anexo n estudio hidraulico de puentes vf

IAL Ambiental Ltda.

ANEXO N ESTUDIO HIDRULICO DE PUENTES

Anexo N Estudio Hidrulico de Puentes Estudio de Impacto Ambiental Concesin Autopista Concepcin - Cabrero

CONCESIN AUTOPISTA CONCEPCIN-CABRERO Y RED VIAL DEL BO-BO

ESTUDIO HIDRULICO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBAEZ

Versin A

OCTUBRE 2009

DOCUMENTO EJECUTO REVISO APROB

ESTUDIO HIDRULICO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBAEZ

NDICE

1.

DETERMINACIN NIVELES DE AGUAS MXIMAS.............................................. 1 1.1 1.2 Metodologa de clculo................................................................................. 1 Condiciones de clculo ejes hidrulicos....................................................... 1 1.2.1 Emplazamiento y luz del puente proyectado .................................... 1 1.2.2 Crecidas de diseo ........................................................................... 1 1.2.3 Topografa......................................................................................... 2 1.2.4 Pendiente longitudinal....................................................................... 2 1.2.5 Coeficientes de rugosidad ................................................................ 2 Rgimen de escurrimiento............................................................................ 3 Ejes hidrulicos resultantes.......................................................................... 3 Niveles de aguas mximas........................................................................... 3

1.3 1.4 1.5 2.

CLCULO DE SOCAVACIONES .......................................................................... 12 2.1 2.2 Objetivos y alcances................................................................................... 12 Metodologa de clculo............................................................................... 12 2.2.1 Socavacin general del lecho ......................................................... 12 2.2.2 Socavacin local al pie de cepas.................................................... 15 2.2.3 Socavacin local al pie de estribos................................................. 17 Condiciones de clculo............................................................................... 17 2.3.1 Informacin topogrfica .................................................................. 17 2.3.2 Antecedentes hidrulicos................................................................ 17 2.3.3 Antecedentes sedimentolgicos ..................................................... 18 2.3.4 Caractersticas y geometra del puente proyectado ....................... 18 Resultados obtenidos ................................................................................. 19 2.4.1 Socavacin general del lecho ......................................................... 19 2.4.2 Socavacin local al pie de pilas ...................................................... 20 2.4.3 Socavacin local al pie de estribos................................................. 21 2.4.4 Socavaciones totales ...................................................................... 21

2.3

2.4

NDICE FIGURAS

FIGURA 1.1

PERFIL LONGITUDINAL DEL RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBAEZ........................................................................................................ 4 CURVA GRANULOMTRICA LECHO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBEZ ESTRATO 0,76 4,07 .............................................. 23

FIGURA 2.1

NDICE CUADROS

CUADRO 1.1 CLCULO DE EJE HIDRALICO RIO CLARO EN SECTOR PUENTE IBEZ. CONDICIONES DE BORDE: CRECIDA T = 200 AOS; ALTURA NORMAL POR AGUAS ABAJO..................................... 5 CUADRO 1.2 CLCULO DE EJE HIDRALICO RIO CLARO EN SECTOR PUENTE IBEZ. CONDICIONES DE BORDE: CRECIDA T = 300 AOS; ALTURA NORMAL POR AGUAS ABAJO..................................... 6 CUADRO 2.1 CLCULO DE SOCAVACIN GENERALIZADA LECHO RIO CLARO EN SECCIN PUENTE IBEZ. MTODO DE NEILL T = 200 AOS; GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 4,07 M....................... 24 CUADRO 2.2 CLCULO DE SOCAVACIN GENERALIZADA LECHO RIO CLARO EN SECCIN PUENTE IBEZ. MTODO DE LISCHTVAN LEVEDIEV, T = 200 AOS; GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 4,07 M ........................................................................... 25 CUADRO 2.3 CLCULO DE SOCAVACIN GENERALIZADA LECHO RIO CLARO EN SECCIN PUENTE IBEZ. T = 200 AOS, MTODO U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 4,07 M ............................................................................................. 26

1. 1.1

DETERMINACIN NIVELES DE AGUAS MXIMAS Metodologa de clculo El nivel de aguas mximas en la seccin del puente se determinar mediante el clculo de eje hidrulico, considerando escurrimiento gradualmente variado, con coeficientes de rugosidad distintos para cada una de las subsecciones integrantes de la seccin de escurrimiento. Los clculos propiamente tales se efectuarn con el programa denominado HECRAS versin 3.1.3, desarrollado por el Corps of Engineers de U.S.A., el cual, al incluir el clculo de prdidas de carga singulares derivadas de las contracciones y expansiones bruscas del escurrimiento, permite considerar en cada caso las modificaciones locales originadas al escurrimiento a lo largo de todo el tramo en estudio. En el caso particular de los puentes, las prdidas de carga se determinan por comparacin de resultados de los siguientes mtodos: Yarnell, balance de energa y conservacin de cantidad de movimiento. El programa utiliza bsicamente el balance de energa entre dos secciones sucesivas y emplea como base de datos a las secciones transversales que representan la geometra del cauce en el tramo de inters, el caudal y el coeficiente de rugosidad. Entrega como resultados los niveles de eje hidrulico, adems de parmetros hidrulicos tales como velocidad media del flujo, alturas mximas, nmero de Froude, alturas crticas, etc.

1.2 1.2.1

Condiciones de clculo ejes hidrulicos Emplazamiento y luz del puente proyectado El puente proyectado se emplazar inmediatamente aguas abajo del puente existente y de tal modo que los respectivos estribos y cepas de ambos puentes queden perfectamente alineados. Los estribos del puente proyectado quedarn emplazados en los siguientes kilometrajes: Estribo oriente (Cabrero) : Estribo poniente (Concepcin) : km 14.091,458 km 14.171,458

La luz del puente proyectado ser en consecuencia L = 80 m entre los paramentos verticales de los cabezales de apoyo de las vigas y estar constituido por 4 vanos de 20 m cada uno con 3 cepas intermedias. 1.2.2 Crecidas de diseo Atendiendo a las exigencias del Manual de Carreteras, se adoptar como crecida de diseo a la correspondiente a un perodo de retorno T = 200 aos.

Informe Final Estudio Anteproyecto Concesin Autopista Concepcin Cabrero y red vial del Bio Bo 1

No obstante lo anterior, el diseo del puente se verificar para la crecida correspondiente al perodo de retorno T = 300 aos de tal modo de garantizar que la estructura proyectada, an cuando ocupando la revancha establecida en relacin con el nivel de aguas mximas, permita el paso de la crecida sealada sin alcanzar la cota inferior de sus vigas. Los caudales correspondientes a las crecidas de diseo seran, de acuerdo a los resultados del Estudio Hidrolgico, los siguientes:T (aos) 200 300 Q (m3/s 208 219

1.2.3

Topografa La topografa disponible para los efectos de este estudio proviene de un levantamiento topogrfico especialmente efectuado con motivo de ste y cuyo sistema de referencia en relacin con las cotas corresponde al mismo utilizado por el Instituto Geogrfico Militar (sistema I.G.M. referido al Nivel Medio del Mar). El levantamiento consisti en la toma de 14 perfiles transversales del cauce del ro Claro, distanciados 50 m uno de otro, de tal modo que en total cubren una longitud de 600 m, 300 m aguas arriba del puente proyectado y 300 m aguas abajo de ste. Dentro de los perfiles levantados se incluyen todas las secciones singulares del cauce del ro tales como las generadas por el puente actualmente existente. Cada perfil transversal representa adecuadamente a la seccin del ro en crecida, toda vez que cada uno de ellos cubre tanto al cauce principal como a sus respectivas riberas de inundacin.

1.2.4 Pendiente longitudinal Basado en la topografa disponible, se estim la pendiente longitudinal del ro en base a una correlacin lineal de sus cotas de fondo, la cual se incluye en la Figura 1.1 que se adjunta. Conforme a dicha correlacin, se distinguen los siguientes 2 subtramos en relacin con la pendiente longitudinal de fondo del cauce:De A i m m (%) 0 250 - 0,32 (*) 250 600 0,13 (*) en contrapendiente

1.2.5

Coeficientes de rugosidad El ro, en el tramo de inters, mantiene una seccin transversal de similares caractersticas, en la que se distingue un cauce principal y riberas de inundacin.


El cauce principal est en general bien conformado, con secciones transversales relativamente regulares y poca vegetacin en su interior. Las riberas de inundacin, por su parte, poseen ms vegetacin tipo matorral y se observan ms irregulares. Conforme a lo anterior, para todas las secciones transversales involucradas en el clculo hidrulico se utilizarn desfavorablemente los siguientes coeficientes de rugosidad: 1.3 Cauce principal Riberas de inundacin : : n = 0,040 n = 0,060

Rgimen de escurrimiento Dadas las caractersticas del ro, para las 2 situaciones de crecidas analizadas, el rgimen de escurrimiento de ste en todo el tramo de inters corresponde a rgimen de ro o subcrtico.

1.4

Ejes hidrulicos resultantes Los Cuadros 1.1 y 1.2 que se adjuntan incluyen los clculos detallados de los ejes hidrulicos para las crecidas T = 200 aos y T = 300 aos para las condiciones sealadas en el punto 1.2 anterior. Los ejes hidrulicos resultantes, segn los formatos del propio mtodo HEC-RAS utilizado, se adjuntan a continuacin de dichos Cuadros e ilustran los niveles de aguas mximas que se alcanzan en cada seccin transversal para esas mismas crecidas.

1.5

Niveles de aguas mximas Los niveles de aguas mximas y las velocidades del escurrimiento del ro en la seccin de emplazamiento del puente proyectado para las crecidas descritas en el punto 1.2.2 anterior resultan ser los siguientes:

Crecida T (aos) 200 300

Nivel de aguas mximas (msnm) 93,22 93,32

Velocidad de escurrimiento (m/s) 1,08 1,09

Para efectos de diseo, se recomienda adoptar como nivel de aguas mximas al correspondiente a la crecida T = 200 aos y considerar respecto de dicho nivel una revancha mnima de 1,0 m hasta la cota inferior de la viga de la superestructura del puente, toda vez que se verifica que con dicha revancha el puente dispone de capacidad hidrulica suficiente para dejar pasar la crecida T = 300 aos.


