ESTUDIO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

CONSORCIO KURAKATÁ

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1

TABLA DE CONTENIDO ____________________________________ ________________________ ____________ 1 INTRODUCCIÓN ________________________

2

______________________________________ ________________ ___ 3 OBJETIVO Y ALCANCES _________________________

2.1

OBJETIVOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE ____________________________ 3

2.2

OBJETIVOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO _______________________________ 3

2.3

OBJETIVOS DISEÑO DE LOS BOX CULVERT _____________________________ 3

3

PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE ________________________ __________________________________ __________ 5

3.1

 ASPECTOS GENERALES GENERALES ______________________________________________ 5

3.2

JUNTAS DE DILATACION ______________________________________________ 6

3.3

LOSA DEL TABLERO _________________________________________________ 7

3.4

ESTRIBOS Y ALETAS DE LOS PUENTES _________________________________ 9

3.5

VIGAS ____________________________________________________________ 14

3.6

LOSAS DE APROXIMACIÓN __________________________________________ 15

3.7

 ASPECTOS GEOTÉCNICOS GEOTÉCNICOS __________________________________________ 16

3.7.1

_____________________ 17 Sistema actual de cimentación del puente y las aletas _____________________

4

DISEÑO PUENTE VEHICULAR NUEVO _______________________ ______________________________ _______ 20

4.1

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y ALCANCE ____________________________ 20

4.2

 ANALISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL Y METODOLOGIA METODOLOGIA DE DISEÑO DISEÑO __________________ 20

4.3

DISEÑO DESCRICPIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO _____________________ 21

4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 5

PREDIMENSIONAMIENTO DE LA SUPERESTRUCTURA ___________________ 23 _____________________________ _____ 23 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA LOSA ________________________ ________________ 23 PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS VIGAS REFORZADAS ________________  ANÁLISIS DE CARGAS_______________________________________________ 24 _____________________________________ _____________________ _________ 24 CARGA MUERTA _________________________ _____________________________________ _________________________ _____________ _ 24 CARGA VIVA ________________________ ______________________________________ ___________________ ______ 24 CARGA DE VIENTO _________________________ _____________________________________ _____________ 25 FUERZAS LONGITUDINALES ________________________ _____________________________________ ___________________ ______ 25 CARGAS POR SISMO ________________________ DISEÑO DE LOS BOX CULVERT ________________________ ___________________________________ ___________ 27

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I

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5.1

CONSIDERACIONES DE ANALISIS Y DISEÑO ____________________________ 27

5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3

ESPECIFICACIONES ________________________________________________ 27 ____________________________________ _________________________ _____________ _ 27 MATERIALES _______________________ ______________________________________ _________________________ _______________ ___ 27 CARGAS _________________________ _____________________________________ _____________ 30 COMBINACIONES DE CARGA ________________________ PROCEDIMIENTO ESTRUCTURAL _____________________________________ 31

6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ________________________ ___________________________ ___ 32

6.1

DE LA PATOLOGÍA DEL PUENTE EXISTENTE ___________________________ 32

6.2

DE LAS ESTRUCTURAS DISEÑADAS ___________________________________ 33

7

LIMITACIONES _________________________ _____________________________________ _______________________ ___________ 34

8

REFERENCIA _______________________ ____________________________________ _________________________ ______________ 35

9

ANEXOS _________________________ ______________________________________ _________________________ _______________ ___ 36

9.1

 ANEXOS PATOLOGÍA PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE EXISTENTE _____________________________ 36

9.2

 ANEXOS DISEÑO DISEÑO DEL PUENTE NUEVO NUEVO ________________________________ 36

9.3

 ANEXOS DE LOS BOX BOX CULVERT CULVERT ______________________________________ 36

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II

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5.1

CONSIDERACIONES DE ANALISIS Y DISEÑO ____________________________ 27

5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3

ESPECIFICACIONES ________________________________________________ 27 ____________________________________ _________________________ _____________ _ 27 MATERIALES _______________________ ______________________________________ _________________________ _______________ ___ 27 CARGAS _________________________ _____________________________________ _____________ 30 COMBINACIONES DE CARGA ________________________ PROCEDIMIENTO ESTRUCTURAL _____________________________________ 31

6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ________________________ ___________________________ ___ 32

6.1

DE LA PATOLOGÍA DEL PUENTE EXISTENTE ___________________________ 32

6.2

DE LAS ESTRUCTURAS DISEÑADAS ___________________________________ 33

7

LIMITACIONES _________________________ _____________________________________ _______________________ ___________ 34

8

REFERENCIA _______________________ ____________________________________ _________________________ ______________ 35

9

ANEXOS _________________________ ______________________________________ _________________________ _______________ ___ 36

9.1

 ANEXOS PATOLOGÍA PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE EXISTENTE _____________________________ 36

