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ALFREDO ZEGARRA
TAMBO
REVISION ESTRUCTURAS
SECCIONES DE TUNEL EN OBRA DE DRENAJE-CORPORACION TORREBLANCA
Doc. N IT.2014-02
Rev A.
Fecha
24-03-2014
PROYECTO: REVISION DE ESTRUCTURAS
SECCIONES DE TUNEL EN OBRA DE DRENAJE-CORPORACION TORREBLANCA
REVISION ESPECIALIDAD ESTRUCTURAS
A 24-03-2014 Revision Estructuras
Emisin AZT
Rev. Fecha Pagina/Documento Descripcin Firma Departamento Aprobado
ALFREDO
ZEGARRA
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FECHA 24-03-2014
INFORME DE REVISION DE ESTRUCTURAS DE LAS SECCIONES DE TUNEL DE LA OBRA DE DRENAJE CORPORACION TORREBLANCA
1.0 OBJETO DEL INFORME
Por encargo de la Corporacin Torreblanca, se plantea la evaluacin de un tnel de
drenaje de 810 m de longitud, de los cuales aproximadamente 200 metros estn
sostenidos con cimbras tipo herradura y 610 m con cimbras tipo bal, las dimensiones
de las cimbras son 2.35 m ancho y 2.35 m de altura.
2.0 FUENTES DE INFORMACION
Las fuentes de informacin que se han alcanzado son los siguientes:
Planos de la seccin del tnel:
Cimbra 2.35 x 2.35, Tipo Herradura
Cimbra 2.35 x 2.35 Tipo Baul, 2 Cuerpos
Cimbra 2.35 x2.35 Tipo Bal, 3 cuerpos
Registro geolgico
El registro geolgico, el cual nos muestra la predominancia de Rocas tipo IV y tipo V (Ver
Tabla N01).
El tnel tiene aproximadamente 815 cimbras instaladas con separaciones que varan
entre 0.5 m y 1.2 m., el sostenimiento con cimbras est completado en los hastiales con
madera y en la bveda con planchas acanaladas, entre la pared del tnel y la madera o
plancha acanalada se ha topeado con bolsacrets. El tnel est construido, se someter a
un anlisis para confirmar si el sostenimiento con las cimbras instaladas son
competentes o si es necesario reforzar con cimbras intermedias, considerando que el
terreno predominante del tnel est constituido por Roca tipo IV.
El tnel es parte de un sistema de drenaje y se construir un canal de concreto en su
interior aprovechando todo el ancho del tnel. A continuacin se presenta en la Tabla N
001, el registro geolgico del tnel.
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Tabla N 001. Registro Geologico del Tnel
3.0 ANALISIS ESTRUCTURAL
El anlisis de cada una de las estructuras se hizo con el programa sap2000.Se
consideraron modelos tridimensionales, suponiendo comportamiento lineal y
elstico.
Los elementos se representaron con elementos lineales.
3.01 Propiedades de los Materiales:
Los anlisis se hicieron suponiendo los siguientes parmetros
Acero de calidad A-36
Fy=2530.00 Kg/cm2
Densidad de la roca =2500 Kg/m3
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3.02 Cargas Verticales
Las cargas empleadas en el anlisis se han distribuido en 02 rubros:
3.02.01 Cargas muertas
Los pesos de los elementos se estimaron a partir de sus dimensiones reales, con
un peso especfico de 7,850 kg/m3, en el caso particular del perfil W4x13, el peso
unitario (por metro lineal), es del orden de 19.50 Kg/ml
3.02.02 Cargas vivas
A continuacin se presenta una tabla (Tabla N01), planteada por Terzaghi en la
que se indican las normas ms generales de criterio en lo referente a las cargas a
las que estan sometidos los sistemas de sostenimiento en tneles que crucen roca.
La Nomenclatura utilizada en lo que sigue es la siguiente:
B=Ancho efectivo de la excavacin del Tnel
Ht=Altura del tnel
Figura N 001. Grfico de parmetros para clculo de carga vertical en tneles.
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Tabla N001. Tneles en Roca. Criterios de Terzaghi
Estado de la Roca Carga Hp (m) Observaciones
Roca sana e Intacta Cero Ademe ligero, si hay roca explosiva
Roca sana estratificada 0 a 0.50B Cuando sea necesario ademe ligero
Roca moderadamente fisurada 0 a 0.25B Ademe ligero, si hay roca explosiva
Roca moderadamente fragmentada 0.25B a 0.35 (B+Ht) Ademe en el techo, raramente en las paredes y nunca en el piso
Roca muy fragmentada 0.35 (B+Ht) a 1.10(B+Ht) Ademe en el techo y en las paredes
Roca triturada y qumicamente intacta
1.10(B+Ht) Recomendable ademe circular
Roca que fluye plsticamente (a poca profundidad)
1.10(B+Ht) a 2.10(B+Ht) Conviene ademe circular
Roca que fluye plsticamente (a gran profundidad)
2.10(B+Ht) a 4.50(B+Ht) Conviene ademe circular
Roca expansiva Hasta 70m. independientemente del valor de (B+Ht)
Indispensable ademe circular
En el desarrollo de estas expresiones se plantean las siguientes caracterizaciones
de las rocas
Rocas trituradas
En estas rocas es tpico el efecto de arqueo, que indica la capacidad de la roca
situada sobre el techo del tnel para trasmitir la presin debido a su peso a las
masas colocadas a los lados del mismo, este efecto es similar al arqueo de arenas.
