Informe Final Taller2

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
IC-0905 Taller de Diseño
Grupo 07
Informe final:
Diseño de un puente vehicular para la comunidad
indígena Niviribotda
Elaborado por:
Daniela Cordero Arias
B42017
José Andrés Esquetini Fallas
B52558
Alejandro Tenorio Sánchez
B57169
Profesor:
Ing. Julian Trejos Villalobos
Fecha de entrega:
5 de julio, 2019
San Pedro, Montes de Oca
I Ciclo 2019
Tabla de contenidos
1.
Introducción ............................................................................................... 1
1.1
Definición del problema ........................................................................ 1
1.1.1
Problema específico .....................................................................................1
1.1.2
Importancia ...................................................................................................1
2.
Ubicación del proyecto ............................................................................. 2
3.
Objetivos .................................................................................................... 3
3.1
Objetivo general ..................................................................................... 3
3.2
Objetivos específicos ............................................................................ 3
4.
Alcance ....................................................................................................... 3
5.
Limitaciones .............................................................................................. 4
6.
Metodología ............................................................................................... 5
6.1
Metodología general .............................................................................. 5
6.2
Estudios geotécnicos ............................................................................ 7
6.3
Estudios hidrológicos ........................................................................... 8
6.4
Diseño de la superestructura y subestructura .................................... 9
7.
Marco teórico ........................................................................................... 10
8.
Resultados estudios básicos ................................................................. 13
8.1
Estudios geotécnicos .......................................................................... 13
8.1.1
Geología del sitio ........................................................................................13
8.1.2
Estudios geofísicos ....................................................................................15
8.1.3
Rock Mass Rating (RMR)............................................................................17
8.1.4
Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI) Rock
Mass Classification...................................................................................................22
8.1.5
Capacidad soportante ................................................................................25
8.1.6
Ensayos de laboratorio ..............................................................................26
8.2
Estudios hidrológicos ......................................................................... 30
8.2.1
Climatología ................................................................................................30
8.2.2
Información hidrológica del sitio en estudio ............................................31
i
8.2.3
Estudio de intensidades de lluvia ..............................................................33
8.2.4
Usos y tipos de suelo .................................................................................33
8.2.5
Características hidráulicas ........................................................................35
8.2.6
Avenida máxima del río ..............................................................................36
8.3
Esquema de puente ............................................................................. 39
9.
Marco legal ............................................................................................... 40
10.
Diagnóstico .............................................................................................. 41
11.
Diseño de soluciones ............................................................................. 42
11.1
Diseño de cargas ................................................................................. 42
11.2
Diseño de losa ...................................................................................... 42
11.3
Diseño de vigas .................................................................................... 43
11.4
Diseño de apoyos ................................................................................ 44
11.4.1
Apoyos de neopreno ..................................................................................44
11.4.2
Placa de apoyo ............................................................................................45
11.5
11.5.1
Diseño de bastiones ............................................................................ 46
Revisiones iniciales: volcamiento, deslizamiento y capacidad de carga
46
11.5.2
Diseño estructural ......................................................................................48
12.
Presupuesto y cronograma .................................................................... 49
13.
Cronograma de la consultoría ............................................................... 50
14.
Conclusiones ........................................................................................... 52
15.
Recomendaciones ................................................................................... 53
16.
Fuentes de consulta ................................................................................ 54
17.
Anexos ..................................................................................................... 57
17.1
Anexo 1: Litoestratigrafía de Corredores .......................................... 57
17.2
Anexo 2: Granulometría de las muestras .......................................... 58
17.3
Anexo 3: Curvas I-D-F para estación Coto 47 ................................... 59
17.4
Anexo 4: Cálculo de cargas ................................................................ 61
17.5
Anexo 5: Diseño de losa...................................................................... 63
17.6
Anexo 6: Factores de distribución ..................................................... 66
ii
17.7
Anexo 7: Revisiones de sección compuesta ..................................... 68
17.8
Anexo 8: Especificaciones para apoyos de neopreno ..................... 71
17.9
Anexo 9: Cálculos de apoyos ............................................................. 72
17.10 Anexo 10: Diseño de bastiones .......................................................... 73
iii
Tabla de Figuras
Figura 1. Ubicación del distrito Laurel .....................................................................................2
Figura 2 Ubicación del sitio de colocación del puente ..............................................................2
Figura 3. Diagrama de flujo de la metodología del proyecto ....................................................6
Figura 4. Diagrama de flujo de la metodología de los estudios básicos .....................................6
Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología del diseño del puente ......................................7
Figura 6. Velocidades de onda tipo P en sitio ........................................................................ 15
Figura 7. Velocidades promedio de onda tipo P en sitio......................................................... 16
Figura 8. Velocidades de onda tipo S obtenidas en sitio......................................................... 17
Figura 9. Identificación de discontinuidades en el tramo ....................................................... 18
Figura 10. Falla de la muestra menos alterada (arenisca 1) .................................................... 19
Figura 11. Muestra menos alterada en el ensayo de carga puntual ........................................ 20
Figura 12. Curva granulométrica de muestra de margen derecho .......................................... 26
Figura 13. Curva granulométrica de muestra 1 de margen izquierdo ...................................... 27
Figura 14. Curva granulométrica de muestra 2 de margen izquierdo ...................................... 27
Figura 15. Determinación del Límite Líquido ......................................................................... 28
Figura 16. Ubicación de las cimentaciones del puente ........................................................... 29
Figura 17. Precipitación media anual de Corredores .............................................................. 31
Figura 18. Delimitación de la cuenca en estudio .................................................................... 32
Figura 19. Pendiente media del cauce principal por Taylor – Schwarz .................................... 32
Figura 20. Mapa de cobertura del suelo de la cuenca en estudio ........................................... 34
Figura 21. Hietograma de lluvia de diseño para periodo de retorno de 100 años .................... 36
Figura 22. Hidrograma de creciente obtenido para la cuenca en estudio ................................ 36
Figura 23. Ubicación de las secciones transversales utilizadas ............................................... 37
Figura 24. Sección transversal en la línea de centro del puente.............................................. 37
Figura 25. Sección transversal del río aguas abajo ................................................................. 38
Figura 26. Sección transversal del río aguas arriba ................................................................ 38
Figura 27. Esquema de dimensiones iniciales del puente ....................................................... 40
Figura 28. Diagrama de momentos para combinación de Resistencia I ................................... 43
Figura 29. Diagrama de las dimensiones del bastión propuesto ............................................. 46
Figura 30. Esquema de colocación de bastiones .................................................................... 48
Figura 31. Cronograma de la construcción de la obra............................................................. 50
Figura 32. Cronograma final de la consultoría (Primera parte) ............................................... 51
Figura 33. Cronograma final de la consultoría (Segunda parte) .............................................. 51
Figura 34. Litoestratigrafía de Corredores ............................................................................. 57
Figura 35. Estación 100-35. Intensidades de precipitación máxima (mm/h) por duración y
período de retorno........................................................................................................................... 59
Figura 36. Curvas I-D-F para estación Coto 47 ........................................................................ 60
iv
Tabla de cuadros
Cuadro 1. Propiedades mecánicas promedio de las rocas .................................................................. 14
Cuadro 2.Clasificación del sitio geotécnico de cimentación con base en la velocidad de onda cortante
........................................................................................................................................................ 17
Cuadro 3. Dimensiones de las muestras de roca analizadas ............................................................... 19
Cuadro 4. Parámetros obtenidos del ensayo de carga puntual ........................................................... 19
Cuadro 5. Resultados finales del Rock Mass Rating ........................................................................... 21
Cuadro 6. Calidad de macizos rocosos en relación al Índice RMR ....................................................... 22
Cuadro 7. Resultados finales de las propiedades del macizo .............................................................. 22
Cuadro 8. Clasificación de macizos rocosos según CRIEPI ................................................................... 23
Cuadro 9. Propiedades Físicas y Mecánicas del macizo adaptado de CRIEPI, 2004 .............................. 24
Cuadro 10. Propiedades mecánicas del macizo en el sitio del puente ................................................. 25
Cuadro 11. Determinación de la capacidad soportante de la cimentación .......................................... 26
Cuadro 12. Resultados para el cálculo del LL del material .................................................................. 28
Cuadro 13. Masas y porcentajes de humedad para el límite plástico.................................................. 29
Cuadro 14. Resultados obtenidos de los límites de consistencia ........................................................ 29
Cuadro 15. Características de las capas de suelo ............................................................................... 30
Cuadro 16. Características físicas del río La Vaca para el sitio de puente ............................................ 33
Cuadro 17. Determinación del número de curva ............................................................................... 34
Cuadro 18. Lluvia de diseño de 2 horas para un periodo de retorno de 100 años ................................ 35
Cuadro 19. Cálculo del NAME para un periodo de retorno de 100 años para la sección más crítica
(aguas arriba)................................................................................................................................... 39
Cuadro 20. Cargas utilizadas para el diseño de elementos estructurales ............................................ 42
Cuadro 21. Distribución de varillas de acero para losa de concreto .................................................... 43
Cuadro 22. Comparación de métodos de factor de distribución de carga ........................................... 44
Cuadro 23. Revisión de momento y cortante para viga en sección compuesta ................................... 44
Cuadro 24. Especificaciones técnicas para el apoyo elastomérico ...................................................... 45
Cuadro 25. Resultados finales de la revisión de las placas, tornillos y pasadores ................................ 45
Cuadro 26. Resultados de momentos resistentes del bastión y del relleno ......................................... 46
Cuadro 27. Resultados de momentos resistentes de cargas por volcamiento ..................................... 47
Cuadro 28. Resultados de momentos desestabilizadores................................................................... 47
Cuadro 29. Resultados finales de la revisión por volcamiento ............................................................ 47
Cuadro 30. Resultados finales de la revisión por deslizamiento ......................................................... 47
Cuadro 31. Resultados finales de la revisión por capacidad de carga.................................................. 47
Cuadro 31. Resultados de la capacidad de carga en una placa corrida ................................................ 48
Cuadro 32. Distribución de varillas de acero para losa de cimentación de concreto en bastión ........... 48
Cuadro 33. Distribución de varillas de acero para tronco de concreto en bastión ............................... 49
Cuadro 31. Análisis granulométrico para muestra de margen derecho ............................................... 58
Cuadro 32. Análisis granulométrico para muestra 1 de margen izquierdo .......................................... 58
Cuadro 33. Análisis granulométrico para muestra 2 de margen izquierdo .......................................... 59
v
1. Introducción
1.1 Definición del problema
1.1.1
Problema específico
El Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos (CFIA) cuenta con el Programa de
Responsabilidad Solidaria, el cual brinda los estudios preliminares, el anteproyecto y los planos
constructivos a las comunidades que soliciten ayuda para mejorar su situación actual (CFIA,
2019).
