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ESTUDIO TECNICO de INGENIERIA CIVIL ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL PARA CONSTRUCCION PUENTE SANTA ROSA ESTACION P.K.: 0+043.129 Proyecto: CARRETERA DE ALDEAS HASTA SANTA ROSA DE LIMA Memoria de Cálculo Estructural de la Estructura Estudio de Ingeniería Estructural por: Eduardo Sebastián Aballí Coto Ingeniero Civil Administrativo MA – Estructuras y Edificación Colegiado No. 2795 Guatemala, Diciembre de 2019. MEMORIA DE ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL Estructura Longitud Ubicado en Ruta: Puente P:K: 0+043.129 6.00 m Carretera de Aldeas a Santa Rosa de Lima ASPECTOS GENERALES Esta estructura forma parte del proyecto Carretera de Aldeas a Santa Rosa de Lima, dicho tramo carretero, en consecuencia se presenta a continuación la Memoria Descriptiva y Calculo estructural las cuales conforman el Estudio Técnico de Ingeniería Civil previo a la construcción del citado Puente Santa Rosa localizado en la estación PK 0+043.129 de dicho proyecto. DESCRIPCION GENERAL DE ESTA ESTRUCTURA El proyecto comprende la construcción de la estructura de drenaje mayor, que para este caso se denominara Puente Santa Rosa. DESCRIPCION GEOMETRICA Y TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL Dado el caso particular de esta estructura la cual fue desarrollada conceptualmente como Puente , de acuerdo con información recibida de la quebrada ubicada en este punto, por consideraciones de índole constructiva, es conveniente la planificación de esta estructura con la tipología de caja o cajón de concreto reforzado con utilización de elementos de concreto reforzado construidos en el lugar, la geometría final del área hidráulica necesaria para drenar el caudal hidráulico durante la creciente extrema máxima considerada en su respectivo análisis y diseño hidráulico respectivo. Una vez definidos los criterios anteriores, se estable que la tipología estructural más adecuada es la de la estructura tipo Caja o Cajón, conformada por: A. un tablero superior, dimensionado, analizado y diseñado como Puente de losa de concreto reforzado, trabajando en una dirección. B. Dicha losa de puente en una dirección se apoyara en ambos extremos sobre estructura de muros estribo o apoyo, dimensionados, analizados y diseñados como muros de contención de concreto reforzado, pudiendo estos ser de concreto prefabricado o de concreto vertido en sitio, según la logística constructiva más conveniente al momento de efectuar la construcción de la misma. C. Rematando el sistema estructural anteriormente descrito se proyectan zapatas individuales que de soporte y anclaje a ambos estribos de apoyo del puente. Así, considerando este sistema estructural tripartito, se puede presentar esquemáticamente los conceptos estructurales antes descritos mediante la siguiente ilustración: ESQUEMA de la TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL CONSIDERADA Esta estructura está calculada teniendo en cuenta dos carriles de carretera. Por consiguiente, esta estructura nueva, tendrá ancho de calzada de 3.25m por carril, más dos banquetas laterales de 0.90m de ancho, dejando un ancho total de tablero de 8.30m. De acuerdo con el siguiente esquema geométrico de la súper estructura del puente: Criterios de Diseño de Estructuras El diseño estructural, fue realizado por nuestra empresa, siendo éste de su exclusiva responsabilidad, y se efectuó conforme a los requerimientos de las normas “Standard Specifications for Highway Bridges” AASHTO. Edición 1996. La superestructura del puente consiste en tableros de concreto reforzado fundido “in situ”, dicha de concreto reforzado se apoyara en sus extremos de forma isostática, estáticamente determinada, sobre muros estribo construidos con concreto reforzado, el cual