Memoria Estructural de Boxcoulvert

MEJORAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LA VIA SILOE - RABOLARGO ESCOBAR ARRIBA, MUNCIPIO DE SAMPUES, DEPARTAMETO DE SUCRE

ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE BOX-CULVERT BOX -CULVERT PARA LA VIA SILOE - RABOLARGO - ESCOBAR ARRIBA, MUNICIPIO DE SAMPUES, DEPARTAMENTO DE SUCRE.

SECRETARIA DE PLANEACION E INFRAESTRUCTURA MUNICIPIO DE SAMPUES - SUCRE

1. INTRODUCCION Se denomina box-coulvert a las soluciones estructurales normalmente posicionadas en las carreteras en los sitios donde hay presencia de flujo natural de agua, permitiendo estas estructuras que este flujo siga su camino sin interrumpir el paso vehicular. Los presentes estudios se basan en el análisis y diseño de box-culvert para la vía de SILOE - RABOLARGO - ESCOBAR ARRIBA, MUNICIPIO DE SAMPUES, DEPARTAMENTO DE SUCRE Este estudio se realizó basado en: • REGLAMENTO COLOMBIANO DE CONSTRUCCION SISMORESISTENTE

(NSR 10) • CODIGO COLOMBIANO DE DISEÑO SISMICO DE PUENTES 1995.

2. CONSIDERACIONES GENERALES En el presente proyecto, se busca facilitar el trabajo de los contratistas e interventores en la etapa de revisión y construcción, con manejo apropiado de los fundamentos del diseño de elementos estructurales de concreto reforzado. Este proyecto está de acuerdo con el Reglamento Colombiano De Construcción Sismo Resistente NSR -10, basado en la Ley 400 de 1997 (Modificada Ley 1229 de 2008) y los decretos 926 del 19 de marzo de 2010 y el Decreto 92 6 del 19 de marzo de 2010 y el Decreto 092 del 11 de Enero de 2011 y se ha tenido en cuenta nuevas metodologías de utilización en diseño del concreto estructural y su refuerzo en barras de acero.

2.1. MATERIALES DE ANALISIS Y DISEÑO 2.1.1.CONCRETO Material estructural que se forma por medio de la mezcla homogénea de los agregados inertes finos o arena, agregados gruesos o grava, un ligante que es cemento hidráulico y agua, con o sin aditivos.

2.1.2.CONCRETO REFORZADO Concreto al cual se le adicionado un refuerzo de acero en barras, mallas electrosoldadas, pernos con cabeza y fibras de acero deformadas dispersas para absorber los esfuerzos que el concreto por su propia condición no lo puede hacer, pero entendiéndose que el trabajo de los dos materiales es de conjunto, es decir, a partir de la compatibilidad de deformaciones de los dos materiales.

2.1.3. ACERO DE REFUERZO PARA EL CONCRETO  Acero en barras corrugadas que cumplen con la norma NTC 2289 (ASTMA706M), barras de acero inoxidable fabricadas bajo la norma ASTMA955M siempre y cuando que cumplan con la norma NTC 2289 (ASTMA706M) , refuerzo en barras lisas de acuerdo a la norma NTC 161 (ASTMA615M) permitido solo para estribos, refuerzo de retracción y temperatura o refuerzo espiral y cuando conforman mallas electrosoldadas, alambre de refuerzo electrosoldado liso que debe cumplir la norma NTC 1925 (ASTMA185M) , alambre de refuerzo electrosoldado corrugado de acuerdo a la norma NTC 2310 (ASTM A497M). El acero de refuerzo se coloca en el concreto para absorber esfuerzos de tracción, de comprensión, de cortante y de torsión. Para cortante también se pueden utilizar los pernos con cabeza y deben cumplir la norma ASTM A1044M y las fibras de acero deformadas dispersas y deben cumplir NTC 5214 (ASTM A820M).

2.2.

CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES

Enunciamos las principales características de uso inmediato en el diseño de elementos estructurales de concreto reforzado:

2.2.1. RESISTENCIA DEL CONCRETO A LA COMPRENSIÓN (f'c) Define la calidad del material y corresponde a la resistencia a la comprensión en MPa que se utiliza en el diseño de los elementos estructurales y se determina como el promedio de las resistencias de al menos tres probetas de 100 mm por 200 mm, preparadas de la misma muestra de concreto y ensayadas a 28 días o a la edad de ensayo establecida. Para nuestro caso f'c = 21.1 MPa = 3000 psi = 211 kgf/cmA2.

