750-Ltm-015 Tomo i Diseno de Cimentaciones General

0 Emisin Inicial C. Alarcn M. Gmez A. Galindo 2013/06/21

Rev. Descripcin Dise Revis Aprob Fecha

DISEO DE LA LNEA DE TRANSMISIN A 115 KvENTRE LA S.E. OCOA, S.E. GUAMAL (MANUELITA) Y S.E. SAN FERNANDO

MEMORIA DE DISEO DE CIMENTACIONES

Dise: Revis: Documento N.: Rev.

C. Alarcn M. Gmez 0Fecha: Fecha: Fecha: Codigo cliente: Rev Cliente.

2013/06/19 2013/06/21 2013/06/21 0

Aprob:

A. Galindo

0

750-LTM-015

DISEO DE CIMENTACONES (CONSORCIO DISEOS META A+I&D)

750-LTM-015 Memoria de diseo de cimentaciones Pgina 2 de 75

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIN ................................................................................................. 3 2. DATOS BSICOS ............................................................................................... 3 3. CIMENTACINES EN ZAPATA ........................................................................ 3 3.1. METODOLOGA............................................................................................ 4 3.1.1. VERIFICACIN AL ARRANQUE................................................................. 5 3.1.2. VERIFICACIN AL VOLTEO....................................................................... 5 3.1.3. VERIFICACIN A LA COMPRESIN ......................................................... 6 3.2. DISEO ESTRUCTURAL DE LA ZAPATA ................................................. 7 3.2.1. CHEQUEO A CORTANTE DE LA ZAPATA ................................................ 8 3.2.1.1. CHEQUEO A CORTANTE POR PUNZONAMIENTO ............................. 8 3.2.1.2. CHEQUEO A CORTANTE COMO VIGA ANCHA .................................. 9 3.2.2. DISEO A FLEXIN DE LA ZAPATA......................................................... 9 3.2.3. DISEO DEL REFUERZO DEL PEDESTAL .............................................. 11 3.2.3.1. ACERO SUMINISTRADO PARA ATENDER FLEXO TRACCIN ...... 12 3.2.3.2. ACERO SUMINISTRADO PARA ATENDER FLEXO-COMPRESIN. 13 4. RESULTADOS................................................................................................... 15 5. REFERENCIAS ................................................................................................. 15 6. ANEXOS............................................................................................................. 16 6.1. REACCIONES DE LA TORRES .................................................................. 17 6.1.1. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO A ................ 17 6.1.2. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO B................. 23 6.1.3. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO C................. 29 6.1.4. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO D ................ 35 6.1.5. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO DT.............. 41 6.1.6. RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LAS TORRES .............................. 47 6.2. CLCULOS DE LAS ZAPATAS DE LAS TORRES ................................... 51 6.2.1. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO A ....................... 51 6.2.2. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO B........................ 56 6.2.3. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO C........................ 61 6.2.4. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO D ....................... 66 6.2.5. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO DT..................... 71

INDICE DE FIGURAS Figura 1. Geometra general y sentido de las cargas externas en la zapata. 5 Figura 2. Distribucin de esfuerzos en la zapata11 Figura 3. Distribucin de esfuerzos en el pedestal.14



1. INTRODUCCIN En el siguiente informe se presenta la memoria de diseo de cimentaciones tipo zapata aislada para las torres auto-soportadas tipo suspensin y retencin para la interconexin entre las subestaciones de Ocoa en la ciudad de Villavicencio y las subestaciones Manuelita y San Fernando en el Municipio de Guamal. Para el diseo de las cimentaciones se deben considerar dos posibles condiciones de suelo: SECO Y SUMERGIDO.

2. DATOS BSICOS Para el diseo de las cimentaciones se requiere como datos bsicos las reacciones debidas a las cargas aplicadas a nivel de pedestal, los parmetros bsicos del suelo de fundacin y los parmetros de los materiales de construccin. Para todas las torres (Tipo A, B, C, D, DT y AE), las reacciones son obtenidas por medio de una hoja de clculo, en la cual, a partir de las solicitaciones determinadas en los rboles de carga y sus puntos de aplicacin (la cuales se ingresan a la hoja de clculo como coordenadas cartesianas, tomando el origen en la mitad de la distancia entre las patas), se obtienen las reacciones al calcular los momentos generados por las cargas actuantes y luego descomponindolos en pares de fuerzas aplicados en los apoyos de las patas. En cuanto al suelo, para este tipo de cimentacin, se requiere de la capacidad admisible y su densidad. Estos datos propios del suelo de fundacin se obtuvieron con el estudio de suelos. En el caso especfico de las zapatas, para considerar el efecto estabilizador del peso del cono de tierras, se requiere de la definicin del ngulo del cono de arrancamiento. Sobre los materiales de construccin, se requiere de la densidad del concreto, su resistencia y el esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo. fc = 21 Mpa fy = 420 Mpa