En este caso, la Asociación de Niviribotda solicitó ayuda al CFIA por medio del
Programa de Responsabilidad Solidaria, el cual se compromete a entregar los planos
constructivos y un presupuesto general de la obra. Esta consiste en un puente vehicular
con acera para acceso a la comunidad, construido sobre el río la Vaca.
El financiamiento de la construcción de la estructura debe ser obtenido por la
Asociación de Niviribotda.
1.1.2
Importancia
Con este proyecto se pretende facilitar el acceso y movilidad de la comunidad, por
lo que, la realización de este es de suma importancia para los habitantes de Niviribotda,
ya que el único acceso vehicular a la zona atraviesa el río La Vaca.
El caudal y el nivel de este río en la época lluviosa aumentan considerablemente,
lo cual restringe la posibilidad de atravesarlo en vehículo, solo se puede cruzar a caballo.
Esto ocasiona grandes problemas, debido a que los jóvenes deben atravesar este río
para ir al colegio y en la comunidad de Santa Rosa se ubica el EBAIS más cercano, por
lo que deja incomunicados a los 141 habitantes de la zona (distribuidos en 35 familias)
sin fácil acceso a atención médica.
Por lo tanto, la construcción de este puente es necesario para que la comunidad
pueda tener un acceso seguro tanto vehicular como peatonal durante todo el año.
1
2. Ubicación del proyecto
El proyecto se ubica en la provincia de Puntarenas, cantón Corredores, distrito
Laurel, en Las Vegas (Figura 1), específicamente ilustrado en Figura 2, en una sección
del río La Vaca cercano a la comunidad indígena de Las Vegas.
Figura 1. Ubicación del distrito Laurel
Fuente: Google Earth, 2018
Figura 2 Ubicación del sitio de colocación del puente
Fuente: Google Earth, 2018
2
3. Objetivos
3.1 Objetivo general
Dar movilidad a las personas de la comunidad de Niviribotda mediante la
definición de las dimensiones y materiales a utilizar en los elementos que compongan un
puente vehicular.
3.2 Objetivos específicos
1. Determinar el nivel inferior del puente, basado en el nivel de crecida del río
obtenido a partir de un análisis de precipitaciones.
2. Definir el nivel de las cimentaciones de la estructura mediante la caracterización
del perfil geotécnico.
3. Diseñar estructuralmente la superestructura y la subestructura del puente a partir
de la normativa vigente.
4. Elaborar los planos constructivos del puente y un presupuesto general del
proyecto.
4. Alcance
Para realizar un puente vehicular de una vía con acera, se deben realizar los
estudios pertinentes del suelo, hidrológicos, hidráulicos y topográficos, entre otros. En
este caso, se realizó un levantamiento topográfico del sitio con sistema GPS y
posteriormente se elaboraron curvas de nivel a cada 25 cm.
El estudio geotécnico se realizó basado en la geofísica MASW (ondas S) y
Refracción Sísmica (ondas P), realizado por un geólogo especialista, en el sitio del
puente. Se complementó con métodos de clasificación de macizos rocosos como lo son
el RMR (Rock Mass rating) y el RMC de CRIEPI (Rock Mass Classification de Central
Research Institute of Electric Power Industry), para obtener las propiedades mecánicas
de la roca.
Cabe destacar que no se incluye el estudio de los esfuerzos generados por
socavación en la estructura.
3
El estudio hidrológico se realizó con el objetivo de obtener una estimación de la
avenida máxima del río para determinar la elevación del puente vehicular, considerando
el espacio libre entre el nivel del agua y la superestructura, obtenido de la legislación
vigente. Para alcanzar esto, se realizaron estudios generalizados del sitio con los
recursos disponibles como ArcGis, el Atlas Climatológico y el software de modelado
hidrológico HEC-HMS.
El diseño de la superestructura del puente se pretende realizar analizando el
acceso a la zona para determinar los materiales y el método constructivo más apropiado
considerando el transporte, el costo y la instalación.
Los planos constructivos van a ser dibujados utilizando la herramienta AutoCAD.
Además, a partir de toda la información anterior, se realizará un presupuesto global del
proyecto.
5. Limitaciones
Una limitación de este proyecto es el tiempo, ya que como se debe cumplir con
una fecha de entrega ya definida no se pueden coordinar visitas muy extendidas al sitio.
Dentro de las limitaciones de los estudios hidrológicos está la calidad de la
información cartográfica y climatológica, como los ríos y los mapas utilizados para
caracterizar la cuenca, ya que estos datos no están actualizados y pueden ser poco
representativos de la condición actual del sitio.
Otra limitación del estudio hidrológico corresponde a la determinación de la lluvia
de diseño, ya que se extendió desde una estación de medición aproximadamente a 26
km del sitio por falta de información más acertada.
Dentro de las limitaciones de los estudios geotécnicos se encuentra el costo de
las perforaciones a rotación, ya que, no se pudo realizar el Ensayo de Penetración
Estándar (SPT) debido a la presencia de rocas superficiales, y se debería hacer al menos
dos perforaciones para determinar la estratigrafía explícitamente.
4
6. Metodología
En la Figura 3, se muestra un diagrama de flujo de la metodología general, y en
las Figura 4 y Figura 5 se detallan las secciones de estudios geotécnicos e hidrológicos
y diseño del puente, respectivamente.
6.1 Metodología general
Primero, se verificaron los lineamientos requeridos para la construcción de
puentes mediante los Lineamientos para el Diseño Sismorresistente de Puentes, las
normas AASHTO y las ASTM correspondientes a los ensayos de laboratorio de las
muestras de suelo.
Seguidamente, se realizó una visita al sitio, en la cual se realizaron los estudios
geotécnicos, además de realizar el levantamiento topográfico, la recolección de las
muestras y un registro fotográfico del sitio.
Una vez obtenidas muestras representativas del sitio en cuestión, se realizaron
pruebas de laboratorio en las instalaciones del LanammeUCR, utilizando como base las
normas ASTM. Estas pruebas consistieron en la obtención de la curva granulométrica
del suelo de la zona, la determinación de los límites de Atterberg y una prueba en la roca
extraída para estimar su capacidad resistiva.
5
Figura 3. Diagrama de flujo de la metodología del proyecto
Elaborado por Cordero, 2019
Figura 4. Diagrama de flujo de la metodología de los estudios básicos
Elaborado por Cordero, 2019
6
Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología del diseño del puente
Elaborado por Cordero, 2019
Se realizaron estudios básicos geotécnicos e hidrológicos, los cuales se detallan
más adelante.
La determinación del vehículo de diseño se realizó con base a una entrevista
realizada a los representantes de la comunidad y de lo requerido por la normativa vigente.
Una vez analizadas las opciones más viables para las condiciones del lugar, se
eligieron los materiales para la construcción del puente y su método constructivo.
Tomando en cuenta costos, transporte, materiales y resistencia.
Al terminar el diseño estructural, se realizarán los planos constructivos.
Finalmente se realizará el presupuesto global, a partir de los planos constructivos.
6.2 Estudios geotécnicos
Se estudiaron los Planes Reguladores Cantonales de Corredores redactados por
ProDUS en 2009 y 2010 para conocer de forma generalizada la estratigrafía de la zona
7
y los Lineamientos para el Diseño Sismorresistente de Puentes, para determinar la zona
sísmica (IV) de Corredores.
Adicionalmente en los lineamientos mencionados anteriormente, se destaca que
se debe realizar el Ensayo de Penetración Estándar (SPT) para acompañar los
resultados de resistencia de materiales, para suelos que no sean S1.
Después de finalizar la visita al sitio, el geólogo realizó un informe de la geofísica
del sitio, del cual se obtuvieron los valores de ondas S y ondas P para los estratos
estudiados. Además, los ensayos de granulometría, carga puntual y límites de plasticidad
fueron realizados a las muestras tomadas.
A partir de los parámetros del macizo rocoso, se realizó una clasificación de su
tipo de roca mediante la metodología Rock Mass Rating (RMR) y CRIEPI. Los resultados
obtenidos de estos métodos fueron utilizados para definir la resistencia del terreno.
6.3 Estudios hidrológicos
Se comenzó recopilando información de precipitaciones para la determinación de
la tormenta de diseño, para lo cual se utilizó el documento del MINAET (Rojas, 2011), el
cual proporciona curvas de intensidad - duración - frecuencia (IDF) de varias estaciones
meteorológicas.
Después, se obtuvieron las curvas de nivel y ríos para delimitar la cuenca, a partir
de información tomada de ProDUS y del Atlas Meteorológico ITCR.
Seguidamente, se determinó la cobertura y los tipos de suelo utilizando el Atlas
Meteorológico, para poder utilizar las tablas de clasificación del libro “Hidrología
Aplicada” (Chow, Maidment & Mays, 1994).
Se cuenta con la topografía del sitio, proporcionada por el topógrafo Robert
Artavia, posterior a la visita de reconocimiento del sitio.
A partir de la información recopilada, se delimitó la cuenca para obtener sus
propiedades y determinar el cauce principal. Para esto, se calculó la pendiente media del
cauce principal por el criterio de Taylor-Schwarz.
8
En cuanto al tiempo de concentración de la cuenca, se determinó, por el método
de Kirpich, utilizando los resultados obtenidos de la pendiente media del cauce principal
y la longitud del cauce.
Después, a partir de los mapas de cobertura y tipos de suelo se calculó el número
de curva por el método del SCS (Soil Conservation Service).
En el caso de la tormenta de diseño, se utilizó el método de bloque alterno de
hietogramas de precipitación de diseño usando relaciones IDF para un periodo de retorno
de 100 años, utilizando el documento de Nazareth Rojas del MINAET.
