Diseño estructural comparativo entre los pases aéreos de acero y concreto armado para obras de Saneamiento
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(2) PRESENTACION. Señor Decano de la Facultad de Ingeniería Civil; Señor Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional San Agustín, Señores del jurado:. Como Bachilleres en Ingenieria Civil, y de conformidad con las disposiciones del reglamento de Grados y titulos Vigente a la fecha, presentamos la Tesis: “DISEÑO ESTRUCTURAL COMPARATIVO ENTRE LOS PASES AEREOS DE ACERO Y CONCRETO”, al jurado Dictaminador correspondiente, esperando se nos permita obtener el título Profesional en Ingeniera Civil.. Arequipa, Noviembre del 2016.. Bachilleres: Luis Angel, Perez De la Peña Dasaev Yrving, vergaray Saldarriaga. Página | 2.
(3) Contenido 1.. 2.. GENERALIDADES. 7. 1.1. RESUMEN. 7. 1.2. OBJETIVOS. 8. DEFINICIONES BASICAS. 10. 1.3. INTRODUCCION.. 10. 1.4. PASE AÉREO DE ACERO. 10. 1.1.1 DEFINICION. 10. 1.5. 12. TIPOS DE PASES AÉREOS DE ACERO. 1.5.1 PASE AÉREO DE ACERO TIPO RETICULADO. 12. 2.1.. PASE AÉREO DE ACERO TIPO ARCO. 14. 2.2.. PASE AÉREO DE ACERO TIPO ATIRANTADO. 14. 2.3.. PASE AÉREO DE ACERO TIPO COLGANTE. 15. 1.6. NORMAS APLICABLES PARA EL DISEÑO DE UN PASE AÉREO DE ACERO. 16. 1.7. METODOS DE DISEÑO PARA PASES AÉREOS DE ACERO. 16. 1.7.1 DISEÑO POR FUERZAS DE TRABAJO. 16. 1.8. DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. 17. 1.9. METODO AASHTO LRFD. 18. 1.10. METODO ASD. 18. 1.11. MATERIALES. 19. 1.12. ACERO ESTRUCTURAL. 19. 1.13. ELEMENTOS DE UN PASE AÉREO DE ACERO. 30. 1.14. SUPERESTRUCTURA. 31. 1.15. MIEMBROS PRIMARIOS.. 31. 2.8.1 Armadura. 31. 1.16. 32. SUB ESTRUCTURA. Página | 1.
(4) 1.17. APARATOS DE APOYO. 32. 1.18. Estribos. 37. 1.19. Pilas. 37. 1.20. Cimentación. 38. 1.21. Zapatas aisladas. 38. 1.22. Zapatas Combinadas. 39. 1.23. Zapatas en Voladizo o Ligadas. 39. 1.24. Cimentación en Pilotes. 40. 1.25. Losas de Cimentación. 40. 1.26. PASES AÉREO DE CONCRETO ARMADO. 41. 1.27. DEFINICION. 41. 1.28. TIPOS DE PASES AÉREOS DE CONCRETO. 41. 2.1.1 PASE AÉREO DE CONCRETO TIPO VIGA. 42. 1.29. MATERIALES. 45. 3.1.1 CABLES DE ACERO. 45. 4.1.1 Alambre.. 45. 5.1.1 Alambre de pretensado.. 45. 6.1.1 Torones de alambres paralelos.. 46. 7.1.1 Cable estructural.. 46. 8.1.1 Barra.. 46. 9.1.1 MÓDULO DE ELASTICIDAD. 47. 10.1.1. ELONGACIÓN O ESTIRAMIENTO. 49. 11.1.1. RESISTENCIA. 50. 12.1.1. RECUBRIMIENTO CONTRA LA CORROSIÓN. 50. 13.1.1. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA. 57. 1.30. PROPIEDADES DEL MATERIAL HDPE. 57 Página | 2.
(5) 3.. DISEÑO DE PASE AÉREO DE ACERO. 59. 1.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO. 59. 1.2. Estudio Geotécnico. 59. 1.3. Estudio Topográfico. 59. 1.4. CRITERIOS DE PRE-DIMENSIONAMIENTO. 60. 1.5. Condiciones locales.. 61. 1.6. Criterios Estructurales. 61. 1.7. PREDIMENSIONAMIENTO DE PASE AÉREO DE ACERO. 61. 1.8. Geometría de la estructura. 61. 1.9. Flecha del arco superior. 62. 1.10. Plataforma. 63. 1.11. Péndolas. 64. 1.12. Pre-dimensionamiento de perfiles de acero. 64. 1.13. Arco superior. 64. 1.14. Unión entre arcos. 65. 1.15. Larguero de plataforma. 66. 1.15.5. Viga de plataforma H. 67. 1.15.6. Arriostre de celosía L. 68. 1.15.7. Péndolas. 69. 1.16. Geometría de la Tubería.. 69. 1.17. ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCUTURAL PASE AÉREO DE ACERO. 71. 1.18. Metrado de cargas:. 71. 1.19. Carga Muerta WD.. 71. 1.20. Carga viva WL.. 72. 1.21. Cargas de Viento Ww. 72. 1.22. Cargas de Sismo. 74 Página | 3.
(6) 1.23. COMBINACIONES DE CARGA. 76. 1.24. MODELO ESTRUCTURAL EN EL PROGRAMA SAP2000 V18.1. 76. 1.25. ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA MODELADA. 80. 1.26. Fuerzas Axiales:. 80. 1.27. Deformaciones de la estructura. 80. 1.28. DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA. 81. 1.29. Diseño de elementos del pase aéreo de acero sometidos a fuerzas de Compresión. 81. 1.30. Diseño de elementos a Tensión:. 92. 1.31. DISEÑO DE LA SUB ESTRUCTURA. 97. 1.32. Diseño del Pedestal de apoyo. 98. 1.33. Diseño de la Cimentacion.. 100. 1.34. ANALISIS ECONOMICO DEL PASE AÉREO DE ACERO. 109. 1.35. Planilla de metrados. 109. 1.36. Análisis de costos unitarios. 109. 1.37. Presupuesto. 109. 4.. DISEÑO DE PASE AÉREO DE CONCRETO. 111. 1.38. CONSIDERACIONES DE DISEÑO. 111. 1.39. 4.1 PREDIMENSIONAMIENTO DE PASE AÉREO DE CONCRETO. 111. a.. Datos iniciales:. 111. b.. Altura de la flecha:. 111. c.. Torres de sustentación.. 112. d.. Sistema Contraviento.. 115. e.. Viga rigidiza dora.. 116. f.. Geometria del pase aéreo de concreto.. 119. 1.40. ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PASE AEREO DE CONCRETO. 120. 1.41. Metrado de Cargas para el diseño del pase aéreo. 120 Página | 4.
(7) 5.. 1.42. Carga muerta de diseño. 121. 1.43. Carga viva de diseño (carga del agua residual). 121. 1.44. Cargas de Viento Wvv. 121. 1.45. Carga Ultima. 121. 1.46. Cargas de sismo.. 122. 1.47. Combinaciones de Carga.. 122. 1.48. Modelamiento estrucutural en Sap2000 del pase aereo de concreto. 123. 1.49. ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA. 127. 1.50. Deformaciones:. 127. 1.51. Diseño del pase aereo de concreto.. 130. 4.11.1 Diseño de la superestructura.. 130. 1.52. DISEÑO DE LA COLUMNAS. 137. 1.53. Diseño de la Subestructura.. 145. 1.54. ANALISIS ECONOMICO DEL PASE AEREO DE CONCRETO.. 158. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LAS 2 PROPUESTAS 1.55. 160. RESPUESTA SISMICA DE LOS PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO. 160. 5.1.. Respuesta sísmica del pase aéreo de acero. 160. 5.2.. Respuesta sísmica del pase aéreo de concreto. 160. 1.56. EVALUACION ECONOMICA DE LOS PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO. 161. 1.57. Ventajas y Desventajas de los sistemas Aplicados.. 162. 5.3.. Pases Aereos de Acero. 162. 5.4.. Pases Aereos de Concreto. 163. 6.. CONCLUSIONES. 165. 7.. RECOMENDACIONES.. 166. 8. BIBLIOGRAFÍA. 167. Página | 5.
(8) CAPITULO I GENERALIDADES. Página | 6.
(9) 1. GENERALIDADES 1.1. RESUMEN. Actualmente en la ciudad de Arequipa se vienen realizando gran cantidad de obras de saneamiento, todo esto debido al crecimiento poblacional ascendente y la migración de la población a zonas alejadas del centro de la ciudad, específicamente al norte de Arequipa, como los distritos de Yura y Cerro Colorado; lo que obliga a realizar obras de agua y desagüe a zonas de topografía accidentada y de difícil acceso. Durante la ejecución de estas obras se presentan tramos de tendido de tubería por donde la topografía accidentada obliga a buscar alternativas de construcción, dentro de las cuales se encuentra los pases aéreos como para parte de una gama de soluciones. En nuestra ciudad no es común la construcción de pases aéreos, ya que fueron utilizados por años para el transporte de materiales en el rubro minero, pero de poca frecuencia en nuestra ciudad para el uso de alcantarillado y saneamiento. Es por ello que en la presente tesis se efectua el análisis, diseño estructural y propuesta económica de pases aéreos con una luz libre entre apoyos de 200.00 metros para el transporte de una tuberia de 1200 mm en HDPE que trasnporta aguas residuales pesadas, como parte del conjuto de obras de saneamiento y alcantarillado. La presente tesis consta de 02 propuestas , diferenciadas según el tipo estructuracion del pase aereo a utilizar; la primera de tipo Arco superior; constituida por elementos de acero estructural, a la que se denomina “Pase Aereo de Acero”, y la otra de tipo Colgante; con torres de concreto armado, una viga rigizadora de acero , y cables estructurales, a la que se denomina “Pase Aereo de Concreto”. Se presenta un analisis comparativo estructural y encomico entre la propuesta de Pase aereo de Acero y la de Concreto.. Página | 7.