9.2

 ANEXOS DISEÑO DISEÑO DEL PUENTE NUEVO NUEVO ________________________________ 36

9.3

 ANEXOS DE LOS BOX BOX CULVERT CULVERT ______________________________________ 36

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LISTAS DE TABLAS Tabla 1. Especificaciones de los cilindros extraídos. ________________________ ____________________________ ____ 7  Tabla 2. Resultados Esclerometría en el tablero. _______________________ _______________________________ ________ 7  Tabla 3. Resultados Esclerometría en el estribo 1. ________________________ _____________________________ _____ 12  Tabla 4. Resultados Esclerometría en el estribo 2. ________________________ _____________________________ _____ 13 Tabla 5. Resultados Esclerometría en vigas. ________________________ _________________________________ _________ 14

 Tabla  Ta bla 6. Parám Parámetros utiliz utiliza ados para para la modela odelación ción geot geoté écnica cnica __________________ __________________ 17   Tabla  Ta bla 7. Sistem Sistema a de fund funda ación del del puen puente te exist existe ente nte _______________________ __________________________ ___ 18 

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III

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Localización general de la zona de estudio ________________________ ____________________________ ____ 2  Figura 2. Esquema del perfil longitudinal del puente existente. ____________________ ____________________ 18  Figura 3. Sección transversal típica del puente. ________________________ _______________________________ _______ 20  Figura 4. Interfaz del software módulo de puentes versión básica. _________________ _________________ 22  Figura 5. Sección típica viga del puente. _________________________ ____________________________________ ___________ 23

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IV

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LISTA DE FOTOGRAFÍAS Fotografía 1. Vista general de las condiciones del carreteable existente. ______________ 2  Fotografía 2. Aspecto general del puente. ____________________________________ 5  Fotografía 3. Vista del puente desde la parte inferior. ____________________________ 5  Fotografía 4. Junta de dilatación estribo - tablero. ______________________________ 6  Fotografía 5. Aspecto general del tablero. ____________________________________ 8  Fotografía 6. Vista del tablero desde la parte inferior. ____________________________ 8  Fotografía 7. Estribo margen izquierda  – presencia de plantas. _____________________ 9 Fotografía 8. Estribo margen derecha  – presencia de plantas. ____________________ 10  Fotografía 9. Aspecto general aletas  – ensuciamientos. _________________________ 10  Fotografía 10. Aspecto general estribos y aletas  – ensuciamientos. ________________ 11 Fotografía 11. Aspecto general estribos  – presencia de fisuras. ___________________ 11 Fotografía 12. Aspecto general de vigas. ___________________________________ 15  Fotografía 13. Acero para losa de aproximación. ______________________________ 16  Fotografía 14. Acero para losa de aproximación. ______________________________ 16 

Fotografía 15. Material recuperado del depósito de aluvial durante la etapa de exploración de campo.________________________________________________ 17 

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V

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1 INTRODUCCIÓN El CONSORCIO KURACATÁ adelanta la construcción del tramo vial comprendido entre Badillo (Cesar) - San Juan del Cesar (Guajira), sector PR 38+250  – PR 51+250, Ruta 49, por este motivo contactó la empresa de consultoría CONSULCIVIL S.A.S. para la realización los siguientes estudios y diseños: 

Estudios de Tránsito.



Estudio de trazado y diseño geométrico.



Estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras en concreto.



Estudio de estabilidad y estabilización de taludes.



Estudio y diseño de estructuras.

El tramo vial en estudio es el complemento del corredor que comunica la población de Badillo (nororiente del departamento del Cesar) y el municipio de San Juan del Cesar (Sur del departamento de la Guajira). La zona donde se encuentra la vía se caracteriza por presentar una topografía plana con presencia de algunas serranías de poca elevación. Los municipios a los que comunica la vía en estudio están ubicados entre dos formaciones montañosas de gran importancia, al oriente limitan con la Sierra Nevada de Santa Marta y al occidente limitan con la Serranía del Perijá. La vía a intervenir  inicia en el PR 38+250 a aproximadamente 5 km al norte de Badillo y se extiende 14 km hasta el PR 51+250 en el municipio de San Juan del Cesar. En la Figura 1, se presenta la localización general del proyecto.

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1

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Vía Badillo – San Juan PR 38+250 a el PR 51+250  Ruta 49

Figura 1. Localización general de la zona de estudio1

Fotografía 1. Vista general de las condiciones del carreteable existente. El presente informe contiene la descripción detallada de los trabajos realizados en el campo, laboratorio y oficina, se presentan y se discuten los resultados obtenidos en el “Diseño y patología de estructuras ”.

1

 Adaptado: http://www.invias.gov.co/invias/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/01_general/mapas/contenidos/15042008/13_guajira.jsp#

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2 OBJETIVO Y ALCANCES Para la vía que comunica el municipio de Badillo (Cesar) y San Juan del Cesar  (Guajira), se plantea la construcción de varias estructuras, entre las cuales se encuentran 1 puente y 3 box-culvert cuya concepción, análisis y diseño estructural se encuentran consignados en el presente documento. Las recomendaciones para la construcción de las estructuras se basan principalmente en las condiciones del sitio, en los resultados de las exploraciones y en las recomendaciones propuestas en el estudio de suelos por la ingeniería geotécnica. Además del diseño y las recomendaciones de las estructuras mencionadas, el presente informe contiene un diagnóstico de las patologías de un puente existente, el cual atraviesa la Quebrada San Francisco.

