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Capítulo 8. CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
El dimensionamiento estructural del pontón se realizó optando la alternativa 1 analizada en el capítulo anterior. Además, se considera el dimensionamiento de una platea de apoyo de hormigón armado.
Para el cálculo de losas y vigas se consideraron las cargas gravitatorias correspondientes al peso propio de la estructura, a la vivienda y la sobrecarga, según el Reglamento CIRSOC 101 (2005). Además, se tuvieron en cuenta las cargas correspondientes a la influencia de las olas según Koekoek M. (2010). Para estas últimas, se evaluaron dos casos posibles: dos crestas de ola coincidentes con los extremos del pontón en su longitud más extensa (17,26 m), y una cresta de la ola coincidente con el centro del pontón en la misma dirección, como se puede observar en la Figura 84.
Figura 84. Cargas correspondientes a la influencia de las olas (imagen esquemática).
En cuanto a las cargas del oleaje impactando en el pontón no se tuvieron en cuenta debido a que el entorno donde está ubicado este último presenta una cantidad importante de árboles interrumpiendo el paso del oleaje, absorbiendo energía y disminuyendo así su magnitud.
Además, en este caso, no hay grandes distancias de un espejo de agua que produzca mucho oleaje, por lo cual este último impactando como carga en la estructura del pontón, no es importante. En otra situación estas cargas de oleaje pueden ser considerables como sucede en las costas del río Paraná o río Uruguay.
En el sector donde se encuentran las llosas llenas inferiores, que contienen parte de la instalación sanitaria, se planteó una losa superior tipo Steel Deck, la cual consiste en una lámina de acero preformado y una losa de hormigón vaciada sobre ésta, de manera monolítica, formando una losa compuesta (Figura 85).
Figura 85. Losas estilo Steel Deck.
La verificación realizada tanto para las losas llenas como para las losas de tipo Steel Deck, fue a flexión, para la dirección x e y. En cuanto a las vigas, las mismas se plantearon como vigas T y se verificaron a corte y flexo-compresión, también en ambas direcciones. El cálculo se realizó según CIRSOC 201 (2005), y el desarrollo de los mismos se encuentra en el Anexo V.
Para obtener los esfuerzos de momento, corte y axil, utilizados en las verificaciones, se realizó un modelo de cálculo en el software RFEM 6 con licencia educativa. En este, tanto las losas como las vigas fueron modeladas con elementos de tipo superficie. Además, las vigas se consideraron como vigas placas por lo que se crearon vigas de integración de resultados para obtener los esfuerzos correspondientes a las superficies de las mismas dentro del ancho colaborante.
Se utilizaron apoyos elásticos con una constante elástica de 10 kN/m3 en las superficies de losas para simular la flotación del pontón según lo descripto por Faulstich F. (2010). La situación del oleaje planteada al principio del presente capítulo se generó en el modelo de cálculo mediante la modificación de la contaste elástica en los apoyos elásticos introducida en las combinaciones de cargas. Para el caso donde las dos crestas de ola son coincidentes con los extremos del pontón, se utilizó una constante elástica de 5 kN/m3 en el tercio central de su longitud y en el resto de la longitud del pontón se utilizó una constante elástica de 10 kN/m3. Mientras que, para en caso donde una cresta de ola es coincidente con el centro del pontón, se utilizó una constante elástica de 5 kN/m3 en los tercios extremos de su longitud y en el resto de la longitud del pontón se utilizó una constante elástica de 10 kN/m3.
Las cargas utilizadas para el diseño del pontón son las siguientes (Figura 86):
- Peso propio de los montantes ejercido sobre el pontón: 2,00 kN.
- Sobrecarga de uso: 2,00 kN/ m2.
- Carga de garaje (para automóviles solamente): 2,50 kN/ m2.
96 CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Perdomo-Rivas Pressel-Tonutti Bettoni Figura 86. Esquema de cagas utilizadas para el diseño del pontón.
