“INGENIERÍA DE DETALLES RAMPAS SENO ÚLTIMA ESPERANZA, XII REGIÓN”
MEMORIA DE CÁLCULO RAMPA PTO. NATALES
MAYO 2005
LOS CASTAÑOS Nº 199 - FONO (32) 682131 - FAX (32) 977883 - VIÑA DEL MAR e-mail
[email protected]
REPÚBLICA DE CHILE MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS DIRECCION DE OBRAS PORTUARIAS
“INGENIERÍA DE DETALLES RAMPAS SENO ÚLTIMA ESPERANZA, XII REGIÓN”
MEMORIA DE CÁLCULO RAMPA PTO. NATALES
MAYO 2005
CONTROL INTERNO Elaboró
Revisó
Aprobó
Revisión
Observaciones Nomb Nombre re Fech Fecha a
Firm Firma a
Nomb Nombre re Fech Fecha a
Firm Firma a
Nomb Nombre re
Fech Fecha a
Firm Firma a
A
GDJ
10.02.05
JSC
10.02.05
JSC
10.02.05
B
GDJJ GD
28.03 8.03.0 .05 5
JSC JSC
29.0 29.03. 3.05 05
JSC JSC
29.0 29.03. 3.05 05
C
GDJJ GD
25.05 5.05.0 .05 5
HVB
26. 26.05. 05.05
JSC JSC
26.0 26.03. 3.05 05
CLIENTE: MOPTT
CÓDIGO PROYECTO:
UNIDAD: DOP
P200403
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INDICE CONTENIDO
PÁG.
1.
INTRODUCCION....................... INTRODUCCION...... ................................. ................................ .................................. .................................. ................................. ................................ ............... 1
2.
ANTECEDENTES ANTECEDENTES .................. ........................... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. ................... ................ .......... 3
3.
PARÁMETROS PARÁMETROS DE DISEÑO......... DISEÑO .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................... .................. ........... 4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
4.
EMBARCACIONES DE DISEÑO .................. ........................... ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. ............... ...... 4 ESTADOS DE C ARGA ................................. ................. .................................. .................................. .................................. .................................. ......................... ......... 4 COMBINACIONES DE C ARGA ................... ............................ ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. ............... ...... 6 M ATERIALES................................. ................. .................................. .................................. .................................. .................................. .................................. ..................... ... 7 P ARÁMETROS DE ............................ .................. .................. ................... .................. ................... ................... ............ ... 7 DE DISEÑO DEL DEL SUELO ..................
RAMPA ................... ............................. .................. .................. ................... .................. .................. ................... ................... .................. ................... ................... ............... .............. ........ 8 4.1 ANÁLISIS ESTRUCTURAL .................................. ................. ................................... ................................... ................................. .................................. ...................... 8 4.1.1 Análisis Sísmico .................. ........................... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. ............ ... 8 4.1.2 Modelo Estructural................. Estructural........................... ................... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................. ....... 12 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 4.1.2.4
Suelo ............................. .......................................... ........................... ............................ ............................. ............................. ........................... .................... ....... 12 Pilotes ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ........................... ........................... ................... ..... 13 Vigas ............................ .......................................... ........................... ........................... ............................ ............................ ............................. ...................... ....... 13 Losa .......................... ........................................ ............................. ............................ .......................... ........................... ............................. ......................... .......... 13
4.1.3 Fuerzas Resultantes.................. Resultantes............................ ................... .................. ................... ................... ................... ................... .................. ............ ... 14 4.2 DISEÑO ................................ .............. .................................. .................................. ................................... .................................. ................................... ........................... ......... 15 4.2.1 Diseño de elementos de Hormigón Armado ................... ............................. ................... ................... ................... ........... .. 15 4.2.2 Diseño de elementos e lementos de Acero .................. ........................... .................. ................... ................... ................... ................... .............. ..... 15 4.2.2.1 Diseño de Conectores de Corte ........................... .......................................... ............................. ........................... ...................... ......... 17
4.2.3 Control de Deformaciones...................... Deformaciones................................ .................. .................. ................... ................... ................... .................. ......... 20 4.2.4 Control de Grietas ................... ............................ .................. ................... ................... ................... ................... .................. .................. ............... ...... 21 4.2.5 Cálculo de Ficha y rechazo de Pilotes ................. ........................... ................... ................... ................... .................. ............. .... 22
5.
