PUENTES Y AEROPUERTOS
INTRODUCCION
Las obras portuarias tienen relación directa con el desarrollo del país pues son parte importante en el desarrollo económico y social, pues permite la importación y exportación de productos con otros países, la pesca extractiva permite la generación de industria, asimismo beneficia a la población pues es fuente de alimentación. alimentación. La ingeniería portuaria ha tenido que ir adaptándose a los requerimientos cada vez más exigentes en cuanto a facilidades y capacidad de operaciones, teniendo en cuenta que en la actualidad es más frecuente la presencia barcos de gran calado de acuerdo al mundo globalizado en que vivimos, además que a mayor incremento de población se genera mayor demanda de alimento, en este caso de pescado, el cual necesita de muelles para llegar a la población. Esto indica que la infraestructura portuaria cumple un papel fundamental en el crecimiento económico del país, por este motivo, la presente tesina tiene como uno de sus objetivos dar a conocer los aspectos más relevantes en lo que respecta el tipo de cimentación a realizar en estructuras especiales, en este caso, un muelle artesanal. Se describen los aspectos relevantes pues el tema es bastante amplio. Otro objetivo es describir las etapas de la metodología constructiva del muelle artesanal en base a elementos prefabricados como pilotes, vigas, y losas. Se describirá el proceso constructivo de un muelle artesanal con los siguientes requerimientos, requerimientos, una longitud de 160 metros de largo y un ancho de 6 metros, el cabezo tendrá una longitud de 28 metros y un ancho de 8 metros. El capítulo uno describe los antecedentes y la situación actual de la infraestructura portuaria, el capítulo dos describe y menciona brevemente los criterios de diseño que se deben considerar para la ejecución de un muelle artesanal, el capítulo cinco describe los aspectos generales de los elementos que forman parte de la infraestructura del muelle, poniendo un especial énfasis en los pilotes en la cimentación, tema fundamental en la construcción de un muelle. Las fuentes consultadas fueron principalmente revistas, manuales, libros, normas, tesis y la experiencia de diversos profesionales ligados a la construcción de muelles, los cuales se pudo constatar son pocos, principalmente en lo que respecta al diseño estructural de muelles.
DISEÑO DE UN MUELLE
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INDICE INTRODUCCION 1. GENERALIDADES 1.1.ANTECEDENTE Y SITUACION ACTUAL 1.2.DEFINICION DE UN MUELLE 1.3.TIPOS DE MUELLE 1.3.1. Por la Profundidad 1.3.2. Por la Carga 1.3.3. Por la Estructura 1.4.PARTES DE UN MUELLE 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4.
Molón de Acceso o Escollera Puente Cabezo Defensa
2. CRITERIOS DE PROYECCION 3. DISEÑO DE UN MUELLE 3.1.DIMENSIONES 3.2.FUERZAS ACTUANTES
4. DISEÑOS DE PILOTES DE UN MUELLE 4.1.GENERALIDADES 4.2.CRITERIOS DE DISEÑO 4.3.DISEÑO
5. BIBLOGRAFIA
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PUENTES Y AEROPUERTOS 1. GENERALIDADES 1.1.ANTECEDENTE Y SITUACION ACTUAL En la década de 1950, la industria pesquera fue creciendo primero con la presencia de flotas pesqueras extranjeras dedicadas a la pesca de atún y ballena, luego con el crecimiento de la industria pesquera netamente peruana, es que comenzó una verdadera ocupación del mar. La industria peruana dedicada a la producción de conservas de pescado y a la harina y aceite de anchovetas fue creando la necesidad de construir muelles y varaderos para el servicio a las fábricas y a una flota pesquera creciente en número y tamaño de embarcaciones. En la década de 1960, la industria pesquera peruana ocupó los primeros lugares en el mundo y junto con ella se desarrolló la industria constructora de embarcaciones llegando a establecerse un prototipo de embarcación y paralelamente un tipo de muelle para los servicios de la industria pesquera. De esta manera el Perú ocupo la franja de las primeras 50 millas de su mar. La ingeniería peruana participó ampliamente en el desarrollo, demostrando conocimiento y creatividad en todos los campos. En el aspecto portuario fue desplazando la participación de firmas extranjeras en base a su eficiencia y flexibilidad. El campo de la construcción de puertos en general es muy amplio, pues comprende desde los súper puertos con muelles para el atraque y servicio de buques de miles de toneladas de peso muerto hasta los terminales para pesca artesanal con muelles