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CAPITULO I GENERALIDADES

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1. GENERALIDADES 1.1

RESUMEN

Actualmente en la ciudad de Arequipa se vienen realizando gran cantidad de obras de saneamiento, todo esto debido al crecimiento poblacional ascendente y la migración de la población a zonas alejadas del centro de la ciudad, específicamente al norte de Arequipa, como los distritos de Yura y Cerro Colorado; lo que obliga a realizar obras de agua y desagüe a zonas de topografía accidentada y de difícil acceso. Durante la ejecución de estas obras se presentan tramos de tendido de tubería por donde la topografía accidentada obliga a buscar alternativas de construcción, dentro de las cuales se encuentra los pases aéreos como para parte de una gama de soluciones. En nuestra ciudad no es común la construcción de pases aéreos, ya que fueron utilizados por años para el transporte de materiales en el rubro minero, pero de poca frecuencia en nuestra ciudad para el uso de alcantarillado y saneamiento. Es por ello que en la presente tesis se efectua el análisis, diseño estructural y propuesta económica de pases aéreos con una luz libre entre apoyos de 200.00 metros para el transporte de una tuberia de 1200 mm en HDPE que trasnporta aguas residuales pesadas, como parte del conjuto de obras de saneamiento y alcantarillado. La presente tesis consta de 02 propuestas , diferenciadas según el tipo estructuracion del pase aereo a utilizar; la primera de tipo Arco superior; constituida por elementos de acero estructural, a la que se denomina “Pase Aereo de Acero”, y la otra de tipo Colgante; con torres de concreto armado, una viga rigizadora de acero , y cables estructurales, a la que se denomina “Pase Aereo de Concreto”. Se presenta un analisis comparativo estructural y encomico entre la propuesta de Pase aereo de Acero y la de Concreto.

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1.2

OBJETIVOS

Objetivo General: Realizar el analisis estructural de 2 propuestas para un pase aéreo de 200 m en acero y otra en concreto armado. Realizar el analisis economico de 2 propuestas para un pase aereo de 200 m . Objetivos Específicos: Comparar las propuestas presupuestarias de los Pases Aéreos de acero y Concreto Armado. Determinar el uso específico de un tipo de Pase Aéreo de concreto armado o acero según las condiciones topográficas y económicas. Verificar y Analizar el funcionamiento estructural de los Pases Aéreos de acero y Concreto Armado.

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CAPITULO II DEFINICIONES BASICAS Y CONCEPTOS

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2. DEFINICIONES BASICAS

1.3

INTRODUCCION.

El siguiente capítulo describe los conceptos básicos, características y las propiedades más importantes de los materiales y elementos que conforman los pases aéreos de acero y concreto, para el análisis y diseño de un pase aéreo para una tubería de PVC de 1200 mm de diámetro (DN = 48”, en el siguiente cuadro se muestra el resumen del capítulo II. (Grafico 1) Tabla 1 Materiales principales para el análisis y diseño de ambas propuestas. DEFINICION PASES AÉREOS DE ACERO TIPOS ANALISIS COMPARATIVO ENTRE PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO

PASES AÉREOS DE CONCRETO

DESAROLLO

NORMAS

METODOS DE DISEÑO

MATERIALES

ELEMENTOS

1.4

PASE AÉREO DE ACERO 1.1.1

DEFINICION

Es la estructura que permite el paso de un tramo de tubería a través de un accidente topográfico natural o artificial, constituida de elementos de acero y algunos elementos de concreto (cimentaciones).

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Imagen 1 Pase aéreo de acero construido para tubería de gas. Construido por ATD en México

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Imagen 2 Vista de la armadura construida como pase aéreo.

1.5

TIPOS DE PASES AÉREOS DE ACERO

Los pases aéreos se clasifican según su finalidad, material principal y/o según el tipo de sistema estructural; en el presente ítem se desarrolla la clasificación de acuerdo al tipo de sistema estructural, dentro de los cuales tenemos: Reticulados

Tipo Arco

Tipo viga

Colgantes

Tipo Pórtico

Atirantados

1 .5 .1 P AS E AÉ RE O DE A CE RO TIP O RE TICULA DO

El pase aéreo reticulado está conformado por una estructura base formada por dos planos reticulados ubicados paralelamente, vigas longitudinales y transversales las cuales soportan las cargas de servicio; arrostramiento lateral en los reticulados y en el área de apoyos; presenta portales para resistir esfuerzos transversales y horizontales (vientos y sismos). En la imagen cuatro se muestran los diferentes tipos de armadura, para pases aéreos reticulados Página | 12

Imagen 3 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya

Imagen 4 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares

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2.1.

P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O A RCO

Se caracteriza por transmitir las cargas a través de su forma de arco, donde los esfuerzos primarios son esfuerzos de compresión; los pases aéreos de acero tipo arco puede constituirse de acero con alma llena o estructura reticulada. Imagen 5 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia

2.2.

P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O A TIR AN TADO

El pase aéreo tipo atirantado está constituido de una armadura, que soporta la tubería suspendida por cables inclinados que se fijan a las torres. La forma que puede presentar la torre es variable, como arpa, abanico y de haz.

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Imagen 6 Esquema de pase aéreo tipo atirantado

2.3.

P AS E AÉ REO DE A CE RO TIP O C OLGA NTE

El pase aéreo tipo colgante está constituido básicamente de una estructura de cables curvos, que soportan la carga transmitida por las péndolas (elemento vertical que une la armadura con el cable curvo) sosteniendo a la tubería y/o armadura. Este tipo de pases aéreos pueden presentar una armadura inferior, superior o sin armadura. Imagen 7 Acueducto Babahoyo- Ecuador

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1.6

NORMAS APLICABLES PARA EL DISEÑO DE UN PASE AÉREO DE ACERO

Para el diseño de la propuesta de pase aéreo de acero se utilizó la normativa del reglamento nacional de edificaciones E0.20, E0.30, E0.90, y normas extranjeras aceptables para el análisis y diseño de pernos, placas base, entre otros. Para el análisis sismo resistente se aplicó la Norma E030 del Reglamente Nacional de Edificaciones en su última actualización 2016. 1.7

METODOS DE DISEÑO PARA PASES AÉREOS DE ACERO

1 .7 .1 DIS E ÑO POR FUE RZAS DE TR AB AJ O El enfoque del método de diseño por fuerzas de trabajo consiste, en que los elementos estructurales se diseñan de modo que las fuerzas unitarias no excedan una fuerza predefinida. La fuerza admisible está definida por una fuerza dividida por el factor de seguridad, de modo que, en general, la fuerza de trabajo se expresa de la siguiente manera:

R actual ≤ R admisible

Ecuación 1

Imagen 8 Diagrama de esfuerzo-deformación para diferentes resistencias del concreto en compresión.

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La fuerza admisible se define por otros criterios de control, como la fuerza de pandeo para acero, resistencia a la compresión del concreto, etc.; Por lo cual, la fuerza admisible puede ser considerada, como una fracción de algún fallo de un material como el acero o el concreto.

1.8

DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES

El método de diseño por estados límites fue elaborado para hacer frente a las desventajas del método de fuerzas de trabajo. Este enfoque hace uso del rango plástico para el diseño de los distintos miembros estructurales e incorpora los factores de carga teniendo en cuanta la variación de las cargas. Uno de las ventajas del diseño de estados límite es que toma en cuenta esta variación mediante la definición de límite de resistencia y capacidad de servicio. Las características del método de diseño por estados límites son: 1.8.1.1

El esfuerzo

Es el estado límite que define el funcionamiento seguro y adecuado de la estructura. Los criterios que se utilizan para definir estos esfuerzos son la resistencia a la ruptura, pandeo, vuelco, etc. Bajo condiciones normales de carga, o en los eventos extremos. 1.8.1.2

Serviciabilidad

Es el estado límite que define el rendimiento y comportamiento de la estructura bajo carga nominal de servicio. Algunos criterios de servicio son la fuerza, la fatiga, la vibración, etc.

Los estados límites de diseño, publicados en la AISC y AASHTO, dan mucha importancia a la fuerza de estado límite, siendo este parámetro el que define la seguridad pública de la vida física y los bienes materiales. Se define la ecuación de los estados límite como:

Resistencia proporcionada ≥ Resistencia requerida

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1.9

METODO AASHTO LRFD

Este método está basado en la aplicación de las diferentes combinaciones de carga para un mismo elemento sin estado limite, debe entenderse que este método satisface que la resistencia de diseño es mayor o igual a la resistencia requerida de acuerdo a las combinaciones establecidas por la LRFD. �� ≤ ∅. ��

Ecuación 2

Donde: Ru: Resistencia requerida Rn: Resistencia nominal Φ: factor de resistencia ΦRn: Resistencia de diseño 1.10 METODO ASD

Al igual que el método LRFD este se basa en que la resistencia de diseño debe ser mayor o igual a la resistencia requerida, la diferencia radica en que para este método se utilizara un factor de reducción, denominado factor de seguridad. � �≤

� � 𝛺

Ecuación 3

Donde: Ra: Resistencia requerida Rn: Resistencia nominal Ὤ: Factor de seguridad Rn/Ὤ: Resistencia admisible

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1.11 MATERIALES 1.12 ACERO ESTRUCTURAL

El acero es un material que soporta óptimamente los esfuerzos de flexión, compresión y tracción, y esta propiedad se emplea en la construcción de pases aéreos en arco o de viga de acero.

1.12.1.1 TIPOS DE ACERO SEGÚN NORMA DE FABRICACIÓN Existe una variedad de tipos de acero; en la tabla uno se muestra los tipos de acero más utilizados de acuerdo a sus características, como: Resistencia, aleación, y resistencia a la corrosión. Tabla 2 Tipos de acero según uso Aceros de baja

Aceros de baja aleación , alta

aleación y alta

resistencia y resistentes a la

resistencia

corrosión

A36

A572

A242

A53

A618

A588

A500

A913

Acero de carbono

A501

A847 A992

A529 . En el presente item se desarrollará 2 tipos de acero estructural, nominados de acuerdo a la norma de fabricación ASTM, por ser los más comerciales e importantes para el desarrollo de la investigación los cuales son: ASTM A36 ASTM A500 Página | 19

1.12.1.1.1 ACERO ESTRUCTURAL ASTM A36 Esta norma se aplica a una gran variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que se encuentran disponibles en el mercado peruano. Tiene los siguientes límites: Tabla 3 Valores máximos y mínimos de esfuerzo para el acero A36 Esfuerzo de fluencia

2530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi)

Esfuerzo mínimo de ruptura

40820 Kg/cm2 @ 5620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a

en tensión

80ksi)

1.12.1.1.2 ACERO ESTRUCTURAL ASTM A500 Este tipo de acero es muy similar al A36, diferenciándose en el uso de perfiles, esta norma se aplica para perfiles tubular HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. 1.12.1.2 PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL Para el diseño de estructuras de acero, se debe conocer y entender las propiedades más importantes del acero, tales como la fluencia, pandeo y esbeltez. 1.12.1.2.1 FLUENCIA DEL ACERO: En la imagen nueve, se muestra el grafico de esfuerzo vs deformación, del comportamiento de un elemento de acero estructural, donde se distinguen tres zonas, elástica, plástica y falla.

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Imagen 9 Diagrama de esfuerzo vs deformación para un acero estructural.

Para el diseño de estructuras de acero se debe conocer el valor de la fluencia del acero, ya que muchos de los métodos de diseño de estructuras de acero se basan en este concepto.

Imagen 10 Grafico para diferentes aceros con distintos esfuerzos de fluencia.

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1.12.1.2.2 PANDEO

El pandeo o inestabilidad es la propiedad definida por Euler1, producida por un esfuerzo lateral al someter un elemento de acero estructural una carga “P” (compresión), produciendo una flexión en el eje perpendicular al de aplicación de la carga. Imagen 11 Elemento sometido a compresión.

1.12.1.2.3 Pandeo local.

El pandeo local es el que aparece en piezas o elementos aislados o que estructuralmente pueden considerarse aislados.

Euler: Físico , Matemático que realizo diversos análisis para poder obtener relación de las propiedades mecánicas para el valor crítico de la carga en la cual ocurre el pandeo. 1

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Imagen 12 Pandeo Local

����=

𝜋 2 .�.𝐼 2 �

Ecuación 4 Ecuación de Euler

1.12.1.2.4 ESBELTEZ La esbeltez es la propiedad que se relaciona directamente con la longitud del elemento sometido con la fuerza de compresión, muchas normas prevén la reducción de la resistencia de elementos en términos de su esbeltez. 1.12.1.3 PERFILES DE ACERO ESTRUCTURAL Los perfiles de acero en la actualidad son muy usados en la construcción, como en los edificios y pase aéreos en Estados Unidos Europa y Asia como; El bay bridge en San Francisco, el pase aéreo en arco en Sidney, mostrando la trabajabilidad de este material en la fabricación y montaje de estructuras de acero usadas como columnas y vigas2. Durante los primeros años diferentes empresas se dedicaron a fabricar y mostrar sus propios perfiles de acero, hasta 1896 que se crea la AASM ( Asociación Americana de fabricantes de acero) , después

2 Diseño en Acero Autor: Mac Corman Cap. I Introducción

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llamada AISI ( Instituto Americano de Hierro y Acero) iniciando la estandarización de los perfiles de acero. En la actualidad casi todos los perfiles se encuentran estandarizados, dentro de los perfiles laminados más comunes encontramos los de tipo W, WT, L y C. Los perfiles han ido modificando sus propiedades con el paso del tiempo, esto se produjo para lograr la optimización de sus propiedades y fabricación. Para diseñar estructuras de acero, se debe consultar los manuales precedentes. Imagen 13 Perfiles laminados de acero.

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Imagen 14 Perfiles de acero galvanizados

Imagen 15 Fabricación de perfil de acero, tipo W.

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Imagen 16 Montaje de Perfil de tipo Tubo circular en Piura

Comentario: La imagen corresponde al montaje y construccion del Puente San Miguel en Piura, El puente antiguo sufrio daños en su estructura luego de ocurrido el fenomeno del Niño en el Año 1998, que afecto la Ciudad de Piura , se construyo este nuevo pase aereo que tambien funciona como peatonal.