Posteriormente, con la tormenta de diseño, el tiempo de concentración y el
número de curva SCS se obtuvo el caudal de avenida máxima en el punto de salida de
la cuenca haciendo uso del software de modelado hidrológico HEC-HMS 4.3.
Una vez obtenido el caudal necesario, mediante el uso de la metodología del
cálculo de caudales para canales abiertos de Manning se obtuvo el Nivel de Agua
Máxima Esperada (NAME), que representa una condición crítica del nivel de agua que
se podría esperar para un periodo de retorno determinado. Este nivel se establece a
partir de los estudios hidrológicos realizados en la cuenca del río y la topografía del sitio
(Gómez, 2017).
6.4 Diseño de la superestructura y subestructura
Se comenzó estudiando la bibliografía y la normativa vigente para el diseño de la
superestructura, como la guía AASHTO LRFD (2017) y los Lineamientos para el Diseño
Sismorresistente de Puentes (2013). Seguidamente se realizaron las revisiones de
apoyos, de la placa, de los tornillos y de la resistencia a compresión del concreto. Luego
se realizó el diseño de la losa junto con la acera y de las vigas en sección compuesta
con la losa.
En el caso de la subestructura, se utilizó el Código de Cimentaciones de Costa
Rica (2009) y la guía AASHTO LRFD (2017) para realizar las revisiones por volcamiento,
deslizamiento y capacidad de carga, al igual que el diseño estructural.
9
7. Marco teórico
Un puente es una estructura destinada para unir el paso entre dos puntos evitando
un obstáculo físico que impide el paso, sea por aspectos topográficos naturales o
artificiales. Los puentes cumplen el objetivo de darle continuidad a caminos, carreteras y
líneas férreas. (Gómez, 2017)
El caso de análisis consiste en un puente conformado por una losa de concreto
reforzado y vigas de acero. Este tipo de puente corresponde al diseño de estructura
estándar de la dirección de puentes del Ministerio de Obras Públicas y Transportes
(MOPT). Su estructuración se conforma por una superestructura y subestructura.
Superestructura
La superestructura corresponde a la parte superior del puente, conformada por:
losa, vigas, acera, etc. Este elemento del puente se encarga de transmitir todas las
cargas de la superficie de rodamiento hacia la subestructura del puente. (Castillo, 2019)
Subestructura
La subestructura se conforma por tres elementos principales: apoyos, bastiones y
cimentaciones. Los apoyos se encargan de recibir las cargas verticales y horizontales de
la superestructura y los bastiones transmiten todas las cargas hacia el suelo o roca a
través de la cimentación. (Castillo, 2019)
Información hidrológica
Para obtener información hidrológica que fuera suficiente para el sitio de puente,
se utiliza la información brindada por la estación pluviométrica ubicada en Coto 47 (100035). Esta estación se encuentra a 26 km del sitio de puente y se optó por simplificar el
análisis al considerar que la cercanía es suficiente.
Cabe destacar que la información proporcionada por la estación corresponde a
curvas Intensidad – Duración – Frecuencia para duraciones de lluvia variables. Por lo
que se procedió a utilizar la ecuación de mejor ajuste para obtener intensidades de lluvia
para duraciones más cortas.
10
𝐼 = 596.53 ∗ 𝑇 0.201 /𝐷0.632
(1)
Donde:
I: Intensidad de lluvia (mm/h)
T: Periodo de retorno (años)
D: Duración (min)
Para el análisis se empleó un periodo de retorno de 100 años para el cálculo de
intensidades de lluvia para la estación de Coto 47, con el que se puede determinar una
lluvia de diseño mediante hietogramas de precipitación de diseño utilizando las
relaciones I-D-F. El método utilizado se denomina el método del bloque alterno.
EL método del bloque alterno consiste en una simplificación para desarrollar un
hietograma de diseño utilizando una curva de intensidad-duración-frecuencia. El
hietograma producido por este método especifica la profundidad de precipitación que
ocurro en n intervalos de tiempo sucesivos de duración Δt sobre una duración total T.
(Chow, 1994)
Además, se realiza un análisis de crecientes para el cálculo de caudales en la
sección de puente. El análisis de crecientes consiste en la modelación de caudales
máximos esperados para una sección del río dada. El cálculo de caudales es posible
mediante el software de modelado hidrológico HEC-HMS, el cual hace uso de una lluvia
de diseño, un número de curva y un tiempo de concentración.
Porras (2018) describe que el tiempo de concentración de una cuenca se define
como el tiempo de tránsito en el cual, dada una lluvia homogénea sobre la cuenca y de
intensidad constante, toda la cuenca está aportando escorrentía al punto de control. Su
determinación puede darse mediante diferentes fórmulas de carácter empírico, para este
caso se utiliza la ecuación de Kirpich (1940) desarrollada a partir de información del SCS.
La ecuación es la siguiente:
𝐿0.77
𝑡𝑐 = 0.0195 ∙ 𝑆0.385
11
(2)
Donde:
tc: Tiempo de concentración (min)
L: Longitud del cauce principal (m)
S: Pendiente del cauce principal (m/m)
En lo referente a la cartografía cabe destacar que se hizo uso de las hojas 1:50000
para la zona de Laurel y Pavón. De estas hojas se realizó la delimitación de la cuenca
del río La Vaca y se obtuvieron las coberturas y tipos de suelo respectivos de la zona
para la determinación del número de curva según el SCS.
Información geotécnica
Para diseñar un puente es sumamente importante conocer las condiciones
geotécnicas de la zona en la que se piensa construir dicha obra civil, ya que las
cimentaciones son una parte vital en el diseño de un puente.
Para esto es necesario visitar el sitio para tener un concepto más claro de la
geología del sitio, se puede hacer una caracterización visual del suelo o del macizo
rocoso que sobresalga a la superficie, de esta manera se pueden respaldar los
resultados obtenidos de las distintas pruebas que se le hagan al material. Para respaldar
estas pruebas se puede determinar con las muestras superficiales el tipo de suelo
presente y así conocer la resistencia aproximada teórica para ese tipo de suelo o roca.
Definir el perfil geológico de interés es muy importante para todo ingeniero, ya que
permite determinar características mecánicas de cada estrato del suelo y así determinar
donde es adecuado cimentar la obra y conocer la forma en la que este suelo o roca va a
comportarse. Este perfil se determina de distintas maneras, una eficiente y práctica es
realizar una cantidad mínima de ensayos de SPT con recuperación de núcleos y
complementarlo con exploración geofísica, o en el caso de ser una roca, realizar
perforación a rotación con extracción de núcleos y complementarlo con exploración
geofísica. Por lo menos realizar un SPT o perforación a cada lado del río.
La litoestratigrafía del cantón de Corredores puede observarse en el anexo A-1
(ProDUS, 2009).
12
Definir mediante criterios teóricos las propiedades mecánicas del material que se
presenta en la zona del puente es de suma importancia ya que de acuerdo con sus
características se puede definir de forma preliminar si la carga de diseño del bastión
puede ser soportada por el suelo o roca.
Cabe destacar que para el puente analizado no se llevaron a cabo pruebas de
SPT, esto porque la roca aflora en la superficie y esto imposibilita ese ensayo, ya que el
equipo rebotaría. El ensayo de penetración estándar busca realizar un reconocimiento
geotécnico del terreno a distintas profundidades. Esto para diferentes puntos de interés,
lo que genera una curva estratigráfica en la que se puede clasificar y analizar cada capa
de material que compone el suelo de la zona.
Tampoco se realizaron penetraciones con rotación en la roca, debido a que su
costo es muy elevado y no se cuenta con presupuesto para cubrir ese gasto.
8. Resultados estudios básicos
8.1 Estudios geotécnicos
8.1.1
Geología del sitio
La descripción geológica realizada para el sitio de puente se ubica en la formación
Charco Azul y se encuentran referenciados en el Plan Regulador Cantonal de Corredores
por ProDUS (2009).
Litología:
La unidad litoestratigráfica se encuentra definida por Terry (1941, p. 382, citado
en ProDUS, p. 80) y consiste en lo siguiente:
a) La litología de la base consiste de areniscas azules y gruesas, que contienen
vetas de conglomerados, y principalmente, lutitas ricas en microfósiles marinos,
con abundantes acumulaciones de caliza. Las capas basales aparecen en varios
sitios, lo cual evidencia sus características sedimentarias y el paso del tiempo en
13
esta región. En el sur, la Formación Charco Azul se hace cada vez más porosa
gradando hacia las areniscas de la formación Burica.
b) El techo consta de lutitas negras bituminosas, bien expuestas en la localidad de
Charco Azul (Panamá).
En el ra las areniscas y las lutitas.
Cuadro 1 se muestran los rangos de los módulos de elasticidad y de Poisson para
las areniscas y las lutitas.
Cuadro 1. Propiedades mecánicas promedio de las rocas
Módulo de
Módulo de
Coeficiente de
elasticidad estático,
elasticidad dinámico,
Poisson, v
E (kg/cm²) (x 105)
Ed (kg/cm²) (x 105)
Areniscas
0,3 - 6,1
0,5 - 5,6
0,1 - 0,4
Lutitas
0,3 - 2,2
1,0 - 7,0
0,25 - 0,29
Roca Intacta
Fuente: Ingeniería Geológica, 2002
Estratotipo y afloramientos:
Aflora a ambos lados de la Península de Burica. La sección tipo se ubica a lo largo
de la costa de Charco Azul, cerca de Punta Burica, y corresponde a la parte superior de
la unidad (Olsson, 1942, citado en ProDUS, 2009, p. 80).
Edad:
Según Olsson (1942), la edad de esta formación corresponde al Plioceno, el cual
comenzó hace 5 millones de años y terminó hace 1,8 millones de años.
Ambiente de sedimentación:
La presencia de faunas de diferente profundidad se explica asumiendo que la
topografía del fondo del mar en el Plioceno, era semejante a la actual, caracterizada por
14
una abrupta pendiente o fondo de plataforma, con variaciones de profundidad
considerables a distancias comparativas cortas. (ProDUS, 2009, p. 80).
En el Anexo 1 se muestra la Litoestratigrafía del cantón de Corredores.