2.2.2. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DEL CONCRETO Su valor es poco determinado y depende del tipo de ensayo con el cual se trabaja y del tipo de agregados utilizados. La resistencia a la tracción es de especial importancia en la resistencia del concreto al cortante, torsión y otras acciones.

2.2.3. COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA DEL CONCRETO Los efectos de los cambios de temperatura (expansión y contracción) en el volumen del concreto son muy similares a los del acero de refuerzo y se pueden tomar aproximadamente como: α= 0.00001 por un grado centígrado

Por lo tanto, para el cálculo de las deformaciones por cambios de temperatura puede considerarse aproximadamente 0.01 mm por metro y por grado centígrado.

2.2.4. PESO DEL CONCRETO Variable según las proporciones de la mezcla y la calidad de los agregados. De acuerdo a B.3.2. NSR - 10 se pueden tomar los siguientes valores: Concreto simple = 23 kN/m^3 Concreto reforzado = 24 kN/m^3

2.2.5. RETRACCIÓN DE FRAGUADO DEL CONCRETO Disminución de volumen del concreto por la acción del proceso de fraguado y la pérdida de agua o secado. A medida que el concreto se seca, se retrae en volumen. Igualmente si el concreto seco se sumerge en el agua, se expande y estos procesos pueden causar agrietamientos que es necesario controlar. Por lo tanto, este proceso depende en alguna forma del grado de absorbencia de los agregados y su correspondiente control.

2.2.6. FLUENCIA LENTA DEL CONCRETO Deformación adicional a la elástica adquirida por el concreto sometido a carga permanente y de la cual no se recupera.

2.2.7. MODULO DE ELASTICIDAD O FLUJO PLÁSTICO CONCRETO

(CREÉP) DEL

Corresponde a la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria que este produce y es la pendiente del tramo recto inicial de la curva esfuerzo deformación unitaria y aumenta con la resistencia del concreto.

2.2.8. RESISTENCIA NOMINAL A LA FLUENCIA (PUNTO DE FLUENCIA) DEL ACERO DE REFUERZO (fy) Define la calidad del material y corresponde a la resistencia los esfuerzos de tracción y comprensión en MPa en el límite o punto de fluencia fy y que se utiliza en el diseño de los elementos estructurales. Para nuestro caso fy = 420 MPa = 60000 psi = 4200 kgf/cm^2.

2.2.9. MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL ACERO DE REFUERZO Corresponde a la relación entre el esfuerzo de tracción o comprensión y la deformación unitaria que este produce. Según la NSR - 10, el módulo de elasticidad, Es, para el acero de refuerzo no preesforzado puede tomarse como: Es = 200000 MPa

2.2.10. RESISTENCIA A LA FATIGA Para elementos estructurales de concreto reforzado sometidos a una importante retición de ciclos de esfuerzos se presentan el fenómeno de la fatiga. La fatiga de metales se manifiesta en fisuras microscópicas, usualmente en los puntos de concentración de esfuerzos o en zonas de discontinuidades y puede producir falla súbita o frágil.

2.2.11.CONCRETO REFORZADO  A continuación se enuncian aquellas características de los materiales que convierten la combinación concreto y acero de refuerzo en un eficiente material estructural:   La

notable resistencia a la comprensión del concreto y a la tracción del acero hacen posible combinarlos dentro de una sección estructural en forma tal que los dos materiales se utilizan de una manera óptima.

 

 

La relativa similitud de los coeficientes de dilatación térmica de ambos materiales permite su combinación para ser sometida a deformaciones por cambios de temperatura normales para estructuras. El concreto actúan como protector del acero cuya resistencia a la corrosión es muy baja. La baja conductividad térmica del concreto resulta útil protegiendo al acero en el caso de estructuras expuestas transitoria o permanentemente al fuego.