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Tabla 4 Especificaciones y normatividad para diferentes tipos de perfiles de acero SERIE DE PERFILES APLICABLES TIPO DE ACERO

DESIGNACION DE LA ASTM

Fy (klb/plg2)

A36 A53 Gr. B GB A500 GC

Al carbono

GA GB G50 A529 G55 G42 G50 A572 G55 G60 G65 Baja Gr. I , II Aleacion alta A618 Gr. III resistencia 50 60 A913 65 70 A992 A501

Baja aleacion alta resistencia resstente a la corrosion

A242 A588 A847

Fu (klb/plg2)

36 35 42 46 46 50 36 50 50 55 42 50 55 60 65 50 50 50 60 65 70 50 42 46

58-80 60 58 58 62 62 58 70 65-100 70-100 60 65 55 60 65 70 50 60 75 80 90 65 63 67

50

70

50 50

70 70

Hss W

M

S

HP

C

MC

L

RECT.

REDOND O

TUBO

Especificación recomendada para el material Otra especificación de material aplicable, cuya disponibilidad deberá confirmarse antes de la especificación. La especificación del material no aplica. Fuente: Manual del AISC 1.12.1.4 CONCRETO Es la mezcla de cemento, agregado fino, agregado grueso y agua, que tiene un proceso de endurecimiento conforme se produce la reacción química de agua con cemento y es utilizado en la

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construcción de diferentes tipos de estructura. En la presente se utilizara concretos de densidad normal. No se usaran concretos con resistencias menores a 16 MPa (160 Kgf/cm2). Los concretos considerados en el manual de diseño de pase aereos del MTC, clasifica de acuerdo a las siguientes clases de acuerdo a sus casos: Tabla 5 Clasificación de concretos según Manual de diseño de Pase aéreos MTC. Generalmente usado en todos los elementos estructurales excepto cuando otra Clase A

clase es más apropiada, y específicamente para concreto expuesto al agua de mar.

Clase B Clase C

Usado en zapatas, pedestales pilares circulares masivos y muros de gravedad Usado en secciones delgadas tal como barandas reforzadas de menos de 100 mm de espesor para el rellenos de pisos de emparrillados metálicos , etc. Se usa cuando se requiere resistencias en exceso de 28 MPA (280Kgf/cm2) para

Clase P

concreto pre esforzado, se deberá limitar la dimensión nominal del agregado a 20 mm.

Clase S

Se usa para concreto depositado bajo agua y en cajones para sellar el ingreso de agua. Concreto con aire entrampado, deberán ser especificados cuando el concreto

Clase AE

está sujeto a periodos alternante de hielo y deshielo, expuesto al descongelamiento de sales, agua salada u otros ambientes potencialmente dañinos.

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1.12.1.5 ACERO DE REFUERZO

El acero de refuerzo es colocado para absorber y resistir las fuerzas provocadas por las cargas y cambios volumétricos por temperatura, este se encuentra en el interior del elemento de concreto.El acero de refuerzo y el alambre corrugado satisface los estándares establecidos por las siguientes normas: - Norma Técnica ASTM A615 Grado 60 - Norma Técnica Peruana NTP 341.031 Grado 60 - Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú La resistencia nominal a la fluencia en las barras de acero que se utiliza superan los 400MPa (4080 Kgf/cm2), el módulo de elasticidad E para las barras y alambres lisos, con un valor de 200 000 MPa (2040000 Kgf/cm2). Imagen 17 Torre de concreto armado en construcción, Pase aéreo Baluarte Bicentenario en México. Se aprecia el concreto y acero de refuerzo que conforman la estructura.

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1.13 ELEMENTOS DE UN PASE AÉREO DE ACERO Los elementos de una estructura de pase aéreo se agrupan en 3 partes: la superestructura, la subestructura y la cimentación. Imagen 18 Elementos de un pase aéreo construido en su totalidad por acero

Imagen 19 Elementos de un pase aereo para un oleoducto.

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1.14 SUPERESTRUCTURA

Es la parte del pase aéreo que permite la continuidad del trayecto de la línea de tubería proyectada. La superestructura soporta el peso de las cargas que son trasmitidas a la sub-estructura a través de los sistemas de apoyo, y está conformada por uno o más tramos dependiendo de la cantidad de elementos intermedios de la infraestructura que la sustenten. La superestructura se compone de los siguientes elementos:

1.15 MIEMBROS PRIMARIOS.

Distribuyen cargas longitudinalmente y son usualmente diseñados principalmente para resistir flexión. 2.8.1 Armadura La armadura es una viga compuesta por elementos relativamente cortos y esbeltos conectados por sus extremos. La carga fija del peso de la tubería y la carga móvil que atraviesa el pase aéreo se transmiten por medio de las vigas transversales del tablero directamente a las conexiones de los elementos de la armadura. Para la configuración triangular creada para la siguiente tesis, cada elemento queda en tensión o en compresión, según el patrón de cargas, pero nunca están sometidos a cargas que tiendan a flexionarlos. Este sistema permite realizar a un costo razonable y con un gasto mínimo de material estructuras.

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20 Elementos de la superestructura de un pase aéreo de Acero.

1.16 SUB ESTRUCTURA La subestructura consiste de todos los elementos requeridos para soportar la superestructura y la solicitud de carga (tubería con aguas), la subestructura consta de los aparatos de apoyo, estribos, pilas y cimentación. 1.17 APARATOS DE APOYO

Los aparatos de apoyo son dispositivos estructurales posicionados entre la superestructura y la subestructura del pase aéreo. Las funciones principales son; transmitir las cargas de la superestructura a la subestructura y acomodar los movimientos relativos entre la superestructura y la subestructura. Existen dos tipos de apoyo: los apoyos fijos y móviles; Los apoyos fijos permiten las rotaciones pero restringen los movimientos de traslación, y los apoyos móviles que permiten movimientos de rotación y de traslación. Hay numerosos tipos de apoyos disponibles. A continuación los tipos principales de apoyos en uso. 1.17.1 Apoyos deslizantes Que utiliza una placa de metal plana que se desliza contra otra para acomodar las traslaciones, la superficie de apoyo que se desliza produce una fuerza de friccion que se aplica a la superestructura, la subestructura y al propio apoyo.

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Imagen 21 Componentes de un apoyo deslizante típico. (Imagen cortesía de D. S. Brown Company,North Baltimore, Ohio.)

1.17.2 Apoyo Balancín Es un tipo de apoyo móvil que existe en gran variedad. Consiste en un pasador en la parte superior que facilita las rotaciones, y de una superficie curvada en el fondo que acomoda los movimientos de traslación

Imagen 22 Apoyo tipo Balancín Página | 33

1.17.3 Apoyo de pasador Es un tipo de apoyo fijo que acomoda las rotaciones a través del uso de un pasador de acero. La configuración típica del apoyo es igual que la de un apoyo balancín, excepto que la placa curvada inferior del balancín ahora es plana y se ancla directamente al concreto

Imagen 23 Apoyo con Pasador 1.17.4 Apoyos de Rodillo Los apoyos de rodillo están compuestos de uno o más rodillos entre dos placas de acero paralelas. Los apoyos de rodillo simples pueden facilitar rotaciones y traslaciones en la dirección longitudinal, mientras que un grupo de rodillos acomoda sólo traslaciones longitudinales; En el último caso, las rotaciones se proporcionan combinando los rodillos con un apoyo de pasador

Imagen 24 Apoyo de Rodillos

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1.17.5 Apoyos Elastomérico Un apoyo elastomérico está fabricado de “elastómero” (caucho natural o sintético). Este apoyo acomoda tanto movimientos de translación como de rotación a través de la deformación del “elastómero”; el elastómero es flexible ante una fuerza cortante, pero muy rígido contra cambios volumétricos y bajo cargas de compresión.

Imagen 25 Apoyo Elastomérico: Almohadilla elastomérica reforzada de acero. 1.17.6 Apoyos Curvados o Esféricos Un apoyo curvado consiste en dos placas curvadas que coinciden, donde una se desliza contra la otra para acomodar las rotaciones. La superficie puede ser curvada o cilíndrica para permitir la rotación respecto a un solo eje y el apoyo gire respecto a cualquier eje.

Imagen 26 Apoyo Curvado o Esférico.

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1.17.7 Apoyos de Anillo Un apoyo de anillo comprende un disco elastomérico plano que se confina en un anillo de acero poco profundo. Las cargas verticales se transmiten a través de un pistón de acero que encaja estrechamente en el anillo de acero; se usan anillos de sello para contener el elastómero dentro de este, las placas o barras de guía se usan a menudo para mantener el movimiento de la superestructura en una dirección.

Imagen 27 Componentes de un típico apoyo de anillo. (Illustration courtesy of D. S. Brown Company, North Baltimore, Ohio.) 1.17.8 Apoyos de disco Un apoyo de disco, utiliza un disco elastomérico duro (polyether urethane) para soportar las cargas verticales y una llave de metal en el centro del apoyo para resistir cargas horizontales.

Imagen 28 Apoyo de Disco.

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1.18 Estribos Los estribos son los elementos estructurales constituidos por un sistema de fundación: el cuerpo del estribo, el cabezal de apoyo y los aleros (alas). El sistema de fundación transmite las cargas al suelo, las cargas que se transmiten son las producidas por el peso propio, cargas móviles, empujes de tierra, etc. El cuerpo del estribo conecta el sistema de fundación al cabezal de apoyo y sobre éste se colocan los aparatos de apoyo para que descanse la superestructura. El sistema de fundación consiste en fundación directa, fundación profunda (pilotes o tubulones) y fundación sobre cajones.

Imagen 29 Estribo de pase aéreo de concreto. 1.19 Pilas Son los apoyos intermedios de los pases aéreos y están constituidos por el sistema de fundación, el cuerpo de la pila y el cabezal de apoyo.

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Imagen 30 Pilar de acero para pase aéreo metálico en Cajamarca Perú.

1.20 Cimentación Las cimentaciones son los elementos estructurales que se encargan de transmitir las cargas de superestructura y subestructura al suelo de cimentación, sin sobrepasar su capacidad de carga. La selección y el diseño de la cimentación apropiada depende de las condiciones de carga que se especifica en el análisis estructural, la geometría del elemento de la subestructura en análisis, de las condiciones geológicas de la superficie y del subsuelo, y de la interpretación de los datos de campo y pruebas de laboratorio, todo ello combinado con un juicio ingenieril. Se define seis tipos básicos de estructuras de cimentación, a continuación.

1.21 Zapatas aisladas Consisten en losas rectangulares o cuadradas que pueden tener un espesor constante o que se reducen en la punta del voladizo. Las zapatas aisladas se refuerzan en dos direcciones y son usadas para cargas relativamente pequeñas o para cimentaciones sobre roca. Página | 38

Imagen 31 Zapata Aislada

1.22 Zapatas Combinadas Estas zapatas soportan dos o más columnas y se utilizan generalmente cuando las distancias entre columnas sucesivas son relativamente cortas. Imagen 32 Zapata Combinada.

1.23 Zapatas en Voladizo o Ligadas Estas son similares a las zapatas aisladas excepto que están unidas con una viga para transmitir el efecto del momento de flexión debido a la excentricidad de la carga en una de las zapatas.

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Imagen 33 Zapata Ligada

1.24 Cimentación en Pilotes Este tipo de cimentación es esencial cuando el suelo de la cimentación consiste de estratos poco resistentes hasta profundidades considerables. Imagen 34 Esquematizacion de Pilotes

1.25 Losas de Cimentación Estos sistemas de cimentación son necesarios cuando la capacidad de carga del suelo es muy baja hasta profundidades grandes, lo cual hace que las cimentaciones con pilotes no sean económicas.

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Imagen 35 Losa de cimentación

1.26 PASES AÉREO DE CONCRETO ARMADO

1.27 DEFINICION Se denomina pase aéreo de acero a la estructura constituida en concreto armado, pretensado, pos tensado, etc. que tiene como finalidad servir de apoyo a la conducción de una tubería (en servicio), a través de un accidente geográfico o un obstáculo artificial. Imagen 36 Pase aéreo para colectores principales de desagüe Yura-Arequipa

1.28 TIPOS DE PASES AÉREOS DE CONCRETO Los pases aéreos de concreto se clasifican de la misma manera que los de acero; en el presente ítem se desarrolla la clasificación de acuerdo al tipo de sistema estructural, dentro de los cuales tenemos:

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Tipo viga

Colgantes

Tipo Pórtico

Atirantados

Tipo Arco

2.1.1

PASE AÉREO DE CONCRETO TIPO VIGA

El pase aéreo aéreo de concreto de tipo viga es el más simple en su estructuración, compuesto por vigas que soportan las cargas que se soporta el pase aéreo. Tiene una limitación con la distancia entre apoyos o luz libre, solo se utiliza para luces de poca longitud. Imagen 37 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya.

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Imagen 38 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares

1.28.1 PASE AÉREO DE ACERO TIPO ARCO

Se caracteriza por transmitir las cargas a través de su forma de arco, donde los esfuerzos primarios son esfuerzos de compresión; los pases aéreos de acero tipo arco puede constituirse de acero con alma llena o estructura reticulada.

Imagen 39 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia Página | 43

1.28.2 PASE AÉREO DE ACERO TIPO ATIRANTADO El pase aéreo tipo atirantado está constituido de una armadura, que soporta la tubería suspendida por cables inclinados que se fijan a las torres. La forma que puede presentar la torre es variable, como arpa, abanico y de haz.

Imagen 40 Esquema de acueducto tipo atirantado 1.28.3 PASE AÉREO DE ACERO TIPO COLGANTE El pase aéreo tipo colgante está constituido básicamente de una estructura de cables curvos, que soportan la carga transmitida por las péndolas (elemento vertical que une la armadura con el cable curvo) sosteniendo a la tubería y/o armadura. Este tipo de pases aéreos pueden presentar una armadura inferior, superior o sin armadura.

Imagen 41 Acueducto Babahoyo- Ecuador Página | 44

1.29 MATERIALES En la construcción de pases aéreos de concreto se cuentan con diferentes tipos de estructuras de acero para su construcción, como los siguientes elementos: cable de acero (uso en el cable principal como para las péndolas), la canastilla que acoge la tubería HDPE, las abrazaderas, pernos de sujeción, carro de dilatación, y el acero de refuerzo utilizado en el concreto armado.