Las combinaciones de carga utilizadas en el modelo de cálculo se observan e la Figura 87:
Figura 87. Combinaciones de cargas realizadas en RFEM para el pontón.
Siendo:
D = Carga muerta.
L = Sobrecarga.
El modelo de cálculo resultante realizado en RFEM 6 para la estructura del pontón se puede observar en la Figura 88.
Figura 88. Modelo de cálculo realizado en RFEM 6.
Para las fuerzas de empuje debido a la corriente se consideró la velocidad del río en la progresiva donde está ubicado el pontón para 100 años de recurrencia, resultando igual a 0,32 m/s (Figura 89), según Sato (2016).
Figura 89. Velocidad del río para 100 años de recurrencia en la progresiva de estudio.
La presión hidrodinámica se calculó con la siguiente formula:
𝑞ℎ = 0,5 ∗ 𝑣2∗ 𝜌 (8-3) Siendo:
v = velocidad del río en m/s.
ρ = densidad del agua kg/m3.
98 CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Perdomo-Rivas Pressel-Tonutti Bettoni 𝑞ℎ = 0,5 ∗ (0,32m
s)
2
∗ 1000kg
m3 = 51,2 Pa 𝑞ℎ = 0,05kN
m2
Como se observa, la influencia de la presión que ejerce el agua sobre el pontón es despreciable, por lo cual no se considera para los cálculos.
En cuanto a las cargas generadas por la vegetación, no se tuvieron en cuenta porque el río Gualeguaychú no es un río que transporte vegetación en suspensión, como si lo es el río Paraná con los camalotes, por ejemplo. Sin embargo, en caso de que la ubicación de la vivienda flotante sea en otro contexto hídrico se necesitará de la evaluación de este factor.
Además, se realizó un modelo BIM en el software Revit Autodesk con licencia educativa para que se permita observar el diseño planteado para el mismo.
Los resultados obtenidos para la estructura fueron de (Figuras 90 y 91):
- 14 losas de 2,32 m x 4,81 m x 15 cm de espesor.
- 2 losas Steel Deck de 2,32 cm x 4,81 cm x 17,5 cm de espesor.
- 3 vigas de 17,26 cm de largo x 1,50 cm de alto y 0,15 cm de espesor.
- 8 vigas de 10,06 cm de largo x 1,50 cm de alto y 0,15 cm de espesor.
Los mismos se encuentran desarrollados en el Anexo V.
Figura 90. Pontón resultante modelado en Revit – Sin mostrar losa llena superior.
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CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Figura 91. Pontón resultante modelado en Revit – Mostrando losa llena superior.
Seguidamente, se realizó la verificación de flotabilidad con las cargas finales obtenidas para la vivienda y el pontón, las cuales fueron estimadas para la evaluación de las alternativas del pontón desarrolladas en el Capítulo 7.
El peso exacto del pontón se extrajo del software Autocad Revit y resultó igual a (Tabla 56):
Resultado obtenido para el peso del pontón.
La sobrecarga tiene el mismo resultado que para la alternativa 1 ya que la misma se distribuye de forma uniforme en toda la superficie del pontón (Tabla 57):
Resultado obtenido para el peso de la sobrecarga.
El peso total real de la vivienda, se calculó considerando lo expuesto en la Tabla 58:
Resultados obtenidos para el peso real de la vivienda.
