DISEÑO DE BUZON PARA ALCANTARILLADO MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL DE LA AV. MIGUEL GRAU DE LA COOPERATIVA DE VIVIENDA FRANCISCO BOLOGNESI DEL DISTRITO DE SANTIAGO - CUSCO CUSCO.
BUZON DE ALCANTARILLADO ALCANTARILLADO SOLICITANTE:
MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE SANTIAGO
UBICACIÓN: DISTRITO PROVINCIA DEPARTAMENTO
SANTIAGO CUSCO CUSCO
DISEÑO DE BUZON PARA SISTEMA DE ALCANTARILLADO I. ANTECEDENTES A solicitud de la Residencia de Obra del proyecto denominado “MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL DE LA AV. MIGUEL GRAU DE LA COOPERATIVA DE VIVIENDA FRANCISCO BOLOGNESI DEL DISTRITO DE SANTIAGO CUSCO - CUSCO”, de la Municipalidad Distrital de Santiago , se realiza la presente memoria de cálculo para los buzones de alcantarillado ubicados en el ámbito del proyecto de acuerdo a las condiciones geológicas y topográficas encontradas en la zona.
II. OBJETIVOS El objetivo principal del presente estudio es: 1) Realizar el diseño del buzón conformante del sistema de alcantarillado parte del proyecto, de acuerdo a las condiciones reales encontradas en obra necesaria para el adecuado funcionamiento de la misma, con el correspondiente procedimiento técnico mediante el uso de modelos que sustenten la consistencia de los resultados obtenidos.
III. ALCANCES Los alcances del presente informe contempla los resultados descritos en el informe del Estudios de Mecánica de Suelos realizados de acuerdo a las condiciones encontradas en la zona del proyecto, los cuales sirven como datos complementarios al proceso de diseño de acuerdo a las condiciones topográficas y geológicas encontradas. En resumen, se pueden describir los siguientes alcances del proyecto:
Estudio de Mecánica de Suelos realizado con la metodología del PDL. Los valores obtenidos han sido considerado como valores frontera de capacidad portante del suelo de fundación y propiedades del suelo de relleno, usados para el diseño del buzón proyectado y el cálculo de los esfuerzos debidos al empuje activo que interactúan con los diferentes elementos de la estructura propuesta. Evaluación de la geometría propuesta en el proyecto de acuerdo a las condiciones geotécnicas halladas de acuerdo a la bibliografía especializada. Los resultados obtenidos han sido ajustados hasta obtener los valores requeridos por norma para asegurar en primer lugar el correcto comportamiento de la estructura al deslizamiento y volteo y en segundo lugar para asegurar que las presiones máximas obtenidas a nivel de fundación no sobrepasen los valores críticos de capacidad portante según el estudio de mecánica de suelos, todo esto de acuerdo a la metodología y bibliografía especializada. Seguidamente se han construido los modelos matemáticos con la geometría ajustada y han sido evaluados usando software especializado (SAP 2000 versión de evaluación) para comprobar los resultados obtenidos y el diseño calculado de acuerdo a las condiciones antes descritas.
IV. DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA Los buzones son estructuras cilíndricas de 1.20 m. de diámetro interno a más y 0.20 m de espesor de pared y loza de fondo, las que se construyen con concreto simple en la consideración que los esfuerzos a lo que son sometidos son de compresión y en ningún caso soportan esfuerzos de tracción. Generalmente los buzones tienen una profundidad de 1.20 a 1.80 m. y están sometidos a los esfuerzos de compresión proveniente del tránsito vehicular cuando están localizados en zonas de tránsito, y al empuje lateral proveniente del relleno de
material en su contorno cuando se encofra la superficie exterior del cilindro; siendo de indicar que en la mayoría de los casos, cuando es terreno es muy estables sólo se encofra la superficie interior y se vacía el concreto entre dicho encofrado y el terreno natural, eliminando cualquier efecto de empuje lateral. Por otro lado, los esfuerzos provenientes del empuje lateral antes mencionado, que son mínimos, generan esfuerzos de compresión en el arco de la estructura circular los que son perfectamente absorbidos por la misma. Por todo lo indicado se considera que las paredes circulares de los buzones soportan perfectamente las solicitaciones de esfuerzo a las que son sometidas.
