CAPITULO 15. PREDISEO DE OBRAS DE ARTE MENORINDICE DE CONTENIDO Contenido Pg.

CAPITULO 15115.1.ANTECEDENTES115.2.UBICACIN415.3.OBJETIVO DEL PREDISEO DE OBRAS DE ARTE MENOR515.3.1.Objetivo general515.3.2.Objetivos especficos515.4.METODOLOGIA DE ANALISIS615.5.CRITERIOS ADOPTADOS EN EL PREDISEO615.6.MATERIALES.1115.7.DISEO EN ESTADO LIMITE ULTIMO (MTODO DE RESISTENCIA).1215.8.METODO DE CALCULO ESFUERZOS13

ESTUDIO DE IDENTIFICACION (EI) Y ESTUDIO INTEGRAL TECNICO ECONOMICO SOCIAL AMBIENTAL (TESA) MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA PEAS - CHACHACOMANI

ESTUDIO DE IDENTIFICACION1

CAPITULO 15. PREDISEO DE OBRAS DE ARTE MENOR

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. ANTECEDENTESEl tramo vial PEAS CHACHACOMANI de 16,5 Km de longitud; ubicado en la zona altiplnica del Departamento de La Paz. El tramo vial se encuentra en las faltas de la cordillera Real de los Andes desde donde escurren las aguas de lluvia por los cursos de agua mayores y menores. La topografa del tramo vial es plana ondulada y cruza cursos de agua mayores y menores.El tramo vial actual consiste de un camino de tierra con drenaje transversal consistente en estructuras de hormign ciclpeo, mampostera de piedra y hormign armado antiguas y de mala calidad con dimetros en su mayora menores a 80 cm que no permiten su mantenimiento, longitudes menores a 6 m y tapadas que no cumplen con los mnimos establecidos en las normas actuales; no existe drenaje longitudinal revestido y tampoco drenaje subterrneo. Existen algunos cursos importantes de agua que cruzan la va sin obras de drenaje como alcantarillas o puentes (progresivas 6+145 y 7+300).En la progresiva 8+250 existe un badn que permite el paso de las aguas de un curso menor; en este lugar se debe considerar la construccin de una alcantarilla tipo cajn de HA.Por otra parte; existen varias alcantarillas que a la vez sirven de paso de canales de riego, Las siguientes fotografas muestran, a manera de ejemplo, el estado actual del de las obras de arte menor en el tramo vial:

Fotografa N1 . Alcantarilla de HA de mala calidad. Se puede observar la socavacin a la salida de la misma. Se debe reemplazar la estructura por una alcantarilla tipo cajn de HA

Fotografa N2. Alcantarilla con tapa de HA y muros de HC con flujo de agua a punto de colapsar por la mala calidad y antigedad de la misma. Se debe reemplazar por alcantarilla tubular o tipo cajn de HA.

Fotografa N3. Cabezal de alcantarilla de HC con flujo de agua en mal estado

Fotografa N4. Cabezal de alcantarilla de MP con flujo de agua en mal estado. Recibe las aguas de un canal de riegoEn el inventario vial se puede ver las caractersticas y el estado actual de todos y cada una de las obras de drenaje existentes en el tramo vial.El proyecto consiste en el mejoramiento del tramo vial y la construccin de un sistema de drenaje transversal, longitudinal y subterrneo en todos los lugares necesarios.El drenaje transversal se constituir de puentes y alcantarillas; las alcantarillas sern tubulares de hormign armado y cajones de hormign armado segn el caudal y caractersticas de los cauces. Se conformaran cunetas de pie de terrapln y cunetas de corte as como zanjas de coronamiento en lugares necesarios, los cuales sern revestidos de hormign, hormign ciclpeo y/o mampostera de piedra.UBICACINEl tramo vial Peas Chachacomani; atraviesa las provincias de Los Andes y Omasuyos y los municipios de Batallas y Achacachi pasando por las poblaciones de Peas, Huancuyo, Kerani, Coramata Alta, Coramata Media y Chachacomani.

