CIMENTACIONES PARA TORRES
INTEGRANTES: Miguel Angel Chica Pérez. Cesar Leninn López Vado. Luis Felipe Matute Lira.
#2002-14268 #2002-14629 #2002-14695
GRUPO: IC-41D.
PROFESOR: Ing. Franklin Moore.
FECHA:
Lunes 4 de Julio de 2005.
INTRODUCCION El análisis de las cimentaciones para torres al igual que para toda estructura es fundamental para el correcto funcionamiento de la misma en el devenir del tiempo. Difiere del resto de estructuras en que el principal efecto a que esta sometida es el momento de vuelco ocasionado por el empuje de viento, ya que son edificios ligeros y de gran altura, dando lugar a giros de las fundaciones que pueden llegar a ser irreversibles. Las cimentaciones por lo anterior deben ser diseñadas cuidadosamente tomando en cuenta los distintos parámetros como el tipo de suelos, la capacidad de carga, la altura de la torre, la profundidad de desplante, las dimensiones propias, el asentamiento etc.
OBJETIVOS -Aprender los conceptos fundamentales acerca de la ingeniaría de cimentaciones. -Conocer los principales factores que afectan el diseño de las cimentaciones para torres.
-Analizar el principal efecto al que están sometidas los cimientos de una torre, el cual es el momento de volcamiento. -Exponer los conocimientos estudiados, mediante la aplicación practica en un proyecto.
ASPECTOS GENERALES
¿QUE SON TORRES? Son las Estructuras utilizadas en Telecomunicaciones, sirven para la transmisión de energía eléctrica, así como la transmisión de señales, como en el caso de los teléfonos celulares. Existen diversos elementos que estas estructuras deben soportar, como antenas de transmisión y equipos para telecomunicaciones, entre otros.
La mayoría de estas estructuras son ligeras, por lo que en su diseño influyen mucho los esfuerzos que genera el viento, y debido a su poco peso el sismo es un elemento que no afecta mucho a estas estructuras.
ANALISIS DE CARGAS Carga Muerta.Antenas celulares, parábolas, feeders, cama guía de onda, escalera, plataforma Triangular y/o descanso (si procede). La carga muerta correspondiente al peso de las antenas se tomará directamente de la información proporcionada por el fabricante. Carga Viva.El personal para su instalación. Se considera generalmente 300kgs (3 personas de 100kg cada una).
Análisis de fuerzas de viento.Las cargas de viento se calculan generalmente por medio de un análisis dinámico. En el caso de las cargas de viento sobre la estructura, estas se obtienen por medio de fórmulas estipuladas en los reglamentos correspondientes para cada país, por ejemplo, en Estados Unidos se calcula por medio del reglamento AESC, en México por medio del reglamento de la CFE, en Argentina por medio del reglamento CIRSOC, en Nicaragua por medio del Reglamento Nacional de la Construcción RNC-83.
TIPOS DE TORRES Estas estructuras pueden variar según las necesidades y las condiciones del sitio en donde se vaya a colocar. Así, existen desde Torres Arriostradas (torres con tirantes), Torres Auto soportadas, Monopolos, mástiles, entre otras. Estas estructuras podrán ser de diversas alturas, dependiendo de la altura requerida para poder suministrar un correcto funcionamiento. También la geometría de una estructura, como una torre auto soportada por ejemplo, puede variar según el fabricante de la torre.
Torres Arriostradas o Atirantadas (Sobre Edificaciones) Estas torres cuentan generalmente de tirantes o arriostres a diferentes distancias. El peso que genera la torre sobre la estructura existente no es muy grande, por lo que no le adiciona mucho peso a la edificación, sin embargo, se deben de colocar el apoyo de las torre y sus arriostres sobre columnas y elementos resistentes, porque la descarga de la torre no podría colocarse sobre una losa o algún otro elemento inadecuado, porque este podría fallar. La base de la torre transmitirá un esfuerzo de compresión en donde está apoyada, y los arriostres generalmente transmitirán esfuerzos de tensión.
Torres Auto soportadas Estas torres se construyen sobre terrenos, en áreas urbanas o cerros, y deberán de contar con una cimentación adecuada para poder resistir las fuerzas a las que están sometidas. La geometría de estas torres depende de la altura, la ubicación y del fabricante de la torre.
