Ing. José Francisco Núñez Ernau
MEMORIA DE CALCULO ESPECIALIDAD ESTRUCTURAS –DPA SAN JOSE 1.0 OBRAS DE MAR Dentro de los referente a memoria de cálculo presentamos la memoria de cálculos de los elementos mas importantes en el muelle:
1.1 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO Se ha tomado en cuenta las consideraciones consideraciones técnicas para la modulación estructural
La profundidad de empotramiento dentro del fondo marino para los pilotes es de Df=15 metros. La altura del nivel del fondo marico al nivel de la plataforma (cabezo(cabezo- puente de acceso) es de 10.70 =11 m. Por lo tanto la altura total del pilote es de 26.00m. De acuerdo la Norma Técnica del “Diseño Sismo – Resistente” del Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE), el suelo en estudio se encuentra en la en la Zona 3 de alta Sismicidad. Y los valores de los parámetros sismo resistente son: S (factor del suelo) = 1.40; periodo predominante predominante de Tp(s) =0.90” y un factor de zona Z = 0.40 g.
Suelo de cimentación Por las características geológicas de la zona, el suelo de cimentación en el alineamiento propuesto del muelle espigón y enrocado de protección en toda la zona es de arena media fina (SP) de densidad relativa suelta, con presencia de arena con conchuelas y bajo porcentaje de gravas hasta profundidad de 3 m. medidos desde el fondo marino, continuando con densidad relativa media continuando con un estrato de arena y gravas hasta una profundidad de 5.00 m explorados.
Los suelos presentan un grado de exposición a los sulfatos severo por lo que el estudio de suelos recomienda el empleo de Cemento tipo V, para evitar la desintegración del concreto al reaccionar con los hidróxidos de calcio liberados en el proceso de hidratación del cemento. Página i de 18
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Además por la presencia elevada concentración del ion cloruro es necesario el empleo de cemento con mayor contenido de aluminato tricalcico (C3A), así como el empleo de concretos poco permeables y con relación agua cemento 0.45.
1.2 PARAMETROS DE DISEÑO ADOPTADOS Concreto:
Pilotes de Concreto: Concreto
f’c=350 kg/cm2.
Elementos Estructurales: Concreto f’c= 280 kg/cm2.
Cemento: Cemento Tipo V
Acero: Corrugado: Fy = 4,200 Kg/cm2.
Pesos:
Concreto Armado:
2,400 kg/m3.
Sobre Carga:
Carga Viva:
1,000 kg/m3.
Grúa
36 Tn.
Cargas de impacto contra el muelle Fuerza Normal = 10.4 Tn. Fuerza Paralela = 5.3 Tn.
COMBINACIONES DE CARGA Las combinaciones de carga por condiciones de rotura para el diseño de concreto: CU1: 1.4D+1.7L CU2-1: 1.25D+1,25L+1.25W1 CU2-2: 1.25D+1,25L-1.25W1 CU2-3: 1.25D+1,25L+1.25W2 CU2-4: 1.25D+1,25L-1.25W2 CU3-1: 0.9D+W1 CU3-2: 0.9D-W1 CU3-3: 0.9D+W2 CU3-4: 0.9D-W2 CU3-1: 1.25D+1,25L+Ex CU3-2: 1.25D+1,25L-Ex
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CU3-3: 1.25D+1,25L+Ey CU3-4: 1.25D+1,25L-Ey CU4-1: 0.9D+Ex CU4-2: 0.9D-Ex CU4-3: 0.9D+Ey CU4-4: 0.9D-Ey Donde:
CM: Carga muerta CV: Carga viva Ex, Ey: Cargas de sismo en dirección x e y, respectivamente W1, W2: Cargas de Viento.
Análisis Sísmico: La zona en estudio se encuentra en la Zona 3 en la Zonificación Sísmica del Perú con un factor de zona = 0.40, los parámetros geotécnicos corresponden a un suelo de perfil tipo S3, con periodo predominante de Tp= 0.90 seg. y factor de suelo S= 1.40 para ser usado en las Normas de diseño Sismo-Resistente. El análisis sísmico se ha efectuado de acuerdo a la nueva norma E-030, que contempla lo siguiente: V= ZUCS P R Donde: V= Fuerza Cortante en la base Z= Factor de Zona U= Factor de Uso 1.30 (Edificación Importante) C= Factor de Ampliación Sísmica R= Coeficiente de Reducción por ductilidad Con el siguiente valor mínimo: C/R >= 0.10
Para el coeficiente de reducción “R”, se ha considerado un tipo de elemento sismo resistente conformado por pórticos en ambos sentidos por lo que se adopta un coeficiente R = 8.