8.1.2
Estudios geofísicos
Realizado por GeoStratu Consultores S.A., se utilizaron métodos de muestreo de
reflexión sísmica para determinar la profundidad, espesor y condición de las diferentes
capas en el sitio del puente Niviribotda en las Vegas de Laurel, Corredores, provincia de
Puntarenas (Sánchez, 2019).
A partir de la información recopilada, se puede evaluar la velocidad de onda-P del
sitio. Fue posible distinguir un modelo de velocidades de onda para el sitio analizado
(Figura 6), y se obtuvo un segundo modelo de dos capas utilizando promedios de las
velocidades (Figura 7). La primera capa correspondiente a la roca meteorizada de las
turbiditas de la formación Charco Azul con velocidad de onda de 493 m/s y la segunda
capa de turbiditas pertenecientes a la misma formación con un VP de 1795 m/s.
Figura 6. Velocidades de onda tipo P en sitio
Elaborado por Sánchez, 2019
15
Figura 7. Velocidades promedio de onda tipo P en sitio
Elaborado por Sánchez, 2019
Utilizando los resultados del informe geofísico pudo comprobarse lo esperado del
sitio según el Plan Regulador Cantonal de Corredores, emitido por ProDUS en 2009,
sobre la presencia de roca superficial. Además, lo anterior implica una menor profundidad
de excavación para alcanzar roca no meteorizada y colocar la subestructura del puente.
Analizando la Figura 8 (ondas tipo S) en conjunto con la Error! Reference
source not found., se puede observar que, según los Lineamientos para el Diseño
Sismorresistente de Puentes(LDSP, 2013), el estrato corresponde a un suelo tipo S2,
“medianamente denso a denso, o medianamente rígido a rígido” y según el National
Earthquakes Hazard Reduction Program (NEHRP) corresponde a un suelo muy denso y
roca suave. Estas conclusiones fueron proporcionadas por el geólogo Francisco
Sánchez. La diferencia entre los estratos está relacionada con el grado de meteorización
de cada capa.
16
Figura 8. Velocidades de onda tipo S obtenidas en sitio
Elaborado por Sánchez, 2019
Cuadro 2.Clasificación del sitio geotécnico de cimentación con base en la velocidad de
onda cortante
Sitio geotécnico de
cimentación
Velocidad de onda cortante
Perfil estratigráfico
promedio ponderada en los
̅𝑠 )
30 m superficiales (𝑉
𝑆1
Roca
̅𝑠 )
760 m/s < (𝑉
𝑆2
Suelo muy denso y roca suave
̅𝑠 ) ≤ 760 m/s
360 m/s < (𝑉
𝑆3
Suelo rígido
̅𝑠 ) ≤ 360 m/s
180 m/s < (𝑉
𝑆4
Suelo suave
̅𝑠 ) < 180 m/s
(𝑉
𝑆5
Sitios que requieren de una evaluación específica de la respuesta
sísmica según la investigación preliminar
Fuente: Lineamientos para el diseño sismorresisteente de puentes, 2013
8.1.3
Rock Mass Rating (RMR)
Con el fin de determinar el criterio de ruptura a partir de RMR del material en el
macizo, se procedió a identificar las familias de discontinuidades en el tramo
17
seleccionado, apreciable en la Figura 9. Este tramo corresponde a la roca meteorizada
de la margen izquierda.
Figura 9. Identificación de discontinuidades en el tramo
Tomado por Tenorio, 2019
Para obtener el valor de resistencia de la matriz rocosa, se tomaron muestras de
roca a nivel superficial del sitio analizado y se realizó el ensayo de carga puntual
utilizando la norma ASTM correspondiente. La prueba fue realizada dentro de las
instalaciones del LanammeUCR por un técnico de laboratorio.
En el Cuadro 3 se muestran las dimensiones de las rocas tomadas del sitio, y en
el Cuadro 4 se presentan los resultados del ensayo tanto corregidos como sin corregir
por factor de forma. Además, en las Figura 10 y Figura 11 se pueden observar las
fotografías de las muestras de roca ensayadas.
18
Cuadro 3. Dimensiones de las muestras de roca analizadas
Lutita
Promedio
Arenisca 1
Arenisca 2
D (mm)
W (mm)
D (mm)
W (mm)
D (mm)
W (mm)
45.91
83.78
39.64
71.25
54.40
82.65
51.34
80.52
47.40
79.97
52.10
93.39
50.71
76.52
46.03
74.69
48.84
89.43
49.32
80.27
44.36
75.30
51.78
88.49
2
A (mm )
Diámetro
equivalente
(mm)
3958.92
3340.31
4582.01
5040.65
4253.01
5834.00
Cuadro 4. Parámetros obtenidos del ensayo de carga puntual
Registro del equipo
Ecuaciones ASTM D5731
Muestra
Fuerza
(kN)
Resistencia
(MPa)
Resistencia
sin corregir, Is
(MPa)
Factor de
corrección
por forma, F
Resistencia corregida,
Is(50) (MPa)
Lutita
0.110
0.060
0.022
1.170
0.026
Arenisca 1
0.350
0.280
0.082
1.270
0.104
Arenisca 2
0.100
0.080
0.017
1.210
0.021
Figura 10. Falla de la muestra menos alterada (arenisca 1)
Tomado por Tenorio, 2019
19
Figura 11. Muestra menos alterada en el ensayo de carga puntual
Tomado por Tenorio, 2019
El último cálculo necesario para la clasificación del macizo mediante el método
RMR es el del RQD. Para este parámetro se utilizó la siguiente ecuación, obtenida del
libro “Pinciples of Engineering” (Johnson, R.B.; De Graff, J.V, 1988):
% RQD = -4.999*Jv + 106.3
(3)
Siendo Jv la cantidad de discontinuidades visibles en 1 metro. Para el caso del
tramo analizado, se obtuvo (en promedio) un total de 9 discontinuidades para tramos de
1 metro en el macizo. Por lo tanto, mediante la ecuación (3):
% RQD = -4.999*12 + 106.3 = 46.31%
Una vez obtenidos todos los parámetros necesarios, es posible realizar la
clasificación RMR para obtener los criterios de ruptura en la zona superior del macizo. El
resultado de la clasificación para la elaboración de una cimentación de puente se aprecia
en el Cuadro 5.
20
Cuadro 5. Resultados finales del Rock Mass Rating
Parámetro
Clasificación
Resistencia de la matriz
rocosa
2.5 MPa
1
RQD
25% - 50%
6
Espaciamiento
0.2 - 0.6 m
10
Persistencia
> 20 m
0
Abertura
Nada
6
Rugosidad
Suave
0
Relleno
Ninguno
6
Meteorización
Moderadamente alterada
3
Humedad
Seco
15
Orientación de discontinuidad
Media
-7
RMR
Puntuación
30 (Clase IV)
En el caso de la resistencia de la matriz rocosa, se utilizó el ensayo de carga
puntual, sin embargo, se obtuvieron resultados mucho menores a 1 MPa, por lo que se
realizó una correlación entre la resistencia de compresión uniaxial y la de carga puntual
para obtener una puntuación equivalente para RMR.
Finalmente, se obtiene el criterio de ruptura para el macizo rocoso. En el Cuadro
6, se muestran los rangos de ángulo de rozamiento y cohesión para cada tipo de macizo.
Los resultados finales se observan en el Cuadro 7.
21
Cuadro 6. Calidad de macizos rocosos en relación al Índice RMR
Clase
Calidad
Valoración
RMR
Cohesión
(kg/cm2)
Ángulo de
rozamiento
I
Muy buena
100 - 81
>4
> 45°
II
Buena
80 - 61
3–4
35° - 45°
III
Media
60 – 41
2–3
25° - 35°
IV
Mala
40 – 21
1-2
15° - 25°
V
Muy mala
< 20
<1
< 15°
Fuente: Ingeniería Geológica, 2002
Cuadro 7. Resultados finales de las propiedades del macizo
Clase
Calidad
Cohesión (kg/cm2)
Ángulo de rozamiento
IV
Mala
1-2
15° - 25°
8.1.4
Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI) Rock Mass
Classification
Es una clasificación de macizos rocosos para evaluar la factibilidad de utilizarlos
en las fundaciones de las presas hidroeléctricas. Fue elaborado por el CRIEPI en la
década de 1950. La calidad del macizo en esta clasificación se ve significativamente
afectada por la exposición a la intemperie.
A pesar de que esta clasificación fue diseñada inicialmente para presas
hidroeléctricas, también se ha utilizado en otras estructuras como cavernas
subterráneas, túneles, plantas nucleares, puentes y canteras (CRIEPI, 2004).
La calidad del macizo está determinada por factores principales que serían la
consolidación y diagénesis. Los factores secundarios serían el grado de meteorización o
desgaste, las fracturas y alteraciones. Además, analiza la decoloración de la roca, la
dureza de los materiales, la geofísica y las propiedades de las fracturas. Con base en
estas propiedades se clasifica el macizo en seis grupos (algunos tienen propiedades
similares), los cuales se pueden apreciar en el Cuadro 8.
22
Cuadro 8. Clasificación de macizos rocosos según CRIEPI
Descripción
A
Se refiere a macizos rocosos de muy buena calidad, sin signos de desgaste ni
alteración, con discontinuidades no alteradas.
B
CCH
Abarca macizos rocosos relativamente sólidos con juntas poco alteradas con posibles
rellenos de materiales finos.
CCM
Define macizos rocosos que presentan cierto grado de suavidad producto de su
proceso de formación. Los bloques son separados por medio de golpes de poca
magnitud debido a la poca cohesión que presentan las juntas y fracturas. Se
encuentran discontinuidades rellenas por materiales finos.
CCL
D
Incluye macizos rocosos blandos, donde las juntas y grietas poseen muy poca
cohesión, que además presenta bloques separados y materiales residuales en las
superficies de los bloques.
Fuente: Bolaños, 2012
CRIEPI subdivide el Cuadro 8 en los siguientes cuatro grupos mostrados en el
Cuadro 9.