Cimentación para Torre Auto soportada
Torres tipo Monopolo (por estética del lugar)
Estas estructuras son instaladas en lugares en donde se requiere conservar la estética, pues son las que ocupan menos espacio, y se pintan de algún color o se adornan para que se permita que la estructura se camuflajee y se simule la vegetación.
Como estas estructuras están sobre terrenos, se deberá de construir una cimentación adecuada para resistir los efectos de la misma.
Cimentación para Torre tipo Monopolo
CIMENTACIONES El objeto de una cimentación es proporcionar el medio para que las cargas de la estructura, concentradas en columnas o en muros, se transmitan al terreno produciendo en éste un sistema de esfuerzos que puedan ser resistidos con seguridad sin producir asentamientos, o con asentamientos tolerables, ya sean éstos uniformes o diferenciales.
En toda estructura es necesario distinguir dos partes principales: la superestructura y la subestructura. La superestructura, en el caso de edificios, es aquella parte de la estructura que está formada por losas, trabes, muros, columnas, etc. La subestructura es la parte de la estructura que sirve para transmitir las cargas de ésta al suelo de cimentación.
TIPOS DE CIMENTACIONES
ZAPATAS Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro, que tiene por objeto transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo.
Zapata individual o aislada
Zapata corrida o continua
Zapatas combinadas
Zapata en voladizo o cantiliver
LOSA DE CIMENTACION
Una losa de cimentación es una zapata combinada que cubre toda el área que queda debajo de una estructura y que soporta todos los muros y columnas. Cuando las cargas del edificio son tan pesadas o la presión admisible en el suelo es tan pequeña que las zapatas individuales van a cubrir más de la mitad del área del edificio, es probable que la losa corrida sea más económica que las zapatas.
SELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACION
¿Cómo escoger la cimentación más adecuada? Para la selección del tipo de cimentación más conveniente de acuerdo con las características mecánicas del suelo de desplante, y para que los asentamientos tanto totales como diferenciales queden dentro de los límites permitidos según el tipo de estructura.
El tipo de cimentación más adecuado para una estructura dada, depende de varios factores, como su función, las cargas que debe soportar, las condiciones del subsuelo y el costo de la cimentación comparado con el costo de la superestructura.
Al elegir el tipo de cimentación, el ingeniero debe dar los siguientes 5 pasos sucesivos: 1. Obtener cuando menos, información aproximada con respecto a la naturaleza de la superestructura y de las cargas que se van a transmitir a las cimentaciones. 2. Determinar las condiciones del subsuelo en forma general. 3. Considerar brevemente cada uno de los tipos acostumbrados de cimentación.
4. Hacer estudios más detallados y aún anteproyectos de las alternativas más prometedoras. 5. Preparar una estimación del costo de cada alternativa viable de cimentación, y elegir el tipo que represente la transacción más aceptable entre el funcionamiento y el costo.
FACTORES DE DISEÑO
ZAPATAS SUJETAS A MOMENTO Muchas cimentaciones deben resistir no solamente cargas verticales sino también momento con relación a uno o ambos ejes. El momento M puede darse en la base de una columna centrada donde se transmite a la zapata, o puede producirse por una carga vertical P situada excéntricamente a una distancia e del centroide de la base de la zapata.
El estudio de las zapatas con carga concéntrica no presenta dificultad, porque la presión en el suelo se considera uniforme. En contraste, el problema principal en el proyecto de zapatas con carga excéntrica, es la determinación de la presión en el suelo ya que esta no es uniforme, debido a la distribución lineal del esfuerzo.
CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE CIMIENTOS SIN REFUERZO. Para el cálculo de estos cimientos es necesario tomar en cuenta las condiciones de equilibrio en la base del cimiento. En el equilibrio de las fuerzas verticales la magnitud y el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre la base han de ser tales que el esfuerzo de compresión en la misma no exceda del esfuerzo admisible del terreno. En el equilibrio de las fuerzas horizontales la resultante de todas las fuerzas ha de formar con la normal al plano de la base un ángulo inferior al ángulo de rozamiento.