podrá ser también de concreto reforzado prefabricado, según logística de obra, todo este sistema, ambos estribos, se apoyaran de forma rígida sobre zapata corrida de concreto reforzado construida en sitio. Dichos elementos estructurales se construirán de acuerdo con los planos respectivos. Este puente está calculado teniendo en cuenta dos carriles de carretera, o sea dejando doble ancho de calzada de 6.50m, más dos banquetas de 0.90m de ancho cada uno, dejando un ancho total de tablero de 8.30m. Se rematan los extremos mediante barandales estándar (Tipo Caminos) con postes y pasamanos de concreto prefabricado según los planos constructivos correspondientes. SUB ESTRUCTURA En el caso de estas subestructuras, se consideraran la siguiente tipología estructural Consistente en muros de concreto reforzado que podrá ser construido en sitio o utilizando muros de concreto reforzado prefabricado según logística de obra. De esta forma se construirán los apoyos extremos del puente o estribos del mismo, así también se añadirá dispositivo para absorber los esfuerzos de corte, que a su vez permitirá el anclaje y la losa de aproximación. Sistema Estructural de Caja o Cajón de Concreto Reforzado Una vez definidos los criterios anteriores, se estable que la tipología estructural más adecuada es la de la estructura tipo Caja o Cajón, formada por: Un tablero superior, dimensionado, analizado y diseñado como Puente de losa de concreto reforzado, trabajando en una dirección. Dicha losa de puente en una dirección se apoyara en ambos extremos es estructura de muros estribo o apoyo, dimensionados, analizados y diseñados como muros de contención de concreto reforzado, pudiendo estos ser de concreto prefabricado o de concreto vertido en sitio, según la logística constructiva más conveniente al momento de efectuar la construcción de la misma. Rematando el sistema estructural anteriormente descrito se proyecta una zapata. corrida que de soporte y anclaje a ambos estribos de apoyo del puente. Como proceso de análisis y diseño estructural se considerara para cada uno de los elementos estructurales antes descritos: Tablero de Losa, Estribos muros de apoyo y contención de forma independiente tomando en cuenta para cada elemento estructural los procedimientos de cálculo específicos para cada uno, así para el tablero de la losa se considerara la tipología de losa sólida de concreto reforzado de acuerdo con el especificación AASHTO estándar para diseño de puentes carreteros. Artículo 3.24.3.2 Distribución de Cargas y Diseño de Losas de concreto. Caso B; Refuerzo Principal Paralelo al tráfico, Articulo que contiene ecuaciones empíricas para cargas estándar HS20. Se ha considerado para estos diseños modificar la cuantía de cargas vehiculares afectadas por un valor de 25% adicional convirtiendo esta especificación de Carga Viva Vehicular HS25 utilizada en el diseño de todos los puentes de este tramo carretero. Se adjunta esta especificación en los anexos correspondientes. Carga Viva Vehicular de Diseño Por las características muy particulares de este puente en específico, se tiene que la condición de carga viva vehicular, para puentes relativamente cortos, es aquella que concentra un mayor peso en alguno de sus ejes de ruedas, ya que para la longitud del puente en cuestión, no será posible que un tren de cargas generado por vehículos largos coincidan dentro de la estructura. Por esta razón se propone la utilización del tren de cargas de vehículos cortos tipo AASHTO HS-20, amplificada en veinticinco por ciento (+25%), la cual se conoce como AASHTO HS-25. Se usó en el diseño de la estructura, la Especificación Estándar para Puentes de Carreteras de la AASHTO. Se realizó el diseño estructural considerando el tren de cargas tipo HS-25 especificado por la Dirección General de