estructuras especiales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Departamento Académico de Estructuras

TRABAJO N° 1 CURSO

: EC216

SECCIÓN

: “G

DOCENTE

: Ing. Víctor Fernández Dávila

ALUMNOS

:

”

BARRETO MONTES, Anthony

20121141I

INOCENTE FLORES, Italo

20121002I

MELENDEZ LEON, Carlos

20122547I

FECHA DE ENTREGA : 09/04/16

LIMA - 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ESTRUCTURAS

INDICE .................................................................................................................................. ............................................................ 2 INTRODUCCIÓN ...................................................................... ........................................................................................................................................... ........................ 3 OBJETIVOS .................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ........................ 4 CONTENIDO ..................................................................................................................

1.

............................................................................................................................. ........................ 4 CHIMENEAS ......................................................................................................

2.

SILOS DE ALMACENAMIENTO ............................................................................................ 8

3.

............................................................................................................................. 11 CASCARAS ..............................................................................................................................

4.

............................................................................................................... .................................... 1 5 PUENTES EN ARCO ...........................................................................

5.

......................................................................................................... 1 8 TENSOESTRUCTURAS ..........................................................................................................

6.

ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS ........................................................................................... 22

7.

..................................................................................................................... 27 27 DESARENADOR .....................................................................................................................

8.

.................................................................................................................... 31 PUENTE CANAL .....................................................................................................................

.................................................................................................. ...................... 3 4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................

1


INDICE .................................................................................................................................. ............................................................ 2 INTRODUCCIÓN ...................................................................... ........................................................................................................................................... ........................ 3 OBJETIVOS .................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ........................ 4 CONTENIDO ..................................................................................................................

1.

............................................................................................................................. ........................ 4 CHIMENEAS ......................................................................................................

2.

SILOS DE ALMACENAMIENTO ............................................................................................ 8

3.

............................................................................................................................. 11 CASCARAS ..............................................................................................................................

4.

............................................................................................................... .................................... 1 5 PUENTES EN ARCO ...........................................................................

5.

......................................................................................................... 1 8 TENSOESTRUCTURAS ..........................................................................................................

6.

ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS ........................................................................................... 22

7.

..................................................................................................................... 27 27 DESARENADOR .....................................................................................................................

8.

.................................................................................................................... 31 PUENTE CANAL .....................................................................................................................

.................................................................................................. ...................... 3 4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................

1


INTRODUCCIÓN Las estructuras especiales es para los ingenieros civiles una de las prácticas de ingeniería más innovadoras pues se necesitan nuevos materiales o métodos de análisis que se pueden beneficiar directamente a la edificación. Una estructura especial tiene características arquitectónicas y estructurales únicas. En un primer instante es necesario conocer las diversas estructuras especiales que hasta ahora ahí y su conocimiento de diseño es esencial en la formación del estudiante de ingeniería pues se tiene perspectivas de diseñar obras civiles únicas y maravillosas. El presente trabajo mostrará mediante imágenes y esquemas las diversas estructuras especiales que hay en el mundo y podría muy bien desarrollarse en el Perú.

2


OBJETIVOS 





Familiarizarse con estructuras especiales que se aplican en la ingeniería civil, entendiéndose por aquellas estructuras que son complejas o no convencionales. Entender el uso de las estructuras especiales así como los criterios que se emplean en la modelación. Entender, evaluar y familiarizarnos con las normas que rigen para diseñar las estructuras especiales.

3


CONTENIDO 1. CHIMENEAS 

Uso de la estructura

Se definen como chimeneas a los conductos construidos para dar salida a la atmósfera libre a gases resultantes de una combustión para su dispersión en el aire ambiente.

Figura N° 1: Ejemplo de una chimenea



Criterios de análisis y diseño

En la definición de una chimenea intervienen fundamentalmente, los siguientes aspectos a analizar: -Sección interior, o de paso de gases. -Altura, ya sea:  

Para dispersión de gases en la atmósfera libre. Para la obtención de una depresión mínima determinada en su base.

-Tipo de material estructural (o externo). -Resistencia a las acciones externas. 

Viento y “vórtices de Kármán”.



Sismos.

-Cimentación: conocimiento de la geología del terreno. -Tipo de material de revestimiento interior. 

Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los gases.

4




Materiales

Hasta mediados del siglo XX, la mayor parte de las chimeneas se construían de ladrillo, conservándose hoy en día algunas chimeneas de ladrillo, verdaderas obras maestras de arquitectura industrial del pasado. Posteriormente, se utilizaron bloques prefabricados de hormigón, huecos, que se iban rellenando de hormigón y de las varillas correspondientes de acero para armar el conjunto a medida que se iba subiendo en altura. Por último, las técnicas actuales utilizan los encofrados deslizantes para la construcción de chimeneas (y silos) de hormigón armado. También se han utilizado y se siguen usando, las chimeneas metálicas de chapa de acero, que resultan ser, en muchas ocasiones, más económicas y fáciles de instalar. En muchos casos, como se verá más adelante, y en función de la calidad de los humos, se recubren interiormente con materiales refractarios resistentes al ataque químico de ciertos productos que acompañan a los humos.