FIGURA 1.1 PERFIL LONGITUDINAL DEL RO CLARO EN SECTOR EN PUENTE IBAEZ95,00

92,50

90,00

y = 0,0032x + 87,549 y = -0,0013x + 88,682

COTA (m)

87,50

85,00

82,50

80,00 0 100 200 300 DISTANCIA (m) 400 500 600


CUADRO 1.1 CLCULO EJE HIDRULICO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBAEZ CONDICIONES DE BORDE: CRECIDA T= 200 AOS; ALTURA NORMAL POR AGUAS ABAJO Seccin (m)14 13 12 11 10 9 8 7,5 7,5 7 6 5 4 3 2 1

Km582 530 486 449 403 336 310 BR D BR U 277 253 205 167 108 61 0

Z Fondo (m)88,28 87,71 88,23 88,09 87,71 88,28 88,52 88,52 88,52 88,52 88,24 88,07 88,07 88,01 87,30 87,77

Z EH. (m)92,61 92,66 92,73 92,70 93,11 93,16 93,20 93,19 93,22 93,23 93,21 93,27 93,32 93,33 93,34 93,41

Energa (m)92,76 92,86 92,93 93,14 93,22 93,25 93,27 93,28 93,30 93,30 93,34 93,39 93,43 93,47 93,54 93,61

Z Crtica (m)90,66 90,39 90,99 91,39 90,43 90,62 91,15 91,20 91,20 91,15 90,91 90,86 90,86 91,05 90,98 90,91

v (m/s)1,68 1,94 1,73 2,94 1,24 1,32 1,01 1,09 1,08 1,00 1,19 1,35 1,30 1,31 1,81 1,99

J (m/m)0,00130 0,00145 0,00162 0,00369 0,00067 0,00063 0,00050 0,00082 0,00080 0,00049 0,00083 0,00081 0,00080 0,00097 0,00130 0,00154

h (m)4,33 4,95 4,50 4,61 5,40 4,88 4,68 4,67 4,70 4,71 4,97 5,20 5,25 5,32 6,04 5,64

hm (m)2,25 3,20 1,85 3,00 2,24 2,54 2,78 2,75 2,78 2,81 2,11 2,17 1,89 1,70 1,78 3,22

(m2)123,64 107,10 120,05 70,84 167,94 157,03 205,34 190,93 192,85 207,70 174,10 154,28 160,30 158,33 115,14 104,48

L (m)54,96 33,46 64,92 23,65 74,94 61,84 73,85 69,34 69,41 73,93 82,47 71,11 84,69 93,36 64,64 32,49

(m)56,65 36,71 67,30 26,36 78,86 63,65 75,61 89,77 90,03 75,71 87,69 74,67 87,21 97,03 67,94 36,06

R (m)2,18 2,92 1,78 2,69 2,13 2,47 2,72 2,13 2,14 2,74 1,99 2,07 1,84 1,63 1,69 2,90

Fr0,36 0,35 0,41 0,54 0,26 0,27 0,19 0,21 0,21 0,19 0,26 0,29 0,30 0,32 0,43 0,35

BR U: Seccin inmediatamente aguas arriba del puente BR D: Seccin inmediatamente aguas abajo del puente


CUADRO 1.2 CLCULO EJE HIDRULICO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBAEZ CONDICIONES DE BORDE: CRECIDA T= 300 AOS; ALTURA NORMAL POR AGUAS ABAJO Seccin (m) Km14 13 12 11 10 9 8 7,5 7,5 7 6 5 4 3 2 1 582 530 486 449 403 336 310 BR D BR U 277 253 205 167 108 61 0

Z Fondo (m)88,28 87,71 88,23 88,09 87,71 88,28 88,52 88,52 88,52 88,52 88,24 88,07 88,07 88,01 87,30 87,77

Z EH. (m)92,70 92,76 92,82 92,78 93,21 93,26 93,30 93,30 93,32 93,33 93,31 93,37 93,42 93,43 93,44 93,51

Energa (m)92,85 92,95 93,02 93,24 93,33 93,36 93,38 93,38 93,41 93,41 93,44 93,50 93,53 93,57 93,64 93,72

Z Crtica (m)90,72 90,46 91,07 91,49 90,51 90,69 91,20 91,25 91,25 91,20 91,00 90,93 90,94 91,14 91,07 91,00

v (m/s)1,70 1,78 1,74 3,01 1,24 1,31 1,03 1,11 1,09 1,02 1,20 1,36 1,29 1,30 1,80 2,03

J (m/m)0,00130 0,00144 0,00162 0,00392 0,00067 0,00063 0,00050 0,00083 0,00080 0,00049 0,00081 0,00081 0,00079 0,00096 0,00131 0,00159

h (m)4,42 5,05 4,59 4,69 5,50 4,98 4,78 4,78 4,80 4,81 5,07 5,30 5,35 5,42 6,14 5,74

hm (m)2,22 1,74 1,90 2,96 2,01 2,06 2,87 2,85 2,87 2,90 2,22 2,18 1,88 1,65 1,81 3,23

(m2)128,67 123,33 125,93 72,77 177,03 167,42 212,99 198,10 200,03 215,37 182,74 161,62 169,15 167,98 121,80 107,73

L (m)58,08 70,68 66,29 24,56 88,08 81,28 74,10 69,59 69,65 74,17 82,47 74,12 90,10 101,94 67,27 33,39

(m)59,78 74,38 68,68 27,29 92,11 83,60 75,93 90,71 90,97 76,03 87,90 77,81 92,62 105,63 70,67 36,98

R (m)2,15 1,66 1,83 2,67 1,92 2,00 2,81 2,18 2,20 2,83 2,08 2,08 1,83 1,59 1,72 2,91

Fr0,37 0,43 0,40 0,56 0,28 0,29 0,19 0,21 0,21 0,19 0,26 0,29 0,30 0,32 0,43 0,36

BR U: Seccin inmediatamente aguas arriba del puente BR D: Seccin inmediatamente aguas abajo del puente







2. 2.1

CLCULO DE SOCAVACIONES Objetivos y alcances El clculo de socavaciones que se desarrolla a continuacin tiene por objeto definir en el puente la socavacin generalizada del lecho del ro Claro, la que podra producirse como consecuencia del estrechamiento de la corriente por efecto de la construccin de dicho puente, y estimar la socavacin local al pie de los estribos y de las pilas de ste, generadas por las interferencias que estas estructuras provocan al respectivo escurrimiento. Para los efectos del clculo de las socavaciones se utilizar la informacin topogrfica, hidrulica y sedimentolgica disponible y se considerar la geometra y caractersticas de la infraestructura del puente definida por su respectivo proyecto estructural.

2.2 2.2.1

Metodologa de clculo Socavacin general del lecho Para estimar la socavacin generalizada del lecho del ro Claro en el sector de emplazamiento del puente proyectado se utilizarn los mtodos de Neill, de Lischtvan Levediev y el propuesto por el U.S. Army Corps of Engineers en el modelo HEC-RAS versin 3.1.3.

a)

Mtodo de Neill El mtodo de Neill consiste en comparar la velocidad media del escurrimiento con la velocidad crtica de arrastre del sedimento del lecho. Si la primera de las velocidades resulta mayor que la segunda se producir socavacin. La velocidad media del escurrimiento se determinar a partir del clculo del eje hidrulico, en tanto que la velocidad crtica de arrastre (Vc) de Neill se determinar considerando que se trata de un suelo fino (arenoso) por lo que correspondera utilizar la siguiente expresin:

Vc

h = 0,787 c ghc D

0,5

12 hc Ln k s

(1)

en que: Vc hc D ks g = = = = = velocidad crtica de arrastre (m/s) altura de escurrimiento para la condicin de arrastre crtica (m) dimetro representativo del sedimento del lecho (m) aspereza o rugosidad determinante de la prdida de carga aceleracin de gravedad (m/s2)

Para los sedimentos finos (suelos arenosos), se utiliza ks = D65 y D = D50 D = Dm, en que Dx con x = 50 65 representa el dimetro x % que pasa segn la curva granulomtrica respectiva y Dm el dimetro medio.


El clculo propiamente tal de la socavacin general se efecta subdividiendo en varias franjas o subsecciones el perfil transversal que representa a la seccin transversal del cauce, determinndose en cada una de ellas la mxima altura de agua que iguala a la altura crtica de arrastre hc. La socavacin de la franja o subseccin j queda definida por la siguiente relacin:

S j = hcj h j (2)en que: Sj = hcj = hj = socavacin generalizada de la franja o subseccin j altura del escurrimiento en la franja socavada altura del escurrimiento en la franja original sin socavar (se obtiene del eje hidrulico y del perfil transversal)

Como criterio general se adopta como socavacin en el perfil transversal del cauce al mximo valor obtenido en las diferentes subsecciones (caso ms desfavorable). El caudal que escurre por las diferentes subsecciones se determina en base a la frmula de Manning y en base al mtodo de los factores de conduccin hidrulica, de tal modo que:

Q j = Aj R 2/3 jen que: Qj Aj Rj J nj = = = = =

J nj

(3)

caudal que escurre por la subseccin j rea asociada a la subseccin j (Aj = hj x bj) radio hidrulico de la subseccin j pendiente del plano de carga coeficiente de rugosidad de Manning de la franja

En la condicin crtica de arrastre, se define en la subseccin j de ancho bj, (Aj = hj x bj), un caudal crtico segn la siguiente expresin:

Qcj =b j x hcj x Vcj

(4)

Si se considera constante en toda la seccin la pendiente del plano de carga puede obtenerse el caudal Qj que escurre en cada seccin segn la siguiente ecuacin:

Aj R j Qj = A R

2/3

x

nj n

Q (5)

en que A, R, n y Q corresponden a las mismas variables anteriores pero definidas para la seccin total.


Dado que al subdividir la seccin transversal en subsecciones puede derivar en que la suma de los caudales de dichas subsecciones resulte mayor que el caudal total de diseo, se debe corregir el caudal de cada subseccin multiplicando cada uno de ellos por el factor de compensacin proporcional correspondiente (Q/Qj). Para determinar el valor de hcj que permite resolver la ecuacin (2), se considera como constante el caudal por subseccin entre la situacin original (no socavada) y la situacin final (socavada), se reemplaza Vcj de la ecuacin (4) en la ecuacin (1) y se despeja, de tal modo que para los sedimentos finos (arenosos) se obtiene:

12 hcj hcj Ln k s b)

qj = 0,787 gD

(6)

Mtodo de Lischtvan - Levediev El mtodo de Lischtvan Levediev fue originalmente propuesto para estimar el valor medio de la socavacin general en una contraccin producida por la presencia de las pilas de un puente, haciendo una distincin explcita respecto del tipo de seccin representativa del cauce como es el caso de un cauce principal con planicies de inundacin respecto de uno con mltiples subsecciones y brazos en estiaje y una distincin, tambin explcita, en relacin con el tipo de sedimento constitutivo del lecho: sedimentos no cohesivos y sedimentos cohesivos. El mtodo es aplicable globalmente a una seccin pero puede utilizarse para realizar el clculo en franjas, similar a lo ya detallado en relacin con el mtodo de Neill, de tal modo que para cada franja se determina la profundidad mxima de escurrimiento incluyendo la de la situacin socavada. En atencin a que el ro en el sector de inters puede asociarse al caso de un cauce principal con planicies de inundacin y que su lecho est constituido por material fino no cohesivo, corresponde utilizar la siguiente relacin para determinar la altura del escurrimiento de la franja socavada (hcj):

qj x +1 hcj = 0,68 D 0,28 en que: qj = D = Pi = = = x = caudal por unidad de ancho de la franja socavada (m3/s/m) dimetro medio del sedimento obtenido de la curva granulomtrica (mm). Se estima como D = Pi x Di / 100 (mm) porcentaje en peso que pasa la malla Di coeficiente funcin de la probabilidad de excedencia del caudal de diseo (Cuadro 3.707.405 A del MC Vol 3) coeficiente que considera influencia del sedimento en suspensin (Cuadro 3.707.405 B del MC Vol 3) parmetro de la frmula de arrastre crtico (Cuadro 3.707.405 C del MC Vol 3)

