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ALFREDO
ZEGARRA
TAMBO REVISION ESTRUCTURAS
SECCIONES DE TUNEL EN OBRA DE DRENAJE-
CORPORACION TORREBLANCA
Doc. NIT.2014-02
RevA.
Fecha
24-03-2014
PROYECTO:
REVISION DE ESTRUCTURAS
SECCIONES DE TUNEL EN OBRA DE DRENAJE-
CORPORACION TORREBLANCA
REVISION ESPECIALIDAD ESTRUCTURAS
B 04-04-2014
RevisionEstructuras
Emisin A!T
A 24-03-2014
RevisionEstructuras
Emisin A!T
Rev.
Fecha Pagina/Documento
Descripcin
Firma Departamento
Aprobado
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TAMBO
REVISION ESTRUCTURAS
SECCIONES DE TUNEL EN OBRA DE
DRENAJE-CORPORACION
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Doc No. Rev.
IT.2014-02 B"#$. De.2
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FE%&A04-04-2014
INFORME DE REVISION DE ESTRUCTURAS DE LAS SECCIONES DE
TUNEL DE LA OBRA DE DRENAJE CORPORACION
TORREBLANCA
1.0 OBJETO DEL INFORME
Por encargo de la Corporacin Torreblanca, se plantea la evaluacin de un tnel de
drenaje de 810 m de longitud, de los cuales aproximadamente 200 metros estn
sostenidos con cimbras tipo herradura y 610 m con cimbras tipo bal, las dimensiones
de las cimbras son 2.35 m ancho y 2.35 m de altura.
2.0 FUENTES DE INFORMACION
Las fuentes de informacin que se han alcanzado son los siguientes:
Planos de la seccin del tnel:
Cimbra 2.35 x 2.35, Tipo Herradura
Cimbra 2.35 x 2.35 Tipo Baul, 2 Cuerpos
Cimbra 2.35 x2.35 Tipo Bal, 3 cuerpos
Registro geolgico
El registro geolgico, el cual nos muestra la predominancia de Rocas tipo V, IV y tipo III
(Ver Tabla N01).
El tnel tiene aproximadamente 815 cimbras instaladas con separaciones que varan
entre 0.5 m y 1.2 m., el sostenimiento con cimbras est completado en los hastiales con
madera y en la bveda con planchas acanaladas, entre la pared del tnel y la madera o
plancha acanalada se ha topeado con bolsacrets. El tnel est construido, se someter a
un anlisis para confirmar si el sostenimiento con las cimbras instaladas son
competentes o si es necesario reforzar con cimbras intermedias, considerando que el
terreno predominante del tnel est constituido por Roca tipo V, IV y III.
El tnel es parte de un sistema de drenaje y se construir un canal de concreto en su
interior aprovechando todo el ancho del tnel. A continuacin se presenta en la Tabla N
001, el registro geolgico del tnel, donde se indican los criterios de carga a utilizar.
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Tabla N 001. Registro Geologico del Tnel
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3.0 ANALISIS ESTRUCTURAL
El anlisis de cada una de las estructuras se hizo con el programa sap2000.Se
consideraron modelos tridimensionales, suponiendo comportamiento lineal y
elstico.
Los elementos se representaron con elementos lineales.
3.01 Propiedades de los Materiales:
Los anlisis se hicieron suponiendo los siguientes parmetros
Acero de calidad A-36
Fy=2530.00 Kg/cm2
Densidad de la roca =2500 Kg/m3
3.02 Cargas Verticales
Las cargas empleadas en el anlisis se han distribuido en 02 rubros:
3.02.01 Cargas muertas
Los pesos de los elementos se estimaron a partir de sus dimensiones reales, con
un peso especfico de 7,850 kg/m3, en el caso particular del perfil W4x13, el peso
unitario (por metro lineal), es del orden de 19.50 Kg/ml
3.02.02 Cargas vivas
A continuacin se presenta una tabla (Tabla N01), planteada por Terzaghi en la
que se indican las normas ms generales de criterio en lo referente a las cargas a
las que estan sometidos los sistemas de sostenimiento en tneles que crucen roca.
La Nomenclatura utilizada en lo que sigue es la siguiente:
B=Ancho efectivo de la excavacin del Tnel
Ht=Altura del tnel
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Figura N 001. Grfico de parmetros para clculo de carga vertical en tneles.
