MEMRIA TCNICA

1Memoria Tcnica Puente-Canal CSSLI 1+125

1Introduccin32Generalidades43Unidades54Clculos Hidrulicos65Resumen de cargas86Normatividad empleada97Anlisis geotcnico107.1Modelo geotcnico107.2Diseo de las cimentaciones127.2.1Estado lmite de falla (Capacidad de carga)127.2.2Estado lmite de servicio (Asentamientos)158Anlisis estructural159Conclusiones1910Referencias bibliogrficas19

1. Introduccin

Se realizar la construccin de varios puentes canal en la zona de riego de la Ciudad de Baja California, como parte de un programa de infraestructura en el Estado. Debido a la naturaleza de este tipo de puentes se tiene que realizar el diseo integral de cada puente requerido, es de decir se deber ejecutar el diseo hidrulico, geotcnico y estructural. Una vez obtenido el dimensionamiento necesario por funcionamiento hidrulico, se deber obtener dimensiones de la cimentacin y de la estructura del puente. Debido a todo lo anterior se realiza la presente memoria de clculo, para el Puente-Canal Km 1+667 del Canal Ramal 1+125 (ver figura 1.1).

Figura 1.1 Ubicacin del puente-canal km 4+200 de CSL. 10+300

1. Generalidades

El puente canal, como todas las estructuras de cruce, se construye con un material al que se le pueda dar un mejor acabado, que en el canal, con objeto de que este admita velocidades mayores en el agua, por ser ms resistente a la erosin. Por lo tanto en beneficio de la economa de la obra, al puente-canal se le dar una seccin hidrulica ms pequea que la del canal.Como la estructura trabaja como canal, de acuerdo con su seccin, pendiente y rugosidad, su funcionamiento hidrulico puede estudiarse con la frmula de Manning.

dnde:Q - Gasto, en m3/s.A - rea hidrulica, en m2.R - Radio hidrulico, en m.S - Pendiente de la conduccin.n - Coeficiente de rugosidad de Manning.

El puente-canal se calcula para gasto y condiciones normales de trabajo. La seccin resultante debe de tener un bordo libre apropiado, para permitir cierta fluctuacin en el gasto. Si el claro es corto su funcionamiento estar regido por la posicin y condiciones de las transiciones de entrada y salida.El en puente-canal se tendr como prdida de carga la diferencia de niveles entre la superficie libre del agua entre el principio y el final de la estructura ser igual al que haya entre las plantillas de las mismas secciones si trabaja como canal en rgimen tranquilo y si no influye ningn otro factor. A esta prdida hay que sumarle las originadas en las transiciones de entrada y de salida.En caso de que haya peligro de azolves en la estructura, se puede colocar un desarenador a la entrada de la misma o bien darle mayor velocidad al agua.Una vez definido el funcionamiento hidrulico y por consiguiente de las dimensiones que deben tener sus partes, se proceder con el clculo estructural.El puente-canal puede ser de un solo claro cuando de un modo econmico se pueda salvar el espacio de la depresin con l, pero si el espacio es grande, tendrn que construirse varios tramos.En cada caso se harn las alternativas que se crean convenientes para escoger las longitudes correctas, el nmero de tramos y las posiciones de los apoyos.Los apoyos extremos pueden ser estribos o caballetes y los intermedios pilas o caballetes.Tales apoyos sern calculados como los caminos o ferrocarriles, para que soporten todos los esfuerzos que le transmita la superestructura y las cargas que reciba directamente, y sern desplantados sobre material firme y protegidos contra posibles asentamientos, deslaves, socavaciones, etc.Conviene primero estudiar la superestructura, para que definidas las cargas que transmite a la subestructura se proceda a calcular sta.En la superestructura se distinguen dos formas de trabajo: el primero es de formar una cubeta impermeable de un canal por donde escurre el agua.El segundo es en sentido longitudinal, para lograr que todo el tramo, cargado con agua y todas las cargas que deba soportar, trabaje como viga o como puente apoyado en sus extremos.

1. Unidades

Las unidades utilizadas para todos los anlisis y diseos son las del Sistema Internacional y el MKS (Metro, Kilogramo, Segundo).