Caminos, Departamento Técnico de Ingeniería, de acuerdo a esquema presentado a continuación: ESQUEMA GEOMETRICO Y CARGAS CAMIÓN ESTANDAR TIPO AASHTO HS-25 4.536 ton 18.144 ton 18.144 ton TREN DE CARGAS VEHICULARES TIPO AASHTO HS-25 4.270 m 4.270 m Criterios de Diseño de Estructuras El diseño estructural, fuerealizado por el suscrito, siendo éste de su exclusiva responsabilidad, y se efectuó conforme a los requerimientos de las normas “Standard Specifications for Highway Bridges” AASHTO. Edición 1996. Unificando los tres criterios o conceptos de análisis y diseño estructural se presenta a continuación un “Diagrama de Cuerpo Libre de las diferentes fuerzas actuantes sobre los tres diferentes cuerpos estructurales constitutivos de la Bóveda con tipología estructural de Caja o Cajón de Concreto Reforzado” Procesamiento Electrónico de Datos Se utilizaron para estos diseños indistintamente sobre hojas electrónicas MS- Excel para efectuar los cálculos pertinentes mostrados a continuación, todos los parámetros y fórmulas utilizados son de acuerdo a las normas de “Standard Specifications for Highway Bridges”. Edición 1996. Así también para el cálculo de la sub estructuras del puente se utilizó el programa informático de Análisis y Diseño estructural ECOgcW, utilizando como datos de entrada para el mismo, los establecidos en las especificaciones técnicas descritas anteriormente. Súper Estructura La superestructura del puente consistirá en tableros isostáticos de concreto reforzado fundido “in situ”, dichos tableros se apoyarán en losas longitudinales de la medida especificada para este puente, la sección transversal será una losa de concreto del ancho total de la pista: 8.30m, un espesor de 0.30m y una longitud paralela a la línea central de la carretera de 6.00m. Se determina en principio, de que este puente será calculado teniendo en cuenta dos carriles de carretera, o sea dejando ancho de calzada de 6.50m, más dos banquetas de 0.90m de ancho cada uno, dejando un ancho total de tablero de 8.30m. Se remataran los extremos mediante barandales estándar de postes y pasamanos de concreto prefabricado o fundidos “In Situ” de medidas estándar tipo tradicional de la Dirección General de Caminos, según esquema propuesto el detalle aparece en los planos correspondientes. Así también, aunque las especificaciones generales de diseño de la estructura del Puente serán: Especificación Estándar para Puentes de Carreteras de la AASHTO, contemplan la utilización de la carga viva vehicular e impacto HS-20-44 esta será permutada y se modificará la especificación, por el tren especial de carga viva vehicular tipo AASHTO HS-25, especificado con anterioridad. La configuración geométrica de la estructura del puente será como se presenta a continuación: Puente Longitud/Tramo Sección de Viga Puente Santa Rosa 6.00 m Losa Sólida En el caso específico de esta Bóveda; esta tendrá una longitud total de 6.00m. El cual consistirá de tablero de losa sólida de concreto reforzado. Bajo cada uno de las dos extremos de este tablero se construirán las estructuras de apoyos de la Bóveda nueva a construir, los cuales serán 2 muros estribo estructurales, uno en cada extremo del puente, estos serán consistentes en muro cabezal o estribo que a su vez se apoyara sobre una zapata o placa de cimentación corrida debajo de cada apoyo o muro estrubo generando unificación rígida de los muros antes descritos con esta zapata constituyendo este sistema en un cajón o caja abierta, se definirá que la cota de desplante garantice estar fuera del estrato erosionable, dicha cota de desplante será definida en la obra de acuerdo con observación que se realice al momento de la excavación Consideraciones sobre Cargas a la Súper Estructura: Dentro de esta metodología de análisis y diseño estructural se