(10) 1.2. OBJETIVOS. Objetivo General: Realizar el analisis estructural de 2 propuestas para un pase aéreo de 200 m en acero y otra en concreto armado. Realizar el analisis economico de 2 propuestas para un pase aereo de 200 m . Objetivos Específicos: Comparar las propuestas presupuestarias de los Pases Aéreos de acero y Concreto Armado. Determinar el uso específico de un tipo de Pase Aéreo de concreto armado o acero según las condiciones topográficas y económicas. Verificar y Analizar el funcionamiento estructural de los Pases Aéreos de acero y Concreto Armado.. Página | 8.
(11) CAPITULO II DEFINICIONES BASICAS Y CONCEPTOS. Página | 9.
(12) 2. DEFINICIONES BASICAS. 1.3. INTRODUCCION.. El siguiente capítulo describe los conceptos básicos, características y las propiedades más importantes de los materiales y elementos que conforman los pases aéreos de acero y concreto, para el análisis y diseño de un pase aéreo para una tubería de PVC de 1200 mm de diámetro (DN = 48”, en el siguiente cuadro se muestra el resumen del capítulo II. (Grafico 1) Tabla 1 Materiales principales para el análisis y diseño de ambas propuestas. DEFINICION PASES AÉREOS DE ACERO TIPOS ANALISIS COMPARATIVO ENTRE PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO. PASES AÉREOS DE CONCRETO. DESAROLLO. NORMAS. METODOS DE DISEÑO. MATERIALES. ELEMENTOS. 1.4. PASE AÉREO DE ACERO 1.1.1. DEFINICION. Es la estructura que permite el paso de un tramo de tubería a través de un accidente topográfico natural o artificial, constituida de elementos de acero y algunos elementos de concreto (cimentaciones).. Página | 10.
(13) Imagen 1 Pase aéreo de acero construido para tubería de gas. Construido por ATD en México. Página | 11.
(14) Imagen 2 Vista de la armadura construida como pase aéreo.. 1.5. TIPOS DE PASES AÉREOS DE ACERO. Los pases aéreos se clasifican según su finalidad, material principal y/o según el tipo de sistema estructural; en el presente ítem se desarrolla la clasificación de acuerdo al tipo de sistema estructural, dentro de los cuales tenemos: Reticulados. Tipo Arco. Tipo viga. Colgantes. Tipo Pórtico. Atirantados. 1 .5 .1 P AS E AÉ RE O DE A CE RO TIP O RE TICULA DO. El pase aéreo reticulado está conformado por una estructura base formada por dos planos reticulados ubicados paralelamente, vigas longitudinales y transversales las cuales soportan las cargas de servicio; arrostramiento lateral en los reticulados y en el área de apoyos; presenta portales para resistir esfuerzos transversales y horizontales (vientos y sismos). En la imagen cuatro se muestran los diferentes tipos de armadura, para pases aéreos reticulados Página | 12.
(15) Imagen 3 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya. Imagen 4 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares. Página | 13.
(16) 2.1.. P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O A RCO. Se caracteriza por transmitir las cargas a través de su forma de arco, donde los esfuerzos primarios son esfuerzos de compresión; los pases aéreos de acero tipo arco puede constituirse de acero con alma llena o estructura reticulada. Imagen 5 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia. 2.2.. P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O A TIR AN TADO. El pase aéreo tipo atirantado está constituido de una armadura, que soporta la tubería suspendida por cables inclinados que se fijan a las torres. La forma que puede presentar la torre es variable, como arpa, abanico y de haz.. Página | 14.
(17) Imagen 6 Esquema de pase aéreo tipo atirantado. 2.3.. P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O C OLGA NTE. El pase aéreo tipo colgante está constituido básicamente de una estructura de cables curvos, que soportan la carga transmitida por las péndolas (elemento vertical que une la armadura con el cable curvo) sosteniendo a la tubería y/o armadura. Este tipo de pases aéreos pueden presentar una armadura inferior, superior o sin armadura. Imagen 7 Acueducto Babahoyo- Ecuador. Página | 15.
(18) 1.6. NORMAS APLICABLES PARA EL DISEÑO DE UN PASE AÉREO DE ACERO. Para el diseño de la propuesta de pase aéreo de acero se utilizó la normativa del reglamento nacional de edificaciones E0.20, E0.30, E0.90, y normas extranjeras aceptables para el análisis y diseño de pernos, placas base, entre otros. Para el análisis sismo resistente se aplicó la Norma E030 del Reglamente Nacional de Edificaciones en su última actualización 2016. 1.7. METODOS DE DISEÑO PARA PASES AÉREOS DE ACERO. 1 .7 .1 DIS E ÑO POR FUE RZAS DE TR AB AJ O El enfoque del método de diseño por fuerzas de trabajo consiste, en que los elementos estructurales se diseñan de modo que las fuerzas unitarias no excedan una fuerza predefinida. La fuerza admisible está definida por una fuerza dividida por el factor de seguridad, de modo que, en general, la fuerza de trabajo se expresa de la siguiente manera:. R actual ≤ R admisible. Ecuación 1. Imagen 8 Diagrama de esfuerzo-deformación para diferentes resistencias del concreto en compresión.. Página | 16.
(19) La fuerza admisible se define por otros criterios de control, como la fuerza de pandeo para acero, resistencia a la compresión del concreto, etc.; Por lo cual, la fuerza admisible puede ser considerada, como una fracción de algún fallo de un material como el acero o el concreto.. 1.8. DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES. El método de diseño por estados límites fue elaborado para hacer frente a las desventajas del método de fuerzas de trabajo. Este enfoque hace uso del rango plástico para el diseño de los distintos miembros estructurales e incorpora los factores de carga teniendo en cuanta la variación de las cargas. Uno de las ventajas del diseño de estados límite es que toma en cuenta esta variación mediante la definición de límite de resistencia y capacidad de servicio. Las características del método de diseño por estados límites son: 1.8.1.1. El esfuerzo. Es el estado límite que define el funcionamiento seguro y adecuado de la estructura. Los criterios que se utilizan para definir estos esfuerzos son la resistencia a la ruptura, pandeo, vuelco, etc. Bajo condiciones normales de carga, o en los eventos extremos. 1.8.1.2. Serviciabilidad. Es el estado límite que define el rendimiento y comportamiento de la estructura bajo carga nominal de servicio. Algunos criterios de servicio son la fuerza, la fatiga, la vibración, etc.. Los estados límites de diseño, publicados en la AISC y AASHTO, dan mucha importancia a la fuerza de estado límite, siendo este parámetro el que define la seguridad pública de la vida física y los bienes materiales. Se define la ecuación de los estados límite como:. Resistencia proporcionada ≥ Resistencia requerida. Página | 17.
(20) 1.9. METODO AASHTO LRFD. Este método está basado en la aplicación de las diferentes combinaciones de carga para un mismo elemento sin estado limite, debe entenderse que este método satisface que la resistencia de diseño es mayor o igual a la resistencia requerida de acuerdo a las combinaciones establecidas por la LRFD. �� ≤ ∅. ��. Ecuación 2. Donde: Ru: Resistencia requerida Rn: Resistencia nominal Φ: factor de resistencia ΦRn: Resistencia de diseño 1.10 METODO ASD. Al igual que el método LRFD este se basa en que la resistencia de diseño debe ser mayor o igual a la resistencia requerida, la diferencia radica en que para este método se utilizara un factor de reducción, denominado factor de seguridad. � �≤. � � 𝛺. Ecuación 3. Donde: Ra: Resistencia requerida Rn: Resistencia nominal Ὤ: Factor de seguridad Rn/Ὤ: Resistencia admisible. Página | 18.
(21) 1.11 MATERIALES 1.12 ACERO ESTRUCTURAL. El acero es un material que soporta óptimamente los esfuerzos de flexión, compresión y tracción, y esta propiedad se emplea en la construcción de pases aéreos en arco o de viga de acero.. 1.12.1.1 TIPOS DE ACERO SEGÚN NORMA DE FABRICACIÓN Existe una variedad de tipos de acero; en la tabla uno se muestra los tipos de acero más utilizados de acuerdo a sus características, como: Resistencia, aleación, y resistencia a la corrosión. Tabla 2 Tipos de acero según uso Aceros de baja. Aceros de baja aleación , alta. aleación y alta. resistencia y resistentes a la. resistencia. corrosión. A36. A572. A242. A53. A618. A588. A500. A913. Acero de carbono. A501. A847 A992. A529 . En el presente item se desarrollará 2 tipos de acero estructural, nominados de acuerdo a la norma de fabricación ASTM, por ser los más comerciales e importantes para el desarrollo de la investigación los cuales son: ASTM A36 ASTM A500 Página | 19.