3.1.1

CABLES DE ACERO

Los cables de acero son elementos flexibles a tensión que consiste en uno o más grupos de alambres, torones, cordeles o barras. Siendo estos elementos los más importantes para resistir las cargas externas en la estructura de un pase aéreo. El cable puede presentar diversas configuraciones, pero todas ellas se basan en el empleo de alambres delgados de alta resistencia. En aplicaciones estructurales, la palabra cable se usa en sentido genérico para indicar un miembro flexible solicitado a tensión. La forma o configuración de un cable depende de su hechura; puede componerse de barras paralelas, alambres paralelos, cordones o torones paralelos, o torones enrollados con trabas.

1.29.1.1 TIPOS DE CABLES 4.1.1

Alambre.

Es la longitud continúa de metal producida de una varilla mediante trefilado en frío. 5.1.1

Alambre de pretensado.

Un tipo de alambre por lo general utilizado en aplicaciones de concreto postensado. El que se usa a menudo en tirantas de cable consiste en alambre de 0.25 pulg de diámetro, según la norma ASTM A421 Tipo BA.

1.29.1.1.1 Torón estructural (con excepción del torón de alambres paralelos). Alambres enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central para producir una sección simétrica fabricados según la norma ASTM A586.

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6.1.1

Torones de alambres paralelos.

Alambres individuales configurados en un arreglo paralelo sin el torcimiento helicoidal

1.29.1.1.2 Torones enrollados con trabas. Un arreglo de alambres semejante al torón estructural excepto que los alambres en algunas capas están configurados para que queden trabados cuando se colocan alrededor del núcleo. 7.1.1

Cable estructural.

Varios torones enrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo formado por un torón u otro cable (fabricado según la norma ASTM A603).

1.29.1.1.3 Cables de pretensado. Un torón de 0.6 pulgadas de diámetro de siete cables de bajo relajamiento, usado generalmente para concreto postensado y fabricado segun la norma ASTM A416 (usados para tirantas de cables) 8.1.1

Barra.

Una barra sólida, laminada en caliente, producido de acuerdo con la norma ASTM A722 Tipo II (usada para tirantas de cables) Imagen 42 Tipos de cables usados para tirantas

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Imagen 43 Tipos de torones

Imagen 44 Configuración de torón y cable estructural

1.29.1.2 PROPIPEDADES DE CABLE DE ACERO

9.1.1

MÓDULO DE ELASTICIDAD

En el diseño de pases aéreos debe prestarse cuidadosa atención a la correcta determinación del módulo de elasticidad del cable, el cual varía según el tipo de manufactura. Dicho módulo se determina de una longitud de probeta de al menos 100 pulgadas y con el área metálica bruta del torón o cable, incluyendo el recubrimiento de zinc, si es del caso. Las lecturas de la elongación usadas para el cálculo del módulo de elasticidad se toman cuando el torón o cable se estira a por lo menos 10% del esfuerzo último establecido en la norma o a más del 90% del esfuerzo de pre-estiramiento. Los módulos de elasticidad mínimos de torones y cables estructurales prestirados se presentan en la tabla 14.4. Los valores en la tabla son para torones y cables estructurales normales, pre-estirados, de tipo helicoidal; para torones de alambres paralelos, el módulo de elasticidad está en el intervalo de 28,000 a 28,500 klb/pulg2

Página | 47

El torón estructural tiene un mayor módulo de elasticidad, es menos flexible y es más fuerte que el cable estructural de igual tamaño. Tabla 6 Módulos mínimos de elasticidad de torones y cables estructurales pre-estirados

2

2

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CABLES DE ACERO {klb/pulg (kg/cm )} Resistencia mínima a la ruptura (*), de tamaños seleccionados de cables Diámetro nominal en pulg.

Torón galvanizado

Cable galvanizado

30 (2,110) 68 (4,782)

23 (1,618) 52 (3,657)

1 /2

122 (8,580) 276 (19,410)

91.4 (6,428) 208 (14,628)

2 3

490 (34,460) 1076 (75,672)

372 (26,162) 824 (57,950)

4

1850 (130,105) 1460 (102,677)

1

/2

3

/4

1 1

Módulo mínimo de elasticidad, para los intervalos indicados de diámetros Intervalo de diámetro nominal, en pulg.

Módulo máximo en klb/pulg2

torón galvanizado y preteestirado 1

2

9 /2 a 2 /16 5 /8 y más

24,000 (1'690,912) 23,000 (1'620,458) cable galvanizado y preestirado

3

/8 a 4

20,000 (1'409,094)

(*) Los valores corresponden a cables con revestimineto de zinc de clase A sobre todos los alambres . Las clases B o C pueden especificarse cuando se requiere protección adicional contra la corrosión. Para pesos clase B o C de recubrimiento de zinc en los alambres exteriores, el módulo se reduce en 1,000 klb/pulg 2

(Fuente: Elaboración propia)

Página | 48

10.1.1

ELONGACIÓN O ESTIRAMIENTO

La elongación total o estiramiento de un torón estructural es el resultado de varias deformaciones componentes. Una de éstas, llamada estiramiento de construcción, es causada por el alargamiento de la trama del torón debido al ajuste posterior de los alambres del torón en una sección transversal más densa, bajo carga. El alargamiento de construcción es permanente; Los torones y cables estructurales por lo general son pre-estirados por el fabricante para aproximar la condición de verdadera elasticidad. El pre-alargamiento remueve el alargamiento de construcción inherente al producto cuando sale de las máquinas de enrollado y cerramiento, permitiendo bajo cargas prescritas, la medición precisa de longitudes y la marcación de puntos especiales en el torón o cable dentro de tolerancias estrechas. RESISTENCIAS NOMINALES Y ADMISIBLES DE CABLES

Tipo

(1)

{klb/pulg 2 (kg/cm2)}

Resistencia nominal a tensión, F pu

Resistencia admisible a tensión, F t

Barras ASTM A722 Tipo II

150 (10,568)

0.45 F pu = 67.5 (4,756)

Torón enrollado con trabas

210 (14,795)

0.33 F pu = 70 (4,882)

Torón estructural, ASTM A586

220 (15,500)

0.33 F pu = 73.3 (5,115)

Cable estructural, ASTM A603*

220 (15,500)

0.33 F pu = 73.3 (5,115)

Alambre paralelo

225 (15,852)

0.40 F pu = 90 (6,341)

Alambre paralelo, ASTM A421

240 (16,909)

0.45 F pu = 108 (7,609)

Torón paralelo ASTM A416

270 (19,023)

0.45 F pu = 121.5 (8,560)

(1) Cobertura de zin clase A

Página | 49

11.1.1

RESISTENCIA

Comparación entre el esfuerzo último nominal y el esfuerzo admisible a tensión para varios tipos de cables 12.1.1

RECUBRIMIENTO CONTRA LA CORROSIÓN

.Dado que los cables están a la intemperie, es necesario protegerlos contra la corrosión. El procedimiento usualmente empleado es usar cordones fabricados con alambres galvanizados ó alambres lisos galvanizados para cables de alambres paralelos. El alambre galvanizado puede ser de tres clases, A ó B ó C, según el peso del recubrimiento de zinc que se le ha colocado. Este peso del recubrimiento de zinc se expresa en onzas por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. El recubrimiento de clase B tiene el doble de peso que el de clase A y el recubrimiento de clase C tiene el triple de peso que el de clase A. Para alambres lisos de 5mm de diámetro, con un galvanizado de clase A, el peso del recubrimiento de zinc es de 1 onza por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. Para el galvanizado de clase B ó C el recubrimiento de zinc es de 2 ó 3 onzas por pie cuadrado de superficie del alambre sin recubrir. Los recubrimientos más pesados de zinc desplazan una mayor área de acero. Esto requiere una reducción en la resistencia a la rotura especificada para el torón o cordel. Las normas ASTM A586 y A603 especifican resistencias mínimas a la rotura requeridas para los varios tamaños de torones o cordeles de acuerdo con las tres combinaciones de recubrimiento previamente descritas. Para otras combinaciones de recubrimiento, el fabricante debe ser consultado en lo referente a la resistencia mínima a la rotura y al módulo de elasticidad. La galvanización tiene algunas desventajas. Dependiendo de las condiciones ambientales, por ejemplo, el galvanizado puede esperarse que dure sólo unos 20 años. También, causa inquietud la posibilidad de que el galvanizado por inmersión en caliente pueda causar fragilidad por hidrogenación (sin embargo, hay alguna indicación que con la tecnología actual, el método de galvanizado por inmersión en caliente es probable que no produzca fragilidad por hidrogenación como ocurría antes). Asimismo, puede ser difícil cumplir las especificaciones para un recubrimiento clase C con el método Página | 50

de inmersión en caliente. Además un alambre galvanizado por inmersión en caliente puede no tener la misma resistencia a la fatiga que tiene un alambre recubierto con galvanización electrolítica. En los casos de pase aéreos de luces grandes con cables formados por alambres paralelos, se emplean alambres galvanizados, y terminado el proceso de construcción de los cables, como protección adicional se coloca usualmente una capa de pintura anticorrosiva especial y se envuelve con alambre galvanizado formando una hélice con alambres totalmente pegados

Imagen 45 Protección del cable a la corrosión

.

1.29.1.3 PENDOLAS

Son los elementos doblemente articulados que trasmiten las cargas del tablero del pase aéreo o de las vigas de rigidez a los cables que pueden estar formados por uno ó dos cordones. Las

péndolas se colocan verticalmente, aunque en algunos pases aéreos se les ha colocado

inclinadas para mejorar el comportamiento aerodinámico, pero esto aumenta la variación de esfuerzos debidos a la sobrecarga por lo que no se les ha seguido empleando.

Página | 51

El espaciamiento entre péndolas se selecciona de manera que coincida con los nudos de la canastilla, para la propuesta de pase aéreo de tipo pase colgante se utilizara un espaciamiento cada 2.5m. Imagen 44 Péndola formada por un cordón (Ryall MJ)

Tabla 7 Comparación entre el torón y el cable estructural

1.29.1.4 TORRES DE SUSTENTACION

Las torres de sustentación son las estructuras que vienen a soportar los esfuerzos verticales producidos las tensiones que soportan los cables principales, los que a su vez soportan el peso propio, el peso de la tubería , el peso de las estructura de soporte y soportara el peso de las aguas residuales que atravesarán la tubería una vez en funcionamiento, esta transmisiones de esfuerzos se garantiza ya que en la viga superior se coloca una estructura tipo rodillo que solo trasmite un esfuerzo vertical dejando el esfuerzo horizontal a ser soportado por la macizo de anclaje, se difunde en nuestro país la Página | 52

construcción de torres de sustentación de concreto armado debido a que no se requiere de un elevado presupuesto además que a nivel estructural presenta un buen comportamiento, existen diversidad de torres de sustentación Las torres de sustentación pueden tener una gran diversidad de geometrías y materiales de construcción (la cimentación de las torres de sustentación generalmente es construida en concreto armado por su permanente contacto con el agua y la tierra, aunque la superestructura puede ser de acero, concreto armado e inclusive de madera). Imagen 45 Torres de sustentación de pases aéreos de concreto.

1.29.1.5 CAMARAS DE ANCLAJE Los macizos de anclaje son elementos estructurales que funcionan por su propio peso o gravedad; son proyectados y construidos en concreto masivo reforzado, monolítico, de grandes volúmenes pues son los elementos que se encargan de equilibrar el sistema general, mediante el anclaje de los tirantes del cable principal y de los contravientos en algunos casos. Estos grandes elementos deben ser analizados por equilibrio general, volcamiento y desplazamiento ante fuerzas laterales. Geotécnicamente son chequeados ante hundimiento y en algunos casos ha sido necesario implantarlos sobre sistemas de pilotes previendo transmisión de cargas a estratos de mejor competencia, así como anclar los sistemas en estratos rocosos, mejorando ostensiblemente la Página | 53

capacidad de los pilotes y eficiencia de grupo ante cargas de empuje provenientes de los deslizamientos del terreno. Imagen 46 Esquematización de la cámara de anclaje para pases aéreos de tipo colgante.

1.29.1.6 SISTEMA DE CONTRAVIENTO

La finalidad principal de los sistemas de contraviento es la de absorber y distribuir las fuerzas que se producen en el ducto por los efectos del viento y en cierta medida las fuerzas producidas por los sismos. La disposición de los sistemas de contra vientos es en sentido horizontal de igual forma en que las fuerzas anteriormente mencionadas afectan al paso aéreo. Se colocan contravientos horizontales a lado y lado de la tubería previendo la inversión de esfuerzos que se presenta por el sentido de las fuerzas y adicionalmente por el efecto de bamboleo hasta que el sistema se detenga. La filosofía de análisis y diseño es similar a la del cable principal de la catenaria, con la exclusividad de modificar el plano principal en el cual actúa.

Página | 54

Imagen 47 Cables de sistema contraviento para el pase aéreo de concreto

1.29.1.7 CONCRETO En la construcción de los pases aéreos se tienen variedad de estructuras de concreto: la torres de sustentación, las vigas de amarre, las zapatas combinadas, las cámaras de anclaje del cable principal y las cámaras de anclaje del sistema contraviento. Se utiliza el concreto con las propiedades y características mencionadas en el ítem 1.5.2

Imagen 48 Estructuras de concreto para un pase aereo atirantado.