Figura N°2: Chimenea de ladrillos

Figura N°3: Chimenea de concreto

5




Modelación

La modelación se realiza en 2D (vista en planta y de perfil con detalles de la sección de la chimenea) y 3D. 

Normas de diseño

Tenemos los siguientes:   

ACI 307, 1998 NORMA NCSE-02 CICIND, 1996 EC8-3 AND 1997 UBC CODES OF PRACTICE 

Herramientas computacionales

Tenemos los siguientes: 

ANSYS

F igu r a N ° 4: Uso del programa ANSYS 

ABAQUS

F igu r a N ° 5: Uso del programa ABAQUS

6




FLENT

F igu r a N° 6: Uso del programa FLENT 

Aspectos constructivos

En el aspecto constructivo se tiene en cuenta algunos aspectos tales como: 

Carcasa estructural

En la antigüedad se usaba los ladrillos. Actualmente se puede usar tanto concreto prefabricado o también acero. 

Revestimiento interno

Ladrillos resistentes a los ácidos o acero con espesor de 2-5 mm de espesor capaz de soportar hasta 500 ° C. 

Aislantes térmicos

F igu r a N ° 7: Esquema de la pared de chimenea

7


2. SILOS DE ALMACENAMIENTO 


Se usa para el almacenamiento de granos y cereales, la cual ayuda a que las pérdidas se reduzcan al mínimo y la calidad se conserve al máximo.

F i gu r a N° 8: Ejemplo de un silo de almacenamiento 


En el diseño de un silo de almacenamiento intervienen fundamentalmente, los siguientes aspectos a analizar: -Presiones en las paredes y hacia el fondo de la base de la base del silo.

F i gu r a N° 9: Presiones en un silo

-Esfuerzos circulares.

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

Materiales

Existen diversas estructuras para almacenar grano, pudiéndose clasificar éstas en función de diferentes criterios: de acuerdo con el material con el que se construye, hay silos metálicos, generalmente de hierro galvanizado, o de hormigón armado. Los silos de acero, normalmente se construyen con chapa lisa soldada (en caso de material líquido) o con chapa ondulada atornillada (cereales y materiales pulverulentos). También existen silos construidos con hormigón armado aunque éstos se utilizan para instalaciones de larga duración, cuando existe un elevado riesgo de corrosión o cuando les instalaciones son muy grandes. De acuerdo con el tipo de sección del silo, existen silos de sección circular (cilíndricos), pero también los hay de sección cuadrada, rectangular, etc. Otras clasificaciones se pueden establecer en función del material ensilado (cereales, materiales pulverulentos, o líquidos), o en función de si se disponen elevados con tolva o son de fondo plano. Los silos cilíndricos metálicos son los más utilizados. 

Modelación

La modelación se realiza en 2D (vista en planta y de perfil para el análisis de presiones) y 3D. 

Normas de diseño

Las más usadas son:  



ANSI-ASAE EP433-USA DIN 1055-Alemania EUROCÓDIGO 1-PARTE 4: silos y depósitos-Unión Europea.




Tenemos los siguientes: 

MIDAS CIVIL

Uso del programa MIDAS CIVIL F igu r a N ° 10: 

DIANA

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

FEM

F igu r a N ° 11: Uso del programa FEM 


La hermeticidad es la base de la tecnología que se aplica en el uso de los silos metálicos domésticos. Es la capacidad del silo para que su contenido quede completamente aislado. Esto previene que los insectos o la humedad penetren en el mismo o que los gases de la fumigación puedan escapar. Una buena soldadura con estaño/plomo es el medio más importante por medio del cual el hojalatero o el herrero pueden asegurar un sellado completo y permanente. Además, fortalece el silo y ayuda a evitar que los dobleces se abran cuando el silo se llena con grano.

