capitulo iii alternativas de cubiertas protectoras

CAPITULO III
ALTERNATIVAS DE CUBIERTAS PROTECTORAS PARA EL CANAL
DE DERIVACIÓN
La topografía de la zona presenta pendientes agudas, generándose la caída, rebote y o rodadura
de los rocosos. En taludes mayores a 75° el empleo de muros de contención no resulta tan
eficaz como para garantizar el no ingreso de sedimentos al canal, prefiriéndose considerar
como sistema de protección el empleo de tapas. Dichas cubiertas protectoras se diseñaran
siguiendo el criterio “Steel Free Decks”.
3.1. CUBIERTAS LIBRES DE ACERO INTERIOR (Steel Free Decks -SFD):
Las cubiertas libres de acero han sido investigadas durante los 10 años pasados en Canadá,
entre otros países. El motivo principal de su diseño es lograr un mayor tiempo de vida útil y
durabilidad frente a los problemas de humedad, descongelación, sales entre otros agentes que
corroen el acero de refuerzo en losas de concreto armado.
Esta corrosión eventualmente causa bastante daño garantizando un reemplazo de cubierta. Por
esa razón quitar el acero de refuerzo interno significa eliminar su corrosión dentro de la losa y
la deterioración del hormigón. Permitiéndole al propietario usar el gasto de mantenimiento en
otra parte.
3.1.1. DEFINICIÓN
La cubierta del sistema SFD esta compuesta de una fibra que refuerza el hormigón, la cual no
contiene ningún acero de refuerzo interno. Mientras que las correas externas de acero debajo
de la losa son usadas para prevenir el desplazamiento externo lateral de las vigas de soporte.
3.1.2. CARACTERÍSTICAS
Es importante mencionar que el método SFD es usado en la construcción de puentes para
transito vehicular, lo que hace que los mínimos recomendados según Canadian Highway
Bridge Design Code (CHBDC) no se ajusten a este diseño. Puesto que las cargas a las que se
somete el puente son más puntuales y de flujo en constante movimiento.
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Ventajas: Los beneficios que trae consigo este tipo de estructura son:
− Mejora de calidad y durabilidad por la eliminación de corrosión en la losa, sales, etc.
− El mantenimiento y reparación se puede ejecutar sin la interrupción del flujo en el
canal.
− EL hormigón se hace inmune a los efectos perjudiciales de los cloruros.
Comportamiento: Frente a las cargas aplicadas sobre la cubierta las correas generan una
restricción lateral desarrollando un sistema de arco interno en el cual se genera compresión en
la cubierta y tracción en las correas de acero. (Ver Fig. 3.1.2)
Cargas por derrumbe
Restrición generada por las correas
Movimiento de la losa debido a las cargas
Fig. 3.1.2 Comportamiento de la cubierta protectora
Similitudes entre el método SFD tradicional y la cubierta protectora:
− El mantenimiento y reparación se puede ejecutar sin la interrupción del flujo en el
canal.
− La cubierta no es pretensada, ni postensada.
− Se utilizan fibras de polipropileno para aumentar la resistencia de la losa de hormigón.
− Se emplea refuerzo de acero en la parte exterior de la losa, es decir correas
Diferencias entre el método SFD tradicional y la cubierta protectora:
Fig. 3.1.3a Sección de la cubierta protectora
Fig. 3.1.3b Sección típica de SFD
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Cuadro 3.1.2: Comparación de los puentes SFD y la cubierta de diseño.
CUBIERTA PROTECTORA USANDO
EL CRITERIO SFD
Su aplicación en el presente trabajo es
La funcionalidad que se ha aplicado es para
construir cubiertas protectoras para un canal,
puentes vehiculares.
en zona de derrumbes.
PUENTES REALIZADOS CON SFD
Las cargas que se aplican son más puntuales Las cargas aplicadas son en caso de
y están en movimiento. Presentándose derrumbes donde existe una distribución de
condiciones de fatiga más desfavorables.
esfuerzos.
Las dimensiones mínimas de espesores, En la optimización del diseño se tiene un
secciones de acero, otras son mucho mayores espesor de losa mínimo de 8cm lo que no es
a las consideradas.
aceptado en las normas para puentes SFD.
Los esfuerzos por momento flector y cortante
en un numero de pruebas confirman que un
sistema correctamente diseñado de SFD no
falla en un modo flector, pero si de modo
cortante (Universidad de Dalhousie17 ).
Los esfuerzos cortantes son los que presentan
las condiciones mas criticas de falla según
ensayos realizados.
En repetidos modelos elaborados en SAP
2000 frente a diferentes cargas ocasionadas
por derrumbes, los esfuerzos de tracción por
flexión son la situación más crítica y
generadora falla.
Las correas son soldadas a las vigas de
Las correas son desmontables y van ancladas
apoyo, las cuales van ancladas a la losa de
con la cubierta de hormigón.
hormigón.