1. Clculos Hidrulicos

El puente-canal se calcula para gasto y condiciones normales de trabajo, la seccin resultante debe de tener un libre bordo apropiado para permitir cierta fluctuacin en el gasto, aunado a esto y en beneficio de la economa de la obra, al puente-canal se le dar una seccin hidrulica mas pequea que la del canal.Datos hidrulicos del canal:Gasto: Q= 0.432 m3/sPlantilla: b= 0.80 mTirante: d= 0.70 mBordo libre: bl=0.25 mPendiente: s= 0.0001Rugosidad: n= 0.016Talud: t= 1.5Resultados en Puente-Canal (ver Anexo):Ancho de plantilla B= 1.10 mTirante Yp= 0.70 mBordo libre LBp= 0.30 mH= 1.20 mT= 1.40 mLong. de transicin Lt= 2.50 mVelocidad v= 0.81 m/sSe propone la siguiente estructura del puente-canal, ver Figura 4.1 Seccin de Puente-Canal.

Figura 4.1 Seccin de proyecto de Puente-Canal.

Resumen de cargas

Mediante la seccin del cruce que abarcar el puente-canal, se propusieron los apoyos intermedios con claros que no sean excesivos.Se plante una estructuracin mediante dos estribos en los extremos y cuatro columnas centrales con claros de aproximadamente 10 m, como se muestra en la figura 2.1. Cmo producto del anlisis y el diseo estructural se obtuvieron las siguientes distribuciones de cargas como se muestra en la Figura 5.1:

Figura 5.1 Estructuracin del puente canal

Los datos a considerar para la bajada de cargas fueron obtenidas calculando el peso propio del puente con el peso del agua, y aplicando un factor de seguridad de 1.4 para cargas vivas y el peso propio de los apoyos, que en primer instancia se desconoce el nivel de desplante de los apoyos, ver tabla 5.1.

Tabla 5.1 Resumen de cargas en los apoyos del puenteCARGA AXIAL EN PILATON

E114

P134

P232

E212

4 Normatividad empleada

Estn de acuerdo a los criterios de la normativa para la infraestructura del transporte (Normativa SCT), libro de proyecto; tema, carretera; parte, proyecto de puentes y estructuras; ttulo, proyectos nuevos de puentes y estructuras similares.Cargas aplicables a los puentes estn de acuerdo a la N-PRY-6-01-003/01:Las cargas de viento y sismo, estn de acuerdo a las N-PRY-6-01-004/01 y N-PRY-6-01-005/01.Las estructuras de concreto reforzado se disean y construyen de acuerdo a las Normas Tcnicas Complementarias para el Diseo y Construccin de Estructuras de Concreto del RCDF. Gaceta Oficial del Distrito Federal. 6 de Octubre, 2004 o con el mtodo de resistencia ltima estipulado en la ltima revisin del reglamento ACI-318 del American Concrete Institute.Calidad de los materiales.Concreto estructural en cimentacin (estribos y apoyos intermedios): fc=30 MPa= 300 kg/cm.Concreto en losas, muros, transiciones: fc=25 MPa= 250 kg/cm.Plantilla de concreto fc=10 MPa= 100 kg/cm.Acero de refuerzo de los tamaos 2.5 al 12 de acero normal y corrugado A-615 grado 60 (ASTM) con Fy=415 MPa= 4200 kg/cm.Las unidades utilizadas en la presente memoria son en sistema internacional (SI) y (MKS).

Anlisis geotcnico

El anlisis geotcnico de las cimentaciones est basado en las cargas proporcionadas por el anlisis estructural del puente y en las caractersticas geotcnicas del terreno de cimentacin, el cual segn el estudio de exploracin y laboratorio muestra que la estructura se desplantar sobre suelos predominantemente arenosos potencialmente licuables, debido a que son arenas mal graduadas con poco contenido de finos (menos del 12%) y con nivel fretico cercano a la superficie. Sin embargo se emiten algunas recomendaciones de tipo general para realizar un tratamiento para mitigar este fenmeno.

Modelo geotcnico

De acuerdo a los resultados de la campaa de exploracin del sitio, la cual consisti en un sondeo del tipo S.P.T. (Prueba de penetracin Estndar) a 10 m de profundidad, se realiz el modelo geotcnico del sitio de estudio. Los parmetros mecnicos fueron obtenidos con correlaciones con el nmero de golpes, se obtuvo con la correlacin propuesta por Peck, Hanson y Thorbuck, (Whitman, 1994), ver tabla 7.1. Para este caso se consider una cohesin de cero debido a que el tipo de suelo encontrado se puede tratar como puramente friccionante debido a su poco contenido de finos. El peso volumtrico fue obtenido mediante valores tpicos de este tipo de suelos.