Empleo de la soldadura en los silos de almacenamiento F igu r a N ° 12:

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3. CASCARAS 


Las cascaras o ingenierilmente conocidas como estructuras laminares, son aquellas que tienen un espesor muy reducido en relación con su superficie, estas estructuras tienen un mayor uso en construcciones en las cuales se quiera cubrir grandes espacios con estructuras livianas, además de ser más económicas su adecuado uso puede generar estructuras armoniosas y con una forma llamativa. Los ejemplos más comunes de este tipo de estructuras con las cúpulas en las iglesias:

Pabellón de los deportes – Roma F igur a N° 13: 


Las estructuras clásicas como vigas rectangulares de concreto armado deben su capacidad resistente a la flexión al par reactivo interno que se genera debido al concreto en compresión y el acero en tracción, que depende principalmente de su brazo de palanca. Pero en estructuras de poco espesor este brazo de palanca es mínimo por tanto las cascaras adquieren básicamente resistencia por su forma. La curvaturas de las cascaras permiten que la fuerzas actuantes, que generalmente son verticales (acción gravitatoria) se descompongan sucesivamente generando esfuerzos normales los cuales son absorbidos fácilmente por el material (concreto), ya que presenta buena resistencia este tipo de situaciones de carga. Entonces este tipo de distribución de las cargas actuantes hacen que se genere dentro de la estructura fuerzas normales y tangenciales entre fajas o secciones consecutivas de cascaras, este comportamiento estructural se le llama estado membrana y es por el cual analizaremos la estructura. Existen condiciones para considerar una estructura presenta un estado membranal:  

Estructura continúa y no debe presentar discontinuidades bruscas. Las cargas que soporta deben ser distribuidas a lo largo de toda la superficie

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

La lámina debe apoyarse en bordes continuos a lo largo de toda su longitud.

Estructura en estado membranal F igur a N° 14:

Para el diseño y análisis de cascaras de concibe una relación entre el espesor y el radio medio de curvatura < 1/100. En particular analizaremos el diseño de cascaras de revolución (cúpulas):

F igur a N° 15: Cascara de revolución

Para analizar y diseñar tenemos que calcular las reacciones en los paralelos y meridianos así podemos hallar la componente normal de la carga: Cada una de las N la calculamos mediante su formula 

Materiales

Los materiales más utilizados para la construcción de este tipo de estructura es el concreto, según el espesor y forma de la cascara varia la resistencia del concreto que utilizaremos. Antiguamente se utilizaban mesclas de concreto con yeso en construcciones de cúpulas de iglesias.

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Actualmente se están construyendo cascarones del tipo de cúpula con concreto y mallas de acero de refuerzo utilizando nuevos métodos constructivos, como chonchones inflados que le dan la forma a la cúpula o mallas de acero bañadas en concreto. Según el ACI el recubrimiento para cascarones es de 10mm. 

Modelación

Pueden ser modelados y analizados en 2D o 3D, dependiendo del tipo de cascaron que vayamos a analizar. Para cascarones o laminas cilíndricas podemos realizar un modelado en 2D, realizando un corte transversal al eje de la cascara 

Solicitaciones o cargas actuantes

Los cascarones se utilizan para cubrir grandes áreas por eso no con estructuras como losas o vigas que soportaran cargas verticales adicionales a su propio peso, por tanto las cargas vivas son reducidas. Las cargas bajo las cuales serán analizados los cascarones son su propio peso, viento que son las más desfavorables y por las cuales se debe plantear un buen diseño y sismo. 


Para analizar este tipo de estructuras es recomendable el uso del software solidworks para facilitar el diseño geométrico y luego se exporta al programa ANSYS para su posterior análisis, este software es recomendado para el análisis de cascarones.

Análisis del cascaron en el software ANSYS F igu r a N ° 16: 


Este tipo de estructuras requiere alto grado de cuidado en su construcción, además de la facultad inherente que tiene esta estructura para ser construida, debido a la curvatura de la superficie y lo irregular que resulta la cimbra y el encofrado.

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Se eleva el cimbrado mediante un sistema de andamios.

Colocación del cimbrado F i gu r a N ° 17:

Cimbrado – Sistema de andamios F igur a N° 18: Se encofra toda la estructura del cimbrado con maderas de baja longitud esto para poder seguir la forma de la estructura:

Colocación de la Madera de base F igu r a N ° 19:

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Sobre este se coloca la malla, que aportara resistencia y unión a la cascara y se coloca concreto por toda la superficie.

colocación de concreto por la superficie. F igu r a N ° 20:

4. PUENTES EN ARCO 

USO DE LA ESTRUCTURA

Los puentes en arco estructuralmente hablando son igual de competentes que otros tipos de puentes, pero la ventaja de estos es que desde el punto de vista estético los puentes en arco no tienen competencia, así pueden generar lugares de turismo en ciertas ciudades embelleciendo el paisaje. 

CRITERIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO

Para dimensionar un puente hay que considerar que la relación de Flecha/luz de un puente arco esta entre 1:4.5 a 1:6, es recomendable usar para los pendolones cables o unirlas con columna de concreto. El viento es uno de los mayores problemas y una de las principales cargas a tomar en cuenta uno de los métodos para solucionar este inconveniente es conectar mediante un cable horizontal los pendolones, así modificar la frecuencia natural de estos:

Cable horizontal conectado a los pendolones. F igur a N° 21:

Otro aspecto a analizar es la posibilidad que existe para que ocurra pandeo del arco que no puede ni debe ser ignorado, ya que el puente está sujeto a puertas axiales elevadas por lo cual existe una posibilidad de falla debido al pandeo. Podemos calcular el coeficiente C el cual nos ayuda a evaluar la fuera de pandeo.