SISTEMA DE DEFENSA ................. ........................... ................... .................. ................... .................. .................. ................... .................. .................. ............... ...... 28 5.1 C ÁLCULO DE FUERZA DE ATRAQUE Y DEFENSA .................. ............................ .................. .................. ................... ................... .............. .... 28 5.2 DISEÑO VIGA PORTA DEFENSA VH1........................... VH1.................................... .................. ................... ................... .................. ................... ............ .. 31
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APÉNDICES Apéndice Nº 1: Diseño de elementos elementos de Hormigón Armado Apéndice Nº 2:Control de Grietas Apéndice Nº 3:Reporte de entrada y salida salida de la Rampa
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1.
INTRODUCCION La Dirección de Obras Portuarias del Ministerio de Obras Públicas ha contratado con GSI Ingenieros Consultores Ltda., el desarrollo deL proyecto de “Ingeniería de Detalle de las Rampas Seno Última Esperanza”. La presente memoria recopila los criterios de diseño y cálculos efectuados para la realización del proyecto de la rampa de Puerto Natales, específicamente. La rampa se proyecta en la ribera Este del Canal Señoret, y sus coordenadas geográficas 51º43’56” Latitud Sur y 72º30’46” Longitud Oeste. La rampa consiste en una losa de hormigón apoyada sobre un estructura formada por vigas y pilotes de acero. Tiene una longitud de 68 m de largo y 6,9 de ancho. Estos cálculos tienen como objeto establecer las dimensiones de pilotes, vigas, losas, armaduras, defensas y muro estribo. Las Figura Nº 1 y Figura Nº 2 muestran la forma de la rampa.
Figura Nº 1: Planta y Elevación de la Rampa.
Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
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Figura Nº 2 : Corte transversal de la Rampa.
Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
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2.
ANTECEDENTES El trabajo considera los antecedentes recogidos e n los siguientes documentos: •
Términos de Referencia entregados por la DOP, para el proyecto “Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región”.
•
Informe Técnico “Estudio Conceptual de Maniobrabilidad”, preparado por GSI Ingeniería, Diciembre 2004.
•
Informe Técnico “Estudio y Reconocimiento geotécnico del Subsuelo Marino”, preparado por Mecánica de Suelos Ramón Carrasco Poll, Febrero 2005.
•
Informe Técnico GOM-NAT 235/0504, “Levantamiento Topográfico, Batimétrico y determinación de Línea de Playa”, preparado por GEOMAR Ingeniería, Mayo 2004.
•
Informe Climatológico con datos de Presión máxima y mínima registrados durante el año 2003 en la Estación Meteorológica de Pta. Arenas.
•
Registro Viento Capitanía de Puerto Natales, Año 2003.
•
Catálogo de productos marinos SHIBATA, 2ª edición.
•
Catálogo del sistemas de defensas FENTEK.
•
Normas Chilenas NCH 433, NCh 2369, NCh 427 y los códigos extranjeros ACI 31 8 y AISC-ASD 89.
•
Technical Standars for Port and Harbour Facilities in Japan.
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3.
