titulacion obras de arte alcantarillas

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DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 1 DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE EN CARRETERAS Por: MC ING. ARTURO RODRGUEZ SERQUN DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 2 ALCANTARILLAS ALCANTARILLAS ALCANTARILLAS ALCANTARILLAS Efectuar el diseo de la alcantarilla mostrada. El peso del material de relleno sobre la alcantarilla es 2000kg/m, ngulo de friccin interna =21.5 . CARGAS CARGAS CARGAS CARGAS SOBRE LA ALCANTARILLA SOBRE LA ALCANTARILLA SOBRE LA ALCANTARILLA SOBRE LA ALCANTARILLA (en fajas de 1m. de ancho) 1) 1) 1) 1) Presin Vertical del Terreno Presin Vertical del Terreno Presin Vertical del Terreno Presin Vertical del Terreno Se calcula previamente el factor Fe para tener en cuenta la interaccin suelo-estructura: 15 . 1BH20 . 0 1 Fce ((

+ = (12.11.2.2.1-2, AASHTO LRFD y 12.11.2.2.1, AASHTO LRFD) 15 . 1 106 . 1m 40 . 3m 80 . 120 . 0 1 Fe < =((

+ = donde: Fe = factor de interaccin suelo-estructura para elementos enterrados H = profundidad del relleno (m) =1.80m Bc = ancho exterior de la alcantarilla (m) = 3.40m Presin del terreno en la parte superior de la alcantarilla: H . . F EVe = (12.11.2.2.1-1, AASHTO LRFD) 2 3m / kg 982 , 3 ) m 80 . 1 )( m / kg 000 , 2 ( 106 . 1 EV = = DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 3 Asumiendo que la losa de fondo es rgida comparada a la sub-base, las reacciones del suelo a las cargas verticales aplicadas a la alcantarilla se consideran uniformemente distribuidas en el fondo de la losa. 2) 2) 2) 2) Presin horizontal del terreno (EH) Presin horizontal del terreno (EH) Presin horizontal del terreno (EH) Presin horizontal del terreno (EH) El coeficiente de empuje lateral activo (teora de Rankine) para un ngulo de friccin interna del terreno =21.5, es: 464 . 0 )245 ( tg k2a = = Presin lateral del terreno en la parte superior de la alcantarilla: 2 31 a 1m / kg 670 , 1 ) m 80 . 1 )( m / kg 000 , 2 ( 464 . 0 H . . k EH = = = Presin lateral del terreno en la parte inferior de la alcantarilla: 2 32 a 2m / kg 918 , 4 ) m 30 . 5 )( m / kg 000 , 2 ( 464 . 0 H . . k EH = = = DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 4 3) 3) 3) 3) Carga de Agua (WA) Carga de Agua (WA) Carga de Agua (WA) Carga de Agua (WA) (3.7.1, AASHTO LRFD) En este caso necesitamos considerar dos casos de carga: alcantarilla colmada de agua y alcantarilla vaca. Al interior de la alcantarilla, cuando la alcantarilla est colmada, en la parte superior la presin del agua es cero. En el fondo de la alcantarilla, la presin del agua: WA=h=(1,000kg/m)(3.0m) =3,000 kg/m La zona del suelo en la parte inferior de la alcantarilla reacciona con una presin semejante. 4) Carga Viva (LL) Carga Viva (LL) Carga Viva (LL) Carga Viva (LL) (3.6.1.3.3, AASHTO LRFD) El factor de carga dinmica (IM) para el caso de elementos enterrados es: [ ] 0 ) D ( 41 . 0 1 33 IME = (3.6.2.2-1, AASHTO LRFD) [ ] % 65 . 8 ) 80 . 1 ( 41 . 0 1 33 IM = = Siendo DE=1.80m, la profundidad del relleno sobre la alcantarilla. Para el caso de fatiga se tiene: [ ] % 93 . 3 ) 80 . 1 ( 41 . 0 1 15 IM = = (Tabla 3.6.2.1-1, AASHTO LRFD) DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 5 Distribucin de la carga viva: 4.1) Carga de camin HL 4.1) Carga de camin HL 4.1) Carga de camin HL 4.1) Carga de camin HL- -- -93 (una va cargada): 93 (una va cargada): 93 (una va cargada): 93 (una va cargada): El Art. 3.6.1.2.5 AASHTO-LRFD refiere que el rea de contacto de una rueda se asume como un rectngulo simple de ancho 0.51m y longitud 0.25m. El Art. 3.6.1.2.6 AASHTO-LRFD indica que si la profundidad del relleno es menor que 0.60m, se puede desprecia el efecto del relleno sobre la distribucin de la sobrecarga. Si la profundidad del relleno es mayor que 0.60m, se puede considerar que las cargas de las ruedas estn uniformemente distribuidas en un rea rectangular cuyos lados son iguales a la dimensin del rea de contacto de los neumticos, ms 1.15 veces la profundidad del relleno en el caso de rellenos granulares seleccionados, o la profundidad del relleno en todos los dems casos. Si las reas de varias ruedas se superponen, la carga total se deber distribuir uniformemente en el rea. Para las alcantarillas de un solo tramo los efectos de la sobrecarga se pueden despreciar si la profundidad del relleno es mayor que 2.4m y mayor que la longitud del tramo; para las alcantarillas de mltiples tramos estos efectos se pueden despreciar si la profundidad del relleno es mayor que la distancia entre las caras de los muros extremos. En este caso, con la consideracin del factor de presencia mltiple m=1.2 (Tabla 3.6.1.1.2-1, AASHTO LRFD), se tiene: 2ejeLLm / kg 748 , 1m 32 . 