Bases y Criterios Diseo Yamanunka02

MEMORIA DE CLCULO DE LA ESTRUCTURA DE CRUCE DE AGUA PARA TUBERA DE 200MM, LONGITUD 45M

Tabla de Contenidos

1ALCANCE22OBJETIVO23CONSIDERACIONES GENERALES, CARGAS BSICAS Y COMBINACIONES24MATERIALES, NORMAS Y CDIGOS EMPLEADOS55ANLISIS ESTRUCTURAL5

1 ALCANCEEl presente documento est realizado para disear los elementos correspondientes a la estructura para un cruce de tubera de alcantarillado de 200mm, incluyendo la cimentacin, de acuerdo a las especificaciones tcnicas y recomendaciones descritas en la Norma Ecuatoriana de la Construccin NEC-15.2 OBJETIVOEl objetivo del presente informe es describir los criterios de diseo y los clculos realizados para el diseo estructural de un cruce de tubera de alcantarillado de 200mm.3 CONSIDERACIONES GENERALES, CARGAS BSICAS Y COMBINACIONESDe acuerdo a la naturaleza del presente proyecto, las caractersticas, usos e importancia de las estructuras a disearse y los cdigos de diseo y construccin aplicables se han tomado en cuenta las siguientes consideraciones:

a Las condiciones de borde de la estructura analizada corresponde a apoyos que estn de acuerdo con las superficies de contacto, los cuales deben soportar los empujes de la obra a implementar, bajo las diversas condiciones de carga y sus combinaciones, considerando las ms desfavorables. Para el presente caso la cimentacin se soportar sobre una capa de mejoramiento de 50cm, con un nivel de desplante de la cimentacin de -1.0 m, la capacidad admisible del suelo es de 5t/m2.

b La estructura se modela en tres dimensiones, considerando todas las caractersticas geomtricas y las acciones bajo las diferentes condiciones de funcionamiento, as como las consideraciones de sismo.

c Para la cimentacin y teniendo en cuenta el esfuerzo admisible del suelo se ha optado por zapatas combinadas para las dos columnas de acero que conforman cada una de las torres sobre las que se apoya el cable principal del cruce.

e. La estructura se analiz bajo las siguientes condiciones bsicas de carga:ESTADOS DE CARGAUNIDADES

Peso Propio de las estructurasP. PropioPeso volumtrico de los elementos de cimentacin, cables, perfiles y tuberas.[t/m3]

Carga MuertaDPeso de los elementos no estructurales (no modelados)[t/m2]

Carga VivaLrCarga viva contemplada por instalacin y mantenimiento[t/m]

Sismo Horizontal dir. XSismo XEspectro de diseo de acuerdo a NEC-150.3 g

Sismo Horizontal dir. ZSismo ZEspectro de diseo de acuerdo a NEC-15 0.3 g

Empuje Horizontal de VientoVientoViento sobre torres de menos de 10m de altura, obstruccion categoria A41.6m/s

Peso Propio (P. Propio)

El peso propio de las estructuras depende del material con el cual se construirn, para lo cual se determin el peso volumtrico en las unidades correspondientes utilizadas por el programa.

Carga Muerta (D)

Se considera una carga linealmente distribuida, aplicada directamente sobre la tubera principal de acero, este peso corresponde al peso de la tubera de pvc de 200mm llena de agua, esto equivale a una carga de 0.032T/m

Carga Viva (Lr o L)

Se considera una carga linealmente distribuida (L), aplicada directamente sobre la tubera principal de acero, este peso corresponde al peso de trabajadores que realicen la instalacin de la tubera o mantenimientos eventuales, ese peso equivale a 0.1T/m.

Cargas ssmicas (Sismo X y Sismo Z)

Para la determinacin de las cargas por sismo se realiz un anlisis modal espectral y la aplicacin de un espectro de diseo.

El espectro de diseo se estableci sobre la base del NEC (Cap. 2), considerando como carga reactiva la carga muerta de la estructura

Para ello es necesario establecer los valores Fa, Fd y Fs, en funcin al tipo de suelo (E) y el valor de aceleracin mxima Z correspondiente en esta caso a la Zona ssmica IV, Z = 0,30g (Fa=1.25, Fd=1.7, Fs=1.7).

De las alternativas de anlisis que el programa permite se escogi el anlisis modal y la combinacin de los modos de vibracin con el criterio estadstico de la Raz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados. Las direcciones de los sismos se establecieron de acuerdo con las coordenadas globales del modelo matemtico:

a) X, eje horizontalb) Z, eje horizontal, perpendicular a X

El espectro de diseo del numeral anterior se aplic independientemente para los sismos en direcciones horizontales X y Z.

