SECCION 19. DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS, PUENTES Y LOSAS DE HORMIGON ARMADO

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1 SECCION 19. DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS, PUENTES Y LOSAS DE HORMIGON ARMADO INDICE GENERAL Pág. ART DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS CÁLCULO DE LAS CARGAS MUERTAS CÁLCULO DE LAS CARGAS VIVAS CÁLCULO ESTRUCTURAL... 5 ART DISEÑO ESTRUCTURAL DE PUENTES Y LOSAS DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA DISEÑO DE LA ESTRUCTURA... 7

2 SECCION 19 DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS, PUENTES Y LOSAS DE HORMIGON ARMADO ART CONSIDERACIONES GENERALES Esta Sección presenta criterios y recomendaciones generales para el diseño estructural de alcantarillas, puentes y losas de hormigón armado, de manera que sean considerados o su alcance analizado en la realización del proyecto de diseño respectivo. Estos criterios y/o recomendaciones podrán ser modificados de acuerdo a las consideraciones del consultor o profesional responsable del proyecto, de manera de que sus alcances sean válidos al proyecto estructural, según sus particularidades, tales suelos, climas, cargas, riesgos, entre otras consideraciones. La Sección se establece como guía general, por lo que no pretende abarcar todos los aspectos del diseño, ecuaciones, metodologías de cálculo, entre otros. El diseño de elementos de hormigón armado deberá cumplir las disposiciones de la Norma NCh430, NCh 433, y los D.S.60 y D.S. 61 de MINVU, según sea aplicable. ART DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS DE HORMIGÓN ARMADO Las alcantarillas que sean construidas de hormigón o de hormigón armado, deberán ceñirse a las disposiciones indicas en este artículo. Para el análisis estructural de estos elementos de hormigón, se requiere considerar las diferentes cargas que solicitan a la estructura, en las que se cuentan las cargas muertas, que se componen del peso de la masa o relleno existente actuando sobre la estructura y por las presiones laterales ejercidas por dicho relleno. Por otra parte, es necesario cuantificar las cargas dinámicas debidas al tránsito, que son incrementadas por los impactos y vibraciones transmitidas por ellas, y además las solicitaciones ejercidas por el agua en las curvas cerradas, las cuales se conocen como cargas vivas. Para resistir las cargas solicitantes, la alcantarilla se apoyará en toda su longitud en la base de la zanja de colocación. Si el terreno existente no tiene un poder de soporte 2

3 suficiente, es necesario especificar su reemplazo, en un espesor y capacidad de soporte a determinar por el diseño respectivo, basado en las condiciones del lugar. En caso de no contar con el material de soporte mínimo requerido, se deberá considerar la construcción de un emplantillado, radier, o fundación de hormigón, o la colocación de tubos especiales con base ancha en la base para disminuir las tensiones sobre el suelo. Para definir el material de relleno de la zanja a utilizar en la construcción de alcantarillas se deberá considerar que no sea susceptible a expansión o agrietamiento. En su colocación deberá quedar debidamente compactado, siguiendo las recomendaciones que se entregan para estos efectos en la Sección 2 para definición y verificación del material a utilizar y en la Sección 12, para los procedimientos de ejecución de la compactación CÁLCULO DE LAS CARGAS MUERTAS (SUELOS SOBRE ALCANTARILLAS) Para la determinación de las cargas muertas de suelos actuando sobre la estructura de hormigón armado de las alcantarillas, se proponen ecuaciones que permiten determinar valores para cuantificar los requerimientos de diseño. Tales ecuaciones expresan su valor como una fuerza W aplicada sobre la estructura, que depende de la altura del suelo H sobre la clave del tubo, y también de la existencia de un terraplén de altura D. Esta fuerza da origen a esfuerzos internos de flexión y de corte en las estructuras de sección cuadrada o rectangular, y a esfuerzos de compresión en las estructuras de sección circular. i) Caso en que la zanja tiene solo una altura H de relleno del suelo sobre la alcantarilla, se propone la siguiente ecuación: Siendo: m C W m = valor de las cargas muertas [kg/ml] W P e = peso específico del suelo [kg/m 3 ] d P B e 2 t 3

4 B t C d = ancho de la zanja [m] = coeficiente de carga (obtenido de Lámina 19.1, de Apéndice 3, usando H ). b) Cuando sobre la alcantarilla existe una cierta altura de terraplén D, aparte del relleno de la zanja H, la ecuación anterior, se modifica según: W m C P D c e 2 W m = valor de las cargas muertas [kg/ml] P e = peso específico del suelo [kg/m 3 ] D = Altura del terraplén [m] C c = coeficiente de carga (obtenido de Lámina 19.1, de Apéndice 3, usando D y H ). Otras cargas muertas actuando sobre las estructuras, tales como la carpeta de rodado, se pueden estimar en base a la materialidad del pavimento y deben ser consideradas como carga adicional en el cálculo para el diseño estructural de las alcantarillas de hormigón armado CÁLCULO DE LAS CARGAS VIVAS Para el cálculo de las cargas vivas puede emplearse la teoría de Boussinesq, para estimar un medio linealmente elástico, semi-infinito, homogéneo e isótropo. Al considerar las cargas debidas a los vehículos que están en movimiento, es necesario considerar los efectos de impacto y vibraciones, lo que conduce a la siguiente fórmula de uso práctico: 4

