Mémoria Final del cálculo de un puente peatonal

8/17/2019 Mémoria Final del cálculo de un puente peatonal

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Proyecto de puente peatonalLizberto Castañeda Ochoa

TALLER ESTRUCTURAL I

Dr. Agustín Orduña Bustamante


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1. ESTUDIOS PRELIMINARES Descripción de la construcción.

La construcción a continuación consiste en un puente peatonal que formará

parte del andador ubicado en la localidad “Lo de Villa” y que tiene comopropósito cruzar el canal que atraviesa dicha localidad.

La construcción tendrá una longitud de claro de 9 metros.

Ubicación.Se ubica a un costado de la carretera Colima-Coquimatlán a las orilla de la

localidad “Lo de Villa”.

Descripción del medio.Topografía y suelo.

Según el Sistema de Información Integral: Colima (SIIC) la región

fisiográfica en la que está ubicada la construcción es el Eje

Neovolcánico.

Asimismo en la región del Valle de Colima, donde el relieve es un plano

inclinado de norte a sur, los suelos son duros en la región.

Hidrografía.

El canal que proviene de la presa derivadora ubicada en Peñitas, lacual acumula agua del río Armería.

Sismicidad.

El estado de Colima se encuentra en una zona altamente sísmica

debido a que se encuentra en la zona de subducción de la placa de

cocos y la norteamericana.

Exposición a vientos.La construcción, al estar a bordo de carretera, no tiene construcciones

que obstaculicen las corrientes de aire.

Asimismo al estar en una zona costera, puede estar propenso al efecto

de huracanes y tormentas tropicales.


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Plano (Croquis).

Nota: las distancias se toman del eje de cada tramo. Dadas en metros.


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2. ESTRUCTURACIÓN

El objetivo de este proyecto es diseñar la estructura metálica, calculando todas las

cargas de servicio, momentos y cortantes.

Además, para que el perfil cuente con la capacidad de resistir todas las cargasactuantes y su peso propio.

Se optó por elegir tubos de perfil tubular rectangular, “PTR”, para su diseño. Serán

de 4” y de calibre no. 16 par a toda su estructura.

Para la cimentación se propuso una zapata corrida, a cada lado del puente, de

concreto reforzado f’c=24.5 MPa con varilla corrugada fy=411.9 MPa con un ancho

de .5 metros y una profundidad de 1 metro.

Para la parte transitable se propone una losa maciza de concreto pobre f´c= 9.8

MPa reforzada con una malla electrosoldada 5x5.


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Plano (Croquis).

Nota: las distancias se toman del eje de cada tramo. Dadas en metros.


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3. Análisis estructural

Modelo estructural

Para la modelación de la estructura se tomó la decisión de realizarla en el programa

SAP2000 – v14 que es un software de propósito general para el análisis y diseño de

cualquier tipo de sistema estructural.

Sistemas básicos y avanzados, que van de 2D a 3D, de geometría simple a lo

complejo, se pueden modelar, analizar, diseñadas y optimizadas utilizando un

entorno de modelado basado en objetos, práctica e intuitiva que simplifica y agiliza

el proceso de ingeniería.

La modelación de la estructura se basa en un conjunto de nodos y líneas querepresentan las vigas y sus uniones, así como los apoyos que en este caso se

suponen empotrados al piso.

Vista lateral de la estructura. Cada elemento de la estructura está asignada con un

nombre.

Para cada elemento se le asignan las propiedades del material del que se

encuentran fabricados, no olvidando seleccionar la opción que me represente todos

los datos en el sistema internacional de unidades.


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El programa nos permite crear un modelo 3D para su mejor apreciación:

Así mismo para la cimentación, que previamente se decidió que fuese una zapata

corrida a ambos lados de la estructura, se representara por dos columnas unidas

entre sí por una viga para representar su funcionamiento uniforme. Para representar

el comportamiento se eligió usar unos resortes (Springs).


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Desglose de cargas

Para realizar el pre-diseño de los elementos estructurales necesitaremos conocerlas cargas actuantes en la estructura, para iniciar definiremos las cargas muertas ycargas vivas, considerando el modelo estructural antes mencionado y la función quedesarrolla, de tal manera que para el caso de un puente peatonal y según elReglamento de Construcciones del Distrito Federal obtenemos la carga viva.

∗ = . /

*Carga viva considerada en comunicación para personas (pasillos, escaleras,rampas, vestíbulos y pasajes de acceso libre al público).