A continuacin se muestra esquemticamente la masa de roca afectada por el
fenmeno:
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Figura N 002. Grfico de masa afectada en tneles.
En la tabla siguiente, se indican los valores mximos y mnimos de laaltura de
carga Hp, es de mencionar, que de acuerdo a la experiencia de los autores los
valores reales suelen acercarse ms a los mnimos que a los mximos dados por la
tabla siguiente:
Tabla N002. Tneles en Roca Triturada
Roca totalmente triturada, Carga Hp (m)
Compacta Mn: 0.27(B+Hp) Max: 0.60(B+Ht)
Roca sana estratificada Mn: 0.47(B+Ht) Max: 0.60(B+Ht)
Rocas fragmentadas
Por el trmino roca fragmentada se indica una roca que, por su gran cantidad de
juntas, grietas y fisuras forma bloques independientes entre los que prcticamente
no existe interaccin. El comportamiento mecnico de estas formaciones se parece
al de las arenas compactas de grano grueso.
Este tipo de formacin la asociamos al tipo de Roca IV y/o V que se ha encontrado
en la Obra.
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Tabla N002. Tneles en Roca Fragmentada
Roca fragmentada Carga Hp (m)
Moderadamente agrietada Inicial: 0.27(B+Hp) Final: 0.60(B+Ht)
Muy agrietada Mn: 0.47(B+Ht) Max: 0.60(B+Ht)
Como se observa, circunscribiremos nuestro anlisis a las formulaciones
empleadas en el caso de las rocas fragmentadas (condicin ms adversa).
Cargas verticales:
La carga en el caso ms desfavorable ser
Hp=1.10*(B+Ht)
Hp=1.10*(2.35m.+2.35m.)
Hp=5.17 m.
Considerando:
Densidad de la roca: =2500 Kg/m3
Luego la presin ejercida ser de
Pv=Hp
Pv=2500*5.17
Pv= 12925 Kg/m2
Para el caso en evaluacin iniciaremos los anlisis con un espaciamiento de 0.40
m. entre cimbras
La carga sera Pva=0.40*Pv=5170 Kg/ml
Cargas horizontales:
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La presin media sobre las paredes del tnel pueden estimarse aplicando las
teoras de presin de tierras en arenas segn:
Ph=Kae (0.50Ht+Hp)
Donde:
Ph= Presion Horizontal (Kg/m2)
Para evaluar lel coeficiente de Empuje Kae, emplearemos formulaciones basadas
en la caracterizacin o clasificacin de Beniawiski, sobre la base del cuadro
geolgico alcanzado y descrito en la Tabla N 001 del presente Informe. Para ello
utilizaremos el siguiente cuadro de clasificacin:
Consideraremos un RMR del orden de 7, y luego estimando la friccin y la
cohesin de acuerdo a criterios utilizados con este fin, tendremos:
Cohesin=0.50 RMR =0.20 Kg/cm2
Angulo de friccin=5+RMR/2=8.50
Luego calculando el Kae (equivalente):
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Resulta un Kae del orden de 0.30, luego aplicando la expresin de cargas laterales
tendremos:
Ph=0.30 (0.50Ht+Hp)
Ph=0.30*2.50*(0.50*2.35+5.17)=4758.75Kg/m
Para 0.40 m., tendremos una carga neta de:
Pha=4754*0.40
Pha=1903.50 Kg/m
Rocas fragmentadas (tipo III)
En este caso tendremos que la altura de carga (Hp), es la siguientes
Estado de la Roca Carga Hp (m)
Roca moderadamente fragmentada
0.25B a 0.35 (B+Ht)
Cargas verticales:
La carga en el caso ms desfavorable ser
Hp=0.35*(B+Ht)
Hp=0.35*(2.35m.+2.35m.)
Hp=1.645 m.
Considerando:
Densidad de la roca: =2500 Kg/m3
Luego la presin ejercida ser de
Pv=Hp
Pv=2500*1.645
Pv= 4112.50 Kg/m2
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4.0 ANALISIS ESTRUCTURAL
A continuacin se presenta el modelo estructural empleado en la seccin tipo
bal, el cual ser evaluado para diferentes espaciamientos entre ellos, con el fin de
evaluar la capacidad de la estructura.
Los espaciamientos y cargas obtenidas segn el procedimiento detallado en el Item
3.02 del Informe han sido utilizados para elaborar el siguiente cuadro de cargas:
Espaciamento (m.) Carga Vertical (Kg/ml)
Carga Horizontal (Kg/ml)
0.40 5170 1901.60
0.60 7755 2852.40
0.70 9047.50 3327.80
0.80 10340 3803.20
A continuacin se presentan los anlisis realizados.