1


c)

Mtodo U.S. Army Corps of Engineers (modelo HEC-RAS) Las ecuaciones recomendadas para estimar la socavacin general segn este mtodo estn presentadas en la publicacin HEC N 18 y fueron deducidas a partir de las investigaciones de Laursen (1963) y sus expresiones, para la condicin sin arrastre en suspensin (aguas claras), son las siguientes:2 Q2 y2 = C D2/3 W 2 m 2

3/7

yS = y2 y0en que: y2 Q2 C Dm W2 yS y0 = = = = = = = profundidad del escurrimiento en seccin contrada despus de la socavacin (m) caudal de crecida en seccin contrada (m3/s) coeficiente para unidades mtricas = 40 dimetro de la partcula ms pequea del lecho no arrastrada por el escurrimiento en la seccin contrada. Se recomienda usar Dm = 1,25 D50 (m) ancho superficial til del escurrimiento en la seccin contrada (ancho superficial total espesores de pilas) (m) socavacin general en la seccin contrada (m) profundidad del escurrimiento en seccin contrada antes de la socavacin (m) El clculo, al igual que en los otros casos, se realiza considerando franjas o subsecciones, adoptndose como socavacin general al mximo valor obtenido en las diferentes subsecciones. 2.2.2 Socavacin local al pie de cepas Para estimar la socavacin mxima al pie de una pila de seccin circular inserta en un lecho de arena se recomienda emplear las expresiones de Breusers, Nicollet y Shen (BNSh), envolvente de datos experimentales (EDE) de diversos autores y/o la relacin de Richardson (R), segn lo siguiente: a) Relacin de Breusers, Nicollet y Shen (BNS)

Smx h = 2 tan hyp b b

b)

Envolvente de datos experimentales de diversos autores (EDE) h/b2

-

Para

:

Smx h =2 b b

0,35


c)

Para

h/b>2

:

Smx = 2,5 b

Relacin de Richardson

Smx h =2 b ben que: Smx = b h F = = =

0,35

F 0,43

socavacin mxima en lecho de arena y en condiciones de aguas claras y transporte incipiente del flujo en la zona no alterada por la pila (situacin ms desfavorable) dimetro de la pila circular (m) altura del escurrimiento (m) Nmero de Froude del flujo no perturbado

La aplicacin de las relaciones anteriores permite concluir que los resultados obtenidos con la frmula EDE superan en un 25% a 35% a los obtenidos por la frmula BNSh para h / b 1, incrementndose a valores que pueden superar el 100% para valores de h / b < 1. Por otro lado, la frmula de Richardson entrega resultados parecidos a los de BNSh para Nmeros de Froude cercanos a 0,5 y semejantes a los de la frmula EDE para Nmeros de Froude cercanos a 0,9. Lo anterior permite en general recomendar que cuando se empleen estas frmulas para rangos de Nmeros de Froude menores o cercanos a 0,5 se privilegie el uso de la frmula de BNSh y para Nmeros de Froude mayores que 0,7 se prefiera el uso de la frmula EDE. De acuerdo a lo ya sealado, las relaciones anteriores son aplicables a una pila de seccin circular inserta en un lecho de arena, por lo que para tomar en cuenta los efectos de la forma de la pila, alineamiento de la pila de seccin no circular con la corriente, presencia de varias pilas, caractersticas de la fundacin de las pilas (con o sin base de fundacin expuesta al flujo), dispersin granulomtrica del material del lecho cuando ste no es uniforme y tamao del sedimento, se utiliza un coeficiente de correccin K que amplifica a la socavacin Smx y que queda dado por el producto siguiente: K = Ks Kw Kg Kgr KR Kd en que:

Ks = Kw = Kg =

factor de forma de la pila (Cuadro 3.707.402 A, MC-Vol 3, Acpite 3.707.402) factor por alineamiento de la pila de seccin no circular con la corriente (Figura 3.707.402 B, MC-Vol 3, Acpite 3.707.402 y/o frmula de Froelich) factor debido a la dispersin granulomtrica de arenas no uniformes


Kgr = KR = Kd = 2.2.3

factor que toma en cuenta la presencia de grupos de pilas (Cuadro 3.707.402 B, MC-Vol 3, Acpite 3.707.402) factor por afloramiento de la base de fundacin (Figura 3.707.402 D, MCVol 3, Acpite 3.707.402) factor de influencia por tamao del sedimento (Cuadro 3.707.402 D, MCVol 3, Acpite 3.707.402)

Socavacin local al pie de estribos La socavacin local al pie de los estribos se determinar mediante la relacin de Melville (1992), la cual est representada por la siguiente ecuacin: Se = h (Kf x K x K x Kl x Kh) en que: Se h Kf K K Kl Kh = = = = = = = socavacin local al pie del estribo altura local del escurrimiento no perturbado factor de forma del estribo factor de ngulo de esviaje de la estructura factor de dispersin granulomtrica de la arena si ella no es uniforme factor de intensidad del flujo factor que considera la profundidad del flujo

Los valores correspondientes a cada uno de los factores de correccin estn incluidos en Cuadros y bacos del nuevo Manual de Carreteras del MOP Volumen 3. 2.3 Condiciones de clculo Las socavaciones generalizadas as como las locales que corresponde estimar se determinarn en cada caso considerando que los estribos y cepas del puente proyectado quedarn emplazados perfectamente alineados con los estribos y cepas del puente existente y considerando adems las condiciones de clculo que se indican a continuacin: 2.3.1 Informacin topogrfica La informacin topogrfica a utilizar corresponde a la ya indicada en el punto 1.2.3 del presente Informe. 2.3.2 Antecedentes hidrulicos Las caractersticas hidrulicas a utilizar sern las resultantes del clculo de eje hidrulico correspondiente a la crecida de diseo T = 200 aos y son las siguientes:T Cota ag. mx. Cota de fondo Profundidad Vel. esc. N de (aos) (msnm) cauce (msnm) escurrimiento (m) (m/s) Froude 0,21 200 93,22 88,52 4,70 1,08


Para efectos del clculo de la socavacin local al pie de las pilas se adoptar como profundidad del escurrimiento a la entregada en el Cuadro anterior, la que corresponde al mayor tirante de aguas de la seccin, en atencin a la posibilidad de que el punto ms bajo del lecho pueda desplazarse dentro de la seccin transversal. En relacin con los estribos, dado que para la construccin del estribo oriente (Cabrero) el terreno natural ser removido, se adoptar 2 m como profundidad del escurrimiento ya que es la que desfavorablemente en tal caso cabra esperar. El estribo poniente (Concepcin), queda claramente fuera del cauce en crecida. 2.3.3 Antecedentes sedimentolgicos El suelo constitutivo del lecho del ro Claro, de acuerdo al sistema de clasificacin tradicional, califica como un suelo fino no cohesivo, toda vez que ms de la mitad del material del lecho, en todas las granulometras efectuadas y que se incluyen en los antecedentes de Mecnica de Suelos del proyecto, pasa la malla N 200 (entre el 90% - 95% pasa dicha malla) Los dimetros caractersticos de dicho suelo seran los siguientes (ver Figura 2.1):Dimetros caractersticos (mm) D50% D65% Dm 0,16 0,21 0,23

2.3.4

Caractersticas y geometra del puente proyectado De acuerdo al respectivo proyecto estructural del puente, las caractersticas generales de ste seran las siguientes: Longitud total Esviaje Nmero de pilas Luz entre cepas Ancho tablero : : : : : 80,00 m 0 3 20,00 m 12,85 m

Los 2 estribos del puente sern de hormign armado, del tipo rectangulares, apoyados ambos en un dado cabezal de pilotes de 1,5 m de espesor y de 8,00 m de ancho. Los pilotes, por su parte, (4 + 4 en cada estribo), sern de hormign preexcavado de 1,20 m de dimetro y 8,50 m de longitud hasta alcanzar la cota 79,88 . Las cepas centrales sern del tipo pila pilote, constituida cada una por 1 + 1 pilotes de hormign preexcavado de 1,50 m de dimetro y de longitud hasta alcanzar la cota 75,50 m. La superestructura del puente estar constituida por 4 vigas de hormign armado pretensadas sobre las cuales se montar un tablero de 12,85 m de ancho, 0,22 m de espesor, ms una carpeta de rodado de 5 cms. Dicho ancho permitir 2 vas de 3,50 m de ancho, berma interior de 1.00 m, berma exterior de 2,00 m, ms 1 pasillo lateral de 2,0 m de ancho y espacios para las defensas y barandas.


2.4 2.4.1

Resultados obtenidos Socavacin general del lecho Los Cuadros 2.1, 2.2 y 2.3 que se adjuntan incluyen los clculos de las socavaciones generalizadas del lecho en la seccin del puente para la crecida de diseo (T = 200 aos) de acuerdo a lo indicado en los puntos 4.2.1 y 4.3, y segn los mtodos de Neill, de Lischtvan Levediev y segn el mtodo del U.S. Army Corps of Engineers (modelo HEC-RAS). Las socavaciones generales mximas obtenidas se resumen en el siguiente Cuadro:Dimetro representativo Magnitud D (mm) 0,21 0,23 0,21 Socavacin general mxima (m) 9,16 1,77 5,36

Mtodo Neill Lischtvan Levediev HEC-RAS D65% Dm D65%

Los resultados obtenidos permiten sealar lo siguiente: El mtodo de Neill no sera aplicable al caso del lecho del ro Claro toda vez que su rango de aplicacin es para suelos gruesos definidos stos como arenas y gravas. En este caso, el suelo constitutivo del lecho del ro de acuerdo al sistema de clasificacin tradicional, califica como un fino, toda vez que ms de la mitad del material del lecho, en todas las granulometras efectuadas, pasa la malla N 200 (en la prctica el 90% - 95% pasa dicha malla). Por las caractersticas del material constitutivo del lecho, lo probable es que el lecho del ro Claro corresponda a un lecho mvil. Para tal condicin, el mtodo U.S. Army Corps of Engineers entrega una socavacin general igual a S = 0,00 m. No obstante lo anterior, para efectos de diseo y como una seguridad adicional, lo habitual es considerar la condicin de aguas claras, esto es, que no existe continuidad en la alimentacin de sedimento. Basado en lo anterior se debe considerar que el valor obtenido de S = 5,55 m corresponde a un valor extremo y desfavorable. El mtodo de Lischtvan Levediev es aplicable a suelos finos, toda vez que el mtodo explcitamente lo considera en sus ecuaciones. Atendiendo a lo sealado en los puntos anteriores y slo por razones de mayor seguridad, para efectos del diseo del puente se recomienda adoptar como socavacin general al promedio de los resultados obtenidos por los mtodos de Lischtvan Levediev y U.S. Army Corps of Engineers (en condicin de aguas claras), lo que redondeado a un valor cerrado se traduce en 4,00 m.