Factor de Zona Se trata de un edificio ubicado en el Departamento de Lima Zona 3 entonces: Z = 0.4 Factor de Uso Edificio Esenciales
U = 1.5 Página iii de 18
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Factor de Amplificación del suelo: Suelo tipo S3:
S = 1.4
Factor de Reducción de Fuerza Sísmica Rx=8, Ry=8
1.3 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño estructural se ha efectuado para el máximo efecto de las cargas sobre cada uno de los elementos empleando las combinaciones y los esfuerzos permisibles de las especificaciones del reglamento, además se ha escogido el valor máximo de las combinaciones de carga que señala el mismo. Se resolvió las estructuras utilizando los programas de cómputo SAP 2000 el cual contamos con certificación y licencia, dicho programa permiten trabajar con elementos tipo pórtico tridimensional considerando además la opción del diafragma rígido para el análisis estático y/o dinámico.
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Fig. N°2 Tramo típico que se modelo en el Sap 2000
Fig. N°2 Modelamiento Matemático
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1.4 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL VERIFICACION DE PILOTE Se está verificando los pilotes de secciones (0.50x0.50m) f´c= 350 Kg/cm2
Fig. N°3 ubicación de pilotes en los diferentes ejes típicos en el muelle.
Fig. N°4 Refuerzo requerido del pilote Página vi de 18
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Los aceros requeridos para el pilote en el eje más crítico según los cálculos del programa son de 71 cm2. Esto equivale a un acero de 14 Ø1”, para la parte más crítica del pilote, considerando un momento flector máximo igual a 26 Tn/m y una carga puntual de 40 Tn
Acero proyectado 14 Ø1” VERIFICACION DE VIGA VC-01 Se ha modelado la viga de soporte entre los pilotes en el eje más crítico.
Fig. N°5 Ubicación de viga principal del muelle
Fig. N°6 Modelamiento viga principal del muelle Página vii de 18
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DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
Fig. N°7 Diagrama de Fuerza Cortante Tn
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
Fig. N°8 Diagrama de Momento Flector Tn/m2
AREA DE ACERO DE REFUERZO
Fig. N°9 Aceros requeridos en la viga en cm2
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Refuerzo según diseño de viga VC-1
ESTUDIO DE CAPACIDAD DE CARGA DEL ATRAQUE Se pretende realizar un estudio de la capacidad resistente de las cimentaciones, con el objeto de evaluar la capacidad resistente del muelle, como carga de diseño o esquema de analisis de las solicitaciones actuantes, Carga Horizontal de Diseño (Debido a la accion de los buques),entre otros aspectos. Para el caso de las estructuras portuarias es inevitable tener en cuenta los requisitos fundamentales para el proyecto, especialmente en elos efectos que produce el buque hacia la estructura o la instalacion donde se ejercen fuerzas de empujes, cuando el mismo esta amarrado al muelle producto de los agentes exteriores (medio ambiente), tambien al realizar la tarea de atracar en el que provoca sobre el muelle fuerzas o cargas paralelas a la superficie defensa que actuan vertical y horizontalmente en la zona de contacto entre el casco del buque y el sistema de atraque.
FUERZAS NORMALES DEL BUQUE AMARRADO Fuerzas Normales del Buque amarrado FNT.
Fnt = Fnv + Fnc + Fno Fnv= Fuerza Normal de Viento en Kilometros Fnv = 73.6x10 ‾5 x An x V²n x ɛ Donde . 73.60 coeficiente empirico
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An = Area neta expuesta del buque en lastre normal en m2 que se determina según formula
An= A – Ap
A = Area expuesta bruta del buque en lastre en m2, a falta de datos exactos se puede determinar por una de estas formula sempiricas.
Fig 1.0 Accion del viento sobre el buque
Fuerzas normales debido a la ola Fno, en Km
Fnc = 0.59 x Ans x (Vnc)² Donde: Ans = area sumergida de buque en m2 normal a la direcion de la corriente. Vnc = Velocidad de la corriente normal atraque en m/s. Fuerzas normales debido a la ola Fno, en Km
Fno = þ ġ ho Ans = Es un coeficiente que se toma del abaco en funcion de las relaciones de calado Cen m y la longitud de la ola en m. þ = Densidad del agua de mar 1.025 tf/m3 ġ = Aceleracion de la gravedad = 9.81 m/s2 ho = Altura de la ola en m que se determina de las informaciones hidrograficas del lugar para un 5 % de profundidad. Página x de 18
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Fuerzas paralelas del buque amarrado Es la fuerza paralela total Fpt que se considera como la suma de las fuerzas paralelas debido al viento Fpv, a la corriente marina Fpc, y las fuerzas paralelas debido alas olas Fpo.