2 mx 38 . 4) 2 . 1 ( T 8 . 14luencia inf de rea) m ( Pw = = = La reaccin en el terreno ser: 22m / kg 193 , 1m 40 . 3m 32 . 2 x m / kg 748 , 1w = = DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 6 4. 4. 4. 4.2 22 2) Carga de camin HL ) Carga de camin HL ) Carga de camin HL ) Carga de camin HL- -- -93 ( 93 ( 93 ( 93 (dos dos dos dos va va va vas ss s cargada cargada cargada cargadas ss s): ): ): ): En este caso, con la consideracin del factor de presencia mltiple m=1.0 (Tabla 3.6.1.1.2-1, AASHTO LRFD), se tiene: 2ejeLLm / kg 729 , 1m 32 . 2 mx 38 . 7) 0 . 1 ( T 8 . 14 x 2luencia inf de rea) m ( P 2w = = = La reaccin en el terreno ser: 22m / kg 180 , 1m 40 . 3m 32 . 2 x m / kg 729 , 1w = = 4. 4. 4. 4.3 33 3) Carga de va: ) Carga de va: ) Carga de va: ) Carga de va: 22vaLLm / kg 227m 07 . 5) 2 . 1 )( m 00 . 3 ( m / kg 320luencia inf de Anchom . ancho . ww = = = DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 7 4. 4. 4. 4.4 44 4) Ca ) Ca ) Ca ) Carga de rga de rga de rga de Tandem (una va cargada) Tandem (una va cargada) Tandem (una va cargada) Tandem (una va cargada): :: : 2ejeLLm / kg 743 , 1m 52 . 3 mx 38 . 4) 2 . 1 ( T 4 . 22luencia inf de rea) m ( Pw = = = 4. 4. 4. 4.5 55 5) Carga de ) Carga de ) Carga de ) Carga de Tandem (dos vas cargadas) Tandem (dos vas cargadas) Tandem (dos vas cargadas) Tandem (dos vas cargadas): :: : 2ejeLLm / kg 725 , 1m 52 . 3 mx 38 . 7) 0 . 1 ( T 8 . 44luencia inf de rea) m ( P 2w = = = 5) DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 8 Como se aprecia la carga de tndem (una va cargada) es mayor que el caso del camin de diseo por lo que la usaremos afectado del factor de carga dinmica (IM) junto a la carga de va para el diseo por Resistencia y Carga de Servicio: Para el chequeo por fatiga se usa en una va slo un camin HL-93 con una separacin constante de 9.0 m entre los ejes de 14.8T (Art. 3.6.1.4.1). No se aplica el factor de presencia mltiple (Art. 3.6.1.1.2); se incluye IM=1.0393, tal como lo calculado. Para los estados lmites de Resistencia y Servicio, tres casos sern considerados: a) Carga vertical mxima sobre la losa superior de la alcantarilla y carga mxima saliente en las paredes: DCmx + EVmx + EHmn + (LL+IM)mx + WAmx b) Carga vertical mnima sobre la losa superior y carga mxima entrante en las paredes: DCmn + EVmn + EHmx c) Carga vertical mxima sobre la losa superior y carga mxima entrante en las paredes: DCmx + EVmx + EHmx + (LL+IM)mx DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 9 Las combinaciones de carga para el estado lmite de Resistencia I son: 1. U = 1.0[1.25DC+1.3EV+0.90EH+1.75(LL+IM)+1.0WA] 2. U = 1.0[0.9DC+0.9EV+1.50EH] 3. U = 1.0[1.25DC+1.3EV+1.50EH+1.75(LL+IM)] Las combinaciones de carga para el estado lmite de Servicio I son: 4. U = 1.0[DC+EV+EH+(LL+IM)+WA] 5. U = 1.0[DC+EV+EH] 6. U = 1.0[DC+EV+EH+(LL+IM)] La combinacin de carga para el estado lmite de Fatiga es: 7. U =0.75(LL+IM) ANLISIS ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLA ANLISIS ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLA ANLISIS ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLA ANLISIS ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLA Realizando el anlisis estructural usando el programa SAP2000 se obtienen las envolventes de Momento flector, Cortante y Carga Axial que se muestran: DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 10 DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE ARTE Ing. Arturo Rodrguez Serqun 11 0.25 mdzCLCULO DEL ACERO CLCULO DEL ACERO CLCULO DEL ACERO CLCULO DEL ACERO Losa superior Losa superior Losa superior Losa superior, acero positivo , acero positivo , acero positivo , acero positivo Utilizando la envolvente de momentos para el Estado Lmite de Resistencia I se tiene: (+) Mu = 9,054 kg-m = 9.05T-m Utilizando As= 13/[email protected] (As=18.93cm/m) y recubrimiento r= 4.0cm (Tabla 5.12.3-1) cm 95 . 42905 . 10 . 4 z = + = d= 25cm 4.95cm = 20.05cm cm 45 . 4100 x 210 x 85 . 04200 x 93 . 18b f 85 . 0f . Aa'cy s= = = 93 . 18 )245 . 405 . 20 ( x 200 , 4 x 9 . 0 A )2ad ( f 9 . 0 Ms y u = = m T 05 . 9 m T 75 . 12 Mu > = OK! As mximo (Art. 5.7.3.3.1) Una seccin no sobre reforzada cumple con: c /de 0.42 Como : c = a / 1 = 4.45 / 0.85 = 5.24 cm de = 20.05 cm c /de = 0.26 0.42 OK! As mnimo (Arts. 5.7.3.3.2 y