La carga muerta está constituida por el peso de la estructura misma:

Para los tubos “PTR” de las dimensiones propuestas, que son 4”x4” y con unespesor de 3/16” el peso por metro lineal es de 138.27 N.

La estructura cuenta con 81 metros lineales por lo tanto:

= .∗ = .

Para la losa se toma un peso volumétrico para el concreto reforzado de 23535.96N/m3 y tomando en cuenta que el espesor de la losa se propuso de 0.1 metros.

= .∗ . = .

Ahora teniendo de alguna manera la descripción de las cargas podemos iniciar unanálisis de los elementos para definir sus dimensiones, una vez obtenidas podremospasar a realizar un análisis de la estructura para definir los esfuerzos actuantes ypasar a diseñar los elementos de una manera más acorde a lo que sucede con laestructura.


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Análisis por viento.

Fuerzas de Viento

Las siguientes fuerzas debidas a la presión del viento, por metro cuadrado de área

expuesta, deben aplicarse a todas las estructuras. El área expuesta considerada esla suma de las proyecciones verticales de las áreas de todos los miembros.

Basándonos en la tabla de la CFE-2008 para las velocidades del viento regionales:

Para un periodo de retorno de 50 años (Tr50) la velocidad regional para Colima esde 150 Km/h.

La velocidad del viento varía con la altura y la rugosidad del terreno que recorre. Lavelocidad aumenta con la altura como se muestra en la figura 2.9. El parámetro Vges la velocidad límite de efectos independientemente de cualquie r superficie, δ esel espesor de la capa y V10 es la velocidad referencial a 10m.

Para puentes a alturas menores a 10m se usará la velocidad V10 (a 10 m), paraalturas mayores se usará la ecuación de AASHTO para el perfil de velocidad:

=2.5( )ln


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VDZ es la velocidad de diseño esperada en Km/h a una altura Z. VB es la velocidadbase del viento a 160 Km/h y V0 (velocidad de fricción) y Z0 (longitud de fricción) seobtienen de la tabla 2.8. La constante 2.5 es la inversa de 0.4 de la constante deKarman. V10 es La velocidad a 10m, si no se conoce 160 Km/h es un buen criterio.

La presión sobre la estructura es relacionada con la velocidad base del viento VB =150 km/h de la siguiente manera:

Las presiones para la velocidad base de viento son dadas en la tabla 2.9. Adicionalmente la carga lineal producto de la presión del viento no puede ser menorque 4.4N/mm en el barlovento y sotavento para puentes tipo viga. Estas cargasdeben considerarse en todas las direcciones y se debe usar los valores extremospara el diseño. También deben considerarse los ajustes de dirección, donde lapresión es separada en dos componentes perpendiculares entre sí como funcióndel ángulo de ataque.

Por lo tanto podemos concluir que nuestra presión dinámica (q) de base que estáen función de la velocidad de diseño es igual a:

= .


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Análisis por sismo.

Cargas sísmicas.Dependiendo del lugar de ubicación del puente, puede que los efectos sísmicos

sean irrelevantes o puede que gobiernen el diseño del sistema de resistencia decargas laterales.

Por lo que hay que basarnos en los siguientes principios:

• Sismos leves serán resistidos sin que los componen tes salgan del rango elásticoy sin sufrir daños importantes.

• Se usarán movimientos del suelo y fuerzas reales en el proceso de diseño.

• La exposición a prolongadas vibraciones no cola psará la estructura del puente,donde los posibles daños serán fácilmente detectables para inspeccionar y reparar.

El movimiento del suelo en sitios de terreno blando es muy diferente del que ocurreen terreno firme debido a la amplificación dinámica que sufren las ondas sísmicasal propagarse a través de medios deformables. También las irregularidadestopográficas y geológicas producen amplificaciones y atenuaciones en elmovimiento del terreno. Para fines prácticos, sólo se tomarán en cuenta lasamplificaciones producidas en depósitos de suelo con estratificación horizontal.

El destino de las construcciones debe tomarse como referencia para determinar suimportancia, y con ello, la protección o seguridad que se les provea. Este criterio seconsigna en la tabla 2.1. En el diseño sísmico de estas estructuras se seguirán

criterios especiales acordes con el estado del conocimiento.

Para nuestra estructura se tiene una clasificación B.

Atendiendo a las características estructurales que influyen en la respuesta sísmica,las construcciones se clasifican, según su estructuración, como se indica en la tabla2.2.


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Obtenemos mediante PRODISIS el espectro de diseño:

Al ser una estructura Tipo 7: Puentes se tomara un valor de Q = 3.