Página | 55

1.29.1.8 TUBERIA HDPE

Las tuberias HDPE , son tuberias hechas de polietileno de alta densisad, es un termoplastico fabricado a partir de etileno(elaborado a partir de etano, uno de los componenetes del gas natural). Estas tuberias lisas estan diseñadas para conducri fluidos , fabricadas de 32mm a 2000mm. De diametro en ISO4427:2008. Y ASTM F-714:2012. Las innumerables aplicaciones mineras, las tuberias HDPE, han reemplazado a las tuberias de acero recubeirtas con goma y las tuberias de acero inxoidable. El polietileno de ata densidad resiste practicamente todos los elemntos corrosivos de la indstria mienra y al tuberias se aplican en rangos xe temepratira que van desde los -40°C a 60 °C y presiones de hasta 25 bares. En definitiva, ellargo tiempod e duracion , el bajo costo ,la facil instalacion, y la escasa manantencion hacen que als tuberias HDPE tengas ventajas comparativas superiores respecto a los mateiales tradicionales. Para el diseño estructural de tuberías de HDPE existen diversas prácticas o recomendaciones entre las que se destacan las desarrolladas por USBR (United States Bureau of Reclamation), por CPPA (Corrugated Polyethylene Pipe Association) y por USACE (United States Army Corps of Engineers). De manera complementaria se utilizan también recomendaciones de la AASHTO. En el diseño de tuberías se distinguen tuberías flexibles y tuberías rígidas dependiendo del comportamiento que presentan ante las cargas solicitantes. Una tubería de HDPE es flexible, se puede deformar bajo la acción de cargas sin sufrir daño estructural y su estabilidad depende de las características del relleno que la confina. El diseño de una tubería de HDPE sin presión requiere conocer las propiedades de la tubería, las propiedades del material del que está fabricada, las condiciones de instalación y las cargas externas. Todos estos elementos se combinan para definir el comportamiento de la tubería instalada.

Página | 56

13.1.1

PROPIEDADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA

Como en el diseño de otros componentes estructurales, la geometría de la pared de la tubería influye en el funcionamiento del sistema estructural para ambas propuestas. Dentro de las tuberías de HDPE se distinguen las denominadas tuberías de pared perfilada y las denominadas tuberías de pared maciza. Las propiedades representativas de la pared de la tubería son el Momento de Inercia (I) y el Area de la sección transversal (A). 1.30

PROPIEDADES DEL MATERIAL HDPE

Las tuberías de HDPE se fabrican con resina de polietileno de alta densidad virgen pigmentada con negro de humo para resistencia a la radiación UV. Los dos tipos principales de resinas que existen en el mercado son las denominadas PE-80 y PE-100. Las propiedades del material son certificadas por el fabricante de la resina. El material HDPE posee un comportamiento viscoelástico y para el diseño, en general, se utiliza el Módulo de Elasticidad (E) en el largo plazo, al que se le asigna un valor igual a 1.500,00 Kg/cm2 según la norma DIN 16961, Parte 2, independientemente del tipo de resina que se use. Imagen 46 Tuberia HDPE en obra de saneamiento

Página | 57

CAPITULO III DISEÑO DE PASE AÉREO DE ACERO

Página | 58

3. DISEÑO DE PASE AÉREO DE ACERO

1.1

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Se ha realizado los estudios técnicos correspondientes a la tesis presentada, los cuales han definido condiciones que serán consideradas en el diseño de los elementos estructurales del pase aéreo de acero. A continuación se presentan los resultados obtenidos de cada uno de los estudios realizados:

1.2

Estudio Geotécnico

Con este estudio se pudo conocer la estratigrafía del suelo, así como la resistencia del suelo y la altura de desplante para la construcción de la cimentación. Altura de desplante Df:

2.50m

Capacidad Portante Qadm:

13.3Kg/cm2

1.3

Estudio Topográfico

Con este estudio se pudo definir la ubicación exacta del pase aéreo de acero, la pendiente de la plataforma de apoyo para la tubería, así como la ubicación de los elementos de apoyo y el área de influencia del proyecto.

Punto inicial Latitud

: 16°18'24.17"S

Longitud

: 71°37'26.01"O

Punto final Latitud

: 16°18'28.44"S

Longitud

: 71°37'20.91"O

Longitud del pase aéreo:

200.00 m

Pendiente de diseño:

1.00% Página | 59

Imagen 49 Vista panorámica de la ubicación del terreno donde se proyecta el pase aéreo de acero.

Imagen 50 Fotomontaje de la construcción del pase aéreo de acero

1.4

CRITERIOS DE PRE-DIMENSIONAMIENTO

El pase aéreo de acero será diseñado para soportar con seguridad, todas las cargas que puedan pasar sobre él, durante su vida útil. Para garantizar la seguridad de la estructura, mantendrá algunas medidas de control y hacerse algunas previsiones en cuanto a la resistencia para soportar cargas actuales y futuras. Para el diseño de los elementos, se llevó a cabo las recomendaciones del Manual de Diseño de Pase aéreos del MTC, y las especificaciones sobre el método de la última resistencia de las estructuras

Página | 60

metálicas LRFD, dadas por la AISC3. Adicionalmente se mencionan 02 criterios que se han tomado para el pre-dimensionamiento del pase aéreo de acero: 1.4.1

Criterios económicos.

Se refiere directamente al costo del proyecto, es muy importante tener la viabilidad de la inversión del pase aéreo. 1.5

Condiciones locales.

Se refiere directamente a los aspectos topográficos naturales o artificiales que tendrá que atravesar el pase aéreo en acero propuesto. 1.6

Criterios Estructurales

Se refiere a los límites y valores establecidos por la normativa peruana vigente, que ayudan a predimensionar con un criterio lógico las secciones de los elementos estructurales. 1.7

PREDIMENSIONAMIENTO DE PASE AÉREO DE ACERO

En el capítulo II se desarrolló

04 tipos de pases aéreos de acero según su estructuración, a

continuación se presenta el pre-dimensionamiento y análisis de un pase aéreo de acero de tipo Arco Superior. El comportamiento de la estructuración de tipo arco, permitirá a la estructura soportar la luz libre de 200.00 m aplicando fuerzas de compresión generalmente en sus elementos principales. 1.8

Geometría de la estructura La estructura del pase aéreo de acero, consta de 2 arcos superiores de forma elíptica, variando la distancia entre arcos a lo largo del pase aéreo, teniendo el mayor espaciamiento en la parte inicial y final (10.00 m), en la parte central 2.00 m. Luz requerida para el pase aéreo: L=200.00 m Ratio de pre-dimensionamiento del ancho de la estructura base:

3

AISC American Institute of Steel Construction.

Página | 61

R=1/20

Ecuación 5

A=10.00m. Para la dimensión de la distancia entre arcos central, se considera un ratio de 1/100 R=1/100

Ecuación 6

A=2.00 m. Para la armadura de la plataforma se realiza con un ratio igual a 1/60 R=1/60

Ecuación 7

A=3.33m. De acuerdo al cálculo realizado se define un ancho de la armadura de: Ancho= 3.50 m

Imagen 47 Vista en planta de la estructura

1.9

Flecha del arco superior

De acuerdo a los estudios realizados y los modelos previos realizados han demostrado que la flecha del arco superior debe estar entre el intervalo de L/8. Calculo de la altura de la flecha: f= L/8

Ecuación 8

Página | 62

f= 26.00 m Donde: f : es la longitud de la flecha del arco superior de acero L: es la luz libre del pase aéreo de acero Imagen 48 Vista Frontal de la estructura

1.10 Plataforma Se utiliza una plataforma de tipo en celosía, con los siguientes datos: Diámetro de la Tubería= 1.20 m Espacio para Mantenimiento = 1.00 m Ancho mínimo total= 2.20 m Ancho pre-dimensionado =3.50 m Ancho pre-dimensionado: Largo del Panel= 6.00 m

Página | 63

Imagen 53 Vista en planta de la plataforma

1.11 Péndolas Se une cada vértice de la plataforma con el arco proyectado, se elige un perfil tubular circular de tipo ASTM 500-B. Imagen 54 Vista en planta de la plataforma

1.12 Pre-dimensionamiento de perfiles de acero 1.13 Arco superior Este elemento soportara la carga aplicada a la plataforma trasmitida por las péndolas, soportara principalmente fuerzas axiales de compresión.

Asumiendo K=1. �∗ � < ��� 𝒓 Página | 64

Para una longitud máxima de arco igual a 6.00 m (diseño geométrico), se obtiene un valor de r=0.03m

Utilizaremos un perfil de tipo HSS tubo cuadrado, según el manual de diseño del AISC 2010. HSS16X16X5/8. Imagen 55 Perfil de acero HSS 0.40X0.40X18m (16X16X5/8). Y t(des )=0

h=16

b=16

1.14 Unión entre arcos Estos elementos conectan a los arcos proyectados de forma perpendicular ayudando a que los arcos trabajen juntos estructuralmente. Soportando principalmente cargas axiales de tracción. �∗ � 4.71√

� � �

Pcr(u) = [ø�(0.658

{

Imagen 60 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 40x40cm e=16 mm.”

Verificacion de resistencia: Si Pn > Pu L Pn = Pcr (� ) Página | 84

�

Página | 85

Pn = 543.882 � �

Pn = 405.10 ��

.>.

Ratio de diseño: Ra =

𝑃� 𝑃�

Ra = 0.745 Relacion de Esbeltez: K. L = 39.355 �

Siendo menor que 200, por lo tanto el diseño es aceptable.

1.29.1.2 Arriostre entre arcos Para el diseño del arriostre entre arcos, se eligió las zonas más esforzadas, en la imagen 65 se muestra la ubicación de los elementos más esforzados, notando claramente que al igual que el arco las zonas más comprimidas son los extremos, teniendo en el centro de la luz del pase aéreo fuerzas de compresión menores. Imagen 61 Ilustración de fuerzas de compresión máxima en la unión de arcos

Página | 86

Se toma el valor de la fuerza de compresion igual a 5.97 Ton aplicada en el elemento 869 del modelo en Sap2000. øc = 0.90 Fy = 36 ksi E = 29000 ksi Pu = 5.9707 Tn

Propiedades geometricas de la seccion: Perfil Tubo cuadrado de 150x150x12.5 o HSS 6x6x1/2” �= 1

�= 8.19 � .

�= 0.5 𝑖�

��= 5.77 𝑖�2

�= 1.86 𝑖�. �= 6 𝑖�. � K = 173.355 � Verificacion si el perfil es compacto �

�

= 12 �

0.11

= 88.6 (Para tubo Circular) � �

1.40√

0.45√

� = 39.7 (Para tubo Rectangular) � �

� = 12 (Para Angulos) � �

Comentario : el perfil HSS es copacto �2 . E Fe(u) = 2 �

u = 1,2 … 300

Página | 87

�� � � (� )) . � � .� � ],

u ≤ 4.71√

� � �

(øc. 0.877. Fe(u). Ag),

u > 4.71√

� � �

Pcr(u) = [ø�(0.658

{

Página | 88

Imagen 62 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 150x150x12.5 o HSS 6x6x1/2”.”

Verificacion

de

resistencia;

Si Pn > Pu L Pn = Pcr (� ) � Pn Pn = 21.688 .>. = 5.971 � � �� Ratio de diseño: Ra =

𝑃� 𝑃�

Ra = 0.275 Relacion de Esbeltez: K. L = 173.355 �

Siendo menor que 200, por lo tanto el diseño es aceptable.

Página | 89

1.29.1.3 Larguero de plataforma El diseño del larguero de plataforma tendrá 02 chequeos, uno por compresión y otro por tensión, en este ítem se realiza el diseño del perfil adecuado para soportar la carga axial de compresión para el larguero de plataforma. Imagen 63 Fuerzas de compresión máximas en el larguero de plataforma.

Se realiza la memoria de calculo para el diseño del larguero de plataforma con un valor de fuerza de compresion maxima de 98.35 Ton. øc = 0.90 Fy = 36 ksi E = 29000 ksi Pu = 98.35 Tn

Propiedades geometricas de la seccion: Perfil Tipo Tubo cuadrado de 250x250x12.5 ” �= 1 ��= 87 ��2

�= 6 � . �= 5.87 ��.

�= 0.5 𝑖� �= 25 � � .

Página | 90

K

� = 102.215 �

Verificacion si el perfil es compacto �

�

= 19.685 �

0.11

= 88.6 (Para tubo Circular) � �

1.40√

0.45√

� = 39.7 (Para tubo Rectangular) � �

� = 12 (Para Angulos) � �

Comentario : el perfil HSS es compacto �2 . E Fe(u) = 2 �

�� � � (� )) . � � .� � ],

u ≤ 4.71√

� � �

(øc. 0.877. Fe(u). Ag),

u > 4.71√

� � �

Pcr(u) = [ø�(0.658

{

u = 1,2 … 300

Imagen 64 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 250x250x12.5 ”

Página | 91

Verificacion de resistencia: Si Pn > Pu L Pn = Pcr (� ) � Pn

Pn

= 126.036 ��

. >.

= 98.35 ��

Ratio de diseño: 𝑃� Ra =

𝑃�

Ra = 0.78 Relacion de Esbeltez: K. L = 102.215 �

Siendo menor que 200, por lo tanto el diseño es aceptable.

1.29.1.4 Celosía de Plataforma. El diseño de la celosía de plataforma también comprende 02 verificaciones de diseño, una por compresión y otra por tensión, en el presente ítem se desarrolla el diseño por compresión del elemento celosía de plataforma. Imagen 65 Fuerzas máximas de compresión en la celosa de plataforma.

Página | 92

Se realiza el diseño del elemento celosía de plataforma según los parámetros de diseño de elementos a compresión axial del AISC-2010. Se presenta la memoria de cálculo para una fuerza de compresión máxima de 8.80 Ton. øc = 0.90 Fy = 36 ksi E = 29000 ksi Pu = 8.85 Tn

Propiedades geometricas de la seccion: Perfil Tipo L de 5x5x7/16” �= 1

�= 6.94 � .

7

�= 16 𝑖�

��= 4.18 𝑖�2

�= 1.54 𝑖�. �= 5 𝑖�. � K = 177.421 � Verificacion si el perfil es compacto �

�

= 11.429 �

0.11

= 88.6 (Para tubo Circular) � �

1.40√

0.45√

� = 39.7 (Para tubo Rectangular) � �

� = 12 (Para Angulos) � �

Comentario : el perfil HSS es compacto

Página | 93

Fe(u) =

�2 . E 2 �

u = 1,2 … 300

Página | 94

�� � � (� )) . � � .� � ],

u ≤ 4.71√

� � �

(øc. 0.877. Fe(u). Ag),

u > 4.71√

� � �

Pcr(u) = [ø�(0.658

{

Imagen 66 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo L de 5x5x7/16”

Verificacion de resistencia: Si Pn > Pu L Pn = Pcr (� ) � Pn

Pn

= 14.999 � �

. >.