para atraque y servicio a embarcaciones de menor cantidad de toneladas de peso muerto. A la fecha se viene modernizando el puerto del Callao con la construcción del Muelle Sur, el cual estará en concesión y permitirá grandes beneficios económicos pues favorecerá la exportación, generará empleos productivos, reducirá el costo del flete marítimo, contará con lo último en tecnología. Actualmente la industria pesquera peruana abarca prácticamente las 200 millas de mar, pero aún se encuentra en desventaja con las grandes flotas transnacionales que cuentan con equipos acordes con el avance tecnológico además cuentan con el permanente apoyo logístico de naves nodrizas. En la actualidad la explotación pesquera se realiza de manera sistemática, aunque no necesariamente de manera racional. En lo que respecta a la pesca artesanal a la fecha se cuenta con más de 57 mil pescadores y alrededor de 14 mil embarcaciones pesqueras, se cuenta además con aproximadamente 45 muelles no contando todos con las instalaciones adecuadas para realizar un trabajo más eficiente. La cantidad de muelles resulta insuficiente y genera pérdidas, pues la falta de un muelle origina un incremento en los costos debido al transporte de una población a otra. En las conclusiones del VII del Foro Internacional de Puertos, el Perú es el segundo país de Latinoamérica con el mayor déficit de infraestructura después de Bolivia y el cuarto país con déficit de infraestructura portuaria, medida esta brecha en dólares americanos esta bordearía los 1200 millones.
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PUENTES Y AEROPUERTOS Un factor clave que limita los beneficios de la mayor apertura comercial son los costos logísticos. La reducción de los mismos no pasa sólo por mejorar la infraestructura, sino por la optimización de procesos y gestión, además de la permanente actualización de conocimientos del capital humano involucrado. Las inversiones para ampliar y modernizar las capacidades de gestión de carga en los puertos del Perú, deben ir acorde con los niveles de crecimiento del comercio proyectado para nuestro país. El sistema de transporte para la exportación requiere de un tratamiento integral. Sumado al desarrollo de puertos se necesita la construcción de accesos, carreteras y aeropuertos, entre los principales rubros de infraestructura relacionada. Frente a la escasez de recursos del sector público para hacer frente a las inversiones que se requieren, es fundamental que se convoque la participación del sector privado, a través de las asociaciones público-privadas. Para dar respuesta al aumento del volumen de tráfico de carga que se va ir generando desde y hacia el Perú, se requiere el desarrollo de otros puertos alternativos al Callao y para ello se necesita puertos regionales competitivos. La participación del sector privado no se limita, única y exclusivamente, a la construcción y financiamiento de las obras de infraestructura o de equipamiento, si no que puede y debe encargarse de la operación eficiente de los puertos. Entre las prioridades de inversión en Puertos en el Perú, debe tenerse en cuenta la capacidad de almacenamiento como una limitante para el futuro casi inmediato. Es necesario tomar en cuenta que cada vez cobra mayor importancia la seguridad de los embarques, por esta razón se debe prever como parte de la modernización de la gestión de puertos, el uso de las tecnologías apropiadas para garantizar la seguridad de la carga. 1.2.DEFINICION DE UN MUELLE Obra construida en la orilla del mar o en las márgenes de un río o canal navegables, destinada al atraque de los buques que han de embarcar y desembarcar mercancías o pasajeros. Generalmente los muelles o son macizos de mampostería u concreto armado, o están formados por pilotes que soportan un tablero horizontal. La importancia de un muelle artesanal es fundamental para recibir la materia prima (pescado) en el menor tiempo y con la mejor calidad. El proyecto de los muelles exige prever el atraque de las embarcaciones, con las instalaciones necesarias para el almacenamiento y tránsito de las mercancías. La longitud de los muelles y la profundidad del puerto dependen del tipo de embarcaciones que lo van a utilizar. 1.3.TIPOS DE MUELLE 1.3.1. Por la Profundidad o
o
Muelles de alto bordo: Cuando la zona de atraque se encuentra ubicada a una profundidad de 3 a 4 metros. Muelles de mediano bordo: Cuando la zona de atraque se encuentra ubicada a una profundidad de 5 a 8 metros.