2.3. CALIDADES DEL CONCRETO SEGÚN SU RESISTENCIA ESPECIFICADA A LA COMPRENSIÓN, ESFUERZO MÁXIMO ADMISIBLE DE COMPRENSIÓN POR FLEXIÓN, MÓDULO DE ELASTICIDAD SEGÚN LA NSR-10 Y LA RELACIÓN DE LOS MÓDULOS DE ELASTICIDAD ACERO / CONCRETO. Resistencia especificada a la comprensión f c MPa 14 . 1 17 . 6 21.1 24 . 6 28.1 31.6 35.2

psi 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Esfuerzo máximo admisible de comprensión por flexión fc=0.45xf'c MPa 6.3 7.9 9.5 11.1 12. 6 14.2 15.8

Módulo de elasticidad. Ec=4700x(f'c)^0.5 MPa, Valor medio según experimentación nacional MPa 17600 19700 21600 23300 24900 2 6400 27800

n=Es/Ec

11.4 10.2 9.3 8.6 8 .0 7.6 7.2

2.4. DIMENSIONES NOMINALES DE LAS BARRAS DE REFUERZO, CON DIÁMETROS BASADOS EN OCTAVOS DE PULGADA Designación de la barra No. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 14 18

Diámetro de referencia en pulgadas 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 - 1/8 1 - 1/4 1 - 3/8 1 - 3/4 2 - 1/4

Dimensiones Nominales Diámetro  Area sección Perímetro mm mm^2 mm 6.4 32 20.0 9.5 71 30.0 12.7 129 40.0 15. 9 199 50.0 19.1 234 60.0 22 .2 387 70 . C 25.4 510 80.0 29.7 645 90.0 32.3 819 101.3 35.8 1006 112.5 43.0 1452 135.1 57 .3 2581 130.1

Masa kg/m 0.250 0.560 0. 994 1. 552 2.235 3. 042 3. 973 5.060 6. 404 7.907 11.380 20.240

3. MARCO TEORICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO 3.1. SAP2000 El análisis y diseño del proyecto se realizará por medio del software SAP2000, el cual es un programa de modelación por elementos finitos (FEM): Structural  Analysis Program (Berkeley), tiene usos y aplicaciones en la Ingeniería Estructural. Tiene fortalezas como no linealidades, entorno amable, postproceso y como debilidades geometrías y no es código abierto. El elemento finito consiste en:  Modelamiento elástico 





 



Modelos preliminares en 2D (Carga estática): vigas, viguetas, pórticos de concreto y cerchas. Modelos de edificios aporticados en 3D (Carga dinámica): Pórticos 3D (Análisis espectral y cronológico). Modelos de tanques en 3D y suelos (elementos finitos): Tanques cuadrados, rectangulares, circulares, enterrados, semienterrados, superficiales y elevados, suelos y pavimentos. Modelos de edificios de sistema dual en 3D Modelos de puentes y estructuras en general.

Modelamiento inelástico 



Análisis inelástico estático: Modelos planos con defecto. Análisis dinámico no lineal

rotulas plásticas por

El alcance por medio de este software es:             

Análisis estático y dinámico. Análisis lineal y no lineal. Análisis de carga viva de vehículos para puentes. No linealidad geométrica: p-delta, grandes desplazamientos. Análisis de secuencia constructiva. Análisis de pandeo. Elementos estructurales: frame y Shell. Elementos "plañe 2D" y "solid axisymmetric". Elementos "solid 3D". Elementos "Spring" y "link nonlinear", Múltiples sistemas de coordenadas. Diferentes tipos de "constraints". Amplia variedad de opciones de carga.

  

Algoritmos de soluciones eficientes y estables. Diseño con diferentes códigos. Diseño de Shell en concreto

El procedimiento a seguir: Paso No. Paso No. Paso No. Paso No.

1: Creación del modelo de análisis. 2: Análisis estructural. 3: Resultados del análisis. 4: Chequeo y optimización del diseño.

3.2. COEFICIENTE DE BALASTO En la actualidad para el estudio de estructuras de manera conjunta con el terreno, es frecuente utilizar diversos programas de cálculo en ordenador que utilizan el modelo matemático de Winkler para definir el comportamiento del terreno.