2.1 OBJETIVOS PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE En este documento se hace referencia a la auscultación visual y física del estado actual del puente ubicado en la vía Badillo (Cesar) - San Juan del Cesar (Guajira), sobre la quebrada San Francisco (PR 40+520 a PR 40+545), en el cual se proyecta el tránsito de toda clase de vehículos.  A partir de un registro fotográfico y de ensayos para medir la resistencia del concreto se presenta un análisis de las condiciones actuales de la estructura y se plantean algunas recomendaciones de mantenimiento para el puente que deben implementarse antes de entrar en funcionamiento.

2.2 OBJETIVOS DISEÑO DEL PUENTE NUEVO En el presente documentó se plasmará el diseño estructural del puente y los elementos que lo componen, ubicado en la vía Badillo  – San Juan del Cesar entre las abscisas PR 39+300 y PR 39+320, bajo los parámetros geométricos, geotécnicos e hidráulicos establecidos, y a la luz de Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (CCDSP95).

2.3 OBJETIVOS DISEÑO DE LOS BOX CULVERT En este proyecto se propone la construcción de dos tipos de box culvert de dimensiones internas dependiendo del diseño hidráulico y la profundidad de desplante. El objetivo principal del diseño de esta estructura, es el de realizar los cálculos necesarios para determinar la estabilidad, resistencia y funcionalidad de la estructura, cumpliendo con las exigencias de la norma sismo resistente NSR-10, vigente a la fecha. El alcance de los diseños consiste en calcular el box-culvert según ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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las dimensiones que se mencionaran más adelante las cuales fueron suministradas por los diseñadores del proyecto. En este informe se presentan las memorias correspondientes a las siguientes estructuras: 



Box culvert 1.50x3.00: con dimensiones interiores de 1.50 m de altura y 3.00 de ancho. La altura de relleno sobre la losa superior del box culvert varia de 0.60 m a 0.80 m. El espesor de paredes y losa de fondo de 25 cm. Este tipo de box se utilizará en las abscisas km 43+820 y km 47+295. Box culvert 2.00x4.00: con dimensiones interiores de 2.00 m de altura y 4.00 de ancho. La altura de relleno sobre la losa superior del box culvert varia de 0.60 m a 0.80 m. El espesor de paredes y losa de fondo de 30 cm. Este tipo de box culvert se utilizará en la abscisa km 41+187.

Se diseña el sistema de fundación de acuerdo con las recomendaciones del estudio de suelos. Durante el cálculo estructural se han respetado las dimensiones internas hidráulicamente definidas y se han diseñado los espesores de los elementos estructurales y su correspondiente refuerzo.

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3 PATOLOGÍA PUENTE EXISTENTE 3.1 ASPECTOS GENERALES En términos generales este puente se encuentra en buenas condiciones, aunque nunca ha estado en funcionamiento, debido a que ni la vía contigua, ni los accesos a éste, fueron construidos. Hay algunos aspectos técnicos que son importantes resaltar, los cuales se describen en el desarrollo de este documento. Los puentes están construidos en su totalidad en concreto con una configuración de losa sobre de 4 vigas en I, con luces del orden de 25 m simplemente apoyadas.

Fotografía 2. Aspecto general del puente.

Fotografía 3. Vista del puente desde la parte inferior. ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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3.2 JUNTAS DE DILATACION Las juntas de dilatación son dispositivos que permiten los movimientos relativos entre dos partes de una estructura. Algunos proyectos de puentes interrumpen los tableros para cubrir requerimientos estructurales de diseño y construcción, para garantizar los movimientos reológicos como cambios de temperatura, efectos de retracción o flujo plástico, acortamientos por pretensado, cargas de tráfico, asentamientos diferenciales o tolerancias requeridas, compatibles con las condiciones de apoyo. En tales casos, en la estructura se deben considerar movimientos permisibles que garanticen un desempeño adecuado para los diferentes estados límites de utilización del puente, donde el deterioro o la falla de las juntas pueden comprometer su seguridad. Los tipos de juntas y las interrupciones superficiales del pavimento deben considerar  además del confort de los usuarios vehiculares y el movimiento de bicicletas y de motos.

Entre los estribos y el tablero hay una junta que no se encuentra bien adecuada, se pudo observar que están parcialmente unidas por barras soladas, restringiendo de esta manera los movimientos relativos de los que se hace mención en el párrafo anterior ( Fotografía 4). Para que las juntas tengan adecuado funcionamiento se les recomienda retirar los conectores soldados que existen en la actualidad.