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o
Muelles de bajo bordo: Cuando la zona de atraque se encuentra ubicada a una profundidad de 8 a 15 metros.
1.3.2. Por la Carga o
o
Muelles comerciales: Destinados a grandes embarcaciones. Muelles Pesqueros: Tienen diferentes profundidades según la carga, los muelles anchoveteros su profundidad varía entre 5 y 6 metros (tomada en el presente trabajo), muelles de pescado para consumo humano entre 8 y 10 metros de profundidad.
o
Muelles mineros: Muelles destinados a la movilización de mineral.
o
Muelles militares: Destinados a Bases Navales de la Marina de Guerra del Perú.
1.3.3. Por la estructura o
Muelle marginal
o
Muelle espigón
o
Muelle amarradero o pantalón
1.4.PARTES DE UN MUELLE 1.4.1. Molón de Acceso o Escollera
Está constituido de un terraplén o plataforma construido con material de relleno, este material debe ser afirmado, rodillado y compactado. Sus taludes se encuentran protegidos por un enrocado acomodado por gravedad a manera de protección contra la erosión del mar. El molón no siempre termina en un muro de arranque conformado por tablestacas, esto depende de las condiciones geológicas costeras. 1.4.2. Puente Es el tramo inicial del muelle que conecta el camino de acceso prácticamente en la batimétrica cero con el cabezo, tiene como finalidad facilitar el tránsito de los vehículos y peatones. La longitud del puente está básicamente en función de dos factores: 1. La profundidad necesaria en el cabezo para que puedan fondear las embarcaciones. Se deben definir las características de las embarcaciones de diseño, se requiere alcanzar una profundidad mayor al calado máximo, lo cual obliga al puente a prolongarse hasta llegar a la profundidad adecuada donde se iniciará el cabezo. 2. La ubicación debe estar fuera de la zona de formación de olas, ya que no permite el acoderamiento de embarcaciones al producirles excesivo movimiento. DISEÑO DE UN MUELLE
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El ancho del puente dependerá del requerimiento. Se considera 3.10 m. como ancho mínimo necesario para el tránsito de vehículos y grúas, para encauzar el tránsito de la vía de deben colocar sardineles de seguridad a los lados del puente, dadas las funciones del muelle se deben proyectar también la ubicac ión del tendido de tuberías necesarias para el abastecimiento de petróleo, agua y electricidad. La estructura básica del puente está conformada por cerchas, conjuntos de pilotes y vigas prefabricadas de concreto armado sobre las cuales se apoyarán las losas prefabricadas de concreto armado. En cada pórtico dependiendo del diseño se deben hincar pilotes inclinados en sentido transversal al puente con la finalidad de controlar los desplazamientos laterales. 1.4.3. Cabezo Es la parte más ancha donde termina el muelle. En el cabezo se efectúan la mayoría de operaciones de servicio tales como carga y descarga mediante grúas colocadas sobre el muelle u otro tipo de maquinaria que pueda prestar el mismo servicio. Las dimensiones dependen de los requerimientos del proyecto. La estructura básica del cabezo es similar a la del puente, con la diferencia que el espaciamiento entre pilotes es menor o igual, además está provisto de defensas para amortiguar el impacto de embarcaciones al momento de las maniobras, estas defensas en el caso de muelles artesanales consisten en la colocación de neumáticos o llantas. 1.4.4. Defensa
La defensa cubre los bordes de atraque del cabezo del muelle. Generalmente están construidas con pilotes de madera de fibra larga, por cuartones y tablas de madera, o por bloques y llantas de jebe. Tienen por objetivo evitar el impacto directo de las embarcaciones contra el muelle, estas defensas también disipan parte de la energía de impacto y reparten la energía remanente de manera uniforme. El impacto directo de las embarcaciones se origina por el acoderamiento, por acción del viento y las corrientes sobre la embarcación.