23
Cuadro 9. Propiedades Físicas y Mecánicas del macizo adaptado de CRIEPI, 2004
Clase
Módulo
de roca deformación
(kg/cm2)
de Módulo
elástico
(kg/cm2)
Cohesión
(kg/cm2)
Ángulo de Velocidad
fricción (°)
de onda P
(km/s)
40 <
55 - 65
3,7 <
20 - 40
40 - 55
3,0 - 3,7
10 - 20
30 - 45
1,5 - 3,0
< 10
15 - 38
< 1,5
A
50 000 <
80 000 <
20 000 - 50 000
40 000
80 000
B
CH
–
15 000 –
CM
5 000 - 20 000
40 000
CL
< 5 000
< 15 000
D
Fuente: Criepi, 2004.
Utilizando la onda P de la geofísica y la clasificación del CRIEPI mencionada
anteriormente, se puede llegar a las siguientes propiedades (Cuadro 10) para la roca
encontrada en el sitio del puente.
24
Cuadro 10. Propiedades mecánicas del macizo en el sitio del puente
Ubicación de la
roca
Velocidad de
onda P (km/s)
Clase de roca
Cohesión
(kg/cm2)
Ángulo de
fricción (°)
Capa Superior
0.493
D
< 10
15 - 38
Capa Inferior
1.795
CM
10 - 20
30 - 45
8.1.5
Capacidad soportante
Utilizando el Código de Cimentaciones de Costa Rica (2009), se determinó la
capacidad
soportante
utilizando
la
siguiente
ecuación,
correspondiente
a
discontinuidades inclinadas de un macizo fracturado.
𝑞ú𝑙𝑡 = 0.5𝛾𝐵𝑁𝛾 + 𝛾𝐷𝑁𝑞
(4)
Donde: 𝛾: peso unitario del suelo
𝐵: base de la placa
𝑁𝛾 , 𝑁𝑞 : factores de capacidad de carga
𝐷: nivel de desplante
La obtención de los parámetros Nγ y Nq se realiza con las siguientes
ecuaciones para los factores de capacidad de carga.
𝜙
𝑁𝜙 = 𝑡𝑎𝑛2 (45 + 2 )
(5)
𝑁𝑞 = 𝑁𝜙2
(6)
𝑁Υ = √𝑁𝜙 ∗ (𝑁𝜙2 − 1)
(7)
En el
25
Cuadro 11 se muestran los resultados obtenidos de la capacidad soportante para
una placa corrida de ancho (B) de 1 m y 0.5 m.
Cuadro 11. Determinación de la capacidad soportante de la cimentación
Margen
Izq.
Der.
8.1.6
γarenisca
(kN/m3)
ф
(°)
Nф
Nq
Nγ
D (m)
B (m)
qult
(kPa)
22.56
22.56
22.56
22.56
30
30
30
30
3.00
3.00
3.00
3.00
9.00
9.00
9.00
9.00
13.86
13.86
13.86
13.86
2.6
2.6
1.7
1.7
0.50
1.00
0.50
1.00
602.07
680.23
421.34
499.50
Ensayos de laboratorio
Se realizó una descripción del material obtenido en sitio, realizando ensayos de
granulometría y límites de plasticidad de las muestras tomadas. Las cuales inicialmente
correspondían a rocas meteorizadas, pero por sus propiedades mecánicas, se
degradaron considerablemente al establecer contacto con agua.
En las Figuras Figura 12, Figura 13 y Figura 14 se muestran las curvas
granulométricas de las muestras tomadas de cada margen del río. Además, en el Anexo
2 se pueden observar los cuadros correspondientes.
120
% retenido acumulado
100
80
60
40
20
0
0.010
0.100
1.000
Abertura (mm)
26
10.000
Figura 12. Curva granulométrica de muestra de margen derecho
Elaborado por Tenorio, 2019
100
% retenido acumulado
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.010
0.100
1.000
10.000
Abertura (mm)
Figura 13. Curva granulométrica de muestra 1 de margen izquierdo
Elaborado por Tenorio, 2019
% retenido acumulado
120
100
80
60
40
20
0
0.010
0.100
1.000
10.000
Abertura (mm)
Figura 14. Curva granulométrica de muestra 2 de margen izquierdo
Elaborado por Tenorio, 2019
27
En el Cuadro 12 se puede observar los resultados del ensayo para el cálculo del
límite líquido. Se utilizó la Figura 15 para determinar el porcentaje de humedad a los 25
golpes, que sería el límite líquido.
Cuadro 12. Resultados para el cálculo del LL del material
Determinación
Lectura 1
Lectura 2
Lectura 3
MHum (g)
9,06
8,23
8,72
MSeco (g)
5,9
5,36
5,62
MAgua (g)
3,16
2,87
3,10
% Humedad
53,56
53,54
55,16
# de golpes
32
27
18
35
y = -7.1298x + 411.3
Número de Golpes
30
25
20
15
10
5
0
50.00000
% de humedad
Figura 15. Determinación del Límite Líquido
Elaborado por Esquetini, 2019
En el Cuadro 13 se encuentran los resultados del ensayo para la determinación
del límite plástico del material analizado, este es el promedio de los dos porcentajes de
humedad obtenidos.
28
Cuadro 13. Masas y porcentajes de humedad para el límite plástico
Determinación
Lectura 1
Lectura 2
MHum (g)
6,40
6,21
MSeco (g)
4,83
4,68
MAgua (g)
1,57
1,53
% de humedad
32,51
32,69
Finalmente, en el Cuadro 14, se presentan los resultados obtenidos de los límites
de Atterberg para el material de la zona.
Cuadro 14. Resultados obtenidos de los límites de consistencia
Determinación
Valor obtenido
Límite líquido (%)
54,18
Límite plástico (%)
32,60
Índice Plasticidad
21,58
Con toda la información del estudio geotécnico se logró determinar la profundidad
a la que se deben colocar las cimentaciones del puente, esto puede verse en la Figura
16. Se puede ver que la cimentación del lado izquierdo se encuentra a una profundidad
de 2.6 m y del lado derecho se encuentra a una profundidad de 1.7 m.
Figura 16. Ubicación de las cimentaciones del puente
Elaborado por: Tenorio, 2019
29
Cuadro 15. Características de las capas de suelo
Capa
UG-1
UG-2
UG-3
Vp (m/s)
780
1500
1795
E (kg/cm2)
< 15000
15000 - 40000
15000 - 40000
C (kg/cm2)
< 10
10 - 20
10 - 20
Ф (°)
15 - 38
30 - 45
30 - 45
Elaborado por: Tenorio, 2019
8.2 Estudios hidrológicos
8.2.1
Climatología
Cuando se realiza el estudio hidrológico de una zona el primer concepto que hay
que conocer es el de cuenca hidrográfica, según ProDUS (2009):
“Es la unidad básica de un análisis hidrológico y corresponde a la superficie
cuyas aguas fluyen hacia un mismo punto, conocido como desfogue de la cuenca.
Su perímetro está constituido por la línea divisoria de aguas, que delimita una red
fluvial. Esta red es formada por los ríos y quebradas por los cuales escurre el
agua.”
Las cuencas se construyen en base a un río principal y sus afluentes, en el caso
de esta consultoría es el río La Vaca, debido a que este es el río que cruza la carretera
para llegar al pueblo indígena Niviribotda.
La zona del cantón de Corredores en la que se encuentra el río de interés está en
un suelo de la formación geológica de Charco Azul, esta formación tiene una baja
permeabilidad, recarga limitada a los acuíferos de las llanuras aguas abajo y se espera
que sea un sector de alta escorrentía superficial. (ProDUS, 2010).
Esto puede explicar el hecho de que en la época lluviosa el nivel máximo del río
sea muy elevado e imposibilite el paso a través de este, así como inundaciones en
algunas zonas.
Utilizando la Figura 17, se observa la precipitación media anual del cantón de
Corredores, de donde se puede observar que en la zona de estudio es aproximadamente
de 3400 mm/año.
30
Figura 17. Precipitación media anual de Corredores
Fuente: ProDUS, 2009.
8.2.2
Información hidrológica del sitio en estudio
Lo primero que se realizó fue la delimitación de la cuenca utilizando el programa
ArcGis. Esto se puede observar en la Figura 18. Además, en esta figura se muestra el
cauce principal.
31
Figura 18. Delimitación de la cuenca en estudio
Elaborado por Tenorio, 2019
Para la determinación del tiempo de concentración de la cuenca, era necesario
determinar algunas de sus propiedades. En el
Cuadro 16, se muestran estos resultados. Además, en la Figura 19 se observa la
gráfica de la pendiente media, la cual fue calculada utilizando el método de Taylor Schwarz, debido a la similitud hidráulica con el cauce.
Elevación (msnm)
600
500
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Longitud (m)
Figura 19. Pendiente media del cauce principal por Taylor – Schwarz
Elaborado por Tenorio, 2019
32
Cuadro 16. Características físicas del río La Vaca para el sitio de puente
Cuenca
Río La Vaca
Área de la cuenca (A)
7.76 km2
Longitud del cauce principal (L)
4440 m
Pendiente del cauce principal (s)
4.54% (m/m)
Cota máxima (Hmáx)
550 m
Cota mínima (Hmin)
200 m
Desnivel de la cuenca (ΔH)
350 m
Tiempo de concentración (tc)
41.2 min
Elaborado por Tenorio, 2019
Para determinar el tiempo de concentración, se utilizó la ecuación de Kirpich
utilizando las propiedades del
Cuadro 16 de longitud y pendiente del cauce principal. La ecuación es la siguiente:
𝐿0.77
𝑡𝑐 = 0.0195 ∗ 𝑠0.385
8.2.3
(8)
Estudio de intensidades de lluvia
El cálculo de las intensidades máximas se sustenta en el informe “Curvas de
Intensidad Duración Frecuencia de algunas estaciones meteorológicas mecánicas”, del
Ministerio de Ambiente, Energía y Telecomunicaciones (MINAET, 2011), que constituye
un análisis basado en conceptos de regionalización.
El área de estudio más cercana se localiza en la estación No. 100-035 (Coto 47)
del mencionado informe, de donde también se han tomado las ecuaciones intensidad –
duración – periodo de retorno, que dependen de las intensidades máximas diarias, que
fueron aplicadas para el cálculo de caudales máximos de los cursos (Anexo 3).
8.2.4
Usos y tipos de suelo
Para determinar el número de curva, se determinó el mapa de cobertura del suelo,
mostrado en la Figura 20.
