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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJON, ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA T E S I N A QUE PARA OPTAR POR LA ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES PRESENTA EL ALUMNO ING. JUAN ROMÁN ESPÍNDOLA TUTOR PRINCIPAL Esp. en Puentes Alfredo P. Morales Netzahualcóyotl, FES ARAGÓN COTUTOR: Esp. en Mecánica de Suelos Roberto D. Hernández Islas, FES ARAGÓN Ciudad Nezahualcóyotl, Estado de México, septiembre de 2019 http://bibliotecacentral.unam.mx/tesisdigital.html UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 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Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 1 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Resumen La estructura que se analiza en esta Tesina es un falso túnel para Paso Superior Vehicular, caso particular un PSV tipo cajón de concreto armado, construido in situ para dos fines importantes, el primero es un paso vehicular para dar acceso a las “Grutas de Cantona” es un camino secundario que comunica al pueblo de Tepeyahualco con las ruinas de Cantona lugar turístico importante en el Estado de Puebla, y en segundo lugar es el Paso Superior de la Autopista Amozoc- Perote. La estructura tiene una longitud de 67 m de largo y se trata de sección cajón de 7.20 x 6.30m., con espesores promedio de 0.60 m. (pared y losa). Lo que motiva al estudio y análisis de este PSV es el comportamiento estructural ya que presenta una serie de agrietamientos importantes a lo largo de toda su estructura en muros y losa. Como hipótesis se supone un mal procedimiento constructivo y exceso de cargas, no consideradas de proyecto, además de deficiencias en el proyecto, supervisión y procedimientos de su construcción. El objetivo principal de esta Tesina es analizar y determinar cuáles fueron las posibles causas que dieron origen a esos agrietamientos que causan temor e incertidumbres a los habitantes que transitan por ese lugar. Por consiguiente, los temas de análisis para determinar el comportamiento de esta estructura se encuentran divididos en esta Tesina en 4 capítulos, de manera que, en el Capítulo 1. Se toman algunas consideraciones teóricas como la geotecnia, el análisis y diseño estructural, así como la conservación de puentes. En el capítulo 2. Se presentan los estudios previos antes de la reparación del PSV considerando los reportes de inspección y la descripción del problema que presenta. En el Capítulo 3. Se hace una evaluación geotécnica de la estructura mediante dos conceptos básicos la Capacidad de carga y Asentamientos y en el Capítulo 4. Se desarrolla una evaluación estructural tanto de la sección transversal como longitudinal. Asimismo se hace una comparativa de los resultados del análisis del proyecto de reparación (año 2013) con respecto a los datos obtenidos según la norma AASHTO (año 2019). Se concluye con una alternativa de mejora y conclusión general personal. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 2 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Presentación del proyecto y alcances REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJON, ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA Objetivo. El presente trabajo, aborda diversas áreas de la ingeniería básica mismas que se tomarán como herramienta para poder determinar las posibles causas que generan las fallas estructurales en el P.S.V. de manera integral ya que presenta agrietamiento en toda su estructura que ponen en riesgo la utilidad y operatividad, así como la seguridad misma de todos los usuarios que transitan por este lugar. Alcances del trabajo. Se abordará para la revisión de la estructura estudios de ingeniería básica; geotecnia (capacidad de carga y asentamientos), mecánica de suelos y análisis estructural, así como también con el apoyo de los manuales, la normatividad vigente, leyes y reglamentos. Justificación. Lo que me lleva a esta revisión es el poder determinar las posibles causas que dieron el origen de los agrietamientos en toda la estructura del PSV, para ello se revisa el proyecto ejecutivo y el proyecto del mantenimiento mayor realizado en el año 2013 así como con la información que se tiene de esta estructura. Se realiza una evaluación del funcionamiento estructural de manera integral con los correspondientes estudios geotécnicos y un análisis estructural de la sección transversal y longitudinal. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 3 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Índice Pag. Resumen………………………………………………………………………………………..……......... 1 Presentación del proyecto y alcances ………………………………………………………...….…. 2 Índice Introducción………………………………………………………………………………………....……… 7 1. Antecedentes…………………………………………………………………..……….... 7 2. Descripción de la estructura, ubicación y características generales………………. 9 Capítulo 1………………………………………………………………………………………….….…..... 11 Consideraciones Teóricas. 1.1 Geotecnia y Cimentaciones……………………………………………………..….… 12 1.1.1 Asentamientos y Capacidad de Carga……………………………………….. 12 1.1.2 Cimentaciones sobre rellenos………………………………………….…….. 15 1.2 Análisis y diseño de estructuras………………………………………….………….. 17 1.2.1 Análisis de vigas sobre medios elásticos……………………………..…….. 17 1.2.2 Flexión simple en vigas…………………………………………………..……. 19 1.2.3 Diseño de estructuras de concreto……………………………….………….. 20 1.3 Conservación de Estructuras……………………………………………….………... 23 1.3.1 Calificación de la estructura………………………………………….……….. 23 1.3.2 Evaluación de Capacidad de carga de la estructura…………………..…… 24 1.3.3 Proyecto de reparación y reforzamiento…………………………….………. 25 1.3.4 Técnicas de reparación de estructuras……………………………..……….. 27 Capítulo 2……………………………………………………………………………………………....…… 35 Análisis de estudios previos 2.1 Análisis de la situación estructural antes y posterior a la reparación…….……… 36 2.2 Reporte de inspección detallada. Año 2013………………………………….…….. 38 2.3 Proyecto de reparación, Año 2013……………………………………………..……. 43 Capítulo 3…………………………………………………………………………………………….…….. 47 Evaluación Geotécnica. 3.1 Metodología para evaluación del funcionamiento de la estructura…….………… 48 3.2 Localización…………………………………………………………………..………… 48 3.3 Tipo de suelo del lugar………………………………………………………….…….. 51 3.4 Estudios de geotecnia……………………………………………………….………... 52 3.4.1 Capacidad de carga………………………………………………….………... 52 3.4.2 Asentamientos……………………………………………………….…………. 58 3.4.3 Conclusiones………………………………………………………….………... 72 Capítulo 4………………………………………………………………………………………..….….…… 73 Evaluación estructural 4.1 Determinación de cargas en cajón según AASHTO…………………………..…… 75 4.1.1 Obtención de la carga vertical……………………………………………..….. 75 4.1.2 Carga de transferencia sobre el cajón (análisis de Carga Viva)….….……. 77 4.1.3 Reacción del terreno………………………………………………………..….. 78 4.1.4 Análisis de empuje lateralen muro del cajón……………………….………. 80 4.1.5 Presiones de agua………………………………………………….………….. 81 4.1.6 Análisis de efecto de cargas dinámicas………………………….………….. 81 4.2 Análisis longitudinal del canal…………………………………………….…….…….. 83 4.3 Comparativa con análisis de proyecto………………………………….…………… 90 Conclusiones………………………………………………………………………………….…..….……. 93 Bibliografía…………………………………………………………………………………….…………… 95 Anexos…………………………………………………………………………………………….…………. i Anexo 1 Revisión de la sección transversal del cajón…………………….…………..... ii Anexo 2 Análisis de seccionamiento del canal, alternativa de solución………………. viii Anexo 3 Secciones estructurales de proyecto (2006)…………………………….…….. x Anexo 4 Secciones estructurales para reparación del cajón (2013)……………….….. xiii Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 4 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Índice de figuras Pág. Figura 1 y 2 Sección transversal del cajón………………………………………..…………..…………. 9 Figura 3 Planta del cajón…………………………………………..…………………………….………… 10 Figura 4 Sección longitudinal del cajón……………..……………………………………….…………… 10 Figura 5 Falla general por corte………………………………………………………………………..…. 14 Figura 6 Falla local por corte de suelo………………………………………………………………..… 15 Figura 7 Falla de corte por punzonamiento……………………………………………….……..………. 15 Figura 8 Geometría de sección transversal……………………………………………………….…….. 36 Figura 9 Refuerzo de sección transversal………………………………………………………………. 36 Figura 10 Testigos para medición de grietas……………………………………………………………. 38 Figura 11 Pipetas colocadas en muros…………………………………………….….………………… 38 Figura 12 Colchón de relleno sobre el cajón…………………………………….……...…….………… 39 Figura 13 Rasante de la autopista………………………………………………….……………….……. 39 Figura 14 Sección longitudinal del cajón………………………………………….……………….…….. 39 Figura 15 Perfil longitudinal del cajón……………………………………………….……………….…… 40 Figura 16 Inyección de grietas en muro……………………………..…………………………….…….. 40 Figura 17 Espesor de extracción de núcleos de concreto………………………………….…………. 40 Figura 18 Croquis de elementos que componen el cajón……………………………….………….…. 41 Figura 19 Ubicación de grietas en muro 1……………………………………………………………….. 41 Figura 20 Ubicación de grietas en muro 2……………………………………………………………….. 41 Figura 21 Ubicación de grietas en piso del cajón……………………………………………………….. 42 Figura 22 Ubicación de fisuras en techo del cajón……………………………………………………… 42 Figura 23 Sección transversal del cajón con losa tapa..………………………………………..……… 43 Figura 24 Sección transversal del cajón sin losa tapa………………………………………………….. 43 Figura 25 Testigo de medición en grieta activa….…………..………………………………..……….. 44 Figura 26 Sección transversal de proyecto…………………………………………………...…………. 45 Figura 27 Croquis de sección longitudinal de proyecto...........................................……………….. 45 Figura 28 Reforzamiento de sección transversal…………………………………….………………… 46 Figura 29 Croquis de deformación de sección longitudinal……………………………………………. 46 Figura 30 Ubicación de cajón P.S.V…………………………………………………………………..…. 48 Figura 31 Ubicación de cajón P.S.V. en plano de curvas de nivel…………………………..….……. 49 Figura 32 Información geológica de la zona………………………………………………..…….…….. 51 Figura 33 Factores de capacidad de carga de Terzaghi……………………………………………….. 54 Figura 34 Sondeo de exploración no. 1…………………………………………………………….….… 55 Figura 35 Sección longitudinal de la estructura…………………………………………………………. 56 Figura 36 Perfil estratigráfico…………………………………………………………………..………… 57 Figura 37 Parámetros elásticos para varios tipos de suelos…………………………….………….. 58 Figura 38 Valores de influencia de suelos……………………………………………………...………. 58 Figura 39 Seccionamiento de cargas para análisis…………….........................…………………….. 60 Figura 40 Carta de Newmark…………………………………………………………………………..…. 62 Figura 41 Carta de Newmark incremento de esfuerzos en el centro de la cimentación...………… 63 Figura 42 Carta de Newmark incremento de esfuerzos en la esquina de la cimentación...……… 63 Figura 43 Círculos concéntricos para la construcción de la carta de Newmark……………….…… 65 Figura 44 Construcción de la carta de Newmark……………………………………………….……… 65 Figura 45 Ubicación de cartas de Newmark al centro de cimentación a lo largo del cajón P.S.V… 68 Figura 46 Sección longitudinal y transversal de la estructura………………………………………... 74 Figura 47 Geometría de la sección transversal de la estructura…………………………………...… 75 Figura 48 Aplicación de cargas en la sección transversal…………………………………….….…… 82 Figura 49 Cargas del terraplén sobre el cajón longitudinalmente…………………………….……… 84 Figura 50 Diagrama de momentos………………………………………………………………..…….. 85 Figura 51 Diagrama de Cortantes………………………………………………………………….……. 85 Figura 52 Diagrama de Deformación ……………………..……………………………………...…….. 85 Figura 53 Resumen de diagramas M, V, D…………………………………………………………….. 86 Figura 54 Cargas del terraplén sobre el cajón longitudinalmente……………………………………. 87 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 5 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Pág. Figura 55 Diagrama de Momentos…..…………………………………………………………….…….. 88 Figura 56 Diagramas de Cortantes………………………………………………………………………. 88 Figura 57 Diagrama de Deformación………………………………..…………………………………… 88 Figura 58 Resumen de diagramas M, V, D…………………………………………………………….. 89 Figura 59 Diagrama de momentos de sección de proyecto de reparación…..…………….………. 90 Figura 60 Diagrama de cortantes de sección de proyecto de reparación.………………..………… 90 Figura 61 Diagrama de deformaciones de sección de proyecto de reparación……….……..….…. 91 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 6 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Índice de tablas Pág. Tabla 1 Comparativa entre diseño elástico y plástico….…………………………………………… 20 Tabla 2 Niveles de calificación de puentes………………………………..…………………….…… 24 Tabla 3 Bajada de cargas…………………………………………………………..…………..……... 59 Tabla 4 Valores de R/z………………………………………………………………………….……… 64 Tabla 5 Cálculo de incremento de esfuerzos……………………………………………….……….. 70 Tabla 6 Valores de Mv Módulo de compresibilidad…………………………………….…………… 70 Tabla 7 Factor de presencia múltiple……………………………………………………….………… 77 Tabla 8 Cálculo de “Ks”, resistencia del suelo en (t/m3)…………………………………………… 84 Tabla 9 Cálculo de “Ks”, resistencia del suelo en (t/m)……………………………………………... 85 Tabla 10 Cálculo de “Ks”, resistencia del suelo en (t/m3)……………………………………..…… 87 Tabla 11 Cálculo de “Ks”, resistencia del suelo en (t/m)………………………………………..….. 88 Tabla 12 Cálculo y diseño de elementos losas y muros de acuerdo a AASTHO………….……. 91 Tabla 13 Análisis comparativo de resultados………………………….……………………….……. 92 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 7 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 INTRODUCCIÓN 1. Antecedentes El P.S.V. ubicado en el km 78+097 de la Autopista Amozoc-Perote se construyó aproximadamente hace 12 años, de concreto reforzado, tiene 67.00 m de largo, desplantado superficialmente. De acuerdo con una inspección detallada, misma que describe que a simple vista el cajón sufrió asentamientos importantes inmediatos máximos al momento que se colocó el terraplén sobre su losa superior, después de este evento se terminó de construir la autopista. Este Paso Superior Vehicular lo constituye una losa superior (losa tapa) de 70 cm de espesor, una losa inferior (losa de fondo) de 60 cm de espesor y dos muros laterales de 60 cm de espesor. Fue desplantado superficialmente, tiene un colchón aproximadamente de 11.40 m, para una cargaviva HS-20 en dos bandas de tránsito. Cabe mencionar que el camino secundario es para una banda de tránsito. Debido al asentamiento presentado se suscitaron una serie de grietas y fisuras tanto en muros como en la losa de inferior de la estructura. Los asentamientos importantes se presentaron en la zona central de la losa inferior, las grietas presentadas se aprecian en dirección perpendicular al eje longitudinal del cajón. Aproximadamente tiene 43 centímetros de desnivel al centro de la losa inferior con respecto a sus extremos, pareciera una curva vertical, por lo que se considera una altura diferencial fuerte e importante que requiere de una revisión del proyecto y a su vez proponer alternativas de solución para mitigar las fallas o deficiencias que impidan continúen presentándose asentamientos en la estructura. Desde un inicio, de acuerdo con la inspección detallada realizada los muros del cajón sufrieron agrietamientos debido al empuje del material colocado como colchón para alcanzar la rasante del camino de la ahora autopista, este colchón tiene de 11.40 m de altura. Los muros fueron tratados mediante un método de inyección de grietas, así mismo se colocaron testigos (marcas en los muros) para verificar la continuidad de estas o su disminución. La losa inferior del cajón o losa de fondo presenta agrietamientos que no han sido tratados, las grietas posiblemente pudieran atravesar la losa inferior de 60 cm de espesor. Sin embargo, a simple vista la losa superior no presenta grietas a pesar de que se le fue colocado el colchón de material de relleno. Debido a la presencia de grietas a lo largo de los muros, la población del lugar tiene la incertidumbre y el temor de que llegara a fallar la estructura y manifiestan esta inseguridad al pasar por este puente. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 8 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Uno de los motivos de este estudio y análisis, es determinar una alternativa de solución que pueda regresar el estado de seguridad a la gente que habita en este lugar, ya que es un paso importante de comunicación entre la población de las Grutas de Cantona y el poblado de Tepeyahualco Puebla, así como también la importancia de conocer y profundizar sobre la problemática que presenta este puente y recomendar el mantenimiento mayor necesario que este requiere. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 9 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 2. Descripción de la estructura, ubicación y características generales El P.S.V. ubicado en el km 78+097 de la Autopista Amozoc-Perote es una estructura tipo cajón de concreto reforzado, tiene 67.00 m de largo y una sección transversal de 7.20 m de ancho por 6.30 m de alto desplantado al parecer superficialmente, soporta un colchón de relleno de aproximadamente 11.40 m de altura (terraplén). Figura 1 Sección transversal del cajón Figura 2 Sección transversal del cajón Se encuentra localizado geográficamente entre el paralelo 19° 30´ 01.18” de latitud norte; meridiano 97° 30´49.52” de longitud oeste y altitud de 2381 m.s.n.m. Colinda al noreste con el poblado de Cantona y al suroeste con el poblado de Tepeyahualco. Esta estructura se construye para dos fines importantes, el primero para el cruce de la Autopista Amozoc-Perote, que sirve como ruta más corta y segura entre la Ciudad de México y la región central del país con el Puerto de Veracruz en el Golfo de México, punto de salida y llegada de las mercancías en el intercambio comercial con Europa y puerto estratégico en el desarrollo de corredores para el comercio marítimo con Norteamérica y en segundo para comunicar al pueblo de Tepeyahualco con las ruinas de Cantona cruce también importante y necesario de comunicación tanto para las los habitantes del lugar como a los turistas que deciden visitar las ruinas de Cantona. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 10 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 3 Planta del cajón Figura 4 Sección longitudinal del cajón Cantona Tepeyahualco Perote Puebla Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 11 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Capítulo 1 CONSIDERACIONES TEÓRICAS Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 12 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.1 Geotecnia y cimentaciones 1.1.1 Asentamientos y Capacidad de Carga Posiblemente el problema más grave que entraña un suelo de cimentación fino y compresible es el que se refiere a los asentamientos que en él pueden producirse al recibir las sobrecarga que representan los terraplenes. Dichos asentamientos causan: pérdida de bombeo, aparición de asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal, disminución de la altura del terraplén, perjuicios en el comportamiento de obras de drenaje menor, agrietamientos en la corona del terraplén y pérdida de la apropiada transición entre los terraplenes de acceso y las estructuras cuando estas se encuentran cimentadas, por ejemplo en pilotes de punta no participan del asentamiento general. En México no es raro encontrar regiones en que los asentamientos en el terreno de cimentación desempeñan un papel tan importante que todo el diseño de obra vial, incluyendo la posibilidad de un cambio de trazo. En lo que se refiere de manera particular al cálculo de asentamientos que ocurre en un suelo de cimentación compresible bajo la carga de un terraplén, es requisito fundamental el conocimiento de la variación del ΔP con la profundidad, siendo el ΔP la sobrecarga comunicada al terreno de cimentación por el terraplén, bajo el supuesto de que antes de colocar éste, el terreno de cimentación estaba consolidado únicamente bajo su peso propio (P0). El problema de asentamientos tiene dos elementos: 1) La evaluación de la cantidad de asentamiento y 2) la velocidad y el tiempo para llegar a este valor de asentamiento. Cuando el suelo está sujeto a un esfuerzo debido a una cimentación cargada, hay tres tipos de asentamientos: Elástico; consolidación primaria y consolidación secundaria. Asentamiento Elástico o Inmediato. La compresión ocurre de inmediato después de la aplicación de la carga. Movimiento vertical debido a la deformación (vertical) elástica del medio poroso. En este tipo de asentamiento la deformación elástica vertical es preeminente a otra deformación (eje horizontal). Asentamiento por Consolidación Primaria (en suelos saturados). El incremento de carga, debido a la compresión y deformación elástica, crea un incremento de presión hidrostática en el medio poroso. Esto excede de presión de poro puede reducirse en el tiempo debido a la expulsión gradual de agua. La expulsión de agua produce un cambio de volumen que es dependiente del tiempo. Asentamiento por Consolidación Secundaria. En esta fase la consolidación continúa lentamente después de que se ha disipado prácticamente las sobrepresiones intersticiales. Realmente han de existir pequeñas sobrepresiones Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 13 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 intersticiales durante la consolidación secundaria para que el agua escape del suelo. Sin embargo, la consolidación secundaria se produce muy lentamente y lavelocidad de flujo es muy pequeña. De aquí que las sobrepresiones con ella asociadas son inapreciables. El asentamiento total de una cimentación es la suma de los asentamientos elásticos y por consolidación. La Capacidad de Carga en suelos En el libro Fundamentos de Ingeniería geotecnia de Braja M. Das. Se establece que “La carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte en el suelo se llama Capacidad de Carga Última”. Se refiere a la capacidad que tiene un suelo de soportar una estructura y las presiones que ésta genere. Para obtener este valor, se determina primero la denominada capacidad de carga última, la cual es la carga por unidad de área que ocasionaría falla por cortante en el suelo. Después de determinar la capacidad de carga última se puede calcular la capacidad de carga admisible, al dividirla entre un factor de seguridad que varía entre 1.5 y 3. Para comportarse satisfactoriamente, las cimentaciones superficiales deben tener dos características principales: 1. La cimentación debe ser segura contra una falla por corte general del suelo que lo soporta y 2. La cimentación no debe experimentar un desplazamiento excesivo, es decir, un asentamiento excesivo. (El término excesivo es relativo, porque el grado de asentamiento permisible en una estructura depende de varias consideraciones). Capacidad de Carga última. Es el valor de la presión de contacto entre la cimentación y el suelo que producirá falla por resistencia del terreno de apoyo. Capacidad de Carga Segura. Es el valor máximo de presión de contacto que puede aplicarse al terreno de apoyo sin llegar al punto de falla del terreno. El valor se obtiene de dividir la capacidad última por un factor de seguridad. Capacidad de Carga Admisible. Es la presión máxima neta admisible que puede aplicarse al terreno para los efectos de resistencia y deformación. Factores que intervienen en la Capacidad de Carga • Propiedades geotécnicas: Cohesión Ángulo de fricción Peso volumétrico Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 14 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 • Otros: Geometría de la cimentación Posición del nivel de aguas freáticas Profundidad de la socavación Nivel de desplante Cuando una cimentación descansa en un suelo arena densa o suelo cohesivo firme con un ancho B y si la carga se aplica gradualmente a la cimentación, el asentamiento se incrementará. En cierto punto cuando la carga por unidad de área es igual a qu, tendrá lugar una falla repentina en el suelo que soporta la cimentación y la zona de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno. Esta carga por unidad de área, qu, se denomina generalmente capacidad de carga última de la cimentación. Cuando este tipo de falla repentina tiene lugar en el suelo, se denomina falla general por corte, fig. 5 Figura 5 Falla general por corte Si la cimentación descansa en un suelo arenoso o arcilloso medianamente compactado, un incremento de carga sobre la cimentación también será acompañado por un aumento de asentamiento. En este caso la superficie de falla en el suelo se extenderá gradualmente hacia afuera de la cimentación como muestran las líneas continuas de la figura. Cuando la carga por área unitaria sobre la cimentación es iguala qu(1), el movimiento estará acompañado por sacudidas repentinas. Se requiere entonces un movimiento considerable de la cimentación para que la zona de falla en el suelo se extienda hasta la superficie del terreno como lo muestra la línea discontinua de la figura. Esta carga qu(1) se denomina carga primera falla. Un valor máximo de “q” no se presenta en este tipo de falla llamada falla local por corte de suelo, fig. 6. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 15 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 6 Falla local por corte de suelo Si la cimentación es soportada por un suelo bastante suelto, en este caso, la zona de falla en el suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno, este tipo de falla en suelos se denomina falla de corte por punzonamiento fig. 7. Figura 7 Falla de corte por punzonamiento Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría completa para evaluar la capacidad de carga última de las cimentaciones superficiales. De acuerdo con esta, una cimentación es superficial si la profundidad, Df, de la cimentación es menor o igual que el ancho de la misma. Sin embargo, investigadores posteriores sugieren que cimentaciones con Df igual a 3 ó 4 veces el ancho de la cimentación pueden ser definidas como cimentaciones superficiales. 1.1.2 Cimentaciones sobre rellenos Se analiza este concepto ya que el cajón fue desplantado sobre relleno de material producto de corte y despalme. Esta clase de terrenos, realizados siempre por intervención humana, se comporta de forma parecida al terreno vegetal. Por la gran reducción de huecos que sufre en el transcurso del tiempo, al irse ocupando los huecos grandes con los áridos que de las partes superiores van arrastrando las aguas, y por su falta de homogeneidad, sufren asientos grandes y desiguales, siendo necesario, por ello, profundizar las cimentaciones hasta que alcancen el terreno natural. El relleno se Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 16 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 reconoce con facilidad porque en él se encuentran restos de mampostería, mortero, otros restos de obras, o bien cenizas u otros residuos de materia orgánica, según su origen sea de demoliciones o de residuos urbanos. Su estratificación “caprichosa” o irregular es, asimismo, inconfundible. Es posible que en algunos casos no se pueda identificar el relleno, en el caso de terrenos terraplenados, en ese caso debe apelarse a los especialistas en mecánica de suelos para conocer el nivel del terreno natural y su resistencia. En ningún caso será aceptable cimentar sobre rellenos naturales o artificiales que no hayan sido colocados en condiciones controladas o estabilizados. Será aceptable cimentar sobre terraplenes de suelos no orgánicos compactados, siempre que estos hayan sido construidos por capas de espesor no mayor de 30 cm, con control del contenido de agua y del peso volumétrico seco en las condiciones marcadas por el estudio de mecánica de suelos. La construcción de terraplenes con suelos estabilizados con cemento u otro cementante deberá basarse en pruebas mecánicas y de intemperización realizadas en el laboratorio. Estas pruebas deberán permitir definir los porcentajes de cementante requerido así como las condiciones de colocación y compactación. Las características de los materiales colocados en la obra deberán ser verificadas por muestreo y/o pruebas de campo en el sitio. Las propiedades del material estabilizado deberán ser suficientes para garantizar la estabilidad del terraplén y de las cimentaciones que descansen sobre él a corto y a largo plazo, aun bajo el efecto de infiltraciones de agua y de otros agentes de intemperización. Al cimentar sobre rellenos controlados, deberán revisarse los estados límites de servicio y de falla de la cimentación del terraplén, del terraplén mismo y de la propia cimentación, con base en los criterios definidos en las presentes Normas. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 17 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.2 Análisis y diseño de estructuras 1.2.1 Análisis de vigas sobre medios elásticosMétodo de Balasto (Módulus of Subgrade Reaction) Método del Balasto, de Winkler o de viga sobre apoyos elásticos Uno de los métodos de cálculo más utilizado para modelizar la interacción entre estructuras de cimentación y terreno es el que supone el suelo equivalente a un número infinito de resortes elásticos -muelles o bielas biarticuladas- cuya rigidez, denominada módulo o coeficiente de balasto (Ks), se corresponde con el cociente entre la presión de contacto (q) y el desplazamiento en su caso asiento (δ): ks=q/δ La solución más antigua y sencilla corresponde al modelo de Winkler (1867) que supone que el asiento o deflexión del terreno w en un punto cualquiera de la superficie cargada es proporcional a la presión q cargada aplicada en ese punto, e independiente de las presiones aplicadas en los demás puntos. La aplicación de la teoría del módulo de balasto ha ganado aceptación en los últimos tiempos, dado que permite una fácil asimilación de la interacción suelo- estructura por los métodos matriciales de cálculo, a través de ellos se puede realizar una aproximación del método tan precisa como deseemos al caso de vigas o losas sobre fundación elástica. En la práctica habitual del cálculo de cimentaciones veremos aplicar la teoría de Winkler al cálculo de elementos tales como vigas flotantes o de cimentación y losas de cimentación que trabajan sobre un corte horizontal de terreno. Se habla, por tanto, de módulo de balasto vertical y de módulo de balasto horizontal, si bien el concepto es el mismo. La ecuación diferencial que gobierna el comportamiento de la clásica solución de viga flotante o viga sobre fundación elástica (BEAM ON ELASTIC FOUNTATION) y que, por tanto, es el resultado de suponer la viga discretizada en infinitas barras de longitud diferencial con nudos en sus extremos, es la siguiente: Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 18 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 p - k.w(x)= (E.I) d4w/dx4 Siendo: W (x): Asiento de la viga [m] x: Coordenada [m] k: Módulo de balasto [kN/m3] p: Carga por unidad de longitud [kN/m] E: Módulo de elasticidad de la losa [kN/m2] I: Inercia de la viga respecto al eje que pasa por su centro de gravedad [m4] En el caso de la losa la ecuación tiene una forma parecida: d4w/dx4 + 2 d4/dx2dy2 + d4w/dy4 + (k . w - p) 12(1-v2)/(E.t3) = 0, Siendo: W (x,y): Asiento de la losa [m] x, y: Coordenadas [m] k: Módulo de balasto [kN/m3] q: Carga por unidad de área [kN/m2] v: Coeficiente de Poisson [-] E: Módulo de elasticidad de la losa [kN/m2] t: Espesor de la losa [m] Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 19 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.2.2 Flexión simple en vigas Son frecuentes los elementos estructurales sujetos a flexión tales como vigas o losas que trabajan en una sola dirección. Generalmente la flexión se presenta acompañada de fuerza cortante. Sin embargo, la resistencia a flexión puede estimarse con suficiente precisión despreciando el efecto de la fuerza cortante. En una viga de concreto reforzada con solo acero de tensión, al momento de aplicarle una carga, el comportamiento de la pieza es elástico. Cuando la tensión en la fibra más esforzada excede la resistencia del concreto a la tensión, empiezan a aparecer grietas, a medida que incrementa la carga, estas grietas aumentan en número, en longitud y en abertura. A partir de la aparición de las primeras grietas, el comportamiento del espécimen ya no es elástico y las deflexiones ya no son proporcionales a las cargas. En las regiones agrietadas el acero toma toda la tensión. En esta etapa, el esfuerzo en el acero aumenta hasta que alcanza su valor de fluencia. Desde el momento que el acero empieza a fluir, la deflexión crece en forma considerable sin que apenas aumente la carga. Los primeros síntomas de la fluencia del acero son un incremento notable en la abertura y longitud de las grietas. A medida que incrementa la longitud de las grietas, la zona de compresión se va reduciendo hasta que el concreto en esta zona es incapaz de tomar la compresión y se aplasta. El primer indicio de aplastamiento es el desprendimiento de escamas en la zona de compresión. Cuando esto ocurre, la carga disminuye con mayor o menor rapidez dependiendo del sistema de aplicación de la carga, hasta que se produce el colapso final. Según la cantidad de acero longitudinal con que está reforzada la pieza, éste puede fluir o no antes de que se alcance la carga máxima. Cuando el acero fluye el comportamiento del miembro es dúctil. En este caso se dice que el elemento es subreforzado. Por otra parte, si la cantidad de acero longitudinal de tensión es grande, este no fluye antes del aplastamiento y se dice entonces que el elemento es sobrereforzado. Puede suceder que el elemento alcance su resistencia precisamente cuando el acero empieza a fluir. En este caso se dice que el elemento es balanceado. Otro aspecto importante del comportamiento de elementos sujetos a flexión simple es la distribución de deformaciones en el peralte. En una sección normal al eje de la pieza, la distribución de deformaciones longitudinales es aproximadamente lineal para casi todos los niveles de carga. Normalmente se miden deformaciones en el concreto, en la zona de compresión, y en el acero. La presencia de grietas dificulta la medición de deformaciones en el concreto en la zona de tensión. Se ha comprobado que las deformaciones del concreto en tensión y del acero colocado al mismo nivel coinciden sensiblemente si se usan barras con corrugación adecuada para garantizar la adherencia entre concreto y acero. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 20 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.2.3 Diseño de estructuras de concreto Existen dos teorías para el diseño de estructuras de concreto reforzado: La teoría elástica llamada también Diseño por esfuerzos de trabajo y la teoría plástica ó Diseño a la ruptura. Comparativo general de Diseño Elástico vs. Diseño Plástico Diseño Elástico Diseño Plástico Rango lineal de esfuerzos Rango no-lineal de esfuerzos Secciones más robustas Secciones más esbeltas Diseño anti-económico Diseño razonablemente económico Menor control de mecanismos de falla Mejor control de mecanismos de falla Combinaciones de carga (viva + muerta) sin factores (estadísticos) de variabilidad Mejor representación de las combinaciones de carga Tabla 1. Comparativo entre el diseño Elástico y plástico La teoría elástica es ideal para calcular los esfuerzos y deformaciones que se presentan en una estructura de concreto bajo las cargas de servicio. Sin embargo esta teoría es incapaz de predecir la resistencia última de la estructura con el fin de determinar la intensidad de las cargas que provocan la ruptura y así poder asignar coeficientes de seguridad, ya que la hipótesis de proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones es completamente errónea en la vecindad de la falla de la estructura. La teoría plástica es un método para calcular y diseñar secciones de concreto reforzado fundado en las experiencias y teorías correspondientes al estado de ruptura de las teorías consideradas. Ventajas del diseño plástico 1. En la proximidad del fenómeno de ruptura, los esfuerzos no son proporcionales a las deformaciones unitarias, si se aplica la teoría elástica, esto llevaría errores hasta de un 50% al calcular los momentos resistentes últimos de una sección. En cambio, si se aplica la teoría plástica, obtenemos valores muy aproximados a los reales obtenidos en el laboratorio. 2. La cargamuerta en una estructura, generalmente es una cantidad invariable y bien definida, en cambio la carga viva puede variar más allá del control previsible. En la teoría plástica, se asignan diferentes factores de seguridad a ambas cargas tomando en cuenta sus características principales. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 21 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3. En el cálculo del concreto presforzado se hace necesario la aplicación del diseño plástico, porque bajo cargas de gran intensidad, los esfuerzos no son proporcionales a las deformaciones. Hipótesis del diseño plástico Para el diseño de los miembros sujetos a carga axial, cortante y momento flexionante, cumpliendo con las condiciones aplicables de equilibrio y compatibilidad de deformaciones, las hipótesis son: A) Las deformaciones unitarias en el concreto se supondrán directamente proporcionales a su distancia del eje neutro. Excepto en los anclajes, la deformación unitaria de la varilla de refuerzo se supondrá igual a la deformación unitaria del concreto en el mismo punto. B) La deformación unitaria máxima en la fibra de compresión extrema se supondrá igual a 0.003 en la ruptura. C) El esfuerzo en las varillas, inferior al límite elástico aparente Fy, debe tomarse igual al producto de 2.083 x 106 kg/cm2 por la deformación unitaria de acero. Para deformaciones mayores que corresponden al límite elástico aparente, el esfuerzo en las barras debe considerarse independientemente de la deformación igual el límite elástico aparente Fy. D) Se desprecia la tensión en el concreto en secciones sujetas a flexión. E) En la ruptura, los esfuerzos en el concreto no son proporcionales a las deformaciones unitarias. El diagrama de los esfuerzos de compresión puede suponerse rectangular, trapezoidal, parabólico, o de cualquier otra forma cuyos resultados concuerden con las pruebas de los laboratorios. F) La hipótesis anterior puede considerarse satisfecha para una distribución rectangular de esfuerzos definida como sigue: En la ruptura se puede suponer un esfuerzo de 0.85 f’c, uniformemente distribuido sobre una zona equivalente de compresión, limitada por los bordes de la sección transversal y una línea recta, paralela al eje neutro y localizada a una distancia a = ß1 c a partir de la fibra de máxima deformación unitaria en compresión y el eje neutro, se medirá perpendicularmente a dicho eje. El coeficiente “ß1” se tomará como 0.85 para esfuerzos f’c de hasta 280 kg/cm2 y se reducirá continuamente en una proporción de 0.05 por cada 70 kg/cm2 de esfuerzo en exceso de los 280 kg/cm2. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 22 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Análisis de las hipótesis La hipótesis (A), acepta la variación lineal de las deformaciones unitarias. Lo cual es cierto, excepto en la vecindad de la ruptura, pero las diferencias son muy pequeñas y no son dignas de tomarse en cuenta. En cuanto a la deformación unitaria de las varillas de refuerzo es igual a la del concreto en el mismo punto, es indispensable para el trabajo conjunto del acero de refuerzo y el concreto. La hipótesis (B), señala la ruptura del concreto, la deformación unitaria 0.003 cuyo valor concuerda con el promedio de los datos obtenidos en el laboratorio, resultando ligeramente conservador. La hipótesis (C), se fundamenta en el diagrama esfuerzo-deformación de los aceros de refuerzo, y, para deformaciones mayores que las correspondientes al límite elástico aparente debe considerarse el esfuerzo en las varillas, independiente e igual a “Fy” porque se encuentran dichas deformaciones en la zona plástica del diagrama, el cual puede considerarse horizontal sin mucho error. La hipótesis (D), desprecia la resistencia a la tensión del concreto, en miembros sujetos a flexión. El error que con ello se comete es muy pequeño y permite establecer fórmulas mucho más sencillas que si se considera dicha resistencia. La hipótesis (F), se basa en una solución presentada en 1937 por Charles S. Whitney y tiene la ventaja de proporcionar un método muy sencillo de análisis de las cuñas de esfuerzos de compresión. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 23 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.3 Conservación de estructuras 1.3.1 Calificación de la estructura Mediante un programa de inspecciones sistemáticas se obtendrán los datos necesarios para la detección y evaluación de daños, así como para la toma de decisiones sobre mantenimiento, reparación, refuerzo o sustitución de los puentes. En las inspecciones deberán considerarse únicamente los daños graves, tales como: socavación, grietas y asentamientos de la subestructura, daños en dispositivos de apoyo, grietas en la superestructura, flechas, desplomes y hundimientos, golpes, daños en juntas de dilatación y corrosión. El sistema SIAP sugiere que se realicen dos tipos de inspecciones, una de evaluación y otra detallada. Inspección de evaluación Debe realizarse por personal especializado en puentes y adiestrado para la identificación y evaluación de daños. La brigada de inspección debe estar formada por lo menos por tres técnicos y uno de ellos debe ser ingeniero. El personal contará con un equipo mínimo y la inspección será fundamentalmente visual. La época más recomendable para realizar esta inspección es al término de la temporada de lluvias, cuando la disminución de los niveles de agua facilita el acceso bajo las obras y cuando están frescos los indicios de socavación, principal causa de colapsos. Al término de la inspección de evaluación, el jefe de la brigada procederá a una calificación global de la obra en virtud de la escasez de información y de la superficialidad de la inspección, no es posible adoptar un sistema cuantitativo sofisticado de calificación, por lo que en forma práctica se recomienda que la superestructura, subestructura, superficie de rodamiento y cimentación (socavación), se califiquen en alguno de los niveles mostrados, se deberá asignar una calificación a cada concepto, es decir una sola calificación para la subestructura, otra para la superestructura, otra para la superficie de rodamiento y otra para la cimentación. Para la ejecución de estas inspecciones se recomienda utilizar las siguientes publicaciones de apoyo: • Catálogo de deterioros, el cual servirá para ayudar en la calificación del puente • Formato para la inspección del puente, el cual estará de acuerdo con el sistema de cómputo y servirá para proporcionar fichas de captura Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 24 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 • Guía para la Inspección y Conservación de puentes. Esta es una publicación que tiene la SCT, que es traducción de una publicación de la AASHTO. Niveles para la calificación de puentes Nivel Descripción 5 Condición excelente 4 Condición buena 3 Condición aceptable 2 Condición regular 1 Condición mala o defectuosa 0 Condición de falla Tabla 2. Niveles de calificación de puentes Inspección detallada Debe realizarse en aquellos puentes que hayan tenido una calificación inferior a 3 durante la inspección de evaluación. Esta segunda inspección la realizará personal especializado en puentes, procedente de oficinas centrales o regionales y tendrá como objetivo ratificar o rectificar la calificación preliminar. Para ello deberá contarse con equipos que permitan el acceso a todas las partes del puente y la medición cuantitativa de las respuestas dela estructura con precisión suficiente. Entre las actividades a realizar se incluyen el levantamiento geométrico de la estructura, la determinación de la naturaleza y la extensión de los daños y la realización de diversos estudios que permitan determinar la causa y mecanismo de propagación de los daños; para lo cual es necesario utilizar equipos desarrollados por la tecnología mundial para la observación de obras. Dada la extensión y complejidad de estos trabajos y el alto grado de responsabilidad profesional que implican, es recomendable que se realicen con el apoyo de empresas especializadas en consultoría, contratadas para este efecto. 1.3.2 Evaluación de capacidad de carga de la estructura La capacidad de carga se entiende como la máxima carga a la que el puente puede ser sometido sin afectarlo estructuralmente. En el SIAP se utiliza el peso total del vehículo de diseño a menos que se calcule otro valor utilizando un procedimiento más refinado. Para definir los niveles de servicio para la capacidad de carga es necesario establecer el peso de los vehículos que circulan por la red carretera. En el reglamento reciente sobre pesos y dimensiones, el peso bruto vehicular permitido se da en función del daño a pavimentos y a puentes, y con base a estos y en los Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 25 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 estudios sobre pesos y dimensiones que realiza el instituto SIAP se definieron los valores aceptable y deseable para el sistema. La evaluación del puente debe incluir dos aspectos; por un lado, evaluar sus características resistentes actuales y previsibles en un futuro próximo y, por otro, que señale cuáles son sus características funcionales, destacando el tipo de trazo en que está inscrito el puente, su ancho de calzada, su galibo y su sección hidráulica entre otros. Estas propiedades de resistencia y funcionalidad deben de compararse con las características mínimas aceptables o deseables que debe tener un puente para que cumplan su función dentro de la red vial. Para obtener la capacidad resistente de un puente existen dos procedimientos; el primero, consistente en la elaboración de un análisis estructural utilizando un modelo de lo más apegado a la geometría del puente. Un problema que se presenta en este procedimiento es la determinación de los parámetros de rigidez y resistencia para el nivel de deterioro que tenga el puente. El segundo procedimiento consiste en obtener las características dinámicas (modos de vibración, amortiguamiento y frecuencias) reales a partir de la medición de vibraciones. Estas técnicas se están utilizando cada vez más, ya que constituyen un procedimiento más confiable de evaluación estructural y, además, los procedimientos y equipos necesarios son cada vez más sencillos. En este sistema se deja abierta la posibilidad de que en el futuro la capacidad resistente se obtenga mediante la medición de vibradores; por ahora este aspecto solo se manejará mediante una calificación de la condición estructural que se otorgue a las diferentes partes del puente. En lo que se refiere a la evaluación de los aspectos funcionales, ésta se hará comparando los datos actuales de ancho y gálibos con los definidos como mínimos deseables o aceptables en los niveles de servicios. 1.3.3 Proyecto de reparación y reforzamiento La necesidad de reparar o reforzar una determinada estructura, restaurando su seguridad y aumentando su durabilidad (vida útil), se ha convertido en una actividad cada vez más común por una serie de razones: estructuras cada vez más esbeltas, solicitaciones más intensas, ambientes más agresivos, mayor conciencia y conocimiento por parte de los responsables del mantenimiento de las estructuras, recuperación o aumento del valor del inmueble, dificultades para demoler y reconstruir, cambios en el uso de la obra y otros. Cuando se promueve un proyecto de reparación y/o reforzamiento a una estructura, es porque ha fallado para el fin a la que fue creada, esto debido a un Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 26 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 mal diseño, a un mal análisis y cálculo estructural, mala calidad en los materiales a utilizar, desconocimiento de procesos constructivos y a la falta de supervisión en su construcción Los proyectos de reparación y de reforzamiento deben de tener objetivos y metas bien enfocadas y sustentadas con un buen análisis de investigación, inspecciones definidas y un dictamen que permita valorar si en verdad vale la pena llevar a cabo dicha reparación o reforzamiento. El poner en la mesa toda la información obtenida valorar que tan factible sería llevar a cabo dicho proyecto soportado también con un estudio económico, es poner en la balanza si es conveniente la inversión y sobre todo valorar la seguridad integral de los usuarios que transitan sobre ellas El reforzamiento de estructuras El reforzamiento de estructuras está dirigido a incrementar la capacidad de carga y de servicio de una estructura. Se realiza cuando existen nuevas solicitaciones como errores en el diseño o defectuosa mano de obra durante el proceso constructivo. ¿Por qué reforzar? • Actualización a nuevos reglamentos • Cambio de uso resultante en incremento de cargas • Diseño inadecuado • Errores y defectos en la construcción • Daños estructurales por eventos accidentales (sismos) • Corrosión en el acero de refuerzo • Eliminación total o parcial de elementos estructurales existentes. Reparación de Estructuras Las estructuras dañadas por efectos del sismo deben ser evaluadas y reparadas de tal manera que se corrijan los posibles defectos estructurales que provocaron la falla y recuperen la capacidad de resistir un nuevo evento sísmico, acorde con los objetivos del diseño sismoresistente. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 27 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 1.3.4 Técnicas de reparación de estructuras a) Mejoramiento de Suelo de cimentación mediante inyección de lechada Para mejorar las características de un suelo, uno de los métodos o técnicas tradicionales utilizadas para el mejoramiento de algunos suelos es mediante la inyección de lechadas cuya mezcla de inyección depende de las características del suelo: Mezclas de inyección Tipo de suelo Tratamiento Depósitos de grava y arena Se puede emplear lechada de cemento y bentonita Arenas de granulometría media a fina Se emplean con mejores resultados silicatos de sodio adicionados con un reactivo Las arenas limosas y limos Se tratan con resinas orgánicas Procedimiento alternativo con uso de Tubo Manguito El método consiste en un tubo de hierro negro de 50 a 60 mm de diámetro, el cual tiene cuatro perforaciones distribuidos a 90° en una misma sección. Cada grupo de agujeros está cubierto por un manguito o banda de hule que actúa como válvula, de tal manera que el mortero de inyección puede salir del tubo, pero no entrar en él. Mientras se retira el ademe provisional de la perforación, se rellénale espacio anular que queda entre el terreno y el tubo de manguito. Para ello se emplea una lechada estable de cemento denominada Vaina que al fraguar constituye un recubrimiento que permite la adherencia del tubo de manguito al terreno. La proporción de la Vaina, ajustada en el campo, debe ser inicialmente agua-cemento 2.5:1, más 20% de Bentonita (respecto al peso del cemento). Proceso de inyección 1. Se coloca el doble obturador a la altura del manguito, se introduce el mortero al terreno por medio de bomba de inyección2. Progresiones ascendentes de 30 o 50 cm 3. Separación entre perforaciones de 2 a 3 m 4. La inyección se efectúa a cada 2 m de separación, inyectando primero las líneas nones y posteriormente las líneas pares Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 28 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 5. La inyección se efectúa introduciendo al terreno el volumen de mezcla previamente determinado (por ejemplo 1 a 2 m3 por metro de perforación) 6. La inyección se hará iniciando a 50 cm del terreno natural. b) Reparación Estructural Inyección de grietas La inyección de fisuras y grietas con resinas epóxicas tiene por objeto recuperar el monolitismo de las estructuras, gracias a las propiedades de adherencia y resistencia de estos materiales; las inyecciones son aplicables a grietas sin movimiento. Siempre es necesario verificar con extracción de testigos la penetración real de la resina. Inyección gravitacional Alcance: Elementos horizontales (losas) con grietas de aberturas superiores a 1 mm. Procedimiento: Limpieza con aire comprimido, sello en la cara inferior con masilla epóxica, ejecución de diques laterales con yeso o masilla en la cara superior; vaciar un sistema epóxico de viscosidad inferior a 200 cps para que fluya por gravedad al interior de la grieta. Inyección a presión Alcance: Inyección de grietas y fisuras en cualquier posición. Para la inyección de grietas finas (<1 mm) y particularmente en el caso de fisuras (<0.5 mm) se deben emplear exclusivamente sistemas epóxicos de viscosidades inferiores a 200 cps. Procedimiento: Limpieza, sellado superficial de la grieta con masilla epóxica, colocación de boquillas, inyección partiendo de las boquillas inferiores y avance hacia arriba a medida que la inyección progresa. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 29 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Equipo manual: Se utilizan sistemas epóxicos de muy baja viscosidad y aplicación con pistolas de calafateo. Equipo neumático: Se emplean equipos neumáticos con presión de aire comprimido de 2 a 7 kg/cm2. Equipo de mezcla en punta: Dosificación de los componentes a la salida del equipo, aplicación de altas presiones (hasta 14 kg/cm2) se emplean resinas con viscosidades bajas. Conectores de Cortante para entrepisos metálicos El conector de cortante es un elemento de acero encargado de transferir los esfuerzos entre el concreto y el acero en estructuras de sección compuesta. El conector se suelda a elementos de acero y queda embebido en el concreto creando un fuerte vínculo entre los dos elementos. Este vínculo permite que los dos materiales trabajen como una unidad para reducir las deformaciones y resistir de manera solidaria las cargas que se le imponen al conjunto. Otros ejemplos de construcción compuesta son las losas con láminas colaborantes, tubulares rellenos de concreto y vigas o columnas revestidas con concreto. Ventajas de la construcción compuesta • El concreto actúa junto con el acero para desarrollar una estructura más rígida y liviana. • Reducción en el peso de la estructura (hasta un 30%) • Reducción en los costos de la cimentación • Reducción de deflexiones por cargas vivas y muertas • Vigas de menor altura que pueden reducir la altura de la edificación • Posibilidad de aumentar las luces entre apoyos Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 30 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 • Entre pisos más rígidos • Mayor resistencia la corrosión y fuego. Desventajas de la construcción compuesta • Aumento de los costos de obra al requerir un subcontratista de instalación de conectores • Se requiere incluir una labor adicional en el programa de ejecución de obras • Se necesita un subcontratista con experiencia y mano de obra calificada en la construcción de sistemas compuestos • Altos requerimientos de energía en obra. Conectores de cortante tipo canal La instalación de conectores tipo canal se realiza aplicando un cordón de soldadura tipo filete alrededor de las partes. La instalación con equipo de soldadura convencional: • Es un proceso lento • Rendimiento aproximado de instalación está entre 15 y 20 conectores hora. (aprox. 160 conectores al día). Conectores de cortante tipo espigo Alternativa 1: Instalados como pernos auto-soldables Proceso y equipo de instalación de conectores auto-soldables: 1) Conector y férula cerámica 2) Pistola aplicadora 3) Proceso de fundición del perno sobre la viga y a través del tablero metálico 4) Equipo de soldadura conectado a la pistola 5) Pernos instalados 6) Losa lista para el vaciado del concreto. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 31 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Requerimientos energéticos La obra suministra la energía mediante un punto trifásico a 220V donde se pueda instalar un breaker o totalizador de 200 amperios y que no se encuentre a una distancia mayor de 50 metros. Requerimientos energéticos (planta eléctrica 150 KVA) Alternativa 2: Instalados con soldadura de filete Según AWS D.1.1 – 7.5.5: • Tamaños mínimos de soldadura según tabla 7.2 • Se deben utilizar electrodos low-hydrogen de 5/32’’ o 3/16’ c) Reforzamiento estructural Encamisado de concreto reforzado Se utiliza cuando el elemento está muy dañado y requiere una mayor capacidad resistente, aumentando para ello su sección transversal mediante elementos que rodean al anterior. Debido al aumento en la sección de la columna, la resistencia axial, flexión y cortante, se incrementan. El encamisado no sólo permite reparar elementos, sino que logra aumentar su resistencia y rigidez originales. Es por ello, que a esta técnica también se le considera como un método de refuerzo. El encamisado se puede colocar en toda la longitud del elemento o sólo en una parte; a estos últimos se les llama collares. Los collares son camisas que cubren sólo una parte de la columna, se utilizan para proporcionar apoyo incrementando la losa o viga en la parte superior de la columna. Los collares proporcionan capiteles a las columnas existentes para que soporten la losa de entrepiso. El collar proporciona a la losa una mayor capacidad a cortante y disminuye la longitud efectiva de la columna (ACI 546- 96). Esta técnica requiere que el concreto dañado sea retirado en su totalidad, que se reparen las grietas y la superficie dañada, para que el material nuevo se adhiera a la estructura existente. En México, usualmente se utiliza concreto premezclado lo que implica el uso de cimbra. En la práctica mexicana, el concreto lanzado ha sido raramente utilizado. El diseño de la cimbra es muy importante para facilitar el Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 32 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 proceso de colado y vibrado del concreto. Las cimbras utilizadas pueden ser temporales o permanentes, de madera, metal corrugado, concreto premoldeado, hule, fibra de vidrio, o de tela especial, dependiendo de lo que se desee (ACI 546- 96). El encamisado de concreto reforzado es una de las técnicas utilizadas para la reparación y rehabilitación de estructuras. Esta técnica tiene como objetivo principal incrementar la capacidad sísmica de la estructura. Dependiendo del tipo de encamisado que se utilice, se puede obtener un incremento enresistencia, rigidez, ductilidad o una combinación de ellas. Las principales dificultades de esta técnica es proporcionar continuidad al refuerzo longitudinal, y confinar el núcleo de concreto. El encamisado de concreto es preferible colocarlo en todas las caras del elemento, pero muchas veces no se tiene acceso y por ello se aplica solamente en una, dos o tres caras (ACI 369-06). Consideraciones constructivas Cuando se utiliza esta técnica de rehabilitación se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos constructivos (ACI 369-06): • La superficie del elemento debe estar limpia y rugosa para garantizar una buena adherencia entre el concreto nuevo y el existente, promoviendo con ello, un comportamiento monolítico • El revenimiento y el tamaño máximo del agregado grueso serán de acuerdo con la separación mínima del refuerzo y la distancia mínima entre la cimbra y el concreto existente • En columnas, el refuerzo longitudinal debe extenderse a través de la losa de entrepiso, para proporcionar continuidad e incrementar la resistencia a flexión en los extremos del elemento • Cuando el encamisado no sea completo, deberá verificarse la necesidad de colocar elementos de conexión que garanticen la transmisión de los esfuerzos cortantes entre el encamisado y el elemento por reforzar • Para garantizar un comportamiento monolítico del elemento encamisado, es necesario tener un adecuado mecanismo de transferencia de cortante en la Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 33 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 zona de contacto entre el encamisado y el elemento existente, tal que evite el movimiento relativo entre ambos concretos. Encamisados de concreto con malla electrosoldada El encamisado de concreto se utiliza para incrementar la resistencia axial, flexión y cortante de elementos existentes. El encamisado se realiza agregando refuerzo longitudinal y transversal o una malla electrosoldada alrededor de la sección original y recubrirla con concreto premezclado o lanzado. Un incremento en las dimensiones de las columnas aumenta la capacidad a cortante del elemento más que la resistencia a flexión, con lo cual puede incrementarse significativamente la ductilidad de cortante de la columna. Características principales El encamisado de concreto como técnica de rehabilitación a nivel elemento presenta las siguientes características: • Cambia el mecanismo resistente de cada marco, de una falla frágil por cortante a un mecanismo de momento resistente dúctil • Para un mejor desempeño se recomienda un encamisado completo, es decir, en todas las caras de la columna, pero ello dependerá del acceso que se tenga a la zona dañada • Para incrementar la resistencia axial, a flexión y cortante, el refuerzo longitudinal debe continuar a través de la losa de entrepiso • El uso de concreto lanzado disminuye considerablemente el tiempo del proceso constructivo • El encamisado con malla electrosoldada se utiliza principalmente para incrementar la resistencia axial y a cortante en las columnas, y por lo tanto, su ductilidad. Consideraciones constructivas Cuando se utiliza esta técnica de rehabilitación se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos constructivos: • La resistencia a compresión del concreto del encamisado debe ser mayor que 210 kg/cm2 y que el f´c del concreto utilizado en la columna original Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 34 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 • El espesor del recubrimiento de concreto para las mallas electrosoldadas o estribos debe ser mayor que 6 cm. • La longitud de las juntas y empalmes de la malla de alambre soldado debe ser mayor que 20 cm. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 35 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Capítulo 2 ANÁLISIS DE ESTUDIOS PREVIOS. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 36 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 2.1 Análisis de la situación estructural antes y posterior a la reparación (estado actual). Solución de proyecto año 2006 Se hace una recopilación de información considerando el proyecto original y se tienen los siguientes datos. Sección Transversal Figura 9 Refuerzo de sección transversal Figura 8 Geometría de sección transversal Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 37 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Se muestran a continuación las Especificaciones y Normatividad utilizada para el proyecto La última edición de las Normas para construcción e instalaciones de la SCT. Capítulos: 3.01.02.26 Concreto Hidráulico 3.01.02.27 Acero para Concreto Hidráulico 3.01.02.28 Estructuras de Concreto Reforzado Materiales: Cemento Portland S.C.T. 4. 01. 02. 004 - B – Tipo I, II, III ó V Agregados para Concreto S.C.T. 4. 01. 02. 004 - E Agua para Concreto S.C.T. 4. 01. 02. 004 – G Varilla de Acero para Concreto S.C.T. 4. 01. 02. 005 – D – Tipo A, B ó C, corrugada de grado duro. L.E. >= 4000 kg/cm2 Soldadura S.C.T. 4. 01. 02. 006 Aplicación de proyecto: Carga móvil tipo: T3-S2-R4 Para el análisis y revisión estructural de cada uno de los componentes de la estructura se emplearán los códigos y normas vigentes descritas por la S.C.T. Los reglamentos empleados en este diseño del puente son: 1. Manual de Obras Civiles (CFE). Diseño por sismo 2. Reglamento del ACI-318-95. 3. Reglamento del AASHTO. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 38 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 2.2 Reporte de inspección detallada (año 2013) De acuerdo con un levantamiento físico realizado a detalle a la estructura se encuentra lo siguiente: • Se observa en el interior del cajón una serie de grietas y fisuras tanto en muros laterales como en la losa de fondo. • Las grietas más importantes se presentan en su zona central. • En muros laterales se aprecian de manera tanto vertical como diagonales a 45°. • En la losa de fondo se observan perpendiculares al eje longitudinal del cajón. Cabe mencionar que ésta estructura ya recibió un tratamiento para mitigar el problema de agrietamiento porque de acuerdo al levantamiento físico realizado, se encontraron pipetas colocadas (fig. 11) en los muros por donde se les inyectaba al parecer resina epóxica, asimismo se encontraron algunos testigos en donde median el avance de las grietas (fig.10). Figura 10 Testigos para medición de grietas Figura 11 Pipetas colocadas en muros Con respecto a la losa inferior no mantiene su forma lineal en toda su longitud si no que se observa flexionada (forma cóncava) en la zona central que a simple vista se precia de aproximadamente de 43 cm, lo cual se considera importante. También la losa de fondo del cajón presenta agrietas que no fueron y no han sido tratadas como en el caso de los muros laterales, por el ancho de grieta se considera que estas cruzan el espesor de la losa de fondo. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 39 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019La losa superior (losa tapa) en la inspección visual no se observan grietas en su cara inferior a pesar de la carga del terraplén de piedra de 11.40 m de altura que está soportando. Derivado de lo anterior, se realizó una inspección detallada de la estructura la cual consistió en revisar cada uno de los elementos que la constituyen. La estructura está formada por un cajón de concreto reforzado desplantado por superficie, el cual soporta un colchón de aproximadamente 11.40 m de relleno como se observa en las figs. 12 y 13. Figura 12 Colchón de relleno sobre el cajón Figura 13 Rasante de la Autopista 67.05 9.92 15.23 15.74 3.64 3.64 7.28 2.53 2.33 12.14 3.58 6.75 0.43 Figura 14 Sección longitudinal del cajón Relleno Relleno Cajón de concreto armado Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 40 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Esc. Hor. 1:50 Vert. 1:500 Figura 15 Perfil longitudinal del cajón Primero se realizó un levantamiento geométrico de la estructura para después continuar con el levantamiento detallado de daños que a continuación se describen: Al realizar la inspección se encontraron grietas en muros laterales, losa de fondo y fisuras en losa tapa como lo muestra en la figura 16 y 17. Se observa que las grietas localizadas en los muros laterales fueron inyectadas con anterioridad y algunas de esas grietas continúan activas después de dichos trabajos, se encontraron marcas como testigos que fueron colocados después de los trabajos de inyección en los cuales se observa que las grietas pasan estos dispositivos o marcas, por lo que se presume que al parecer siguen activas algunas grietas, también se realizaron extracciones de núcleos de concreto en la zona agrietada, detectando que pasan todo el elemento. Figura 16 Inyección de grietas en muros Figura 17 Espesor de extracción de núcleos de concreto Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 41 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 En la inspección se detectó que solamente se inyectaron las grietas de los muros y no las de la losa inferior, también se observó que en la paño interior de la losa superior tiene muy pocas fisuras. A simple vista se observa que el cajón sufrió un asentamiento importante en su zona central; pareciendo que estuviera en una curva vertical, para comprobar dicho asentamiento se realizó una nivelación topográfica por el centro del cajón (figura 15), comprobando el asentamiento, ya que en los planos originales el cajón se proyectó en línea recta longitudinalmente. Losa techo Muro 1 Muro 2 Losa piso Figura 18 Croquis de elementos que componen el cajón 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 200 6700 Figura 19 Ubicación de grietas en muro 1 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 200 6700 Figura 20 Ubicación de grietas en muro 2 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 42 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 UBICACION DE GRIETAS EN : PISO DE CAJON 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Figura 21. Ubicación de grietas en piso del cajón L=Longitud (cm.) e=espesor (mm.) 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 HOMBRO DERECHO HOMBRO IZQUIERDO 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Figura 22. Ubicación de fisuras en techo del cajón Cabe mencionar que las grietas activas son menores a las que se inyectaron. Revisando la carpeta asfáltica de la autopista que se construyó arriba del cajón, en la superficie de rodamiento no se observan daños por asentamiento. En los accesos se observa que se han hecho trabajos de renivelación con carpeta asfáltica para alcanzar el nivel de piso del cajón. Evaluación de condición estructural Por las condiciones en la que se encuentra la estructura de acuerdo a esta inspección física realizada se determinó la calificación de 1 que significa mala o defectuosa, según la tabla de escala de calificación para puentes; se colocarón testigos para identificar el tipo de grieta y se detecta que los agrietamientos continúan creciendo, por lo que se podría dictaminar como pérdida total de la estructura y requiere sustituirla por una estructura nueva. Conclusión Actualmente, este puente cajón se encuentra funcionando de dos maneras, como paso secundario en su interior y a su vez como Paso Superior Vehicular ya que pasa la autopista por encima de este. Todos los puentes cumplen una finalidad y un objetivo, sin embargo, de éste en particular, existe incertidumbre e inseguridad por la presencia de grietas en toda su longitud tanto en losas como muros, de ahí la necesidad de intervenirlo con un reforzamiento y/o mantenimiento mayor que le ayude a la estructura a corregirse incrementando su nivel de servicio ya que es un paso importante y necesario para los habitantes del lugar. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 43 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 2.3 Proyecto de reparación año 2013 63 0 70 6 0 06 0 6 0 49 0 4 0 40 5 0 50 40 63 0 70 40 L O S A D E F O N D O L O S A T A P A R e fu e rz o d e l ca jó n 72 0 M U R O 1 0 1 0 M U R O R e fu e rzo d e l ca jó n Figura 23 Sección transversal del cajón con losa tapa 63 0 70 60060 60 40 40 50 50 40 63 0 70 40 MURO LOSA DE FONDO MURO 70 720 Refuerzo del cajón 10 10 Refuerzo del cajón Fig. 24 Sección transversal del cajón sin losa tapa La estructura según el proyecto original se desplanta en dos estratos diferentes (sección longitudinal) por lo que desde su construcción presenta asentamientos inmediatos, generándose fisuras y grietas tanto en losa de fondo como en muros laterales. Se destaca que en los muros la aparición de grietas ha sido mucho más notable. Estas grietas se figuran en muros de manera diagonal en ángulos de 45° Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 44 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 y verticales, mientras tanto en la losa de fondo se presentan perpendiculares a su eje longitudinal como se muestra en la figura 21. Las grietas que se originaron inicialmente fueron atendidas y tratadas mediante inyección con resina epóxica sólo las de los muros laterales dejando colocadas marcas como testigos para observar su comportamiento. Las de la losa de fondo no tuvieron tratamiento. A pesar de estos trabajos de inyección el problema continúa ya que algunas de estas seguían estando activas como lo muestra la fig. 25. Figura 25 Testigo de medición en grieta activa En la reparación se le ejecuta un primer mantenimiento mayor, el cual consistió en los siguientes trabajos • Mejoramiento de suelo de desplante de estructura (terraplén), mediante inyección de lechada de cemento a presión a diferentes alturas • Inyección con resina epóxica a grietas de muros laterales • Colocación de anclas con varilla (conectores) para amarre de varillas tanto en muros como losa de fondo • Colocación de acero de refuerzo en muros y losa de fondo • Colado de losa de fondo, cartelas y muros laterales • Renivelación con carpeta asfáltica en accesos de la estructura.De acuerdo a proyecto este primer mantenimiento se le realiza a la estructura para dos fines importantes; el primero para mitigar el problema de agrietamiento presentado mediante una estabilización de suelo con un confinamiento del terraplén en el que se desplanta la estructura, el segundo para darle un reforzamiento a la estructura mediante un encamisado de concreto reforzado de 10 cm de espesor para proporcionarle rigidez en su conjunto. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 45 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 INSPECCIÓN AÑO 2019 Actualmente el agrietamiento de la estructura continúa. Derivado de lo anterior, como continúa la presencia de grietas y a pesar del mantenimiento realizado, pobladores del lugar manifiestan la incertidumbre y el temor de que pudiera llegar a fallar la estructura y caerse, causándoles inseguridad al pasar por este puente. Uno de los motivos de este estudio es precisamente proporcionar una alternativa de solución y/o reparación y a su vez indudablemente regresar el nivel de seguridad a la gente que habita en este lugar, ya que es un punto importante de comunicación entre el poblado de Tepeyahualco Puebla con las Grutas de Cantona. Figura 26. Sección transversal del proyecto Figura 27. Croquis de sección longitudinal de proyecto PROYECTO 6.30 m Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 46 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 28. Reforzamiento de sección transversal Figura 29. Croquis de deformación de sección longitudinal REPARACIÓN Encamisado de 10 cms de espesor de concreto armado con varilla del no. 4 @ 20 cms en 6.30 m Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 47 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Capítulo 3 EVALUACIÓN GEOTÉCNICA Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 48 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3.1 Metodología para evaluación del funcionamiento de la estructura. Considerando la situación de riesgo estructural del PSV, se definen las siguientes etapas para evaluar la condición en que se encuentra túnel falso. 1. Estudios de ingeniería básica: Estudios de geotecnia 2. Análisis de suelos 3. Análisis de asentamiento 4. Análisis de capacidad de carga: Análisis estructural 5. Revisión de sección transversal de proyecto 6. Revisión del comportamiento longitudinal de la estructura 3.2 Localización El P.S.V. se ubica en el km 78+097 de la Autopista Amozoc-Perote. Figura 30. Ubicación de cajón P.S.V P.S.V. 78+097 AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE KM 78+097 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 49 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 31 Ubicación de cajón P.S.V. en plano de curvas de nivel La estructura está formada por un cajón de concreto reforzado desplantado por superficie, el cual tiene un colchón de aproximadamente 11.40 m. para una carga viva de proyecto HS-20 en dos bandas de tránsito sobre la autopista, cabe mencionar que el camino secundario solo es para una banda de tránsito. Primero se realizó un levantamiento geométrico de la estructura para después continuar con el levantamiento detallado de daños que a continuación se describen: Al realizar la inspección se encontraron grietas generalizadas en los muros que fueron inyectadas con anterioridad y grietas activas que se generaron después de dichos trabajos. Cabe mencionar que se colocaron testigos después de la inyección de las grietas en los cuales se observa que pasan estos dispositivos, por lo que se desprende que estas grietas siguen activas, también se realizaron extracciones de núcleos de concreto en la zona agrietada, detectando que pasan todo el elemento. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 50 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 En la inspección se detectó que solamente se inyectaron las grietas de los muros y no las de la losa inferior, también se observó que en la parte inferior de la losa superior tiene muy pocas fisuras. A simple vista se observa que el cajón sufrió un asentamiento que se nota más en la parte central; pareciendo que estuviera en una curva vertical, para comprobar dicho asentamiento se realizó una nivelación topográfica por el centro del cajón, comprobando el asentamiento, ya que en los planos originales el cajón se proyectó en línea recta longitudinalmente. Cabe mencionar que las grietas activas son mucho menores que las que se inyectaron por lo que se sospecha que las primeras se formaron al momento de la construcción donde se produjo el máximo asentamiento, cuando se colocó el terraplén sobre la estructura y después de este evento se terminó de construir la autopista y los asentamientos han sido menores, ya que no se reflejan en la carpeta asfáltica de la superficie de rodamiento de la autopista. En los accesos se observa que fueron renivelados con carpeta asfáltica. En los planos originales se detectó que el cajón está desplantado en dos estratos diferentes en la entrada está desplantado en el terreno natural conforme va avanzando el cajón está desplantado en terraplén. Se concluye que el agrietamiento que sufrió la estructura se produjo por los asentamientos que ha sufrido ésta en el transcurso de su vida, debido a que se desplantó en diferentes estratos. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 51 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3.3 Tipo de suelo del lugar Información geológica Figura 32. Información geológica de la zona Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 52 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3.4 Estudios de Geotécnia 3.4.1 Análisis de suelos Un estudio de suelo es el que nos permite conocer las características físicas y geológicas del suelo, desde la secuencia litológica (estudio de rocas), las diferentes capas y su espesor, la profundidad del nivel del agua subterránea, hasta la capacidad de resistencia de un suelo o una roca. También nos permite conocer el tipo de cimentación más adecuado para el tipo de obra a construir, así como los establecimientos de la estructura con relación al peso que va a soportar. Es de suma importancia realizar este estudio para evitar problemas en el proceso de construcción o incluso al terminar la obra. Para el análisis del suelo donde se encuentra desplantada la estructura nos apoyamos en un sondeo de exploración realizado en sitio, bajo el procedimiento de penetración estándar lavado y rotación, el cual se realiza hasta una profundidad de 5.40 m Este sondeo nos permite ver la estratigrafía y el tipo de materiales que conforman el terreno donde se encuentra desplantada la estructura. Lo que se quiere obtener de este análisis de suelos es la capacidad de carga del suelo y el grado de asentamiento esperado al que llegará la estructura de acuerdo con las cargas actuantes que soporta. 3.4.2 Capacidad de Carga Para determinar la capacidad de carga del suelo y descartar la posibilidad de que éste no soportala carga total, esto es: el peso total del colchón de 11.40 m de altura (relleno), el peso propio de la estructura (cajón) y el terraplén construido para su desplante; y que esto pudiera estar causando los posibles asentamientos, en primer lugar, necesitamos conocer el tipo de material en el que se apoya el terraplén y a su vez la estructura. Con el sondeo obtenido se puede apreciar que la estructura se apoya en un estrato compuesto limo color café obscuro de consistencia muy firme. Al tratarse de un limo su parámetro de resistencia al corte es la cohesión así que es posible determinar dicho parámetro a partir del número de golpes que se requieren para un avance de 30 cm en la prueba de Penetración Estándar. Según el sondeo se tiene que para un avance de 30 cm se requieren 22 golpes por lo que aplicamos la siguiente formula: Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 53 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 De esta manera obtuvimos el Parámetro de la Cohesión = 13.75 Para obtener la capacidad de carga del material empleamos el método propuesto por Terzaghi para suelos cohesivos friccionantes, cuya fórmula es la siguiente: qu = c Nc + γ Df(Nq-1) + 0.5γ B Nγ Dónde: c es la cohesión del suelo Nc, Nq y Nγ son factores de capacidad de carga adimensional, según Terzaghi γ es el peso específico del suelo Df es la profundidad de desplante de la cimentación B Lado corto de la cimentación Para obtener la capacidad de carga del suelo se requiere de los siguientes datos: c = 13.75 ton/m2 Nc, Nq y Nγ, se obtiene de la gráfica de Terzaghi (fig. 33). γ = 1.63 t/m3 (Limo de consistencia firme) Df = 7.00 m PROFUNDIDAD DE DESPLANTE (Df) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 54 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 33. Factores de capacidad de carga de Terzaghi 1 Como no tenemos ángulo de fricción interna, al no contar con la presencia de arenas en la estratigrafía del lugar en la zona del terreno natural donde se encuentra construido el terraplén en el cual se encuentra desplantado el P.S.V. (cajón) de acuerdo con el sondeo realizado3, manejaremos la capacidad de carga para suelo puramente cohesivo reduciendo la expresión de la siguiente manera: qu = c Nc+γ Df Sustituyendo los valores en la fórmula y aplicando un F.S. = 3 (para suelos cohesivos), la capacidad de carga admisible es: qadm = De esta manera se obtiene la capacidad de carga admisible es de 29.93 t/m2. 