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Coeficiente de pandeo F igu r a N ° 22: De esta tabla y unas ecuaciones podemos calcular la fuerza que origina pandeo. 

Materiales

Como todo puente, los materiales más utilizados para su construcción son el concreto y el acero, además que podemos usar también concreto preforzado para incrementar su resistencia a las cargas o disminuir el espesor de las piezas. Los estribos al igual que el arco principalmente son de concreto armado y los pendolones de acero.

Puente en arco con pendoles inclinados. F igu r a N ° 23: 

Modelación

De acuerdo a la configuración del arco o de los arcos, el modelamiento de la estructura será diferente, generalmente se toma un modelo en 2D de un arco con todas las estructuras que intervienen con ese arco y se encuentran en el plano a analizar, apoyado en ambos extremos con un apoyo fijo en un estribo y otro móvil o también ambos empotrados.

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De este modo el modelo en 2D sería más fácil de analizar, lo otro seria utilizar un programa de análisis estructural como el SAP 2000 en el cual también podríamos realizar el análisis tridimensional es cual resultaría más engorroso.

F igu r a N ° 24: Modelamiento en 2D de un puente en arco. 

Normativas de análisis y diseño

Para el diseño de la mayoría de puentes en Perú tenemos el Manual de diseño de puentes, presentado por el MTC. 


Una parte esencial por no decir la más importante durante el proceso constructivo de un puente en arco es la cimentación, en la que irán conectados los bordes del arco. Seguido con esto se construyen los estribos.

Construcción de Zapatas del puente. F igur a 25:

El arco se construye en voladizo en 2 frentes para esto se requerirá sistemas de atirantamiento provisional como sostenimiento de los arcos, servirán se sostenimiento hasta lograr conectar las 2 partes y el arco deje de trabajar como un volado.

F igu r a N ° 26: Construcción del Arco

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5. TENSOESTRUCTURAS 


Este tipo de estructuras generalmente se utilizan para desarrollar soluciones creativas para resolver coberturas de espacios con cualidades no convencionales, utilizando elementos atirantados que solo soportan cargas de tracción. Estas estructuras tensadas al igual que las cascaras permiten cubrir grandes luces sin requerir apoyos intermedios. Otros beneficios que nos aporta estas estructuras son que son ligeras, flexible y se adaptan a la formas más convenientes, generalmente son utilizadas como protección contra la lluvia e incidencia de los rayos solares.

Ligereza de la tenso estructura. F igu r a N ° 27: 


Para el diseño de esta estructura o de la mayoría de casos de estructura especiales se requiere un análisis exhaustivo del diseño que se llevara a cabo. Distintas condiciones de carga deben analizarse para asegurar la integridad estructural. La membrana de la cubierta se diseña para cargas de servicio, sean menores o iguales que lo esfuerzos admisibles del material. Estas estructuras sueles analizarse en su estructura más básica q son los cables tensados y no tensados. Para el cálculo y simplificando su análisis, el cable puede analizarse como un arco parabólico triarticulado invertido sometido a una carga uniformemente distribuida, a pesar que un cable correctamente analizado posee infinitas articulaciones

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Figura N°28: Análisis básico e isostático de un cable tensor Aplicando un análisis isostático podemos calcular el valor de la reacción horizontal y a partir de esto la fuerza necesaria en el tensor.



Materiales

Los materiales que se utilizan para este tipo de proyectos son materiales flexibles capaces de trasmitir grandes esfuerzos axiales, como: Textiles o membranas, PVC poliéster, etc. Además de estos materiales flexibles también utilizaremos cables de acero o torones como elementos tensores.

Ubicaciones de los Tensores, en una Tenso-estructura F igu r a N ° 29:

El material más común utilizado actualmente son membranas, tejidos de poliéster cubiertas por capas de PVC para aportarle resistencia.

Composición de una membrana de PVC. F igur a N° 30:

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

Modelación

Las estructuras flexibles, tales como: las mallas de cables, los tensigrid y las membranas (estructuras de tensión) son conocidas por la simplicidad de sus elementos, así como de su fácil ensamblaje. Debido a sus características físicas y para analizar su comportamiento, se modela la membrana como una malla de hilos, por ende se debe analizar los hilos volviéndolos rígidos atreves de 2 apoyos.

Sistemas de 2 hilos F i gu r a N ° 31:

Principio para el diseño de cubiertas F igu r a N ° 32:

Así si se desea un modelo más exacto se agregan más y más cable, hasta el límite de generar un tejido. La tensión que presenta cada cable de cada red se incrementa la presión en cada nudo, de este modo cada cable de la red se anclados a los apoyos y elementos capaces de soportar mecanismos de pretensión.