Fpt = Fpv + Fpc + Fpo. Fuerza normal de viento en kilometros
Fpv = 49.0x10-5xApv x V²pv x 49.0 = coeficiente empirico
Apv = Area neta expuesta del buque en lastre normal paralela a la velocidad del viento. Vpv = Componente de la velocidad del viento paralela ala atraque que se determina por las informaciones hidrograficas. = Coeficiente que swe toma de la tabla anterior. Fuerza paralela debida a la corriente maritima Es La Producida Por La Velocidad De La Corriente Vpc en Kn.
Fpc = 0.59 x Aps x ( Vpc)² 0.95 coeficiente empirico Vpc = Velocidad de la corriente paralela al atraque, em m/s y se determina de las informaciones hidrograficas con un 2% de probabilidad. Aps = Afalta de datos se tomara el 14% del area sumergida normal. Fuerza paralela debido a la ola Fno en Km.
Fno =
þ ġ ho Aps
Donde:
þ ġ ho ya fueron definidos anetriormente. Aps A falta de datos se tomara el 14% del area sumergida total. Fuerza De Compresion Sobre El Muelle Como señalamos anteriormente la Fn, que le viento, la corriente y las olas producen sobre el buque se trasmites al atraque determinando fuerzas de compresion o de traccion.la fuerza total de compresion , C, EN Kilonewton, sobre el muelle.
C = 1.10 Fnt/ Lc Lc = Longitud de contacto de la operación con el atraque, en m. este valor depende de la relacion entre el largo del muelle L y el largo de la recta del buque, Lr en m.
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FUERZA DE TRACION SOBRE LOS CABOS Cuando el buque ejerce traccion sobre el muelle, lo hace mediante las fuerzas de traccion Nt que actuan sobre los cabos de amarre,. Esta se determina apartir de la fuerza normal total Fnt, del numero de amarres que trabajan (n), del angulo de inclinacion ( ᵦ en grados) del cabo con el plano que contiene el tablero del muelle y del angulo ( ᵦ en grados) que forma la proyeccion de Nt con la linea de atraque.
Nt = Fnt / n x sen ᵦx cos ᵦ Al atracar el Buque Al atracar el buque este produce impacto sobre el muelle , determinando la fuerza normal de impacto Fni y la fuerza paralela de impacto, Fpi. Fuerza Normal total debido ala impacto Fni Para obtener esta fuerza en KN. Es necesario determinar la energia absorbida Eab, por el sistema de atraque defensa en K J:
Eab = Ψ V²/ 2g Donde: Ψ = Coeficiente que se toma de una tabla, para buques en lastre se reduciran los valores en 15%. Página xii de 18
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V = Componente de la velocidad de aproximacion normal del buque en m/s que se toma de una tabla. g = Aceleracion de la gravedad = 9.81 m/s. La fuerza normal total de impacto aplicado al atraque se obtiene por la expresion siguiente:
Fni = √ 2 K Eab Donde: K =Es la constante de rigidez del sistema atarque- defensa en KN/m. Eab = esta definida en la expresion anterior. Fuerza paralela total debida al impacto Fpi
Fpi = μ Fni Donde: μ = Coeficiente que depende del material de la superficie en contacto de las defensas y buques, se producen los valores de: μ = 0.5 para hormigon o goma μ = 0.4 para madera.
CARGAS DE ROZAMIENTO (T) Son cargas paralelas a la superficie del sisitema de defensa que actuan vertical y longitudinalmente en la zona de contacto entre el casco del buque y el sistema de atraque. En condiciones de valor maximo que puede existir tanto vertical como horizontalmente sera:
T=μxR
Donde: R= Carga De Impacto De Proyecto μ = Coeficiente de rozamiento entre la superficie del sistema de defensa y de casco del buque en el area de contacto. Datos para el calculo de las cargas de Impacto Fuerzas Normales del Buque amarrado Fnt
Fnt = Fnv + Fnc + Fno Fnv= Fuerza Normal de Viento Fnv = 73.6x10‾5 x An x V²n x
constante
0.0000736
Vn2
An
A
72
108
þ
ġ
ho
1.025
9.81
4
6400
0.8
Ans
constante
60
0.59
Fnv =27.13
Fnc= Fuerza Normal debido a la ola Fnc = 0.59 x Ans x (Vnc)²
Fnc =226.56
Fno = Fuerza Normal debido a la ola Fno = þ ġ ho Ans
0.5 Fno = 1.206
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Fuerzas Paralelas del buque amarrado
Fpt = Fpv + Fpc + Fpo. Fuerza normal de viento
Apv 60
Vpv2 4802.49
Aps
Vpc2