3. CIMENTACINES EN ZAPATA Para el diseo de cimentaciones tipo zapata se requiere calcular los esfuerzos de compresin producidos en el suelo por una zapata aislada sometida a la accin de carga axial y momentos flectores en las direcciones de los ejes principales X y Y, y los factores de seguridad al arrancamiento y al volteo.



3.1. METODOLOGA Las cargas a nivel de pedestal con las que se trabajan son cargas de trabajo para las verificaciones de arrancamiento, deslizamiento, compresin y volteo y cargas de diseo para el diseo estructural de la zapata. En la verificacin a compresin se despreciar totalmente la friccin entre las paredes y el bloque de falla originada por la cohesin o por la friccin interna del suelo. Para la resistencia al arrancamiento se tendr en cuenta el efecto estabilizador del peso del cono de tierras. Se deben calcular las resultantes a nivel de fundacin, incluyendo el peso propio de la zapata y el relleno. Con las reacciones a nivel de la zapata se hace el anlisis de estabilidad y de esfuerzos actuantes sobre el suelo:

FIGURA 1 Geometra general de la zapata y sentido de las cargas externas. Donde: B = Lado de la zapata, [m] D = Profundidad de desplante. [m] AST= Altura del pedestal sobre el nivel del terreno, [m] T= Espesor de la zapata, [m] A= Ancho del pedestal, [m] FTx,y = Fuerza transversal y longitudinal producidas por cargas externas de trabajo cuando la fuerza est en traccin, [kN] FCx,y = Fuerza transversal y longitudinal producidas por cargas externas de trabajo cuando la fuerza est en compresin. [kN]



3.1.1. VERIFICACIN AL ARRANQUE Se calculan las cargas resistentes al arrancamiento (W), como lo son las masas efectivas propias de la zapata, el relleno y el peso del cono de tierras.

K1 = Factor de seguridad al arranque = W/Tmax > 1.5 En donde: Tmax = Carga de trabajo mxima de traccin [kN] VZ = Volumen de concreto de la zapata = B*T+A*(AST+ (D-T)) VREL= Volumen Relleno = (B-A)*(D-T)

ANG = ngulo del cono de arranque. () s = Densidad del suelo [kN/m] c = Densidad del concreto [kN/m] rel = Densidad del relleno [kN/m]

3.1.2. VERIFICACIN AL VOLTEO Se debe analizar la accin de volteo que puede producir las cargas externas, tanto a compresin como a tensin, en la zapata. Se calcula entonces el momento producido por las fuerzas externas y luego el momento resistente producido por las fuerzas que se oponen al volteo aplicadas a la zapata, respecto al borde de la misma. MRVC=Momento estabilizador a compresin = (VZ*c + VREL* rel) * B/2 [kN-m] FTC = Fuerza total a compresin =Cmax + VZ*c + VREL* rel [kN] Cmax = Fuerza de trabajo a compresin producida por cargas externas en sentido del montante [kN] MVCx,y = Momento de vuelco en X y Y alrededor del punto M producido por cargas externas de trabajo cuando la fuerza est e compresin. [kN-m] FCx,y = Fuerza transversal y longitudinal producidas por cargas externas de trabajo cuando la fuerza est en compresin. [kN]



MVCx, y = FCx,y*(D+AST) - Cmax*(B/2+(D+AST)*m) momento alrededor del punto M. K2 = MRVC / MVCx > 1.5 K3 = MRVC / MVCy > 1.5 MRVT = Momento estabilizador a tensin = W* B/2 [kN-m] MVTx,y = Momento de vuelco en X y Y alrededor del punto M producido por cargas externas de trabajo cuando la fuerza est en traccin. [kN-m] FTx,y = Fuerzas de trabajo transversal y longitudinal producidas por cargas externa cuando la fuerza est en traccin [kN] MVTx, y = FTx, y*(D+AST) + Tmax*(B/2-(D+AST)*m) momento alrededor del punto M. K4 = MRVT / MVTx > 1.5 K5 = MRVT / MVTy > 1.5