33
Figura 20. Mapa de cobertura del suelo de la cuenca en estudio
Elaborado por Tenorio, 2019
Se realizó un mapa de tipo de suelos, sin embargo, la cuenca es muy pequeña y
solo mostraba un tipo: ultisoles. Lo cual clasifica para un suelo tipo C según la
clasificación del SCS. Por último, a partir de todos estos parámetros, se determinó el
número de curva en el Cuadro 17.
Cuadro 17. Determinación del número de curva
Uso de la tierra
Parámetro
2
Área (m )
Porcentaje
CN
Ponderado
187301
2.41%
70
1.69
Forestal
5933454
76.42%
70
53.49
No forestal
1407075
18.12%
74
13.41
Nubes
236302
3.04%
70
2.13
Suma
7764133
-
-
70.72
Bosque
secundario
Elaborado por Tenorio, 2019
34
8.2.5
Características hidráulicas
Para la determinación de la lluvia de diseño, se utilizó la información recopilada
del MINAET, con el método de bloques alternos y una ecuación de mejor ajuste. La
ecuación IDF utilizada es la siguiente:
𝐼 = 596.53 ∗ 𝑇 0.201 /𝐷0.632
(9)
A continuación, en el Cuadro 18, se presenta la determinación de la lluvia de
diseño para el caso de un periodo de retorno de 100 años.
Cuadro 18. Lluvia de diseño de 2 horas para un periodo de retorno de 100 años
Duración
(min)
Intensidad
T-100
(mm/h)
Profundidad
acumulada
(mm)
Profundidad
incremental
(mm)
Tiempo
(min)
Precipitacion
(mm)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
351.26
226.66
175.43
146.26
127.02
113.20
102.69
94.38
87.61
81.97
77.17
73.04
58.54
75.55
87.71
97.51
105.85
113.20
119.81
125.84
131.41
136.61
141.49
146.09
58.54
17.01
12.16
9.80
8.34
7.35
6.61
6.03
5.57
5.20
4.88
4.60
0-10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80
80-90
90-100
100-110
110-120
4.88
5.57
6.61
8.34
12.16
58.54
17.01
9.80
7.35
6.03
5.20
4.60
Elaborado por Tenorio, 2019
En la Figura 21, se muestra el hietograma representativo de la información
obtenida en el Cuadro 18.
35
Precipitación (mm)
70
60
50
40
30
20
10
110-120
100-110
90-100
80-90
70-80
60-70
50-60
40-50
30-40
20-30
10-20
0-10
0
Tiempo (min)
Figura 21. Hietograma de lluvia de diseño para periodo de retorno de 100 años
Elaborado por Tenorio, 2019
8.2.6
Avenida máxima del río
A partir de la información anterior y haciendo uso del software de modelado
hidrológico HEC-HMS, se simularon los hidrogramas de creciente para determinar el
caudal máximo. Se observa entonces de la Figura 22, que el caudal máximo corresponde
a 176.3 m2/s.
Figura 22. Hidrograma de creciente obtenido para la cuenca en estudio
Elaborado por Tenorio, 2019
36
Haciendo uso de la ecuación de Manning y diferentes secciones transversales del
río (aguas arriba, aguas abajo y centro), se busca la altura máxima del agua y de esta
forma saber el nivel al que se coloca el puente.
En la Figura 23, se puede observar la ubicación de las secciones transversales en
el río utilizadas para la obtención del nivel de agua máximo esperado.
Figura 23. Ubicación de las secciones transversales utilizadas
Elaborado por Cordero, 2019
En las Figura 24, Figura 25 y Figura 26, se puede observar la sección transversal
del río en la línea de centro del puente, aguas abajo y aguas arriba, respectivamente.
Estas secciones transversales se obtuvieron de las curvas de nivel generadas a cada 25
cm realizadas con la información brindada por el estudio topográfico.
Figura 24. Sección transversal en la línea de centro del puente
Elaborado por Esquetini, 2019
37
Figura 25. Sección transversal del río aguas abajo
Elaborado por Esquetini, 2019
Figura 26. Sección transversal del río aguas arriba
Elaborado por Esquetini, 2019
El coeficiente de rugosidad de Manning (n) es de 0.020 por ser un cauce natural,
mayoritariamente constituido de arenas finas. Pendiente longitudinal del cauce (s) de
0.016. Este valor fue determinado con los datos topográficos obtenidos del sitio. Para el
cálculo del NAME, se utilizó un periodo de retorno de 100 años que según (SIECA, 2016)
es el utilizado para un esencial. La expresión de la ecuación de Manning que se utilizó
es la siguiente.
5
1
𝑄 =𝑛∗
𝐴ℎ3
2
∗ √𝑠
𝑃ℎ3
38
(10)
Cuadro 19. Cálculo del NAME para un periodo de retorno de 100 años para la sección más
crítica (aguas arriba)
Parámetro
Aguas Arriba
Aguas Abajo
Centro con puente
Longitud hidráulica (m)
19.53
20.39
23.4
Área hidráulica (m)
24.80
24.88
26.46
Perímetro (m)
40.16
41.41
47.83
Perímetro mojado (m)
20.63
21.02
24.43
Altura (m)
2.25
1.85
1.90
178.45
178.05
178.01
Elevación (msnm)
Elaborado por: Tenorio, 2019
8.3 Esquema de puente
Una vez realizados los estudios básicos, es posible obtener un esquema inicial
del dimensionamiento del puente en términos de altura y profundidad mínima de
cimentación debajo de la sección mínima del río.
La elección del claro hidráulico de diseño se sustenta en el documento “Manual
de Consideraciones Técnicas Hidrológicas e Hidráulicas para la Infraestructura Vial en
Centroamérica”, de la Secretaría de Integración Económica Centroamericana (SIECA,
2016) que otorga valores recomendables entre 1 metro y 1.5 metros.
Para el diseño del puente, se optó por un borde libre de 1.2 metros y una
profundidad de cimentación de 60 centímetros. En la Figura 27, se muestra un esquema
de la colocación del puente con la nomenclatura de la estratigrafía según los estudios
geofísicos de refracción sísmica de la Figura 27.
39
Figura 27. Esquema de dimensiones iniciales del puente
Elaborado por Tenorio, 2019
9. Marco legal
Para el diseño de un puente vehicular es necesario seguir toda la normativa
vigente en el país, de esta forma se asegura la calidad del diseño y su seguridad.
En los estudios geotécnicos y de laboratorio se siguen las normas de la Sociedad
Americana para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés). Para los estudios
hidrológicos se utilizó el Manual de Consideraciones Técnicas Hidrológicas e Hidráulicas
para la Infraestructura Vial en Centroamérica, de la Secretaría de Integración Económica
Centroamericana (SIECA).
En el diseño de la superestructura se sigue la normativa de “AASHTO LRFD
Bridge Design Specifications” del 2017 para la determinación de las cargas del camión
de diseño, de la carga de carril, la carga peatonal, las barandas peatonales,
combinaciones de carga, entre otros.
En el diseño de la superestructura y subestructura también se siguen los
Lineamientos para el Diseño Sismorresistente de Puentes del CFIA del año 2013, esta
normativa se utiliza para la determinación de la demanda sísmica, las combinaciones de
carga, diseño de los bastiones, diseño de los apoyos y diseño de los pasadores de
cortante.
En el diseño de las cimentaciones y la subestructura se sigue lo establecido en el
Código de Cimentaciones de Costa Rica del 2009.
40
10.
Diagnóstico
Para realizar el diseño estructural de un puente vehicular es necesario conocer
las características de la zona en la que se va a construir el puente. Debido a esto es que
se realizaron los estudios básicos mencionados anteriormente en este informe.
Con los resultados del estudio geotécnico se definió el tipo de suelo presente en
la zona de cimentación del puente, utilizando la velocidad de onda S se determina
mediante la tabla 2.3-1 de (LSDP, 2013) que es un suelo tipo S2 el cual tiene una
velocidad de onda cortante entre 360 m/s y 760 m/s, esto determina que es un suelo muy
denso o roca blanda.
También se definió el nivel de la cimentación utilizando la velocidad de onda
primaria, se decidió que para cimentar el puente es necesaria una velocidad de onda de
al menos 1250 m/s, además para evitar problemas de socavación se tiene que cimentar
60 cm por debajo del nivel mínimo del río, utilizando estos datos se determinó que en la
margen izquierda y en la margen derecha del río se va a cimentar a una elevación de
175,5 msnm. A pesar de que en ambos lados se va a cimentar a la misma elevación, no
se tiene la misma capacidad de soporte, ya que en una de las márgenes del río hay que
excavar a una mayor profundidad la cimentación.
Con la velocidad de onda P y el método de clasificación de macizos de CRIEPI se
obtiene el ángulo de fricción y la cohesión de la roca, esto permite calcular la capacidad
soportante de una placa corrida con ancho (B) de 1 m de hasta 60 ton/m2.
Todo el estudio hidrológico realizado es para determinar el nivel de agua máximo
esperado (NAME) el cual junto con el claro hidráulico definido en la normativa de (SIECA,
2016) permite determinar la elevación o altura a la que se debe colocar el puente. Siendo
esta de 178,5 msnm. Si se mide desde el punto más bajo del río, el puente se encuentra
a una altura de 3,1 m.
41
11.
Diseño de soluciones
11.1 Diseño de cargas
En el Cuadro 20, se muestran las cargas utilizadas para los diseños de las
siguientes secciones. Además, se presenta una muestra de cálculo para cada una de
ellas en el Anexo 4.
Cuadro 20. Cargas utilizadas para el diseño de elementos estructurales
Tipo de carga
Código según AASHTO
Carga (ton)
EQ
43.34
EQ
13.00
Sismo, transversal
EQ
21.67
Frenado
BR
10.35
Peso superestructura
DC
90.29
Carga vehicular
LL
58.20
Carga peatonal
PL
10.57
Sismo, longitudinal
(apoyo fijo)
Sismo, longitudinal
(apoyo libre)
11.2 Diseño de losa
La revisión de esfuerzos en la losa se realiza con los factores de mayoración de
carga para Resistencia I del AASHTO LRDF de la Tabla 3.4.1.1 para cargas transientes
y Tabla 3.4.1.2 para la carga máxima permanente. Los factores de mayoración
corresponden a 1.25 para cargas permanentes y 1.75 para transientes.