2.4.2

Socavacin local al pie de pilas La socavacin local al pie de las pilas, calculadas conforme a la metodologa expuesta en el punto 2.2.2, resultan ser las siguientes:Mtodo Breusers, Nicollet, y Shen Envolvente EDE Richardson Socavacin local (m) 2,99 3,75 2,29

Los valores anteriores debern ser corregidos conforme a las siguientes consideraciones adicionales: En atencin a que se trata de cepas constituidas por pilas pilotes circulares, se adoptar como factor de forma de la pila KS = 1,0. El factor de esviaje, por tratarse de pilas circulares, ser considerado como KW = 1,0. En atencin a que se trata, a nivel del lecho, de un sedimento uniforme, se adoptar Kg = 1,0. Dada la disposicin de las pilas pilotes y a que el espaciamiento entre los ejes de ellas es de 6,0 m, corresponde adoptar un factor de grupo de pilas Kgr = 1,09 para la ms desfavorable segn la expresin de Kothyari et al. Al no existir zapata de fundacin en las pilas (se trata de pilas pilotes), el factor de afloramiento de base sera KR = 1,00. Dado que b / D50 > 130 (1.500 / 0,21), corresponde considerar al sedimento como fino y por tanto adoptar un valor Kd = 1,0,

De acuerdo a lo anterior, los factores que toman en cuenta los distintos factores de correccin ya detallados seran los siguientes:Ks 1,0 Kw 1,0 Kg 1,0 Kgr 1,09 KR 1,00 Kd 1,00 K 1,09

En consecuencia, las socavaciones locales al pie de las pilas seran las siguientes:Mtodo Breusers, Nicollet, y Shen Envolvente EDE Richardson Socavacin local (m) 3,26 4,09 2,50

De acuerdo a lo expresado en el punto 2.2.2, en que para Nmeros de Froude menores o cercanos a 0,50 (en torno a F = 0,25 en este caso), se debe privilegiar el uso de la frmula de Breusers, Nicollet y Shen, para efectos de diseo se adoptar 3,00 m como socavacin local de las pilas.


2.4.3

Socavacin local al pie de estribos La luz adoptada para el puente proyectado permitir que los estribos de ste queden emplazados fuera del cauce en crecida y por tanto la corriente no tendra ningn efecto sobre ellos. En tal condicin, la socavacin local al pie de los estribos sera tericamente nula. No obstante, por razones de seguridad, los estribos debern quedar fundados al menos 1,00 m bajo la cota ms baja del cauce actual; esto es, a la cota 87,52, debiendo arrancar los pilotes proyectados recin a partir de dicha cota. Dada la proximidad del puente proyectado con el existente, se deber contemplar como condicin de diseo que ste quede emplazado de tal modo que los estribos de ambos puentes conformen un solo frente continuo. Para los efectos anteriores, el proyecto estructural del puente proyectado deber incluir el diseo del elemento que garantice tal continuidad.

2.4.4

Socavaciones totales Las socavaciones totales corresponden a la suma de las respectivas socavaciones generales ms las socavaciones locales al pie de las cepas y/o estribos. De acuerdo a los resultados obtenidos, las profundidades de socavaciones seran las siguientes: Socavacin total en cepas = Socavacin total en estribos = 4,00 + 3,00 = 7,00 m 4,00 + = 4,00 m

Si se considera que la cota de fondo del lecho para efectos de la socavacin en las pilas es la 88,52 m y para efectos de los estribos es la 91,50 m, las cotas de socavacin en las estructuras seran las siguientes: Cota de socavacin total en las pilas Cota de socavacin total en estribos = = 88,52 4,00 3,00 = 81,52 m 91,50 4,00 0,00 = 87,50 m


FIGURA 2.2 CURVA GRANULOMETRICA LECHO RO CLARO EN SECTOR PUENTE IBEZ - ESTRATO 4,76 - 6,23 m100 90

% QUE PASA (EN PESO)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01

0,10

1,00

10,00

ABERTURA MALLA (mm)4.75-5.20 m 5.78-6.23 Promedio


CUADRO 2.1 CALCULO DE SOCAVACION GENERALIZADA LECHO RO CLARO EN SECCIN PUENTE IBEZ MTODO DE NEILL, T= 200 AOS - GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 - 4,07 m Geometra Seccin Distancia (m) Cota (m) Lj (m) j (m2) j (m) Rj (m) Kj Kj (corregido) qj (m3/s/m) vj (m/s) hj (m) D50= 0,16 mm hc j (m) Sj (m) D50= 0,21 mm hc j (m) Sj (m)

10,00 12,59 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 86,50 90,00

95,10 93,22 91,48 90,96 90,69 90,58 89,07 88,97 88,52 88,77 89,53 90,91 90,88 90,95 91,45 91,49 91,69 93,22 96,79

2,41 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 1,50

2,09 10,01 11,98 12,93 16,98 21,01 22,38 22,88 20,36 15,01 11,63 11,53 10,11 8,76 8,16 1,15

2,97 5,03 5,01 5,00 5,22 5,00 5,02 5,01 5,06 5,19 5,00 5,00 5,02 5,00 5,00 2,14

0,71 1,99 2,39 2,59 3,25 4,20 4,46 4,57 4,03 2,89 2,33 2,31 2,01 1,75 1,63 0,54

27,66 263,97 357,32 406,10 931,86 1367,34 1515,85 1575,63 1287,89 761,85 340,42 335,54 268,45 212,10 188,34 12,65

20,66 197,13 266,84 303,27 695,91 1021,12 1132,03 1176,67 961,79 568,95 254,22 250,58 200,48 158,39 140,65 9,45

0,243 1,115 1,510 1,716 3,937 5,776 6,404 6,656 5,441 3,218 1,438 1,417 1,134 0,896 0,796 0,178

0,28 0,56 0,63 0,66 1,16 1,37 1,43 1,45 1,34 1,07 0,62 0,61 0,56 0,51 0,49 0,23

1,74 2,26 2,53 2,64 4,15 4,25 4,70 4,45 3,69 2,31 2,34 2,27 1,77 1,73 1,53 0,00

0,72 2,91 3,85 4,34 9,38 13,41 14,76 15,31 12,68 7,78 3,68 3,63 2,96 2,38 2,13 0,54

0,00 0,91 1,46 1,75 5,99 9,21 10,29 10,73 8,61 4,78 1,36 1,33 0,93 0,63 0,50 0,00

0,65 2,62 3,47 3,90 8,43 12,04 13,25 13,74 11,38 6,99 3,31 3,27 2,66 2,14 1,92 0,49

0,00 0,62 1,07 1,32 5,03 7,84 8,77 9,16 7,31 3,99 0,99 0,96 0,64 0,39 0,29 0,00

Seccin

73,91

206,98

75,67

2,74

9852,97

7358,15

2,816

1,01

10,73

9,16

Parmetros del Escurrimiento Z esc= J= nl= n= nr= Q= 93,20 m 0,000767 m/m 0,06 0,04 0,06 208,12 m3/s

Parmetros del Suelo D50 D65= 0,16 0,21


CUADRO 2.2 CALCULO DE SOCAVACION GENERALIZADA LECHO RO CLARO EN SECCIN SECTOR PUENTE IBEZ MTODO DE LISCHTVAN - LEVEDIEV, T= 200 AOS - GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 - 4,07 m Geometra Seccin Distancia (m) Cota (m) Lj (m) j (m2) j (m) Rj (m) Kj Kj (corregido) qj (m3/s/m) vj (m/s) hj (m) Dm= 0,23 mm hc j (m) Sj (m)

10,00 12,59 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 86,50 90,00

95,10 93,22 91,48 90,96 90,69 90,58 89,07 88,97 88,52 88,77 89,53 90,91 90,88 90,95 91,45 91,49 91,69 93,22 96,79

2,41 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 1,50

2,09 10,01 11,98 12,93 16,98 21,01 22,38 22,88 20,36 15,01 11,63 11,53 10,11 8,76 8,16 1,15

2,97 5,03 5,01 5,00 5,22 5,00 5,02 5,01 5,06 5,19 5,00 5,00 5,02 5,00 5,00 2,14

0,71 1,99 2,39 2,59 3,25 4,20 4,46 4,57 4,03 2,89 2,33 2,31 2,01 1,75 1,63 0,54

27,66 263,97 357,32 406,10 931,86 1367,34 1515,85 1575,63 1287,89 761,85 340,42 335,54 268,45 212,10 188,34 12,65

20,66 197,13 266,84 303,27 695,91 1021,12 1132,03 1176,67 961,79 568,95 254,22 250,58 200,48 158,39 140,65 9,45

0,243 1,115 1,510 1,716 3,937 5,776 6,404 6,656 5,441 3,218 1,438 1,417 1,134 0,896 0,796 0,178

0,28 0,56 0,63 0,66 1,16 1,37 1,43 1,45 1,34 1,07 0,62 0,61 0,56 0,51 0,49 0,23

1,74 2,26 2,53 2,64 4,15 4,25 4,70 4,45 3,69 2,31 2,34 2,27 1,77 1,73 1,53 0,00

0,61 1,79 2,22 2,43 4,37 5,74 6,18 6,35 5,50 3,79 2,14 2,12 1,81 1,53 1,41 0,49

0,00 0,00 0,00 0,00 0,98 1,54 1,70 1,77 1,43 0,79 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Seccin

73,91

206,98

75,67

2,74

9852,97

7358,15

2,816

1,01

4,70

1,77

Parmetros del Escurrimiento Z esc= J= nl= n= nr= Q= 93,20 m 0,000767 m/m 0,060 0,040 0,060 208,12 m3/s

Parmetros del Suelo Dm= 0,230 mm

Parmetros Mtodo Lischtvan - Levediev = x 1,01 1,08 0,41


CUADRO 2.3 CLCULO DE SOCAVACION GENERALIZADA LECHO RO CLARO EN SECCIN PUENTE IBEZ T= 200 AOS, MTODO U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS GRANULOMETRA ESTRATO 0,76 - 4,07 m PARMETRO (Segn HEC-RAS) Average Depth (m): Approach Velocity (m/s): Br Average Depth (m): BR Opening Flow (m3/s): BR Top WD (m): Grain Size D (mm): Approach Flow (m3/s): Approach Top WD (m): K1 Coefficient: RESULTADOS Scour Depth Ys (m): D 50= 0.16 mm Left Channel 1,29 4,44 0,56 1,78 1,81 3,74 21,80 150,19 20,00 28,50 0,16 0,16 30,35 159,83 41,92 20,22 0,59 0,59 0,73 6,09 D65= 0.21 mm Left Channel 1,29 4,44 0,56 1,78 1,81 3,74 21,80 150,19 20,00 28,50 0,21 0,21 30,35 159,83 41,92 20,22 0,59 0,59 0,54 5,36

Right 1,48 0,59 2,39 36,01 20,90 0,16 17,82 20,33 0,59 1,38

Right 1,48 0,59 2,39 36,01 20,90 0,21 17,82 20,33 0,59 1,10


CONCESIN AUTOPISTA CONCEPCIN-CABRERO Y RED VIAL DEL BO-BO

MEMORIA DE CLCULO PUENTE IBAEZ

Versin b

OCTUBRE 2009

DOCUMENTO EJECUTO REVISO APROB

CACC-CC-PI-ES-MCA-001-Vb Marcia Cabrera / Katya Briceo Hugo Marchetti Dusan Dujisin

PUENTE IBAEZ NDICE

1.