3.1.3. VERIFICACIN A LA COMPRESIN Por ltimo se verifica que la capacidad de carga actuante sobre el suelo, en condiciones dinmicas, no supere la capacidad admisible. Qadm Qacc [kPa] Qadm = Capacidad admisible en condiciones estticas, a nivel de desplante de la zapata con factor de seguridad de 3 y sin considerar la masa de relleno que gravita sobre ella. [kPa] Qacc = Esfuerzo mx. Neto actuante a compresin Qacc = (FTC-Vexc * s)/ B2 + QMXc + QMYc [kPa] FTC =Fuerza total a compresin = Cmax + VZ*c + VREL* rel [kN] MCx, y =FCx, y*(D+AST)-Cmax*(D+AST)*m momento alrededor del punto o. [KN-m] MCx, y = MXC, MYC = Momento actuante en X y Y alrededor del punto o producido por cargas externa de trabajo cuando la fuerza est en compresin [KN-m] QMXc = Esfuerzo producido por el momento en X [kN-m] QMXc = 6*MXC / B3



QMYc = Esfuerzo producido por el momento en Y [kN-m] QMYc = 6*MYC / B3 Vexc = Volumen de Excavacin. s = Peso especifico del suelo. Para la verificacin del esfuerzo mnimo el modelo considera y verifica que la carga est en el tercio medio: Qacc min = (FTC-Vexc * s)/ B2 - QMXc - QMYc 0 [kPa] e B / 6 [m] Nomenclatura: VZ = Volumen de concreto de la zapata [m] Vrel = Volumen del relleno [m] VC = Volumen del cono [m] s = Densidad del suelo [kN/m] c = Densidad del concreto [kN/m] rel = Densidad del relleno [kN/m] B = Lado de la zapata [m] D = Profundidad de desplante [m] AST= Altura del pedestal sobre el nivel del terreno [m] e= Excentricidad [m]

3.2. DISEO ESTRUCTURAL DE LA ZAPATA Para el diseo estructural de los elementos de la zapata se utiliz el mtodo de estados lmites (mtodo por resistencia ltima), el cual establece que la resistencia del elemento, afectada por un factor de reduccin de resistencia, debe ser mayor o igual a las acciones inducidas en el elemento.



3.2.1. CHEQUEO A CORTANTE DE LA ZAPATA El cortante en la zapata se revis en dos condiciones de acuerdo con el ACI: como viga en dos sentidos o punzonamiento y como viga ancha.

3.2.1.1. CHEQUEO A CORTANTE POR PUNZONAMIENTO Para el clculo del esfuerzo por punzonamiento se utiliza el mtodo empleado para la verificacin a la compresin, pero para cargas de diseo. Para esta condicin el esfuerzo cortante resistente por el concreto es: PUNMX = *1/3 * (fc)0.5 * 1000; con = 0.85 fc en MPa El esfuerzo actuante sobre una lnea de falla localizada a d/2 del borde de la zapata y descontando la resultante de los esfuerzos contenidos dentro de la lnea de falla es:

vu=QFTC[B2( A+d )2 ]

4( A+d )d =PUNZ Se debe cumplir que PUNZ PUNMX Donde: PUNMX = Resistencia al esfuerzo cortante por punzonamiento del concreto. [kN/m2] PUNZ = u = Esfuerzo cortante por punzonamiento producido por las cargas ltimas en la seccin. [kN/m2] QFTC = Esfuerzo mximo neto que transmite la zapata con cargas de diseo. [kN/m2] B = Lado de la zapata. [m] A = Lado de la columna. [m] d = Altura efectiva de la zapata. [m]



3.2.1.2. CHEQUEO A CORTANTE COMO VIGA ANCHA Para el clculo del cortante se utiliza el mtodo empleado para la verificacin a la compresin, pero para cargas de diseo. El esfuerzo cortante que resiste el concreto bajo esta condicin es: CORMX = *1/6 * (fc)0.5 * 1000; con = 0.85; fc en MPa Conservativamente se supone que la presin ejercida por el suelo es uniforme, por tanto el esfuerzo cortante actuante a una distancia d del borde del pedestal es: CORT = ([(QFTC) * (Lv d)] / d) Se debe cumplir que CORT CORMX Donde: CORMX = Resistencia nominal a cortante suministrada por el concreto [kN/m2] CORT = Esfuerzo cortante de las cargas ltimas en la seccin. [kN/m2] T = Espesor losa de zapata. [m] H = Altura del lleno estructural soportado por la losa de la zapata. [m] Lv = Longitud del Voladizo = Distancia desde el borde de la zapata a la cara del pedestal en cada una de las direcciones X y Y. [m] d = Altura efectiva de la zapata [m]