Tejido de doble curvatura F igur a N° 33:

Así un ejemplo del modelamiento de la estructura, tendríamos tejidos de hilos de doble curvatura.

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

Solicitaciones o cargas actuantes

Las cargas que soportaran esta estructura o las solicitaciones que esta tendrá y que deberán analizarse son las siguientes: viento y las cargas de pretensado aplicadas. Así se desprecian el peso propio, lluvia y carga de uso. Ya que no soportaran carga alguna sobre ella. 

Normativas de análisis y diseño

No existe ninguna normativa diferente regulatoria de carga de viento, que es la que mayor afecta a este tipo de estructuras, hecha para estas estructuras, ya que la flexibilidad inherente a las membranas introduce un pequeño grado de incertidumbre. Lo que se hace en estos casos es realizar análisis exhaustivos aéro-elasticos. 


Los software más utilizados en el diseño o análisis de estas estructuras son el solidwork que nos ayuda a facilitar el grafico de la membrana y así al asignarle un tipo de material y su propiedades mecánicas ubicar las áreas más críticas que tendrá la membrana así sabremos donde colocaremos los tensores y bajo qué carga de pretensado estará sometido. 


En la construcción de estas estructuras se presentan 2 partes más importantes, colocación y tensión de la membrana y la ubicación de los tensores y el soporte que estos tendrán. Primero se colocan los pilares en los que se ubicaran la membrana y luego los puntos de anclaje de los tensores, generalmente estos puntos de anclase son pilotes, si estos pueden soportar toda la tracción que general los cables tensores.

Tensor – pilote F igu r a N° 34: Le coloca la membrana sobre los soportes con ayuda de soportes que pueden unir además 2 cables tensores.

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Detalle de la unión de los cables tensores. F i gur a N° 35:

Con ayuda de un gato hidráulico se aplica fuerza en los tensores para llevarlos a su ubicación final y así la fuerza q soporte el tensor se aplique a la membrana generando fueras de tracción sobre toda su superficie, según se había diseñado.

6. ESTRUCTURAS NEUMÁTICAS 


Las estructuras neumáticas son aquellas conformadas por membranas , ya sean sustentadas o infladas por aire, con formas de curvaturas del tipo sinclásticas. Son estructuras livianas, flexibles y alcanzan su equilibrio mediante tracción pura. Se diferencian de las clasificadas como estructuras de tracción en la incorporación al sistema estructural de una acción sobre el sistema de cargas, provocada por la presión a la que se somete el aire confinado dentro de los elementos estructurales. Principales características:  

Se destacan por ser extremadamente livianas (del orden de 1 a 2 kg/m2) y su campo de aplicación puede llegar hasta los 100 m de luz sin apoyos intermedios. No requieren fundaciones importantes. 

Materiales

El tipo de tejido utilizado depende de la escala de la estructura. Para estructuras de pequeña escala se utilizan lonas naturales o sintéticas pintadas o revestidas, cuya vida media oscila entre 5 y 10 años. Tanto el algodón como los tejidos sintéticos tienen un peso y una resistencia similares, mientras que el plástico pesa mucho menos y también resiste menos. Para aumentar la resistencia y la impermeabilidad del algodón se suele revestir con vinilo. Para estructuras a gran escala se utilizan membranas más fuertes y gruesas como, por ejemplo, nylon, poliéster o fibra de vidrio protegidos con vinilo o teflón. El poliéster reforzado con PVC no se estira tanto como el nylon reforzado con vinilo, pero es mucho más fuerte y más duradero, ya que puede mantener su resistencia de 10 a 15 años frente a los 5 a 7 del nylon. En el caso de estructuras permanentes como estadios, la fibra de vidrio revestida con teflón proporciona mayor rigidez, menor deformabilidad, además de ser incombustible y autolimpiable y tener una vida mínima de 20 años. El teflón refleja aproximadamente el 75%

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del calor del sol y, como es traslúcido, disminuye la necesidad de luz artificial, aunque en invierno, se produce una gran pérdida de calor. A medida que va aumentando la escala de la estructura el tejido va estando sometido a tensiones mayores llegando a un punto en que debe reforzarse con un sistema de cables al que transfiere estas fuerzas.

Modelo de una membrana F igu r a N ° 36:

Cuando las membranas forman parte activa de la estructura portante (estructuras tipo tienda y estructuras neumáticas), las tensiones a que están sometidas bajo cargas de servicio contemplan un coeficiente de seguridad del orden de 3 a 7 veces con respecto a las tensiones de rotura. 