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PUENTES Y AEROPUERTOS 2. CRITERIOS DE PROYECCION Entre los factores de selección sobre el tipo de muelle, estos incluyen los costos, la constructabilidad y la disponibilidad local o cercana de los materiales. El muelle como parte de un puerto generalmente, se construye en zonas abrigadas con el fin que las embarcaciones no estén sometidas al viento, a las olas, corrientes marinas y otros, ya que de ello depende la seguridad de las naves y el mismo muelle. Para identificar la ubicación apropiada del proyecto se desarrollan extensos estudios a lo largo de la costa norte, evaluando el lugar costero, su potencial y los criterios anteriormente expuestos. Se deberá analizar en primer lugar las condiciones existentes en su emplazamiento, como son: características geográficas (ubicación, presencia de accidentes geográficos), y características de sitio (clima, oleaje, marea, etc.). El proyecto de un muelle antes de proceder a la etapa de construcción tiene que haber pasado por estudios para excluir áreas con potencial de licuefacción del suelo por causa de sismos, inestabilidad del suelo debido a movimientos y lo más importante, ninguna cercanía a fallas y suelos sísmicamente inestables debido a zonas de alta sismicidad presentados en el Perú. Se debe excluir también áreas donde se requerirá dragado significativo y dragado continuo para su mantenimiento. Se debe dar preferencia a las condiciones oceánicas apropiadas para operaciones seguras de atraque de las embarcaciones y a sitios con suficiente área para proveer futuras expansiones. 3. DISEÑO DE UN MUELLE 3.1.DIMENSIONES
A. LONGITUD DE MUELLE ( ) Depende para el tipo de muelle que se diseñará. También se considera el número de barcos que arribarán. DISEÑO Se recomienda trabajar con la ecuación Donde: Longitud del Muelle Eslora del Barco (Longitud del barco) Manga del Barco (Ancho del Barco)
:: :
=+
.
B. ANCHO DE MUELLE ( ) Depende de las características de la mercancía que se va a cargar y/o descargar. Ejemplo: maquinaria, azúcar, arroz, etc. Entonces se considera el producto que se movilizará con más frecuencia sobre el muelle para su ancho de diseño. Si el muelle a diseñarse es del tipo pesquero, entonces el ancho “A” sería igual a la Manga del Barco “M”. Un muelle pesquero tiene como anchos que varían entre 4 – 5 metros.
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PUENTES Y AEROPUERTOS DISEÑO Paso 1: Cálculo del Área Neta de la Bodega.
.())() = (
Donde:
= = ==
Área neta de la bodega. Carga útil de la embarcación. Densidad del material. Altura de estiba (altura del área de carga).
Paso 2: Cálculo del Ancho de la Bodega. Se recomienda que la longitud de la bodega sea aproximadamente igual a la eslora ( ) de la embarcación.
Donde:
=
= ; >
Ancho de la bodega. Si el muelle es del tipo Espigón. Muelle tipo espigón es donde atracaran dos embarcaciones por ambos lados del muelle, entonces en el diseño:
≥ ≥+(..)
Si en el muelle transitará camión de carga.
Donde: 6.00 metros de margen de seguridad para el camión de carga.
.=
3.2.FUERZAS ACTUANTES A. CARGA MUERTA Es la suma de cada una de las partes estructurales del muelle, para fines de cálculo se suponen todas las dimensiones y al final de cálculos, se rectifican. B. CARGA VIVA Esta carga se considera como la que va ser embarcada o descargada a través del muelle, este valor es muy variable, dependiendo del tipo del muelle de carga, de altura, muelle de pesca o de turismo. El valor mínimo que recomienda de carga viva uniformemente repartido es de para muelle de pesca, de para muelle de cabotaje y de para muelle de altura.
1,4,50 / /
3,0 /
En casos especiales, donde, sobre el muelle se moverá material pesado como, minerales o maquinaria pesada, en esos casos, el valor de la carga, uniformemente será de .
4,0 5,0 /
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PUENTES Y AEROPUERTOS C. FUERZA DE IMPACTO DE LA NAVE AL ATRACAR Esta fuerza es horizontal sobre la estructura de un muelle producida por el impacto de la nave a atracar, y ésta depende de su velocidad de atraque y de la masa del mismo, y del sistema de defensa a usar en el muelle; éstas defensas son para absorber la energía cinética que desarrolle el barco debido a su velocidad de atraque al aproximarse a la estructura del muelle. Las embarcaciones menores como remolcadores, barcazas o de pesca, o para servicio de combustibles, éstas embarcaciones se aproximarán al muelle con velocidades de y las naves más grandes atracarán a una velocidad de .