Tabla 7.1.1 Correlacin de la prueba SPT con el ngulo de friccin internaNCompacidadF

Golpes S.P.T.relativa(grados)

04Muy suelta2530

410Suelta2732

1030Media3035

3050Densa3540

> 50Muy densa3843

Se muestra a continuacin (Ver tabla 7.1.2.) las unidades geotcnicas del sitio de estudio, las cuales fueron determinadas de acuerdo a los resultados de la exploracin, la secuencia estratigrfica est formada por un estrato de suelos fino el cual corresponde al espesor del bordo de material tipo tepetate y debajo de este se encuentran depsitos de arena de compacidad suelta a media de los 4.8 m a los 10 m de profundidad con un rango de nmero de golpes de 12 a 18, el nivel fretico se encuentra aproximadamente a los 3m de profundidad.

Tabla 7.1.2 Secuencia estratigrfica del sitio de estudio

A continuacin se muestra el modelo geotcnico que se utiliz para el diseo geotcnico de las cimentaciones (ver figura 7.1.3).Tabla 4.1.3 Propiedades mecnicas del suelo en el sitio de estudio

Diseo de las cimentaciones

Las profundidades de desplante se muestran a continuacin, en la figura 7.2.1. Aqu se observa cmo estn planteados estribos en los extremos mediante zapatas y pilas de cimentacin coladas en sitio que hacia arriba se convierten en columnas, como apoyos centrales.

Figura 7.2.1 Tipo de sistema de cimentacin empleado en el puente Canal

Estado lmite de falla (Capacidad de carga)

Zapatas (estribos)Para el anlisis de la capacidad de carga de las cimentaciones se realiz una subdivisin, ya que primero se calculo la capacidad de carga de los estribos con la teora de Meyerhoff, pero adems se realizaron las revisiones como muro debido a que los estribos tambin funcionan como elemento de retencin de tierras, debido a que stos contendrn el terrapln de acceso del puente canal. De lo anterior se tiene que se tuvo que efectuar las siguientes revisiones para estos elementos: Volteo Deslizamiento Capacidad de cargaLa estructura bsica del estribo es una zapata con 2.0 m de ancho y 1.5 m de largo con un espesor de la contratrabe de 0.4 m y 0.3m de peralte de la losa de la zapata. Esto se muestra a continuacin:

Figura 7.2.1.1 Zapata estribo como apoyo extremoPara el anlisis se muestran los datos de entrada utilizados los cuales estn en funcin de la estratigrafa utilizada y de las propiedades del relleno, tomando en cuenta que sera del tipo tepetate:

Figura 7.2.1.2 Fuerzas y elementos bsicos para el anlisis del estribo como muro (Das, 2004)

Para el anlisis se tienen los siguientes datos de entrada:Datos:

q =15.0 KN/m2

D =2.00 mF1 =5.00

H1 =0.000 mF2 =1.00

H2 =2.20 mc1 =50.0 KN/m2

H3 = 0.25 mg1 =16.00 kN/m3

a =0.00g2 =15.00 kN/m3

B1 =0.80 mgc =24.00 kN/m3

B2 =0.40 mc2 =29.0 KN/m2

B3 =0.80 m

B = 2.00 m

Cor =0.40 m

Con estos datos se efectuaron los anlisis y se obtuvieron los siguientes factores de seguridad. Como anexo al final del presente documento se presentan la memoria de clculo completa.Tabla 7.2.1.1 Factores de seguridad de las revisiones de estabilidad del estriboFactores de seguridad (Revisiones)

VolteoDeslizamientoCapacidad de carga

2.04.13.2

Apoyos centrales (pilas)Para el anlisis y diseo de la pila de cimentacin se utilizaron las teoras de Meyerhoff y Zevaeert, y se utiliz un factor de seguridad de 3, para los dos clculos.Al realizar el anlisis de los apoyos centrales se tiene que la profundidad a la cual se obtuvo la capacidad de carga admisible con un factor de seguridad de 3.2, fue a 2m de profundidad, a partir del nivel ms bajo de terreno natural, es decir los elementos estructurales debern quedar desplantados a 2 metros y tendrn una columna rectangular de 0.5m x 1.0 m. A continuacin se muestran los resultados del anlisis. Al final del presente documento se muestran la memoria de clculo completa.