Fotografía 4. J unta de dilatación estribo - tablero. ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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3.3 LOSA DEL TABLERO La losa del tablero se encarga de soportar y transmitir directamente tanto cargas como sobrecargas a la armadura, que a su vez se las transmite a los estribos y a las pilas. En la inspección visual el tablero se ve en buenas condiciones, no presenta fisuramiento. Los resultados de los tres núcleos extraídos son:

 Tabla 1. Especificaciones de los cilindros extraídos. Nº DIÁMETRO LONGITUD RESISNTENCIA CILINDRO [mm] [mm] [kg/cm2] 1 85 158 178.7 2 85 161 118.3 3 85 150 113.2 Se omite el resultado del cilindro Nº1, ya que está muy desfasado en relación con los otros. El promedio de resistencia a compresión para el concreto del tablero es: f’c =

116 kg/cm2. Los resultados del ensayo de esclerometría son los siguientes:

 Tabla 2. Resultados Esclerometría en el tablero. N1-P1

N1-P2

26 31 33 28 35 33 34 31 27 36 29 27 31

34 31 29 30 26 32 35 26 40 30 30 28 31

 TABLERO (-90°) N2-P1 N2-P2 23 32 30 30 26 28 38 32 30 29 30 30 30

25 28 26 28 31 27 32 25 33 28 28 27 28

N3-P1

N3-P2

29 28 32 27 28 27 31 32 30 28 28 27 29

27 26 30 34 27 26 28 26 25 26 28 26 27

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El promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 29 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=-90º, f’c= 3800 psi= 273 kg/cm2. El ensayo de esclerometría tiene mucha incertidumbre, por lo que se toma como valor real en ensayo hecho a partir de los nucleos extraidos.

Fotografía 5. Aspecto general del tablero.

Fotografía 6. Vista del tablero desde la parte inferior.

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3.4 ESTRIBOS Y ALETAS DE LOS PUENTES

Los estribos y aletas del puente se evaluaron tanto de forma ocular como por ensayos de esclerometría. En la inspección visual se detalló material biológico, como plantas, situadas en las paredes y en zonas cercanas (ver Fotografía 7 y Fotografía 8). También por efectos de la lluvia se ven ensuciamientos que van desde la parte superior hacia la base (ver Fotografía 9 y Fotografía 10). No se encuentran grietas que evidencien vulnerabilidad estructural alarmante. Los anteriores agentes patógenos no afectan por el momento estructuralmente los estribos y las aletas, pero se recomienda que se le hagan un mantenimiento periódico para que no se presenten problemas que puedan afectar su estabilidad más adelante.

Fotografía 7. Estribo margen izquierda – presencia de plantas.

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Fotografía 8. Estribo margen derecha – presencia de plantas.

Fotografía 9. Aspecto general aletas  – ensuciamientos. ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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Fotografía 10. Aspecto general estribos y aletas  – ensuciamientos.

Fotografía 11. Aspecto general estribos  – presencia de fisuras.

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Del ensayo de esclerometría se obtuvieron los siguientes resultados:

 Tabla 3. Resultados Esclerometría en el estribo 1. IZQP1 37 41 37 34 38 40 36 36 35 35 28 39 36

IZQP2 47 36 37 36 35 35 38 38 38 41 30 35 37

ESTRIBO 1 (0°) CENTRO- CENTRO- DERECHOP1 P2 P1 43 40 32 36 44 43 34 30 35 42 28 36 35 32 30 40 37 30 38 36 31 34 34 30 40 32 38 41 32 30 44 31 28 44 32 30 39 34 33

DERECHOP2 37 41 40 35 37 30 44 35 30 30 32 40 36

El promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 36 De la gráfica que relaciona los datos del esclerometro con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 4750 psi= 332.5 kg/cm2 Correlacionando los datos obtenidos en el tablero, tanto del ensayo a la compresión con los nucleos extraidos (que son mas cecanos a la realidad), como del ensayo de esclerometría, se encuentra un factor de corrección:  Factor  _ Corrección



 FC 



 f  ' c núcleos  f  ' cescleromet ría

116 kg / cm 2 

273 kg / cm 2



0.42

Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en el estribo izquierdo es:  f  ' ccorregido



 FC   f  ' c 



0.42 x332.5



140 kg / cm 2

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 Tabla 4. Resultados Esclerometría en el estribo 2. IZQP1 36 40 40 48 41 46 40 38 48 50 48 48 44

IZQP2 44 42 40 44 40 41 45 40 50 48 46 46 44

ESTRIBO 2 (0°) CENTRO- CENTRO- DERECHOP1 P2 P1 49 48 45 35 44 38 39 41 50 46 38 48 45 52 47 44 45 50 38 40 48 39 46 35 43 41 46 42 50 52 44 48 44 38 50 44 42 45 46

DERECHOP2 33 40 374 28 38 37 42 37 35 35 34 40 64

Se omite el último valor, ya que está muy desfasado en relación con los otros, por lo tanto el promedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 44 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 6750 psi= 472.5 kg/cm2 Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en el estribo derecho es:  f  ' c corregido  FC   f  ' c 





0.42 x 472.5 198.5 kg  / cm 2 

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3.5 VIGAS En la inspección visual, las cuatros vigas que soportan el tablero y que están apoyadas sobre los estribos, no muestran fisuras o grietas que indique algún tipo de falla estructural. Lo anterior no es garantía que la estructura más adelante no vaya a presentar algún tipo de problema, debido a que este puente no ha estado en servicio. Del ensayo de esclerometría se obtuvieron los siguientes resultados:

 Tabla 5. Resultados Esclerometría en vigas. VIGA 1 (0°)