consideraran todas las condiciones de cargas especificadas en los códigos ya mencionados, haciendo un especial énfasis en las consideraciones de diseño sísmico, ya que la zona presenta un alto riesgo. Cargas Muertas; Se considerará el peso propio de los componentes estructurales, tales como tableros de losa. Sobre Carga Muerta: Se considerara el peso propio de los elementos fijos a las estructuras, tales como banquetas, postes y pasamanos de barandales y en su caso la carpeta de rodadura que será de tipología similar al material de la capa de rodadura de la carretera, es decir, si la carretera es de concreto hidráulico, se dejará una capa de desgaste de 0.03m. Sobre Carga Viva: Tal como se indica en las bases de licitación, se utilizarán las cargas vivas vehiculares según las Especificación Estándar para Puentes de Carreteras de la AASHTO. Se modificará la especificación de carga e impacto HS- 25. SUB ESTRUCTURA En el caso de estas subestructuras, se considera la tipología estructural de muros estribo descrita anteriormente en los apoyos extremos, también se añadirá dispositivo de anclaje superior que evite la aparición de asentamientos diferenciales entre el tablero de la losa de la bóveda con la losa de aproximación de la bóveda o Aprouch del mismo. Consideraciones sobre Cargas a la Sub Estructura: Cargas consideradas hacia la Sub-estructura del Puente. Cargas Verticales: Cargas Muerta, Cargas Viva y Carga de Impacto . Una vez definidas las cargas de la Súper-estructura, estas se aplicaran hacia la subestructura anteriormente descrita, considerando aquella posición de las mismas que resulte en efectos más críticos. En tal virtud se elige la posición de cortantes máximos, considerando el caso más crítico cuando sobre cada una de las pilas intermedias coinciden sobre ellas sobre cada uno de los tramos involucrados. Otros estados de carga tales como Peso Propio de Súper estructura y sub estructura, Peso de Sobre Carga Muerta y Peso de Sobre Carga Agregada son considerados simultáneamente con carga sísmica. Cargas Horizontales Originadas por Movimientos Sísmicos Para la consideración de las cargas sísmicas se utilizara el Criterio de cargas estáticas equivalentes, según código Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal RCDF-93; Notas Técnicas Complementarias 95 y 96. Los criterios de cargas sísmicas calculadas de esta manera se consideran equivalente al riesgo sísmico propio de la región. Adicionalmente se consideró las especificaciones de fuerzas sísmicas definidas en el código de la Asociación Guatemalteca de Ingeniería Estructural y Sísmica AGIES. Criterios de Combinaciones de Carga de Diseño. Una vez definidos los estados primarios de carga, se procede a la conformación de las diferentes combinaciones de carga de acuerdo al Código de AASHTO, realizando el análisis y diseño estructura de acuerdo a teoría de esfuerzos últimos o Diseño por Factor de Carga, para los elementos estructurales y Cargas de Servicio para chequeo del área de desplante de cimentaciones. Se han utilizado básicamente los Grupos de Carga I & VII, de la siguiente forma: 1. Elementos Estructurales: G(I): 1.3 (ßD* CM + 1.67 * (CV+I) + 1.0 Fcf) G(VII): 1.3 (ßD* CM + 1.0 EQ) Con ßD = 1.00 Miembros sujetos a flexión & ßD = 0.75 Miembros sujetos a flexo-compresión. 