3.2.1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES Los manuales que ilustran la utilización de estos programas suelen dar algunas recomendaciones para la elección del coeficiente de balasto, pero en general ignoran que este parámetro no es una constante característica del terreno y que su valor debe hacerse variar con la geometría y el tipo de problema objeto de estudio. Recordaremos que, en el modelo de Winkler, el coeficiente de balasto ks es un parámetro que se define como la relación entre la presión que actúa en un punto, p, y el asiento que se produce, y, es decir ks = p / y. Este parámetro tiene la dimensión de un peso específico y, aunque depende de las propiedades del terreno, no es una constante del mismo ya que el asiento de una cimentación apoyada sobre un medio seudo elástico, depende de las dimensiones del área cargada y existen grandes diferencias sí se estudian estructuras verticales, según se verá más adelante. La elección del coeficiente de balasto ha sido objeto de varias propuestas, sugeridas por diversos autores, los cuales, en general, parten del trabajo inicial de Karl Terzaghi que, bajo el titulo "Evaluation of coefficients of subgrade reaction", fue publicado en la revista Geotechnique, en 1955. En este artículo, utilizando unidades anglosajonas, Terzaghi dio no sólo los coeficientes de reacción vertical, a utilizar en el estudio de vigas horizontales, sino también los coeficientes de reacción horizontal para el análisis de estructuras verticales, como pilotes, pantallas o tablestacas.

En 1964, el profesor J. Verdeyen, de la Universidad de Bruselas, dio una conferencia en Friburgo (Suiza) bajo el título "L' application á la pratique des coefficients de raideur du sol", que luego se publicó en el Bulletin Technique de la Suisse Remande (Lausana 9 de enero de 1965), en el que se expone la teoría de la viga flotante y se recogen las propuestas de Terzaghi sobre coeficientes de balasto, traducidas a unidades métricas. Posteriormente, en 1972, en el V Congreso Europeo de Mecánica del Suelo y Cimentaciones, celebrado en Madrid, el Prof. B. B. Broms hizo una nueva recapitulación del tema en su Informe General de la Sesión III b, "Stability of flexible Structures (Piles and Piles Groups)". Terzaghi, para el estudio de cimentaciones, hizo dos propuestas, una para suelos arcillosos y otra para suelos arenosos, indicando, en cada caso, el valor ks(l) a utilizar con una placa cuadrada de lado igual a (1 pie), para pasar luego a placas cuadradas de lado (b) y a cimentaciones rectangulares de dimensiones (b x 1). En los apartados siguientes, se resumen los puntos fundamentales de las propuestas originales, sustituyendo en la notación ks(l) por k30 en unidades métricas. Para placa cuadrada de lado (b) se adopta la notación kb y para una cimentación rectangular de dimensiones (b x 1) la notación kb,l. Para el estudio de elementos verticales, Terzaghi dio las oportunas recomendaciones considerando coeficientes de balasto en sentido horizontal, pero diferenciando dos casos: i) el estudio de pilotes o placas sometidos a cargas horizontales, definiendo el parámetro kh, ii) el estudio de pantallas o tablestacas construidas para contener el terreno contiguo a una excavación, en cuyo caso definió el parámetro lh. Por la misma época, (1951, 1955), el profesor Rowe abordó el estudio de pantallas en suelos arenosos, suponiendo que la acción del terreno sobre la pantalla, en la zona de empuje pasivo, obedecía a una ley lineal caracterizada por un parámetro m similar a un coeficiente de balasto análogo al lh de Terzaghi.

3.3. METODO DE LA RESISTENCIA ULTIMA Por el método elástico o de los esfuerzos de trabajo, el diseñador obtiene los esfuerzos y deformaciones que se presentan en una estructura sometida a cargas para las cuales se diseña, suponiendo parámetros elásticos de los materiales. Por el método de la resistencia última, también llamado solamente método de la resistencia, el diseñador podrá estudiar el comportamiento de la estructura en el instante de falla, por tanto, si este instante se hace lo suficientemente mayor que el de su trabajo para las cargas que soporta normalmente, se podrá tener un diseño con factores de seguridad apropiados.

Este trabajo de la estructura en su última resistencia no es posible conocerlo a partir del método elástico, en vista de que el comportamiento de los materiales inelásticos en el instante de falla es diferente al supuesto dentro del periodo elástico de su funcionamiento, es decir, para su trabajo de cargas, esfuerzos y deformaciones admisibles.

4. DIMENSIONAMIENTO Por medio del Reglamento Colombiano De Construcción Sismo Resistente (NSR 10) se asume unas dimensiones y criterios iniciales de los elementos estructurales del proyecto. Por medio de la Tabla C.9.5(a) - Alturas o espesores mínimos de vigas no preesforzadas o losas reforzadas en una dirección a menos que se calculen las deflexiones.