= 8.89 ��

Ratio de diseño: Ra =

𝑃� 𝑃� Página | 95

Ra = 0.069 Relacion de Esbeltez:

Página | 96

K. L = 177.421 �

Siendo menor que 200, por lo tanto el diseño realizado es aceptable. 1.30 Diseño de elementos a Tensión: 1.30.1.1 Péndolas Las péndolas las diseñaremos siguiendo los parámetros de diseño de un elemento sometido a tensión, de acuerdo a la norma de diseño en acero aplicable AISC-2010 LRFD, las fuerzas que soportan las péndolas son fuerzas de tensión Imagen 67 Fuerzas máximas de tensión en las péndolas.

Se realiza el cálculo del diseño para el elemento más esforzado de las péndolas, con un valor de fuerza de tensión de 13.97 Ton. Metodo LRFD del ISSC 2010 Fy = 25310.507

E = 20389019

� � 2 �

� � 2 �

Fy = 40778.04

ø = 0.90

� � 2 �

ø1 = 0.75

Propiedades geometricas de la seccion: Perfil Tipo” Tubo circular de 90x6mm” Página | 97

��= 2.39 𝑖�2

�����= 1.16 𝑖�.

� �= 6� .

Fluencia de la seccion bruta

Página | 98

Pn = 35.124 ��

Pu = 13.97 Tn Pn > Pu

Ratio de diseño: Pu = 0.398 𝑃�

Rd < 0.95

Esbeltez: Lo = 203.638 �����

max 300

Es aceptable el diseño de la pendola. 1.30.1.2 Union de largueros plataforma

La Union entre largueros de la plaforma es la que soporta directamente el peso de la tuberia y el agua residual de transporte como una carga puntual, realizado el analisis estructural se obtuvieron resultados de fuerzas axiales de tension. Imagen 68 Fuerzas máximas de tensión en el elemento "Unión de larguero"

Se realiza el diseño con basado en la fuerza axial de tension del elemento mas esforzado, con un valor de tension de 6.47 Tonf. Página | 99

Metodo LRFD del AISC 2010 Fy = 25310.507

� � 2 �

� �

E = 20389019 � 2

Fy = 40778.04

ø = 0.90

� � 2 �

ø1 =0.75

Seccion del perfil: “Tubo Circular de 90x6mm” Ag = 9.65 ��2

�����= 1.40 ��

� �= 3.50 � .

Fluencia de la sección bruta: Pn = ø. Fy. Ag 𝑃� = 21.982 � �

Pu = 6.47 Tn Pn > Pu

Ratio de diseño: 𝑃� = 0.294 𝑃�

Rd < 0.95

Esbeltez: � � = 250 �����

max 300

El valor de esbeltez es menor que 300, por lo que el diseño realizado es aceptable. 1.30.1.3 Celosia de plataforma Página | 100

La celosía de la plataforma soporta cargas axiales de tensión o tracción, mejorando el comportamiento estructural

de

la

plataforma.

Página | 101

Imagen 69 Fuerzas máximas de tensión en la celosía.

Se diseña para el elemento mas esforzado, con un valor de fuerza de tension de 7.93 Tonf. METODO LRFD del AISC 2010 Fy = 25310.507

� � 2 �

� �

E = 20389019 � 2

Fy = 40778.04

ø = 0.90

� � 2 �

ø1 =0.75

Seccion del perfil: “Angulo L 4x4x3/8” Ag = 2.86 𝑖�2

�����= 1.23 𝑖�

� �= 3.50 � .

Fluencia de la sección bruta: Pn = ø. Fy. Ag 𝑃� = 42.032 � �

Pu = 7.93 Tn Pn > Pu

Ratio de diseño: 𝑃� = 0.189 𝑃�

Rd < 0.95

Página | 102

Esbeltez:

Página | 103

� � = 112.029 �����

max 300

El valor de esbeltez es menor que 300, por lo que el diseño realizado es aceptable el diseño.

1.30.1.4 Larguero de Plataforma

Para el diseño del larguero de la plataforma tenemos que analizar tambien las cargas axiales de tension que soporta este elemento. Imagen 70 Fuerzas de tensión máximas en el elemento "larguero de plataforma"

Se realiza el diseño del larguero con una fuerza axial de 82 Tonf. METODO LRFD del AISC 2010 Fy = 25310.507

� � 2 �

� �

E = 20389019 � 2

Fy = 40778.04

ø = 0.90

� � 2 �

ø1 =0.75

Seccion del perfil: “Tubo rectangular de 250x150x12.5” Página | 104

Ag = 87 ��2

�����= 5.87 ��

� �= 6.00 � .

Fluencia de la sección bruta:

Página | 105

Pn = ø. Fy. Ag 𝑃� = 198.181 � �

Pu = 82 Tn Pn > Pu

Ratio de diseño: 𝑃� = 0.414 𝑃�

Rd < 0.95

Esbeltez: � � = 102.215 �����

max 300

El valor de esbeltez es menor que 300, por lo que el diseño realizado es aceptable el diseño.

1.31 DISEÑO DE LA SUB ESTRUCTURA

Para el diseño de los elementos de la Subestructura, primeramente reconocemos las fuerzas resultantes en los apoyos obtenidos en el análisis estructural realizado en Sap2000. Mediante el Diagrama de cuerpo libre (DCL) del arco superior obtenemos la siguiente imagen: Imagen 71 Diagrama de cuerpo libre para el elemento arco.

425Tonf

229 Tonf Página | 106

425Tonf

229 Tonf

Página | 107

De igual manera se analizan los valores de reacción en los apoyos modelados en Sap2000 para el elemento larguero de plataforma, de la estructura del pase aéreo de acero, mediante el DCL correspondiente: Imagen 72 Diagrama de cuerpo libre para el elemento larguero de plataforma

157.00Ton

157.00Ton

6.00 Tonf

6.00 Tonf

Los valores de fuerzas de reacción en los apoyos, corresponden a los combos más críticos para cada uno de los apoyos, es decir, se ha graficado el DCL considerando las fuerzas ultimas de dise 1.32 Diseño del Pedestal de apoyo Geometria del pedestal: Seccion del pedestal :

1.00 m x 1.00 m

Recubrimiento de concreto:

0.07 m

Peralte efectivo:

0.93 m Imagen 73 Sección pre-dimensionada del pedestal de apoyo

Página | 108

Del metrado de cargas y analisis estructural realizado en Sap2000, se obtienen los valores de carga puntual muerta y viva (Pcm, Pcv respectivamente). Pcm:

195.00 Tonf

Pcv:

80.00 Tonf

Diseño de acero de refuerzo: Barras externas: laterales:

16 ф ¾” Barras 16 ф ¾” Estribos:

ф 3/8” @ 0.15m Imagen 74 Diagrama de interacción de pedestal

Página | 109

Por los valores obtenidos en el diagrama de interacción, el diseño del pedestal es aceptable. 1.33 Diseño de la Cimentacion. Para el diseño de la cimentación se considera los valores de fuerzas de reacción en los apoyos del arco superior. Imagen 75 Fuerzas resultantes en los apoyos para el diseño de la cimentación del pedestal del arco.

Imagen 76 Fuerzas resultantes en los apoyos para el diseño de la cimentación para el pedestal de la plataforma.

Pre-dimensionamiento de la zapata para el pedestal de apoyo del arco:

Página | 100

Imagen 77 Pre- dimensionamiento de la zapata para el pedestal del arco

Datos: Seccion del pedestal cuadrado

b = 0.60 m

Resistencia del concreto

F = 210

Recubrimiento del acero de refuerzo: Acero de refuerzo:

� � 2 � �

r = 10 cm Fy = 4200

Fu = 6500

� � 2 � �

� � 2 � �

�= 0.0018

Suelo de cimentación: � � � ��= 13.3 =

�� 2

� �= 3

� � � �

���� 𝑟

=

� 4 � 2 �

4.433� 10 ��

� �

Cargas: Pcm = 124.77 Tn

Página | 101

Pcv = 49.80 Tn Ps = 9.07 Tn

Página | 102

1. Predimencionamiento : ��1 =

Az2 =

1.08 (𝑃� �+ 𝑃��) 2 = 3.858 � �� � �

1.08 (Pcm + Pcv + Ps) = 3.051 m2 1.33 x q adm

Az2 = {

Az1 si Az1 > Az2 Az2 si Az1 < Az2

Az = 3.858 m2 B = Az = 1.964m B = 2.00 m Az = B2 = 4 m2 2. Peralte Efectivo: Pu1 = 1.2 Pcm + 1.6 Pcv = 2.081x102 Kg Pu2 = 1.2 Pcm + 0.5 Pcv + 1Ps = 1.666x105 Kg Pu3 = 0.9 Pcm + 1 Ps = 1.101x105 Kg Pu= Pu1 3. Punzonamiento corte perimetral

qn =

�� 𝑃� = 5.203 ∗ 104 2 � � �

Asumiendo:

Página | 103

d = 40 cm Ao = (b + d) ∗ (b + d) = 1m2 bo = (b + d) ∗ 4 = 4m

…….. area de corte ………….perimetro

Página | 104

Vvo = Pu − qn ∗ Ao = 1.561 ∗ 105 Kg 4. Verificacion de corte:

ø = 0.85 ∗ 0.53 ∗ B ∗ d ∗ 210

� � 4 2 = 5.223 ∗ 10 �� � �

Vcu = qn ∗ B ∗ (m − d) = 3.122 ∗ 104 ��

� � � ��= {

1 �𝑖 � � �< ∅ 0 �𝑖 � � �> ∅

Corte =OK 5. Corte por Punzonamiento: Vcp1 = (0.53 +

Kg 1.1 ) ∗ bo ∗ d ∗ 210 2 = 3.779 ∗ 105 Kg cm β

Vcp2 = 1.1 ∗ bo ∗ d ∗ 210

Kg = 2.55 ∗ 105 Kg cm2

Vcp = Vcp2 Vup = qn ∗ [Az − (b − d)2 = 2.06 ∗ 105 Kg] ∅ = 0.85 Cortepunz = {

1 si Vcu ≤ ∅ ∗ Vcp 0 si Vcu > ∅ ∗ Vcp

∅ ∗ Vcp = 2.168 ∗ 105 Kg Cortepunz = OK 6. Flexion: Página | 105

M1 =

qn ∗ B ∗ m2 = 5.206 ∗ 104 Kg. m 2

Página | 106

As1 = (0.85 − 0.7225 −

1.7 ∗ M1 F ) ∗ bo ∗ d = 3.533 ∗ 10−3 m2 0.90 ∗ F ∗ bo ∗ d2 Fy

Cuantia de Acero: ρ=

As1 = 1.416 ∗ 10−3 B∗d

ρ = 1.8 ∗ 10−3

Por lo tanto As es Mayor que Asmin 2 � �����= �∗ �∗ 𝐻���= 4.416 ∗ 10−3 �

As = {

As1 si As > As min As min As min

2 � �= 4.416 ∗ 10−3 �

Acero a utilzar: 2 � �= 284 � �

� � = 15.549 � = 16 � � �− 14 � � � � � � �𝑖�= = 0.116� 𝑵

�=

� � � � �𝑖� = 11.625 � �

Diseño: Dimencionamiento de zapata Página | 107

Ancho

B=2m

Altura de zapata

Hzap=0.50 m

Acero de refuerzo:

16 Varillas de ¾”@11cm c/u en ambas direcciones

Página | 108

Pre-dimensionamiento de la zapata para el pedestal de apoyo del arco: Datos Seccion del predestal cuadrado b=0.10m Resistencia del concreto F = 210

�� ��2

Recubrimiento del acero de refuerzo

r=7 cm Acero de refuerzo:

Fy = 4200

Fu = 6500

Suelo de cimentación: � � q admr = 13.3 2 � �

� � 2 � �

�� ��2

�= 0.0018

Fs = 3

q adm =

� � �� � � � = 4.433 ∗ 104 2 � � �

Cargas: Pcm=1.16 Tn Pcv=0.11 Tn Ps=1.80 Tn 1. Predimencionamiento : Az1 =

1.08 ∗ (𝑃� �+ 𝑃��) 2 = 0.028 � � � � � Página | 109

Az2 =

1.08 ∗ (𝑃� �+ 𝑃��+ 𝑃�) 2 = 0.051 � 1.33 ∗ �� � �

Página | 110

Az2 = {

Az1 si Az1 > Az2 Az2 si Az1 < Az2

Az = 0.051 m2 B = Az = 0.226m B = 100 cm Az = B2 = 1 m2

2. Peralte Efectivo: Pu1 = 1.2 Pcm + 1.6 Pcv = 1.422 ∗ 103 Kg Pu2 = 1.2 Pcm + 0.5 Pcv + 1Ps = 2.946 ∗ 103 Kg Pu3 = 0.9 Pcm + 1 Ps = 2.58 ∗ 103 Kg Pu= Pu2 3. Punzonamiento corte perimetral

qn =

�� 𝑃� = 2.946 ∗ 103 2 � � �

Asumiendo: d = 25 cm Ao = (b + d) ∗ (b + d) = 0.122m2 …….. area de corte bo = (b + d) ∗ 4 = 1.4m

………….perimetro

Vvo = Pu − qn ∗ Ao = 2.585 ∗ 103 Kg 4. Verificacion de corte:

Página | 111

ø = 0.85 ∗ 0.53 ∗ B ∗ d ∗ 210

� � = 1.632 ∗ 104 �� 2 � �

Vcu = qn ∗ B ∗ (m − d) = 589.126 ��

� � � ��= {

1 �𝑖 � � �< ∅ 0 �𝑖 � � �> ∅

Corte =OK 5. Corte por Punzonamiento: Vcp1 = (0.53 +

Kg 1.1 ) ∗ bo ∗ d ∗ 210 2 = 8.267 ∗ 104 Kg cm β

Vcp2 = 1.1 ∗ bo ∗ d ∗ 210

Kg = 5.579 ∗ 104 Kg cm2

Vcp = Vcp2 Vup = qn ∗ [Az − (b − d)2 ] = 2.879 ∗ 103 Kg ∅ = 0.85 Cortepunz = {

1 si Vcu ≤ ∅ ∗ Vcp 0 si Vcu > ∅ ∗ Vcp

∅ ∗ Vcp = 4.742 ∗ 104 Kg Cortepunz = OK 6. Flexion: M1 =

qn ∗ B ∗ m2 = 1.473 ∗ 103 Kg. m 2

Página | 112

As1 = (0.85 − 0.7225 −

1.7 ∗ M1 F ) ∗ bo ∗ d = 1.567 ∗ 10−4 m2 0.90 ∗ F ∗ bo ∗ d2 Fy

Cuantia de Acero:

Página | 113

ρ=

As1 = 6.267 ∗ 10−4 B∗d

ρ = 1.8 ∗ 10−3

Por lo tanto As es Mayor que Asmin 2 � �����= �∗ �∗ 𝐻���= 6.3 ∗ 10−4 �

As = {

As1 si As > As min As min As min

2 � �= 6.3 ∗ 10−4 �

Acero a utilzar: 2 � �= 129 � �

� � = 4.884 �= 5 � � �− 14 � � � � � � �𝑖�= = 0.172� 𝑵

�=

� � � � �𝑖� = 17.2 � �

Diseño: Dimencionamiento de zapata Ancho

B=2m

Altura de zapata

Hzap=0.35 m Página | 114

Acero de refuerzo:

5 Varillas de1/2”@17cm c/u en ambas direcciones

Página | 115

1.34 ANALISIS ECONOMICO DEL PASE AÉREO DE ACERO 1.35 Planilla de metrados 1.36 Análisis de costos unitarios 1.37 Presupuesto

Página | 116

CAPITULO IV DISEÑO DE PASE AÉREO DE CONCRETO

Página | 110

4. DISEÑO DE PASE AÉREO DE CONCRETO

1.38 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Para el diseño del pase aéreo de concreto se tomara en consideración las condiciones de diseño a partir de los estudios técnicos realizados y presentados en el ítem 1 del capítulo III. Se tomara en consideración los mismos datos asumidos para el análisis y diseño estructural del pase aéreo de acero. 1.39 4.1 PREDIMENSIONAMIENTO DE PASE AÉREO DE CONCRETO

Se realiza el pre-dimensionamiento estructural de la superestructura y subestructura del pase aéreo de concreto, teniendo las siguientes consideraciones:

Longitud de la luz libre del pase aéreo: 200 m. Distancia entre torres de concreto

200 m.