(22) 1.12.1.1.1 ACERO ESTRUCTURAL ASTM A36 Esta norma se aplica a una gran variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que se encuentran disponibles en el mercado peruano. Tiene los siguientes límites: Tabla 3 Valores máximos y mínimos de esfuerzo para el acero A36 Esfuerzo de fluencia. 2530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi). Esfuerzo mínimo de ruptura. 40820 Kg/cm2 @ 5620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a. en tensión. 80ksi). 1.12.1.1.2 ACERO ESTRUCTURAL ASTM A500 Este tipo de acero es muy similar al A36, diferenciándose en el uso de perfiles, esta norma se aplica para perfiles tubular HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. 1.12.1.2 PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL Para el diseño de estructuras de acero, se debe conocer y entender las propiedades más importantes del acero, tales como la fluencia, pandeo y esbeltez. 1.12.1.2.1 FLUENCIA DEL ACERO: En la imagen nueve, se muestra el grafico de esfuerzo vs deformación, del comportamiento de un elemento de acero estructural, donde se distinguen tres zonas, elástica, plástica y falla.. Página | 20.
(23) Imagen 9 Diagrama de esfuerzo vs deformación para un acero estructural.. Para el diseño de estructuras de acero se debe conocer el valor de la fluencia del acero, ya que muchos de los métodos de diseño de estructuras de acero se basan en este concepto.. Imagen 10 Grafico para diferentes aceros con distintos esfuerzos de fluencia.. Página | 21.
(24) 1.12.1.2.2 PANDEO. El pandeo o inestabilidad es la propiedad definida por Euler1, producida por un esfuerzo lateral al someter un elemento de acero estructural una carga “P” (compresión), produciendo una flexión en el eje perpendicular al de aplicación de la carga. Imagen 11 Elemento sometido a compresión.. 1.12.1.2.3 Pandeo local.. El pandeo local es el que aparece en piezas o elementos aislados o que estructuralmente pueden considerarse aislados.. Euler: Físico , Matemático que realizo diversos análisis para poder obtener relación de las propiedades mecánicas para el valor crítico de la carga en la cual ocurre el pandeo. 1. Página | 22.
(25) Imagen 12 Pandeo Local. ����=. 𝜋 2 .�.𝐼 2 �. Ecuación 4 Ecuación de Euler. 1.12.1.2.4 ESBELTEZ La esbeltez es la propiedad que se relaciona directamente con la longitud del elemento sometido con la fuerza de compresión, muchas normas prevén la reducción de la resistencia de elementos en términos de su esbeltez. 1.12.1.3 PERFILES DE ACERO ESTRUCTURAL Los perfiles de acero en la actualidad son muy usados en la construcción, como en los edificios y pase aéreos en Estados Unidos Europa y Asia como; El bay bridge en San Francisco, el pase aéreo en arco en Sidney, mostrando la trabajabilidad de este material en la fabricación y montaje de estructuras de acero usadas como columnas y vigas2. Durante los primeros años diferentes empresas se dedicaron a fabricar y mostrar sus propios perfiles de acero, hasta 1896 que se crea la AASM ( Asociación Americana de fabricantes de acero) , después. 2 Diseño en Acero Autor: Mac Corman Cap. I Introducción. Página | 23.
(26) llamada AISI ( Instituto Americano de Hierro y Acero) iniciando la estandarización de los perfiles de acero. En la actualidad casi todos los perfiles se encuentran estandarizados, dentro de los perfiles laminados más comunes encontramos los de tipo W, WT, L y C. Los perfiles han ido modificando sus propiedades con el paso del tiempo, esto se produjo para lograr la optimización de sus propiedades y fabricación. Para diseñar estructuras de acero, se debe consultar los manuales precedentes. Imagen 13 Perfiles laminados de acero.. Página | 24.
(27) Imagen 14 Perfiles de acero galvanizados. Imagen 15 Fabricación de perfil de acero, tipo W.. Página | 25.
(28) Imagen 16 Montaje de Perfil de tipo Tubo circular en Piura. Comentario: La imagen corresponde al montaje y construccion del Puente San Miguel en Piura, El puente antiguo sufrio daños en su estructura luego de ocurrido el fenomeno del Niño en el Año 1998, que afecto la Ciudad de Piura , se construyo este nuevo pase aereo que tambien funciona como peatonal.. Página | 26.
(29) Tabla 4 Especificaciones y normatividad para diferentes tipos de perfiles de acero SERIE DE PERFILES APLICABLES TIPO DE ACERO. DESIGNACION DE LA ASTM. Fy (klb/plg2). A36 A53 Gr. B GB A500 GC. Al carbono. GA GB G50 A529 G55 G42 G50 A572 G55 G60 G65 Baja Gr. I , II Aleacion alta A618 Gr. III resistencia 50 60 A913 65 70 A992 A501. Baja aleacion alta resistencia resstente a la corrosion. A242 A588 A847. Fu (klb/plg2). 36 35 42 46 46 50 36 50 50 55 42 50 55 60 65 50 50 50 60 65 70 50 42 46. 58-80 60 58 58 62 62 58 70 65-100 70-100 60 65 55 60 65 70 50 60 75 80 90 65 63 67. 50. 70. 50 50. 70 70. Hss W. M. S. HP. C. MC. L. RECT.. REDOND O. TUBO. Especificación recomendada para el material Otra especificación de material aplicable, cuya disponibilidad deberá confirmarse antes de la especificación. La especificación del material no aplica. Fuente: Manual del AISC 1.12.1.4 CONCRETO Es la mezcla de cemento, agregado fino, agregado grueso y agua, que tiene un proceso de endurecimiento conforme se produce la reacción química de agua con cemento y es utilizado en la. Página | 27.
(30) construcción de diferentes tipos de estructura. En la presente se utilizara concretos de densidad normal. No se usaran concretos con resistencias menores a 16 MPa (160 Kgf/cm2). Los concretos considerados en el manual de diseño de pase aereos del MTC, clasifica de acuerdo a las siguientes clases de acuerdo a sus casos: Tabla 5 Clasificación de concretos según Manual de diseño de Pase aéreos MTC. Generalmente usado en todos los elementos estructurales excepto cuando otra Clase A. clase es más apropiada, y específicamente para concreto expuesto al agua de mar.. Clase B Clase C. Usado en zapatas, pedestales pilares circulares masivos y muros de gravedad Usado en secciones delgadas tal como barandas reforzadas de menos de 100 mm de espesor para el rellenos de pisos de emparrillados metálicos , etc. Se usa cuando se requiere resistencias en exceso de 28 MPA (280Kgf/cm2) para. Clase P. concreto pre esforzado, se deberá limitar la dimensión nominal del agregado a 20 mm.. Clase S. Se usa para concreto depositado bajo agua y en cajones para sellar el ingreso de agua. Concreto con aire entrampado, deberán ser especificados cuando el concreto. Clase AE. está sujeto a periodos alternante de hielo y deshielo, expuesto al descongelamiento de sales, agua salada u otros ambientes potencialmente dañinos.. Página | 28.
(31) 1.12.1.5 ACERO DE REFUERZO. El acero de refuerzo es colocado para absorber y resistir las fuerzas provocadas por las cargas y cambios volumétricos por temperatura, este se encuentra en el interior del elemento de concreto.El acero de refuerzo y el alambre corrugado satisface los estándares establecidos por las siguientes normas: - Norma Técnica ASTM A615 Grado 60 - Norma Técnica Peruana NTP 341.031 Grado 60 - Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú La resistencia nominal a la fluencia en las barras de acero que se utiliza superan los 400MPa (4080 Kgf/cm2), el módulo de elasticidad E para las barras y alambres lisos, con un valor de 200 000 MPa (2040000 Kgf/cm2). Imagen 17 Torre de concreto armado en construcción, Pase aéreo Baluarte Bicentenario en México. Se aprecia el concreto y acero de refuerzo que conforman la estructura.. Página | 29.
(32) 1.13 ELEMENTOS DE UN PASE AÉREO DE ACERO Los elementos de una estructura de pase aéreo se agrupan en 3 partes: la superestructura, la subestructura y la cimentación. Imagen 18 Elementos de un pase aéreo construido en su totalidad por acero. Imagen 19 Elementos de un pase aereo para un oleoducto.. Página | 30.
(33) 1.14 SUPERESTRUCTURA. Es la parte del pase aéreo que permite la continuidad del trayecto de la línea de tubería proyectada. La superestructura soporta el peso de las cargas que son trasmitidas a la sub-estructura a través de los sistemas de apoyo, y está conformada por uno o más tramos dependiendo de la cantidad de elementos intermedios de la infraestructura que la sustenten. La superestructura se compone de los siguientes elementos:. 1.15 MIEMBROS PRIMARIOS.. Distribuyen cargas longitudinalmente y son usualmente diseñados principalmente para resistir flexión. 2.8.1 Armadura La armadura es una viga compuesta por elementos relativamente cortos y esbeltos conectados por sus extremos. La carga fija del peso de la tubería y la carga móvil que atraviesa el pase aéreo se transmiten por medio de las vigas transversales del tablero directamente a las conexiones de los elementos de la armadura. Para la configuración triangular creada para la siguiente tesis, cada elemento queda en tensión o en compresión, según el patrón de cargas, pero nunca están sometidos a cargas que tiendan a flexionarlos. Este sistema permite realizar a un costo razonable y con un gasto mínimo de material estructuras.. Página | 31.