3.2.2. DISEO A FLEXIN DE LA ZAPATA Para el diseo a flexin de la zapata se deben tener en cuenta los esfuerzos mximos de diseo calculados. Para el clculo del momento en la losa de la zapata se verifica la flexin en la cara del pedestal segn el artculo 15.4 del cdigo A.C.I. Para el clculo del rea de refuerzo de la armadura inferior, la presin de diseo para encontrar el momento corresponde a la presin mxima transmitida por el suelo, menos los efectos producidos por el peso propio y peso del relleno sobre la zapata. Se calcula el momento de la zapata en la direccin ms desfavorable, considerando la presin total neta sobre el voladizo, segn la siguiente ecuacin:



FIGURA 2 DISTRIBUCIN DE ESFUERZOS EN LA ZAPATA

MOM1 = ( * Lv2x,y * (QFTC)) Donde: MOM1 = Momento ltimo en la seccin, en la direccin elegida X Y. [kN-m] Lv = Longitud del voladizo = distancia desde el borde de la zapata a la cara del pedestal en cada una de las direcciones X y Y. [m] QFTC = Esfuerzo ltimo mximo calculado con cargas de diseo. [kN/m2] H =Altura del relleno estructural soportado por la losa de zapata. [m] El clculo de la cuanta de acero se efectu de acuerdo con el mtodo de Whitney asumiendo un bloque de compresin en el concreto de forma rectangular con una profundidad igual al 85 % de la distancia al eje neutro. Resolviendo las ecuaciones de equilibrio, tenemos: = fc*( - ( 2 2.36 * * K/ fc) 0.5)/(1.18 * * fy)); cos = 0.90; ( = Cuanta) En donde: K = Mu / (b * d2) AS1= rea de acero necesaria = *b*d La Cuanta mnima requerida segn A.C.I para zapatas es de = 0.0018.



Para el clculo de la armadura superior, se efecta el mismo procedimiento, pero la presin utilizada corresponde al peso del cono de arrancamiento dividido por el rea de la zapata.

TmaxD = Carga de diseo mxima de Tensin. [kN] VZ = Volumen de concreto de la zapata. [m3] T = Espesor de la zapata [m]

3.2.3. DISEO DEL REFUERZO DEL PEDESTAL

El criterio de diseo para el refuerzo longitudinal colocado en el pedestal es el de atender simultneamente la flexin generada por los momentos y por las fuerzas de cortante en la base del pedestal y por las cargas axiales de compresin o de traccin. El diseo a flexin del pedestal se debe realizar con las cargas al nivel inferior del mismo, de acuerdo con los resultados ms desfavorables, de las condiciones de carga crticas. La metodologa se describe a continuacin: Para algunas combinaciones de carga se pueden presentar cargas a traccin en el pedestal de la cimentacin. El mtodo, indicado para el diseo del refuerzo longitudinal del pedestal, es muy aproximado, y tiene en cuenta las solicitaciones de carga crtica, los esfuerzos, tipo y direccin, que las cargas le imponen al pedestal. El pedestal es una columna solicitada en una condicin a flexo traccin biaxial y en otra a flexo compresin biaxial; el resultado del diseo es evaluar el refuerzo necesario, en la seccin transversal ms crtica, para la condicin ms severa, para absorber adecuadamente los esfuerzos a los que el elemento est solicitado. El rea de refuerzo necesaria se distribuye uniformemente en las cuatro caras del pedestal. igual a 0,90, es aplicable elementos sometidos solamente a traccin axial con o sin flexin, se aclara que para elementos sometidos a compresin con o sin flexin axial y para el caso de columnas como el pedestal es igual a 0,70. A continuacin se realiza la verificacin de:



3.2.3.1. ACERO SUMINISTRADO PARA ATENDER FLEXO TRACCIN En el caso de flexo-traccin se considera que el concreto no trabaja (consideracin ms desfavorable) y todo el aporte lo realiza el acero de refuerzo:

A: Lado del pedestal [m] Rec.: Recubrimiento [m] As: rea por varilla [m2]

: rea de refuerzo total del pedestal: [m2]