Mediante el uso del software de modelado estructural SAP2000 se realizó la
asignación de cargas a la losa bajo la siguiente combinación de cargas:
𝐶𝑈 = 1.25 ∗ 𝐷𝐶 + 1.75(𝐼𝑀 + 𝐿𝐿 + 𝑃𝐿)
Donde:
DC: Carga permanente
IM: Carga vehicular dinámica
42
(11)
LL: Cargas temporales
PL: Carga peatonal
En la Figura 28 se observa la distribución de momentos para la combinación de
cargas asignada con sus momentos máximos positivos y negativos correspondientes.
(Mumax)-=2.07 m - ton
(Mumax)+=4.33 m - ton
Figura 28. Diagrama de momentos para combinación de Resistencia I
Elaborado y modificado por Tenorio, 2019
Del Anexo 5, se hace revisión de los aceros requeridos longitudinales y
transversales para flexión en la losa de concreto. El resumen de distribución de aceros
se muestra en el Cuadro 21.
Cuadro 21. Distribución de varillas de acero para losa de concreto
Parámetro
Acero positivo
Acero negativo
Acero transversal
Varilla y separación
#6 @ 30 cm
#5 @ 30 cm
#4 @ 30 cm
Elaborado por Tenorio, 2019
11.3 Diseño de vigas
El análisis de vigas se realizó para la viga más crítica, es decir, la cual posee una
mayor demanda de cargas. Para esto se realizó una comparación de métodos de
obtención de distribución de carga con AASHTO LRFD 2016 y una modelación de cargas
en SAP2000, se puede observar los factores de distribución en el Anexo 6.
La Tabla 4.6.2.2.2b-1 del AASHTO LRFD define una ecuación del factor de
distribución para momento de cargas temporales en vigas interiores.
𝑠
0.4
𝑚𝑔𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 0.06 + (4300)
𝑠 0.3
∙ (𝐿)
𝐾𝑔
0.1
∙ (𝐿∙𝑡 2 )
(12)
𝑠
Donde: s: espaciamiento entre vigas (mm); L: longitud del claro (mm); Kg: Parámetro de
rigidez longitudinal (mm4); ts: Espesor de losa (mm).
43
La Tabla 4.6.2.2.3a-1 del AASHTO LRDF define una ecuación del factor de
distribución para cortante de cargas temporales en vigas interiores.
𝑠
𝑣𝑔𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 0.36 + 7600
(13)
Donde: s: espaciamiento entre vigas (mm)
En el Cuadro 22 se realiza una comparación entre los dos métodos de factores de
carga para carga permanente y temporal. De ambos valores, se escoge el más alto para
el diseño de la viga principal.
Cuadro 22. Comparación de métodos de factor de distribución de carga
AASHTO LRFD
Factor de distribución
SAP2000
CP
CT
CP
CT
Momento
20%
24.4%
21%
27%
Cortante
20%
48.5%
-
-
Elaborado por Tenorio, 2019
En el Anexo 7 se hace revisión de los cortantes y momentos nominales en la viga
en sección compuesta para la condición de Resistencia I. Los resultados obtenidos se
encuentran en el Cuadro 23.
Cuadro 23. Revisión de momento y cortante para viga en sección compuesta
Revisión
Capacidad
Demanda
Cumplimiento
Momento
∅𝑀𝑛 = 234.94 𝑡𝑜𝑛 − 𝑚
𝑀𝑢 = 144.4 𝑡𝑜𝑛 − 𝑚
Cumple
Cortante
∅𝑉𝑛 = 269.37 𝑡𝑜𝑛
𝑉𝑢 = 94.48 𝑡𝑜𝑛
Cumple
Elaborado por Tenorio, 2019
11.4 Diseño de apoyos
11.4.1
Apoyos de neopreno
Los apoyos de neopreno no son diseñados en esta consultoría, sino que van a ser
contratados a la empresa Elastec de la Hulera Costarricense. Se especifican las cargas
que el apoyo debe resistir en el
Cuadro 24. (Su cálculo se determina en el Anexo 8)
44
Cuadro 24. Especificaciones técnicas para el apoyo elastomérico
Demanda del apoyo
Magnitud
Carga axial (ton)
25
Desplazamiento horizontal por expansión
5
térmica (cm)
11.4.2
Placa de apoyo
En el Cuadro 25, se muestran los resultados obtenidos de las revisiones realizadas a las
placas, los tornillos y el concreto, la muestra de los cálculos de apoyos se encuentra en
el Anexo 9.
Cuadro 25. Resultados finales de la revisión de las placas, tornillos y pasadores
Revisión
Aplastamiento de los
tornillos
Cortante en tornillos
Resistencia a la
compresión concreto
Resistencia al bloque
de cortante
Capacidad
Demanda
𝑅𝑢1 = 33.15 𝑡𝑜𝑛
∅𝑅𝑛 = 63.00 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑢2 = 9.76 𝑡𝑜𝑛
𝑉𝑢1 = 9.76 𝑡𝑜𝑛
∅𝑉𝑛 = 25.86 𝑡𝑜𝑛
𝑉𝑢2 = 4.45 𝑡𝑜𝑛
∅𝑃𝑛 = 299.96 𝑡𝑜𝑛
∅𝑅𝑛 = 188.70 𝑡𝑜𝑛
Resistencia a la
tensión del ángulo
∅𝑃𝑛 = 282.70 𝑡𝑜𝑛
nominal
Resistencia a la
fractura por tensión
Resistencia a la
flexión de la placa
𝑃𝑢 = 23.82 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑢1 = 33.15 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑢2 = 9.76 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑢1 = 33.15 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑢2 = 9.76 𝑡𝑜𝑛
Cumplimiento
Cumple
Cumple
Cumple
Cumple
Cumple
∅𝑃𝑛 = 235.53 𝑡𝑜𝑛
𝑃𝑢 = 23.82 𝑡𝑜𝑛
Cumple
∅𝑀𝑛 = 5.34 𝑡𝑜𝑛 − 𝑚
𝑀𝑢 = 3.85 𝑡𝑜𝑛
Cumple
∅𝑄𝑛 = 484.80 𝑡𝑜𝑛
𝑄𝑢 = 339.00 𝑡𝑜𝑛
Cumple
Resistencia de los
pasadores de
cortante
45
11.5 Diseño de bastiones
11.5.1
Revisiones iniciales: volcamiento, deslizamiento y capacidad de carga
En los Cuadro 26Cuadro 27, Cuadro 28, Cuadro 29 y Cuadro 30, se pueden
observar los resultados obtenidos de la revisión de las dimensiones de los bastiones
mostradas en la Figura 29. Los cálculos completos se presentan en el Anexo 10.
Figura 29. Diagrama de las dimensiones del bastión propuesto
Elaborado por Tenorio, 2019
Cuadro 26. Resultados de momentos resistentes del bastión y del relleno
Sección
1
2
3
4
5
6
9
10
11
Área (m2)
0.053
0.026
0.328
3.100
1.800
0.567
3.488
0.026
0.524
Pv
ƩV
Peso (ton/m) Brazo desde C (m) Momento (ton*m/m)
0.130
1.745
0.226
0.065
1.707
0.111
0.804
1.430
1.149
7.595
1.130
8.582
4.410
1.500
6.615
1.0773
0.185
0.199
6.628
2.055
13.620
1.783
0.050
0.090
0.996
1.710
1.704
0
ƩMr
32.296
21.755
Elaborado por Cordero, 2019
46
Cuadro 27. Resultados de momentos resistentes de cargas por volcamiento
Tipo de carga
LL
DC
PL
IM
ƩV2
Carga (ton)
2.08
7.446
0.961
10.58
21.067
Brazo desde C (m)
0.67
0.67
0.67
0.67
ƩMr2
Momento (ton*m/m)
1.394
4.989
0.644
7.089
14.115
Elaborado por Cordero, 2019
Cuadro 28. Resultados de momentos desestabilizadores
Tipo de carga
EQ
Empuje sísmico
Empuje activo
Carga (ton)
7.148
1.951
3.677
ƩMo
Brazo desde C (m)
Momento (ton*m/m)
3.7
26.448
2.22
4.331
1.033
3.800
34.578
Elaborado por Cordero, 2019
Cuadro 29. Resultados finales de la revisión por volcamiento
Mestabilizadores (ton*m/m)
46.411
Mdesestabilizadores (ton*m/m)
34.578
FS volcamiento
1.34
Elaborado por Cordero, 2019
Cuadro 30. Resultados finales de la revisión por deslizamiento
Parámetro
Presión pasiva del suelo (ton)
Cohesión de la roca (kg/cm2)
Presión activa horizontal (ton)
Valor
208.800
10.000
3.677
FS deslizamiento
28.94
Elaborado por Cordero, 2019
Cuadro 31. Resultados finales de la revisión por capacidad de carga
Parámetro
Excentricidad (ton)
Esfuerzo en la punta (ton/m2)
Esfuerzo en el talón (ton/m2)
Capacidad soportante última (ton/m2)
Valor
0.5 m
28.7
0
141
Elaborado por Esquetini, 2019
47
FS capacidad de carga
4.91
Cuadro 32. Resultados de la capacidad de carga en una placa corrida
γarenisca
(kN/m3)
ф (°)
Nф
Nq
Nγ
D (m)
B (m)
qadm
(kg/m2)
22.56
22.56
30
30
3.00
3.00
9.00
9.00
13.86
13.86
4.5
1.5
3.0
3.0
47.0
26.3
Elaborado por Esquetini, 2019
Figura 30. Esquema de colocación de bastiones
Elaborado por Tenorio, 2019
11.5.2
Diseño estructural
Del Anexo 9, se hace revisión de los aceros requeridos longitudinales y
transversales para el bastión, se incluye el diseño del tronco y de la placa de cimentación.
El resumen de distribución de aceros para la placa se muestra en el Cuadro 33, es
importante aclarar que el acero transversal se coloca en dos capas, cara superior y cara
inferior, con la distribución establecida en cada capa.