constante
8.4 31.7184 Fpc = 31.72 Kn
6400
0.59
Lc 50
cte 1.1
θ
β
n
25°
20°
10
V² 3600
2g 19.62
Eab
c
constante
0.000049
Fpv = 49.0x10-5xApv x V²pv x Fpv = 11.30
Fuerza paralela debida a la corriente maritima
Fpc = 0.59 x Aps x ( Vpc)²
Fuerza paralela debido a la ola Fno
Fno =
þ ġ ho Aps
168.9282 Fno = 168.3 Kn
Fuerza De Compresion Sobre El Muelle C
Fnt
254.90
C = 1.10 Fnt/ Lc
5.61 C = 32.13
Fuerza de Traccion sobre los cabos Nt
Nt = Fnt / n x sen ᵦ x cos ᵦ
sen θ
0.422618 0.939692
10.12 Nt = 57.99 Kn
Es necesario determinar la energia absorbida Eab Ψ
Eab = Ψ V²/ 2g
5 917.43 Eab = 917.43 Kn
La fuerza normal total de impacto aplicado al atraque Fni
Fni = √ 2 K Eab Fuerza paralela total debida al impacto Fpi
K
6 917.43 Fni = 104.92 Kn μ
0.5
2
Fpi 52.46
Fpi = μ Fni Fpi = 52.46 Kn
Carga de Rozamiento T
T=μxR
R
μ
104.92 52.46 T = 52.46 Kn
0.5
cos β
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DISEÑO DEL PILOTE INDIVIDUAL Del análisis del muelle con el programa sap 2000, se ha modelado un segmento de parte del muelle que es típico, del cual esto es tomando en cuenta todas las consideraciones de carga puntuales(peso de grúa y equipos varios) y la perpendicular que es por el atraque de embarcaciones (Fuerza normal de impacto). .
Fig.1.9 Cargas Impuestas al pilote del muelle.
Hay dos tipos de diseño de pilotes: como columna corta sometidas a carga axial, cuando se encuentran apoyados lateralmente por el terreno(Fig 2.0 (a)), el caso no apotados lateralmente sobre el terreno, estos deberan ser diseñados como columnas bajo carga axial y flexion, ademas la columna se comporta como una columna larga, este se diseñara considerando los efectos de esbeltez (Fig 2.0 (b)),
Fig.2.0 Columna corta (a) y columna larga (b)
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Consideraciones del pilote Cabezo. La longitud efectiva es de 13.5m Seccion del pilote rectangular de (0.50x0.50). Acero considerado 14 fierros de 1”
Consideraciones de carga . Carga Axial ultima de 40Tn por pilote. Momento Flector Maximo 26.00 Tn/m. Estos datos salen de la evaluacion de la estructura en el programa Sal 2000, en el cual se a modelado la estructura.
LONGITUD DE DISEÑO DEL PILOTE CABEZO Reduccion por esbeltes Altura del tablero sobre el agua Profundidad de Fondo Critico Longitud de empotramiento Le=1.8(EI/nh)Ʌ 1/5 Longitud de cimentacion Longitud de Pilote Longitud de diseño Cabezo
4 7 2.5 13 26.50 13.5
Factor de Reduccion R K a usar : 0.8 Según el analisis del pilote utilizando el programa MIDAS,las dimensiones adoptadas y el acero que hemos considerado, es el que se aprecia en la figurta siguiente, siempre que : El Momento Flector maximo no exceda de 26 Tn/m.
Fig° 2.1 Pilote dimensione y refuerzo proyectado
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LONGITUD DE DISEÑO DEL PILOTE ACCESO Consideraciones del pilote Acceso. La longitud efectiva es de 13.5m Seccion del pilote rectangular de (0.50x0.50). Acero considerado 14 fierros de 1”
Consideraciones de carga . Carga Axial ultima de 40Tn por pilote. Momento Flector Maximo 26.00 Tn/m. Estos datos salen de la evaluacion de la estructura en el programa SAP 2000, en el cual se a modelado la estructura . Reduccion por esbeltes Altura del tablero sobre el agua Profundidad de Fondo Critico Longitud de empotramiento Le=1.8(EI/nh)Ʌ 1/5 Longitud de cimentacion Longitud de Pilote Longitud de diseño Pilote
4 7 2.5 13 26.50 13.5
Factor de Reduccion R K a usar : 0.8 Según el analisis del pilote utilizando el programa MIDAS,las dimensiones adoptadas y el acero que hemos considerado, es el que se aprecia en la figurta siguiente, siempre que : El Momento Flector maximo no exceda de 26 Tn/m.
Fig° 2.1 Pilote dimensione y refuerzo proyectado
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Concluciones : 1.- En la siguiente etapa del estudio se debera realizar un estudio completo y detallado de las cargas laterales aplicadas al puente de acceso y el cabezo , efectuando un modelo tridimensional de los m ismos
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