Se toma un valor de relación entre altura y longitud de 1/10, con lo que se tiene una flecha predimensionada de 20m.

Página | 111

Imagen 78 Esquema de análisis para el pre-dimensionamiento de la flecha del pase aéreo de concreto.

Donde se tiene los siguientes datos: Luz de cable:

� �= 200�

Diferencia de alturas entre apoyos

∆ℎ = 2�

Angulo que forma la cuerda AB

∝= � �� �( � ) = −0.573°

∆ℎ

�

Las torres de sustentación serán ejecutadas en concreto armado, tendrán la siguiente estructuración:

Página | 112

Página | 113

Imagen 79 Torre de concreto armada pre dimensionada.

Página | 114

El sistema contraviento se pre-dimensiona con una longitud de flecha horizontal de 14.20 m desde la cara de la viga rigidizadora. En los extremos tiene una separación desde el eje de la tubería de 18.80 m. Imagen 80 Separacion en los extremos del sistema contraviento

Imagen 81 Flechaa del cable principal del sistema contra viento.

Página | 115

La viga rigidizadora transmitirá la carga del peso de la tubería y el fluido transportado hacia los cables principales de tensión, a su vez permitirá controlar las deformaciones de la tubería a lo largo de los 200 m. Esta conformada por paneles de 6.00 m cada uno , constituidos por una armadura de tipo Warren.

Imagen 82 Vista del panel para la viga rigidizadora.

Imagen 83 Vista isometrica de la viga rigidizadora.

Página | 116

Cable principal. Donde se tiene los siguientes datos: Luz de cable:

� �= 200�

Diferencia de alturas entre apoyos

∆ℎ = −2�

Angulo que forma la cuerda AB

∝= � �� �( � ) = −0.573°

∆ℎ

�

2

Tension en A:

√ � � = 𝐻 �1 + (

4� − � �

tan(� )) = 348.076 � � �

Tension en B:

√ � �= 𝐻 �1 + (

4� − � �

tan(� )) = 345.684 � � �

2

LONGITUD DEL CABLE : 2 � �

� �=

16 ∗ �∗ 𝐻

2

� �√( �

� �

2 2 �� + √ � �� � − �

� �

2

2

𝐻

) �

[

− 1 + ��√( ) − 1 + ���∗ 1� ��� √ ( ��+ �� − 𝐻

2

)] �

� �= 205.221 � (� )= �

Forma del cable:

4∗�∗� (�− 2 �

) + �tan(∝) �

Tension en el cable : � (� ) = ��√1 + tan(∝)

2 2 64 � � 4 �

2�

+ 16

2 �

Tension verticales en el cable:

+ tan(∝)2 −

2 � � 16 � 64 � � + tan(∝) − 8

3 �

2 �

�

(� ) = √� � (� )2 − ��2 � Página | 117

Foma del cable: (� )= �

4 ∗ �∗ � (�− � ) + �tan(∝) 2 �

Página | 118

Flecha = 20.00 m Longitud del cable = 200.00 m Angulon = -0.01 rad 4f = 80 Tang del cangulo = -0.010

x (m)

Y(x)

(m)

0.0

0

5.0

-2.000

10.0

-3.900

15.0

-5.700

20.0

-7.400

25.0

-9.000

30.0

-10.500

35.0

-11.900

40.0

-13.200

45.0

-14.400

50.0

-15.500

55.0

-16.500

60.0

-17.400

65.0

-18.200

70.0

-18.900

75.0

-19.500

80.0

-20.000

85.0

-20.400

90.0

-20.700

95.0

-20.900

100.0

-21.000

105.0

-21.000

110.0

-20.900

115.0

-20.700

120.0

-20.400

125.0

-20.000

130.0

-19.500

135.0

-18.900

140.0

-18.200

145.0

-17.400

150.0

-16.500

155.0

-15.500

160.0

-14.400

165.0

-13.200

170.0

-11.900

175.0

-10.500

180.0

-9.000

185.0

-7.400

190.0

-5.700

195.0

-3.900

200.0

-2.000

Página | 119

Imagen 84 Curva parabolica del cable del pase aereo

La geometría final de pase aéreo de concreto que se modelara para el análisis y diseño estructural es la siguiente:

Página | 120

Imagen 85 Vista de la geometria final del pase aereo de concreto

1.40 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PASE AEREO DE CONCRETO

1.41 Metrado de Cargas para el diseño del pase aéreo Datos iniciales : � � �= 1.03

�� 3 �

2 ���= 0.44 �

Peso especifico de aguas residuales Area de la seccion de agua en tuberia, para un ancho de 2m y espesor de 2”

� �= 1.02

�� 3 �

Peso especifico de la madera

� � �= 7.85

�� 3 �

Peso especifico del acero

2 � � � � � 𝑖� = 0.002 � Area y longitud estimada de canastilla

� � � � � 𝑖� = 17.66 � Perfil tipo “L” 4”x4”x1/2” � � = 263.74

� �=

�� �

����∗����𝑟�𝑖�∗� ��� 𝑟�𝑖� �

Peso de la tuberia de HDPE 48”

= 277.262

�� �

Peso aproximado de canastilla

Página | 120

� = 102.00 �

�� �

Peso de la madera

Página | 121

� � �= � � �∗ � � �= 453.2

�� �

Peso de aguas residuales

1.42 Carga muerta de diseño

Se dispondra de forma lineal , como una carga uniformente distribiuda a lo largo del eje de la tuberia.

1.43 Carga viva de diseño (carga del agua residual)

� = 643.00 �= � �+ � �+ � �

�� �

La carga que aplica el personal de manteniemiento y operación de la tuberia por el pase aereo , considerado 100 Kg/ m � � �= 50

� � �

� �= � � �+ � � �= 503.20

�� �

1.44 Cargas de Viento Wvv

Según el mapa eolico del Peru, Arequipa posee una Velocidad del viento a nivel del suelo de 85 Km/h. Esta carga es la originada por el viento. � � �= 32.00

� � �

1.45 Carga Ultima � �= 0.75 ∗ (1.4� �+ 1.7� �+ 1.7� � �) = 1358.0

� � �

Metrado de Cargas para acción en la canastilla metálica del pase aéreo Madera:

Página | 122

� �= 0.0 � �= 2.0 �

Página | 123

� ∗� ∗� � 1 =� � � �= 0.102

�� �

Tuberia: � � ��= 70.60 �

� � �= 263.74

� � �= 0.264

� � �

� � �

Carga Muerta (Wcm): � � �= � � 1 +� � �= 0.366 � ��1 =

� 𝑡� = � �𝑟1

��

0.159 � 2

�� �

Carga muerta sobre la base de madera en la estructura metalica para

sap 200 � � � 1=

� �𝑟 1 + � �𝑟1

��

0.05 � 2

��

� � � 1 = 0.322 � 2

Carga muerta sobre la base de madera en la estructura metalica

´Para el sap2000

Carga muerta y carga viva en (ton/m2) sobre la estructura metalica sobre la base de madera: Conversion de espesor de madera espesor de plancha de acero para la losa en el sap: Ecuacion de equilibrio a satisfacer � ∗� � �= � � �∗ � � � ��� =

��� ∗� � = ����

0.0065 � Para sap2000

1.46 Cargas de sismo.

Las cargas de sismo seguiran el mismo procedimiento detallado en el item ….. del pase aereo de acero, correspondiente al caluclo del espectro de respuesta de aceleracion sismica. 1.47 Combinaciones de Carga.

Página | 124

Para el analisis estrucutural se utiliza el metodo del AISC LRFD del 2010, que contempla las siguientes combinaciones de carga: ������= �. �∗ � ������= � . �∗ � + � . �∗ �+ �. � (�ó �ó � ) ������= � . �∗ � + � . �∗ (�ó �ó �) + (� . ��ó � . �∗ � � ) ������= � . �∗ � + � . �∗ 𝑾 + � . �∗ �+ � . �∗ (�ó �ó � ) ������= � . �∗ � ± � . �∗ �+ � . �∗ �+ � . �∗ �) ������= � . �∗ � ± (� . �∗ 𝑾 ó � . �∗ �) � � � � � : �: Carga muerta � : Carga Viva � , �: � �𝒓������ 𝒊��������𝒊� � � : Carga de viento �: Carga sismica En el modelo aplicado para la propuesta numero 2 de concreto tipo colgante , se ingresa las combinaciones de carga al software de analisis Sap2000. 1.48 Modelamiento estrucutural en Sap2000 del pase aereo de concreto El modelo estrucutural para el pase aereo de concreto considera la superestructura con 2 tipos de materiales , las torres de sustentancion de concreto armado y los cables, las pendolas asi como la viga rigidizadora de acero. Se ilustra el modelamiento realizado. Imagen 86 Modelamiento de la Viga rigidizadora vista en planta

Página | 125

Imagen 87 Vista Isometrica de la viga rigidizadora

Imagen 88 Vista frontal del modelamiento de cables principales.

Página | 126

Imagen 89 Vista en planta de cables principal del sistema contraviento.

Imagen 90 Vista isometrica del modelamiento de las pendolas.

Página | 127

Imagen 91 Modelamiento de las torres de sustentacion de concreto armado.

Página | 126

Imagen 90 Vista isometrica de la estrucutura modelada.

1.49 ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA

1.50 Deformaciones:

Tabla 17 Desplazamientos de la viga rigidizadora en metros

NODO

DESPLAZAMIENTO DE VIGA RIGIDIZADORA DESPL. X COMBO DESPLZ. Y COMBO DESPL. Z COMBO 0.16 COMBO2 4.86 COMBO5 -5.81 COMBO2 1589 1613 1192

Página | 127

Tabla 18 Desplzamientos de la torre de sustentacion.

NODO

DESPLAZAMIENTO DE TORRE DESPL. X COMBO DESPLZ. Y COMBO DESPL. Z COMBO 0.04 COMBO2 0 COMBO 2 0 COMBO 2 2 2 2

Zonas mas esforzadas consideradas para el diseño de de la estructura del pase aereo de concreto. Cable principal: Imagen 91 : Cable Princiapal

Página | 128

Torres: Imagen 92 : Cable Princiapal

Página | 129

Cable de contra viento: Imagen 93 : Cable de Contraviento

1.51 Diseño del pase aereo de concreto. 4.11.1 Diseño de la superestructura. Diseño de Pendolas y cable Principal GEOMETRIA DEL PUENTE Longitud Total del Puente(L) Longitud de la Flecha(f) Por Proceso Constructivo Redondear flecha (f) Long. Min. de la péndola (∆H) Espaciamiento entre Péndolas(l) Diámetro de la Tubería de HDPE (d) Altura Total del Puente (HT)

200.0 20.0 20.0 2.0 6.0 48.0 21.95

m m m m m pulg m

Página | 130

METRADO DE CARGAS TOTALES QUE SOPORTA LA TUBERIA Carga Muerta (WD) 643.0 Kg/m Carga Viva (WL) 503.2 Kg/m Carga de Viento (WV) 32.0 Kg/m Carga Ultima de diseño (Wu) 1358.0 Kg/m

FACTORES DE SEGURIDAD PARA EL DISEÑO DE PENDOLA Y CABLE PRINCIPAL Factor de seguridad para el diseño de Péndolas factor de seguridad para el diseño del cable principal

3.5 3.5

DATOS PARA DISEÑO DE LAS ABRAZADERAS Se utilizará pernos de grado 5 (A325) Datos para el Diseño de los pernos por corte 1055.0 Kg/cm2 Esfuerzo unitario permisible en corte.(Fv) Datos para el Diseño por aplastamiento de pernos 3375.0 Kg/cm2 Esfuerzo unitario permisible en compresión.(FP) Analisi y diseño de la estructura colgante

DISEÑ0 DE LA TUBERIA Espesor Mínimo de la tubería de HDPE (tMín)

7.06

cm

tmin

70.6

mm

Luego el espesor de tuberia de HDPE a usar será

70.6

mm

d: 48"

Donde : d: Es el diámetro de la tubería de HDPE

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Página | 132

Diseño de torres de sustentacion: DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DISEÑO DE VIGAS VIGA V-1

Imagen 94 : Viga mas esforzada del protico de concreto armado

Página | 133

Diagrama de envolvente de Fuerzas cortantes

Imagen 95 : ¿????