VIGA 2 (0°)

VIGA 3 (0°)

VIGA 4 (0°)

INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL INICIO CENTRO FINAL 44

42

42

36

40

45

42

41

45

40

43

42

42

40

38

34

35

50

42

39

45

44

42

43

38

44

45

38

42

45

45

42

42

40

41

45

42

42

48

38

42

43

40

42

42

40

45

42

41

40

44

42

44

44

40

48

40

42

40

42

44

39

42

43

46

40

45

41

41

50

40

44

36

45

40

44

45

42

40

37

40

45

38

45

45

38

39

40

43

44

48

41

39

46

45

40

41

45

45

40

37

44

40

36

42

42

40

42

44

40

40

51

44

42

40

40

40

47

45

45

43

46

40

40

45

43

42

42

45

50

42

43

45

42

40

40

48

42

40

38

42

52

40

49

42

42

42

41

43

44

42

41

42

45

42

44

Epromedio de los datos del ensayo de esclerometría es: 42 De la gráfica que relaciona el rebote del martillo con la resistencia a la compresión del concreto (anexo 1) y la curva correspondiente a α=0º, f’c= 6250 psi= 437.5 kg/cm2 Por lo tanto el valor corregido de la resistencia a la compresión en las vigas es:  f  ' c corregido  FC   f  ' c 





0.42 x 437.5 184 kg  / cm 2 

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Fotografía 12. Aspecto general de vigas. 3.6 LOSAS DE APROXIMACIÓN Las losas de aproximación sirven para minimizar los efectos del asentamiento de los terraplenes en los extremos del puente, las cuales se encuentran apoyadas en los estribos y en el suelo. Se observó en la inspección visual que perpendicular a los estribos sobresalen barras de acero para empalmar la losa de aproximación (ver  Fotografía 13 y Fotografía 14). Dichas barras de acero están corroídas debido a que han pasado mucho tiempo a la intemperie. Cierto grado de oxidación mejora la adherencia aceroconcreto, pero se recomienda limpiarlas con un cepillo de alambres. El acero en la otra dirección se deberá anclar con material epóxico a las aletas.

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Fotografía 13. Acero para losa de aproximación.

Fotografía 14. Acero para losa de aproximación. 3.7 ASPECTOS GEOTÉCNICOS De acuerdo con la información obtenida de los registros de perforaciones SPT-18, 19 y 20 (Ver anexo 1), el puente se localiza en una zona de depósitos aluviales. Los suelos son de textura arenosa de color café oscuro, con presencia de nivel freático y en algunos casos se encuentran zonas arcillosas. Las muestras poseen humedad alta y densidad relativa suelta predominantemente, al ser materiales arenosos estos presentan valores muy bajos o nulos de plasticidad y cohesión. ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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17 SPT-18_ M9 (8,0  – 8,45 m)

SPT-17_M4 (3,0 – 3,45 m)

Fotografía 15. Material recuperado del depósito de aluvial durante la etapa de exploración de campo. De acuerdo con el informe geotécnico realizado para el sitio 2 los parámetros de resistencia son lo que se indican en la Tabla 6.

 Tabla 6. Parámetros utilizados para la modelación geotécnica Estrato

Peso unitario húmedo (kN/m³)

Peso unitario saturado (kN/m³)

Depósito aluvial

20

22

c (kPa) (°) 5

27

Módulo elástico (kPa)

Relación de Poisson

16000

0,35

3.7.1 Sistema actual de cimentación del puente y las aletas 

En la Figura 2 se muestra el esquema del puente existente, el cual consta de estribos de 5,50 m de altura y de 12,24 m de ancho.



2

Consulcivil. 2012. estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras de contención. Informe de consultoría de propiedad privada.

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Figura 2. Esquema del perfil longitudinal del puente existente. Partiendo de esta información se tiene que el sistema de fundación para los apoyos del puente es superficiales tipo zapata continua. La zapata continua tiene un ancho de 6,47 m y largo de 12,24 m. Las modelaciones geotécnicas para el cálculo de la capacidad de soporte y asentamientos para fundaciones profundas se realizaron mediante el módulo LoadCap del software GEOSTRU 2012.

 Tabla 7. Sistema de fundación del puente existente Estrato de cimentación

Depósito aluvial reciente de textura arenosa de compacidad relativa media.

Profundidad mínima de desplante

3,78 m. contados a partir del nivel actual del terreno

 Tipo de cimentación Esfuerzo aproximado transmitido por la fundación al suelo Capacidad portante admisible del estrato de cimentación

Zapata continua

vaciada “In Situ” de dimensiones

6,47 m X 12,24 m 200 ton (x Estribo)

Df mín. = 3,78 m

  

40 KPa

461 kPa

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Los análisis realizados anteriormente concluyen que la cimentación propuesta para el puente es suficiente por capacidad de carga (falla por corte), sin embargo, se desconoce la cota de socavación de la Quebrada San Francisco en este punto, por  lo que se recomienda tomar las medidas pertinentes desde el punto de vista hidráulico, para evitar procesos de socavación que comprometan la estabilidad de los estribos.