En el equilibrio de momentos el punto de aplicación de la resultante de todas fuerzas ha de caer dentro de la base para que haya seguridad al vuelco.
En el caso de las torres deben tenerse en cuenta los fenómenos de inestabilidad derivados de la ligera excentricidad de cargas inducidas por defectos constructivos, distribución interna o acciones exteriores, como el viento dando lugar a giros de la cimentación que puedan ocasionar la ruptura o el vuelco.
Las cargas de volteo que hacen que se ejerzan fuerzas excéntricas sobre los cimientos, son muy comunes en las estructuras sujetas a cargas de vientos o sísmicas (torres) o para los muros de contención. El método que más se usa para analizar las presiones de cimentación consiste en convertir la excentricidad en una presión de suelos de forma triangular.
Cuando la carga vertical P actúa fuera del centro de gravedad a una distancia e del eje de la base, es decir, la carga es excéntrica.
p 6* e 1 1 b* L b
p 6* e 2 1 b* L b
Si e =0 ;
p 1 b* L
p 2 b* L
2p 1 b* L
2 0
Si e = b/6 ;
Si e > b/6 ;
1 0
2 0
Esto significa que en el punto B hay esfuerzos de tensión y por lo tanto el cimiento se despega en dicho punto, dejando de trabajar ahí. La repartición de esfuerzos, en este caso, tiene lugar como se muestra:
Para que haya equilibrio se necesita que:
1 d1 L RP 2 Resolviendo se tiene que:
2P 1 3 a L
Para el caso de una estructura de gran altura (como una torre) hay que encontrar la resultante R de las fuerzas horizontales y verticales, y determinar el punto C de incidencia en la base, para descomponer en él la fuerza R en sus componentes horizontal y vertical. La componente horizontal Ph ha de ser contrarrestada por el rozamiento entre terreno y cimiento y por el empuje pasivo de las tierras (que comúnmente no se toma en cuenta). Pero en este caso no es suficiente la comprobación de la presión máxima, sino que hay que averiguar si cuando el punto de aplicación de la resultante cae fuera del tercio medio y, por consiguiente, sólo una parte de la base está en contacto con el terreno queda asegurada la estabilidad.
Seguridad al vuelco
Calculándose el momento al vuelco, o sea el momento del empuje respecto al punto de posible giro, que vale Ph * Df, y por otra parte el momento que a ello se opone, es decir P * m.
Pm F .S . Ph Df El cociente se llama seguridad al vuelco, y debe ser mayor de 1.5
Altura del cimiento Para conocer la altura h que se debe dar a un cimiento, generalmente se analiza una sección de falla que trabaja como ménsula, como sea precia en la figura.
Se tiene como condición que el momento flector es igual al momento resistente (ya afectado de un factor de seguridad); entonces:
X M F n X L 2 Finalmente:
h
R I R L h MR C 6
3 N X 2 n 1.73 X R R
2
PROYECTO:
TORRE DE TELEFONIA QUINTA NINA
MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURAL. DESCRIPCIÓN GENERAL. El proyecto consiste en el diseño y construcción de una torre de 42 mts de altura, destinada para el uso de transmisión de señal celular. Esta torre estará estructurada por componentes tubulares y perfiles laminados de acero, debidamente conectados e interactuando entre sí para las solicitaciones de cargas definidas en esta memoria. La torre estará ubicada de la Texaco Momotombo una cuadra al este, una cuadra al lago y 51 metros al este, en el barrio Quinta Nina, de la ciudad de Managua
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.
CONCRETO. Se usará concreto cuya resistencia a los 28 días de fabricado sea 280 Kg/cm² (4,000 psi), El peso volumétrico del concreto reforzado es de 2,400 Kg/m³ (150 lbs/ft³). ACERO DE REFUERZO. El acero de refuerzo longitudinal debe ser corrugado del tipo ASTM A-60, con un esfuerzo de fluencia fy = 4,200 Kg/cm2 (60000 psi) y un módulo de elasticidad Es = 2,100,000 Kg/cm2 (30,000 Ksi). En tanto, el acero transversal, tendrá las mismas características mecánicas que el longitudinal, pero con la excepción que se utilizarán varillas lisas en el caso de la n°2. El peso volumétrico del acero es de 7,850 Kg/m3 (490 lb/ft3 ).