Tabla N002. Tneles en Roca. Criterios de Terzaghi
Estado de la Roca Carga Hp (m) Observaciones
Roca sana e Intacta Cero Ademe ligero, si hay
roca explosiva
Roca sana estratificada 0 a 0.50B Cuando sea necesario
ademe ligero
Roca moderadamente fisurada 0 a 0.25B Ademe ligero, si hay
roca explosiva
Roca moderadamente fragmentada 0.25B a 0.35 (B+Ht) Ademe en el techo,
raramente en las
paredes y nunca en
el piso
Roca muy fragmentada 0.35 (B+Ht) a 1.10(B+Ht) Ademe en el techo y en
las paredes
Roca triturada y qumicamente
intacta
1.10(B+Ht) Recomendable ademe
circular
Roca que fluye plsticamente (a poca
profundidad)
1.10(B+Ht) a 2.10(B+Ht) Conviene ademe
circular
Roca que fluye plsticamente (a granprofundidad) 2.10(B+Ht) a 4.50(B+Ht) Conviene ademecircular
Roca expansiva Hasta 70m. Indispensable ademe
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independientemente del
valor de (B+Ht)
circular
En la ingeniera de rocas es tpico el efecto de arqueo, que indica la capacidad de
la roca situada sobre el techo del tnel para trasmitir la presin debido a su peso
a las masas colocadas a los lados del mismo, este efecto es similar al arqueo de
arenas. A continuacin se muestra esquemticamente la masa de roca afectada
por el fenmeno:
Figura N 002. Grfico de masa afectada en tneles.
A continuacin y de acuerdo a la calificacin indicada en la Tabla N 02, se
desarrolla el clculo de las cargas que actan en las cimbras implementadas en la
Obra.
Rocas muy fracturadas (Roca tipo V)
Por el trmino roca muy fragmentada o fracturada se indica una roca que, por su
gran cantidad de juntas, grietas y fisuras forma bloques independientes entre los
que prcticamente no existe interaccin. El comportamiento mecnico de estas
formaciones se parece al de las arenas compactas de grano grueso.
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Este tipo de formacin la asociamos al tipo de Roca IV y/o V que se ha encontrado
en la Obra.
En este caso tendremos que la altura de carga (Hp), es la siguiente
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Tabla N002. Tneles en Roca muy Fragmentada o muy fracturada
Estado de la Roca Carga Hp (m)
Roca muy fracturada 1.10(Ht+Hp))
Como se observa, circunscribiremos nuestro anlisis a las formulaciones
empleadas en el caso de las rocas fragmentadas (condicin ms adversa).
Cargas verticales:
La carga en el caso ms desfavorable ser
Hp=1.10*(B+Ht)
Hp=1.10*(2.35m.+2.35m.)
Hp=5.17 m.
Considerando:
Densidad de la roca: =2500 Kg/m3
Luego la presin ejercida ser de
Pv=Hp
Pv=2500*5.17
Pv= 12925 Kg/m2
Para el caso en evaluacin iniciaremos los anlisis con un espaciamiento de 0.40m. entre cimbras
La carga sera Pva=0.40*Pv=5170 Kg/ml
Cargas horizontales:
La presin media sobre las paredes del tnel pueden estimarse aplicando las
teoras de presin de tierras en arenas segn:
Ph=Kae (0.50Ht+Hp)
Donde:
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Ph= Presion Horizontal (Kg/m2)
Para evaluar el coeficiente de Empuje Kae, emplearemos formulaciones basadas en
la caracterizacin o clasificacin de Beniawiski, sobre la base del cuadro geolgico
alcanzado y descrito en la Tabla N 001 del presente Informe. Para ello
utilizaremos el siguiente cuadro de clasificacin:
Consideraremos un RMR del orden de 7, y luego estimando la friccin y la
cohesin de acuerdo a criterios utilizados con este fin, tendremos:
Cohesin=0.50 RMR =0.20 Kg/cm2
Angulo de friccin=5+RMR/2=8.50
Luego calculando el Kae (equivalente):
Resulta un Kae del orden de 0.30, luego aplicando la expresin de cargas laterales
tendremos:
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Ph=0.30 (0.50Ht+Hp)
Ph=0.30*2.50*(0.50*2.35+5.17)=4758.75Kg/m
Para 0.40 m., tendremos una carga neta de:
Pha=4754*0.40
Pha=1903.50 Kg/m.
