) Son cargas paralelas a la superficie del sisitema de defensa que actuan vertical y longitudinalmente en la zona de contacto entre el casco del buque y el sistema de atraque. En condiciones de valor maximo que puede existir tanto vertical como horizontalmente sera: T = μ x R Donde: R= Carga De Impacto De Proyecto μ = Coeficiente de rozamiento entre la superficie del sistema de defensa y de casco del

buque en el area de contacto. Datos para el calculo de las cargas de Impacto Fuerzas Normales del Buque amarrado Fnt

Fnt = Fnv + Fnc + Fno

Fnv= Fuerza Normal de Viento

Fnv = 73.6x10‾5 x An x V²n x ɛ constante Vn2 ɛ An A

0.0000736 6400 0.8 72 108

Fnv =27.13

Fnc= Fuerza Normal debido a la ola Ans constante

Fnc = 0.59 x Ans x (Vnc)² Fnc =226.56 60 0.59

Fno = Fuerza Normal debido a la ola ɳ þ ġ ho

Fno = ɳ þ ġ ho Ans

0.5 1.025 9.81 4

Fno = 1.206


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Fuerzas Paralelas del buque amarrado

Fpt = Fpv + Fpc + Fpo.

Fuerza normal de viento constante Apv Vpv2

0.000049 60 4802.49

Fpv = 49.0x10-5xApv x V²pv x ɛ

Fpv = 11.30

Fuerza paralela debida a la corriente maritima Aps Vpc2 constante

Fpc = 0.59 x Aps x ( Vpc)² 8.4 6400 0.59

31.7184

Fpc = 31.72 Kn

Fuerza paralela debido a la ola Fno

Fno = ɳ þ ġ ho Aps 168.9282

Fno = 168.3 Kn

Fuerza De Compresion Sobre El Muelle C Fnt Lc cte

254.90 50 1.1

C = 1.10 Fnt/ Lc 5.61

C = 32.13

Fuerza de Traccion sobre los cabos Nt θ β n sen θ cos β

25° 20° 10 0.422618 0.939692

Nt = Fnt / n x sen ᵦx cos β 10.12

Nt = 57.99 Kn

Es necesario determinar la energia absorbida Eab

Ψ V² 2g

Eab = Ψ V²/ 2g 5 3600 19.62

917.43

Eab = 917.43 Kn

La fuerza normal total de impacto aplicado al atraque Fni K Eab c

6 917.43 2

Fni = √ 2 K Eab Fni = 104.92 Kn

Fuerza paralela total debida al impacto Fpi μ Fpi

0.5 52.46

Fpi = μ Fni

Fpi = 52.46 Kn

Carga de Rozamiento T R μ

104.92 0.5

T = μ x R 52.46

T = 52.46 Kn


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DISEÑO DEL PILOTE INDIVIDUAL

Del análisis del muelle con el programa sap 2000, se ha modelado un segmento de parte del muelle que es típico, del cual esto es tomando en cuenta todas las consideraciones de carga puntuales(peso de grúa y equipos varios) y la perpendicular que es por el atraque de embarcaciones (Fuerza normal de impacto). .

Fig.1.9 Cargas Impuestas al pilote del muelle. Hay dos tipos de diseño de pilotes: como columna corta sometidas a carga axial, cuando se encuentran apoyados lateralmente por el terreno(Fig 2.0 (a)), el caso no apotados lateralmente sobre el terreno, estos deberan ser diseñados como columnas bajo carga axial y flexion, ademas la columna se comporta como una columna larga, este se diseñara considerando los efectos de esbeltez (Fig 2.0 (b)),

Fig.2.0 Columna corta (a) y columna larga (b)


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Consideraciones del pilote Cabezo. La longitud efectiva es de 13.5m Seccion del pilote rectangular de (0.50x0.50). Acero considerado 14 fierros de 1” Consideraciones de carga . Carga Axial ultima de 40Tn por pilote. Momento Flector Maximo 26.00 Tn/m. Estos datos salen de la evaluacion de la estructura en el programa Sal 2000, en el cual se a modelado la estructura. LONGITUD DE DISEÑO DEL PILOTE CABEZO Reduccion por esbeltes Altura del tablero sobre el agua 4 Profundidad de Fondo Critico 7 Longitud de empotramiento Le=1.8(EI/nh)Ʌ 1/5 2.5

Longitud de cimentacion 13 Longitud de Pilote 26.50 Longitud de diseño Cabezo 13.5 Factor de Reduccion R K a usar : 0.8 Según el analisis del pilote utilizando el programa MIDAS,las dimensiones adoptadas y el acero que hemos considerado, es el que se aprecia en la figurta siguiente, siempre que : El Momento Flector maximo no exceda de 26 Tn/m.

Fig° 2.1 Pilote dimensione y refuerzo proyectado


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LONGITUD DE DISEÑO DEL PILOTE ACCESO Consideraciones del pilote Acceso. La longitud efectiva es de 13.5m Seccion del pilote rectangular de (0.50x0.50). Acero considerado 14 fierros de 1” Consideraciones de carga . Carga Axial ultima de 40Tn por pilote. Momento Flector Maximo 26.00 Tn/m. Estos datos salen de la evaluacion de la estructura en el programa SAP 2000, en el cual se a modelado la estructura . Reduccion por esbeltes Altura del tablero sobre el agua 4 Profundidad de Fondo Critico 7 Longitud de empotramiento Le=1.8(EI/nh)Ʌ 1/5 2.5

Longitud de cimentacion 13 Longitud de Pilote 26.50 Longitud de diseño Pilote 13.5 Factor de Reduccion R K a usar : 0.8

Según el analisis del pilote utilizando el programa MIDAS,las dimensiones adoptadas y el acero que hemos considerado, es el que se aprecia en la figurta siguiente, siempre que : El Momento Flector maximo no exceda de 26 Tn/m.

Fig° 2.1 Pilote dimensione y refuerzo proyectado


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Concluciones :

1.- En la siguiente etapa del estudio se debera realizar un estudio completo y

detallado de las cargas laterales aplicadas al puente de acceso y el cabezo , efectuando un modelo tridimensional de los mismos

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