INTRODUCCIN........................................................................................................ 1 1.1. 1.2. ALCANCES Y OBJETIVOS DE LA MEMORIA ............................................ 1 DESCRIPCIN DE LA ESTRUCTURA........................................................... 1 Superestructura ................................................................................................ 1 Infraestructura.................................................................................................. 1

1.2.1. 1.2.2. 1.3. 2. 3.

CRITERIOS UTILIZADOS EN EL ANLISIS ............................................... 2

BASES DE CLCULO................................................................................................ 3 MATERIALES ............................................................................................................. 4 3.1. 3.2. HORMIGN ......................................................................................................... 4 ACERO DE REFUERZO .................................................................................... 4

4.

CARGAS DE DISEO ................................................................................................ 4 4.1. CARGAS PERMANENTES ................................................................................ 5 Peso Propio de Elementos Estructurales y no Estructurales (DC) .................. 5 Peso Propio del Hormign (PPH) ............................................................ 5 Cargas Muertas (CM)............................................................................... 5 4.1.1.1. 4.1.1.2. 4.1.2. 4.1.3. 4.2.

4.1.1.

Empuje Horizontal del Terreno (EH) .............................................................. 5 Peso de las Tierras (PT)................................................................................... 6

CARGAS TRANSIENTES .................................................................................. 7 Carga Viva (LL) .............................................................................................. 7 Empuje Horizontal por Carga Viva (ELL) ...................................................... 8 Cargas Ssmicas (EQ)...................................................................................... 8 Sismo Inercial (SI) ................................................................................... 8 Empuje Ssmico del Relleno (ES)............................................................ 8

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3.

4.2.3.1. 4.2.3.2. 5.

COMBINACIONES DE CARGA .............................................................................. 9 5.1. 5.2. COMBINACIONES DE SERVICIO .................................................................. 9 COMBINACIONES DE RESISTENCIA........................................................... 9

6.

CRITERIOS DE DISEO ........................................................................................ 10 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. DEFORMACIONES .......................................................................................... 10 TENSIONES ADMISIBLES DEL TERRENO DE FUNDACIN ............... 10 COEFICIENTE DE BALASTO DEL TERRENO.......................................... 11 RESISTENCIA ................................................................................................... 11 Lmite de Tensin en el Acero ...................................................................... 12

6.4.1. 7.

DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES...................... 13 7.1. 7.2. DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS DE HORMIGN ARMADO 13 TENSIN DE CORTE MXIMA .................................................................... 13

8.

CLCULO DE LA SUPERESTRUCTURA ........................................................... 14 8.1. LOSA.................................................................................................................... 14 Geometra Bsica........................................................................................... 14 Parmetros de Clculo ................................................................................... 14 Espesor Mnimo de Losa ............................................................................... 14 Cargas ............................................................................................................ 15 Cargas Permanentes ............................................................................... 15 Carga de Trnsito ................................................................................... 15 Momento ltimo .................................................................................... 16 Clculo Armadura Principal................................................................... 16 Clculo Armadura Reparticin .............................................................. 17

8.1.1. 8.1.2. 8.1.3. 8.1.4.

8.1.4.1. 8.1.4.2. 8.1.4.3. 8.1.5. 8.1.5.1. 8.1.5.2. 8.2.

Dimensionamiento Losa ................................................................................ 16

VIGA HORMIGN PRETENSADA ............................................................... 18 Datos Geomtricos y de Clculo ................................................................... 18 Cargas sobre Viga Interior............................................................................. 18 Cargas Permanentes ............................................................................... 18 Cargas Muertas....................................................................................... 19 Cargas Mviles....................................................................................... 19 Sobre la Seccin Bruta ........................................................................... 20 Sobre la Seccin Transformada ............................................................. 20 Sobre la Seccin Compuesta .................................................................. 20

8.2.1. 8.2.2.

8.2.2.1. 8.2.2.2. 8.2.2.3. 8.2.3. 8.2.3.1. 8.2.3.2. 8.2.3.3.

Solicitaciones al Centro de la Viga................................................................ 20

8.2.4.

Propiedades de la Viga .................................................................................. 21 Caractersticas de los Hormigones ......................................................... 21 Caractersticas de los Cables .................................................................. 21 Tensiones Admisibles ............................................................................ 22 Corte Debido a Cargas Permanentes (Vd) .............................................. 25 Corte Debido a Cargas Externas (Vd) .................................................... 26 Esfuerzo de Corte Nominal del Hormign Vc (Art. 9,20,2 AASHTO 28 Resistencia a Flexin de la Viga (Art. 9,17 AASHTO `96) ......................... 31

8.2.4.1. 8.2.4.2. 8.2.5. 8.2.6. 8.2.5.1. 8.2.6.1. 8.2.6.2. 8.2.6.3. `96) 8.2.7. 8.3.

Clculo de Tensiones..................................................................................... 22 Esfuerzos de Corte......................................................................................... 25

PLACAS ELASTOMERICAS EN ESTRIBOS............................................... 32 Caractersticas................................................................................................ 32 Cargas del Tablero en Cada Placa ................................................................. 32 Cargas Permanentes (DL) ...................................................................... 32 Cargas de Trnsito (LL) ......................................................................... 32 Esfuerzos de Comprensin Producto de las Cargas ............................... 33 Deformaciones por Comprensin (Art. 14.4.1.2 AASHTO 96) .................. 33 Deformaciones por Corte (Art. 14.4.1.3 AASHTO 96) ............................... 34 Rotacin Producto del Peso de la Losa .................................................. 35 Rotacin Producto de las Cargas Muertas ............................................. 35 Rotacin Producto de las Cargas Mviles ............................................. 35

8.3.1. 8.3.2.

8.3.2.1. 8.3.2.2. 8.3.3. 8.3.4. 8.3.3.1. 8.3.4.1. 8.3.4.2. 8.3.5. 8.3.5.1. 8.3.5.2. 8.3.5.3. 8.3.6. 8.3.7. 8.4.

Verificacin a la Comprensin ...................................................................... 33 Verificacin Deformaciones en la Placa ....................................................... 33

Verificacin Rotaciones en la Placa .............................................................. 35

Verificacin Estabilidad (Art. 14.4.1.5 AASHTO 96) ........................................ 37 Verificacin del Refuerzo (Art. 14.4.1.6 AASHTO 96) ..................................... 37

PLACAS ELASTOMERICAS EN CEPAS...................................................... 38 Caractersticas................................................................................................ 38 Cargas del Tablero en Cada Placa ................................................................. 38 Cargas Permanentes (DL) ...................................................................... 38 Cargas de Trnsito (LL) ......................................................................... 38

8.4.1. 8.4.2.

8.4.2.1. 8.4.2.2. 8.4.3.

Verificacin a la Comprensin ...................................................................... 39

8.4.3.1. 8.4.4. 8.4.4.1. 8.4.4.2. 8.4.5. 8.4.5.1. 8.4.5.2. 8.4.5.3. 8.4.6. 8.4.7. 9.

Esfuerzos de Comprensin Producto de las Cargas ............................... 39 Deformaciones por Comprensin (Art. 14.4.1.2 AASHTO 96) .................. 39 Deformaciones por Corte (Art. 14.4.1.3 AASHTO 96) ............................... 40 Rotacin Producto del Peso de la Losa .................................................. 41 Rotacin Producto de las Cargas Muertas ............................................. 41 Rotacin Producto de las Cargas Mviles ............................................. 41

Verificacin Deformaciones en la Placa ....................................................... 39

Verificacin Rotaciones en la Placa .............................................................. 41

Verificacin Estabilidad (Art. 14.4.1.5 AASHTO 96) ........................................ 43 Verificacin del Refuerzo (Art. 14.4.1.6 AASHTO 96) ..................................... 43

CLCULO DE LA INFRAESTRUCTURA ........................................................... 44 9.1. Modelacin de la Global de la Estructura ........................................................ 44 Resortes ......................................................................................................... 46 Estados de Carga ........................................................................................... 47 Peso Propio de Elementos Estructurales y no Estructurales (DC) ......... 47 Sismo en X (EQx) .................................................................................. 48 Sismo en Z (EQz)................................................................................... 49

9.1.1. 9.1.2.

9.1.2.1. 9.1.2.2. 9.1.2.3. 9.2.

Modelacin de los estribos ................................................................................. 50 Modelo........................................................................................................... 52 Resortes ......................................................................................................... 53 Estados de Carga ........................................................................................... 54 Peso Propio de Elementos Estructurales y no Estructurales (DC) ......... 54 Empuje Horizontal del Terreno (EH)..................................................... 56 Cargas Transientes ................................................................................. 57

9.2.1. 9.2.2. 9.2.3.

9.2.3.1. 9.2.3.2. 9.2.3.3. 10.

RESULTADOS ....................................................................................................... 61 MODELACIN GLOBAL DE LA ESTRUCTURA................................... 61 PARA CARGAS VERTICALES .............................................................. 61 SERVICIO I: 1.0(DC+EQx+0.3EQz) ...................................................... 61 Reacciones en X ..................................................................................... 61 Reacciones en Z ..................................................................................... 62 Reacciones en Y ..................................................................................... 62 SERVICIO II: 1.0(DC+0.3EQx+EQz) ..................................................... 63

10.1. 10.1.1. 10.1.2.

10.1.2.1. 10.1.2.2. 10.1.2.3. 10.1.3.

10.1.3.1. 10.1.3.2. 10.1.3.3. 10.1.4. 10.1.4.1. 10.1.4.2. 10.1.5. 10.1.5.1. 10.1.5.2. 10.1.5.3. 10.1.6. 10.1.6.1. 10.1.6.2. 10.1.6.3. 10.2.

Reacciones en X ..................................................................................... 63 Reacciones en Z ..................................................................................... 63 Reacciones en Y ..................................................................................... 64 VERIFICACIN TENSIONES ADMISIBLES DEL TERRENO DE PARA SERVICIO I ............................................................................... 65 PARA SERVICIO II .............................................................................. 66 RESISTENCIA I: 1.3(DC+EQx+0.3EQz) ............................................... 67 Diagramas de Momentos........................................................................ 67 Diagrama de Corte ................................................................................. 68 Diagrama Axial ...................................................................................... 68 RESISTENCIA II: 1.3(DC+0.3EQx+EQz) .............................................. 69 Diagrama de Momentos ......................................................................... 69 Diagrama de Corte ................................................................................. 70 Diagrama Axial ...................................................................................... 70

FUNDACIN .............................................................................................................. 64

MODELACIN DEL ESTRIBO .................................................................. 71 SERVICIO I: 1.0(DC+EA+PT+LL+ELL) ............................................... 71 Reacciones.............................................................................................. 71 SERVICIO II: 1.0(DC+EA+PT+EQ+SI) ................................................. 71 Reacciones.............................................................................................. 71 VERIFICACIN TENSIONES ADMISIBLES DEL TERRENO DE RESISTENCIA I: 1.3(DC+1.3EA+PT+1.67LL+1.67ELL) .................. 73 Diagrama de Momentos ......................................................................... 73 Diagrama de Corte ................................................................................. 74 Diagrama Axial ...................................................................................... 74 RESISTENCIA II: 1.3(DC+1.3EA+PT+ES+SI)..................................... 75 Diagrama de Momentos ......................................................................... 75 Diagrama de Corte ................................................................................. 75 Diagrama Axial ...................................................................................... 76

10.2.1. 10.2.1.1. 10.2.2. 10.2.2.1. 10.2.3. 10.2.4. 10.2.4.1. 10.2.4.2. 10.2.4.3. 10.2.5. 10.2.5.1. 10.2.5.2. 10.2.5.3. 11.