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES. ACERO ESTRUCTURAL.
Se usará acero del tipo A-36 para platinas y otros perfiles laminados. Para el caso de elementos tubulares se utilizará acero del tipo A-50. SOLDADURA. Se usará soldadura para aceros con Fy =36,000 psi o menores, de la clasificación de electrodos según ASTM A-233, E-60xx, que tiene un esfuerzo admisible al cortante de 13.6 Ksi. En los perfiles de espesores delgados, se aplicará soldadura del tamaño del espesor del material base, la que alcanza una capacidad de 100 Kg/cm para 1/16".
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.
SUELOS. Conforme los estudios de suelo la capacidad mínima de soporte del suelo es de 2.2 Kg/cm². El peso volumétrico del suelo se considera igual a 1,500 Kg/m³.
CLASIFICACION DE LA ESTRUCTURA. Grupo:
1 (Torres para antenas)
Tipo:
3 (Elementos sustentados por una sola Hilera de columna. Estruc. Sin reserva funcional)
Grado:
B (Regular)
Zona:
6 (Managua, Nicaragua)
Cu 0.429
Para diseño por método de carga última.
0.429 Ce 0.3064 1.4
Para diseño por método elástico
CARGAS Y PESOS.
Cargas permanentes: Se consideró como cargas permanentes a las cargas gravitatorias originadas por el peso propio de la estructura, incluyendo el peso de las antenas que soporta.
Cargas de viento: Las cargas de viento aplicadas corresponden a las presiones de viento que actúan tanto en los angulares así como en los elementos tubulares que conforman la torre. Al mismo tiempo se asigna una carga de viento a los accesorios puntuales, en este caso representados por las antenas.
Cargas sísmicas: Las cargas sísmicas aplicadas corresponden al peso propio de la estructura orientado en 2 direcciones ortogonales de incidencia posible en un movimiento del terreno.
Combinaciones de Carga: 1. CM 2. CM + 0.71 Sismo X 3. 0.8 CM + 0.71 Sismo X 4. CM + Viento 5. 0.8 CM + Viento 6. CM + 0.71 Sismo Y 7. 0.8 CM + 0.71 Sismo Y
Modelo General
El análisis estructural se realizó para tres casos en los que la dirección de incidencia del viento varía y por tanto el comportamiento de los elementos estructurales experimentan cambios notables, diseñando los mismos para la condición más desfavorable.
Presión de viento actuante en la torre: 38.575 lb/ft2 ó 188.34 kg/m2
1er caso
2do caso
3er caso
MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURAL. (LOSA DE FUNDACION) DESCRIPCION GENERAL El proyecto consiste en la revisión de la fundación como estructura de soporte de una antena de 42 mts ubicada en el sector Quinta Nina. El sistema de fundaciones consistirá en una de losa de fundación diseñada para soportar las cargas verticales (axiales), horizontales (cortantes) y momentos flexionantes.
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.
CONCRETO Se usará concreto cuya resistencia a los 28 días de fabricado sea 210 Kg/cm2 (3,000 psi), con un módulo de elasticidad Ec = 2 10,000 Kg/cm2 (3,000,000 psi). El peso volumétrico del concreto reforzado es de 2,400 Kg/m3 (150 lbs/ft3). ACERO DE REFUERZO.
El acero de refuerzo longitudinal debe ser corrugado del tipo ASTM A-60, con un esfuerzo de fluencia fy = 4,200 Kg/cm2 (60000 psi) y un módulo de elasticidad Es = 2,100,000 Kg/cm2 (30,000 Ksi). En tanto, el acero transversal, tendrá las mismas características mecánicas que el longitudinal, pero con la excepción que se utilizarán varillas lisas en el caso de la n°2. El peso volumétrico del acero es de 7,850 Kg/m3 (490 lb/ft3 ).
SUELOS Se toma la recomendación del estudio de suelo a un desplante de 3.00 mts con valor de presión admisible de 2.2 Kg/cm2. El peso volumétrico del suelo se toma igual a 1,500 Kg/m3. CARGAS Y PESOS De las combinaciones más criticas se obtienen los siguientes resultados. (Análisis realizado en el Programa SAP-2000 V-9). Carga Muerta sobrecarga de tierra: 1500 kg/m3 x 3 mts = 4500 Kg/m2.