2. Áreas de Desplante de Cimentación G(I): 1.0 (1.0 * CM + 1.00 * (CV+I) + 1.00 Fcf) G(VII): 1.0 (1.0 * CM + 1.0 EQ) 3. Se considerarán para chequeo y verificación, según especificación “Standard Specifications for Highway Bridges” AASHTO. Edición 1996. Calidad de Materiales considerados en el Diseño de la Sub-estructura: Concreto: Resistencia característica a la Ruptura a los 28 días: f’c = 4,000 lb / pulg² (281 kg / cm²) Acero de Refuerzo: Resistencia ultima al Punto de Fluencia (Yield Point) fy = 60,000 lb / pulg² (4,218 kg / cm²) Materiales considerados en el Diseño de la Súper-estructura: Concreto: Resistencia característica a la Ruptura a los 28 días: (Elementos Reforzados) f’c = 4,000 lb / pulg² (281 kg / cm²) Acero de Refuerzo: Resistencia ultima al Punto de Fluencia (Yield Point) fy = 60,000 lb / pulg² (4,218 kg / cm²) Acero de Referzo: Resistencia ultima al Punto de Fluencia (Yield Point) fy = 60,000 lb / pulg² (4,218 kg / cm²) Característicassobre resistencia de materiales diseñados para cada elemento de Súper-Estructura & Sub-Estructura, se podrán encontrar dentro de la hoja de cálculo del elemento de que se trate. Para garantizar la seguridad estructural del proyecto se tomarán las especificaciones de los códigos de diseño AASHTO Bridge Design Specifications, así también se utilizarán las normas del Código ACI, American Concrete Institute. Se adjunta normativa AASHTO Estándar Bridge Design Specifications, para el tema relativo al diseño de losas sólidas de concreto reforzado para puentes. Eduardo Sebastián Aballí Coto Ingeniero Civil Administrativo MA – Estructuras y Edificación Colegiado No. 2795. ANEXOS: 1. Detalle de Análisis y Diseño Estructural del Puente Santa Rosa. 2. Artículo 3.24.3.2 Distribución de Cargas y Diseño de Losas de concreto. Caso B; Refuerzo Principal Paralelo al tráfico. AASHTO Standar Specifitation for Highway Bridges Design. Edition 1996 ANEXO 1 DETALLE DE ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PUENTE SANTA ROSA Minuta de Cálculo Estructural Puente "Santa Rosa"; Carretera de las Aldeas hacia Santa Rosa de Lima. P.K.: 43+129 Diseño Losa de acuerdo con Normativa AASHTO Standar Specification for Highway Bridges Ed.:1996; Art.: 3.24.3.2 Design Of Concrete Slab Bridges. Case B - Main Reinforcement Parallel to Traffic Carga de Rueda distribuida en Ancho E, definido como E=(4+0.06S); con S considerano artículo 3.24.1.2 Literal a) Losas monoliticas con muros estribo sin ménsulas, la longitud S debera considerarse como el claro libre. E= (4+0.06*18.5) = 5.11' («»1.56m) Carga Distribuida sobre este ancho E: P/E = 16,000 LBS/5.11' = 3,132 LBS/Pie de Ancho Considerado apoyos simples, el máximo momento por pie de ancho de losa, sin impacto, se considerara el momento flector calculado con las condiciones criticas de la carga por Rueda Camion Estándar HS-20 mostradas en la ilustración anterior, con carga distribuida por unidad de ancho E, de acuerdo con la ecuación anterior: Con Longitud:S=19.75' Impacto: I= 30% Factor Carga Viva Vehicular HS-25: 1.25 LLM+Im = (PS/4)*1.3*1.25 = (3,132x19.75 / 4) x 1.3 x1.25 = 25,130 lb-pie («» 2.34 Ton-m) Consideraciones de Cargas Muertas: (Calculadas por 1 pie («» 0.305m) de Ancho) *Peso de Losa; 0.30 x 2.4 = 0.72 Ton/m² *Banquetas y Postes: 0.10 Ton/m² Carga Muerta Total: 0.82 Ton/m² Carga Muerta Aplicada en 1 Pie de Ancho: *Carga Muerta/pie: 0.82*0.305= 0.25 Ton/m DLM = W*L²/8 = 0.25*5.60²/8 = 0.98 Ton-m 5.60 m - («» 18.5') Tablero Losa en una Dirección 16,000 LBS Cargas Muerta y Cargas Vivas Vehiculares por Rueda (HS-20); Aplicadas sobre Ancho de Distribución E 16,000 LBS 4,000 LBS 14.00' 14.00' 6.00 m - («» 19.75') Calculo del Refuerzo transversal o de Reparto, de acuerdo Norma AASHTO, artículo 3.24.10.2; Equación 3-21 *Refuero Principal Paralelo al Tráfico, Porcentaje = 100 / √S = 100 / √18.5 = 23.25% Refuerzo Colocado: 1Varilla No.5 @ 0.20m; Equivalente a 3.05 cm²/pie Refuerzo Requerido: 6.820x0.2325=1.59 cm²/pie < 3.05 → OK Mud = 1.3 [βd*DLM + 1.67 (LLM+Im)] Con βd=1.0; Diseño de Miembros sujetos a flexión y tensión Mud = 1.3 [1.0x0.98 + 1.67x(2.34)] = 6.35 Tom-m Resultado del Acero de Refuerzo: 6.820 cm² / Pie de ancho de Losa equivalentes a 1.33 Varillas No.8 / Pie de ancho de Losa, (1Varilla No.8 @ 0.200m) Calculo del Momento Último de Diseño, de acuerdo