0, 3 / 0,1 /
Las velocidades con las que un barco atraca a un muelle depende directamente con el tamaño de la embarcación. Para calcular la fuerza de atraque, se utilizará la ecuación deducida por el Dr. Stelson.
=
Donde:
= = =
Peso Adicional Calado Máximo Peso específico del agua de mar
EJEMPLO APLICATIVO Con los datos de la característica del barco y el peso específico del agua de mar, entonces:
= 2,50 . =20,50 . = 1,03 / =300,00 .
= 4 (2,50 .)(20,50 .)(1,03 /) = . = +
Paso 1: Cálculo de la Carga Adicional (
)
Sustituyéndolo en la fórmula anterior, tenemos:
Paso 2: Cálculo de la Carga Virtual (
Donde:
=
)
Tonelaje de Desplazamiento
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= . . =
Paso 3: Cálculo de la Energía Cinética (
Donde:
= = = =
)
Ecuación Cinética Carga Virtual Velocidad de Impacto gravedad
=. −. = =, −.
Paso 3: Cálculo de la Energía Cinética Efectiva (
)
Esta es la energía con la que se diseña el tipo de defensa a usar. Nota: Para el diseño del muelle, se eligen defensas cilíndricas, ya que son las más usadas en el mundo, su fuerza de reacción es muy baja. Su instalación es muy variada y la más económica; estas también son resistentes a la intemperie y la acción de la mar. Según el manual de DEFENSAS MARINAS PARA EMBARCACIONES, MUELLES, GUARDABARROS Y AMARRES DE REVOLQUE del tipo cilíndricas, tenemos que usar llantas de caucho de Diámetro Exterior de y Diámetro Interno .
∅ 100
∅ 200
D. FUERZA DE VIENTO La fuerza que produce el viento contra la superficie expuesta de una embarcación atracada, ésta repercute en el muelle como un jalón a través de las vitas de amarres y de compresión a través de las defensas, cuando el barco se recarga sobre el muelle. Estas fuerzas dependen de: Vientos Dominantes: Es aquel viento más violento que se presenta en el puerto, en la ubicación de las dársenas, deben de ser estudiados, sobre todo, la dirección del viento. Área expuesta de embarcación: Esta es según las características del barco, en estudio.
Esta fuerza se calcula con la expresión: DISEÑO DE UN MUELLE
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= = = /16 = = = = =0, 3 0 / 113 =0,05625 / =8,263 . Donde: Fuerza de Viento en Toneladas. 1.3 Coeficiente de incremento debido a la forma del barco, Presión del Viento ( Área neta expuesta. EJEMPLO APLICATIVO: Con la fuerza del viento . Entonces:
),
y
y
E. FUERZA DE EMPUJE DE CORRIENTE No es tan considerable esta fuerza, ya que para el diseño del muelle se procurará orientarlo paralelo a la dirección de las corrientes existentes del puerto.
Pero, sin embargo, hay localidades al considerar la disposición de los muelles por la dirección de los vientos reinantes, pueden presentarse al caso, donde las corrientes actúan con cierto ángulo de incidencia contra el casco de la embarcación. Se calcula mediante la expresión:
=0,0526 = − = = ó Donde:
F. FUERZAS SISMICAS En estructuras sus periodos naturales de vibración, son relativamente largos, tales como: muelle de tipo plataforma, delfín, etc. Respecto a las estructuras importantes, a veces se realiza el análisis de respuesta sísmica, pero, para las estructuras ordinarias de puerto, se emplea el siguiente método: F=m.a 4. DISEÑOS DE PILOTES DE UN MUELLE 4.1.GENERALIDADES En el diseño de muelle del tipo abierto, como se muestra en la figura adjunta, con pilotes o estacas verticales; la resistencia lateral, momento flexionante y fuerza cortante de estaca, y fuerza axial se podrá calcular conforme al método del punto fijado virtual basado en el método de Chang. Las características del suelo, que se encuentran en el lugar donde se construirá dicha obra, no definirá el tipo de cimentación a usar, o sea, que para suelos arenosos, arcillosos y limosos, se usan pilotes de madera o concreto o si no, tablaestacas de acero, si el subsuelo es roca, entonces, se elegirá muelles sobre pilas y así.