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4 DISEÑO PUENTE VEHICULAR NUEVO 4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y ALCANCE El proyecto contempla el diseño estructural de un puente vehicular de 20.0 m de longitud, en una sola luz. Las estructura estará compuesta por un tablero de 11.3 m de ancho, el cual se apoya sobre 5 vigas en concreto reforzado, diseñadas de acuerdo a las especificaciones del CCDSP95. El puente cuenta con dos estribos, ubicados cada uno en los extremos que reciben la carga de la superestructura. La cimentación consiste en pilas circulares que trasfieren al suelo la carga recibida, a la profundidad sugerida por el geotecnista.

Figura 3. Sección transversal típica del puente. 4.2 ANALISIS ESTRUCTURAL Y METODOLOGIA DE DISEÑO El análisis estructural del puente se realizó cumpliendo con las exigencias del CCDSP95. Para el diseño de la superestructura y la subestructura, se empleó el programa Modulo de Puentes Versión básica 1.09. Para el diseño de la superestructura, en el programa se introducen todas las variables necesarias para calcular los elementos que la componen, como geometría de las vigas, luz total del puente, ancho del tablero, numero de vigas, separación entre vigas, etc. Todos estos parámetros de entrada deben estar previamente definidos antes de iniciar con el proceso de diseño. De la misma forma se procede con el diseño de la subestructura, después de definir parámetros como topografía, geometría de los estribos, cargas de diseño, variables sísmicas y del sitio, se introducen todos estos datos en el programa y se calcula la subestructura. Este programa está diseñado para puentes de una sola luz.

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4.3 DISEÑO DESCRICPIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO La versión Básica de Módulo Puentes incluye los programas para el análisis y diseño integral de los elementos indispensables de un puente recto típico de nuestras carreteras con luces de hasta 24 metros. Módulo Puentes Versión Básica (MP vB) pretende ser una útil herramienta para los ingenieros civiles calculistas. Con MP vB, el usuario podrá analizar y diseñar en forma expedita y exacta Puentes RECTOS en Concreto. Se ha hecho especial énfasis en el cumplimiento (al máximo posible) de lo exigido por el Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (Tercera Edición de Septiembre de 2005) en cada capítulo involucrado. El diseño de un puente típico en especial el de la superestructura, está gobernado normalmente por la Carga Viva (que supera a la carga muerta en una relación de 3 a 1, 4 a 1 ó mayor). En Colombia, las Cargas Vivas de diseño que exige el Código actual están representadas básicamente por los Camiones C-40-95 y C-32-95 (con sus líneas de carga respectivas). El MP vB incluye un programa para determinar con gran facilidad los esfuerzos máximos (Momento, Cortante y Reacción) en tramos simples sujetos a cargas puntuales móviles, es decir bajo camiones de cualquier número de ejes (hasta 20). Los ejes podrán estar a la separación que defina el usuario. El análisis se hace para el paso del camión en los dos sentidos. De esta forma MP vB está en capacidad de diseñar puentes rectos en concreto, sujetos al paso de prácticamente cualquier  camión que utilice nuestras carreteras. El presente programa permite el diseño integral de puentes en losa y vigas Te. Dada la facilidad con la que es posible editar los datos de geometría, características del puente y tipo de camión, el usuario podrá optimizar su diseño, buscando los valores ideales para la sección y separación de vigas, longitud de voladizos, espesores de losa, etc. Con base en la relación Peso de Acero Total / Volumen de Concreto, será sencillo hallar el puente más eficiente para la luz y tipo de camión requeridos. El tiempo necesario para dicha optimización será mucho más breve, usando este programa.

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IMPORTANTE Las dimensiones y armaduras definitivas finalmente colocadas en los planos constructivos dependerán siempre del buen criterio y experiencia del ingeniero calculista o diseñador. Módulo Puentes sólo pretende ser una herramienta que ayude al usuario a visualizar  el comportamiento teórico de la estructura y permita recalcularla fácilmente después de efectuar modificaciones a su geometría o sus solicitaciones, liberando tiempo para obtener un diseño más eficiente y seguro.

Figura 4. Interfaz del software módulo de puentes versión básica.

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4.4 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA SUPERESTRUCTURA 4.4.1 PREDIMENSIONAMIENTO DE LA LOSA

23 

Espesor de placa mínimo.

4.4.2 PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS VIGAS REFORZADAS



Altura de la viga 

Altura mínima.

Figura 5. Sección típica viga del puente.