Usado los valores de cargas muertas y vivas en el desglose anterior y tomando encuenta la parte de la estructura que soportara estas fuerzas sísmicas:

L = 9m – 3m = 6m


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Para una distribución lineal de las cargas vamos a tomar en cuenta la carga muertamás la carga viva entre la longitud lo que nos da 4.77 Kn/m

Para la longitud (L) que va a resistir dichas fuerzas:

4.77 Kn/m * 6m = 28.62 Kn

Así mismo, este peso se afectara por el coeficiente sísmico calculado conanterioridad:

= ∗ () Donde:

P=Fuerza sísmica

W=Peso de la estructura más cargas vivasC=valor del coeficiente sísmico

Q=Factor de comportamiento sísmico

=28.6∗(0.3.3)=2.86

Para concluir podemos tomar las fuerzas sísmicas como las de mayor impactopara nuestra estructura.


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3. Diseño estructural


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Una vez realizado el Diseño de la estructura, el programa nos permite realizar unaoptimización de la misma.

Una vez realizada dicha optimización podemos volver a revisar, por ejemplo, lasdeformaciones los esfuerzos, los desplazamientos, y en este caso analizaremos losestados límite de servicio.

Para las condiciones de servicio se revisará:

La flecha al centro de claro Desplazamiento lateral relativo de entrepisos

En nuestro caso, al no contar con entrepisos, solo vamos a revisar la flecha al centro

de claro de vigas, para lo cual vamos a tomar el nodo al centro del claro de laestructura.


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Ya previamente optimizada la estructura analizamos las deformaciones máximaspara ese punto:


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Podemos observar que las traslaciones y los desplazamientos para ese punto nosuperan los .35 mm lo cual en base al Reglamento está permitido y nos permite unacondición de servicio aceptable.


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Diseño de conexiones y nodos.

Se presentan los de talles de la sección elegida y las conexiones:

Se escoge el perfil W8x31 debido a que este cumple con las condiciones del puente,luego del análisis y el cálculo de las fuerzas actuantes sobre la estructuraverificamos como el perfil resistiría dichas cargas.

Todos los diseños son realizados con la restricción de que la estructura no supereel rango elástico.

Perfiles más pequeños cumplían con las cargas de la viga a tracción pero en elmomento de revisar la resistencia de la viga a compresión con el mismo perfil nolograba la resistencia requerida, por esto fue necesario buscar un perfil adecuado.

La conexión de la placa que soporta el esfuerzo cortante falla a fractura.

El diseño de la conexión fue un diseño realizado a momento.

Una vez que ya se haya realizado el análisis estructural y habiendo obtenidos losresultados arrojados por el diseño estructural, se diseña la conexión entre viga ycolumna.


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Para el diseño de una conexión soldada vamos a tomar la siguiente:

Fig. 1 y 2 (dimensiones en mm)

Para la que debemos revisar si es adecuada para la resistencia requerida. La cual es, para cargamuerta, de 0.50 Ton y para carga viva es de 1.40 Ton.

Consideraremos el F Y = 3514 Kg/cm 2 y Fu = 4568 Kg/cm 2

Además, para la soldadura se propuso electrodos E60.

Determinamos la resistencia requerida para diseño según el reglamento del LRFD:

=1..2 +1.6 =1.20.50+1.61.40=2.64 =1..4 +1.0 =1.40.50+1.01.40=2.10

Por lo tanto: Pu = 2.64 Ton

También hacemos la determinación de la Resistencia a Cortante de la Soldadura de Filete.

Determinación de la dimensión de diseño de los catetos:

En este caso la soldadura de filete tiene catetos iguales. Por lo tanto, w = w1 = w2 = 1.588 mm

El tamaño máximo de cateto a ser considerado en diseño está limitado por w1 £ t1. Donde t1es el espesor menor de las láminas conectadas. En este caso las láminas son del mismo espesor,t = t1 = t2 = 1.524 mm.

Entonces en este caso, w1 > t1, por lo que se deberá usar w1 = t1 = 1.524 mm.

Determinación de la garganta efectiva:

= 0.707 = 0.707 1.524 = 1.077 = Determinación de la resistencia a cortante de la soldadura:

, = 2 50.0 60,

= 0.75 0.108 10.00 4216 = 3414.9 = 0.60; = 0.60 3414.960 = 2048.9


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Determinación de la Resistencia a Cortante de las Láminas.