Cuadro 33. Distribución de varillas de acero para losa de cimentación de concreto en
bastión
Parámetro
Acero longitudinal
Acero transversal
Varilla y separación
#5 @ 15 cm
#4 @ 20 cm
Elaborado por Esquetini, 2019
El resumen de distribución de acero para el tronco del bastión se muestra en el
Cuadro 34, es importante aclarar que se debe colocar lo establecido en dos capas, una
superior y otra inferior con la distribución establecida en cada capa.
48
Cuadro 34. Distribución de varillas de acero para tronco de concreto en bastión
Parámetro
Acero longitudinal
Acero transversal
Varilla y separación
#6 @ 15 cm
#5 @ 20 cm
Elaborado por Esquetini, 2019
12.
Presupuesto y cronograma
En
el
se observa el presupuesto global del proyecto, se puede ver que el costo del diseño del
puente y también el costo total que incluye la construcción de dicho proyecto.
Cuadro 35. Presupuesto global de la obra
49
Elaborado por: Cordero, 2019
En la Figura 31, se puede observar el cronograma de la construcción de la obra
propuesto, no se incluyó la etapa inicial, la cual corresponde a los estudios básicos y el
diseño geotécnico. Se recomienda comenzar la construcción de la obra al inicio de la
época seca (diciembre), para trabajar con el menor caudal posible.
50
Figura 31. Cronograma de la construcción de la obra
Elaborado por Cordero, 2019
13.
Cronograma de la consultoría
En las Figura 32 y Figura 33, se muestra el cronograma de la consultoría hasta el
17 de julio del año en curso, utilizando la herramienta Microsoft Project, el porcentaje de
completado teórico se encuentra en la columna llamada “% Complete” y el porcentaje
real se muestra del lado izquierdo de cada tarea.
Se puede observar de las figuras mencionadas anteriormente, que todas las
actividades de la consultoría fueron completadas exitosamente.
51
Figura 32. Cronograma final de la consultoría (Primera parte)
Elaborado por Cordero, 2019
Figura 33. Cronograma final de la consultoría (Segunda parte)
Elaborado por Cordero, 2019
52
14.
Conclusiones
Se pudo determinar el nivel de crecida máxima del río a partir de un análisis de
precipitaciones en la sección del puente. Obteniendo un nivel inferior para el puente de
3.1 metros sobre el punto más bajo del río.
Fue clasificado un tipo de suelo S2 para “suelo muy denso o roca suave” para el
sitio de puente al analizar la velocidad de onda cortante promedio ponderada en los 30
metros superficiales del sitio.
Se pudo caracterizar el perfil geotécnico del sitio de puente utilizando los
resultados de los estudios geofísicos y mediante distintos métodos de clasificación de
macizos rocosos.
La capacidad soportante de la roca es mucho mayor a las cargas transmitidas por
la cimentación, obteniendo un factor de seguridad de 4.9.
Se hizo una revisión del acero requerido para la losa de rodamiento en el que se
determinó que se deben colocar #6 @ 30 cm para acero positivo, #5 @ 30 cm para acero
negativo y #4 @ 30 cm de acero transversal con varillas de Grado 60.
Fue realizada una revisión de las placas, tornillos y pasadores en el puente para
la condición de Fuerza I en el que se verificó el cumplimiento de sus dimensiones y
capacidades de carga, el grado de estos elementos de acero es G50, excepto el de los
tornillos, que son G60.
Se definió distribuir las cargas del puente en seis vigas de sección W27x94,
espaciadas a 95 centímetros de centro a centro de viga. Asegurando de esta forma la
aplicación de cargas en el puente para la condición de Fuerza I. Estas vigas son de acero
grado 50.
Se realizó el dimensionamiento de los bastiones del puente en el que se hizo
revisión de su estabilidad. Asegurando un factor de seguridad de 1.34 tomando en cuenta
el sismo de diseño, un FS de 28.94 para la condición de deslizamiento y un FS de 4.91
para la capacidad de carga en condiciones de Servicio I.
53
Se determinó el diseño estructural del bastión, para el cual se va a utilizar un
concreto con f’c de 280 kg/cm2, para el tronco del bastión se va a colocar para el acero
longitudinal, varillas #6 @ 15 cm y para el acero por temperatura, varillas #5 @ 20 cm.
En el caso de la placa de cimentación del bastión se va a colocar para el acero
longitudinal, varillas #5 @ 20 cm y para el acero transversal, varillas #4 @ 20 cm. Es
importante aclarar que todo el acero de refuerzo es de grado 60.
15.
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio de socavación en los pilares del puente para
completar el diseño de los bastiones y asegurar que en el nivel de cimentación que se
propone no se va a tener ningún problema de estabilidad.
Llevar a cabo al menos dos perforaciones con rotación y extracción de núcleos,
una a cada lado del río para comprobar que los resultados del ensayo geofísico y
asegurar que el macizo tiene la capacidad soportante que se definió. Estas perforaciones
deben ser de al menos 6 metros.
Realizar un estudio hidráulico en la sección transversal del río para determinar el
grado de afectación que se tiene en su comportamiento por la colocación de un puente
y así saber si puede sobrepasar el nivel de puente.
Tomar en cuenta los niveles definidos en este puente para el diseño de los rellenos
y de la losa de aproximación necesarios para la construcción de la carretera.
Seguir lo establecido en el capítulo 13 de AASHTO para el diseño de las barandas
flexibles a cada lado del puente.
Diseñar los apoyos de neopreno tomando en cuenta la demanda establecida en
esta consultoría.
54
16.
Fuentes de consulta
AASHTO. (2017). AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Washington D.C.:
American Association of State Highway of Transportation Officials.
AASHTO. (2012). AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Washington D.C.:
American Association of State Highway of Transportation Officials.
Asociación Costarricense de Geotecnia. (2009). Código de Cimentaciones de
Costa Rica. Editorial Tecnológico de Costa Rica. Cartago, Costa Rica.
Aguilar, T., Acevedo, B. & Ulloa, A. (2010). Paleontología de una sección del río
Corredores, formación Curré, Mioceno, Costa Rica. Editorial Universidad de Costa Rica:
San José, Costa Rica.
ASTM. (2017). Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity
Index of Soils D4318. West Conshohocken, PA, Estados Unidos: ASTM International.
ASTM. (2017). Standard Test Methods for Particle-Size Distribution (Gradation) of
Soils Using Sieve Analysis D6913. West Conshohocken, PA, Estados Unidos: ASTM
International.
ASTM. (2016). Standard Test Methods for Determination of the Point Load
Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications D5731. West
Conshohocken, PA, Estados Unidos: ASTM International.
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Borings D1452. West Conshohocken, PA, Estados Unidos: ASTM International.
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SIECA. (2016). Manual de Consideraciones Técnicas Hidrológicas e Hidráulicas
para la Infraestructura Vial en Centroamérica. El Salvador.
57
17.
Anexos
17.1 Anexo 1: Litoestratigrafía de Corredores
Figura 34. Litoestratigrafía de Corredores
Fuente: ProDUS, 2009
58
17.2 Anexo 2: Granulometría de las muestras
Cuadro 36. Análisis granulométrico para muestra de margen derecho
Tami
z
4
Abertura
(mm)
4.750
Masa retenida
(g)
4.4
%
retenido
0.4
% retenido
acum.
0.4
%
pasando
99.6
10
2.000
21.4
1.9
2.3
97.7
95
100
20
0.850
42.5
3.9
6.2
93.8
80
100
40
0.425
75.9
6.9
13.1
86.9
50
85
60
0.250
105.0
9.5
22.6
77.4
25
60
100
0.150
139.9
12.7
35.3
64.7
10
30
140
0.106
148.6
13.5
48.7
51.3
2
10
200
0.075
346.1
31.4
80.1
19.9
0
0
219.6
19.9
100.0
0.0
CH
Masa total
Esp. ASTM
C33
100
100
1103.4
Cuadro 37. Análisis granulométrico para muestra 1 de margen izquierdo
Tami
z
4
10
20
40
60
100
140
200
CH
Abertura
(mm)
4.750
2.000
0.850
0.425
0.250
0.150
0.106
0.075
Masa total
Masa retenida
(g)
14.3
8.2
11.2
16.3
20.6
36.0
29.3
31.7
21.6
189.2
%
retenido
7.6
4.3
5.9
8.6
10.9
19.0
15.5
16.8
11.4
59
% retenido
acum.
7.6
11.9
17.8
26.4
37.3
56.3
71.8
88.6
100.0
%
pasando
92.4
88.1
82.2
73.6
62.7
43.7
28.2
11.4
0.0
Esp. ASTM
C33
100
100
95
100
80
100
50
85
25
60
10
30
2
10
0
0
Cuadro 38. Análisis granulométrico para muestra 2 de margen izquierdo
Tam
iz
4
10
20
40
60
100
140
200
CH
Abertura
(mm)
4.750
2.000
0.850
0.425
0.250
0.150
0.106
0.075
0
Masa total
Masa
retenida (g)
3.7
15.8
56.3
86.4
71.3
95.1
69.8
61.5
34.6
494.5
%
retenido
0.7
3.2
11.4
17.5
14.4
19.2
14.1
12.4
7.0
% retenido
acum.
0.7
3.9
15.3
32.8
47.2
66.5
80.6
93.0
100.0
%
pasando
99.3
96.1
84.7
67.2
52.8
33.5
19.4
7.0
0.0
Esp. ASTM
C33
100
100
95
100
80
100
50
85
25
60
10
30
2
10
0
0
17.3 Anexo 3: Curvas I-D-F para estación Coto 47
Figura 35. Estación 100-35. Intensidades de precipitación máxima (mm/h) por
duración y período de retorno.
Fuente: Rojas, 2011. p. 43
60
Figura 36. Curvas I-D-F para estación Coto 47
Fuente: Rojas, 2011. p. 53
61
17.4 Anexo 4: Cálculo de cargas
62
63
17.5 Anexo 5: Diseño de losa
64
65
66
17.6 Anexo 6: Factores de distribución
67
68
17.7 Anexo 7: Revisiones de sección compuesta
69
70
71
17.8 Anexo 8: Especificaciones para apoyos de neopreno
72
17.9 Anexo 9: Cálculos de apoyos
73
17.10 Anexo 10: Diseño de bastiones
74
75
76
77
78
79
80
81