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EL PRESENTE INFORME CONTIENE A DETALLE TODOS LOS ESTUDIOS BÁSICOS QUE SE RELIZAN PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN PUENTE
Tipo: Apuntes
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Morales- Perú 2019
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
a) Objetivos y Alcances........................................................................................................................ b) Instrumentación................................................................................................................................ c) Documentación................................................................................................................................. a) Objetivos........................................................................................................................................... b) Alcances........................................................................................................................................... c) Estudios y Trabajos Previos............................................................................................................. d) Consideraciones para el Diseño....................................................................................................... e) Cálculos de la Socavación................................................................................................................ f) Interrelación con los Estudios Geológicos y Geotécnicos................................................................ g) Información de Apoyo...................................................................................................................... h) Documentación Requerida............................................................................................................... a) Estudios Geológicos......................................................................................................................... b) Estudios Geotécnicos....................................................................................................................... c) Interrelación con los Estudios Hidrológicos.................................................................................... d) Documentación................................................................................................................................ a) Estudio de Peligro Sísmico............................................................................................................... e) Requerimiento de los Estudios......................................................................................................... f) Alcances............................................................................................................................................ g) Métodos de Análisis......................................................................................................................... h) Documentación................................................................................................................................ a) Enfoque............................................................................................................................................ i) Objetivos y Alcances........................................................................................................................ a) Objetivo............................................................................................................................................ j) Metodología...................................................................................................................................... k) Documentación................................................................................................................................ a) Objetivos.......................................................................................................................................... l) Alcances............................................................................................................................................ m) Documentación...............................................................................................................................
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL INTRODUCCIÓN Antes de proceder con el diseño del proyecto de un puente, es indispensable realizar los estudios básicos que permitan tomar conocimiento pleno de la zona, que redunde en la generación de información básica necesaria y suficiente que concluya en el planteamiento de soluciones satisfactorias plasmadas primero en anteproyectos y luego en proyectos definitivos reales, y ejecutables. El proyectista deberá informarse adecuadamente de las dificultades y bondades que le caracterizan a la zona antes de definir el emplazamiento del puente. Emplazamiento que deberá ser fruto de un estudio comparativo de varias alternativas, y que sea la mejor respuesta dentro las limitaciones (generación de información) y variaciones de comportamiento de los cambios naturales y provocados de la naturaleza. Debe igualmente especificar el nivel de los estudios básicos y los datos específicos que deben ser obtenidos. Si bien es cierto que los datos naturales no se obtienen nunca de un modo perfecto, estos deben ser claros y útiles para la elaboración del proyecto. Los estudios básicos deben ser realizados de acuerdo a los requerimientos del proyectista, por personal especializado, con experiencia, y según los procedimientos que se establecen en los manuales especializados de ingeniería de puentes, que en general son más exigentes que lo requerido para las edificaciones. Como parte de los estudios básicos, es igualmente recomendable realizar un estudio y la inventariación de la disponibilidad de materiales, infraestructura instalada, mano de obra especializada, equipos, y otros que el proyectista considere de utilidad. 1