(34) 20 Elementos de la superestructura de un pase aéreo de Acero.. 1.16 SUB ESTRUCTURA La subestructura consiste de todos los elementos requeridos para soportar la superestructura y la solicitud de carga (tubería con aguas), la subestructura consta de los aparatos de apoyo, estribos, pilas y cimentación. 1.17 APARATOS DE APOYO. Los aparatos de apoyo son dispositivos estructurales posicionados entre la superestructura y la subestructura del pase aéreo. Las funciones principales son; transmitir las cargas de la superestructura a la subestructura y acomodar los movimientos relativos entre la superestructura y la subestructura. Existen dos tipos de apoyo: los apoyos fijos y móviles; Los apoyos fijos permiten las rotaciones pero restringen los movimientos de traslación, y los apoyos móviles que permiten movimientos de rotación y de traslación. Hay numerosos tipos de apoyos disponibles. A continuación los tipos principales de apoyos en uso. 1.17.1 Apoyos deslizantes Que utiliza una placa de metal plana que se desliza contra otra para acomodar las traslaciones, la superficie de apoyo que se desliza produce una fuerza de friccion que se aplica a la superestructura, la subestructura y al propio apoyo.. Página | 32.
(35) Imagen 21 Componentes de un apoyo deslizante típico. (Imagen cortesía de D. S. Brown Company,North Baltimore, Ohio.). 1.17.2 Apoyo Balancín Es un tipo de apoyo móvil que existe en gran variedad. Consiste en un pasador en la parte superior que facilita las rotaciones, y de una superficie curvada en el fondo que acomoda los movimientos de traslación. Imagen 22 Apoyo tipo Balancín Página | 33.
(36) 1.17.3 Apoyo de pasador Es un tipo de apoyo fijo que acomoda las rotaciones a través del uso de un pasador de acero. La configuración típica del apoyo es igual que la de un apoyo balancín, excepto que la placa curvada inferior del balancín ahora es plana y se ancla directamente al concreto. Imagen 23 Apoyo con Pasador 1.17.4 Apoyos de Rodillo Los apoyos de rodillo están compuestos de uno o más rodillos entre dos placas de acero paralelas. Los apoyos de rodillo simples pueden facilitar rotaciones y traslaciones en la dirección longitudinal, mientras que un grupo de rodillos acomoda sólo traslaciones longitudinales; En el último caso, las rotaciones se proporcionan combinando los rodillos con un apoyo de pasador. Imagen 24 Apoyo de Rodillos. Página | 34.
(37) 1.17.5 Apoyos Elastomérico Un apoyo elastomérico está fabricado de “elastómero” (caucho natural o sintético). Este apoyo acomoda tanto movimientos de translación como de rotación a través de la deformación del “elastómero”; el elastómero es flexible ante una fuerza cortante, pero muy rígido contra cambios volumétricos y bajo cargas de compresión.. Imagen 25 Apoyo Elastomérico: Almohadilla elastomérica reforzada de acero. 1.17.6 Apoyos Curvados o Esféricos Un apoyo curvado consiste en dos placas curvadas que coinciden, donde una se desliza contra la otra para acomodar las rotaciones. La superficie puede ser curvada o cilíndrica para permitir la rotación respecto a un solo eje y el apoyo gire respecto a cualquier eje.. Imagen 26 Apoyo Curvado o Esférico.. Página | 35.
(38) 1.17.7 Apoyos de Anillo Un apoyo de anillo comprende un disco elastomérico plano que se confina en un anillo de acero poco profundo. Las cargas verticales se transmiten a través de un pistón de acero que encaja estrechamente en el anillo de acero; se usan anillos de sello para contener el elastómero dentro de este, las placas o barras de guía se usan a menudo para mantener el movimiento de la superestructura en una dirección.. Imagen 27 Componentes de un típico apoyo de anillo. (Illustration courtesy of D. S. Brown Company, North Baltimore, Ohio.) 1.17.8 Apoyos de disco Un apoyo de disco, utiliza un disco elastomérico duro (polyether urethane) para soportar las cargas verticales y una llave de metal en el centro del apoyo para resistir cargas horizontales.. Imagen 28 Apoyo de Disco.. Página | 36.
(39) 1.18 Estribos Los estribos son los elementos estructurales constituidos por un sistema de fundación: el cuerpo del estribo, el cabezal de apoyo y los aleros (alas). El sistema de fundación transmite las cargas al suelo, las cargas que se transmiten son las producidas por el peso propio, cargas móviles, empujes de tierra, etc. El cuerpo del estribo conecta el sistema de fundación al cabezal de apoyo y sobre éste se colocan los aparatos de apoyo para que descanse la superestructura. El sistema de fundación consiste en fundación directa, fundación profunda (pilotes o tubulones) y fundación sobre cajones.. Imagen 29 Estribo de pase aéreo de concreto. 1.19 Pilas Son los apoyos intermedios de los pases aéreos y están constituidos por el sistema de fundación, el cuerpo de la pila y el cabezal de apoyo.. Página | 37.
(40) Imagen 30 Pilar de acero para pase aéreo metálico en Cajamarca Perú.. 1.20 Cimentación Las cimentaciones son los elementos estructurales que se encargan de transmitir las cargas de superestructura y subestructura al suelo de cimentación, sin sobrepasar su capacidad de carga. La selección y el diseño de la cimentación apropiada depende de las condiciones de carga que se especifica en el análisis estructural, la geometría del elemento de la subestructura en análisis, de las condiciones geológicas de la superficie y del subsuelo, y de la interpretación de los datos de campo y pruebas de laboratorio, todo ello combinado con un juicio ingenieril. Se define seis tipos básicos de estructuras de cimentación, a continuación.. 1.21 Zapatas aisladas Consisten en losas rectangulares o cuadradas que pueden tener un espesor constante o que se reducen en la punta del voladizo. Las zapatas aisladas se refuerzan en dos direcciones y son usadas para cargas relativamente pequeñas o para cimentaciones sobre roca. Página | 38.
(41) Imagen 31 Zapata Aislada. 1.22 Zapatas Combinadas Estas zapatas soportan dos o más columnas y se utilizan generalmente cuando las distancias entre columnas sucesivas son relativamente cortas. Imagen 32 Zapata Combinada.. 1.23 Zapatas en Voladizo o Ligadas Estas son similares a las zapatas aisladas excepto que están unidas con una viga para transmitir el efecto del momento de flexión debido a la excentricidad de la carga en una de las zapatas.. Página | 39.
(42) Imagen 33 Zapata Ligada. 1.24 Cimentación en Pilotes Este tipo de cimentación es esencial cuando el suelo de la cimentación consiste de estratos poco resistentes hasta profundidades considerables. Imagen 34 Esquematizacion de Pilotes. 1.25 Losas de Cimentación Estos sistemas de cimentación son necesarios cuando la capacidad de carga del suelo es muy baja hasta profundidades grandes, lo cual hace que las cimentaciones con pilotes no sean económicas.. Página | 40.
(43) Imagen 35 Losa de cimentación. 1.26 PASES AÉREO DE CONCRETO ARMADO. 1.27 DEFINICION Se denomina pase aéreo de acero a la estructura constituida en concreto armado, pretensado, pos tensado, etc. que tiene como finalidad servir de apoyo a la conducción de una tubería (en servicio), a través de un accidente geográfico o un obstáculo artificial. Imagen 36 Pase aéreo para colectores principales de desagüe Yura-Arequipa. 1.28 TIPOS DE PASES AÉREOS DE CONCRETO Los pases aéreos de concreto se clasifican de la misma manera que los de acero; en el presente ítem se desarrolla la clasificación de acuerdo al tipo de sistema estructural, dentro de los cuales tenemos:. Página | 41.
(44) Tipo viga. Colgantes. Tipo Pórtico. Atirantados. Tipo Arco. 2.1.1. PASE AÉREO DE CONCRETO TIPO VIGA. El pase aéreo aéreo de concreto de tipo viga es el más simple en su estructuración, compuesto por vigas que soportan las cargas que se soporta el pase aéreo. Tiene una limitación con la distancia entre apoyos o luz libre, solo se utiliza para luces de poca longitud. Imagen 37 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya.. Página | 42.
(45) Imagen 38 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares. 1.28.1 PASE AÉREO DE ACERO TIPO ARCO. Se caracteriza por transmitir las cargas a través de su forma de arco, donde los esfuerzos primarios son esfuerzos de compresión; los pases aéreos de acero tipo arco puede constituirse de acero con alma llena o estructura reticulada.. Imagen 39 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia Página | 43.