Diagrama de envolvente de Momentos flectores

DISEÑO POR FLEXION

Diseño por momento negativo.

Página | 134

Imagen 96 : Vista de calculo realizado por software de diseño de viga con norma ACI, considerando el momento negativo.

Diseño por momento positivo.

Imagen 97 : Vista de calculo realizado por software de diseño de vigas, considerando el momento positivo

Página | 135

Imagen 98 : Distribucion de acero según calculo realizado para la vigadel portico

Imagen 99 : Desarrollo para vigas de portico de concreto armado, de detalla cortes de acero .

Página | 136

Imagen 100 Cuadro de distribucion de estribos para vigas.

1.52 DISEÑO DE LA COLUMNAS Las columnas son elementos principalmente sometidos a esfuerzos de compresión y simultáneamente a los de flexión y corte. Las columnas se plantearon las siguientes dimensiones y su acero. Conforme con la arquitectura, en la estructuración del edificio se han planteado principalmente columnas que tengan por norma el acero más que la cuantía mínima: RNE la cuantía de acero en columnas debe de estar entre los intervalos de 1.0% - 6.0% Pero lo recomendable es que este entre 1.0% - 2.5%.

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Imagen 101 : Imagen de resultados de SAP2000 de la columna mas esforzada del portico COLUMNA C-1

La columna C-1 necesita 96.00 cm2 de acero

Página | 138

Se colocara 40 acero de 3/4” que da un área de acero de 114.01cm2 y es 1.20% de cuantía que sería superior a la mínima de 1.0% y el diseño es correcto.

Imagen 102 : Ilustracion para la distribucion del acero de refuerzo en la columna para portico de concreto armado.

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Imagen 103 : Resultados de SAP2000 de fuerza cortante parala columna mas esforzada.

Imagen 104 : Resultado de SAP2000 para fuerzas axiales de la columna mas esforzada del portico.

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Imagen 105 : Programa realizado en excel para el calculo de la cuantia de acero.

Imagen 106 : Datos ingresados para determinar cuantias minimas y maximas .

Página | 141

Imagen 106 : Diagrama de interaccion para la columna C-1 , la mas esforzada del protico.

Página | 142

Página | 143

Página | 144

1.53 Diseño de la Subestructura. Diseño de la Camara de Anclaje: DISEÑO DE LA CAMARA DE ANCLAJE Geometría de la Cámara de anclaje (Predimensionamiento)

Largo (l)

7.5

m 5.0

Ancho (a)

7.5

m

Alto (h)

5

m

h

0

m

l 7.50

m

Cargas que actúan en la Cámara de anclaje Tmáx Vmá x Hmáx

α

21.80

°

37572 Tmáx

8

Kg

34885 Hmáx

5

Kg

13954 Vmáx

2

Kg

Q

Página | 145

64687 Q

5

Kg l/2

l/2

Diseño de la Cimentacion: DISEÑO DE ZAPATAS. COLUMNA C-1 Imagen 107 : Resultados de SAP2000 de momentos flextores para la columna mas esforzada.

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Imagen 107 : Resultados de Sap2000 de fuerzas axiales para la columna mas esforzada.

Obtenido del estudio de suelos

σ = 13

Kg capacidad portante de roca cm2

� �= 2.4

Tn capacidad portante de roca m3

Datos del concreto armado � �= 4200

tn m2

′ � �= 210

tn

� �= 2100 m 2

� � 𝑖� = 0.0018 Kg cm2

σ = 0.85

Resultados obtenidos del analisas estructural Página | 147

𝑃� �= 316.94 Tn

� � �= 60.15 Tn. m

Página | 148

𝑃��= 16.15 Tn

� � �= 2.93 Tn. m � � �= 1.39 Tn. m

𝑃��= 2.45 Tn Resultados del analisas estructural

� � � � �= 69.54 Tn. m 𝑃�� � �= 16.15 Tn

Datos de la Columna

1. Pre dimencionamiento: Suponemos :

ℎ�= 0.80m

zapata = "aislada"

ANALISIS ESTATICO P = ( 𝑃� �+ 𝑃� �)

P = 333.09 Tn

𝑃���= 5% P El porcentaje del peso de la zapata varia según diseño

Página | 149

1) σ ≤ 2

kg

entonce 𝑃

� � �

2 � �

2) σ > 2

kg

entonce 𝑃

= 5%P

� � �

2 � �

𝑃���= 16.655 Tn

= 10 % P

al determinar las dimenciones de la zapata se recalculan el Pzap 𝑃�= P + 𝑃��� 𝑃�= 349.745 Tn A1 =

𝑃� 2 = 11.658 349.745 � σ

�3 = √� 1 �3 = 3.41 m

Recomendación : Hacer m=n

�= t − b �= 0.4m � 3 = �3 + k � 3 = 3.81m Usamos los valores obtenidos: Página | 150

�= 4.2 m

�= 3.8 m

2 �3 = �∗ �= 15.96�

𝑃�������= � � �∗ �∗ ℎ�= 30.643 �

Página | 151

� � � � � � � ��= 𝑃�+ 𝑃� �+ 𝑃�� � � � ��= 363.733 � Me = � .� � �+ � � �= 63.08 � Comparamos las excentricidades � � = 0.1734 � �= � � � � � � ��

� 1 =

max(�∗ � ) = 0.7m 6

Calculamos el esfuerzo en el terreno � � 1 � � � � � �� � ) �𝑖 � �� (1 + 6 ∗ �≤ � 1 = 28.437 2 � � max(�∗ � ) � ���= {

2∗� � � � � � �� � 3 ∗ ( �− � ,� ) � ∗ min(� 2

Cumple σ>σ .e …..ok usar L*B si σ ≥ σe = "Cumple σ>σ .e. Zapatae = { Cambiar seccion

Zapata e = "Cumple σ>σ .e …..ok usar L*B

ANALISIS DINAMICO Pd = (PCm + PCV + Pcs ) = 335.54 Tn

A2 =

Pd = 11.185m2 σ

Usamos los valores obtenidos: Página | 150

�= 4.2 m

�= 3.8 m

2 �� = �∗ �= 15.96�

𝑃�������= � � �∗ �∗ �∗ ℎ�= 30.643 � � � � � � � � ��= 𝑃� �+ 𝑃� �+ 𝑃� �+ 𝑃�� � � � ��= 366.183 � Md = � .� � � �+ � � �+ � � �= 64.47 �

Página | 151

Comparamos las excentricidades � � = 0.176m � �= � � � � � � ��

� 2 =

max(� ,� ) = 0.7m 6

� � 1 � � � � � �� � ) �𝑖 � �� (1 + 6 ∗ �≤ � 2 = 28.714 2 � � max(� ,� ) � ���= {

2∗� � � � � � �� �� 3∗( − � ,� ) �∗ min(� 2

���= 28.714

Tn 2 �

"Cumple σ>σ .d …..ok usar L*B" si σ ∗ 1.3 ≥ σd = "Cumple σ>σ .d. Zapata d = { "Cumple σ>σ .d …..ok usar L*B" si σ ∗ 1.3 ≥ σd Cambiar seccion

Zapata d = "Cumple σ>σ .d …..ok usar L*B" 2. Diseño por Punzonamiento De las hipotesis conseguimos los máximos valores � � � � �= 69.54 m. Tn

𝑃�� � �= 360.6 Tn

𝑃�������= 30.643 Tn

Hallamos la excentricidad:

�� = � �

� � � � � = 0.193m 𝑃�� � �

𝑃�� � � (1 + 6 ∗

� � � �

� � � � �=

) �𝑖 �

max(� ,� ) = 0.7m 6

≤ �

1 Página | 152

����

max(� , �) = 29.474

��

��� � �=

{

� �

2 �

� � � � �2 ∗ 𝑃� � � � 3∗( 2 − � ,� ) � � �∗ min(� ��� � �= 29.474

Tn 2 �

Página | 153

Verificamos: �= ℎ�− 0.10m = 0.7 m 2 �� = 15.96 � t+dsisiesesZapata ZapataExcentrica Aislada t+d � X0 = {

t+

X0 = 1.9 �

2

b+dsisiesesZapata ZapataExcentrica Aislada b+d � Y0 = {

Zapata Esquinera

b+

2

Zapata Esquinera

Y0 = 1.5 m

b0 = (2 X0 + 2 Y0 ) = 6.8 � 2 A0 = ( X0 ∗ Y0 ) = 2.85�

(��− �0) = 3.86.4 �� ����� = ��� � � 40 si es Zapata Aislada ∝= { 30 si es Zapata Excentrica 20 Zapata Esquinera t � 10 � � 2 ¨�∗ 0.53 (1 + ) ∗ [√� ∗ b0 ∗ d] 2 � � �=

V� = min 0.27 (∝

10 �� � ∗ b0 ∗ d] = 731.177 �� + 2) ∗ [√� ¨�∗ 2 � b0 10 � �

Página | 154

[

1.06 ∗ [√� ¨�∗

2 �

∗ b0 ∗ d]

]

Página | 155

V� = 731.177 Tn

Punzonamiento = {

Vu m ax ∅

454.588 ��

"No hay problemas por Punzanamiento" si V� >

� � � � � ∅

"aumentar el Peralte Hz"

Punzonamiento = "No hay problemas por Punzanamiento"

3. Diseño por Corte por Flexión Se tiene volados iguales m=n d = 0.7 m En el eje X

� 1 =

� � − �𝑖 � � � � ��= "� 𝑖���� � " 2 2 � � − �𝑖 � � � � ��= "Excentrica" 2 2 { L − ��𝑖 � � � � ��= "Esquinera"

En el eje Y � � − �𝑖 � � � � ��= "� 𝑖���� � " �1 = { 2 2 B − ��𝑖 � � � � ��= "Excentrica" B − ��𝑖 � � � � ��= "Esquinera" � 1 = 1.5 � �� = 1 � (|�1 − �|) = 23.579 �� � � = �� � � �� �

Página | 156

� � � = 23.579 � � � = 27.74 � � ∅

Página | 157

� ¨�∗ �= 0.53 [√�

� � ] ∗ Bn ∗ d = 53.763 Tn ��2

� �= 53.763 Tn "No hay problemas por Corte por Flexion" si Corte = {

�� � � 𝑖� = 13.579 cm � � 𝑖� ∗ � �∗ �

As = 13.579 cm2 Cantidad de acero por un metro de la zapata

Escojemos el acero a usar As = 2.85 cm2 ∅1/2" �𝑖 Varilla = [∅5/8" �𝑖 ∅3/4" �𝑖

�= 1.27cm2 �= 2.00cm2 �= 2.85cm2

Varilla = "∅3/4" � � �𝑖 (� ) � Varilla = [

� � < 0.30�= 0.21 � (� �)

0.25 m Escojemos el acero a usar As = 2.00 cm2 ∅1/2"

�𝑖

�= 1.27cm2 Página | 159

Varilla = [∅5/8" �𝑖 ∅3/4" �𝑖

�= 2.00cm2 �= 2.85cm2

Varilla = "∅5/8"

Página | 160

� � �𝑖 �) Varilla = [(�

� � < 0.30�= 0.15 � (� �)

0.25 m

Por diseño en la zapata de la columna C-1 tendrá una zapata de dimensiones 4.20 x3.80 m y peralte de 0.8m, como indica los planos y acero de diámetro de 3/4” con un espaciamiento de 0.20m o utilizar acero de diámetro de 5/8” con un espaciamiento de 0.15m. Como se superponen las zapatas de las columnas del pórtico se considerada una zapata combinada de dimensiones de 4.20m x 7.50m como indica planos. Imagen 108 Vista en planta de zapata combinada diseñada del portico de concreto armado.

Página | 161

Imagen 109 : Vista fronta de la zapata diseñada para el portico de concreto armado.

Página | 157

1.54 ANALISIS ECONOMICO DEL PASE AEREO DE CONCRETO.

Página | 158

CAPITULO V Análisis comparativo entre las 2 propuestas

Página | 159

5. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LAS 2 PROPUESTAS 1.55 RESPUESTA SISMICA DE LOS PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO

5.1.

R e s p u e s ta s í s m i c a d e l p a s e a é r e o d e a c e r o

Desplazamientos en la estructura Sismo en X-X Tabla 19 desplazamientos por sismo en XX NODO 105

U1X m 0.0015

U2Y m 0.024

U3Z m 0

Sismo en Y-Y Tabla 20 Desplazamientos por sismo en YY NODO 105 5.2.

U1X m 0.0031

U2Y m 0.079

U3Z m 0

R e s p u e s ta s í s m i c a d e l p a s e a é r e o d e c o n c r e to

Desplazamientos en la estructura Sismo en X-X NODO 105

U1X m 0.0015

U2Y m 0.024

U3Z m 0

Tabla 21 desplazamientos por sismo en XX Sismo en Y-Y NODO 105

U1X m 0.0031

U2Y m 0.079

U3Z m 0

Tabla 22 Desplazamientos por sismo en YY Página | 160

5.3 Cuadro Comparativo Tabla 21 Cuadro comparativo de desplazamiento para los 2 tipos de estructuracion. Sismo X-X Desplazamiento del pase aereo de acero Ux Uy Uz

Desplazamiento del pase aereo de concreto

0.0015 0.024 0 Sismo Y-Y

0.002 1.45 0.02

Desplazamiento del pase aereo de acero

Desplazamiento del pase aereo de concreto

0.0031 0.079 0

0.01 4.84 0.08

Ux Uy Uz

1.56 EVALUACION ECONOMICA DE LOS PASES AÉREOS DE ACERO Y CONCRETO

En esta seccion se compara los costos totales presupuestados para la construccion de las 2 propuestas presentadas; para un pase aereo de acero con 200 metros de luz libre de tipo Arco superior y la otra de concreto de Tipo Colgante, ambos transportan una tuberia de 1200mm (48”) de diametro. Cuadro Comparativo Tabla 22 Cuadro comparativo de costos para las 2 propuestas de pase aereo

PRESUPUESTO DE CONSTRUCCION PARA UN PASE AEREO DE 200 M TIPO DE PASE AEREO ACERO CONCRETO

COSTO DIRECTO

S/. 2,626,288.97 S/. 1,254,993.07

Página | 161

1.57 Ventajas y Desventajas de los sistemas Aplicados.

5.3.