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4.5 ANÁLISIS DE CARGAS 4.5.1 CARGA MUERTA

0.08 m × 2.2



0.20 m × 0.97 m × 2.4







0.50 m × 1.22 m × 2.4 0.18 m × 2.4



4.5.2 CARGA VIVA

Para L=20.00 m 

Camión C40-95



4.5.3 CARGA DE VIENTO

Se analizarán las fuerzas de viento generadas sobre la superestructura, infraestructura y sobre la carga viva. 4.5.3.1 CARGA DE VIENTO SOBRE LA SUPERESTRUCTURA

De acuerdo con el numeral A.3.6.2.1.3 del CODSP para un ángulo de 0º, la fuerza lateral del viento es 245 kg/m 2. Por tanto:

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4.5.3.2 CARGA DE VIENTO SOBRE LA CARGA VIVA

De acuerdo con el numeral A.3.6.2.1.3 del CODSP para un ángulo de 0º, la fuerza lateral del viento es 245 kg/m 2. Por tanto:

25

4.5.4 FUERZAS LONGITUDINALES

De acuerdo con el numeral A.3.4.4 debe considerarse el efecto de la fuerza longitudinal equivalente al 5% de la carga viva de todos los carriles que tengan tráfico en la misma dirección. Suponiendo que pudiera darse el caso de que en ambos carriles el tráfico tenga la misma dirección, la fuerza longitudinal es la siguiente.

4.5.5 CARGAS POR SISMO

Para el análisis sísmico de los estribos, se empleó el programa módulo de puentes versión básica con el fin de poder realizar un análisis sísmico. Siguiendo las exigencias y recomendaciones del CCDSP, se obtuvieron los siguientes parámetros de análisis: 

Clasificación por importancia: Grupo 1 - Puentes.



Perfil del suelo tipo: E.



Coeficiente de aceleración: 0.15 (Región 4).



Categoría de comportamiento sísmico: CCSC.



Clasificación de regularidad: Puente regular.

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Procedimiento de análisis sísmico: PAS-S.

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5 DISEÑO DE LOS BOX CULVERT 5.1 CONSIDERACIONES DE ANALISIS Y DISEÑO El método de análisis empleado es el de la rigidez. Se consideran estructuras (pórticos planos). Es decir que se usa un elemento de pórtico plano para modelar  cada miembro. La estructura del Box se modela usando los muros y losas del perfil (sección transversal) tomando las distancias a ejes. Se consideran ambas losas (tanto la superior como la fondo) como horizontales y las paredes del box como perfectamente verticales. NO se permiten losas ni paredes inclinadas. Si bien el detalle constructivo incluirá como esencial el empleo de pequeños acartelamientos, el modelo NO contempla estos acartelamientos en el proceso de análisis.

5.2 ESPECIFICACIONES 5.2.1 MATERIALES 



Acero de Refuerzo Fy = 420 Mpa (4200 kg/cm² ó 60000 psi) Concreto f’c = 28.0 Mpa (280 kg/cm² ó 4000 psi)

5.2.2 CARGAS 





Carga Muerta (D): Corresponde al peso de los muros, losa de fondo y losa superior. Es el volumen de la masa de concreto por su peso específico. El peso específico para el concreto es de 2400 kgf/m 3. El peso del agua es el volumen del agua, en condición de rebosamiento, que circula por el box por su peso específico. El peso específico para el agua es de 1000 kgf/m 3. Carga Viva (L): La Carga Viva por efecto del Camión contempla tres (3) alternativas en función de la altura del relleno actuando sobre la losa superior  del Box-Culvert Alternativa 1: Para Box Culverts de una sola celda, Si el relleno tiene una altura mayor a 2.40 metros, se puede despreciar el efecto de la Carga Viva (Camión) cuando pasa sobre el Box; para Box Culverts de dos o más celdas, si el relleno tiene una altura mayor al ancho total del Box Culvert (ancho total

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de la sección transversal tomado entre bordes exteriores), se puede despreciar el efecto de la Carga Viva (Camión) cuando pasa sobre el Box. 

Alternativa 2: Si el relleno tiene una altura mayor a 0.60 metros y menor a 2.40 m (para 1 celda) o menor que el ancho del box para (dos o más celdas) se hace una distribución de las cargas por eje del camión aplicado así (AASHTO 6.4):

Esta distribución generará cargas distribuidas de igual longitud, aunque de valor  dependiente del valor de la carga de eje P. Estas cargas se podrán traslapar si la distancia entre los ejes del camión es pequeña y la altura del relleno. La carga traslapada también se deberá tomar en cuenta. En la siguiente gráfica se aclara como quedan las cargas distribuidas de un camión para un relleno mayor a 0.60 m, en el caso de un camión hipotético (Cargas sin incluir todavía el Factor de Impacto)

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

Alternativa 3: Si el relleno tiene una altura menor a 0.60 metros las cargas del camión se aplicarán directamente sobre la losa superior, afectadas eso sí, por  los factores de distribución transversal, es decir P / (2E).