PARÁMETROS DE DISEÑO
3.1
Embarcaciones de diseño De acuerdo a los Términos de Referencia y al Estudio Conceptual de Maniobrabilidad se utilizan dos naves de diseño, una máxima correspondientes a las naves de mayor calado para las cuales se proyectó la rampa y otra mínima que refleja las dimensiones de las actuales naves en operación. A continuación se muestran las características de ambas embarcaciones: •
•
3.2
Nave de Diseño Máxima: o Portalón : Eslora : o Manga : o Calado : o
6,6 m x 5 m 70,0 m 15,0 m 2,0 m
Nave de Diseño Mínima: Portalón : o Eslora : o Manga : o Calado : o
L = 3,92 m 19,08 m 5,2 m 0,73 m
Estados de Carga De acuerdo a los términos de referencia el muelle se debe calcular para los siguientes estados de cargas: •
D: Peso Propio de todos los elementos que forman la estructura (Vigas, losa y pilotes)
•
L: Este corresponde a las cargas vivas, donde está incluida la sobrecarga uniforme sobre la rampa, la que a su vez se proyecta sobre la tablestaca y forma parte del empuje activo. También incluye las cargas móviles, que en este caso corresponde al paso de un camión. o
Sobrecarga estática: 600 kg/m 2
o
Sobrecarga sísmica: 300 kg/m 2
o
Camión: Corresponde a la carga ejercida por un camión HS 20-44 sobre la rampa (ver figura Nº 2).
Para el caso de las sobrecargas, se usaron como antecedentes las sobrecargas utilizadas en el proyecto “Ingeniería de Detalles, Reposición Rampas en Punta Delgada y Bahía Azul, Primera Angostura, XII Región”, realizado por este mismo consultor. Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
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SISMO: La acción sísmica se evalúo a través de un análisis elástico estático, actuando en sentido longitudinal (X) y perpendicular al cabezo (Z). El peso sísmico de la estructura incluye el Peso Propio de la losa, vigas y pilotes (se considera la mitad de la altura libre de los pilotes para el cálculo de la masa sísmica). El cálculo del coeficiente sísmico se describe en el ítem 4.1.1.
•
CM: Carga móvil correspondiente al paso de un camión HS 20-44 + 20%, según lo estipulado por el Manual de Carretera en el punto 3.1003.202 (ver Figura Nº 3). Además se considera un coeficiente de impacto de 30%. Este coeficiente se aplica para el diseño de la losa, vigas y cabezales de pilotes. No se aplica el coeficiente para el diseño de los elementos estructurales bajo los cabezales de los pilotes y para la verificación y control de fisuración de losas y vigas de tablero.
Figura Nº 3: Camión AASHTO HS 20-44 + 20%
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•
3.3
FA: Fuerza de atraque de 27,6 ton, correspondiente a la reacción máxima que se produce en el sistema producto del atraque de la nave de diseño máxima (ver Capítulo 5).
Combinaciones de Carga Se utilizaron las siguientes combinaciones de carga según lo descrito en la norma extranjera ACI 318-99, para el diseño de elementos de hormigón armado mediante el método de cargas últimas, y en las normas Chilenas NCh 427, NCh 433 y NCh 2369, para el diseño de elementos de acero mediante el método de tensiones admisibles. Tabla Nº 1: Combinaciones de carga método de cargas últimas.
Combo Horm 1 Horm 2 Horm 3 Horm 4 Horm 5 Horm 6
D 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3
L 1,7 1,17
CM 1,7 1,17
SISMO X
SISMO Z
FA 1,7
1,3 1,3 -1,3 -1,3
Tabla Nº 2: Combinaciones de carga método de tensiones admisibles. Combo
D
L
CM
Acero 1 Acero 2 Acero 3 Acero 4 Acero 5 Acero 6 Acero 7 Acero 8 Acero 9 Acero 10 Acero 11 Acero 12 Acero 13 Acero 14
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
SISMO X
SISMO Z
FA
1,0 1,0 -1,0
1,0 -1,0 0,3 0,3 1,0 -1,0 -0,3 -0,3
Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
1,0 -1,0 0,3 0,3 1,0 -1,0 -0,3 -0,3 1,0 -1,0
% tens. Ad.
100% 100% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133% 133%
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3.4
3.5
Materiales Para la construcción del muelle se ocuparán los siguientes materiales: •
Hormigón: Losa : H-30 con 95% de nivel de confianza, f’ c = 250 kg/cm2. o
•
Acero de refuerzo: o Losa: A 63-42 H, con f y = 4.200 kg/cm 2.