Combinaciones de Carga

Segn la estructura analizada se realizaron las combinaciones de cargas bsicas necesarias a fin de determinar las condiciones de diseo ms crticas, de acuerdo a lo establecido en los cdigos de diseo.

Combinaciones de cargas mayoradas para diseo de elementos de hormign, segn la NEC-15 de Ecuador (Cap. 1).

COMB.DL LrWExEz

U11,40

U21,201.6 0.5

U31,201.0 1.6o (0.5)

U41,201.0 0.51,0

U51,201.0 0.01.0

U5B1,201.0 0.01.0

U60,901,0

U70,901.0

U7B0.901.0

Donde:

DCarga por peso Propio y Carga MuertaLCarga viva de entrepisoLrCarga viva de cubiertaWCarga de vientoExSismo en la direccin XEzSismo en la direccin Z

4 MATERIALES, NORMAS Y CDIGOS EMPLEADOSMateriales de diseo

Se utilizaron los siguientes materiales:

Hormign

Peso volumtrico W = 2,40 t/m3

Resistencia a la traccin 5 % del esfuerzo de compresin

Mdulo de elasticidad E = 181142 Kg./cm2

Coeficiente de Poisson = 0,2

Hormign para replantillos, resistencia cilndrica a los 28 dasfc = 140 Kg./cm2

Hormign estructural, resistencia cilndrica a los 28 dasfc = 210 Kg./cm2

Acero de Refuerzo

Esfuerzo de fluenciafy = 4 200 Kg./cm2

Mdulo de elasticidad E = 2 100 000 Kg./cm2

Coeficiente de Poisson = 0,3

Acero Estructural A36

Esfuerzo de fluenciafy = 2530 Kg./cm2

Mdulo de elasticidad E = 2 038 900Kg./cm2

Coeficiente de Poisson = 0,3

Acero Estructural A416Gr250 (Tensores)

Esfuerzo de fluenciafy = 15200 Kg./cm2

Mdulo de elasticidad E = 2 003 748Kg./cm2

Coeficiente de Poisson = 0

Acero Estructural A53GrB (Tuberia Principal)

Esfuerzo de fluenciafy = 2460 Kg./cm2

Mdulo de elasticidad E = 2 038 900Kg./cm2

Coeficiente de Poisson = 0.3

Manuales y cdigos

American Iron and Steel Institute 2001, AISC-ASD01

Norma Ecuatoriana de la Construccin NEC. Requisitos generales de diseo y requisitos mnimos de clculo para diseo sismo-resistente.

Uniform Building Code 2003.

Building Code Requirements for Reinforced Concrete, del American Concrete Institute (ACI-318-08).

5 ANLISIS ESTRUCTURALPara el anlisis de la estructura se utiliz el software SAP2000 V14, de la firma Computer and estructures, siguiendo el siguiente procedimiento:

Se definen la parrilla base de la estructura teniendo en cuenta ubicacin del tablero, torres y cables.

Se define los materiales a utilizar, en este caso acero A36, A416Gr250 y A56GrB A36 A416Gr250 A56GrB

Se definen todas las secciones que se utilizaran en el modelo, tanto para las torres como para los cables

SECCIONES UTILIZADAS

Se genera la geometra del Cable para lo cual primero se debe obtener la ecuacin y posteriormente ingresarla en el programa Excel.Aplicando el teorema general del cable.

Despejando las ecuaciones.

Adems vamos a definir el rea del cable con un peso de 200kg/cm2 usando la ecuacin 2.

Usando un esfuerzo de rotura de 15000Kg/cm2 y un factor de seguridad de 3

Utilizando una relacin de vacios del cable de 60%A=6.058 cm2

=2.77cm=1 1/2

Ahora se procede a definir la geometra del cable en Excel y posteriormente se copia a SAP2000.

Ademas se colocaran las pendolas las que utilizaran un diametro de cable de 3/8, dando como resultado la siguiente geometria en SAP2000:

Se procede a dibujar el resto de la estructura, es decir se colocara la tubera de acero de 10, por la cual ingresara la tubera de PVC de 200mm, adems se modela las torres que utilizaran tubera de 5, tambin se colocaran unos anclajes laterales para proporcionar rigidez transversal a la tubera ante el empuje de viento.

Estructura Completa.