Elementos Losas macizas en una dirección Vigas o losas nervadas en una dirección

Espesor mínimo, h Simplemente Con un extremo  Ambos extremos En Voladizo apoyados continuo continuos Elementos que NO soporten o estén ligados a divisiones u otro tipo de elementos susceptibles de dañarse debido a deflexiones grandes L/20 L/24 L/28 L/10 L/16

L/18.5

1/21

L/8

Entonces tenemos, que las losas maciza superior e inferior quedan así: h = simplemente apoyado = L/20 h = simplemente apoyado = L/20 h = simplemente apoyado = L/20 h = simplemente apoyado = L/20 h = simplemente apoyado = L/20

= 1.00 m/20 = 2.00 m/20 = 3.00 m/20 = 4.00 m/20 = 5.00 m/20

= 0.05 m = 0.10 m = 0.15 m = 0.20 m = 0.25 m

De acuerdo a lo anterior, se asume las siguientes dimensiones mínimas y de acuerdo a los resultados de la modelación se toma decisiones que serán mostradas en los planos las dimensiones definitivas. El articulo C.14.5.3.2, el espesor de los muros exteriores de sótanos y cimentaciones no debe ser menor que 190 mm, por ello para los muros del proyecto se asumirán mínimo de 0.20 m.

5. CRITERIOS DE CARGAS APLICADAS De acuerdo a la Sección A.3.12 del Código Colombiano De Diseño Sísmico De Puentes 1995, las combinaciones de cargas a aplicar son:

  [                                        ]

Dónde: N = Numero de grupo Y = Factor de carga (ver tabla 3.22.1.A) β = Coeficiente (ver tabla 3.22.1.A) D = Carga muerta L = Carga viva I = Carga viva de impacto E = Presión de tierra B = Presión hidráulica ascendente (presión de flotación). W = Carga de viento en estructura WL = Carga de viento en carga viva - 100 lb/pie LF = Fuerza longitudinal de carga viva CF = Fuerza centrifuga R = Acortamiento de nervadura T = Temperatura. EQ = Sismo SF = Presión del agua en movimiento

De acuerdo al proyecto tendremos las cargas:

PESO PROPIO: El software por medio de la geometría y el material planteado determina dicha carga y la aplica. CAMIÓN 1: Dos camiones C40-95 separados por un intervalo de tiempo de 1.5s y con una duración de 3s (estático multi-etapa). CAMIÓN 2: Dos camiones C40-95 separados por un intervalo de tiempo de 1.5s en un sentido y un camión C32-95 en sentido contrario a los 4 s con el fin de chequear la vibración dinámica (lineal directo con historia - tiempo de integración). MOVING LOAD: Un camión C40-95 como carga móvil. FRENADO: Se aplicó fuerza .correspondiente al frenado del C40-95 a una velocidad de 80 Km/h y un tiempo de frenado de 1 s, lo cual genera una fuerza de 9.07 Ton a una altura de 1.80 m. IMPACTO: Se aplicó una fuerza de impacto correspondiente a un 30% de la carga del Camión 1. Empuje de tierra: De acuerdo a la cartilla denominada "Modelos Obras De Arte" el peso especifico del relleno = 18 kN/m3. Sobre los muros se utiliza la herramienta del software JOINT PATTERNS, que para nuestro caso la formula = -18xZ + 21.6, esta presión de acuerdo a los planos suministrado es hasta la cota 1.20 (Altura de terreno y constructivamente altura de relleno). Sobre la losa superior se considera una altura de relleno de 4.00 m para una carga de 72 kN/m2. Presión hidrostática: Sobre los muros se utiliza la herramienta del software JOINT PATTERNS, qué para nuestro caso la formula = -10xZ + 12.0, esta presión de acuerdo a los planos suministrado es hasta la cota 1.20 (Altura de agua) SISMO: De acuerdo al reglamento colombiano de construcción sismo resistente (NSR-10) y al estudio de suelos, ubica al Municipio de SAMPUES en una zona de amenaza sísmica intermedia, los coeficientes sísmicos tienen las siguientes magnitudes:

Coeficiente pico de aceleración efectiva Aa Coeficiente que representa la velocidad horizontal pico de diseño Av Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva para el umbral de  Ad daño Coeficiente de aceleración pico efectiva para diseño con seguridad  Ae limitada Perfil del suelo

0.15 0.20 0.04 0.08

Con lo anterior se construyó el espectro de diseño (anexo en este documento).

C