•
Acero estructural: Pilotes y vigas: A 37-24 ES, con f y = 2.400 kg/cm 2. o
Parámetros de diseño del suelo A continuación se muestran los parámetros del suelo según el Informe de Sondeos Geotécnicos de la referencia. Tabla Nº 3: Parámetros del suelo. Sondaje 1 Horizonte Espesor Características
Unidad m
Densidad saturada (γsat)
T/m3
Coeficiente de Cohesión (C) Ángulo de fricción Interna (Φ)
T/m2
Horizonte Espesor Características
I
II
0 – 0,95 Fango marino
0,95 – 4,25 Arenas finas densas no plásticas saturadas
1,94
Densidad saturada (γsat)
T/m3
Coeficiente de Cohesión (C) Ángulo de fricción Interna (Φ)
T/m2
IV 5,05 Suelo fino arcilloso plasticidad media
2,31 0,1
º
Unidad m
III 4,25 – 5,05 Gravas arenosas
38
I
Sondaje 2 II
0 – 2,07 Fango marino
2,07 – 7,22 Suelo fino, muy suelto, limo blando (fango)
1,5
º
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34
III 7,22 – 12,67 Suelo fino arcilloso de consistencia baja saturada
IV 12,67 – 17,07 Arena mal graduada de grano fino, compacidad media a alta, saturado
1,7
2,1
21
36
7
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4.
RAMPA
4.1
Análisis Estructural La estructura se ha analizado mediante un modelo tridimensional basado en marcos rígidos formados con vigas y pilotes de acero y una losa considerada como diafragma rígido y modelada con elementos finitos en el p rograma Staad Pro 2003. La flexibilidad del suelo de fundación se modeló mediante resortes de rigidez concordantes con los antecedentes disponibles de suelo. Se analizó la rampa y la losa de traspaso de forma separada, debido a que estas estructuras se concibieron dilatadas. A continuación se hace una breve descripción de cómo se modelo cada uno de los elementos.
4.1.1
Análisis Sísmico Como ya se mencionó en esta memoria el análisis sísmico de la estructura e emplea el método elástico estático descrito en la norma NCh 2369. Para esta estructura se calculó el coeficiente sísmico en las dos direcciones principales, transversal y longitudinal a la rampa. A continuación se muestran los períodos fundamentales en estas dos direcciones: •
Τ* = 0,616 seg
Dirección longitudinal a la rampa.
•
Τ* = 0,519 seg
Dirección transversal a la rampa.
En cuánto al peso sísmico este considera el peso propio del tablero, más la mitad del peso propio de la altura libre de los pilotes y más el 50% sobrecarga. Este peso se distribuyó en la superficie del tablero en la dirección del sismo en análisis. En las combinaciones de carga se agregó una que tomara en cuenta la acción conjunta de un sismo en una dirección más el 30% del sismo en la otra dirección. El peso sísmico de la estructura se calculó con el Staad Pro y es el siguiente: P = 374.733,4 kg De acuerdo a lo valor obtenidos para los coeficientes sísmicos, cuyo calculo se muestra a continuación, se tiene los siguientes valores para los cortes basales: Superficie Tablero = 66,54 x 6,90 = 459,13 m 2 P = 374.733,4 / 459,13 = 816,2 kg/m 2
Sentido Longitudinal (dirección X) C = 0,11 Q0 = 0,11 x 816,2 = 89,8 ≈ 90 kg/m2 Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
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Sentido Transversal (dirección Z) C = 0,15 Q0 = 0,15 x 816,2 = 122,4 ≈ 123 kg/m2
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CÁLCULO DE COEFICIENTE SÍSMICO DEL CABEZO, SEGÚN NCh 2369 of. 2002 DIRECCIÓN LONGITUDINAL A LA RAMPA g=
9,81 m/s2
Aceleración de gravedad.
Zona Sísmica :
1
A0 =
1,96
Tipo de Suelo :
3
Τ' =
0,62 1,80
n= R=
5
ξ =
0,05
Τ* =
(Tabla 5.2) seg
(Tabla 5.4)
Edificios y estructuras de marcos dúctiles de acero (Tabla 5.6) con elementos no estructurales dilatados. (Tabla 5.5)
0,618 seg
Período fundamental de vibración en la dirección de análisis. Calculado por el Staad Pro 2003.