4.10 ANALISIS DE SECCION TIPO BAUL
Separacion de cimbras: t=0.40
Figura N 003, Modelo Estructural seccin bal
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Diagrama de sobrecargas
Figura N 004, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 005, Diagrama de momentos producido por las cargas
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Separacion de cimbras: t=0.60
Diagrama de sobrecargas
Figura N 006, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 007, Diagrama de momentos producido por las cargas
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Separacion de cimbras: t=0.70
Diagrama de sobrecargas
Figura N 008, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 009, Diagrama de momentos producido por las cargas
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Separacion de cimbras: t=0.80
Diagrama de sobrecargas
Figura N 010, Diagrama de cargas vivas
Resultados del Anlisis
A continuacin mostramos el diagrama de momentos flectores, producto del
anlisis estructural
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Figura N 011, Diagrama de momentos producido por las cargas
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4.20 ANALISIS DE SECCION CIMBRA TIPO HERRADURA
Figura N 012, Modelo Estructural seccin herradura
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Separacion de cimbras: t=0.40
Diagrama de cargas:
Figura N 013, Diagrama de cargas vivas
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Figura N 014, Diagrama de momentos, cargas vivas
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Separacion de cimbras: t=0.60
Diagrama de cargas:
Figura N 015, Diagrama de cargas vivas
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Figura N 016, Diagrama de momentos, cargas vivas
Combinaciones de Carga para la revisin del diseo de las cimbras.
La verificacin de la capacidad de los elementos de acero se bas en un procedimiento de
cargas factoradas, conforme al Reglamento del AISC y la Norma peruana de Estructuras
E.090
Las combinaciones utilizadas para la verificacin fueron las siguientes:
U = 1.4 D
U = 1.20D + 1.60L
En estas expresiones D denota cargas permanentes, L se refiere a los efectos de carga
viva en su ubicacin ms crtica.
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Luego de realizar los anlisis y diseos respectivos, se obtienen los ratios
demanda/capacidad del perfil utilizado W4x13, si el valor es menor a la unidad se
considera que el valor de diseo cumple con los requerimientos mnimos normativos
Seguidamente se muestran los resultados grficamente, en los cuales se indican los
ratios de diseo.
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SECCION BAUL
Separacion de cimbras: t=0.40
Figura N 017, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.40 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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Separacion de cimbras: t=0.60
Figura N 018, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.60 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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Separacion de cimbras: t=0.70
Figura N 019, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.70 m.
Como se observa para la separacin de cimbras de 0.70m, lo valores de los ratios
son prximos a la unidad por lo que consideramos que es el lmite de
espaciamiento seguro de los perfiles W4x13, calidad A-36.
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Separacion de cimbras: t=0.80
Figura N 020, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.80 m.
Verificamos que para la separacin de cimbras de 0.80 m, lo valores de los ratios
son sensiblemente mayores a la unidad.
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SECCION HERRADURA
Separacion de cimbras: t=0.40
Figura N 021, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.40 m.
Como se observa los valores son menores a la unidad por lo que los encontramos
Conformes.
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Figura N 022, Ratios de Diseo, espaciamiento entre cimbras de 0.60 m.
Como se observa para la separacin de cimbras de 0.60 m, lo valores de los ratios
estn son prximos a la unidad por lo que consideramos que es el lmite de
espaciamiento seguro de los perfiles W4x13, calidad A-36.
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5.00 CONCLUSIONES
Se ha evaluado desde el punto de vista estructural la capacidad de la cimbras para las
cargas aplicadas sobre ellas, considerando las teoras ms aceptadas de la mecnica de
rocas y suelos.
La altura contribuyente del macizo rocoso se ha estimado en 5.17 m. de potencia (Hp),
en el caso de las rocas tipo IV y V encontradas en el tnel en estudio.
Rocas tipo IV y V
Cimbra tipo BAUL
Para las condiciones indicadas por lo propietarios, y hasta una separacin de
cimbras de 0.70 metros,el cociente demanda/capacidad para las cimbras W4x13,
cumple los requerimientos normativos.
Cimbra tipo HERRADURA
Para las condiciones indicadas por lo propietarios, y hasta una separacin de
cimbras de 0.60 metros en roca tipo IV, el cociente demanda/capacidad para las
cimbras W4x13, cumple los requerimientos normativos.
Como consecuencia considero que la estructura es estable, en las tipologas construidas,
es decir tipo bal y herradura, sin embargo, es preciso sealar que estos resultados
deben ser corregidos por las condiciones reales del terreno que no incorpora el modelo de
clculo.
Roca tipo III
Se realiz un anlisis similar al presentado en el Informe para el caso de roca tipo III,
encontrndose que el espaciamiento seguro entre cimbras tipo W4x13 es de 2.00 m.
como mximo para ambos casos (Tipo Bal y Herradura), situacin que debera ser
verificada in situ por el gelogo especialista en mecnica de rocas.
Atentamente,
Alfredo Zegarra Tambo
CIP 58647