Comportamiento estructural

Las estructuras neumáticas pueden resolver la cubierta de superficies muy grandes sin apoyos intermedios, proporcionando, asimismo, la posibilidad de montar, desmontar y transportar la estructura con facilidad. En el caso de estructuras neumáticas comerciales el peso de las membranas (de 0.61 kg/m 2 para lonas a 1.53 kg/m 2 para textil revestido o 4.88 kg/m 2 para cubiertas de grandes estadios) es insignificante en comparación con las posibles cargas de viento y nieve. Como la compresión de la base la soportará una estructura rígida (paredes, pórtico, tierra), únicamente se necesita una presión de aire mínima para soportar el peso de la membrana y la posible carga de nieve, así como para estabilizarla frente a las posibles ráfagas del viento. Las estructuras más altas, por el contrario, deben resistir grandes presiones del viento, por lo que necesitarán presiones altas de aire para disminuir las deformaciones. Cuando el perfil de la estructura sea cilíndrico o esférico, de considerable altura, la carga de nieve deja de ser crítica, ya que el viento tirará la nieve al suelo, ayudado por el calor que despide la superficie que la derretirá. Sin embargo, en las cubiertas más achatadas, el efecto de la nieve es más crítico. Las fuerzas de membrana pueden disminuirse reduciendo la curvatura y creando nervaturas con cables o pilares a tracción. Estas fuerzas dependen por tanto de las dimensiones y forma geométrica de la estructura.

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Tipos de estructuras neumáticas a) Estructuras soportadas por aire Las estructuras neumáticas soportadas por aire se caracterizan por una geometría propia y por estar pretensadas por medio de la presión del aire interior, mayor que la presión atmosférica, para poder soportar las cargas exteriores que las comprimen. La membrana se anclará siempre a lo largo de su perímetro para evitar que se levante, ya que se trata de una estructura que va en contra de la gravedad. La magnitud de la presión de diseño dependerá de las condiciones de carga (viento, nieve, etc.), del tamaño de la estructura y de su estanqueidad (número de puertas y ventanas, fugas, etc.).

Ejemplo de estructura soportada por aire. F i gur a N° 37:

b) Estructuras con aire a presión En este tipo de estructura neumática, el aire a presión infla formas que se utilizan para crear la envolvente del edificio. Estas formas son arcos, vigas, pilares, paredes, etc. La presión necesaria debe ser mayor, ya que se utiliza para crear formas que soporten las cargas comportándose como si fueran elementos rígidos. Por ese motivo, los materiales que componen las membranas deben ser más resistentes. Hay dos tipos de estructuras con aire a presión: - Sistemas tubulares formados por elementos lineales inflados de fuerte curvatura en una dirección y que van conformando el espacio por traslaciones sucesivas del elemento (pilares, arcos, vigas). - Sistemas de doble pared o colchón de aire que forman paredes, forjados o cubiertas. Las dos membranas se unen mediante hilos o diafragmas.

F i gu r a N ° 38: Sistemas estructurales con aire a presión

24




Criterios de diseño y cálculo de la tensión de la membrana

El método más apropiado para determinar las formas de la estructura neumática es utilizar modelos hechos con películas de jabón, cuyos espesores varían entre 0,1 a 1 µm. (1 micrómetro (µm) = 10-6 metros). - En el caso de una superficie esférica de radio r, la tensión de la membrana valdrá:

 =    Donde: p= sobrepresión interi or.

- Para superficies de doble curvatura sinclásticas, la tensión en un punto cualquiera de la

membrana valdrá:

 =  + 

 

Donde r1 y r2 son los radios correspondientes a las curvaturas principales (máxima y mínima) en el punto de análisis.

F i gur a N° 39: Curvas principales en el punto de análisis

Aspectos constructivos a) PATRONES DE CORTE (PATRONAJE) 

Es una forma de materializar la superficie proyectada, tanto en las estructuras neumáticas como en las estructuras tensadas. En las estructuras proyectadas cuyas superficies poseen doble curvatura, éstas no son desarrollables y además, el ancho de la membrana que se fabrica va desde 1,50 a 1,60 m llegando en algunos casos a 4,70 m. Esto hace que las mencionadas superficies de doble curvatura se deban conformar con una sucesión de polígonos (fundamentalmente triángulos, cuadrados, rectángulos, trapecios) dispuestos de forma tal que espacialmente conformen la superficie proyectada, cosidos unos a otros y completamente tensados, a efectos de eliminar completamente la desagradable vista de sectores arrugados o encuentros "fruncidos" o semiplegados que distorsiones la imagen de una superficie continua y envolvente que se busca con este tipo de diseño. Actualmente existen satisfactorios software que permiten optimizar este trabajo.