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a) Objetivos y Alcances Los estudios topográficos tendrán como objetivos: Realizar los trabajos de campo que permitan elaborar los planos topográficos Proporcionar información de base para los estudios de hidrología e hidráulica, geología, geotecnia, así como de ecología y sus efectos en el medio ambiente. Posibilitar la definición precisa de la ubicación y las dimensiones de los elementos estructurales. Establecer puntos de referencia para el replanteo durante la construcción. Los estudios topográficos deberán comprender como mínimo lo siguiente: Levantamiento topográfico general de la zona del proyecto, documentado en planos a escala entre 1:500 y 1:2000 con curvas de nivel a intervalos de 1.00 m y comprendiendo por lo menos 100.00 m a cada lado del puente en dirección longitudinal (correspondiente al eje de la carretera) y en dirección transversal (la del río u otro obstáculo a ser transpuesto). Definición de la topografía de la zona de ubicación del puente y sus accesos, con planos a escala entre 1/100 y 1/250 considerando curvas de nivel a intervalos no mayores que 1 m y con Secciones verticales tanto en dirección longitudinal como en dirección transversal. Los planos deberán indicar los accesos del puente, así como autopistas, caminos, vías férreas y otras posibles referencias. Deberá igualmente indicarse con claridad la vegetación existente. En el caso de puentes sobre cursos de agua deberá hacerse un levantamiento detallado del fondo. Será necesario indicar en planos la dirección del curso de agua y los límites aproximados de la zona inundable en las condiciones de aguas máximas y mínimas, así como los observados en eventos de carácter excepcional. Cuando las circunstancias lo ameriten, deberán indicarse los meandros del río. Ubicación e indicación de cotas de puntos referenciales, puntos de inflexión y puntos de inicio y término de tramos curvos; ubicación o colocación de Bench Marks. Levantamiento catastral de las zonas aledañas al puente, cuando existan edificaciones u otras obras que interfieran con el puente o sus accesos o que requieran ser expropiadas. 2
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a) Objetivos Los objetivos de los estudios son establecer los caudales de diseños y los factores hidráulicos fluviales, que conllevan a una real apreciación del comportamiento hidráulico del río que permiten definir los requisitos mínimos del puente y su ubicación óptima en función de los niveles de seguridad o riesgos permitidos o aceptables para las características particulares de la estructura. Los estudios de hidrología e hidráulica para el diseño de puentes deben permitir establecer lo siguiente: Ubicación óptima integral del cruce (hidráulico fluvial, geotécnico y de trazo vial). Caudal de diseño en la ubicación del puente. Comportamiento hidráulico en el tramo fluvial de ubicación del puente. Áreas de inundación vinculadas a la ubicación del puente. Nivel de aguas máximas extraordinarias (NAME) en la ubicación del puente. Gálibo recomendable para el tablero del puente. Profundidad de socavación potencial total, en la zona de ubicación de apoyos del puente. Profundidad mínima de desplante recomendable de los apoyos. Obras de protección y de encauzamiento necesarias. Previsiones para la construcción del puente. Por la compleja geografía física, el Perú tiene cursos de agua (ríos, quebradas, otros) de características morfológicas distintas, así se diferencian los cursos de agua de la costa, de la sierra, de montaña, de la vertiente oriental de los andes, de la baja Amazonía y de la cuenca del lago Titicaca. Muchos de estos cursos de agua transportan en épocas de avenidas grandes cantidades de sedimentos, lodo, bolonerías, flujo de escombros, palizadas y troncos de árboles grandes, lo cual debe ser considerado en la elaboración y cálculos del proyecto. 4
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL b) Alcances El programa de estudios debe considerar la recolección de información, los trabajos de campo y los trabajos de gabinete, cuya cantidad y alcance será determinado en base a la envergadura del proyecto, en términos de su longitud y el nivel de riesgo considerado. Los estudios hidrológicos e hidráulicos comprenderán lo siguiente: Evaluación de estudios similares realizados en la zona de ubicación del puente; en el caso de reemplazo de un puente colapsado antiguo, sería conveniente obtener, de existir, los parámetros de diseño que se utilizaron en su estudio, sin que esto sea obstáculo para la iniciación de la ejecución inmediata de los nuevos estudios. Visita de campo; consiste en el reconocimiento del lugar tanto en la zona de cruce como de la cuenca global, a fin de identificar y evaluar los sectores críticos y potenciales, de origen hídrico como deslizamientos, derrumbes, huaycos, áreas inundables, entre otros. Recolección y análisis de información hidrométrica y meteorológica existente; que puede ser obtenida de entidades locales o nacionales, por ejemplo: Ministerio de Agricultura, ANA, SENAMHI, o entidades encargadas de la administración de los recursos hídricos del lugar. Caracterización hidrológica de la cuenca, considerada hasta el cruce del curso de agua; en base a la determinación de las características de respuesta lluvia - escorrentía, y considerando aportes adicionales de flujo en la cuenca. Se analizará la aplicabilidad de los distintos métodos de estimación del caudal de diseño. Selección de los métodos de estimación de caudales máximos de diseño, para el cálculo del caudal de diseño a partir de datos de lluvia se tienen: el método racional, métodos en base a hidrogramas unitarios sintéticos, métodos empíricos, modelamiento hidrológico, etc., cuya aplicabilidad depende de las características de la cuenca restricciones de cada método. En caso de contarse con registros hidrométricos de calidad comprobada, puede efectuarse un análisis de frecuencia que permitirá obtener directamente valores de caudal máximo para distintas probabilidades de ocurrencia (periodos de retorno). Estimación de los caudales máximos para diferentes periodos de retorno y según distintos métodos probabilísticos; en todos los casos se recomienda llevar a cabo una prueba de bondad de ajuste de los distintos métodos de análisis de frecuencia (Gumbel, Log - Pearson Tipo III, Log – Normal, etc.) para seleccionar la mejor distribución. Adicionalmente, pueden corroborarse los resultados bien sea mediante factores obtenidos a partir de un análisis regional o, de ser posible, evaluando las huellas de nivel de la superficie de agua dejadas por avenidas extraordinarias recientes. Evaluación de las estimaciones de los caudales debidamente calibrados, elección del resultado que, a criterio ingenieril, se estima confiable y lógico. 5