Se
emplean
conectores
esquineros Solo se emplea anclajes, ningún tipo de
empernados y soldados a la viga de apoyo.
soldadura.
3.1.3. APLICACIONES REALIZADAS
Este método ya lo emplean los países de Canadá, Estados Unidos, Francia, Japón, Alemania,
otros.
La primera construcción documentada se ha realizado en Canadá en Salmon River Bridge
(Nueva Escocia _1995), siguiéndole la de Chatham Bridge (Ontario - 1996), Crowchild Trail
(Ciudad Calgary, Alberta- 1997); Waterloo Creek (British Columbia – 1998). En los Estados
Unidos usando SFD tenemos el puente del condado de Tama, Iowa. En Japón se han obtenido
ensayos de laboratorio con buenos resultados que han servido para incorporar detalles de
puentes en el código AASHTO.
17
http://www.dalgrad.dal.ca/defences/vidyadharlimaye/#top
59
Todo es producto de las investigaciones realizadas por universidades e instituciones como son:
Universidad Dalhousie, Universidad de Manitota, ISIS en Canada, Universidad de OsakaJapón, Universidad de Iowa-USA, otros.
3.1.4. MATERIALES
3.1.4.1.
CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS SINTÉTICAS
Las Fibras Sintéticas no pretenden ser sustituto para refuerzo estructural (primario) en el
concreto porque adicionan poco o nada de resistencia final considerable.
Este refuerzo multidimensional da al concreto mayor resistencia a la tensión para resistir
los intrínsecos cambios de volumen. También distribuyen mejor las tensiones internas pues
aún cuando pudieran producirse fisuras, éstas son minimizadas en longitud y ancho, por
las fibras unidas en las caras internas de la fisura.
Estudios de varias fuentes generalmente concuerdan en que el adicionar fibras sintéticas al
concreto mejora las siguientes propiedades:
− La resistencia al impacto se incrementa entre 10% y 50%.
− La resistencia a la abrasión se incrementa entre 20% y 52%.
− La permeabilidad decrece entre 33% y 45%.
− La rigidez y la integridad luego del fisuramiento se incrementa en 15%.
Estos beneficios son obtenidos mediante la adición de aproximadamente 0.6 Kg. a 0.9 Kg.
de fibras sintéticas por metro cúbico de concreto.
3.1.4.2.
CORREAS
La capacidad de tensión de las correas de acero en el SFD sustituye el acero de refuerzo
convencional, pueden ser inspeccionadas y mantenidas sin cortar el flujo del canal. Estas
son elaboradas mediante barras de construcción ∅=1/2”. las características que presenta
este tipo de material son las siguientes:
Cuadro 3.1.4.2: Propiedades de las correas.
Diámetro
nominal
½”
R
F
MPA
MPA
(Kgf/mm^2)
(Kgf/mm^2)
621
(63,3)
420
(42,8)
%A
Lo = 203mm
9 mín.
Norma
Doblado a 180°
(∅ de doblado)
ASTM A61501b
NPT 341.0312001
3,5d
R: Resistencia a la tracción; F: Limite de fluencia; %A; Porcentaje de alargamiento; Longitud calibrada de la
probeta de ensayo; e: espesor
60
3.1.4.3.
ANCLAJES
Los pernos están elaborados con barras de construcción de punta roscada (ver Fig. 3.1.4a).
Dicho perno (e = ½”) de pasara por tubo de PVC embebido en la losa de hormigón (ver Fig.
3.1.4b). Para el roscado se empleará una arandela de ∅ ≥ 1” y una tuerca de ∅=3/8”.
Fig. 3.1.4a Pernos-Barra de construcción
Fig. 3.1.4b Corte de la cubierta protectora en anclaje
Las dimensiones previamente descritas se han obtenido como resultado del análisis en
SAP2000 y del cono de presión de Rotsher, obteniéndose un factor de seguridad de 3.45 para
esfuerzos de compresión, 2.03 para esfuerzos de tracción, con esfuerzos cortantes mínimos.
3.1.5. DISEÑO DE LA CUBIERTA LIBRE DE ACERO INTERIOR
El análisis se realizó mediante modelaciones en el programa de análisis estructural SAP 2000
(ver Fig. 3.1.5a y 3.1.5b). Para este diseño se tomaron los criterios SFD usando el acero de
refuerzo fuera de la losa de concreto y el empleo de fibras de refuerzo de polipropileno para
mejorar las características del concreto.
Los pasos seguidos para poder determinar las dimensiones y características de las cubiertas
SFD se detallan a continuación:
1. Definición geométrica de la cubierta, siguiendo recomendaciones establecidas. Se
definió la carga estructural que debía soportar la cubierta tipo arco en caso de ocurrir
un derrumbe en las condiciones más desfavorables.
2. Se hizo un análisis comparativo con diferentes geometrías y espesores para determinar
las dimensiones óptimas.