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F igu r a N° 40: Patrones de corte-semiesfera

Patrones de cortes-planta F i gu r a N ° 41:

rectangular

b) UNION DE MEMBRANAS

Figura N°42: Uniones cosidas

Figura N°43: Uniones pegadas

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7. DESARENADOR 

Uso estructural

Los desarenadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar. Este material ocasiona perjuicios a las obras. El dimensionamiento de esta obra se fundamenta en dos condiciones: 



Deberá permitir la retención del material sólido que tenga diámetros mayores al diámetro máximo permitido por las condiciones de escurrimiento de la estructura de conducción. Los sedimentos atrapados deberán ser rápidamente evacuados durante las operaciones de limpieza.

Figura N° 44: Esquema del desarenador 

Materiales

Concreto simple: Es una mezcla de cemento Portland, agregado fino, agregado grueso y agua. En la mezcla el agregado grueso deberá estar totalmente envuelto por la pasta de cemento; el agregado fino deberá rellenar los espacios entre el agregado grueso y a la vez estar similarmente recubierto por la misma pasta, la que deberá saturar los últimos vacíos remanentes. Concreto armado: Se denomina concreto armado al concreto simple cuando lleva embebido armaduras de acero como refuerzo y que está diseñado bajo la hipótesis de que los dos materiales trabajan conjuntamente, actuando la armadura para soportar esfuerzos de tracción o incrementar la resistencia a la compresión del concreto. Tuberías y accesorios: Los accesorios más comúnmente usados son: - Compuertas de regulación de caudal: Se utilizan válvulas de compuerta o de bola. - Tubería para drenaje: Tuberías de PVC.

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


Trazo y replanteo : 



Para el trazo de las estructuras a construirse se debe ceñir estrictamente a las recomendaciones del proyectista, en especial en cuanto a la orientación de las entradas y salidas. Se debe ubicar por lo menos un punto referencial acotado, que permita verificar los niveles y cotas establecidos en el expediente técnico.

Movimiento de tierras: 



 

Las excavaciones para las estructuras serán efectuadas de acuerdo a las líneas, rasantes y elevaciones indicadas en los planos y conforme a estudios previos del suelo. Las dimensiones de las excavaciones serán tales que permitan colocar en todas sus dimensiones las estructuras correspondientes. En las excavaciones para estructuras, se verificaran las condiciones de las plataformas a nivel de su cimentación con respecto a la capacidad portante del suelo, sus aspectos geológicos y geotécnicos y su contenido de sales. Las excavaciones no deben efectuarse con demasiada anticipación a la construcción o instalación de las estructuras, para evitar derrumbes y accidentes. El material sobrante excavado, si es apropiado, podrá ser acumulado y usado como material selecto o seleccionado para relleno, y el no apropiado será eliminado, efectuando el transporte y depósito hacia lugares donde se cuente con el permiso respectivo.

Obras de concreto: Los andamiajes y encofrados deberán tener buena resistencia para soportar con seguridad el peso, la presión lateral del concreto y las cargas de construcción. Los encofrados serán herméticos a fin de evitar la pérdida de lechada y serán adecuadamente arriostrados y unidos entre sí a fin de mantener su posición y forma. Los encofrados serán debidamente alineados y nivelados de tal manera que formen elementos en la ubicación y de las dimensiones indicadas en los planos. Estructuras de concreto simple 

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Este rubro comprende el análisis de los elementos de concreto que no llevan armadura metálica. Involucra también a los elementos de concreto ciclópeo, resultante de la adición de piedras grandes en volúmenes determinados al concreto simple. Los cimientos corridos serán de cemento ciclópeo fabricado con una mezcla de cemento –hormigón, proporción 1:10 con 30% de piedra grande no mayor de 8”, esta dosificación deberá respetarse asumiendo el dimensionamiento propuesto en el plano de cimentaciones. En todo caso, deberá aceptarse una resistencia a la compresión equivalente a 100 Kg/cm2, como mínimo, a los 28 días de fragua.

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Los sobrecimientos serán de concreto simple fabricado con una mezcla de cemento y hormigón, proporción 1:8 con 25% de piedra mediana no ma yor de 3”. La mezcla será preparada mecánicamente y será vaciada sin excesivo manipuleo.

Estructuras de concreto armado 

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No se usaran las barras con ondulaciones o dobleces no mostrados en los planos, o las que tengan fisuras o roturas. El calentamiento del acero se permitirá solamente cuando toda la operación sea aprobada por el inspector o proyectista. La colocación de la armadura será efectuada en estricto acuerdo con los planos y con una tolerancia no mayor de 1 cm. Ella se asegurará contra cualquier desplazamiento, por medio de amarres de alambre ubicados en las intersecciones. El recubrimiento de la armadura se logrará por medio de espaciadores de concreto tipo anillo u otra forma que tenga un área mínima de contacto con el encofrado. Los concretos serán preparados de acuerdo a la norma técnica respectiva, debiéndose comprobar la resistencia especificada mediante las pruebas de testigos. El transporte y vaciado del concreto se hará sin que se produzca la disgregación de los materiales que lo componen. - Se debe tener especial cuidado para el curado del concreto, ya que será el único medio que le permita alcanzar la resistencia especificada.