(46) 1.28.2 PASE AÉREO DE ACERO TIPO ATIRANTADO El pase aéreo tipo atirantado está constituido de una armadura, que soporta la tubería suspendida por cables inclinados que se fijan a las torres. La forma que puede presentar la torre es variable, como arpa, abanico y de haz.. Imagen 40 Esquema de acueducto tipo atirantado 1.28.3 PASE AÉREO DE ACERO TIPO COLGANTE El pase aéreo tipo colgante está constituido básicamente de una estructura de cables curvos, que soportan la carga transmitida por las péndolas (elemento vertical que une la armadura con el cable curvo) sosteniendo a la tubería y/o armadura. Este tipo de pases aéreos pueden presentar una armadura inferior, superior o sin armadura.. Imagen 41 Acueducto Babahoyo- Ecuador Página | 44.
(47) 1.29 MATERIALES En la construcción de pases aéreos de concreto se cuentan con diferentes tipos de estructuras de acero para su construcción, como los siguientes elementos: cable de acero (uso en el cable principal como para las péndolas), la canastilla que acoge la tubería HDPE, las abrazaderas, pernos de sujeción, carro de dilatación, y el acero de refuerzo utilizado en el concreto armado.. 3.1.1. CABLES DE ACERO. Los cables de acero son elementos flexibles a tensión que consiste en uno o más grupos de alambres, torones, cordeles o barras. Siendo estos elementos los más importantes para resistir las cargas externas en la estructura de un pase aéreo. El cable puede presentar diversas configuraciones, pero todas ellas se basan en el empleo de alambres delgados de alta resistencia. En aplicaciones estructurales, la palabra cable se usa en sentido genérico para indicar un miembro flexible solicitado a tensión. La forma o configuración de un cable depende de su hechura; puede componerse de barras paralelas, alambres paralelos, cordones o torones paralelos, o torones enrollados con trabas.. 1.29.1.1 TIPOS DE CABLES 4.1.1. Alambre.. Es la longitud continúa de metal producida de una varilla mediante trefilado en frío. 5.1.1. Alambre de pretensado.. Un tipo de alambre por lo general utilizado en aplicaciones de concreto postensado. El que se usa a menudo en tirantas de cable consiste en alambre de 0.25 pulg de diámetro, según la norma ASTM A421 Tipo BA.. 1.29.1.1.1 Torón estructural (con excepción del torón de alambres paralelos). Alambres enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central para producir una sección simétrica fabricados según la norma ASTM A586.. Página | 45.
(48) 6.1.1. Torones de alambres paralelos.. Alambres individuales configurados en un arreglo paralelo sin el torcimiento helicoidal. 1.29.1.1.2 Torones enrollados con trabas. Un arreglo de alambres semejante al torón estructural excepto que los alambres en algunas capas están configurados para que queden trabados cuando se colocan alrededor del núcleo. 7.1.1. Cable estructural.. Varios torones enrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo formado por un torón u otro cable (fabricado según la norma ASTM A603).. 1.29.1.1.3 Cables de pretensado. Un torón de 0.6 pulgadas de diámetro de siete cables de bajo relajamiento, usado generalmente para concreto postensado y fabricado segun la norma ASTM A416 (usados para tirantas de cables) 8.1.1. Barra.. Una barra sólida, laminada en caliente, producido de acuerdo con la norma ASTM A722 Tipo II (usada para tirantas de cables) Imagen 42 Tipos de cables usados para tirantas. Página | 46.
(49) Imagen 43 Tipos de torones. Imagen 44 Configuración de torón y cable estructural. 1.29.1.2 PROPIPEDADES DE CABLE DE ACERO. 9.1.1. MÓDULO DE ELASTICIDAD. En el diseño de pases aéreos debe prestarse cuidadosa atención a la correcta determinación del módulo de elasticidad del cable, el cual varía según el tipo de manufactura. Dicho módulo se determina de una longitud de probeta de al menos 100 pulgadas y con el área metálica bruta del torón o cable, incluyendo el recubrimiento de zinc, si es del caso. Las lecturas de la elongación usadas para el cálculo del módulo de elasticidad se toman cuando el torón o cable se estira a por lo menos 10% del esfuerzo último establecido en la norma o a más del 90% del esfuerzo de pre-estiramiento. Los módulos de elasticidad mínimos de torones y cables estructurales prestirados se presentan en la tabla 14.4. Los valores en la tabla son para torones y cables estructurales normales, pre-estirados, de tipo helicoidal; para torones de alambres paralelos, el módulo de elasticidad está en el intervalo de 28,000 a 28,500 klb/pulg2. Página | 47.
(50) El torón estructural tiene un mayor módulo de elasticidad, es menos flexible y es más fuerte que el cable estructural de igual tamaño. Tabla 6 Módulos mínimos de elasticidad de torones y cables estructurales pre-estirados. 2. 2. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CABLES DE ACERO {klb/pulg (kg/cm )} Resistencia mínima a la ruptura (*), de tamaños seleccionados de cables Diámetro nominal en pulg.. Torón galvanizado. Cable galvanizado. 30 (2,110) 68 (4,782). 23 (1,618) 52 (3,657). 1 /2. 122 (8,580) 276 (19,410). 91.4 (6,428) 208 (14,628). 2 3. 490 (34,460) 1076 (75,672). 372 (26,162) 824 (57,950). 4. 1850 (130,105) 1460 (102,677). 1. /2. 3. /4. 1 1. Módulo mínimo de elasticidad, para los intervalos indicados de diámetros Intervalo de diámetro nominal, en pulg.. Módulo máximo en klb/pulg2. torón galvanizado y preteestirado 1. 2. 9 /2 a 2 /16 5 /8 y más. 24,000 (1'690,912) 23,000 (1'620,458) cable galvanizado y preestirado. 3. /8 a 4. 20,000 (1'409,094). (*) Los valores corresponden a cables con revestimineto de zinc de clase A sobre todos los alambres . Las clases B o C pueden especificarse cuando se requiere protección adicional contra la corrosión. Para pesos clase B o C de recubrimiento de zinc en los alambres exteriores, el módulo se reduce en 1,000 klb/pulg 2. (Fuente: Elaboración propia). Página | 48.
(51) 10.1.1. ELONGACIÓN O ESTIRAMIENTO. La elongación total o estiramiento de un torón estructural es el resultado de varias deformaciones componentes. Una de éstas, llamada estiramiento de construcción, es causada por el alargamiento de la trama del torón debido al ajuste posterior de los alambres del torón en una sección transversal más densa, bajo carga. El alargamiento de construcción es permanente; Los torones y cables estructurales por lo general son pre-estirados por el fabricante para aproximar la condición de verdadera elasticidad. El pre-alargamiento remueve el alargamiento de construcción inherente al producto cuando sale de las máquinas de enrollado y cerramiento, permitiendo bajo cargas prescritas, la medición precisa de longitudes y la marcación de puntos especiales en el torón o cable dentro de tolerancias estrechas. RESISTENCIAS NOMINALES Y ADMISIBLES DE CABLES. Tipo. (1). {klb/pulg 2 (kg/cm2)}. Resistencia nominal a tensión, F pu. Resistencia admisible a tensión, F t. Barras ASTM A722 Tipo II. 150 (10,568). 0.45 F pu = 67.5 (4,756). Torón enrollado con trabas. 210 (14,795). 0.33 F pu = 70 (4,882). Torón estructural, ASTM A586. 220 (15,500). 0.33 F pu = 73.3 (5,115). Cable estructural, ASTM A603*. 220 (15,500). 0.33 F pu = 73.3 (5,115). Alambre paralelo. 225 (15,852). 0.40 F pu = 90 (6,341). Alambre paralelo, ASTM A421. 240 (16,909). 0.45 F pu = 108 (7,609). Torón paralelo ASTM A416. 270 (19,023). 0.45 F pu = 121.5 (8,560). (1) Cobertura de zin clase A. Página | 49.
(52) 11.1.1. RESISTENCIA. Comparación entre el esfuerzo último nominal y el esfuerzo admisible a tensión para varios tipos de cables 12.1.1. RECUBRIMIENTO CONTRA LA CORROSIÓN. .Dado que los cables están a la intemperie, es necesario protegerlos contra la corrosión. El procedimiento usualmente empleado es usar cordones fabricados con alambres galvanizados ó alambres lisos galvanizados para cables de alambres paralelos. El alambre galvanizado puede ser de tres clases, A ó B ó C, según el peso del recubrimiento de zinc que se le ha colocado. Este peso del recubrimiento de zinc se expresa en onzas por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. El recubrimiento de clase B tiene el doble de peso que el de clase A y el recubrimiento de clase C tiene el triple de peso que el de clase A. Para alambres lisos de 5mm de diámetro, con un galvanizado de clase A, el peso del recubrimiento de zinc es de 1 onza por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. Para el galvanizado de clase B ó C el recubrimiento de zinc es de 2 ó 3 onzas por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. Los recubrimientos más pesados de zinc desplazan una mayor área de acero. Esto requiere una reducción en la resistencia a la rotura especificada para el torón o cordel. Las normas ASTM A586 y A603 especifican resistencias mínimas a la rotura requeridas para los varios tamaños de torones o cordeles de acuerdo con las tres combinaciones de recubrimiento previamente descritas. Para otras combinaciones de recubrimiento, el fabricante debe ser consultado en lo referente a la resistencia mínima a la rotura y al módulo de elasticidad. La galvanización tiene algunas desventajas. Dependiendo de las condiciones ambientales, por ejemplo, el galvanizado puede esperarse que dure sólo unos 20 años. También, causa inquietud la posibilidad de que el galvanizado por inmersión en caliente pueda causar fragilidad por hidrogenación (sin embargo, hay alguna indicación que con la tecnología actual, el método de galvanizado por inmersión en caliente es probable que no produzca fragilidad por hidrogenación como ocurría antes). Asimismo, puede ser difícil cumplir las especificaciones para un recubrimiento clase C con el método Página | 50.