FUNDACIN .............................................................................................................. 72

DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS ............................................. 77 MODELACIN DE LA ESTRUCTURA..................................................... 77 VIGA CEPA .............................................................................................. 77

11.1.

11.1.1.

11.1.1.1. 11.1.1.2. 11.1.1.3. 11.1.2. 11.1.2.1. 11.1.2.2. 11.1.2.3. 11.2.

Geometra ............................................................................................... 77 Solicitaciones ......................................................................................... 78 Armadura................................................................................................ 78 COLUMNA CEPA .................................................................................... 79 Geometra de la seccin ......................................................................... 79 Solicitaciones ......................................................................................... 79 Armadura................................................................................................ 79

MODELACIN DE LA ESTRUCTURA..................................................... 80 MURO ESPALDAR e=0.30 m (1) ............................................................ 81 Geometra de la Seccin......................................................................... 81 Solicitaciones ......................................................................................... 82 Armaduras .............................................................................................. 82 MURO ESPALDAR e=1.20 m (2) ............................................................ 83 Geometra de la Seccin......................................................................... 83 Solicitaciones ......................................................................................... 83 Armaduras .............................................................................................. 83 FUNDACIN (Superior) (3)..................................................................... 84 Geometra de la Seccin......................................................................... 84 Solicitaciones ......................................................................................... 84 Armaduras .............................................................................................. 84 FUNDACIN (Inferior) (4) ...................................................................... 85 Geometra de la Seccin......................................................................... 85 Solicitaciones ............................................................................................. 85 Armaduras .............................................................................................. 85 PILOTES (5).............................................................................................. 86 Geometra de la Seccin......................................................................... 86 Solicitaciones ......................................................................................... 86 Armaduras .............................................................................................. 86

11.2.1. 11.2.1.1. 11.2.1.2. 11.2.1.3. 11.2.2. 11.2.2.1. 11.2.2.2. 11.2.2.3. 11.2.3. 11.2.3.1. 11.2.3.2. 11.2.3.3. 11.2.4. 11.2.4.1. 11.2.5. 11.2.5.1. 11.2.6. 11.2.6.1. 11.2.6.2. 11.2.6.3.

NDICE FIGURAS

FIGURA 1. CAMIN ESTANDAR HS 20-44..................................................................7 FIGURA 2. MODELACIN GLOBAL DE LA ESTRUCTURA.................................44 FIGURA 3. MODELACIN DE LOS ESTRIBOS........................................................51

NDICE TABLAS

TABLA 1. DEFORMACIONES ADMISIBLES.............................................................10 TABLA 2. FACTORES DE RESISTENCIA...................................................................12 TABLA 3. PROPIEDADES DE LA SECCIN DE LA VIGA......................................22 TABLA 4. ELEMENTOS DEL MODELO.....................................................................45 TABLA 5. RIGIDEZ DE LOS RESORTES....................................................................46 TABLA 6. ELEMENTOS DEL MODELO (ESTRIBOS)..............................................45 TABLA 7. SOLICITACIONES MXIMAS DE LA CEPA..........................................78 TABLA 8. SOLICITACIONES MXIMAS DEL ESTRIBO.......................................81

1. INTRODUCCIN 1.1. ALCANCES Y OBJETIVOS DE LA MEMORIA La presente memoria muestra las hiptesis, anlisis, clculo y resultados del diseo estructural del Puente Ibaez, ubicado en la comuna de Cabrero, octava regin, el cual forma parte de la Concesin Autopista Concepcin Cabrero y Red Vial del Bio Bo. Esta memoria tiene por objetivo estimar, de la manera ms precisa posible, las dimensiones de los elementos que conforman la estructura y sus respectivas cuantas de acero.

1.2. DESCRIPCIN DE LA ESTRUCTURA El puente est conformado por cuatro tramos simplemente apoyados de 20.0 m de longitud. El tablero de 12.85 m de ancho total, contempla una calzada de 7.00 m, una berma exterior de 2.00 m, una berma interior de 1.00 m que lleva en su extremo una barrera F Alta, una ciclova de 2.0 m que en uno de sus costados lleva una barrera F Alta y en el otro una defensa peatonal metlica.

1.2.1. Superestructura La superestructura esta constituida por 4 vigas pretensadas de 1.20 m de altura espaciadas transversalmente a 3.6 m entre s, y una losa superior colaborante de 0.22 m de espesor construida in situ. Sobre la losa se coloca un pavimento de asfalto de 0.05 m de espesor mnimo Las vigas son todas simplemente apoyadas (en placas elastomricas) y estn unidas transversalmente por travesaos en ambos extremos.

1.2.2. Infraestructura La infraestructura est compuesta por estribos de muros en cantilever vertical, sirviendo el muro frontal de mesa de apoyo de las vigas pretensadas. El muro frontal y el ala se


encuentran empotrados sobre una losa de fundacin apoyada en una doble fila de 4 pilotes de 1.5 m de dimetro y una longitud de 8.5 m.

1.3. CRITERIOS UTILIZADOS EN EL ANLISIS Para el clculo de la estructura se crea un modelo con el Programa de Anlisis Estructural RISA 3D, mediante un esquema de barras y nodos. Los criterios utilizados en dicha modelacin se detallan a continuacin: Las barras poseen las mismas propiedades geomtricas de los elementos que representan y se ubican en los centros de gravedad de las secciones respectivas. Los nodos, o puntos en que se cruzan las barras, tienen las coordenadas que definen la geometra. Las caractersticas del suelo en el que estn embebidos los pilotes se representa por medio de resortes de rigidez equivalente a los coeficientes de balastos entregados en la mecnica de suelos, repartidos en la longitud total de los pilotes, distanciados a 0.5 m cada uno. En el modelo global, slo se consideran las placas elastomericas de los estribos. (el estribo se consideran parte del suelo) La modelacin de los estribos se realiza en forma independiente, aplicado las reacciones obtenidas en el modelo global. Las placas de neopreno quedan representadas por barras con las propiedades elsticas del material.


2. BASES DE CLCULO

El anlisis del Puente se realizar respetando los estndares establecidos en las siguientes normas, cdigos y/o guas: STANDARD SPECIFICATIONS FOR HIGHWAY BRIDGES 1996, 16th ed, de AASHTO Norma de diseo de Puentes Carreteros adoptada por el Departamento de Puentes. CDIGO DE DISEO DE HORMIGN ARMADO, Ao 2000, 1era ed. del Instituto del Cemento y del Hormign de Chile. Cdigo de diseo basado en el ACI 318-99 MANUAL DE CARRETERAS Estructuras Afines. DE LA DIRECCIN DE VIALIDAD,

VOLUMEN N3 Instrucciones y Criterios de Diseo, captulo 3.1000 Puentes y


3. MATERIALES 3.1. HORMIGN Se considera un hormign H30, con 250 kg/cm2 de resistencia cilndrica a la compresin a los 28 das (fc), con un mdulo de Young de 26000 MPa, un mdulo de rotura de 3.2 MPa y un mdulo de Poisson igual a 0.20, para la super e infraestructura, excluyendo las vigas pretensadas. Se considera adems la relacin: fc= fc cilndrica = 0.85fc prismtica Para las vigas pretensadas se considera: Hormign H55 Resistencia cilndrica a los 28 das Resistencia en etapa de Transferencia fc =500 kg/cm fci =375 kg/cm

3.2. ACERO DE REFUERZO Con excepcin de la armadura activa de las vigas pretensadas, se consideran barras de refuerzo de acero del tipo A63-42H, con una tensin de fluencia Fy de 4.200 Kg/cm2 y un mdulo de elasticidad de 200.000 MPa, de acuerdo a lo establecido en el captulo 3.5.3 del Cdigo de Diseo de HA. Para la armadura activa de las vigas pretensadas, se tiene: Cables de baja relajacin Tensin Rotura fs =19000 kg/cm

4. CARGAS DE DISEO


La naturaleza de las cargas se determinan en concordancia con la seccin 3 de la norma AASHTO 96: De esta forma se consideraron las siguientes cargas:

a) Cargas permanentes DC EH PT Peso propio de elementos estructurales y no estructurales. Empuje horizontal del terreno. Peso de la tierra sobre la parte posterior de la zapata.

b) Cargas transientes LL EQ Carga viva (vertical). Cargas Ssmicas.

ELL Empuje horizontal por carga viva.

4.1. CARGAS PERMANENTES 4.1.1. Peso Propio de Elementos Estructurales y no Estructurales (DC) 4.1.1.1. Peso Propio del Hormign (PPH)

Se considera el peso propio de los elementos estructurales y no estructurales de hormign armado, con un peso especfico del material igual a 2.50 ton/m3.

4.1.1.2.

Cargas Muertas (CM)

Se considera el peso del pavimento asfltico con un peso especfico de 2.4 ton/m3, el peso de Defensa tipo F alta de 0.525 ton/m y el peso de Barandas Peatonales de 0.05 ton/m. Estas cargas se distribuyen uniformemente de acuerdo al nmero de vigas.

4.1.2. Empuje Horizontal del Terreno (EH)

Se consideraron los siguientes parmetros para el clculo de los empujes horizontales:


a) Terreno Natural Peso Especfico:

T

=

2.0 Tonf/m3

Cohesin y ngulo de Friccin Interna:

C

= =

0.00 Tonf/m2 41

Cohesin mxima. ngulo de friccin para cohesin mxima.

Coeficiente de Empuje Pasivo del Terreno Natural:

KP

=

Coeficiente de empuje pasivo

, para = 41

= 4.81

b) Rellenos Peso Especfico:

R

=

2.2 Tonf/m3

Cohesin y ngulo de Friccin Interna:

C

= =

0.00 Tonf/m2 38

Cohesin mxima. ngulo de friccin para cohesin mxima.

Coeficiente de Empuje Activo del Relleno:

KA

=

Coeficiente de empuje activo

, para = 38

= 0.22

4.1.3. Peso de las Tierras (PT)

Se considera el peso de las tierras sobre la parte posterior de la zapata de fundacin, con un peso especfico igual a 2.2 Ton/m3.


4.2. CARGAS TRANSIENTES 4.2.1. Carga Viva (LL)

Se considera la carga mvil correspondiente al camin estndar HS 20-44, definido en la figura 3.7.7.A de la norma AASHTO 96.

FIGURA 1.