V. FUERZAS EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y VERIFICACION Para la verificación del diseño propuesto del buzón se ha considerado que la resistencia a la compresión del concreto debe ser como mínimo f’c = 210 kg/cm 2, acero con límite de fluencia de fy= 4200 kg/cm 2 y un material seleccionado de relleno con una densidad mínima compactada de 1.81 tn/m 3 y un ángulo de fricción interna de 31.00°, lo cual asegura que el buzón cumpla con las condiciones mínimas de seguridad ante el volteo y el deslizamiento. Estas condiciones de los materiales, así como la geometría propuesta, también actúan de forma favorable al repartir las presiones uniformemente a lo largo del área del buzón, haciendo que éstas no sobrepasen el valor máximo de diseño. Una vez que se han cumplido con las condiciones mínimas de seguridad y de presiones, se ha procedido a realizar el diseño del cuerpo, base y tapa del buzón, para lo cual se ha considerado una cuantía inicial de 0.004, de acuerdo a lo señalado por la bibliografía especializada.
VI. DESCRIPCION DEL MODELO MATEMATICO La estructura del buzón propuesto ha sido modelado con elementos tipo área (Shell) para simular el cuerpo, la base y la tapa del mismo. El material conformante del buzón es concreto con una resistencia a la compresión de f’c= 210 kg/cm2, con un módulo de elasticidad de 217,370.65 kg/cm2. El módulo de Poisson considerado fue de 0.20. A continuación se presenta la geometría desarrollada para su evaluación mediante programa:
Figura 1. Geometría del buzón en el programa.
Se han considerado además los siguientes datos necesarios para el modelo matemático: γc =
f'c = fy = Ø= γs =
Ka = q adm = Ko = Kp =
2.40 210.00 4,200.00 31.00 1.81 0.320 1.05 2.29 2.265
Tn/m3 kg/cm2 kg/cm2 Tn/m3 kg/cm2 kg/cm3
Pe so e spe cífi co de l concre to Calidad del concreto Cali dad de l acero Angulo de fricción interna del suelo Peso específico del suelo Coef. De empuje activo Capacidad portante del suelo Coef. De Balasto del suelo Coef. De empuje pasivo
VII. CONSIDERACIONES PARA EL ANALISIS Las consideraciones para las cargas en la estructura son las estipuladas en las normas E020 de cargas y E030 de diseño sismo resistente del Reglamento Nacional de Construcciones del Perú. Para el diseño se toma en consideración lo señalado en la norma E060 de Concreto Armado. Además se considera que el modelo propuesto ya cumple con los parámetros de factores de seguridad al deslizamiento y volteo, y también con los valores máximos de presiones sobre el terreno que no sobrepasan los valores de la capacidad portante del suelo señalado en el Estudio de Mecánica de Suelos. 1. Cargas de gravedad
Para el análisis por cargas de gravedad en el presente estudio han sido consideradas todas las fuerzas correspondientes a los pesos propios de todos los elementos, peso muerto y cargas vivas actuantes sobre el buzón (peso de vehículos). 2. Cargas de presión
Las cargas laterales producto del empuje propio del suelo de relleno ha sido modelado como fuerzas de presión sobre los nodos patrones conformantes de la malla de la pantalla del buzón. Para el cálculo de las presiones (que varían de acuerdo a la altura), se han tomado en cuenta los siguientes valores y la fórmula de distribución de presiones del programa (se considera que la presión actúa sobre el eje z, por lo tanto los valores de x e y son cero): Valores patrón = Ax + By + Cz + D donde x = y = 0, entonces Cz + D = P Empuje Activo: Para el empuje activo producido por la tierra (pantalla) se tienen los siguientes valores:
Para Z = 0.00m se tiene un empuje equivalente de E = 4.080 Tn/m 2 (Base de la pantalla). Para Z = 6.00m se tiene un empuje equivalente de E = 0.490 Tn/m 2. (Corona de la pantalla). Resolviendo el sistema se tiene valores patrón de C = -0.598 y D = 4.080, los cuales serán usados como valores patrón para simular el empuje de la tierra sobre la pantalla del buzón. La asignación de la carga de presión en la base del buzón se ha realizado tomado en consideración que de acuerdo al estudio de Mecánica de Suelos se obtiene un valor del coeficiente de balasto de 2.29 kg/cm 3. La base del buzón ha sido mallada para obtener mejores resultados por elementos finitos, para lo cual el valor de los apoyos se calculan en base al coeficiente de balasto, el ángulo de fricción del material de apoyo y el área de influencia al nudo, de acuerdo a la siguientes expresiones:
Kz = Kb * (Área de influencia) Kx = Kb * (1-sen Ø ) * (Área de influencia) Ky = Kb * (1-sen Ø ) * (Área de influencia) 3. Combinaciones de carga
Las combinaciones utilizadas en la presente evaluación estructural para la verificación del diseño de los elementos estructurales son las correspondientes a la norma NTE 060 de concreto armado del Reglamento Nacional de Construcciones vigente y son: C1: 1.4 D + 1.7 L
Siendo: D = carga muerta L = carga viva (empuje de la tierra) Además se ha considerado una combinación correspondiente a: SERVICIO: D + L
La cual es usada para la verificación de las presiones en la base del buzón.
VIII. RESULTADOS DE LA ESTRUCTURA REFUERZO HORIZONTAL Y VERTICALES EN PAREDES: La máxima carga de compresión actuante en el análisis es de Ca= 5.58 ton/m, con un espesor de pared de 0.25m.
Sección a analizar: b = 100 cm t = 20 cm As min = 0.0025 * b * t = 5 cm2 Usando Ø 3/8” @ 0.15 Pc = Ø x 0.80 x (0.85 c f’c x (Ag – As) + As x fy) Pc = 211.2 ton OK El armado a usarse será Ø 3/8” @ 0.15 en doble malla, una sola capa (también se puede usar el equivalente en área de acero con diferente diámetro de varilla). Pc ˃ Ca
DISEÑO DE LA LOSA SUPERIOR: M = As x fs x j x d La máxima carga de compresión actuante en el análisis es de Ca= 5.58 ton/m, con un espesor de losa de 0.25m.
Donde: M = 370.00 kg-cm fs = 2,100.00 kg/cm 2 j = 0.91 d = 16.5 cm
Reemplazando: As = 0.01 cm2 CHEQUEAMOS ACERO MINIMO As (min) = 0.0025 x b x d As (min) = 5.00 cm2 Como: As (min) = 5.00 cm 2 ˃ 0.01 cm2
OK
El armado a usarse será en doble malla, doble capa con la siguiente distribución: Se colocara Ø ½” @ 0.25 en malla superior Se colocara Ø ½” @ 0.15 en malla inferior (También se puede usar el equivalente en área de acero con diferente diámetro de varilla). DISEÑO DE LA LOSA INFERIOR: M = As x fs x j x d
Donde: M = 1,027.00 kg-cm fs = 2,100.00 kg/cm 2 j = 0.91 d = 16.5 cm elosa = 25 cm. Reemplazando: AS=0.05 cm2 CHEQUEAMOS ACERO MINIMO As (min) = 0.0020 * b * d As (min) = 4.00 cm2 Como: As (min) = 4.00 cm2 ˃ 0.05 cm2
OK
El armado a usarse será en doble malla, una sola capa con la siguiente distribución: Se colocara Ø 3/8” @ 0.15 en malla centrada (también se puede usar el equivalente en área de acero con diferente diámetro de varilla).