2  De eje a Rueda E = 1.219 + 0.06 x L (L = dist entre ejes de la celda) E =1.219 + 0.06x3.20 = 1.411

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Carga Horizontal (H): Presión del suelo ejercida sobre los muros. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia el fondo del terreno. Carga Horizontal (F): La presión del agua ejercida sobre las paredes. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia el fondo del terreno Carga Horizontal (Q): Sobrepresión ejercida por la acción del sismo. Se considera una carga de forma triangular aumentando hacia superficie del terreno. Para el cálculo de la sobrepresión ejercida por el sismo, se empleó la formulación de Mononobe-Okabe. Flotación (F): La presión del agua ejercida hacia arriba sobre la losa de fondo. 5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA

Todas las estructuras fueron diseñadas bajo el método de la resistencia última. Carga Muerta: D Carga Viva: L Presiones Horizontales Suelo: H Presiones Horizontales Agua y Flotación: F Sismo en la Dirección X: Qx Sismo en la Dirección Y: Qy 

COMB1 = 1.40 D

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

COMB2 = 1.20 D + 1.60 L + 1.60 H



COMB3 = 1.20 D + 1.60 L + 1.60 F + 1.60 H



COMB4 = 1.20 D + 1.00 L + 1.00 Qx



COMB5 = 1.20 D + 1.00 L + 1.00 Qy

5.3 PROCEDIMIENTO ESTRUCTURAL Para el diseño estructural se procedió de la siguiente manera secuencial: 













Determinación de los espesores estructurales para las paredes, la losa de fondo y la losa superior. Determinación de los pesos específicos de los líquidos y las especificaciones de los materiales a utilizar (concreto, acero, etc.). Evaluación de las presiones bidireccionales sobre las paredes, losa de fondo y losa superior. Evaluación de los momentos flectores de los diferentes elementos. Cálculo de la cuantía de refuerzo y su control respecto a la máxima y a la mínima. Selección del espaciamiento definitivo del refuerzo, acorde con los requerimientos de los pasos anteriores. Chequeo de las longitudes de anclaje y de traslapo del refuerzo estructural.

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6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 DE LA PATOLOGÍA DEL PUENTE EXISTENTE Los resultados de los ensayos de compresión de los cilindros extraídos del tablero son demasiados bajos, el promedio fue de f’c= 116 kg/cm 2. Al contrario ocurre con los resultados del ensayo de esclerometría, que arroja un valor de resistencia a la compresión muy alto, f’c= 273 kg/cm 2. Este último valor es muy poco confiable, debido a que este último ensayo tiene mucho margen de error, por lo que se toma como resistencia a la compresión el arrojado por los cilindros. El ensayo con los cilindros simula mucho más la realidad, entonces para correlacionar los resultados de los ensayos de esclerometría que se hicieron en los otros elementos del puente, y en los cuales no se extrajeron núcleos de concreto, se tomaron los valores de resistencia a la compresión del concreto por los dos métodos y se halló un factor de corrección (FC), el cuál ajusta la resistencia encontrada por el ensayo de esclerometría al valor de resistencia encontrada por los cilindros de concreto. Estos fueron los resultados obtenidos:

Elemento  Tablero Estribo izquierdo Estribo derecho Vigas

f'c cilindro [kg/cm2]

f'c esclerometría [kg/cm2]

FC

f'c corregido [kg/cm2]

116 -

273 332.5 472.5 437.5

0.42 -

116 140 198 184

 Aunque los resultados de los ensayos en la losa y las vigas dan resistencias menores a las de diseño y ante la observancia del buen estado por inspección visual de estos elementos, se recomienda hacer una prueba de carga. Si posterior a esta, después de una inspección visual detallada, se comprueba afectación (grietas y/o fisuras o una deformación muy pronunciada) en dichos elementos, queda a criterio de la interventoría el dejar el tablero actual o construir uno nuevo, para lo cual, si es del caso, anexamos planos con el diseño del nuevo tablero.  Aunque la resistencia en los estribos no sea la de diseño, estos elementos podrán resistir a futuro las cargas impuestas, debido a sus dimensiones y a las condiciones de funcionamiento, las cuales son principalmente por carga vertical. No obrante se ______________________________________________________________________________________________________ Carrera 67 A No. 48 D  – 109 Medellín (Ant.) PBX: (4) 448 61 06  www.consulcivil.com.co e-mail: [email protected]

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recomienda verificar la cota de socavación en este sector y tomar las medidas necesarias para evitar procesos erosivos en el sector.

6.2 DE LAS ESTRUCTURAS DISEÑADAS Las estructuras diseñadas para este proyecto cumplen con todas las exigencias de resistencia y servicio exigidas por la NSR-10, y se recomienda cumplir en su totalidad con todas las especificaciones expuestas en los planos y el estudio de suelos, para el correcto funcionamiento de cada una de ellas.

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7 LIMITACIONES Es importante resaltar que las recomendaciones consignadas en este informe obedecen a los resultados de las etapas constitutivas del trabajo de consultoría y a la experiencia de los profesionales técnicos que participaron en él. La no acogencia a estas recomendaciones o la variación de alguna de ellas sin dar aviso oportuno a CONSULCIVIL S.A.S. omitirá responsabilidad alguna de nuestra empresa sobre las decisiones tomadas. Si durante la etapa de construcción se encuentran condiciones del subsuelo diferentes a las descritas como típicas en el presente informe, se dará aviso a CONSULCIVIL S.A.S. para refinar las conclusiones y recomendaciones

 Abril de 2012.

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8 REFERENCIA 



Ministerio De Transporte, Asociación Colombiana De Ingeniería Sísmica. 1995. Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes.. Consulcivil. 2012. estudio de suelos para el diseño de fundaciones de puentes y otras estructuras de contención. Informe de consultoría de propiedad privada.

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