Tabla 7.2.1.2 Valores de capacidad de carga en apoyos extremos (estribos)Capacidad de carga admisible(t/m2)

MeyerhoffTerzaghiPresin de contacto

11.177.53.2

Tabla 7.2.1.3 Valores de capacidad de carga en apoyos centralesCapacidad de carga admisible(t/m2)

MeyerhoffTerzaghiPresin de contacto

30.7336.639.8

Estado lmite de servicio (Asentamientos)

Se realizo el anlisis de asentamientos inmediatos (en los apoyos centrales), para evaluar el orden de magnitud de stos y saber si sern de consideracin, sin embargo el anlisis muestra que las deformaciones inmediatas no sern importantes, sin embargo es recomendable medir los asentamientos con cierta regularidad mediante nivelaciones con referencias de nivel superficial. Los asentamientos se evaluaron con la teora de Stenbrainner (1934), resultando los siguientes resultados.Tabla 7.2.2.1 Asentamientos en zona de estribosAsentamientos (cm)

Stenbrainner

EsquinaCentro

0.100.2

Anlisis estructural

Se elaborar considerando los siguientes aspectos:Tipo de material. Se seleccionar el tipo de material de la estructura, tomando en cuenta las caractersticas del entorno ambiental a fin de incluir medidas que mitiguen los daos ambientales, faciliten las tareas de conservacin y alarguen la vida de la estructura.Predimensionamiento. Una vez seleccionado el material de la estructura, se definirn las dimensiones preliminares de la estructura y cada uno de sus elementos, para este caso no se toman en cuenta condiciones de carcter esttico ni mejoras en el aspecto arquitectnico.Cargas. Para las estructuras predimensionadas, se inferirn las cargas a que estarn sujetas, considerando lo indicado en la Norma N-PRY-CAR-6-01-003, Cargas y Acciones.Diseo simplificado. Con las cargas inferidas, se realizar el diseo simplificado de las estructuras predimensionadas, deduciendo las deformaciones y los elementos mecnicos internos de cada elemento, determinando las caractersticas de resistencia de los materiales que se van a emplear y ajustando, en su caso, las dimensiones preliminares de la estructura y de sus elementos.El anlisis de las estructuras por proyectar, as como de las obras secundarias que lo requieran, cuyo propsito es determinar los elementos mecnicos internos y las deformaciones que experimentar cada parte, se ejecutarn asumiendo que stas tienen un comportamiento elstico, aun cuando el diseo se realice por factores de carga, considerando la plastificacin de las secciones crticas.

Los armados quedaron como sigue:

Figura 8.1.1 Resultado del armado estructural del Puente-Canal (ver anexo)

Figura 8.1.2 Armado estructural de la zapata (estribos), ver anexo.

Figura 8.1.3 Armado estructural de zapatas de los apoyos intermedios (Ver anexo).

Figura 8.1.4 Armado estructural de los apoyos intermedios (Ver anexo).

En el anexo del presente documento se muestra la memoria de clculo del diseo estructural.

Conclusiones

Se decidi desplantar las zapatas que forman los estribos sobre el material formado por los bordos ya que no es necesario bajar las zapatas hasta la arena con el fin de minimizar costos de construccin, de esta manera el suelo de cimentacin es un arena limosa mezclado con un limo de baja plasticidad al cual se le conoce como tepetate, al ser ste un material de banco presenta la ventaja que es un suelo de baja plasticidad.

Referencias bibliogrficas. Libro Demeneghi, Agustn (2004). Anlisis y diseo de cimentaciones superficiales. Mxico: Apuntes de la Facultad de Ingeniera. Das, Braja, (2004). Principios de Ingeniera de cimentaciones. Gobierno del Distrito Federal (2004).Normas Tcnicas Complementarias del Distrito Federal.Mxico.

ANEXO

Sondeos en la zona de estudio

Memoria de clculo de seccin de puente-canal

Memoria de clculo de cimentaciones (Zapatas)

Capacidad de carga de los estribosMeyerhoff

Terzaghi

Diseo estructural de columnas sobre zapatas para apoyos centrales

Capacidad de carga de las pilasMeyerhoff

Tabla auxiliar de esfuerzos en la masa de suelo

Zevaeert

Tabla auxiliar de esfuerzos en la masa de suelo

2