3. Se modelo en SAP 2000 asumiendo diferentes espesores de losa.
4. Del análisis previo se obtuvieron las siguientes conclusiones:
61
-
En diversas modelaciones y para similares condiciones de carga, al aumentar la
altura de la cubierta SFD se aprecia una disminución de los esfuerzos de tracción
en el arco, optándose por una altura de 0.45 m.
Los máximos esfuerzos cortantes (3.6 ton/m^2) se ubican en las uniones con las
correas (ver Fig. 3.1.5a).
Fig. 3.1.5a Distribución de esfuerzos cortantes, para cargas uniformes
Análisis estructural elaborado por tesista
-
En el centro de la cubierta de concreto para solicitaciones de carga uniforme se
observa que los máximos esfuerzos de tracción y compresión se generan en la cara
superior central e inferior central.(ver Fig. 3.1.5b, 3.1.5c y 3.1.5d).
Fig. 3.1.5c Idealización de la cubierta SFD en el programa SAP 2000
Análisis estructural elaborado por tesista
Fig. 3.1.5b Esfuerzos de tracción en la cara inferior de la losa de concreto
Análisis estructural elaborado por tesista
62
Fig. 3.1.5c Esfuerzos de compresión en la cara superior de la losa de concreto.
5. . En cuanto al refuerzo se concluyó lo siguiente:
- Para tres correas los esfuerzos máximos de tracción conducían a falla.
- Con 4 correas no se apreciaba falla, sin embargo los máximos esfuerzos se
encontraban en un límite aceptable.
- Con 5 correas se observo una disminución en los esfuerzos máximos de tracción,
no existía posibilidad de falla sin embargo las correas centrales nunca llegaban a
trabajar a su máxima capacidad.
- De lo antes expuesto se llego a la conclusión de emplear una altura de 0.45 m, con
4 correas de 3/8". Sin embargo se usaran correas de ½” para aportar áreas de
sacrificio por corrosión
6. Obtenidas las dimensiones mas apropiadas para condiciones desfavorables de
derrumbe se procedió a variar los estados de carga. En un inicio se vario alturas de
relleno horizontal y posteriormente para casos de derrumbes con diferentes ángulos de
inclinación y alturas (ver Fig. 3.1.5d y 3.1.5e).
Fig. 3.1.5e Envolvente de tracciones máximas talud 30° (ton/m^2)
63
Fig. 3.1.5d Envolvente de tracciones máximas relleno horizontal (ton/m^2)
Como conclusión se obtuvo que las dimensiones escogidas previamente satisficieran
las condiciones de esfuerzos impuestos por las diferentes configuraciones de carga.
(Ver Fig. 3.1.5.e)
Fig. 3.1.5e Cubierta libre de acero interior SFD (m)
Arandela φ 1",
tuerca φ
4φ
La estructura tiene un peso de 500 Kg. por ello para su transporte se sugiere emplear
tecles.
3.2. DISEÑO CUBIERTA DE CONCRETO ARMADO:
Se ha diseñado modelando en el programa de análisis estructural SAP 2000, siguiendo las
mismas condiciones de carga, características del concreto y acero. La losa aligerada en una
dirección ha seguido recomendaciones estructurales para su dimensionamiento (L<4m ⇒ H =
17cm) tal y como se puede apreciar en la Fig. 3.2.
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Los resultados obtenidos para diferentes peraltes se muestran en la tabla 3.2. De los cuales se
considero analizar para un H=27 cm.
Tabla 3.2: Modificaciones del peralte de la losa
Peralte
m
0.20
0.27
0.30
Longitud
m
3.40
3.40
3.40
Ancho
m
0.60
0.60
0.60
Volumen
m^3
0.255
0.37
0.31
Peso
Acero necesario
ton
0.61
2 φ 5/8" y 2φ 3/4"
0.7
2 φ1/2" y 2φ5/8"
0.73
2 φ1/2" y 2φ5/8"
3.3. COMPARACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN:
Tabla 3.3: Cuadro comparativo
Cubierta sin acero de refuerzo interior
(SFD)
El peso de la estructura es menor al
tradicional (0.5 ton), facilitando su transporte.
Sin embargo es necesario el uso de poleas.
La carencia de acero embebido en el concreto
hace que su transporte sea de cuidado.
El efecto arco hace posible disminuir el
espesor de la cubierta. Minoriza la cantidad
de material y el costo de la estructura.
En caso de corroerse el acero la cubierta no
sufre deterioros mayores.
A largo plazo los gastos en mantenimiento
son menores al no deteriorarse la cubierta de
concreto.
Losa de concreto armado
El uso de poleas para el transporte resulta
indispensable (0.7 ton).
El acero en la losa proporciona resistencia de
tracción útil en el transporte.
La cantidad de material empleado es mayor
aumentando los costos de obra.
Una gran corrosión del acero puede implicar
un cambio total de la losa de concreto.
En esta zona húmeda a largo plazo deben
incluirse en el mantenimiento el cambio de
toda la estructura.