Una vez completa la estructura se proceden a aplicar las cargas, sean vivas, muertas, ssmicas y de viento.La carga de viento se define como se muestra a continuacin y posteriormente se aplica como una carga distribuida en los cables y la tubera, una vez realizado el anlisis se comprobara la correcta aplicacin de la carga de viento mediante las reacciones en la base de las torres que debe ser igual a las 6.64 Tn calculadas a continuacin.

En cuanto a la carga ssmica este modelo se comprobara con el mtodo esttico y con el espectro de aceleracin descrito en el NEC 15, a continuacin se presenta el clculo del corte basal.

Calculo del Espectro de AceleracinZ=0.3Puyo

Suelo tipo D

Fa=1.25

Fd=1.7

Fs=1.7

r=1.5E

Tc=1.2716

Tl=4.08

=2.6Provincias del oriente

CALCULO CORTE BASAL

I=1.3

R=3

p=1

e=1

hn=11m

Ct=0.073

=0.75

T=0.44092769

Sa=0.975

V=0.4225*W

Con estos datos se definen los estados de carga estticos de la estructura. Estados de Carga Definicin Sismo en X con Excentricidad Positiva V=0.4225*W estructura

Con los datos de partida listos, se asigna cargas, a continuacin se muestran las cargas aplicadas sobre la tubera de 10.

Una vez concluido el procedimiento se revisa si existen errores o inconsistencias en los datos cargados, para luego proceder a correr el modelo creado.

Se verifican condiciones de esfuerzos axiales, corte y flexin, de acuerdo al comportamiento esperado de cada elemento, as como otros parmetros requeridos como deflexiones, desplazamientos, modos y perodos de vibracin, adems se verifica que se est aplicando completamente el corte basal del modo esttico y con el espectro, de acuerdo al clculo del peso de la estructura el corte debera ser.

Wm=5.34Tn

Wv=1.0525Tn

Wt=6.3925Tn

V=2.70083125Tn

Corte Basal EstructuraDel resultado del anlisis se obtiene:

Como se observa, el sismo se est aplicando de acuerdo a la norma NEC-15, de igual manera la carga de viento se est aplicando de forma correcta.

Es de mucha importancia que el cruce bajo carga muerta, es decir peso propio mas la tubera con agua permanezca horizontal, para evitar que el agua se acumule en el centro del cruce, para esto es necesario darle una contraflecha o camber al cruce, para lo cual se verifica la deformacin en el centro de la luz bajo carga muerta.

Deformada bajo carga muerta

Como se observa la deformacin es de -4cm, dicho valor ser la contra flecha del cruce, para que en el modelo se corrija dicha deformacin se aplicara una deformacin por temperatura en el cable de -22 grados, como se observa a continuacin con esta disminucin de la longitud del cable debida a temperatura se obtiene una deformacin de 0.19cm.

Deformada bajo carga muerta con contra flecha.

Ahora se procede a realizar el diseo de los perfiles, como se nota a continuacin con las dimensiones indicadas anteriormente, mismas que han sido trasladadas a los planos estructurales, no se sobrepasa la capacidad de las secciones.

DISEO EN ACERO AISC-ASD01

Se verifica que la tensin en el cable este prxima a la calculada manualmente de 12.12Tn.

La tensin es de 17.15Tn, por lo que la seccin de cable utilizada es correcta.

Con los datos del anlisis se procede a realizar los clculos de los anclajes y la cimentacin del cruce.

La cimentacin de las torres como se menciono anteriormente ser una zapata combinada, a continuacin se detalla el clculo, como se observa en el clculo, la zapata estar trabajando bajo un esfuerzo de 4.2 Tn/m2, inferior a los 5t/m2 admisibles del suelo, y los armados obtenidos que son 1 varilla de 16 cada 20cm en ambas direcciones tanto inferior como superior obtenidos del calculo han sido trasladados a los planos estructurales.

ANEXOS

Ing. Andrs HerreraCalculo y Diseo Estructural.SESESCYT:1001-13-1255745L.M:8379

La informacin del presente documento es propiedad del Ministerio de Educacin del Ecuador y no deber ser usada para otros propsitos distintos a los especificados.

Cruce de Alcantarillado de 45m.

DEFORMADAS DEL CRUCE BAJO, CARGA VIVA MAS MUERTA, BAJO VIENTO, SISMO EN X Y SISMO EN Y.

DISEO DE LOS TUBOS DE LAS TORRES.

DISEO DE LAS TUBERA PRINCIPAL DEL CRUCE.

FUERZAS EN LOS ANCLAJES BAJO CV+CM Y VIENTO.