Norma AASHTO, Capítulo 3.22; Combinaciones de Carga; artículo 3.22.1. Tabla 3.22.1A; Diseño por Factor de Carga Grupo I; Ecuación 3-10 Refuerzo por Corte y Adherencia: De acuerdo con el artículo 3.24.3; Las losas diseñadas de acuerdo con este artículo de la normativa AASHTO, considerada en este diseño pueden ser considerados satisfactorios en adherencia y Corte. Analisis y Diseño de Apoyos de Losa (Muros de Contención) de acuerdo Norma AASHTO, Artículos 3.20.1; 3.20.3; 3.20.4 Momentos Generados por Movimientos Sísmicos: Se considera que los movimientos sismicos generanuna sobrecarga de aplicación horizontal sobre el muro de contención, por lo tanto se considera razonable establecer que estos momentos generados por movi- entos sismicos pueden estimarse como una proporción de los momentos generados por empuje de tierras. Considerando una proporción del 15% de los valores de los resultados del analísis elástico, se tienen los siguientes valores para los Momentos Sismicos M,EQ M,EQ,Neg= 0.15x3.807= 0.571 Ton-m M,EQ,Post= 0.15x1.772= 0.266 Ton-m 4. 50 0 0. 61 0 5. 11 0 1.344 1.975 1.324 1.163 P=0.305 Ton/m.2 2.500P=2.555 Ton/m.2 P= 11 .5 45 To n/ m .2 P= 5. 33 4T on /m .2 DIAGRAMA de CUERPO LIBRE del SISTEMA de CARGAS APLICADAS SOBRE ESTRUCTURA de APOYO del PUENTE (MURO de CONTENCION) en CONDICIONES CRITICAS y DIAGRAMA de MOMENTOS FLECTORES ELÁSTICOS GENERADOS por ESTA CARGA 4. 50 M,neg=3.807 Ton-m 1. 00 Punto de Inflexión M,post=1.772 Ton-m 2. 70 0. 35 0 Calculo del Momento Último de Diseño, de acuerdo Norma AASHTO, Capítulo 3.22; Combinaciones de Carga; artículo 3.22.1. Tabla 3.22.1A; Diseño por Factor de Carga Grupo VII; Ecuación 3-10 Mud = 1.3 [βE*E + 1.0EQ ]; Con βE=1.3; Diseño de Muros de Contensión, sujetos a Empuje de Tierras Mud,Neg = 1.3 [1.3*3.807 + 1.0*0.571 ] = 7.176 Ton-m Mud,Post = 1.3 [1.3*1.772 + 1.0*0.266 ] = 3.341 Ton-m Refuerzo Negativo; del Lado del Relleno Refuerzo Colocado: 1Varilla No.8 @ 0.145m; Equivalente a 35.15 cm²/m ó 10.714 cm²/pie Refuerzo Requerido: 10.714 cm² > 10.538 → OK Esta distribución del Refuerzo vertical podra dejarse hasta una altura de 2.00m. A partir de esta altura se colocara 1Varilla No.8@0.29m Refuerzo Positivo; del Lado Externo Refuerzo Colocado: 1Varilla No.6 @ 0.18m; Equivalente a 15.77 cm²/m ó 4.807 cm²/pie Refuerzo Requerido: 4.807 cm² > 4.467 → OK Refuerzo Transversal (de Temperatura); Para el cálculo de este refuerzo se han tenido en cuenta las normativas AASHTO 8.5.3 y de la American Concrete Institute. Código y Requerimientos para Edificación con Concreto Estructural ACI 318-11 Artículo 7.12.2.1 En ambas normativas: Requerimientos para refuerzo por acortamiento elástico y temperatura- Refuerzo Colocado: 1 No.4@ 0.25m (Doble Cama); As=10.32 cm²/m Refuerzo Requerido de acuerdo con Normativa anterior: As=0.0018x30.5x25= 1.373 cm²/pie ó 4.50 cm²/m < 10.32 → OK Refuerzo de la Zapata: Refuerzo transversañ se colocara refuerzo Minimo por flexión, colocado en cama superior debajo del Relleno (Talón) y en cama inferior, o dedo el refuerzo será colocado en cama inferior. El refuerzo transversal se colocara tambien siguiendo el criterio de refuerzo mínimo por temperatura, el detalle de este refuerzo se presenta en los planos correspondientes. NOTA IMPORTANTE: Para que la sub estructura de este puente funcione de la forma en que se ha conceptualizado en este diseño, es indispensable que el relleno posterior de los muros estribo sea colocado despues de fundida la losa del tablero, ya que esta última constituye apoyo superior del muro de contención. ANEXO 2 Artículo 3.24.3.2 Distribución de Cargas y Diseño de Losas de concreto. Caso B; Refuerzo Principal Paralelo al tráfico. AASHTO Standar Specifitation for Highway Bridges Design. Edition 1996
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