Figura N 1. Ubicacin del Proyecto

Figura N 2.. Ubicacin del Proyecto y la cuenca hidrogrfica que afecta al tramo

OBJETIVO DEL PREDISEO DE OBRAS DE ARTE MENOR15.1.1. Objetivo generalEl objetivo general del presente estudio es efectuar el prediseo estructural de las obras de arte menor.15.1.2. Objetivos especficosLos objetivos especficos que se pretenden alcanzar en el presente estudio, son los siguientes: Predimensionar las alcantarillas tipo cajn de HA Predimensionar las alcantarillas tubulares de HA, Prdimensionar otras estructuras menores Determinar cantidades preliminaresMETODOLOGIA DE ANALISISEl prediseo de obras de arte menor se realizar siguiendo la siguiente secuencia: Determinacin de los criterios de diseo Definicin de las normas de diseo Prediseo estructural Planos y cantidades de obraCRITERIOS ADOPTADOS EN EL PREDISEO Tomando en cuenta lo sealado en los Trminos de Referencia el camin tipo que debe ser utilizado como carga mvil en las estructuras es el HL-93 de la AASHTO LRFD. El tren de cargas consiste en un camin de tres ejes con un peso total de 325 KN. Distribuidos de la siguiente manera: Un eje delantero con una carga total de 35 KN Un eje central con una carga total de 145 KN Un eje trasero con una carga total de 145 KN Considerando que el tren de cargas corresponde a la norma americana AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation Officials), se utiliz esta norma para el diseo de las esctructuras. Con objeto de compatibilizar parmetros, se utiliz tambin la Norma Americana del Instituto del Concreto (ACI) para el diseo de los dems elementos de hormign armado.Las dimensiones y cargas del camin HL-93 de diseo se detallan en la figura siguiente:

Figura N 3CAMION DE DISEO HL-93Peso del camin HL-93=325.0[KN]Numero de ejes de Ruedas=3.00Separacin entre ejes=4.30[m]Carga de ejes traseros=145.0[KN]Carga de eje delantero=36.25[KN]Separacin entre ruedas=1.80[m]Separacin entre camiones=1.20[m]CARGA EQUIVALENTE HL-93Carga distribuida =9.35[KN/m]Carga concentrada (momento flector)=110.00[KN]Carga concentrada (esfuerzo cortante)=110.00[KN]Cargas Las estructuras sern diseadas, considerando que llevan las siguientes cargas:1. Carga permanente1. Carga viva1. Fuerza longitudinal de frenado1. Impacto en la carga viva1. Viento en la estructura1. Viento en la carga viva1. Temperatura1. Presin de tierra1. Carga de circulacin de caudal1. Acortamiento y fluenciaEfecto del impacto:El impacto ser incluido para el diseo de elementos, de acuerdo a la AASHTO artculo 3.8:Grupo A:SuperestructuraPilasEl impacto no ser incluido para el diseo de los elementos:Grupo B:Estribos, muros de contencinPresiones de cimientos y posicionesCargas de aceraAlcantarillas y estructuras con altura de relleno mayor a 1 m o msEl impacto del camin es dado por la frmula artculo 3.8.2:

Donde: I= Fraccin de la carga viva por impacto con un mximo de 30%.L= Longitud en metro de la porcin de la luz que se carga para provocar los mximos esfuerzos en el miembro La fuerza centrfuga ser dispuesta 1.8 m (6 pies) por encima de la superficie de calzada, medido a lo largo de la lnea central de la calzada.Carga de choque en el bordillo.Los bordillos sern diseados para resistir una carga lateral de 500 libras por pie de longitud de bordillo, equivalente a 7.3 kN/m, aplicable a 250 mm. por encima de la capa de rodadura, en caso de que el bordillo sea inferior a esta dimensin, la carga se aplica en la parte superior.Carga de parapetos y barandados.Para las alcantarillas tipo cajn ni tubulares no est previsto parapetos ni barandados.Carga de vientoDebido a la poca altura de las alcantarillas y a que estas estarn enterradas no se considera el efecto del viento.Temperatura.Se considerara la temperatura de la zona para el diseo de las juntas de dilatacin.Para el diseo de articulaciones y juntas de expansin y dilatacin se utilizara la temperatura en C, adicionando +10C.El coeficiente de dilatacin trmica para elementos de hormign ser de 10 10-6 oC.Presin de tierra.Las estructuras destinadas a soportar rellenos pueden ser diseadas aplicado las frmulas de Ranking u otras expresiones, artculo 3.20.Para estructuras rgidas, las presiones puede reducirse a la mitad K0 = Kp0 = 0.50.Los estribos y las alcantarillas de caja sern diseados para resistir una sobrecarga de 10 kN/m2 que corresponde al relleno 0.6 m con pesos especifico de 18 kN/m3. Las losas de aproximacin no requieren considerar en el diseo sobrecarga.Las estructuras expuestas a presin de tierra deben considerar material de drenaje en el intrados y tubos de drenaje.En general, para determinar la presin de la corriente, es necesario establecer los parmetros hidrulicos, en base a los estudios de hidrologa, y determinar la presin que la corriente ejerce sobre los elementos estructurales.Los siguientes criterios sirven para determinar la presin de la corriente sobre los elementos expuestos:La presin de la corriente se calcula segn el artculo 3.18.1.1.1:

Donde: p= Presin de la corriente.v= Velocidad de escurrimiento. Acortamiento del concreto.El coeficiente de acortamiento del concreto de peso normal puede ser considerado como 0.0002, Articulo 8.5.4.COMBINACIN de cargas.El siguiente grupo representa las combinaciones de varias cargas y fuerzas a las que una estructura puede estar sujeta. El nmero de grupo para la combinacin de cargas de servicio de diseo y el factor de carga de diseo es el siguiente:

Grupo(1)=1,3(D+1,67L)Donde: N = Numero de grupo.

= Factor general.D= Carga muertaPS= Carga de pretensadoL=Carga vivaI= Carga viva de impactoE = Empuje lateral de sueloB= FlotabilidadW= Viento en la estructuraWL= Viento en la carga vivaLF = Fuerza longitudinal por carga vivaCF= Fuerza centrfugaS=AcortamientosT= TemperaturaEQ= SismosSF= Presin de circulacin de la corrienteICE= Presin de hieloRefuerzos del concreto.Las especificaciones de esta seccin son dirigidas al diseo de miembros de hormign y estructuras reforzadas (no pretensadas).MATERIALES.Hormign para alcantarillasElementoHormignTipoResistencia Caracterstica en MPa

Alcantarilla cajnA(I)21

Aleros y cabezalesA(I)21

Hormign de nivelacinC(I)10

La resistencia caracterstica del hormign, es la resistencia cilndrica a compresin a los 28 das. El acero de refuerzo ser de grado 60 con tensin de fluencia de 420 MPa.DISEO EN ESTADO LIMITE ULTIMO (MTODO DE RESISTENCIA).Para ms detalle, referirse a la divisin I, Seccin 8.16. (AASHTO 2002)

Flexin.Secciones rectangulares con refuerzo de tensin solamente:

El Momento de diseo, es calculado como:

Dnde:Cortante.El diseo de secciones sujetas a esfuerzo cortante se basan en:

Donde Vu es descompuesto en factores en la seccin de corte y Vn en la resistencia nominal al esfuerzo cortante calculado como:

La resistencia al corte del concreto est dada por:Para elementos sometidos a cortante y flexin solamente Vc ser calculado como:

El refuerzo para el esfuerzo cortante ser:Cuando el refuerzo a corte es perpendicular al eje del miembro:

resistencia del sueloPara el diseo de las alcantarillas tipo cajn se adoptaron los siguientes valores conservadores:Capacidad portante (Kg/cm2)= 1 Modulo de Balasto (Kg/cm2)= 1,5METODO DE CALCULO ESFUERZOSLos esfuerzos en los elementos estructurales; fueron determinados por elementos finitos triangulares tipo lmina gruesa tridimensional, que considera la deformacin por cortante. Estn formados por seis nodos, en los vrtices y en los puntos medios de los lados, con seis grados de libertad cada uno. Se realiza un mallado de la estructura en funcin de las dimensiones (espesores y luces). En cada nodo se obtienen, mediante un anlisis elstico y lineal, ocho esfuerzos con los que se comprueba y dimensiona la seccin de hormign y el armado. A partir de los desplazamientos se comprueba la flecha, tensiones sobre el terreno, despegue de la losa de cimentacin, etc; el software utilizado para el efecto fue el modulo MARCOS del CYPE.

Figura N 4. Vista Isomtrica de los Esfuerzos (Momento Flector X) del cajn doble 1,5x1,5mDe acuerdo a los estudios hidrolgicos el proyecto requiere las siguientes dimensiones de alcantarillas tipo cajn: 3 Cajones Simples de 1,5x1,5 m

Cajones Simples de 1,5x2 m (pasos de fauna)

7 Cajones Dobles de 1,5x1,5 m

3 Cajones Dobles de 3x2 m

Figura N 5. Vista 3D cajn doble 3x2

Armadura Obtenida para el cajn doble 3x2Las memorias de clculo y planos con detalles constructivos se encuentran en los anexos al presente informe.Alcantarillas Circulares De Hormign ArmadoLa mayor parte del drenaje transversal del proyecto estar constituido de Se ha alcantarillas circulares de hormign armado de 1 metro de dimetro del tipo ASTM C76. Se eligi dicho material debido a sus propiedades adecuadas para su utilizacin en la zona del proyecto, como durabilidad y rresistencia mecnica. Las dimensiones de la tubera son las siguientes:Dimetro interior (mm)Dimetro exterior (mm)Longitud til (mm)Espesorde pared (mm)Desviacin de la lnea recta (mm/m)Diferencia entre generatrices opuestas (mm)

1000 ( 8)12182.000 (13)109 ( 8) 3,5 12

Figura N 6 Dimensiones de tubos de 1 m de dimetro

El procedimiento para el clculo de tubos de drenaje es el siguiente:1. Determinacin de las cargas sobre el tubo carga de relleno, carga producida por el trfico, cargas puntuales, cargas uniformemente distribuidas en superficie, carga producida por compactadores.1. Obtencin del factor de apoyo mnimo recomendado, segn las condiciones de instalacin.1. Determinacin de la clase de tubo existente segn las condiciones actuantes y las condiciones de instalacin.El procedimiento es aplicable en la instalacin de tubos de dimetro en [mm] desde 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800, 2000, 2500, 3000.El tipo de instalacin considerado corresponde a zanja terraplenada, debido a que la zanja se rellena con terrapln.Para el clculo de las cargas verticales que producen los rellenos, se utiliza la teora propuesta por Marston, vlida en principio para instalaciones en zanja, pero que fue ampliada por Schilk y Spangler posteriormente. Estas teoras consideran la compactacin del terreno lateral, el peso del relleno y las fuerzas de rozamiento que se originan en el mismo y que producen aumento o disminucin del peso del relleno que gravita directamente sobre el tubo, en funcin del tipo de instalacin.En este tipo de instalacin, el relleno y el apoyo sufren un asentamiento relativo frente al terreno original, y se producen unas fuerzas de rozamiento que originan un aligeramiento del peso del relleno sobre la tubera.El prisma central, que est limitado por los planos que contienen las paredes de la zanja, es de mayor altura que los prismas exteriores y, por tanto, estos prismas asientan menos que el prisma central, y se producen unas fuerzas de rozamiento sobre este ltimo, que originan un aligeramiento del peso del relleno sobre la tubera.Al aumentar la altura del relleno, disminuye la diferencia de asentamiento que se hace nula en el llamado plano de igual asentamiento.La razn de proyeccin es en este caso:

En que hr'' es la altura de la zanja sobre el plano de clave (que a efectos de clculo consideramos positiva), y b la anchura de la zanja al nivel de este plano.En estas condiciones, la altura del prisma central, medida sobre el plano de clave, es superior a la altura de los prismas exteriores medida sobre la base del terrapln. El prisma central experimentar mayor asiento que los exteriores, y las fuerzas de rozamiento (que se oponen a este movimiento) irn dirigidas hacia arriba, aligerando la carga sobre la conduccin.El sentido del deslizamiento es opuesto, con lo que su signo debera ser ahora negativo. No obstante, conviene considerar su valor como positivo, puesto que en los clculos las razones de proyeccin y de asentamiento intervienen con su valor absoluto. Sin embargo en la prctica se acostumbra a tomar como razn de asentamiento un valor dependiente del de la razn de proyeccin.El material de relleno se pueden clasificar en uno de los siguientes cinco tipos:Caractersticas y tipos de rellenoClase de Relleno r [KN/m3]

Arcilla Plstica0.11021.0

Arcilla ordinaria0.13019.2

Arena arcillosa0.15019.2

Arenas y Gravas0.16517.6

Mat. Granular sin cohesin0.19219.0

Donde:r = Peso especfico del terreno, en [kN/m3] = tg2 (45 - /2) es el Coeficiente de Rankine. = Angulo de Rozamiento interno del relleno; = tg es el Coeficiente de Rozamiento del relleno. '= tg ' es el Coeficiente de Rozamiento del relleno contra los paramentos de la zanja, en que ' es el correspondiente Angulo de Rozamiento.

Carga producida por el relleno:El efecto favorable del rozamiento negativo tanto en zanja como en zanja terraplenada, disminuye a medida que aumenta la anchura de la zanja, lo que obliga a calcular tambin el peso del relleno como si la tubera estuviera colocada en terrapln con h= 1 y considerar como real el menor de ambos, ya que la carga para el caso de tubera colocada en terrapln es la mayor que se puede producir para una altura de relleno determinada. Por lo expuesto podemos determinar que la carga producida por el relleno se obtiene de:

; en [kN/m] con hr y b en metros.El valor Czt se obtiene por:Para hr ho

;El valor de ho, altura del plano de igual asentamiento, se obtiene, en metros, resolviendo la ecuacin:

;Dnde:

= Es la razn de asentamiento que se suele tomar en la prctica, un valor dependiente de la razn de proyeccin. Se obtiene por interpolacin a partir de la tabla siguiente:'

0.5-0.1

1.0-0.3

1.5-0.5

2.0-1.0

= Es la razn de proyeccin en zanja terraplenada.

;Carga producida por el trfico vehicular:Generalmente se consideran tres tipos de vehculos:1. Vehculo Tipo I. Eje simple de 70 [kN] o 7[t].1. Vehculo Tipo II. Eje simple de 130 [kN] o 13[t].1. Vehculo Tipo III.Carro de tres ejes de 600 [kN] o 60 [t].Los valores de las cargas en [kN/m] producidas sobre el tubo se obtienen de las siguientes frmulas, siendo hr la profundidad en metros del plano de clave, De el dimetro exterior en metros de la conduccin y Le = 0,20 + 1.4hr + 1.05 De, la longitud eficaz de tubera sobre la que se aplica la carga, en metros.Para el proyecto se determin la utilizacin del vehculo tipo II, entonces se aplican las siguientes frmulas segn los valores de hr, De, y con t=1.4hr + 0.60 y con s=1.4 (hr-1.00)En el caso de que hr >= 1.0 [m]

; Si De s;

; Si De < s;En el caso de que hr