(53) de inmersión en caliente. Además un alambre galvanizado por inmersión en caliente puede no tener la misma resistencia a la fatiga que tiene un alambre recubierto con galvanización electrolítica. En los casos de pase aéreos de luces grandes con cables formados por alambres paralelos, se emplean alambres galvanizados, y terminado el proceso de construcción de los cables, como protección adicional se coloca usualmente una capa de pintura anticorrosiva especial y se envuelve con alambre galvanizado formando una hélice con alambres totalmente pegados. Imagen 45 Protección del cable a la corrosión. .. 1.29.1.3 PENDOLAS. Son los elementos doblemente articulados que trasmiten las cargas del tablero del pase aéreo o de las vigas de rigidez a los cables que pueden estar formados por uno ó dos cordones. Las. péndolas se colocan verticalmente, aunque en algunos pases aéreos se les ha colocado. inclinadas para mejorar el comportamiento aerodinámico, pero esto aumenta la variación de esfuerzos debidos a la sobrecarga por lo que no se les ha seguido empleando.. Página | 51.
(54) El espaciamiento entre péndolas se selecciona de manera que coincida con los nudos de la canastilla, para la propuesta de pase aéreo de tipo pase colgante se utilizara un espaciamiento cada 2.5m. Imagen 44 Péndola formada por un cordón (Ryall MJ). Tabla 7 Comparación entre el torón y el cable estructural. 1.29.1.4 TORRES DE SUSTENTACION. Las torres de sustentación son las estructuras que vienen a soportar los esfuerzos verticales producidos las tensiones que soportan los cables principales, los que a su vez soportan el peso propio, el peso de la tubería , el peso de las estructura de soporte y soportara el peso de las aguas residuales que atravesarán la tubería una vez en funcionamiento, esta transmisiones de esfuerzos se garantiza ya que en la viga superior se coloca una estructura tipo rodillo que solo trasmite un esfuerzo vertical dejando el esfuerzo horizontal a ser soportado por la macizo de anclaje, se difunde en nuestro país la Página | 52.
(55) construcción de torres de sustentación de concreto armado debido a que no se requiere de un elevado presupuesto además que a nivel estructural presenta un buen comportamiento, existen diversidad de torres de sustentación Las torres de sustentación pueden tener una gran diversidad de geometrías y materiales de construcción (la cimentación de las torres de sustentación generalmente es construida en concreto armado por su permanente contacto con el agua y la tierra, aunque la superestructura puede ser de acero, concreto armado e inclusive de madera). Imagen 45 Torres de sustentación de pases aéreos de concreto.. 1.29.1.5 CAMARAS DE ANCLAJE Los macizos de anclaje son elementos estructurales que funcionan por su propio peso o gravedad; son proyectados y construidos en concreto masivo reforzado, monolítico, de grandes volúmenes pues son los elementos que se encargan de equilibrar el sistema general, mediante el anclaje de los tirantes del cable principal y de los contravientos en algunos casos. Estos grandes elementos deben ser analizados por equilibrio general, volcamiento y desplazamiento ante fuerzas laterales. Geotécnicamente son chequeados ante hundimiento y en algunos casos ha sido necesario implantarlos sobre sistemas de pilotes previendo transmisión de cargas a estratos de mejor competencia, así como anclar los sistemas en estratos rocosos, mejorando ostensiblemente la Página | 53.
(56) capacidad de los pilotes y eficiencia de grupo ante cargas de empuje provenientes de los deslizamientos del terreno. Imagen 46 Esquematización de la cámara de anclaje para pases aéreos de tipo colgante.. 1.29.1.6 SISTEMA DE CONTRAVIENTO. La finalidad principal de los sistemas de contraviento es la de absorber y distribuir las fuerzas que se producen en el ducto por los efectos del viento y en cierta medida las fuerzas producidas por los sismos. La disposición de los sistemas de contra vientos es en sentido horizontal de igual forma en que las fuerzas anteriormente mencionadas afectan al paso aéreo. Se colocan contravientos horizontales a lado y lado de la tubería previendo la inversión de esfuerzos que se presenta por el sentido de las fuerzas y adicionalmente por el efecto de bamboleo hasta que el sistema se detenga. La filosofía de análisis y diseño es similar a la del cable principal de la catenaria, con la exclusividad de modificar el plano principal en el cual actúa.. Página | 54.
(57) Imagen 47 Cables de sistema contraviento para el pase aéreo de concreto. 1.29.1.7 CONCRETO En la construcción de los pases aéreos se tienen variedad de estructuras de concreto: la torres de sustentación, las vigas de amarre, las zapatas combinadas, las cámaras de anclaje del cable principal y las cámaras de anclaje del sistema contraviento. Se utiliza el concreto con las propiedades y características mencionadas en el ítem 1.5.2. Imagen 48 Estructuras de concreto para un pase aereo atirantado.. Página | 55.
(58) 1.29.1.8 TUBERIA HDPE. Las tuberias HDPE , son tuberias hechas de polietileno de alta densisad, es un termoplastico fabricado a partir de etileno(elaborado a partir de etano, uno de los componenetes del gas natural). Estas tuberias lisas estan diseñadas para conducri fluidos , fabricadas de 32mm a 2000mm. De diametro en ISO4427:2008. Y ASTM F-714:2012. Las innumerables aplicaciones mineras, las tuberias HDPE, han reemplazado a las tuberias de acero recubeirtas con goma y las tuberias de acero inxoidable. El polietileno de ata densidad resiste practicamente todos los elemntos corrosivos de la indstria mienra y al tuberias se aplican en rangos xe temepratira que van desde los -40°C a 60 °C y presiones de hasta 25 bares. En definitiva, ellargo tiempod e duracion , el bajo costo ,la facil instalacion, y la escasa manantencion hacen que als tuberias HDPE tengas ventajas comparativas superiores respecto a los mateiales tradicionales. Para el diseño estructural de tuberías de HDPE existen diversas prácticas o recomendaciones entre las que se destacan las desarrolladas por USBR (United States Bureau of Reclamation), por CPPA (Corrugated Polyethylene Pipe Association) y por USACE (United States Army Corps of Engineers). De manera complementaria se utilizan también recomendaciones de la AASHTO. En el diseño de tuberías se distinguen tuberías flexibles y tuberías rígidas dependiendo del comportamiento que presentan ante las cargas solicitantes. Una tubería de HDPE es flexible, se puede deformar bajo la acción de cargas sin sufrir daño estructural y su estabilidad depende de las características del relleno que la confina. El diseño de una tubería de HDPE sin presión requiere conocer las propiedades de la tubería, las propiedades del material del que está fabricada, las condiciones de instalación y las cargas externas. Todos estos elementos se combinan para definir el comportamiento de la tubería instalada.. Página | 56.
(59) 13.1.1. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA. Como en el diseño de otros componentes estructurales, la geometría de la pared de la tubería influye en el funcionamiento del sistema estructural para ambas propuestas. Dentro de las tuberías de HDPE se distinguen las denominadas tuberías de pared perfilada y las denominadas tuberías de pared maciza. Las propiedades representativas de la pared de la tubería son el Momento de Inercia (I) y el Area de la sección transversal (A). 1.30. PROPIEDADES DEL MATERIAL HDPE. Las tuberías de HDPE se fabrican con resina de polietileno de alta densidad virgen pigmentada con negro de humo para resistencia a la radiación UV. Los dos tipos principales de resinas que existen en el mercado son las denominadas PE-80 y PE-100. Las propiedades del material son certificadas por el fabricante de la resina. El material HDPE posee un comportamiento viscoelástico y para el diseño, en general, se utiliza el Módulo de Elasticidad (E) en el largo plazo, al que se le asigna un valor igual a 1.500,00 Kg/cm2 según la norma DIN 16961, Parte 2, independientemente del tipo de resina que se use. Imagen 46 Tuberia HDPE en obra de saneamiento. Página | 57.
(60) CAPITULO III DISEÑO DE PASE AÉREO DE ACERO. Página | 58.
(61) 3. DISEÑO DE PASE AÉREO DE ACERO. 1.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO. Se ha realizado los estudios técnicos correspondientes a la tesis presentada, los cuales han definido condiciones que serán consideradas en el diseño de los elementos estructurales del pase aéreo de acero. A continuación se presentan los resultados obtenidos de cada uno de los estudios realizados:. 1.2. Estudio Geotécnico. Con este estudio se pudo conocer la estratigrafía del suelo, así como la resistencia del suelo y la altura de desplante para la construcción de la cimentación. Altura de desplante Df:. 2.50m. Capacidad Portante Qadm:. 13.3Kg/cm2. 1.3. Estudio Topográfico. Con este estudio se pudo definir la ubicación exacta del pase aéreo de acero, la pendiente de la plataforma de apoyo para la tubería, así como la ubicación de los elementos de apoyo y el área de influencia del proyecto.. Punto inicial Latitud. : 16°18'24.17"S. Longitud. : 71°37'26.01"O. Punto final Latitud. : 16°18'28.44"S. Longitud. : 71°37'20.91"O. Longitud del pase aéreo:. 200.00 m. Pendiente de diseño:. 1.00% Página | 59.