P a s es Ae re os de Ac e r o

Ventajas Facilidad de montaje e instalacion de perfiles en la construccion del pase aereo de 200 m. Deformaciones aceptables para cargas de servicio , cargas de sismo y de viento. Menores plazos de ejecucion de obras, pues la Fabricacion de piezas se realiza en taller reduciendo los tiempos de ejecucion. Agradable impacto visual, pues las estructuras de acero pueden ser diemnsionadas según un tipo de arquitectura adeacuda al lugar de montaje. Prefabricacion de piezas, el diseño del pase aereo de acero contempla la prefabricacion de elementos estrucuturales. Buen comportamiento sismico del pase aereo de acero, las deformaciones del pase aereo de acero ante cargas de sismo según NTP E030 son aceptables. No afectan el correcto flujo del fluido transportado por la tuberia. Desventajas Costo total del proyecto es elevado, los perfiles de acero por incluir su fabricacion tienen precios altos. El mantenimiento debe ser periodico , cada 5 años los perfiles y cada 2 los pernos y soldaduras. Deterioro de las estructuras, la corrosion del acero de los perfiles del pase aereo de acero debe ser constantemente controlado para evitar posibles reducciones de ductibilidad de los materiales.

Página | 162

5.4.

P a s e s A e r e o s d e C o n c r e to

Ventajas El costo total del proyecto es menor que el de acero, ya que las estructuras de torres de sustentacion son de concreto que tienen menor , asi como los perfiles seleccionados para la viga rigidizadora son de menor seccion. Mantenimiento de la estructura de concreto no requiere constantes trabajos, tiene mayores plazos, cada 10 años. La provicion de materiales, el pase aereo de concreto tiene materiales en su diseño que se encuentran en oferta localmente. Construccion simple, el pase aereo de concreto tiene elementos estrucuturales de concreto y acero de facil construccion y/o montaje, como Columnas, vigas, cables entre otros. Desventajas Grandes deformaciones, la estrucuturacion del pase aereo de concreto al no tener suficiente rigidez lateral y tener elementos estructurales que solo trabajan a tension mas no a compresion, presenta deformaciones considerables en comparacion del pase aereo de acero. Secciones de mayor dimension, las estrucuturas de concreto del pase aereo de concreto se han diseñado con gran peralte , debido a las dimensiones geometricas del pase de 200 m. Mal comportamiento sismico, la estrucuturacion del pase aereo de concreto tiene deformaciones considerables ante cargas de sismo. Afectando directamente el flujo del fluido transportando por la tuberia.

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CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Página | 164

6.

CONCLUSIONES

La estructura del pase aereo de acero ante una condicion de servicio (PCM+PCV) tiene como defromacion maxima 0.08 m (8cm.) en direccion del eje Z, por lo que se toma estos desplazamientos como aceptables. La estructura del pase aereo de concreto ante una condicion de servicio (PCM+PCV) tiene como defromacion maxima 0.30 m (30cm.) en direccion del eje Z, por lo que se toma estos desplzamientos como no aceptables porque superan los criterios de flecha maxima.. La estructura del pase aereo de acero ante una condicion critica de sismo (SISMO Y-Y) tiene como defromacion maxima 0.079 m (7.9cm.) en direccion del eje Y, por lo que se toma estos desplazamientos como aceptables. La estructura del pase aereo de concreto ante una condicion critica de sismo (SISMO Y-Y) tiene como defromacion maxima 4.84 m en direccion del eje Y, por lo que se toma estos desplzamientos como no aceptables. El pase aereo de Acero tiene en su estructuracion mejor rigidez y presenta menores desplazamientos ante cargas de servicios y sismo; a diferencia del pase aereo de Concreto de tipo colgante. El costo total presupuestado para la ejecucion de la propuesta de pase aereo de acero es S/. 2,626.288.97 Nuevos soles y el costo total presupuestado para la ejecucion de la propuesta de Concreto es de S/. 1,254,993.07 Nuevos Soles. El pase aereo de concreto tipo colgante tiene un costo de ejecucion inferior que la propuesta economica del pase aereo de Acero, con una diferencia economica de S/. 1,371,295.90 Nuevos Soles.

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7. RECOMENDACIONES. Se recomienda el diseño y construccion de un pase aereo de acero de tipo arco Superior de un pase aereo de 200 m de luz en la ciudad de Arequipa , Distritio de Yura. Se recomienda realizar un analisis comparativo entre 2 pases aereos de 200 m; manteniendo la propuesta de acero de tipo arco superior presentada y el pase aereo de concreto de tipo Colgante con una diferente estructuracion en la viga rigidizadora y el sistema contraviento. Se recomienda realizar un analisis comparativo entre pases aereos de acero con una propuesta de tipo arco y otra de tipo atirantado. Se recomienda realizar el analisis comparativo entre una propuesta de pase aereo de 200 metros o mayor, entre una propuesta de pase aereo de Acero de tipo Colgante y una propuesta de Concreto de tipo Colgante. Se recomienda considerar el impacto visual que generan los diferentes tipos de pases aereos que se construyen para el diseño de los pases aereos en Arequipa.

Página | 166

8

BIBLIOGRAFÍA

Ramon Arguellez, Jorge fernandez. (2014), “Estructuras de acero”. Madrid. Bellisco ediciones tecnicas y cientificas . Juarez Badillo, Rico Rodriguez. (1995), “Mecanica de Suelos”. Mexico. Limusa noriega editores. Hector Aroquipa Velasquez. (2010), “ Costos y Presupuestos en S10 , Peru. Universidad Nacional del Altiplano. Gianfranco Ottazzi Pasino. (2007), “Apuntes de Concreto Armado”. Peru. Pontificia Universidad Catolica del Peru. David Blockley. (2010), “Bridges”. USA. Oxford University Press. Jack C. Mac Cormac, Stephen F. Csernak. (2012), “Diseño de Estructuras de Aceero”. Mexico DF. Alfaomega. Jack C. Mac Cormac, Stephen F. Csernak. (2016), “Reglamento Nacional de Edificaciones del Peru”. Lima. El Peruano. “Columnas Mixtas de Acero y concreto” , (2014) , [En Linea ,

Tesis: Luis Zegarra Ciquero. (2007), “Analisis y Diseño de Puentes Colgantes”. , Magister en Ingenieria Civil. Peru. Pontificia Universidad Catolica del Peru. Erreyes Espinoza Joshep. (2007), “Diseño de un puente de soporte de tuberia y pase peatonal en el sector de Chicti Canton Paute”. , Profesional en Ingenieria Mecanical. Cuenca. Universidad Politecnica Salesiana.

Página | 167

ANEXOS

Página | 168

INDICE DE IMÁGENES Imagen 1 Pase aéreo de acero construido para tubería de gas. Construido por ATD en México

11

Imagen 2 Vista de la armadura construida como pase aéreo.

12

Imagen 3 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya

13

Imagen 4 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares

13

Imagen 5 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia

14

Imagen 6 Esquema de pase aéreo tipo atirantado

15

Imagen 7 Acueducto Babahoyo- Ecuador

15

Imagen 8 Diagrama de esfuerzo-deformación para diferentes resistencias del concreto en compresión.

16

Imagen 9 Diagrama de esfuerzo vs deformación de un acero estructural.

21

Imagen 10 Grafico para diferentes aceros con distintos esfuerzos de fluencia.

21

Imagen 11 Elemento sometido a compresión.

22

Imagen 12 Pandeo Local

23

Imagen 13 Perfiles laminados de acero.

24

Imagen 14 Perfiles de acero galvanizados

25

Imagen 15 Fabricación de perfil de acero, tipo W.

25

Imagen 16 Torre de concreto armado en construcción, Pase aéreo Baluarte Bicentenario en México. Se aprecia el concreto y acero de refuerzo que conforman la estructura.

29

Imagen 17 Elementos de un pase aéreo construido en su totalidad por acero

30

Imagen 18 Elementos de la superestructura de un pase aéreo de Acero.

32

Imagen 19 Componentes de un apoyo deslizante típico. (Imagen cortesía de D. S. Brown Company,North Baltimore, Ohio.)

33

Imagen 20 Apoyo tipo Balancín

33

Imagen 21 Apoyo con Pasador

34

Imagen 22 Apoyo de Rodillos

34

Imagen 23 Apoyo Elastomérico: Almohadilla elastomérica reforzada de acero.

35

Imagen 24 Apoyo Curvado o Esférico.

35

Imagen 25 Componentes de un típico apoyo de anillo. (Illustration courtesy of D. S. Brown Company, North Baltimore, Ohio.)

36

Imagen 26 Apoyo de Disco.

36

Imagen 27 Estribo de pase aéreo de concreto.

37

Imagen 28 Pilar de acero para pase aéreo metálico en Cajamarca Perú.

38

Imagen 29 Zapata Aislada

39

Imagen 30 Zapata Combinada.

39

Imagen 31 Zapata Ligada

40

Página | 169

Imagen 32 Pilotes

40

Imagen 33 Losa de cimentación

41

Imagen 34 Pase aéreo para colectores principales de desagüe Yura-Arequipa

41

Imagen 35 Pase aéreo de acero reticulado construido por Sociedad minera Cerro Verde en el Tiabaya.

42

Imagen 36 Armaduras Típicas para pases aéreos reticulares

43

Imagen 37 Pase aéreo construido en Socopampa - Bolivia

43

Imagen 38 Esquema de acueducto tipo atirantado

44

Imagen 39 Acueducto Babahoyo- Ecuador

44

Imagen 40 Tipos de cables usados para tirantas

46

Imagen 41 Tipos de torones

47

Imagen 42 Configuración de torón y cable estructural

47

Imagen 43 Protección del cable a la corrosión

51

Imagen 44 Vista en planta de la estructura

62

Imagen 45 Vista Frontal de la estructura

63

Imagen 462 Carga muerta aplicada a la estructura modelada en SAP2000.

71

Imagen 47 Espectro de Pseudo-aceleraciones en el eje X-X

75

Imagen 48 Espectro de Pseudo-aceleraciones en el eje Y-Y

75

Imagen 49 Vista del arco modelado

77

Imagen 50 Vista de las péndolas modeladas

77

Imagen 51 Vista de la plataforma modelada

78

Imagen 52 Vista de la tubería HDPE modelada en Sap2000

78

Imagen 53 Vista del pase aéreo de acero modelado en Sap2000 v18.1

79

Imagen 54 Cargas definidas en Sap2000

79

Imagen 55 Fuerzas axiales aplicadas a la estructura de tipo arco superior

80

Imagen 56 Estructura del pase aéreo de acero deformada

81

Imagen 57 Fuerzas axiales de compresión en el arco del pase aéreo.

82

Imagen 58 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 40x40cm e=16 mm.”

83

Imagen 59 Ilustración de fuerzas de compresión máxima en la unión de arcos

84

Imagen 60 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 150x150x12.5 o HSS 6x6x1/2”.”

86

Imagen 61 Fuerzas de compresión máximas en el larguero de plataforma.

87

Imagen 62 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo cuadrado de 250x250x12.5 ”

88

Imagen 63 Fuerzas máximas de compresión en la celosa de plataforma.

89

Imagen 64 Curva de Resistencia de perfil diseñado “Tubo L de 5x5x7/16”

91

Imagen 65 Fuerzas máximas de tensión en las péndolas.

92

Imagen 66 Fuerzas máximas de tensión en el elemento "Unión de larguero"

93

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Imagen 67 Fuerzas máximas de tensión en la celosía.

95

Imagen 68 Fuerzas de tensión máximas en el elemento "larguero de plataforma"

96

Imagen 69 Diagrama de cuerpo libre para el elemento arco.

97

Imagen 70 Diagrama de cuerpo libre para el elemento larguero de plataforma

98

Imagen 71 Sección pre-dimensionada del pedestal de apoyo

98

Imagen 72 Diagrama de interacción de pedestal

99

Imagen 73 Fuerzas resultantes en los apoyos para el diseño de la cimentación del pedestal del arco.

100

Imagen 74 Fuerzas resultantes en los apoyos para el diseño de la cimentación para el pedestal de la plataforma.

100

Imagen 75 Pre- dimensionamiento de la zapata para el pedestal del arco

101

Imagen 76 Esquema de análisis para el pre-dimensionamiento de la flecha del pase aéreo de concreto. _ 112 Imagen 77 Torre de concreto armada pre dimensionada.

114

Imagen 78 Separacion en los extremos del sistema contraviento

115

Imagen 79 Flechaa del cable principal del sistema contra viento.

115

Imagen 80 Vista del panel para la viga rigidizadora.

116

Imagen 81 Vista isometrica de la viga rigidizadora.

116

Imagen 82 Curva parabolica del cable del pase aereo

119

Imagen 83 Vista de la geometria final del pase aereo de concreto

120

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INDICE DE TABLAS: Tabla 1 Materiales principales para el análisis y diseño de ambas propuestas.

10

Tabla 2 Tipos de acero mas usado

19

Tabla 3 Valores máximos y mínimos de esfuerzo para el acero A36

20

Tabla 4 Especificaciones y normatividad para diferentes tipos de perfiles de acero

27

Tabla 5 Clasificación de concretos según Manual de diseño de Pase aéreos MTC.

28

Tabla 6 Módulos mínimos de elasticidad de torones y cables estructurales pre-estirados

48

Tabla 7 Comparación entre el torón y el cable estructural

52

Tabla 8 Características geométricas de la tubería HPDE 1.20 m

70

Tabla 9 Densidades de los materiales y fluidos

71

Tabla 10 Datos geométricos del pase aéreo

71

Tabla 11 Carga Muerta aplicada WD

71

Tabla 12 Carga Viva “Wl”.

72

Tabla 13 Carga de Viento “ Ww”

73

Tabla 14 Parámetros sísmicos del pase aéreo de acero

74

Tabla 15 Resumen de fuerzas axiales máximas en la estructura

80

Tabla 16 Desplazamientos máximos finales de la estructura.

81

Tabla 17 Desplazamientos de la viga rigidizadora en metros

127

Tabla 18 Desplzamientos de la torre de sustentacion.

128

Tabla 19 desplazamientos por sismo en XX

160

Tabla 20 Desplazamientos por sismo en YY

160

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