1 Eulalio Juárez Badillo, Mecánica de suelos tomo II, Tabla de Factores de capacidad de carga de Terzaghi, editorial limusa, pag. 367 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 55 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Resultado de la prueba de penetración Estándar Sondeo de exploración no. 1 Tabla 1 Registro de sondeo de exploración Procedimiento: Penetración estándar Lavado y rotación Fecha de iniciación: 09/03/13 Fecha de terminación: 12/03/13 PROF. EN MTS DESCRIPCIÓN MUESTRA NO. DE A NO. DE GOLPES EN 15 30 15 CMS DE PENETRACIÓN LONGITUD RECUPERADA EN CMS OBSERVACIONES 0.00 0.08 Material de asfalto 0.00 Se ademo con ademe B.W. a 2.40 Arena fina a media limosa color café con 1 0.08 0.35 22 50/12 10 gravas 0.35 Material de concreto 2 0.35 0.68 ROT 18 0.68 Limo arena color cafe 3 0.68 1.08 15 50/25 15 1.08 1.28 lavado 1.28 Limo arenoso color café con grumos 4 1.28 1.73 18 50/30 38 calisos 1.73 1.88 lavado 5 1.88 2.38 17 31 50/5 45 2.38 Fragmentos de roca 6 2.38 3.00 ROT 32 3.00 Limo color café con gravas 7 3.00 3.42 19 50/27 30 3.42 3.60 lavado 8 3.60 3.99 28 50//24 36 3.99 4.20 lavado 4.20 Limo color café obscuro 9 4.20 4.80 11 21 9 7 10 4.80 5.40 7 17 9 22 Figura 34. Sondeo de exploración no. 1 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 56 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 35. Sección longitudinal de la estructura Ver detalle Perfil Estratigráfico Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 57 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 36. Perfil estratigráfico obtenido del procedimiento de Penetración Estándar Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 58 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3.4.3 Asentamientos Cálculo del asentamiento elástico inmediato Para determinar el asentamiento elástico inmediato nos apoyamos con la siguiente expresión para suelos cohesivos: ……………………………………………………… (1) Dónde: = Asentamiento elástico en m = Relación de Poisson del suelo (adimensional) E = Módulo de elasticidad promedio del suelo bajo la cimentación Kg/m2 P = Presión neta aplicada sobre la cimentación Ton/m2 B = Ancho de cimentación en m Is = Valor de influencia o factor de forma (adimensional) Figura 37. Parámetros elásticos para varios tipos de suelos2 Figura 38. Valores de influencia o factor de forma (adimensional)3 2 Braja M. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, editorial Thomson, 4ta. Edición, 2001, pag. 250 3 Ídem, pág. 242 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 59 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Como primer paso, para la obtención de los asentamientos inmediatos elásticos de la estructura obtendremos la presión neta aplicada sobre el terreno natural en varios puntos a lo largo de toda su longitud para identificar su comportamiento. Tabla 3. Bajada de cargas para cálculo de esfuerzos Croquis donde se ubican la localización de los puntos donde se determinará el asentamiento elástico inmediato. AREA NO. AREA (M2) ELEMENTO MATERIAL (T/M3) DIST. TOTAL EN TON/M2 AREA NO. AREA (M2) ELEMENTO MATERIAL (T/M3) DIST. TOTAL EN TON/M2 1 5.06 RELLENO 2.0 2.23 40 2.89 RELLENO 2.0 2.46 2 17.23 CONCRETO 2.4 4.54 5.74 41 7.67 RELLENO 2.0 6.53 3 15.35 TERRAPLEN 1.7 5.75 42 17.47 CONCRETO 2.4 2.35 5.82 4 12.94 RELLENO 2.0 3.92 43 1.72 TERRAPLEN 1.7 1.24 5 17.08 RELLENO 2.0 5.17 44 3.29 RELLENO 2.0 1.98 6 17.04 CONCRETO 2.4 6.61 5.68 45 4.75 RELLENO 2.0 2.85 7 19.69 TERRAPLEN 1.7 5.06 46 17.45 CONCRETO 2.4 3.33 5.82 8 1.62 RELLENO 2.0 1.27 47 2.10 TERRAPLEN 1.7 1.07 9 16.96 RELLENO 2.0 13.30 48 1.56 RELLENO 2.0 1.60 10 17.26 CONCRETO 2.4 2.55 5.75 49 17.26 CONCRETO 2.4 1.95 5.75 11 6.82 TERRAPLEN 1.7 4.55 50 1.04 TERRAPLEN 1.7 0.91 12 1.05 RELLENO 2.0 1.35 13 12.44 RELLENO 2.0 15.95 14 17.29 CONCRETO 2.4 1.56 5.76 15 3.94 TERRAPLEN 1.7 4.29 16 7.49 MAT BASE 1.95 2.39 17 57.42 RELLENO 2.0 18.80 18 17.64 CONCRETO 2.4 6.11 5.88 19 13.91 TERRAPLEN 1.7 3.87 20 11.68 MAT BASE 1.95 3.13 21 70.64 RELLENO 2.0 19.41 22 17.79 CONCRETO 2.4 7.28 5.93 23 13.27 TERRAPLEN 1.7 3.10 24 8.88 MAT BASE 1.95 1.91 25 96.58 RELLENO 2.0 21.27 26 17.35 CONCRETO 2.4 9.08 5.78 27 11.69 TERRAPLEN 1.7 2.19 28 0.69 RELLENO2.0 0.86 29 15.66 RELLENO 2.0 19.45 30 17.64 CONCRETO 2.4 1.61 5.88 31 1.67 TERRAPLEN 1.7 1.76 32 3.54 RELLENO 2.0 2.30 33 23.21 RELLENO 2.0 15.07 34 17.64 CONCRETO 2.4 3.08 5.88 35 2.93 TERRAPLEN 1.7 1.62 36 3.70 RELLENO 2.0 2.16 37 19.01 RELLENO 2.0 11.12 38 17.61 CONCRETO 2.4 3.42 5.87 39 2.87 TERRAPLEN 1.7 1.43 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 60 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 9.92 15.23 15.74 3 .64 3.64 7.28 2.53 2.33 12.14 3 .58 6.75 0.43 11.44 3.52 9 .00 Figura 39. Seccionamiento de cargas para análisis Resumen de cargas obtenidas (t/m2) q1 = 13.72 q2 = 19.83 q3 = 24.87 q4 = 27.35 q5 = 30.94 q6 = 31.56 q7 = 31.15 q8 = 27.95 q9 = 24.87 q10 =20.58 q11 =16.06 q12 =11.72 q13 =8.26 Una vez calculado tanto el esfuerzo correspondiente a la carga total transmitida al suelo, procederemos a calcular los asentamientos elásticos inmediatos con la siguiente formula: ……………………………………………………… (1) = 0.40 (ver datos Fig 3.) E = 1758 t/m2 (ver datos Fig. 3, 2500 lb/plg2) B = 7.20 m Is = 0.95 (ver datos Fig. 4) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 61 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Sustituyendo los valores en la ecuación 1 para el cálculo del asentamiento elástico inmediato. Tabla 3: Resumen de asentamientos calculados No. DE ESF. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 P 13.72 13.72 19.83 24.87 27.35 30.94 31.56 31.15 27.95 24.87 20.58 16.06 11.72 8.26 8.26 0.04 0.04 0.06 0.08 0.09 0.10 0.10 0.10 0.09 0.08 0.07 0.05 0.04 0.03 0.03 B= 7.2 E= 1758 Por lo tanto, se estima que la estructura presentara un asentamiento elástico inmediato de 10 cm en el punto más crítico del cajón, siendo este a la mitad de su longitud total, esto es considerando el tipo y las características del suelo del lugar, descartando la posibilidad de que se presenten asentamientos elásticos inmediatos mayores al obtenido en este análisis. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 62 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Cálculo del asentamiento por Consolidación Primaria Para la obtención de los incrementos de esfuerzos se utiliza el método de Newmark. Método de Newmark Nathan M. Newmark (1942) en la Universidad de Illinois, se ideo un sistema de solución grafica para encontrar de manera aproximada el incremento de esfuerzo vertical debajo de cualquier punto de una fundación, con cualquier tipo y forma de carga, basado en la solución para un punto bajo el centro de una fundación con carga uniformemente repartida de forma circular. A esta solución gráfica se le llama solución con Carta de Newmark, y es basada en gráficos o esquemas como el que muestra la Figura siguiente: Figura 40. Carta de Newmark La forma de encontrar el incremento de esfuerzo vertical (∆σz) bajo cualquier punto de la fundación o por fuera de ella, a una profundidad cualquiera (z) dada, es: Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 63 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 a. Caracterizar la carta de Newmark con la que se va a trabajar, que consiste en identificar el valor de influencia (cada carta tendrá uno, en el caso de la Figura 40 Vi=0.003125), y en identificar la referencia de escala (├────┤) que es la línea que representa la profundidad (z) a la cual se va a encontrar el incremento de esfuerzo. b. Adoptada la profundidad (z) a la cual se va a encontrar el incremento de esfuerzo vertical (∆σz), la línea de referencia de escala (├────┤) se volverá igual a la profundidad (z) tomada, de acuerdo a esto quedará definida la escala del procedimiento. c. Se deberá dibujar la fundación en planta de acuerdo a la escala definida en el paso anterior, para luego colocar este esquema a escala sobre la Carta de Newmark, haciendo coincidir el punto bajo el cual se desea encontrar el incremento de esfuerzo con el centro de la Carta de Newmark, tal y como muestra la Figura 41 para el caso del incremento de esfuerzo en el centro de la fundación o la Figura 42 para el caso del incremento de esfuerzo en la esquina de la cimentación. Figura 41. Carta de Newmark Incremento de esfuerzos en el centro de la cimentación Figura 42. Carta de Newmark Incremento de esfuerzos en la esquina de la cimentación d. Finalmente se contarán cuantos cuadros quedan dentro del esquema de la fundación, sumándose los cuadros completos y las fracciones de recuadros con el cuidado de una buena apreciación. De acuerdo con el anterior procedimiento descrito, el valor del incremento de esfuerzo vertical (∆σz) en un punto cualquiera bajo la fundación, a una profundidad (z) dada, se definirá como: ………………………………………….….. (ec. 5.30) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 64 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 En dónde: Vi : Valor de influencia de la carta de Newmark de referencia, cada carta tendrá uno. q : Sobrecarga uniformemente distribuida producida por la cimentación. N : Número de divisiones de la carta de Newmark de referencia, que estén dentro de la planta de la cimentación. Construcción de la Carta de Newmark A partir de la solución para una carga uniformemente distribuida de forma circular, podemos obtener que la relación R/z, es igual a: ………………………………….. (ec. 5.31) Si ahora le damos valores a la relación (∆σz/q), desde cero (0) hasta uno (1) (debido a que la relación no podrá ser mayor que uno), obtenemos los valores de la relación R/z, los cuales son tabulados en la siguiente tabla 4: Tabla 4. Valores de R/z Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 65 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Luego si se asume una escala cualquiera para la unidad, se deberá graficar como radios de círculos concéntricos todos los valores de R/z obtenidos, de acuerdo a la escala seleccionada, tal y como muestra la Figura 43: Figura 43. Circulos concentricos para la construcción de la carta de Newmark Se coloca una línea de longitud de una unidad, según la escala escogida, que representara la profundidad (z) con la cual se esté trabajando con la carta de Newmark. Finalmente se divide la carta en cuantos cuadros se desee (de forma simétrica), y se le coloca un recuadro que delimitará la carta, tal y como muestra la Figura 44: Figura 44. Construcción de la carta de Newmark Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 66 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 El número de cuadros en los cuales se dividió la carta de Newmark, definirá el valor del factor de influencia (Vi) para la carta de Newmark construida (cada carta deberá especificar cuanto es este valor), según la siguiente ecuación: En dónde: ND: Número total de divisiones o cuadros que posee la Carta de Newmark construida. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 67 Alumno:ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Aplicación del Método de Newmark para cálculo de esfuerzos Para este caso de análisis a continuación obtendremos los incrementos de esfuerzos basado en este método. PASO I: De la ecuación (5.31), se despeja R/z en función de (ΔϬ /q): Dándole valor a ΔϬ /q queda: PASO II: Gráfico de Círculos Concéntricos. Dándole valor a z = 4.5 m Obtenemos los 9 radios, de acuerdo con los valores obtenidos para R/z y se grafican a escala conveniente. Para el problema, obtenemos: R1/z = r1 = (0.269)(4.5m) = 1.21 R2/z = r2 = (0.400)(4.5m) = 1.80 R3/z = r3 = (0.518)(4.5m) = 2.33 R4/z = r4 = (0.637)(4.5m) = 2.87 R5/z = r5 = (0.766)(4.5m) = 3.45 R6/z = r6 = (0.917)(4.5m) = 4.13 R7/z = r7 = (1.109)(4.5m) = 4.99 R8/z = r8 = (1.387)(4.5m) = 6.24 R9/z = r9 = (1.909)(4.5m) = 8.59 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 68 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Se deberá dividir a los círculos graficados, en segmentos iguales. Tomar ángulos de 18º o 30º. PASO III: Determinación del número de áreas de influencia (N). Se grafica la cimentación en la misma escala de los círculos, en papel transparente, luego se coloca este sobre el diagrama, de manera que el punto en donde se desea hallar el ΔϬ, se halle directamente sobre el centro del gráfico; y se procede a contar el número de (N), donde cada subdivisión, es un área de influencia. Se debe tener en cuenta que si la subdivisión no llega a ser cubierta por el gráfico de la cimentación o plantilla será un (N) fraccionario. El incremento de esfuerzo vertical en cualquier otro punto, a la misma profundidad, se obtiene con el mismo procedimiento, desplazando el papel transparente, hasta que el nuevo punto, se halle directamente sobre el centro del gráfico (Carta de Newmark). En nuestro problema, hacemos coincidir el punto “A”, situado en un extremo de la losa del cajón; con el punto central del gráfico de círculos, y procedemos a contar el # de áreas de influencia (N). Figura 45. Ubicación de cartas de Newmark al centro de la cimentación a lo largo del cajón Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 69 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Sumando, # de N = No. DE ESF. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 N 74.00 118.00 144.90 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 PASO IV: Determinación del incremento de esfuerzo ΔϬ. Utilizando la fórmula para la obtención de incremento de esfuerzos: ΔϬ=Vi x q x N dónde: ΔϬ = Incremento de esfuerzos T/m2 Vi = Valor de influencia calculado de la carta de Newmark (para este caso 1/N = 1/200 = 0.005) q = Carga uniformemente distribuida por la cimentación en t/m2 N = Numero de divisiones de la carta de Newmark de referencia que estén dentro de la planta de cimentación. de la ecuación 5.32 queda: Vi = 1/ND Vi = 1/200 = 0.005 De los datos obtenidos de la carta de Newmark y considerando la carga uniformemente distribuida obtenida anteriormente tenemos los siguientes datos: Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 70 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Incremento de Esfuerzo No. DE ESF. Vi q N ∆Ϭ (T/m2) ∆Ϭ (KN/m2) 1 0.005 13.72 74.00 5.08 49.82 2 0.005 13.72 118.00 8.09 79.34 3 0.005 19.83 144.00 14.36 140.82 4 0.005 24.87 148.00 18.41 180.54 5 0.005 27.35 148.00 20.24 198.49 6 0.005 30.94 148.00 22.89 224.47 7 0.005 31.56 148.00 23.36 229.08 8 0.005 31.15 148.00 23.05 226.04 9 0.005 27.95 148.00 20.69 202.90 10 0.005 24.87 148.00 18.40 180.44 11 0.005 20.58 148.00 15.23 149.36 12 0.005 16.06 148.00 11.88 116.50 13 0.005 11.72 148.00 8.67 85.02 14 0.005 8.26 148.00 6.11 59.92 15 0.005 8.26 148.00 6.11 59.92 Tabla. 5 Incremento de Esfuerzos Una vez obtenidos los incrementos de esfuerzos obtendremos los asentamientos por consolidación primaria apoyándonos con la siguiente ecuación: dónde: Δh = Asentamiento por consolidación primaria mu = Módulo de compresibilidad determinada por la prueba de consolidación en laboratorio ΔH = Incremento de presión H = Espesor de suelo compresible Tabla 6. Valores de Mv (módulo de Compresibilidad) HHmh pu ∆=∆ Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 71 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Sustituyendo: De la tabla 5.1 se obtiene Mv de un suelo con compresibilidad media = 0.00025 m2/KN Una vez obtenido el valor de Mv y los incrementos de esfuerzo con el método de Newmark considerando un estrato compresible de 9.0 m obtendremos el asentamiento por consolidación primaria sustituyendo en la siguiente ecuación: Obteniendo el siguiente cuadro: No. DE ESF. mu ∆Hp (KN/m2) H (m) ∆h (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 0.00025 49.82 79.34 140.82 180.54 198.49 224.47 229.08 226.04 202.90 180.44 149.36 116.50 85.02 59.92 59.92 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 0.11 0.18 0.32 0.41 0.45 0.51 0.52 0.51 0.46 0.41 0.34 0.26 0.19 0.13 0.13 Por lo que de acuerdo con los resultados se espera un asentamiento por consolidación primaria de 52 cm al centro de la estructura siendo su zona crítica, esto es considerando el tipo y las características del suelo del lugar, descartando la posibilidad de que se presenten asentamientos por consolidación primaria mayores al obtenido en este análisis. HHmh pu ∆=∆ Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 72 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 3.4.4 Conclusiones de cálculo de asentamientos totales Considerando datos geotécnicos del terreno de desplante y relleno de 9.00 m de espesor en su parte más crítica, los asentamientos máximos esperados son: Asentamiento elástico inmediato = 10 cm Asentamiento Primario por consolidación (Diferencia de asentamientos, al centro y entrada del cajón) = 52 cms-11 cm = 41 cm Por lo tanto, el asentamiento máximo esperado = 51 cm Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 73 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Capítulo 4 EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Tesin a: R EV ISIÓ N D EL P SV TIP O C A JÓ N , ESP EC IA LIZA C IÓ N EN P U EN TES A C C ESO A G R U TA S D E C A N TO N A , FES A ragó n A U TO P ISTA A M O ZO C -P ER O TE, EN P U EB LA U N A M P ág. 74 A lu m n o : R O M Á N ESP ÍN D O LA JU A N O ctu b re d e 2 0 1 9 F ig u ra 4 6 . S e c c ió n L o n g itu d in a l y tra n s v e rs a l d e la e s tru c tu ra Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 75 Alumno: ROMÁNESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.1 Determinación de Cargas en cajón según AASHTO Para analizar la sección transversal de la estructura y obtener sus elementos mecánicos tanto el momento máximo, la fuerza cortante y la fuerza axial, nos apoyaremos con el programa sap-2000. Como primer paso, para el análisis se bajaron las cargas verticales actuantes en la losa tapa como lo son: la carga viva y la carga del terraplén de 11.40 metros de altura, asimismo se consideró el peso propio del cajón de concreto además de un factor de interacción suelo estructura para el análisis de la losa de fondo. A continuación, se muestra un detalle de la sección transversal de la estructura y la carga a la que está sujeto. 