Cuadro de reacciones para Torre de Telefonía. Análisis por combinaciones. (Resultado obtenido SAP-2000) Combinación más Crítica Combo2 = CM + 0.71 SISMO X
Combo4 = CM + 0.71 VIENTO 0 deg.
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
1
9677.77
960.85
842.07
1
8136.36
730.85
1695.44
2
12646.16
1200.27
533.51
2
8208.68
706.7
1648.87
3
1303.6
161.2
549.94
3
20616.69
2406.73
2493.3
Combo3 = 0.8CM + 0.71 SISMO X
Combo5 = 0.8CM + 0.71 VIENTO 0 deg.
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
1
9981.75
984.88
811.05
1
8440.44
744.44
1698.74
2
12356.54
1176.39
564.36
2
8498.29
720.03
1651.23
3
1042.53
161.05
550.71
3
20356.06
2379.82
2476.7
Combo7 = 0.8CM + 0.71 SISMO Y
Combo6 = CM + 0.71 SISMO Y
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
Nodo
Axial (kg)
Cortante (kg)
Momento (kg-m)
1
4944.62
402.72
129.1
1
5248.7
416.31
125.8
2
5016.96
404.05
124.31
2
5306.57
417.37
121.95
3
14233.33
1515.55
1250.5
3
13972.59
1488.64
1233.91
La combinación más critica puede observarse que es la número 4. También podemos mencionar que el nodo más crítico es el nodo 3.
DISEÑO DE ZAPATA CUADRADA
Fy1 Fy2
P´ 20,617kg Fx1 Fx2
V ´ 2,407kg
M 1 M 2
2,493 kg m 2,407 kg3m P`e
9,714kg m 20,617kg e
e 0.47m
Pe b P M c P 2 P 6 P e P 1 6 e bL I bL 1 b L L b2 b L b L b3 12
1
20 ,617 kg 6 0.47 m 1 2 b b 1 n
n 22,000 kg
kg 3m 2 1,500 m m3 17 ,500 kg
m
2
b 1.7541m
n 17 ,500 kg
20 ,617 kg 6 0.47 m 1 b2 b
b 1.76m
m2
b 1.76m 0.293m 6 6
1
0.47m 0.293m 2
eb
6
20 ,617 kg 6 0.47 m 1 ; 1.76 m 1.76 m 2
20 ,617 kg 6 0.47 m 1 ; 1.76 m 1.76 m 2
1 17 ,347 kg
m2
2 4,035 kg
m2
Seguridad al vuelco
F .S .
F .S .
MR MA
20,617 kg0.88 m 2,407 kg3m 2,493 kg m
F.S. 1.8677
1.8677 1.50
F .S . 1.50
x
1.76m 0.60m 2
x 0.58m
MF MR
MF n x L
n x L R L h 2 6 2
h
3 n x2 R
2
L h3 R R I R L h2 12 MR h c 6 2
x 2
R h2 n x 3 2
2 3 17,500 kg 2 0.58m m h 30,000 kg 2 m
3 n x 2 h R 2
h 0.7673m
CONCLUSIONES El tipo de cimentación más utilizada para torres es por medio de zapatas aisladas, debido a la economía que esto representa; pero en el caso de que el suelo de cimentación sea altamente compresible (arcilla) se puede utilizar cimentaciones combinadas, tal es el caso de losa de cimentación. En los cimientos, en general, el esfuerzo de compresión generado por las cargas gravitacionales de la estructura es contrarrestada por el esfuerzo admisible del terreno (capacidad de carga).
El principal efecto a considerar en el diseño de cimientos para torres es el momento de volcamiento; esto es debido a que la mayoría de estas estructuras son ligeras, por lo que en su diseño influyen mucho los esfuerzos que genera el viento; por otra parte debido a su poco peso el sismo es un elemento que no afecta mucho a estas estructuras. Para contrarrestar este efecto es recomendable que los cimientos, en general, tengan un peso considerable, ya que esto se actuaría en oposición a la fuerza que tiende a volcar la estructura (fuerza de viento).
GRACIAS POR SU AMABLE ATENCION