CAMIN ESTANDAR HS 20-44

Los esfuerzos originados por las cargas de trnsito deben ser incrementados en un porcentaje determinado por la fraccin de impacto:

IM =

15,24 30% L + 38,10


L: longitud de la porcin de tramo cargado, en m, para producir el mximo esfuerzo en el elemento. Por ltimo, en cualquier combinacin la carga viva es amplificada en un 20%, segn las exigencias del Departamento de Puentes del Ministerio de Obras Pblicas.

4.2.2. Empuje Horizontal por Carga Viva (ELL)

Las cargas de trnsito (LL) emplazadas sobre los rellenos de tierras hasta una distancia horizontal igual a la mitad de la altura de la estructura, generan sobre ella una presin equivalente a la de una sobrecarga de 0.60 m de altura de tierra. Luego, se considera el empuje horizontal de esta sobrecarga equivalente de terreno, con los mismos parmetros del terreno utilizados anteriormente (, , C, KO), amplificada tambin en un 20%. 4.2.3. Cargas Ssmicas (EQ) 4.2.3.1. Sismo Inercial (SI)

Se considera la accin de las fuerzas ssmicas inerciales que se generan producto del sismo. Se utilizar para el clculo de las cargas ssmicas, un coeficiente ssmico horizontal, Kh, igual a:

K h = Cs =

A0 0.4 g Kh = = 0.20 2 g 2 g

4.2.3.2.

Empuje Ssmico del Relleno (ES)

Se considera la accin del empuje ssmico del relleno estructural, considerando el coeficiente de empuje ssmico y las propiedades del relleno definidas en el punto 4.1.2 b).


Coeficiente de Empuje Activo Ssmico del Relleno:

KAS = Coeficiente de empuje activo ssmico , para = 38 y Kh = 0.2 g

= 0.34

Coeficiente de Empuje Ssmico del Relleno:

KS = Coeficiente de empuje ssmico = KAS KA = 0.12

5. COMBINACIONES DE CARGA

5.1. COMBINACIONES DE SERVICIO

Combinacin Servicio

N

1.0 1.0

DC

EQx

EQz

1 2

1.00 1.00

1.00 0.30

0.30 1.00

5.2. COMBINACIONES DE RESISTENCIA

Combinacin Resistencia

N

1.3 1.3

DC

Eqx

EQz

1 2

1.00 1.00

1.00 0.30

0.30 1.00


6. CRITERIOS DE DISEO

La estructura es diseada para resistir su peso propio (DC), las sobrecargas que la solicitan, los efectos resultantes de la accin horizontal (EH) del empuje del relleno estructural y las acciones asociadas a la carga viva (LL y ELL).

6.1. DEFORMACIONES

Las deformaciones de la estructura y de sus componentes deben ser compatibles con su seguridad y su serviciabilidad. Las deformaciones instantneas y las deformaciones diferidas en el tiempo de la estructura, se determinan slo para las combinaciones de servicio. Las deformaciones admisibles a considerar son:

Elemento

i adm. Instantnea L/360

d adm. Diferida L/250

MurosTABLA 1.

FACTORES DE RESISTENCIA

6.2. TENSIONES ADMISIBLES DEL TERRENO DE FUNDACIN

Segn el Informe de Mecnica de Suelos, la tensin neta admisible del suelo natural para pilotes de 1.2m de dimetro de cargas estticas es 438 ton, y para cargas ssmicas es 419ton y para pilotes de 1.5m de dimetro de cargas estticas es 613 ton, y para cargas

ssmicas es 816 ton. La tensin horizontal admisible (Resistencia pasiva disponible, Hp,) en los pilotes, en la zona colaborante a la profundidad z se expresa en (ton/m) y se determina como:


De acuerdo al informe de mecnica de suelos, se tiene: (Art. 3.1003.303(1)b) del Manual de Carreteras)

Hp = 3( VZ K p + 2c K p )1 + sen , para = 41 1 sen c = cohesin, en este caso = 0 Kp = K p = 4.81

VZ = Tensin vertical efectiva en (ton/m) a la profundidad zen este caso VZ = T z = 2.2 z (ton/m)

Hp = 3(4.812.2z ) = 31.75z (ton/m)

6.3. COEFICIENTE DE BALASTO DEL TERRENO

Los coeficientes de balastos del terreno natural para pilotes de 1.2m y 1.5m de dimetro son los entregados en la mecnica de suelos.

6.4. RESISTENCIA

De acuerdo al diseo a la rotura, se tiene que, para las combinaciones de resistencia, se debe cumplir que: U = iQi Rr = Rn Donde:Rr :

Resistencia Factor de resistencia Resistencia nominal

:

Rn :

Los factores de resistencia, de acuerdo al artculo 8.16.1.2.2 de la norma AASHTO 96, son los siguientes:

Hormign armado Solicitacin


Flexin CorteTABLA 2.

0.90 0.85

FACTORES DE RESISTENCIA

6.4.1. Lmite de Tensin en el Acero

En concordancia con la frmula (8-61) del artculo anterior mencionado, se verificar que la tensin elstica de traccin en el acero, bajo la accin de las combinaciones de servicio, no excede el valor 0.60fy.


7. DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

7.1. DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS DE HORMIGN ARMADO

Los elementos de hormign armado son dimensionados de acuerdo al mtodo de diseo a la rotura, y a las especificaciones establecidas en la seccin 8 de la norma AASHTO 96. Para el clculo de armaduras se sigue el siguiente esquema.

a = d d2

2 MU / ' 0.85 fC b

As =

' 0.85 fC a b fy

7.2. TENSIN DE CORTE MXIMA

La resistencia nominal de corte suministrada por el hormign y la resistencia al corte suministrada por la armadura de acero se determinan de acuerdo al artculo 8.15.5 de la norma AASHTO 96.


8. CLCULO DE LA SUPERESTRUCTURA 8.1. LOSA 8.1.1. Geometra BsicaAncho de Ala Superio de la Viga Ancho de Alma Separacin Entre Vigas (medidas de eje a eje) N de Soportes de la Losa (vigas) Bombeo Seccin Transversal Luz de Clculo Luz de Clculo en Pies Ancho colaborante Bas = 1.50 m Aalma = 0.15 m S = 3.6 m NS = 4 i = 0.02 m L = S - Aalma = 3.6-0.15 LP =

= 3.45 m

L = 3.5/0.3048 = 11.3 pies 0.3048

ACOL = 1.0 m

8.1.2. Parmetros de Clculo

Densidad del Hormign Densidad del Pavimento Asfltico Resistencia Cilndrica del Hormign H-30 Resistencia a la Fluencia del Acero A63-42H Factor de Reduccin por Flexin8.1.3. Espesor Mnimo de Losa

h = 2.5 ton/m a = 2.4 ton/m f`c = 250 kg/cm fy = 4200 kg/cm c = 0.9

De acuerdo a la Norma AASHTO Standard 96, el espesor mnimo de la losa est dado por: Espesor de Losa en Pies Espesor de la Losa en cm tmn =

Lp + 10 30

= 11.3+10 30

= 0.71 pies

tmn = 21.66 cm

Se adopta un espesor de losa de 22 cm, que es mayor que el mnimo requerido Espesor de la losa en "m" para efectos de clculo Espesor de la losa en "m" para efectos de armaduras Espesor del pavimento en "m" t1 = 0.235 m t2 = 0.22 m tp = 0.10 m


8.1.4. Cargas 8.1.4.1. Cargas PermanentesqL = 0.2351.02.5 = 0.59 ton/m qP = 0.101.02.4 = 0.24 ton/m = 0.83 ton/m Q = qL + qP

Carga aportada por la losa Carga aportada por el pavimento Carga Total

Momentos Producidos Por Cargas Permanentes (MCP) MCP =

Q L2 12

=

0.82 tonm

Por metro de Losa

8.1.4.2.

Carga de Trnsito

Carga de diseo: Camin AASHTO - HS20-44 + 20% (MOP Chile). Coeficiente Mayoracin MOP : Coeficiente de ImpactoArt. 3.8.2.1 AASHTO `96

CM = 1.20 CI = 50 S+38.11 0.8 = 50 = 0.30 3.5+38.11

:

Coeficiente de ReduccinArt. 3.24.3.1 AASHTO `96

:

CR =

Carga de RuedaFig. 3.7.6 A AASHTO `96

:

PRUEDA = 7.26 ton

Momentos Producidos Por Cargas Mviles (ML) La expresin para el momento por carga mvil est dado por: S+0.61 9.74 Finalmente, se tiene: ML = (1+CI)CMCRPRUEDA(S+0.61) 9.74 = 3.78 tonm Por metro de Losa = 3.5+0.61 = 0.42 9.74Art. 3.24.3.1 AASHTO `96


8.1.4.3.

Momento ltimo

MU = 1.3(MCP+1.67ML)

=

9.26 tonm

Por metro de Losa

8.1.5. Dimensionamiento Losa 8.1.5.1. Clculo Armadura Principal

b= h= rec = d=

100 cm 22 cm 4 cm 18 cm

Altura del bloque rectangular equivalentea = d d2 2Mu / 0 .85f ' b c

=

2.93 cm

rea de armadura calculada por metro

As =

a 0 .85 f ' b c f y

=

14.82 cm/m

Armadura Mnima Requerida De acuerdo a lo establecido en el artculo 8.17.1 de la Norma AASHTO, debe cumM n 1.2M cr Donde : M cr = f r W

fr = 31 kg/cmW= b h 6

Para H:30 8067 cm

=

Mcr = 2.50 tonm


a mn = d d 2

2Mcr / 0 .85 f ' b c

= 0.74 cm

A smn =

a mn 0 .85 f ' b c f y

=

3.75 cm/m

El rea de acero a utilizar es el mximo entre As yAsmn, teniendo: ASTOT = 14.82 cm/m Se utilizar 12@20 + S 16@20

8.1.5.2.

Clculo Armadura Reparticin

Armadura a utilizar en la parte inferior, segn Art. 3.24.10.2 AASTO 96 Armadura de Reparticin: paralela al trnsito p = 121/L^0.5 = 65.1 % Porcentaje de armadura de reparticin

Como p > 67%, la armadura de reparticin ser: AREP = 0.67AS = 9.93 cm/m Se utilizar 12@20 + S 12@20


8.2. VIGA HORMIGN PRETENSADA 8.2.1. Datos Geomtricos y de ClculoCarga de diseo: Camin AASHTO - HS20-44 + 20% (MOP Chile). Nmero de Vigas Longitud Real Longitud de Apoyo Viga Luz de Calculo Distancia entre Vigas Altura Viga Ancho Base Viga Altura Base Espesor Alma Ancho Ala Espesor Ala Area Viga Bombeo Espesor Losa (Cargas) Espesor Losa (Armaduras) Espesor de Pavimento Tipo Defensa Base Defensa N Defensas N Barandas Peatonales Ancho de Tablero Ancho Calzada Ancho Bermas Ancho Pasillos o ciclovas Espesor Travesao Distancia entre Travesaos 4 20.0 m 0.45 m 19.10 m 3.60 m 1.20 m 0.70 m 0.20 m 0.15 m 1.50 m 0.07 m 0.530 m 2.0% 0.235 m 0.220 m 0.07 m F Alta 0.355 m 2 1 12.85 m 7.00 m 3.00 m 2.00 m 0.25 m 19.10 m

150 7 6 20 15 51.5 16

120

37

20 7.5 15 15 20 70

8.2.2. Cargas sobre Viga Interior 8.2.2.1.Peso Viga Peso Losa Peso Moldaje : : :

Cargas Permanentes0.532.5 0.243.62.5 = = = 1.326 2.12 0.09 2.20 ton/m ton/m ton/m ton/m

Area Travesao

:

= [3.60(1.20-0.20)]-[0.53-(0.700.20)] = 3.21 m 3.210.252.5 = 2.006 ton

Peso 1 Travesao

:


8.2.2.2.Peso Defensas Peso Barandas Peso Pavimento : :

Cargas Muertas20.525 10.05 0.07(7.00+3.00)2.4 1.05 ton/m 0.05 ton/m 1.18 ton/m 2.28 : 4 = (menos retiro de moldaje) = = =

:

0.57 0.09 0.48

ton/m ton/m ton/m

8.2.2.3.