4.1.1 Obtención de la carga vertical Presión de relleno sobre el cajón Datos geométricos de la estructura Hc Bc H 70 60 60 60 Datos geométricos H= 11.40 m Hc= 6.30 m Bc= 7.20 m t1= 0.60 m (losa inferior) t2= 0.70 m Figura 47. Geometría de la sección Transversal de la estructura Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 76 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Propiedades de los materiales Relleno Suelo= 2,000 kg/m3 (Roca Ígnea Basalto) eq= 1,000 kg/m3 (Por el método del Fluido Equivalente indicado en el 3.11.5.5 Y 3.11.5.3 de la AASHTO LRFD). Factor de interacción del suelo fe: (Para elementos enterrados. Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes por el método LRFD. ) fe= 1 + 0.20 X (H/Bc) = 1.31666667 (12.11.2.2.1-2 AASHTO LRFD) 1.32 >= 1.40 (No mayor de 1.40 para instalaciones con relleno no compactado a lo largo de los laterales tipo cajón) Usar fe = 1.25 Quedando de la siguiente manera: Ev= fe x s x H = 1.25 x 2000 kg/m3 x 11.40 m = 28,500 kg/m2 28.50 ton/m2 (12.11.2.2.1-1, AASHTO-LRFD) fe no deberá ser mayor que 1.15 para las instalaciones con relleno compactado a lo largo de los laterales de la sección tipo cajón, ni mayor que 1.40 para las instalaciones con relleno no compactado a lo largo de los laterales de la sección tipo cajón. Asumiendo que la losa de fondo es rígida comparada a la sub-base, las reacciones del suelo a las cargas verticales aplicadas a la alcantarilla se consideran uniformemente distribuidas en el fondo de la losa. EV = 28.50 Ton/m2 6.30 m Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 77 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.1.2 Carga de Transferencia sobre el cajón (Análisis de Carga Viva) El art. 3.6.1.2.5 AASHTO-LRFD refiere que el área de contacto de una rueda se asume como un rectángulo de ancho 0.51 m y longitud 0.25 m. el art. 3.6.1.2.6 AASHTO-LRFD indica que si la profundidad del relleno es menor que 0.60m, se puede despreciar el efecto del relleno sobre la distribución de la sobrecarga. Si la profundidad del relleno es mayor que 0.60 m, se puede considerar que las cargas de las ruedas están uniformemente distribuidas en un área rectangular sus lados son iguales a la dimensión del área de contacto de los neumáticos, más 1.15 veces la profundidad del caso de rellenos granulares seleccionados, o la profundidad del relleno en todos los demás casos. Si las áreas de las ruedas se superponen, la carga total se deberá distribuir uniformemente en el área. Para las alcantarillas en algún tramo los efectos de la sobrecarga se pueden despreciar si la profundidad del relleno es mayor que la longitud del tramo; para las alcantarillas de múltiples tramos estos efectos se pueden despreciar si la profundidad del relleno es mayor que la distancia entre las caras de los muros extremos. En este caso de revisión se utilizó la carga de un camión HS-20-44 en dos bandas de transito con la consideración del factor de presencia múltiple tabla 7, se tiene: m= 1 Tabla 7. Factor de presencia multiple (m) HS-20-44 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 78 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 WLL = (Peje x m) / AREA DE INFLUENCIA WLL = (14,515 X 2) X 1 / 18.42 X 13.36 = 117.96 kg/m2 0.118 ton/m2 Por lo tanto usaremos para revisión de carga móvil el camión de diseño y lo afectaremos por el factor de carga dinámica (IM) junto a la carga de vía para el diseño por resistencia de servicio: IM = 1.52 Carga camión de diseño + Carga de vía Carga de camión W= (0.118 X 1.52) + 0.060 = 0.239 ton/m2 4.1.3 Reacción del terreno W= (14,515 X 2) X 1 / 18.42 X 7.20 = 218.89 kg/m2 0.219 ton/m2 Así mismo se considera una sobrecarga uniformemente distribuida por vía de tráfico igual a 0.96 ton/m distribuida transversalmente en un ancho de 3.00 metros 1.20 M1.80 M 1.80 M 3.60 M 3.60 M 4.80 + 0.51 + 1.15(H ) H = 11.40 M 18.42 M 0.51 M 13.36 M 7.20 0.25 M + 1.15H 0.25 w 117.96 K G/M 2 218.89 K G/M 2 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 79 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 WLL = (Wvía x Ancho x m) / Ancho de influencia WLL = (0.320 x 3 x 1.2) / 16.11 = 0.06 ton/m Reacción del suelo W= (0.219 X 1.52) + 0.06 = 0.392ton/m2 0 .9 6 T /M C A R G A D E C A R R IL 3 .0 0 0 .9 6 T /M 3 M w = = 0 .3 2 0 T /M 2 3 M Z Z H = 11.40 m 3.00 m 3.00 m + 1.15xH w = 0.320T/M 2 16.11 7.20 0.060T/M 2 0.060T/M 2 7 .2 0 w = 0 .2 3 9 T /M 2 w = 0 .3 9 2 T /M 2 Sobrecarga, influencia de C.V. sobre el terraplén en el cajón Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 80 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.1.4 Análisis de empuje lateral en muro de cajón Empuje lateral (Método del Fluido Equivalente) Eh = eq Z = Eh1 = 1000 x 11.40 = 11,400 kg/m2 11.40 Ton/m2 Eh2 = 1000 x (11.40 + 6.30) = 17,700 kg/m2 17.70 ton/m2 El coeficiente de empuje lateral activo (teoría de Rankine) para un ángulo de fricción interna del terreno Ø=21.5° Ka = tang2(45°- O/2) Ka= 0.464 Eh = Ka suelo H EH1 = 0.464 X 2000 X 11.40 = 10,579.20 kg/m2 = 10.58 ton/ m2 EH2 = 0.464 X 2000 X (11.40+6.30) = 16,425.60 kg/m2 = 16.43 ton/ m2 10,579.20 KG/M2 16,425.60 KG/M2 10,579.20 KG/M2 16,425.60 KG/M2 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 81 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.1.5 Presiones de agua La distribución de la presión de agua obedece una distribución hidrostática la cual es lineal. Se considera el caso en que el cajón está totalmente lleno y cuando está totalmente vacío. WAsuperior = 1000 X 0 = 0 ton/m2 WAinferior = 1000 X (6.30-0.70-0.60) = 5,000 ton/m25.0 ton/m2 4.1.6 Análisis de efecto de cargas dinámicas 3.6.2.2 Componentes enterrados. (Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes por el método LRFD) El incremento por carga dinámica para alcantarillas y otras estructuras enterradas cubiertas por la sección 12, en porcentaje, se deberá tomar como: Impacto DE: en pies DE = 2.4 m ----------------------- 7.87 pies dónde: DE = Profundidad mínima de la cubierta de tierra sobre la estructura (pies) IM = 33 (1-0.125 DE) >= 0 ……………… (3.6.2.2-1, AASHTO LRFD) pág. 3-30 IM = 0.52 Para el caso de fatiga se tiene: IM= 15 (1-0.125 DE) >= 0 IM = 0.24 La aplicación del incremento por carga dinámica para componentes enterrados, tratada en la sección 12, será como se especifica en el artículo 3.6.2.2. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 82 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 No es necesario aplicar el incremento por carga dinámica a: • Muros de sostenimiento no solicitados por reacciones verticales de la superestructura, y • Componentes de las fundaciones que están completamente por debajo del nivel del terreno. Para el chequeo por fatiga se usará en dos vías la carga de diseño HS-20, con una separación constante entre ejes de 14.515 ton (art. 3.6.1.4.1), no se aplica el factor de presencia múltiple (art. 3.6.1.1.2), se incluye en el calculado IM = 1.24 Carga de camión w= 0.118 x 1.24 = 0.146 ton/m2 Reacción del suelo w = 0.219 x 1.24 = 0.271 ton/m2 Una vez determinados los empujes tanto el horizontal como el vertical se analizará la estructura. Figura 48. Aplicación de cargas en la sección transversal del cajón Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 83 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.2 Análisis longitudinal del canal (Método del balasto, de Winkler o de viga sobre apoyos elásticos) Analogía con el problema de cimentación en suelos La similitud entre el modelo de viga sobre medios elásticos y el problema de cimentación en suelos estriba fundamentalmente en que el suelo efectivamente en su comportamiento funciona como si a este lo constituyera un número infinito de resortes, que al aplicarle una carga los resortes reaccionarían proporcionales a esta carga de manera local, no afectando las zonas en donde no se estuviera aplicando esa misma carga. En eso habría esa similitud, aunque en la realidad no sería así, porque en la práctica al aplicar una carga a una losa de cimentación desplantada superficialmente, la carga aplicada se repartiría en o toda el área de la losa y esta a su vez la transmitiría al suelo de manera uniforme, lo que haría el suelo es soportar esa carga ocasionando modificaciones de suelo en las orillas de la misma losa jalando ese suelo a la misma losa. A continuación, se muestran los resultados del análisis longitudinal de la estructura. Se consideran dos casos de análisis: 1. Considerando que la estructura se encuentra desplantada superficialmente sobre terreno natural 2. Considerando que la estructura se encuentra desplantada sobre un terraplén compuesto con diversos materiales 1.- caso de análisis: Considerando valores de K del terreno natural • Para su análisis nos apoyamos con el programa SAP 2000 • De la siguiente tabla tomaremos los resultados del módulo de Ks para el análisis y diseño de la losa de fondo Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 84 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 CALCULO DE ESFUERZOS TERRENO NATURAL FORMULA: ΔϬ= Vi x q x N Para este caso Vi = 0.005 donde: Vi = Valor de influencia calculado de la carta de Newmark q = Carga uniformemente distribuida por la cimentación en T/m2 N = Numero de divisiones de la carta de Newmark de referencia que estén dentro de la planta de cimentación. Incremento de Esfuerzo B= 7.20 ASENTAMIENTO E= 1758 No. DE ESF. Vi q N S (T/m2) DISTANCIA (MTS) K (TON/M2 * CM) K (TON/M3) 1 0.005 13.72 74.00 5.08 0 0.04 3.43 343 2 0.005 13.72 118.00 8.09 2.27 0.04 3.43 343 3 0.005 19.83 144.90 14.36 7.84 0.06 3.30 330 4 0.005 24.87 148.00 18.41 12.40 0.08 3.11 311 5 0.005 27.35 148.00 20.24 14.45 0.09 3.04 304 6 0.005 30.94 148.00 22.89 18.29 0.10 3.09 309 7 0.005 31.56 148.00 23.36 24.98 0.10 3.16 316 8 0.005 31.15 148.00 23.05 33.16 0.10 3.12 312 9 0.005 27.95 148.00 20.69 38.51 0.09 3.11 311 10 0.005 24.87 148.00 18.40 40.85 0.08 3.11 311 11 0.005 20.58 148.00 15.23 44.10 0.07 2.94 294 12 0.005 16.06 148.00 11.88 46.99 0.05 3.21 321 13 0.005 11.72 148.00 8.67 49.83 0.04 2.93 293 14 0.005 8.26 148.00 6.11 52.47 0.03 2.75 275 15 0.005 8.26 148.00 6.11 53.44 0.03 2.75 275 Tabla 8. Cálculo de “Ks” Resistencia del suelo (T/m3) Figura 49. Cargas del terraplén sobre el cajón longitudinalmente Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 85 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Cálculo del Módulo de reacción del suelo No. balasto (t/m3) dist. 1 dist. 2 dist. Total ancho K (t/m) q0 ton 0 343 2.270 0.000 2.27 7.2 5,605.99 36.43 1 343 2.270 2.270 4.54 7.2 11,211.98 72.86 2 330 3.305 3.305 6.61 7.2 15,705.36 432.29 3 311 1.274 1.274 2.55 7.2 5,709.96 267.55 4 304 0.780 0.780 1.56 7.2 3,414.53 194.26 5 309 3.054 3.054 6.11 7.2 13,593.53 932.01 6 316 3.640 3.640 7.28 7.2 16,563.46 1,181.21 7 312 4.540 4.540 9.08 7.2 20,397.31 1,515.43 8 311 0.805 0.805 1.61 7.2 3,605.11 235.44 9 311 1.540 1.540 3.08 7.2 6,896.74 385.20 10 294 1.710 1.710 3.42 7.2 7,239.46 327.02 11 321 1.173 1.173 2.35 7.2 5,431.32 152.07 12 293 1.663 1.663 3.33 7.2 7,024.97 115.78 13 275 0.973 0.973 1.95 7.2 3,861.00 22.46 14 275 0.973 0.000 0.97 7.2 1,920.60 11.17 Tabla 9. Cálculo del “Ks” Reacción del suelo (T/m) Figura 50. Diagrama de Momentos (ton-m) Figura 51. Diagrama de Cortantes (ton) Figura 52. Diagrama de Deformación (m) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 86 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 53. Resumen de diagramas deflexión máxima de 14 cms Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 87 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 2.- caso de análisis: Considerando valores de K del relleno de cimentación • Para su análisis nos apoyamos con el programa SAP 2000 • De la siguiente tabla tomaremos los resultados del módulo de Ks para el análisis y diseño de la losa de fondo CALCULO DE ESFUERZOS TERRAPLEN FORMULA: Vi x q x N Para este caso Vi = 0.005 donde: Vi = Valor de influencia calculado de la carta de Newmark q = Carga uniformemente distribuida por la cimentación en T/m2 N = Numero de divisiones de la carta de Newmark de referencia que estén dentro de la planta de cimentacion. B= 7.2 E= 1406.16 No. DE ESF. Vi q N S (T/m2) DISTANCIA Asentamiento (m) K (T/M2 * CM) K (T/M3) 1 0.005 13.72 74.00 5.08 0 0.06 2.29 229 2 0.005 13.72 118.00 8.09 2.27 0.06 2.29 229 3 0.005 19.83 144.90 14.36 7.84 0.09 2.20 220 4 0.005 24.87 148.00 18.41 12.400.11 2.26 226 5 0.005 27.35 148.00 20.24 14.45 0.12 2.28 228 6 0.005 30.94 148.00 22.89 18.29 0.14 2.21 221 7 0.005 31.56 148.00 23.36 24.98 0.14 2.25 225 8 0.005 31.15 148.00 23.05 33.16 0.14 2.23 223 9 0.005 27.95 148.00 20.69 38.51 0.12 2.33 233 10 0.005 24.87 148.00 18.40 40.85 0.11 2.26 226 11 0.005 20.58 148.00 15.23 44.10 0.09 2.29 229 12 0.005 16.06 148.00 11.88 46.99 0.07 2.29 229 13 0.005 11.72 148.00 8.67 49.83 0.05 2.34 234 14 0.005 8.26 148.00 6.11 52.47 0.04 2.06 206 15 0.005 8.26 148.00 6.11 53.44 0.04 2.06 206 Tabla 10. Cálculo de “Ks” Reacción del suelo (T/m3) Figura 54. Cargas del terraplén sobre el cajón longitudinalmente Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 88 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 No. balasto (t/m3) dis. 1 dist. 2 dist. Total ancho K (t/m) q0 ton 0 107.19 2.270 0.000 2.27 7.2 1,751.87 36.43 1 107.19 2.270 2.270 4.54 7.2 3,503.75 72.86 2 103.13 3.305 3.305 6.61 7.2 4,907.93 432.29 3 97.19 1.274 1.274 2.55 7.2 1,784.36 267.55 4 95.00 0.780 0.780 1.56 7.2 1,067.04 194.26 5 96.56 3.054 3.054 6.11 7.2 4,247.98 932.01 6 98.75 3.640 3.640 7.28 7.2 5,176.08 1,181.21 7 97.50 4.540 4.540 9.08 7.2 6,374.16 1,515.43 8 97.19 0.805 0.805 1.61 7.2 1,126.60 235.44 9 97.19 1.540 1.540 3.08 7.2 2,155.23 385.20 10 91.88 1.710 1.710 3.42 7.2 2,262.33 327.02 11 100.31 1.173 1.173 2.35 7.2 1,697.29 152.07 12 91.56 1.663 1.663 3.33 7.2 2,195.30 115.78 13 85.94 0.973 0.973 1.95 7.2 1,206.56 22.46 14 85.94 0.973 0.000 0.97 7.2 600.19 11.17 Tabla 11 Cálculo de “Ks” Resistencia del suelo en (T/m) Figura 55. Diagrama de Momentos (ton-m) Figura 56. Diagrama de Cortantes (ton) Figura 57. Diagrama de Deformación del cajón Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 89 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 58. Resumen de diagramas, deflexión de 46 cm Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 90 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 4.3 Comparativa con análisis de proyecto Por otro lado, se muestra a continuación los resultados que vienen anexos en el proyecto de mantenimiento mayor, es la revisión a la sección transversal del cajón y el análisis para la obtención de Momento, fuerza Cortante y fuerza Axial, se trata del análisis efectuado antes de la reparación de la estructura en el año 2013, figs. 59, 60 y 61. Figura 59. Diagramas de momentos de sección de proyecto de reparación Figura 60. Diagrama de cortantes de sección de proyecto de reparación Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 91 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Figura 61. Diagrama de deformaciones de sección de proyecto de reparación REVISIÓN DE LOSA Datos de diseño obtenidos Mu (-) = 42.1 Ton – m Vu (+) = 55.64 Ton bw = 1 m d = 0.55 m f¨c= 250 kg/cm2 f´c = 15.81 kg/cm2 Vud/Mu = 0.727 As = 43 cm2 ρw = 0.008 ρw =As/bwd Utilizando varilla del No 8 as= 5.07cm2 No. De varillas del no, 8C = 43/5.07 = 8 vrs Separación S = 100 / 8 = 13 cms Revisión de acuerdo con AASHTO Revisando cortante de resistencia del concreto según la condición 22.9.3.1 donde ΦVc >Vu queda: Vc = 41.48 ton 41.48 < 55.64 Por lo tanto NO cumple SE RECOMIENDA AUMENTAR “d” peralte REVISIÓN DE MURO Datos de diseño obtenidos Mu (+) = 21.33 Ton – m Vu (+) = 22.62 Ton Bw = 1 m d = 0.55 m f¨c= 250 kg/cm2 f´c = 15.81 kg/cm2 Vud/Mu = 0.583 As = 21.79 cm2 As mín = 18.33 cm2 ok ρw = 0.003 ρw =As/bwd Utilizando varilla del No 8 as= 5.07cm2 No. De varillas del no, 8C = 21.79/5.07 = 4 vrs Separación S = 100 / 4 = 25 cms Revisión de acuerdo con AASHTO Revisando cortante de resistencia del concreto según la condición 22.9.3.1 donde ΦVc >Vu queda: Vc = 41.48 ton 41.48 > 22.62 Por lo tanto cumple ok REVISIÓN DE MURO Datos de diseño obtenidos M (-) = 49.71 Ton – m Vu (+) = 22.62 Ton Bw = 1 m d = 0.55 m f¨c= 250 kg/cm2 f´c = 15.81 kg/cm2 Vud/Mu = 0.251 As = 50.78 cm2 As mín = 26.67 cm2 ρw = 0.004 ρw =As/bwd Utilizando varilla del No 8 as= 5.07cm2 No. De varillas del no, 8C = 26.67/5.07 = 5 vrs Separación S = 100 / 5 = 20 cms Revisión de acuerdo con AASHTO Revisando cortante de resistencia del concreto según la condición 22.9.3.1 donde ΦVc >Vu queda: Vc = 41.48 ton 41.48 > 22.62 Por lo tanto cumple ok Tabla 12. Diseño de elementos losas y muros de acuerdo con la AASTHO Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 92 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Considerando estos valores que arrojan el diseño de la sección según proyecto, se observa que el caso de la losa, tanto la geometría de la sección y el área de acero de refuerzo son escasos y no cumple con lo establecido en AASHTO. Losa superior Muro Losa inferior Año Sección de proyecto M(-) =42.10 ton-m V(+) = 55.64 ton M(+) = 21.33 ton-m V(+) = 22.62 ton M(-) = 49.71 ton-m V(+) = 22.62 ton M = V = 2013 Sección real M(+) =105.94 ton-m M(-) =79.52 ton-m V(+) = 103.44 ton V(-) = 103.48 ton M(+) = 79.52ton-m M(-) = 79.41 ton-m V(+) = 44.05 ton V(-) = 41.03 ton M(-) =69.72 ton-m M(+) =69.70 ton-m V(+) = 71.35 ton V(-) = 68.29 ton 2019 Tabla 13. Análisis comparativo de resultados De lo anterior se observa que hay diferencias importantes entre los datos empleados para calcular la necesidad de reforzamiento de la estructura (año 2013) y las cargas reales obtenidas según la norma AASHTO en 2019 Es posible que debido a estas diferencias actualmente, después del mejoramiento del suelo de cimentación y reforzamiento de muros y losa se sigan presentando asentamientos y agrietamientos en muros y losa de piso. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 93 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Conclusiones Después del análisis del comportamiento del suelo donde se desplanta el PSV (cajón) bajo las cargas del terraplén de la autopista, que tiene una altura máxima de 17.70 m más el peso propio del cajón cuyas dimensiones son 7.20 x 6.30 m y considerando un valor de Δasentamiento = 43 cm, que es el que se presenta en la estructura en situación actual, se concluye que la estructura ha rebasado su capacidad de resistencia misma que fue ocasionada por las cargas impuestas como son: el peso propio del terraplén, el pavimento de la autopista, el transitar de vehículos por la autopista, el paso de los vehículos a través del cajón (camino secundario), además de la situación de la mala calidad de la preparación del relleno como suelo de cimentación. Por lo anterior, se determina la necesidad de sustitución del cajón por una nueva estructura ya que en condiciones actuales el cajón no cumple con los requisitos de seguridad y resistencia: Δmáx.= L/800 = 67/800 = 0.08 m Δmáx = 8 cm < Δreal = 43 cm Esta conclusión se complementa con el análisis estructural de la sección tanto en el sentido transversal y longitudinal, donde se determina que, la estructura presenta deficiencias en cuanto a geometría, la falta de acero de refuerzo y características estructurales Anexo 1.Cabe mencionar que otra de las posibles causas que dan origen a este problema es que al parecer no se consideró el Ks (rigidez del suelo) del terreno natural obtenido a partir de los asentamientos calculados en el análisis y diseño de la estructura en particular en el sentido longitudinal de la estructura, por lo que los Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 94 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 parámetros de diseño no fueron óptimos dando como resultado deficiencia en el área de acero de refuerzo de la losa de fondo. Por lo anterior, es importante tomar en cuenta todos los estudios de mecánica de suelos y de geotecnia para el análisis y diseño de estructuras, los cuales nos proporcionarán la información y las herramientas necesarias para un mejor dimensionamiento y cálculo de acero de refuerzo en las zonas donde lo requieran los elementos de concreto que se encuentran en contacto con el suelo. La carencia de los estudios de suelos condiciona a proporcionar una mala elección y cálculo de cimentación. Desde mi punto de vista personal, y de acuerdo con las revisiones realizadas se descarta la posibilidad de una ampliación de la autopista de dos carriles a cuatro carriles por seguridad estructural y la propia de los usuarios. Una alternativa de solución que podría haber dado un mejor funcionamiento, es el seccionamiento longitudinal en 5 módulos de L = 10 m lo que hubiera creado articulaciones para permitir la deformación longitudinal, en el Anexo 2 se presenta un análisis donde se muestran valores obtenidos. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 95 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Bibliografía: - CTE DB SE C. Documento Básico de Seguridad Estructural Cimentaciones, Código Técnico de la Edificación - Proyecto Especial de Infraestructura de Transporte Nacional Provias Nacional. Estudio definitivo de la carretera Chamaya-Yaen-San Ignacio-Río Canchis. Tramo San Ignacio-Puente Integración. Vol. 1. Bustamante Williams Consultores y Constructores S. A. C. junio 2010. Perú. - Hormigón armado según EHE. Montoya-Meseguer-Morán. Ed. Gustavo Gili - Principios de ingeniería de cimentaciones. Braja M. Das. International Thomson Editores - Fundamentos de Ingeniería geotecnia, Braja M. Das. California State University, Sacramento. Thomson Learning. pp. 594 - Mecánica de Suelos. Tomo II. Teoría y Aplicaciones de la Mecánica de Suelos. Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez. Limusa Noriega Editores.. México. pp. 704 - Aportes técnicos 14, Técnicas de Reparación y Refuerzo de Estructuras de Hormigón Armado y Albañilerías. Diagnóstico y Soluciones Procedimientos Constructivos Materiales de Construcción. Instituto Chileno del Cemento y del Hormigón. - Conectores de cortante para entrepisos metálicos, Ing. Fabio Hoyos Toro, ACESCO. - Tesis: Rehabilitación de Estructuras de Concreto. Facultad de Ingeniería, UNAM, febrero de 2008 - Aspectos Fundamentales del Concreto reforzado, 4ta. Edición, Oscar M. González Cuevas, México Limusa Noriega Editores, c 1995, pag. 757 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. 96 Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 - Diseño y Cálculo de estructuras de concreto reforzado, Vicente Pérez Alamá, México, Editorial Trillas, 1993, pag. 235 - Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes por el método LRFD - Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural, (ACI 318S-14) y Comentario (ACI 318SR-14) (Versión en español y en sistema métrico SI), Es una Norma del ACI, Preparado por el Comité ACI 318 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. i Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Anexos Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. ii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Anexo 1 Revisión del diseño de la sección transversal del cajón Para el análisis estructural se empleará el programa de computo SAP 2000, el cual realiza el análisis y encuentra los diagramas de momentos flectores, fuerzas cortantes y fuerzas axiales, se han considerado apoyos elásticos, tal como se aprecia en los siguientes gráficos. Momentos últimos de diseño Mu (ton-m) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. iii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Fuerzas cortantes últimos de diseño Vu (ton) Fuerzas axiales (ton) Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. iv Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Deformación Se revisa el diseño estructural, considerando las cargas actuantes; a continuación se muestra el acero de refuerzo requerido en cada elemento, en este análisis se consideran las secciones de proyecto. Repartición de acero de refuerzo en el cajón Losa superior Diámetro Sep Momento A 8C NO. 8C @ 10 (+) Cara interior B 8C NO. 8C @ 10 (+) Repartición cara interior C 8C NO. 8C @ 10 (-) Cara exterior D 6C NO. 6C @ 15 (-) Cara exterior E 5C NO. 5C @ 18 (-) Repartición cara exterior Losa inferior A 8C NO. 8C @ 10 (-) Cara interior B 8C NO. 8C @ 10 (-) Repartición cara interior C 8C NO. 8C @ 10 (+) Cara exterior D 6C NO. 6C @ 15 (+) Cara exterior E 5C NO. 5C @ 18 (+) Repartición cara exterior Muros A 8C NO. 8C @ 10 (+) Cara interior B 8C NO. 8C @ 10 (+) Repartición cara interior C 6C NO. 6C @ 15 (-) Cara exterior D 6C NO. 6C @ 20 (-) Repartición cara exterior Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. v Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Modelación por Elemento finito Momento máximo losa superior Momento máximo losa inferior Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. vi Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Cortante máximo losa superior Cortante máximo losa inferior Momento máximo Muro 1 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. vii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Momento máximo Muro 2 Comparando estos datos con lo establecido en el proyecto se concluye que la sección original con los refuerzos que se indican no cumple con la cuantía necesaria Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. viii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Anexo 2 Análisis de seccionamiento del canal, alternativa de solución En este caso, como alternativa de proyecto para la construcción del cajón vehicular de 53.44 metros de longitud, se propone seccionarlo en 5 módulosde 10 metros cada uno, para liberar esfuerzos en toda su longitud Se secciona el cajón en cinco partes para relajar esfuerzos nos da los siguientes resultados: Momento máx. Esfuerzo Concreto (T-m) (T/m2) Esfuerzo permisible del concreto a la compresión -2315.04 -80.871 pasa 0.45*f´c= 0.45 x 250 = 112.50 kg/cm2 -2315.04 -62.311 pasa 1107.23 t/m2 -2315.04 70.265 pasa -2315.04 86.174 pasa Esf. Per.= 1107.23 t/m2 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. ix Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 (+) compresión (-) Tensión pasa pasa pasa pasa área= 0.60x7.20 = 4.32 m2 promedio= 78.22 t/m2 T = As x fs = 4.32 m2 x 78.22 t/m2 = 337.91 ton datos: Fy = 4200 kg/cm2 (resistencia última a la tensión del acero) fs = 2100 kg/cm2 (esfuerzo permisible de tensión en acero fs=0.5Fy) 20668.33 t/m2 As = T/fs = 337.91/20668.33 = 0.0163 m2 163.49 cm2 Revisando la sección del plano de proyecto tenemos: El refuerzo del patín inferior está formado por dos lechos de 29 varillas B del # 6, Arrojando un área de 2.85 cm2 ó 0.000285 m2. Área total = 2.85 x 58= 165.30 cm2 165.30 > 163.49 pasa el área de acero ok Al concluir el análisis se determina que con el seccionamiento cumple con la cuantía de acero que se propuso en el proyecto original (2006). Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. x Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Anexo 3 Secciones estructurales de proyecto (2006) A T IE R R A S D E LA B O R P E R F I L L O N G I T U D I N A L Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xi Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xiii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Anexo 4 Secciones estructurales para reparación del cajón (2013) P L A N T A ESC 1:250 Esv.=25°25' Izq. A nc ho d e C al z. = 71 0 Acot.=250 A nc ho T ot al =1 21 0 Acot.=250 A R U IN A S A R Q U E O LO G IC A S A TE P E Y A H U A LC O , P U E . 600 790 20 20 790 86 1 960 ELEVACION - ENTRADA A PSV ESC 1:250 A PUEBLA, PUE. A PEROTE, VER. 49 0 790 7 0 60 60 78+09078+08078+07078+06078+05078+090 78+100 78+110 78+120 78+130 78+140 78+150 Superestructura.- Formada por un cajón de concreto reforzado de 67.00 m. de longitud, con un Ancho de Calzada de 6.00 m. , para una carga viva de proyecto de HS-20 en dos bandas de transito. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xiv Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 63 0 70 60060 60 SECCION TRANSVERSAL-CAJON ESC 1:75 49 0 40 40 50 50 40 63 0 70 40 LOSA DE FONDO LOSA TAPA Refuerzo del cajón 63 0 70 60060 60 SECCION TRANSVERSAL-CAJON ESC 1:75 40 40 50 50 40 63 0 70 40 MURO LOSA DE FONDO MURO 70 720 720 MURO 10 10 MURO Refuerzo del cajón Refuerzo del cajón 10 10 Refuerzo del cajón Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xv Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 SECCION TRANSVERSAL-CAJON ESC 1:40 10 5 Conectores de varilla de 58" (Vars.E) @ 98 en ambos sentidos en muros, y @ 96 en losa, empotrados con mortero Barreno de Ø=2.2 cm. para anclar conectores, con mortero (arena-cemento) Muro existente 10 4 10 20 19 e sp a ci os d e 20 = 38 0 ( V ar s. A ) 10 500 23 espacios de 20=460 (Vars.A) 18 2 18 2 66 20 23 23 63 0 60 5 00 70 50 41 0 40 63 0 60 5 00 70 50 41 0 40 50 605060 Ver detalle No.1 20 23 23 16 14 16 71 2 2 Vars.A Vars.B Vars.C Vars.A Vars.A Vars.A Vars.C Vars.A Vars.C Vars.A Vars.B 10 10 10 Escarificara la superficie con una rugosidad minima de 5 mm., ademas se aplicara un adhitivo para unir concreto viejo con nuevo. Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xvi Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 A PER O T E, VER. A PU EBLA, PU E. A R U IN A S A R Q U E O LO G IC A S A TE P E Y A H U A LC O , P U E . P L A N T A ES C 1:500 SEC C IO N TRA N SVERSAL-CAJO N E SC 1:75 60 0 20 0 10 0 20 0 1 00 Perforaciones de Ø=4". para inyección de lechada de cemento P L A N T A ESC 1:200 34 espacios de 200=6800 (perforaciones) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 PERFORACIONES REALIZADAS LADO TEPEYAHUALCO PUEBLA LADO RUINAS DE CANTONA F IL A 1 F IL A 2 F IL A 3 F IL A 4 F IL A 5 F IL A 6 F IL A 7 F IL A 8 F IL A 9 F IL A 1 0 F IL A 1 1 F IL A 1 2 F IL A 1 3 F IL A 1 4 F IL A 1 5 F IL A 1 6 F IL A 1 7 F IL A 1 8 F IL A 1 9 F IL A 2 0 F IL A 2 1 F IL A 2 2 F IL A 2 3 F IL A 2 4 F IL A 2 5 F IL A 2 6 F IL A 2 7 F IL A 2 8 F IL A 2 9 F IL A 3 0 F IL A 3 1 F IL A 3 2 F IL A 3 3 F IL A 3 4 F IL A 3 5 F IL A 3 6 70 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xvii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 Se escarificará la superficie con una rugosidad mínima de 5 mm., además se aplicará un aditivo para unir concreto viejo con nuevo. DETALLE No.1 (CONECTORES) ESC 1:10 10 Muro existente Barreno de Ø=2.2 cm. para anclar conectores, con mortero (arena-cemento) Conectores de varilla de 58" (Vars.E) @ 98 en ambos sentidos en muros, y @ 96 en losa, empotrados con mortero 5 10 10996 619681 33 238 109 96 33 61 96 81 238 63 1515 63 66 espacios de 96=6336 (conectores) 67 espacios de 96=6432 (conectores) 6700 58 58 10 10 4 de 9 6= 38 4 5 de 9 6= 48 0 50 0 67 1818 67 67 espacios de 98=6566 (conectores) 68 espacios de 98=6664 (conectores) 6700 58 58 9 9 3 de 9 8= 29 4 4 de 9 8= 39 2 41 0 Conectores de varilla de 58" @ 98 en ambos sentidos, empotrados con mortero (Ver detalle "1") cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela cartela Conectores de varilla de 58" @ 96 en ambos sentidos, empotrados con mortero (Ver detalle "1") DISTRIBUCION DE CONECTORES EN PLANTA DE CAJON ESC 1:100 DISTRIBUCION DE CONECTORES ENCARA DE M U R O DEL CAJON ESC 1:100 Concreto lanzado Eje del CajónEje del Cajón Conectores (Ver detalle No.1) Acero de refuerzo Acero de refuerzo Acero de refuerzo Acero de refuerzo Acero de refuerzo Conectores (Ver detalle No.1) Acero de refuerzo 10 10 10 SECCION TRANSVERSAL-CAJON ESC 1:40 SECCION TRANSVERSAL-CAJON ESC 1:40 Tesina: REVISIÓN DEL PSV TIPO CAJÓN, ESPECIALIZACIÓN EN PUENTES ACCESO A GRUTAS DE CANTONA, FES Aragón AUTOPISTA AMOZOC-PEROTE, EN PUEBLA UNAM Pág. xviii Alumno: ROMÁN ESPÍNDOLA JUAN Octubre de 2019 SECCION TRANSVERSAL (CORTE A-A) ESC 1:125 5 0 0 Carpeta asfáltica de espesor variable para nivelar los accesos. Carpeta asfáltica de espesor variable para nivelar los accesos. 5 0 0 Losa de proyecto de 10 de espesor Losa de proyecto de 10 de espesor 1 0 SECCION TRANSVERSAL (CORTE A-A) ESC 1:125 Losa de proyecto de 10 de espesor Losa de proyecto de 10 de espesor Portada Resumen Presentación del Proyecto y Alcances Índice Introducción 1. Antecedentes 2. Descripción de la Estructura, Ubicación y Características Generales Capítulo 1. Consideraciones Teóricas Capítulo 2. Análisis de Estudios Previos Capítulo 3. Evaluación Geotécnica Capítulo 4. Evaluación Estructural Conclusiones Bibliografía Anexos