ó , / = 50/1.524 = 32.808 > 2

= 0.75 0.1524 5.00 4568 = 2610.612 = 0.55; = 0.55 2610.612 = 1435.8

: = 2 1435.837

Determinación de la Resistencia a Tensión de las Láminas

= 3514 0.1524 6.5 = 3480.968 = 0.90; = 0.90 3480.968 = 3132.87

Fractura de la sección neta alejada de la conexión:No aplica, ya que no hay agujeros en la placa alejados de la conexión.

Fractura de la sección neta efectiva en la conexión:

U = 1.0, ya que no existen elementos fuera del plano de carga. Por lo tanto el áreaneta efectiva es igual al área neta. Sin embargo, según la Sección E2.7, el área netaserá igual al área bruta para conexiones con soldaduras longitudinales.

= = 0.1524 6.5 = 0.991 2

. 9.91 : = 4568 0.991 = 4526.88


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: = 0.60; = 0.60 4526.888 = 27

Revisión de la Conexión.

Resistencia a cortante

Se establece para soldaduras de filete que si t < 3.8 mm, la resistencia a cortante de laconexión será gobernada por la resistencia de las láminas. En nuestro caso, t = 1.524 mm <3.8 mm; por lo tanto, la resistencia de diseño por cortante será:

LRFD: Pu = 2671.674 kg = 2.672 Ton

Resistencia a tensión

Se observa que la resistencia a tensión estará gobernada por fractura de la sección en laconexión.

Por lo tanto:

LRFD: Pu = 2716.133 kg = 2.716 Ton.

Finalmente, se observa que la resistencia de la conexión estará gobernada por la resistencia atensión de las láminas. Por lo tanto, la resistencia de diseño de la conexión será:

LRFD: Pu = 2716.133 kg = 2.716 Ton > 2.64 Ton

Por lo tanto la conexión es adecuada para la resistencia requerida para LRFD.


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Diseño de cimentación.

La subestructura o cimentación es aquella parte de la estructura que se coloca

generalmente por debajo de la superficie del terreno y transmite cargas al suelo

o roca subyacente.

Si existe un suelo satisfactorio inmediatamente debajo de la estructura, es

suficiente distribuir la carga mediante zapatas u otros medios. Estas

subestructuras se conocen como cimentaciones superficiales y es precisamente

este tipo de cimentaciones que se propone para este proyecto.

Para diseñar y calcular la cimentación de nuestra estructura se van a requerir

varios datos importantes:

Debemos estimar la capacidad de apoyo que permite el suelo.

Con las cargas de servicio se obtienen los momentos que actúan en la

base donde se sostiene la estructura. Usamos la combinación más

desfavorable.

Calcular el área necesaria de la zapata con el cociente de la carga total

de servicio y la capacidad del suelo.

Para el diseño de la cimentación de concreto reforzado haremos las siguientes

consideraciones:

;′ = ;′ =

; ∅=" Para el acero de refuerzo se propuso varilla con el diámetro antes mencionado

a la espera de hacer el cálculo para verificar cualquiera de las anteriores

propuestas, ya sea en acero o como las dimensiones de la misma cimentación.


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Presentación del plano estructural.

Archivo .PDF adjunto.

Estimación de precios unitarios y costo de la estructura.

Básicamente el presupuesto es el cálculo aproximado del costo de una obra.

La finalidad de un Presupuesto de Obra: Las mediciones y el presupuesto de obratienen como finalidad dar una idea aproximada y lo más real posible del importe dela ejecución del proyecto, no indica los gastos de explotación ni los gastos de laamortización de la inversión una vez ejecutada.

En general se pueden identificar los siguientes grandes componentes los cualesparticipan en los costos básicos de una obra:

Materiales. Mano de obra. Equipos y herramientas. Gastos generales: administración e imprevistos. Impuestos.


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Definiciones y Conceptos con base en la Ley de Obra Pública y Ley Federal delTrabajo.

Precios unitarios

Capítulo VI

Artículo 185 RLOPSRM

COSTO.- Es el conjunto de gastos en que se incurre para poder producir un bien,dentro de un sistema de producción.

COSTO DIRECTO: Son los costos asociados directamente con la producción físicade un bien, tales como materiales o de mano de obra.

COSTO INDIRECTO: Son los costos asociados con la construcción o la fabricaciónde un bien que no se pueden identificar físicamente. Algunos ejemplos son el

seguro, los costos de financiamiento, los impuestos, la utilidad del constructor o elpromotor, los costos administrativos y los gastos legales.