Volumen de hormigón 55,15 m3
Peso específico del hormigón 2.400,00 kg/m3 Peso del pontón 132.351,78 kg
Peso del pontón
Sobrecarga L 150,00 kg/m2
Peso total sobrecarga 26.045,34 kg Sobrecarga de uso
Contrapiso alivianado 3.838,65 kg
Carpeta isocrete 6.486,22 kg
Pisos porcelanato 1.881,00 kg
Pisos losetas 1.906,52 kg
Perfilería steel-frame 3.132,00 kg
Tanque de agua 1.000,00 kg
Tanque de tratamiento de aguas 3.000,00 kg Tanque de agua de tanque solar 200,00 kg Poliestireno Expandido EPS 192,15 kg
Lana de vidrio 488,79 kg
Revoque exterior 5.544,58 kg
Placa rigidizadora de virutas
orientadas(O.S.B.) 1.023,51
kg Peso de la vivienda
100 CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Perdomo-Rivas Pressel-Tonutti Bettoni Realizando la sumatoria del peso del pontón, el peso total real de la vivienda y el peso de la sobrecarga, se obtuvo el peso total de cargas de 191.384,75 kg.
Aplicando el principio de Arquímedes según la fórmula (8-1) se obtuvo el volumen del líquido desplazo:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (8-1) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜 = 191.384,75 kg
1000 kg m3
= 191,38 m3
Luego, se calculó el hundimiento considerando con (8-2):
ℎ =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑛𝑡ó𝑛 (8-2)
ℎ = 191,38 m3
17,26 m ∗ 10,06 m= 1,10 m
El francobordo obtenido mediante la diferencia entre la altura total del pontón de 1,61 m (considerado hasta el nivel de piso terminado del pontón) y el hundimiento de 1,10 m, fue de 0,51 m, valor que se encuentra dentro de los parámetros aceptables.
Por último, se realizó el cálculo del centro de masa considerando el peso de la estructura de hormigón armado del pontón y el peso de la vivienda completa. Para el mismo se planteó un origen de coordenadas que se puede observar en la Figura 92 y se utilizaron las formulas (8-3) y (8-4).
Pisos porcelanato 1.881,00 kg
Pisos losetas 1.906,52 kg
Perfilería steel-frame 3.132,00 kg
Tanque de agua 1.000,00 kg
Tanque de tratamiento de aguas 3.000,00 kg Tanque de agua de tanque solar 200,00 kg Poliestireno Expandido EPS 192,15 kg
Lana de vidrio 488,79 kg
Revoque exterior 5.544,58 kg
Placa rigidizadora de virutas
orientadas(O.S.B.) 1.023,51
kg Placa de yeso laminado 3.011,50 kg
Cubierta de chapa 1.174,70 kg
Paneles solares 108,00 kg
Total vivienda 10.324,87 kg
Peso de la vivienda
Figura 92. Origen de coordenadas para el cálculo de centro de masa.
𝑐𝑚𝑥 =∑ 𝑀𝑖 ∗ 𝑥𝑖
∑ 𝑀𝑖 (8-3)
𝑐𝑚𝑦 =∑ 𝑀𝑖 ∗ 𝑦𝑖
∑ 𝑀𝑖 (8-4) Siendo:
Mi = peso correspondiente a cada elemento.
xi = distancia x del centro de masa de cada elemento al origen de coordenadas.
yi = distancia y del centro de masa de cada elemento al origen de coordenadas.
Reemplazando:
𝑐𝑚𝑥 =1.542.631,22 kgm
165.606,53 kg = 9,32 m 𝑐𝑚𝑦=923.243,04 kgm
165.606,53 kg = 5,57 m
Comparando los valores obtenidos para el centro de masa con los valores del centro geométrico del pontón, los cual son 9,12 m en sentido x y 5,54 m en sentido y, se determinó que la diferencia es mínima por lo tanto la estructura podrá elevarse verticalmente de forma homogénea sin complicaciones con el sistema de amarres.
- Platea de H°A°
Se consideró también, una platea de hormigón armado que le permite al pontón apoyar en una superficie lisa, evitando que el mismo quede expuesto a esfuerzos que no fueron considerados en su dimensionamiento.
102 CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Perdomo-Rivas Pressel-Tonutti Bettoni Esta, también fue modelada en el software de cálculo RFEM 6 para obtener los esfuerzos y realizar las verificaciones a flexión y corte.