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4.2.CRITERIOS DE DISEÑO Si usamos pilotes de concreto armado prefabricados, se recomienda tomar en cuenta para el diseño de la subestructura, los siguientes pasos: a) La longitud del hinchado de los pilotes, no será menor a los 3 mts. en terreno duro y nunca mayor del 1/3 de la longitud total del pilote. b) La separación que debe quedar entre el paramento de un pilote y el borde del elemento de la supestructura, no será menor a 30 cms. c) La separación entre ejes de pilotes paralelos, no deberá ser menor de 3 veces el lado para pilotes de sección cuadrada. d) El área de la sección transversal de un pilote, no deberá de ser menor de 140 cm2. e) El extremo superior del pilote deberá quedar ahogado en la superestructura del muelle, como mínimo 15 cm, ya que se haya hecho el descarne del mismo y de haber retirado el material dañado. f) El área mínima de refuerzo longitudinal de un pilote será 1.5 % del área total de su sección transversal. El recubrimiento debe de ser mayor 7.5 cm. g) Como refuerzo transversal del pilote, se recomienda como mínimo, estribos de diámetro de ¼ “ separados cada 15 cm en el cuerpo del pilote, reduciendo dicha
separación a 5 cm en ambos lados extremos. Cuando las varillas de refuerzo principal sean más de 4, el armado trasversal deberá estar constituido por juegos de dos estribos (mínimo), con una separación también de 15 cm. 4.3.DISEÑO A. CAPACIDAD DE CARGA DE LOS PILOTES La capacidad de estos pilotes se puede obtener por la siguiente expresión:
=+ Donde: Qt = Capacidad de carga vertical total (tn) Qp = Capacidad de carga vertical por punta (tn) Qf = Capacidad de carga vertical por fricción (tn) B. CALCULO DEL NUMERO DE PILOTES DISEÑO DE UN MUELLE
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PUENTES Y AEROPUERTOS En base a las cargas, como son: peso propio del muelle más carga viva = wt , con lo que el número de pilotes se calculara por medio de:
º =
Donde: = Peso del muelle = Capacidad total del pilote
C. LONGITUD EXTRA DEL PILOTE Para conocer la longitud efectiva del pilote, es necesario calcular la longitud extra hasta la cual se considera el empotramiento del pilote y se calcula suponiendo la profundidad desde la superficie virtual del suelo del pilote de (i) descrita en los puntos fijados virtualmente.
Esta longitud se calcula con la expresión:
= 1 ; = √ 4ℎ .
Donde: Kh = parámetro que depende del número de golpes de penetración standard a una profundidad estimada. b = diámetro o ancho del pilote. EI = Rigidez flexionante del pilote Tn-m2. E = Modulo de elasticidad I = Momento de inercia. D. DISEÑO DE CONCRETO PARA EL PILOTE Previo al diseño, se realiza un análisis torsional, averiguando la torsión en un sistema X e Y. Se adopta la torsión mayor para conocer el momento máximo, así:
= =
= . / 2 =
Donde: Momento máximo del pilote, Longitud efectiva del pilote.
Fuerza direccional de torsión
Una vez obtenido el momento “M” y la carga máxima vertical que soportara el
pilote (W = CV + CM , diseño de cargas) se puede proceder a los cálculos de diseño de acero en lo que respecta para diseño de concreto armado.
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PUENTES Y AEROPUERTOS 5. BIBLIOGRAFIA DE ESTUDIO o
o
o
o
Documento Digital: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/5272/Capitulo4.pdf CONSIDERACIONES DE INGENIERÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MUELLES EN CARTAGENA DE INDIAS D. T. Y C. / AUTOR: ERICK JOSE OCON GOMEZ / UNICERSIDAD DE CARTAGENA / FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL SISTEMA DE PROTECCION CONTRA IMPACTOS - DEFENSA MARINA PARA EMBARCACIONES
ASPECTOS RELEVANTES DE CIMENTACION CON PILOTES Y PROCESO CONSTRUCTIVO DE MUELLE ARTESANAL / UNIVERSIDAD DE CIENCIA APLICADAS.
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