(62) Imagen 49 Vista panorámica de la ubicación del terreno donde se proyecta el pase aéreo de acero.. Imagen 50 Fotomontaje de la construcción del pase aéreo de acero. 1.4. CRITERIOS DE PRE-DIMENSIONAMIENTO. El pase aéreo de acero será diseñado para soportar con seguridad, todas las cargas que puedan pasar sobre él, durante su vida útil. Para garantizar la seguridad de la estructura, mantendrá algunas medidas de control y hacerse algunas previsiones en cuanto a la resistencia para soportar cargas actuales y futuras. Para el diseño de los elementos, se llevó a cabo las recomendaciones del Manual de Diseño de Pase aéreos del MTC, y las especificaciones sobre el método de la última resistencia de las estructuras. Página | 60.
(63) metálicas LRFD, dadas por la AISC3. Adicionalmente se mencionan 02 criterios que se han tomado para el pre-dimensionamiento del pase aéreo de acero: 1.4.1. Criterios económicos.. Se refiere directamente al costo del proyecto, es muy importante tener la viabilidad de la inversión del pase aéreo. 1.5. Condiciones locales.. Se refiere directamente a los aspectos topográficos naturales o artificiales que tendrá que atravesar el pase aéreo en acero propuesto. 1.6. Criterios Estructurales. Se refiere a los límites y valores establecidos por la normativa peruana vigente, que ayudan a predimensionar con un criterio lógico las secciones de los elementos estructurales. 1.7. PREDIMENSIONAMIENTO DE PASE AÉREO DE ACERO. En el capítulo II se desarrolló. 04 tipos de pases aéreos de acero según su estructuración, a. continuación se presenta el pre-dimensionamiento y análisis de un pase aéreo de acero de tipo Arco Superior. El comportamiento de la estructuración de tipo arco, permitirá a la estructura soportar la luz libre de 200.00 m aplicando fuerzas de compresión generalmente en sus elementos principales. 1.8. Geometría de la estructura La estructura del pase aéreo de acero, consta de 2 arcos superiores de forma elíptica, variando la distancia entre arcos a lo largo del pase aéreo, teniendo el mayor espaciamiento en la parte inicial y final (10.00 m), en la parte central 2.00 m. Luz requerida para el pase aéreo: L=200.00 m Ratio de pre-dimensionamiento del ancho de la estructura base:. 3. AISC American Institute of Steel Construction.. Página | 61.
(64) R=1/20. Ecuación 5. A=10.00m. Para la dimensión de la distancia entre arcos central, se considera un ratio de 1/100 R=1/100. Ecuación 6. A=2.00 m. Para la armadura de la plataforma se realiza con un ratio igual a 1/60 R=1/60. Ecuación 7. A=3.33m. De acuerdo al cálculo realizado se define un ancho de la armadura de: Ancho= 3.50 m. Imagen 47 Vista en planta de la estructura. 1.9. Flecha del arco superior. De acuerdo a los estudios realizados y los modelos previos realizados han demostrado que la flecha del arco superior debe estar entre el intervalo de L/8. Calculo de la altura de la flecha: f= L/8. Ecuación 8. Página | 62.
(65) f= 26.00 m Donde: f : es la longitud de la flecha del arco superior de acero L: es la luz libre del pase aéreo de acero Imagen 48 Vista Frontal de la estructura. 1.10 Plataforma Se utiliza una plataforma de tipo en celosía, con los siguientes datos: Diámetro de la Tubería= 1.20 m Espacio para Mantenimiento = 1.00 m Ancho mínimo total= 2.20 m Ancho pre-dimensionado =3.50 m Ancho pre-dimensionado: Largo del Panel= 6.00 m. Página | 63.
(66) Imagen 53 Vista en planta de la plataforma. 1.11 Péndolas Se une cada vértice de la plataforma con el arco proyectado, se elige un perfil tubular circular de tipo ASTM 500-B. Imagen 54 Vista en planta de la plataforma. 1.12 Pre-dimensionamiento de perfiles de acero 1.13 Arco superior Este elemento soportara la carga aplicada a la plataforma trasmitida por las péndolas, soportara principalmente fuerzas axiales de compresión.. Asumiendo K=1. �∗ � < ��� 𝒓 Página | 64.
(67) Para una longitud máxima de arco igual a 6.00 m (diseño geométrico), se obtiene un valor de r=0.03m. Utilizaremos un perfil de tipo HSS tubo cuadrado, según el manual de diseño del AISC 2010. HSS16X16X5/8. Imagen 55 Perfil de acero HSS 0.40X0.40X18m (16X16X5/8). Y t(des )=0. h=16. b=16. 1.14 Unión entre arcos Estos elementos conectan a los arcos proyectados de forma perpendicular ayudando a que los arcos trabajen juntos estructuralmente. Soportando principalmente cargas axiales de tracción. �∗ � <� � � 𝒓. Para una longitud máxima de 9 metros, tenemos: r=0.03 m.. Página | 65.
(68) Imagen 56 Perfil de acero HSS 0.40X0.40X18m (16X16X5/8). Utilizaremos un perfil de tipo HSS tubo cuadrado, según el manual de diseño del AISC 2010. HSS16X16X5/8. 1.15 Larguero de plataforma Estos elementos soportan las cargas aplicadas por la tubería y aguas residuales asi como las de mantenimiento,. estarán. sometidas. a. cargas. axiales. de. tracción. y. compresión.. Por Tracción: �∗ � < 300 �. Con L=6.00 (largo del panel) , R=0.02 m. Por. Compresión: �∗ � < 200 � Con L=6.00 (largo del panel) , R=0.03 m.. Elegimos el valor mas crítico: R=3.00 cm Utilizaremos un perfil de tipo tubo cuadrado de 205X205X18 mm (HSS 8x8x5/8) Página | 66.
(69) Imagen 57 tubo cuadrado de 205X205X18 mm (HSS 8x8x5/8). 1.15.5 Viga de plataforma H Este elemento soportara directamente a la tubería, recibiendo la carga del peso propio de la tubería y del líquido transportado (aguas servidas) como carga puntual. Estará sometido a cargas axiales de compresión. Para el valor L=3.50m �∗ � < ��� 𝒓 r= 1.75 cm. Utilizaremos un perfil de tipo Tubo rectangular de 100x100x12 mm, según el manual de diseño del AISC 2010. HSS4x4x1/2.. Página | 67.
(70) Imagen 58 Perfil de acero HSS4X4X1/2. 1.15.6 Arriostre de celosía L Para el pre-dimensionamiento de la celosía de la plataforma que está sometida a cargas axiales de tracción. K=1 L=7.00. m �∗ � < 300 �. Rmin = 3.5 cm Utilizaremos un perfil de tipo L de alas iguales, según el manual de diseño del AISC 2010. L4X4X1/4 Imagen 59 Perfil de acero L4X4X5/8. t=0.37 x(bar)=1.22 t=0.625. d=4. X y(bar)=1.22 4. b=4. y(b. Página | 68.
(71) 1.15.7 Péndolas Transmitirán. directamente. las. cargas. de. la. armadura. base. al. arco. superior.. Utilizaremos un perfil de tipo HSS tubo circular, según el manual de diseño del AISC 2010. Pipe 4XXS. Imagen 60 Perfil de acero HSS 12.75X1/2. Y t(nom )=0.674. .=4.5. X I.D.=3.152. 1 . 1 6 Geometría de la Tubería. La geometroa de la tubería HDPE de clase 10 con 200.00 m de longitud tendrá las siguientes características:. Página | 69.
(72) Tabla 8 Características geométricas de la tubería HPDE 1.20 m. D=1.20 M. 48" AREA. D Area Area interna Area efectiva Area lateral L Ancho Al. 1.20 1.13 1.00 0.13. m m2 m2 m2. 1.22 m 200.00 m 244.00 m2. Imagen 61 Tubería de HDPE, diámetro 1200mm. Página | 70.
(73) 1.17 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCUTURAL PASE AÉREO DE ACERO. 1.18 Metrado de cargas:. Tabla 9 Densidades de los materiales y fluidos Pesos especificos Peso especifico del Acero Peso especifico del concreto Peso especifico de tuberia HDPE Peso esp. Agua residual Peso por montaje y mantenimiento. 7.86 Tn/m3 2.40 Tn/m3 0.96 Tn/m3 1.03 Tn/m3 0.15 Tn/m. Tabla 10 Datos geométricos del pase aéreo Datos Longitud Altura Ancho. UNIDAD 200.00 m 26.00 m 3.51 m. 1.19 Carga Muerta WD.. La carga muerta para el analisis y diseño del pase aereo de acero, considera el peso de la tuberia de 1.20 m (48”) de diametro de una clase 10. Tabla 11 Carga Muerta aplicada WD Carga muerta para diseño Peso Tuberia HDPE 48" Wcm. 0.26 tn/m 0.21 Tn/m. El peso muerto de la estructura se modela por defecto mediante el software de aplicación.. Página | 71.