Cargas Mviles

Carga de diseo: Camin AASHTO - HS20-44 + 20% (MOP Chile). Luz de Clculo (pies) N de Pistas Coeficiente Mayoracin MOP Coeficiente de Impacto : : : s CM CI = = = 62.65 ft 2 1.20 50 62.65+125 3.6 1.676 = 0.266Art. 3.8.2.1 AASHTO `96

Coeficiente de Distribucin

:

CD

=

=

2.15

Tabla 3.23.1 AASHTO `96

Carga de Camin: Carga de Rueda Distancia Entre Ruedas Carga Eje Trasero Carga Eje Delantero Carga de Faja: Carga Uniforme : q Q PMom PM Carga Concentrada Corte : PCor PC = = = = = = 0.476 ton/m 0.476(1+0.266)2.151.20 4.08 ton 4.082(1+0.266)2.151.20 5.90 ton 5.897(1+0.266)2.151.20 = 19.25 ton = 13.33 tonFig. 3.7.6 B AASHTO `96

: : : :

PRUEDA a PT PD

= = = =

7.26 ton 4.27 m (1+CI)CMCDPRUEDA 23.690.25 = =

Fig. 3.7.6 A AASHTO `96

23.69 ton 5.92 ton

=

1.55 ton/m

Carga Concentrada Momento :


8.2.3. Solicitaciones al Centro de la Viga 8.2.3.1.M Peso Viga

Sobre la Seccin BrutaMVIG = MVIG = 1.3319.10 8 60.46 tonm

8.2.3.2.M Losa + Moldaje

Sobre la Seccin TransformadaMLyM = 2.2019.10 8 MLyM = 100.44 tonm Mtrav = Mtrav = 0.00 0.00 tonm MCP = MCP = MELyM + Mtrav 100.44 tonm

M Travesaos

Momento Cargas Permanentes

8.2.3.3.

Sobre la Seccin Compuesta

M Cargas Muertas

MCM = MCM =

0.4819.10 8 21.96 tonm

M Carga de Trnsito Carga de Camin

Pt Pd

PtMCamin = 5.92(2.25L-2.5a) MCamin = 191.31 tonm


Carga de FajaPm Q

MFaja =

MFaja = QL / 8+ PmL/4 134.48 tonm

Momento carga de Trnsito

MCTR = MCTR =

Mx(MCamin;Mfaja) 191.31 tonm

8.2.4. Propiedades de la Viga 8.2.4.1. Caractersticas de los Hormigonesfc = fci = fcs = 350 kg/cm 350 kg/cm 250 kg/cm

Resistencia Hormign en Viga Resistencia Hormign al Destesar Mdulo de Elasticidad del Hormign Resistencia Hormign in Situ Mdulo de Elasticidad del Hormign in Situ

Eci = 300000 kg/cm Ecs = 235000 kg/cm

8.2.4.2.Dimetro Cables Nmero de Cables

Caractersticas de los Cablescable = Ncable = Acable = 0.6 in 27 1.39 cm

Area equivalente de 1 Cable Mdulo Elasticidad Cables Tensin Acero Pretensado Tensin Admisible de Pretensado Centro Gravedad Cables Relacin Mdulos Elasticidad Cable/H

Es = 2100000 kg/cm fs = 19000 kg/cm f0 = 0.70fs = ygcables = ncble/H = 9.67 cm Es Eci = 7

13300 kg/cm

Relacin Resistencia Hlosa/HvigaC

mHlosa/Hviga =

fcs fc

=

0.85

yg

n 11 11 5

y 5 11 17 23 29

n x y 55 121 85 0 0

5 0.6" 11 0.6" 11 0.6"6.0 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 6.0

6 6 5

27 9.67 261 d= 110.33 cm


A (cm) Ancho 15 55 20 15 7.5 16 51.5 32 135 Seccin Bruta Altura 120 20 15 15 15 20 6 6 7

y (cm)

Ay (cm)

yg-y (cm)

I0 (cm4)

A(yg-y) (cm4) 17625 3104982 436151 285624 60183 442927 708109 421800 2691779 8169179 25043 591084

I [I0+A(ygy)] (cm4) 2177625 3141649 439901 289843 61589 450039 708727 422376 2695638 10387385 10412427 591084 11003511 17359793 7043639 24403432

W t (cm)

W b (cm)

1800 1100 300 225 113 320 309 192 945 5304 5304 225 5528 5528 5188 10716

60.0 110.0 95.0 92.5 80.0 19.7 9.0 10.0 3.5 56.87 56.87 110.33 59.04 59.04 -11 25.14

108000 121000 28500 20813 9000 6293 2781 1920 3308 301614 301614 24791 326406 326406 -57063 269342

-3.13 -53.13 -38.13 -35.63 -23.13 37.20 47.87 46.87 53.37 2.17 -51.29 -33.91 36.14

2160000 36667 3750 4219 1406 7111 618 576 3859 2218206 10387385 11003511 269976

182649

-164542

Seccin Bruta 27 cables Seccin Transformada Seccin Transformada Losa Seccin Compuesta

186362

-180515

6356282 6773663

970887

-257244

TABLA 3.

PROPIEDADES DE LA SECCIN DE LA VIGA

8.2.5. Clculo de Tensiones 8.2.5.1.

Tensiones Admisibles

Tensiones en etapa de transferencia: : 0.6fci 0.8 fci = = 210 kg/cm 14.97 kg/cm

Compresin Traccin

Tensiones en etapa de servicio: : : 0.4fc 0.6fc 0 = = = 140 kg/cm 210 kg/cm 0 kg/cm

Compresin sin carga mvil Compresin carga mvil Traccin


Etapa de servicioW t (cm) ft fb Wb M (tm) (cm) (kg/cm) (kg/cm) -164542 60.5 33 -37 -180515 100.4 54 -56 -257244 22.0 2 -9 -74 -257244 191.3 20 109 -175 -182.5 64 -100 73 64 111 0

Pp Viga C permanentes C muertas C trnsito

182649 186362 970887 970887

Preesfuezo servicio

P (kg) = 341379 e (cm) = 53.46

ft en servicio cargas permanentes = 53kg/cm < 0.40fc = 140kg/cm, Cumple ft en servicio cargas totales = 73kg/cm < 0.60fc = 210kg/cm, Cumple fb final en traccin = 0kg/cm , Cumple

Preesfuerzo inicial

Considerando prdidas totales equivalentes a un 27.8%, el preesfuerzo inicial es PA = 341 1-0.28 = 473 ton 27 cables @ 17.49ton

N de cables Fuerza por cable Fuerza admisible por cable

27 17.49 ton 18.45 ton

Tensin del acero 12609 13300

Etapa de transferencia

Con prdidas de un 9.3%, antes de retraccin y fluencia del hormign, en etapa de transferencia, se tiene: ft fb M (tm) (kg/cm) (kg/cm) Pp Viga 60.46 33 -37 Preesfuerzo 27 cables Po = 472 80.8 80.8 Prdidas = 44 -229 -125.37 139.16 428 -11.5 183 ft inicial = -11.5kg/cm > -0.80 (fci) = -14.97kg/cm, Cumple fb inicial = 184kg/cm < 0.60fci = 210kg/cm, Cumple

Clculo de prdidas


Retraccin (SH) RH SH = = 60 1195-105465RH = 562.21 kg/cm

Acortamiento elstico M (kgcm) Peso propio viga Preesfuerzo Pi (kg) = 428132 e (cm) = 53.466046156

f cir (kg/cm)-31.12 80.7

22888994.4

117.8

ES = Esfcir Eci =

167.4 1171.9 kg/cm

Fluencia del hormign (CRc) M (kgcm) Losa Cargas muertas10043675 2195700

f cds (kg/cm)-46.8 -6.7

CRc = 1.2fcir+7fcds =

-53.5 1634.5 kg/cm

Relajacin del acero (CRs) CRs = 352-0.1ES-0.05(SH+CRc) (Despus de Retraccin y Fluencia) = 124.5 kg/cm

Prdidas totales


Prdida SH ES CRc CRs Total

kg/cm 562.21 1171.90 1634.53 124.52 3493.2

% 4.46 9.29 12.96 0.99 27.70

Finalmente, considerando prdidas totales equivalentes a un 27.70%, se tiene que: Preesfuerzo N de cables Fuerza por cable Fuerza admisible por cable 472 27 17.49 ton 18.45 ton

Se usarn 27 cables con una tensin por cable de 17.49 ton c/u

8.2.6. Esfuerzos de Corte 8.2.6.1.

Corte Debido a Cargas Permanentes (Vd)

Corte por peso propio (VPP): :

Ppviga PpLosa

1.33 ton/m 2.12 ton/m 3.44 ton/m

Viga Losa Cargas Permanentes

q= Largo Viga

Altura Viga Compuesta

Lvig : 19.10 m HV_C : 1.44 m Corte producto de cargas permanentes h/2 apoyo (m) x = 0.7175 Vpp (ton) 30.39

Vpp = qLvig(0.5-x/Lvig) x/Lvig 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 x (m) 0 1.9 3.8 5.7 7.6 9.6 Vpp (ton) 32.86 26.29 19.72 13.14 6.57 0.00

Corte por peso travesaos (Vtr)


Ptravesao x/Lvig 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

:

2.13 ton x (m) 0 1.9 3.8 5.7 7.6 9.6 Vtr (ton) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 h/2 apoyo (m) x = 0.7175 Vtr (ton) 0.00

Corte debido a cargas permanentes (Vd)Vd = Vpp + VTr x/Lvig 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 x (m) 0 1.9 3.8 5.7 7.6 9.6 Vd (ton) 32.86 26.29 19.72 13.14 6.57 0.00 h/2 apoyo x = 0.7175 Vd (ton) 28.39

8.2.6.2.

Corte Debido a Cargas Externas (Vd)

Corte Por Cargas Muertas (Vcm)0.78 -0.05 0.48 ton/m ton/m ton/m

Peso Defensas, Barandas, Pasillos y Pavimento : Retiro de Moldaje : q= VCm

anexo n estudio hidraulico de puentes vf

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