Para los apoyos se consideró una constante elástica de 10.000 kN/m3 (1 kg/cm3) como un valor representativo para un suelo malo y de 25.000 kN/m3 (2,5 kg/cm3) para representar un suelo bueno, según Orler R. y Donini H.J. (2011).
Las cargas utilizadas para el diseño de la platea, considerando el pontón apoyado como flotando, son las siguientes (Figuras 93 y 94):
- Peso propio de los montantes ejercido sobre el pontón: 2,00 kN.
- Sobrecarga de uso: 2,00 kN/m2.
- Presión del volumen de agua sobre la platea para la recurrencia de 100 años: 32,00 kN/m2.
- Carga de viento: 31,52 kN.
Figura 93. Cargas utilizadas para el diseño de la platea con el pontón apoyado.
Figura 94. Cargas utilizadas para el diseño de la platea con el pontón flotando.
Las combinaciones realizadas en el modelo para la extracción de los esfuerzos fueron las que se observan en la Figura 95:
Figura 95. Combinaciones de carga consideradas para los esfuerzas en la platea.
Siendo:
D = Carga muerta.
F = Acciones de líquidos.
L = Sobrecarga.
W = Carga de viento.
Con respecto de la socavación general y local, se consultó el proyecto del nuevo puente sobre el río Gualeguaychú, entre Gualeguaychú y Pueblo Gral. Belgrano, realizado por la consultora INCOCIV en el año 2014, financiado por el Consejo Federal de Inversiones. En este estudio se determinaron erosiones en el río Gualeguaychú para distintas recurrencias y en todos los casos se determinó que las erosiones se producían dentro del cauce porque las velocidades que se dan sobre las márgenes en el valle de inundación son más bajas que las velocidades necesarias para producir erosión en este tipo de suelo (Figura 96). Además, en este caso, la presencia de arboleda reduce la generación de oleaje importante, y sumado esto a las bajas velocidades, la probabilidad de socavación se reduce aún más. No obstante, en casos de que la ubicación de la vivienda flotante sea en otro contexto hídrico necesitará de la evaluación de estos factores.
104 CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PONTÓN
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Perdomo-Rivas Pressel-Tonutti Bettoni Figura 96. Erosión en el rio Gualeguaychú.
La resistencia al deslizamiento de la platea se consideró según Orler R. y Donini H.J.
(2011), de la siguiente manera:
𝐴 ∗ 𝐶𝑑≥ 𝛾 ∗ 𝐻 (8-5) Siendo:
- C = cohesión del suelo, igual a 0,2 kg/cm2.
- Cd = cohesión minorada, igual a 0,1 kg/cm2 (0,5 * C).
- 𝛾 = coeficiente de seguridad al deslizamiento, igual a 1,5.
- A = superficie de la platea, igual a 184,72 m2.
- H = esfuerzo horizontal, igual a 63,04 kN (2 * 31,52 kN).
Reemplazando:
184,72 m2∗ 1.000kg
m2≥ 1,5 ∗ 6.304 kg 184.720 kg ≥ 9.456 kg
Como se observa, la resistencia al deslizamiento de la platea es sumamente superior a los esfuerzos horizontales solicitados.
El modelo de cálculo realizado en el software RFEM 6 resultante para la estructura de la platea se puede observar en la Figura 97.
La platea de 10,46 m x 17,66 m resultante está compuesta por una losa de 15 cm de espesor, vigas centrales de 0,20 m ancho por 0,30 m de alto y vigas perimetrales de 0,40 m de ancho por 0,40 m de alto. El cálculo se realizó según CIRSOC 201 (2005), y el desarrollo de los mismos se encuentra en el Anexo VI.
Figura 97. Modelo de cálculo realizado en RFEM 6 para la platea.
Para esta estructura, también se realizó un modelo BIM en el software Revit Autodesk con licencia educativa en el cual se permite observar el diseño planteado (Figura 98).
Figura 98. Platea resultante modelada en Revit.
106 SISTEMA DE AMARRE Proyecto Final:
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