5 donde: W v = carga viva por metro lineal. [kg/m] L W v 1 W L o F P = largo de cada tubo. Si este es continuo se toma L= 1 metro W o = factor de influencia de la carga superficial F i P = factor de impacto. Su valor puede tomarse entre 1,5 y 2, según el tipo de vehículos. = carga de rueda, [Kg] i Esta carga se considera aplicada en el eje del tubo, cuando la carga de rueda está verticalmente sobre el mismo CÁLCULO ESTRUCTURAL De acuerdo a la forma de la sección transversal de la alcantarilla, se determinan los esfuerzos actuantes de flexión, corte, compresión o tracción, calculándose los espesores y armaduras necesarias en hormigón simple o armado. Se deberá tener en consideración los esfuerzos máximos admisibles estipulados en las normas de diseño referenciadas para esta Sección, los que deberán definidos en el proyecto de cálculo respectivo. Se recomienda adoptar un coeficiente de seguridad de 1,5, aunque el proyecto de diseño podría establecer otros valores, en base a la realidad de las condiciones del lugar de emplazamiento. ART DISEÑO ESTRUCTURAL DE PUENTES Y LOSAS El diseño estructural de puentes y losas comprende la subestructura y superestructura, las que en ciertos casos, pueden constituir una sola estructura. Para el diseño de estos elementos se debe considerar las normas relacionadas a diseño, basándose en AASHTO y la normativa nacional de hormigón armado NCh o MINVU, respectivas. 5

6 DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA Se desarrollará un método de cálculo adecuado para determinar las secciones transversales o espesores de los elementos que conforman la superestructura. En general, en cualquier tipo de puente, se considera diseñar sobre la propia superestructura para efectos de tránsito, un recubrimiento, que puede ser de hormigón o de asfalto, con un espesor mínimo de 5 cm. Para el cálculo estructural se considera como carga aplicada, además del peso propio, una sobrecarga equivalente al peso de un camión de 30 toneladas, que se distribuye de la siguiente forma: a.) Eje delantero simple b.) Eje central doble c.) Eje trasero doble : 5 ton. : 11 ton. : 14 ton. La distancia entre los ejes delanteros y central es de 4 metros, y entre el eje central y el trasero de 8 metros. En un eje doble, la distancia entre ejes componentes es de 2 metros. Estas cargas se incrementan en un 40% para el análisis del efecto dinámico. Se estudiarán las líneas de influencia de estas cargas, considerando su posición más desfavorable. Tales cargas se suponen actuando sobre cada tramo de puente, o bien sobre una longitud máxima de 25 metros. Si el puente tiene calzadas, se consideran estas cargas aplicadas simultáneamente sobre cada una de ellas. Puede aceptarse que las cargas de rueda se apliquen sobre una superficie de contacto definida, las que se sugiere que se determinen de acuerdo a las fórmulas de Westergard u otra análogas, teniendo en cuenta el espesor total de losa de hormigón más su recubrimiento. La luz de cálculo de cada tramo de losa, se toma igual a la distancia entre ejes de apoyos, sean estos muros o pilares. Los momentos de flexión en los apoyos intermedios se calculan como los de vigas continuas con apoyos articulados. 6

7 Los momentos de flexión en los apoyos extremos, cuando exista una unión rígida entre la losa y el muro, pueden calcularse considerando un semi-empotramiento, debiendo en todo caso verificarse que exista una disposición constructiva adecuada. Para el cálculo del esfuerzo de corte se considerarán las disposiciones indicadas en DS 60 /2011 de MINVU. Las losas de hormigón armado se especifican a una resistencia a compresión del hormigón de 300 kg/cm² a los 28 días. Se deberá tener presente las tensiones admisibles en los materiales que conforman los diferentes elementos de la estructura y otras disposiciones necesarias para el diseño, usando las Normas Chilenas y normativa técnica extranjera referenciadas para estos efectos, debiendo siempre utilizarse la versión más reciente de éstas o las normas y decretos que las modifiquen, alteren, actualicen o reemplacen, total o parcialmente. El proyectista deberá indicar en la memoria de cálculo del proyecto, el procedimiento de cálculo empleado DISEÑO DE LA INFRAESTRUCTURA La infraestructura está compuesta por los muros de cabecera, los machones o pilares intermedios y por sus respectivas fundaciones, todos los cuales se diseñan en hormigón armado. Los muros de cabecera se calculan como muros de contención, sometidos al empuje del terraplén adyacente y, además, a las cargas transmitidas por la superestructura. Si en la unión entre ésta última y el muro se considera semi-empotramiento, se recomienda tener en cuenta la presencia de esfuerzos de flexión, torsión y corte actuando sobre el muro. Los machones o pilares soportan las cargas transmitidas por la superestructura, que inducen en general esfuerzos de compresión, pero también se debe considerar el análisis del efecto de posibles excentricidades en las cargas y de eventuales fuerzas horizontales, como son el viento y los sismos. Para el dimensionamiento de las zapatas de fundación se considera que las cargas transmitidas por los muros o pilares se soporten con un cierto factor de seguridad por 7

8 el terreno subyacente. La capacidad de soporte de éste, puede evaluarse en base a alguna de las teorías de capacidad de carga (Terzaghi, Meyerhof, etc.). Por otra parte, se recomienda aplicar algún método de análisis de asentamiento, a fin de verificar que los posibles asentamientos del terreno no excedan los valores límites admisibles. Es recomendable tener en consideración los esfuerzos máximos admisibles estipulados en las normas de diseño referenciadas para esta Sección. El proyectista deberá presentar una memoria explicativa donde se desarrolle el método de diseño adoptado la cual debe tener como mínimo el alcance, Normas aplicadas, Antecedentes, Estructuración, materiales, Parámetros Geotécnicos utilizados referenciado al informe de mecánica de suelo realizada, cargas, combinaciones de carga de servicio y mayoradas, análisis sísmico, método de cálculo y cálculos de elementos y enfierradura. 8