Cmax = 0,32 Valor máximo del coeficiente sísmico.
(Tabla 5.7)
Cmín = 0,05 Valor mínimo del coeficiente sísmico. n
2 ,75 ⋅ A0 ⎛ T' ⎞ ⎛ 0 ,05 ⎞ ⎟⎟ C = ⋅ ⎜ * ⎟ ⋅ ⎜⎜ g ⋅ R ξ T ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
C=
0,11
C=
0,11
0,4
(1) Coeficiente sísmico
Q0 = C * I * P I=
Coeficiente de Importancia Edificio Tipo C2.
1,0 Q0 =
0,11 * P
(2) Corte Basal
P = Peso sísmico
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CÁLCULO DE COEFICIENTE SÍSMICO DEL CABEZO, SEGÚN NCh 2369 of. 2002 DIRECCIÓN TRANSVERSAL A LA RAMPA g=
9,81 m/s2
Aceleración de gravedad.
Zona Sísmica :
1
A0 =
1,96
Tipo de Suelo :
3
Τ' =
0,62 1,80
n= R=
5
ξ =
0,05
Τ* =
(Tabla 5.2) seg
(Tabla 5.4)
Edificios y estructuras de marcos dúctiles de acero (Tabla 5.6) con elementos no estructurales dilatados. (Tabla 5.5)
0,524 seg
Período fundamental de vibración en la dirección de análisis. Calculado por el Staad Pro 2003.
Cmax = 0,32 Valor máximo del coeficiente sísmico.
(Tabla 5.7)
Cmín = 0,05 Valor mínimo del coeficiente sísmico. n
2 ,75 ⋅ A0 ⎛ T' ⎞ ⎛ 0 ,05 ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜ * ⎟ ⋅ ⎜⎜ C = g ⋅ R ξ T ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
C=
0,15
C=
0,15
0,4
(1) Coeficiente sísmico
Q0 = C * I * P I=
Coeficiente de Importancia Edificio Tipo C2.
1,0 Q0 =
0,15 * P
(2) Corte Basal
P = Peso sísmico
Memoria de Cálculo Estructural Rampa Pto. Natales Ingeniería de Detalles Rampas Seno de Última Esperanza, XII Región.
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4.1.2
Modelo Estructural
4.1.2.1 Suelo Para el análisis del empotramiento lateral de los pilotes en el lecho marino, se modeló el comportamiento del suelo mediante resortes, cuya rigidez se obtuvo a partir del coeficiente de balasto kv entregado por el estudio geotécnico (ver antecedentes). En la Figura Nº 4 se puede observar la rigidez del suelo representada por los distintos coeficientes de balastos. Este perfil se extrapola de los resultados obtenidos por los sondajes geotécnicos realizados en el lugar.
Figura Nº 4: Coeficientes de Balasto.
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REPÚBLICA DE CHILE MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS DIRECCION DE OBRAS PORTUARIAS MODELACIÓN DEL SUELO MEDIANTE RESORTES (CÁLCULO DE RIGIDEZ) RAMPA La rígidez del resorte se calcula mediante la ecuación (1)
K = K v ⋅ D ⋅ d
(1) Rígidez del resorte.
kv = Coeficiente de balasto (kgf/cm3). D = Diámetro del pilote. d = Distancia entre resortes.
Kv Kv 3 (kgf/cm ) (tonf/m3) 6,0 6.000 6,0 6.000 2,2 2.200 2,2 2.200
D (m)
d (m)
K (tonf/m)
0,406 0,406 0,406 0,406
0,25 0,50 0,25 0,50
610 1.219 224 447
4.1.2.2 Pilotes Los pilotes se modelaron como elementos tubulares de acero de acuerdo a los perfiles indicados en los planos. 4.1.2.3 Vigas Las vigas se modelaron de acuerdo a los perfiles indicados en los planos. 4.1.2.4 Losa La losa del tablero se modeló con elementos finitos, de espesor 20 cm. En la Figura Nº 5 se muestra el modelo de la rampa.
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