Rocas moderadamente fragmentadas (tipo IV)
En este caso tendremos que la altura de carga (Hp), es la siguientes
Estado de la Roca Carga Hp (m)
Roca moderadamente
fragmentada
0.25B a 0.35 (B+Ht)
Cargas verticales:
La carga en el caso ms desfavorable ser
Hp=0.35*(B+Ht)
Hp=0.35*(2.35m+2.35m.)
Hp=1.645 m.
Considerando:
Densidad de la roca: =2500 Kg/m3
Luego la presin ejercida ser de
Pv=Hp
Pv=2500*1.645
Pv= 4112.50 Kg/m2
Cargas laterales
Ph=0.30 (0.50Ht+Hp)
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Ph=0.30*2500*(0.5*2.35+1.645)
Ph=2115
Rocas moderadamente fisuradas (tipo III)
En este caso tendremos que la altura de carga (Hp), es la siguiente:
Estado de la Roca Carga Hp (m)Roca moderadamente
fisuradas
0.25B
Cargas verticales:
La carga en el caso ms desfavorable ser
Hp=0.25*(B)
Hp=0.25*(2.35m.)
Hp=0.5875 m.
Considerando:
Densidad de la roca: =2500 Kg/m3
Luego la presin ejercida ser de
Pv=Hp
Pv=2500*0.5875
Pv= 1468 Kg/m2
Cargas laterales
Ph=0.30 (0.50Ht+Hp)
Ph=0.30*2500*(0.5*2.35+0.5875)
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Ph=1322.
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4.0 ANALISIS ESTRUCTURAL
A continuacin se presenta el modelo estructural empleado en la seccin tipo
bal, el cual ser evaluado para diferentes espaciamientos entre ellos, con el fin de
evaluar la capacidad de la estructura.
Los espaciamientos y cargas obtenidas segn el procedimiento detallado en el Item
3.02 del Informe han sido utilizados para elaborar el siguiente cuadro de cargas:
ROCA TIPO V
Espaciamento (m.) Carga Vertical(Kg/ml)
Carga Horizontal(Kg/ml)
0.40 5170 1901.60
0.60 7755 2852.40
0.70 9047.50 3327.80
0.80 10340 3803.20
Esto muestra la metodologa empleada para encontrar la capacidad de la cimbra.
A continuacin mostramos los espaciamientos finales y las cargas para el caso dela roca tipo IV y III, en los cuales se realiz un anlisis similar.
ROCA TIPO IV,
Espaciamiento (m.) Carga Vertical
(Kg/ml)
Carga Horizontal
(Kg/ml)
2.00 8225 4230
ROCA TIPO III
Espaciamiento (m.) Carga Vertical
(Kg/ml)
Carga Horizontal
(Kg/ml)
6.00 8808 7932
Seguidamente se presentan los anlisis realizados.
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4.1 ANALISIS DE SECCIONES TIPO BAUL
ROCA TIPO V
Separacin de cimbras: t=0.40
Figura N 003, Modelo Estructural seccin bal
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Diagrama de sobrecargas
Figura N 004, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 005, Diagrama de momentos producido por las cargas
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FE%&A04-04-2014
Separacion de cimbras: t=0.60
Diagrama de sobrecargas
Figura N 006, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 007, Diagrama de momentos producido por las cargas
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Separacin de cimbras: t=0.70
Diagrama de sobrecargas
Figura N 008, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 009, Diagrama de momentos producido por las cargas
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FE%&A04-04-2014
Separacin de cimbras: t=0.80
Diagrama de sobrecargas
Figura N 010, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural.
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Figura N 011, Diagrama de momentos producido por las cargas
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ROCA TIPO IV
Separacin de cimbras: t=2.00
Diagrama de sobrecargas
Figura N 012, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 013, Diagrama de momentos producido por las cargas
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ROCA TIPO III
Separacin de cimbras: t=6.00
Diagrama de sobrecargas
Figura N 014, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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4.20 ANALISIS DE SECCION CIMBRA TIPO HERRADURA
Figura N 016, Modelo Estructural seccin herradura
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Separacion de cimbras: t=0.40
Diagrama de cargas:
Figura N 017, Diagrama de cargas vivas
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Separacion de cimbras: t=0.60
Diagrama de cargas:
Figura N 019, Diagrama de cargas vivas
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Figura N 020, Diagrama de momentos, cargas vivas
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Combinaciones de Carga para la revisin del diseo de las cimbras.