(74) Imagen 62 Carga muerta aplicada a la estructura modelada en SAP2000.. 1.20 Carga viva WL.. La carga viva considerada el analisis y diseño del pase aereo de acero es el peso de las aguas residuales que transporta la tuberia al 100% de su capacidad, es decir, en la condicion de la tuberia completamente llena. Tabla 12 Carga Viva “Wl”. Carga Viva Carga por agua servidas tubo lleno. 1.03 tn/m. Imagen 63 Carga viva aplicada a la estructura modelada en Sap2000.. 1.21 Cargas de Viento Ww. Para las cargas de viento aplicables a la estructura del pase aereo de acero, se considero según el mapa eolico del Peru, una velocidad del viento a nivel del suelo de 85 Km/h. Las fuerzas laterales de Página | 72.
(75) viento afectan principalmente a la tuberia o linea de conduccion, bajo ese criterio se calculo las fuerzas laterales de viento sobre la cara de la tuberia. Con ayuda del estudio topografico se determino la inclinacion del eje del pase aereo respecto de la direccion mas critica del viento. Imagen 64 Inclinación del plano de acción del viento con el eje del pase aéreo.. Esta carga se modela de forma pendecular a la direccion de la tuberia (caso mas critico). Tabla 13 Carga de Viento “ Ww” Carga de viento Velocidad del viento en AQP Altura afectada Velocidad de diseño factor C Presion lateral sobre la tuberia Wcw. 85.00 1.23 104.88 0.80 28.90 0.04. Km/h Km/h Kg/m2 Kg/m. Para el modelamiento estructural en Sap2000, las cargas de viento se aplicaron utilizando el código ASCE-7-10 por defecto en el software.. Página | 73.
(76) 1.22 Cargas de Sismo. La carga de sismo aplicada a la estructura del pase aéreo de acero, se calcula mediante un análisis sísmico dinámico, se consideran las tres direcciones por separado y se resuelve en base al método de análisis dinámico espectral, en donde el espectro de respuesta de aceleración de la base se calcula empleando la Norma Técnica E-0.30 de diseño sismo resistente. Para este caso se aplica el análisis sísmico por el método espectral y se considera el modelo de masas concentradas. 1.22.1.1 Espectro de respuesta de aceleración según NTE-030 -2010. Se considera el los parámetros sísmicos en la Ciudad de Arequipa, el factor de suelo como una roca dura, el factor de uso de tipo B por el impacto ambiental que genera el colapso de la estructura. Parámetros sísmicos para los pases aéreos: Tabla 14 Parámetros sísmicos del pase aéreo de acero DATOS Z U S TP TL. FACTORES 0.35 1.30 1.00 0.40 2.50. DATOS Ro Ia Ip R g. DIR X-X DIR Y-Y 7 7 1.00 1.00 1.00 1.00 7 7 9.81 m/s2. Ecuación 9 Aceleración espectral según NTE-0.30. Ecuación 10 Coeficiente de reducción de fuerza sísmica según NTE-030. Página | 74.
(77) Imagen 49 Espectro de Pseudo-aceleraciones en el eje X-X. Imagen 50 Espectro de Pseudo-aceleraciones en el eje Y-Y. Los valores resultantes del análisis realizado se ingresan al software Sap2000 para su aplicación.. Página | 75.
(78) 1.23 COMBINACIONES DE CARGA. Para el analisis estrucutural se utiliza el metodo del AISC LRFD del 2010, que contempla las siguientes combinaciones de carga: ������= � . �∗ � ������= � . �∗ � + � . �∗ �+ � .� (�ó �ó � ) ������= � . �∗ � + � . �∗ (�ó �ó �) + (� . ��ó � . �∗ � � ) ������= � . �∗ � + � . �∗ 𝑾 + � . �∗ �+ � . �∗ (�ó �ó � ) ������= � . �∗ � ± � . �∗ �+ � . �∗ �+ � . �∗ �) ������= � . �∗ � ± (� . �∗ 𝑾 ó � . �∗ �) � � � � � : �: Carga muerta � : Carga Viva � , �: � �𝒓���� �� 𝒊��������𝒊� � � : Carga de viento �: Carga sismica En el modelo aplicado para la propuesta numero 1 de Acero tipo arco superior , se ingresa las combinaciones de carga al software de analisis Sap2000.. 1.24 MODELO ESTRUCTURAL EN EL PROGRAMA SAP2000 V18.1. El ingreso del modelo estructural al software se realiza de acuerdo a las características geométricas y estructurales descritas en los ítems anteriores. Se modela el pase aéreo de acero teniendo las siguientes consideraciones: Página | 76.
(79) 1. El arco superior están conformados por elementos rectos que en conjunto conforman la geometría y longitud del arco requerido. 2. La tubería no fue modelada estructuralmente, se modelo como un elemento lineal soportando su propio peso y la del agua residual.. Imagen 51 Vista del arco modelado. Imagen 52 Vista de las péndolas modeladas. Página | 77.
(80) Imagen 53 Vista de la plataforma modelada. Imagen 54 Vista de la tubería HDPE modelada en Sap2000. Página | 78.
(81) Imagen 55 Vista del pase aéreo de acero modelado en Sap2000 v18.1. Cargas aplicadas al analisis estructural : Se ha considerardo las cargas de gravedad , simicas y de viento. Con los valores correspondientes calculadas y metradas en los items precedentes. Imagen 56 Cargas definidas en Sap2000. Página | 79.
(82) 1.25 ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA MODELADA 1.26 Fuerzas Axiales:. Tabla 15 Resumen de fuerzas axiales máximas en la estructura RESUMEN DE FUERZAS AXIALES ESTRUCTURA UNION DE ARCOS ARCO PLATAFORMA H PENDOLAS VIGAS DE PLATAFORMA CELOSIA DE PLATAFORMA. PU MIN -5.9707 -405.082 -98.3546. ELEMENTO 869 534 740. -0.6532 -8.853. 588 607. TIPO DE FUERZA COMPRESION COMPRESION COMPRESION COMPRESION COMPRESION COMPRESION. PU MAX 0.2115 -373.072 81.2881 13.9746 6.4749 7.9282. ELEMENTO TIPO DE FUERZA 888 TRACCION 521 COMPRESION 741 TRACCION 772 TRACCION 573 TRACCION 606 TRACCION. Imagen 57 Fuerzas axiales aplicadas a la estructura de tipo arco superior. Se puede apreciar que los esfuerzos de compresión son los que predominan en la estructura de arco superior, por lo tanto procederemos a diseñar la los elementos estructúrales principalmente a compresión. 1.27 Deformaciones de la estructura. Las deformaciones de la estructura considerando los esfuerzos correspondientes a las combinaciones de carga según el reglamente nacional de edificaciones NTE-030. Los máximos desplazamientos se aplican en la parte central del pase aéreo.. Página | 80. COMB 4 4 2 2 4 2.
(83) Tabla 16 Desplazamientos máximos finales de la estructura. Desplazamientos máximos en metros Despl. X Despl. Y Despl. Z 0.02 0.16 0.13 Combo2 Combo10 Combo2. Imagen 58 Estructura del pase aéreo de acero deformada. 1.28 DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA El diseño del pase aéreo de acero se realiza siguiendo lo establecido por el AISC 360-10 por el método LRFD del año 2010. 1.29 Diseño de elementos del pase aéreo de acero sometidos a fuerzas de Compresión. 1.29.1.1 Elemento de arco Se diseñó el elemento de arco teniendo en consideración que las fuerzas de compresión se aplican de manera uniforme en todos los elementos del arco, presentándose una diferencia en los cercanos a los apoyo, tal como se ilustra en la siguiente imagen.. Página | 81.
(84) Imagen 59 Fuerzas axiales de compresión en el arco del pase aéreo.. Se realiza el diseño de la sección para el elemento del arco eligiendo la fuerza de compresión máxima de 405 Ton en el elemento 534 del modelo en Sap2000. El Cálculo realizado se presenta a continuación: ø�= 0.9 Fy = 36 ksi Pu = 405.1 Tn E = 29000 ksi Propiedades geometricas de la seccion: “Tubo cuadrado de 40x40cm e=16 mm.” �= 1. �= 6.10 � . �= 16 � �. ��= 235��2. �= 15.5 ��. K. �= 400 � � .. � = 39.355 �. Verificacion si el perfi es compacto � = 25 �. 0.11. 1.40√. � = 88.611 (Para tubo Circular) � �. � = 39.7 (Para tuboRectangular) Página | 82.
(85) � �. Página | 83.
(86) Comentario: El perfil Tubo Cuadrado es compacto Chequeo por resistencia Fe(u) =. �2 . E 2 �. u = 1,2 … 300. �� � � (� )) . � � .� � ],. u ≤ 4.71√. � � �. (øc. 0.877. Fe(u). Ag),. u > 4.71√. � � �. Pcr(u) = [ø�(0.658. {. Imagen 60 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 40x40cm e=16 mm.”. Verificacion de resistencia: Si Pn > Pu L Pn = Pcr (� ) Página | 84.
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