UNIDAD DE OBRA, es unidad de medición señalada en las especificaciones, paracuantificar el concepto de trabajo con fines de medición y pago.

CONCEPTO DE TRABAJO, es conjunto de operaciones manuales y mecánicasque el contratista realiza durante la ejecución de la obra, de acuerdo a planos yespecificaciones.

Divididas para fines de medición y pago. Incluye suministro de materiales.

PRECIO UNITARIO.-Es la remuneración o pago monetario, que el contratantecubre al contratista, por unidad de obra y concepto de trabajo que ejecute, deacuerdo a las especificaciones.

ESPECIFICACIONES.-Definen exactamente la obra que se requiere y la maneraen que debe ejecutarse, lo que invariablemente constituye la base para determinarlos precios unitarios de los conceptos de obra.

Son en conjunto de requerimientos exigidos en los proyectos y presupuestos paradefinir con precisión y claridad el alcance de los conceptos, deben contener:


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Especificación: Descripción detallada de un concepto de obra.

Características :

1. Descripción del trabajo

2. Materiales a emplear3. Requisitos de construcción

4. Métodos de medición

5. Base de Pago

Para finas prácticos, se dividirán los conceptos por categorías, siendo estas lassiguientes:

1. Preliminares2. Cimentación3. Estructura metálica

1.- Preliminares

DESCRIPCIÓN UNIDAD CANT P. U. TOTALPRELIMINARES

01 Trazo y nivelación de terrenoestableciendo ejes y niveletas de

referencia con equipo topográfico, incluye:material, equipo, mano de obra yherramienta.

M2 19.25 6.11 117.62

02 Excavación manual en zanjas en materialtipo B en seco de 0.00 a 2.00 m. deprofundidad, incluye: afloje, extracción,acamellonado, mano de obra, herramientay equipo.

M3 5.60 152.47 853.83


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Para la cimentación se considera la construcción de la zapata corrida y la colocaciónde la placa base donde se anclará la estructura metálica.

CIMENTACIÓN

03 Zapata corrida de 1.05x1.50. Armadac/vars. #5 @35 cm, ambos sentidosc/concreto F'c=250 kg/cm2, incluye:materiales, mano de obra, herramienta,equipo y todo lo necesario para sucorrecta ejecución.

PZA 2.00 2,402.00 4,804.00

04 Suministro y colocación de anclas deacero roscado de 3/8" de .5m delongitud. Incluye: tuercas y rondanaspara acoplamiento de la estructura

PZA 16 124.78 1,996.48

A continuación, el habilitado del acero para la estructura del puente.

ESTRUCTURA METALICA

01 Suministro, habilitado y montado deestructura metálica según planos, compuestapor PTR de 4"x4" con 3/8" de espesor,soldado a ángulo de 1/4 embebido en losa,incluye: materiales, mano de obra,herramienta y equipo, recubrimientoanticorrosivo a base de esmalte Comex 100aplicado según sugerencia de fabricanteretiro de sobrantes y todo lo necesario parasu correcta ejecución.

KG 689.35 22.08 15,220.85

La construcción de la estructura total, será la suma de todos nuestros totales:

Preliminares 971.45

Cimentación 6800.48

Estructura 15220.85

Lo que nos arroja un total de costo de la obra de $ 22,992.78

Nota1: Cabe mencionar que para el presupuesto se tomó, como se dijo, solo loscostos de la construcción de la estructura.

Nota2: Los Precios Unitarios fueron analizados en base a un curso tomado por laCMIC


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Conclusiones y comentarios.

Esta estructura al no contar con grandes áreas transversales a las corrientes de

viento y al tener claros relativamente pequeños y ser una estructura sin grandes

proporciones las cargas accidentales no afectaban demasiado.

El proyecto en general me pareció muy interesante y así mismo me sirvió de

retroalimentación, ya que tuve que volver a usar lo aprendido de semestres

anteriores ya sea para la cimentación, el concreto reforzado y el acero.

La forma en que se llevó el taller creo también fue importante, ya que al no tener

nosotros una clase como tal, debimos buscar por nuestra cuenta las bibliografías,

reglamentos, tutoriales para implementarlos con un software, y cualquier

herramienta para diseñar correctamente nuestra estructura. Me parece una formaun poco más apegada a la realidad.

Creo que es importante al menos tener conocimientos bien fundados de lo que es

diseñar estructuras, así no tengas planeado trabajar o no estés interesado en esa

área, ya que como ingenieros es importante saber resolver correctamente esos

problemas ingenieriles.

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