La verificacin de la capacidad de los elementos de acero se bas en un procedimiento de
cargas factoradas, conforme al Reglamento del AISC y la Norma peruana de Estructuras
E.090
Las combinaciones utilizadas para la verificacin fueron las siguientes:
U = 1.4 D
U = 1.20D + 1.60L
En estas expresiones D denota cargas permanentes, L se refiere a los efectos de carga
viva en su ubicacin ms crtica.
Luego de realizar los anlisis y diseos respectivos, se obtienen los ratios
demanda/capacidad del perfil utilizado W4x13, si el valor es menor a la unidad se
considera que el valor de diseo cumple con los requerimientos mnimos normativos
Seguidamente se muestran los resultados grficamente, en los cuales se indican los
ratios de diseo.
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ROCA TIPO V
SECCION BAUL
Separacion de cimbras: t=0.40
Figura N 021, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.40 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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IT.2014-02 B"#$. De.35
21
FE%&A04-04-2014
Separacion de cimbras: t=0.60
Figura N 022, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.60 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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FE%&A04-04-2014
Separacion de cimbras: t=0.70
Figura N 023, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.70 m.
Como se observa para la separacin de cimbras de 0.70m, lo valores de los ratios
son prximos a la unidad por lo que consideramos que es el lmite de
espaciamiento seguro de los perfiles W4x13, calidad A-36.
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SECCION HERRADURA
Separacion de cimbras: t=0.40
Figura N 025, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.40 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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ROCA TIPO IV
Seccion bal, separacin s=2.00 m.
Figura N 027, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 2.00 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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ROCA TIPO III
Seccin bal, separacin s=6.00 m.
Figura N 028, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 6.00 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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5.00 CONCLUSIONES
Se ha evaluado desde el punto de vista estructural la capacidad de la cimbras para las
cargas aplicadas sobre ellas, considerando las teoras ms aceptadas de la mecnica de
rocas y suelos. A continuacin se presentan las conclusiones del estudio para cada tipo
de roca.
Rocas tipo IV V, Roca muy fracturada
Cimbra tipo BAUL
Para las condiciones indicadas por lo propietarios, y hasta una separacin de
cimbras de 0.70 metros,el cociente demanda/capacidad para las cimbras W4x13,
cumple los requerimientos normativos.
Cimbra tipo HERRADURA
Para las condiciones indicadas por lo propietarios, y hasta una separacin de
cimbras de 0.60 metros, el cociente demanda/capacidad para las cimbras W4x13,
cumple los requerimientos normativos.
Como consecuencia considero que la estructura es estable, en las tipologas construidas,
es decir tipo bal y herradura, sin embargo, es preciso sealar que estos resultados
deben ser corregidos por las condiciones reales del terreno que no incorpora el modelo de
clculo.
Roca tipo IV, moderadamente fragmentada
Cimbra tipo BAUL
Se realiz un anlisis de similar al presentado en el caso anterior Informe para el
caso de roca tipo III, encontrndose que el espaciamiento seguro entre cimbras
tipo W4x13 es de 2.00 m. como mximo.
Roca tipo III, moderadamente fragmentada
Cimbra tipo BAUL
Se realiz un anlisis de encontrndose que el espaciamiento seguro entre cimbras
tipo W4x13 es de 6.00 m. como mximo.
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6.00 RECOMENDACIONES
Como consecuencia de lo informado, de los tramos ejecutados del Tnel de
drenaje, es necesario reforzar el tramo entre las progresivas 0+919 hasta 1+87.28,
en el cual se ha encontrado roca tipo V, calificada como muy fracturada y en
seccin bal.
Para tal efecto se colocarn cimbras intermedias de acuerdo a los procesos
constructivos convencionales.
Adjunto cuadro resumen de medidas a tomar en el Proyecto.
Atentamente,
Alfredo Zegarra Tambo
CIP 58647
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