Tuberías y accesorios de medición y control: 

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Los vertederos pueden ser fabricados de madera, pero se sugiere, preferiblemente utilizar placas de acero o material sintético. La descarga del vertedor es medida, registrando la altura de la lámina de agua por arriba del punto más profundo sobre la cresta del vertedero. La altura de la lámina de agua, es función del caudal y del ángulo formado en la escotadura del vertedero. Una reglilla graduada de medición colocada a una distancia mínima de 6 HA (medidas aguas arriba del vertedor) y marcadas con diferentes colores facilitará l as mediciones.

Revoques y enlucidos:  

Las caras interiores serán enlucidas empleando preferentemente aditivo impermeabilizante aprobado por la supervisión. En caso de utilizar impermeabilizante el enlucido consistirá en 2 capas: la primera de 1 cm. de espesor, preparada con mortero de cemento, arena en proporción 1:3 y el aditivo impermeabilizante y la segunda con mortero 1:1 preparado igualmente con el aditivo.

Criterio de análisis y diseño El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años. El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento. El periodo de operación es de 24 horas por día. 

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Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada. La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´. La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin, V=1m/s). La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva pues produce velocidades altas en los lados de la cámara. La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20. La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente en régimen laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0). La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000. La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de Reynolds mayores de 1 000.

F i gur a N° 45: Aplicación de fórmulas respecto al tipo de material del suelo. 

La descarga del flujo puede ser controlada a través de dispositivos como vertederos (sutro) o canales Parshall (garganta).

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8. PUENTE CANAL 


El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. La depresión puede ser otro canal, un camino, una vía de ferrocarril o un dren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad.

Figura N°46: Esquema de un puente canal 

Criterio de diseño

El diseño del conducto elevado por condiciones económicas debe ser del menor ancho posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcritico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles se diseña para condiciones cercanas a las críticas. Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones:

  = √   ∗ √ 

Igualando ambas ecuaciones se obtiene: De esta ecuación, se despeja b:

=

De la ecuación 10-14, como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para calcular b, se requiere conocer Emin. Entonces se toma como una aproximación de Emin el valor de E4calculado como:

   =  + 2 = Calculado el valor crítico de b critico (con la ecuación anterior), para propiciar un flujo subcritico en el conducto, se toma un valor mayor que este. Un valor mayor del ancho de solera reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el conducto. Resulta aceptable que la curva de remanso afecte el 10% del borde libre. En resumen, para definir el ancho del conducto, se calcula b utilizando la ecuación anterior, luego se amplía su valor en forma adecuada, recordando que un valor disminuye el efecto por curva de remanso, pero disminuye la velocidad en el conducto.

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Calculo de transiciones. La transición a la salida, para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es: la ecuación (10-3)

Donde: -

T1=b= ancho de solera del conducto. T2= espejo de agua del canal

La transición de entrada se diseña en forma similar, siendo: -

T1= espejo de agua en el canal. T2=b= ancho de solera del conducto.

Calculo de pérdidas en las transiciones: estas pérdidas se calculan con la ecuación siendo v1 > v2, y utilizando la tabla 10.1, para los valores Ke y Ks, coeficientes de entrada y salida respectivamente. Calculo de los efectos de la curva de remanso: el efecto de la curva de remanso incide en los tirantes de las secciones 1, 2, 3 y 4. Calculo de y3, (y en la sección 3) al aplicar la ecuación de la energía.

Donde: Calculo de y2, aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 2 y 3 :

Donde:

Calculo de y1, aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 1 y 2:

Donde:

∆1− =., la ecuación anterior se resuelve por tanteos y se determina y1. 32


Cálculo de la altura de remanso, esta altura será producida por: Hremanso = y1- y4 

Criterio de análisis y diseño

Tenemos los siguientes aspectos:  GEOTECNIA

- Sondeos en ambos márgenes del canal, con una profundidad máxima de 100 metros. - Sondeos en la roca. - Perfiles de refracción sísmica en ambas costas. - Ensayos de laboratorio.  ESTUDIOS MARINOS

- Estudio de mareas. - Estudios de corrientes. - Estudios de oleaje. - Estudio de tsunami.  ESTUDIO SISMICOS

No solamente condiciones resistentes para el sismo máximo esperable, sino que también se exigen condiciones de servicio en la estructura para un sismo algo menor cuya probabilidad de ocurrencia a lo largo de la vida prevista de la estructura es mucho mayor.  ESTUDIO DE VIENTO  CONDICIONES FUNCIONALES

Tipo y dimensiones de los servicios que deben transportar el puente, o el gálibo mínimo necesario.

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estructuras especiales

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