S: Modulo de seccin del rea requerida de acero: n: cantidad de varillas mltiplos de cuatro ( 4,8,12,16.) Reemplazando el modulo de seccin S en la formula anterior, se encuentra el rea de acero necesaria para resistir las solicitaciones de flexo-traccin:

Tu max: Tensin actuante ultima. [kN] A: Lado del pedestal [m] Rec.: Recubrimiento [m]



Momento ltimo (Mu) del pedestal:

FIGURA 3. Distribucin de esfuerzos en el pedestal. MTux,y=FTux, y*(D+AST) Tu max*(D+AST)*m MTux,y=FTux, y*(D+AST) Cu max*(D+AST)*m FTux,y , FCux,y= cargas de diseo horizontales producida por cargas externas (condicin Traccin o Compresin). MTu x,y = Momento ultimo generado por las cargas horizontales de diseo en X, Y de la condicin de traccin. MCu x,y = Momento ultimo generado por las cargas horizontales de diseo en X, Y de la condicin.

3.2.3.2. ACERO SUMINISTRADO PARA ATENDER FLEXO-COMPRESIN En la seccin controlada por compresin, la capacidad o carga de diseo a la falla estar dada por:



Para los miembros sometidos simultneamente a esfuerzo de compresin axial y a esfuerzos de flexin, deben estar diseados de manera que satisfagan las condiciones siguientes: Para Flexo- compresin

Si entonces:

Si no En donde: As = rea del refuerzo a compresin. Las variables restantes tendrn la misma nomenclatura utilizada en la expresin para la seleccin controlada por traccin. Para el diseo de refuerzo a cortante se despreciar el esfuerzo resistente a cortante del concreto y se supondr que el esfuerzo resistente del acero recibir la totalidad del esfuerzo cortante. La expresin para el clculo de la separacin de estribos es la siguiente: S = Av*fy*d/Vu Donde: Vu = Fuerza cortante ultima (Mxima fuerza horizontal de diseo debido a cargas externas) [kN] d = Altura efectiva del pedestal [m] Av = rea del refuerzo para atender cortante [m] El refuerzo transversal tendr un espaciamiento mximo entre estribos que no podr exceder: (1) 8 dimetros de la varilla longitudinal confinada ms pequea, (2) 24 dimetros de la varilla confinante, (3) la mitad de la menor dimensin de la seccin transversal de la columna. Adems el primer estribo debe estar a no ms de 5 cm. de la cara de la junta: - 8db de las barras longitudinales. (db = dimetro de la varilla longitudinal) - 24*dimetros de la varilla confinante. - La menor entre la mitad de las dimensiones de la seccin transversal.



4. RESULTADOS Los resultados del clculo de las zapatas de las torres se muestran en los anexos de ste documento, de tal manera que se presentan primero los clculos realizados para determinar las reacciones de las torres (Anexos en la seccin 6.1) y las tablas del clculo de las zapatas de las torres (Anexos en la seccin 6.2).

5. REFERENCIAS (1) Tarun Naik. Foundations Subjected to Uplift and lateral load. Design of Transmission Line Structures and Foundations Course. Wisconsin Milwaukee University. (2) Meyerhof and Adams. The Ultimate Uplift Capacity of Foundations. Canadian Geotechnical Journal Vol. V No. 4 November 1968. (3) Berzantsev. V. Load Bearing Capacity and Deformation of Piled Foundations - Proceedings of 5th International Conference, Paris, Vol. 2, 1961. (4) Littlejohn, G.S. and Bruce D.A. - Rock anchors - Design and Quality Control Proceedings of the Sixteenth Symposium of Rock Mechanics. September 22 - 24, 1975. (5) U.S. Bureau of Reclamation - Transmission Structures. (6) BS CP 110, Part 1 - The Structural Use of Concrete. (7) IEEE Power Engineering Society. 691TM IEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing. (8) ACI Committee 318 Structural Building Code. Building Code Requirements For structural Concrete and Commentary (ACI318m-05).



6. ANEXOS



6.1. REACCIONES DE LA TORRES

6.1.1. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO A



6.1.2. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO B



6.1.3. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO C



6.1.4. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO D



6.1.5. CLCULO DE LAS REACCIONES PARA LA TORRE TIPO DT



6.1.6. RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LAS TORRES



6.2. CLCULOS DE LAS ZAPATAS DE LAS TORRES

6.2.1. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO A



6.2.2. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO B



6.2.3. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO C



6.2.4. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO D



6.2.5. CLCULO DE LAS ZAPATAS PARA LA TORRE TIPO DT

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