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL menor a 150.00 m. aguas arriba y 150.00 m aguas abajo del eje del puente propuesto. En caso que el eje del puente propuesto se ubique cerca de la desembocadura a un rio principal, lago o mar el levantamiento topográfico deberá incluir la zona de confluencia. En los planos de topografía se debe indicar lo siguiente: los límites de las llanuras de inundación, los tirantes mínimos y máximos, ambos definidos según evidencias encontradas en campo y consultas a los pobladores de la zona, y se debe colocar también los niveles de agua encontrados durante el trabajos de campo. Estudios del material de cauce, peso específico, análisis granulométrico. Una vez definido el eje del puente las muestras del material del cauce deben ser tomadas al menos en cuatro puntos, dos en el eje del puente cercanos a los apoyos (estribos), B metros aguas arriba y 0.5B aguas abajo, donde B es el ancho promedio del rio. En cada punto se deberá ejecutar prospección a cielo abierto a una profundidad no menor de 3.00 m., en los cuales se tomarán muestras representativas de cada estrato. Para puentes con apoyos intermedios se deberá tomar muestras correspondientes en concordancia con los especialistas de Geología y Geotecnia. d) Consideraciones para el Diseño Los puentes ubicados en el cruce con un curso de agua deben ser diseñados de modo que las alteraciones u obstáculos que estos representen ante este curso de agua sean previstos y puedan ser admitidos en el desempeño de la estructura a lo largo de su vida útil o se tomen medidas preventivas. Para esto deben establecerse las características hidrogeodinámicas del sistema fluvial con el objeto de determinar la estabilidad de la obra respecto al comportamiento del cauce. Es importante considerar la posible movilidad del cauce, el aporte de escombros desde la cuenca y los fenómenos de socavación, así como la posibilidad de ocurrencia de derrumbes, deslizamientos e inundaciones. Dado que, generalmente, el daño ocasional producido a la vía y accesos aledaños al puente ante una avenida extraordinaria puede ser rápidamente reparado para restaurar el servicio de tráfico y, de otro lado, un puente que colapsa o sufre daños estructurales mayores ante la socavación puede amenazar la seguridad de los transeúntes así como crear impactos sociales y pérdidas económicas significativas por un largo periodo de tiempo, debe considerarse mayor riesgo en la determinación del área de flujo a ser confinada por el puente que en la estimación de las profundidades de socavación. El estudio debe indicar los periodos de sequía, de avenidas, y de transición, para recomendar las previsiones a tomarse en cuenta antes, durante y después de la construcción de las estructuras ubicadas en el cauce. 7
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Para la ejecución del puente, deberán construirse los pases provisionales, de acuerdo a los resultados del estudio de Hidrología e Hidráulica. e) Cálculos de la Socavación Se debe investigar la socavación de las fundaciones de los puentes para dos condiciones: Para la inundación de diseño para socavación se debe asumir que el material del lecho dentro del prisma de socavación encima de la línea de socavación total ha sido retirado (no se considera) para las condiciones de diseño. A no ser que el propietario de la obra determine algo diferente, la inundación de diseño debe ser la más severa del período de retorno de 100 años o una inundación de desbordamiento de menor período de recurrencia si ésta resulta más severa. Para la inundación de verificación para socavación, se debe investigar la estabilidad de las fundaciones del puente para las condiciones provocadas por una determinada inundación de no más de 500 años de periodo de retorno o por una inundación de desbordamiento de menor período de recurrencia. Bajo esta condición no es necesaria una reserva superior a la requerida por motivos de estabilidad. Se aplicará el estado límite de evento extremo. En la zona del rio donde se ubicara el puente se deberá tener en cuenta los siguientes fenómenos de socavación: Socavación general, producida por variación del perfil longitudinal debido al comportamiento fluvial sin la presencia del puente. Socavación por contracción de la sección transversal, debido a la construcción de los estribos del puente ubicados en el cauce del río. Socavación local, debido a la presencia de pilares y estribos. La profundidad de socavación potencial total será la suma de la socavación general, socavación por contracción y socavación local en estribos y pilares. En los cálculos de socavación se usarán los resultados de los factores hidráulicos que intervienen en el modelo correspondiente, la geometría de los apoyos respectivos y las características granulométrica del material del lecho. En el caso que el tramo del río en estudio se encuentre cerca de la confluencia con otros ríos, o cerca de un lago o en el mar, los cálculos de socavación se deben efectuar cuando los niveles de agua alcanzados en la desembocadura correspondiente sean mínimos. f) Interrelación con los Estudios Geológicos y Geotécnicos En el caso de puentes sobre cursos de agua, la información sobre la geomorfología y las condiciones del subsuelo del cauce y alrededores son 8
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL h) Documentación Requerida Los estudios deberán ser documentados mediante un informe que contendrá, como mínimo, lo siguiente: Características del río en la zona del proyecto. Régimen de caudales. Características hidráulicas. Caudal de diseño y periodo de retorno. Definición de la luz del puente y de los niveles del fondo de la superestructura. Profundidad de socavación potencial total. Profundidad mínima recomendable para la ubicación de la cimentación, según el tipo de cimentación teniendo en cuenta la profundidad de socavación. Características de las obras de defensa, de encauzamiento y obras complementarias. Conclusiones y recomendaciones. 10
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a) Estudios Geológicos Objetivos Establecer las características geológicas, tanto local como general de las diferentes formaciones geológicas que se encuentran identificando tanto su distribución como sus características geotécnicas correspondientes. Alcance El programa de estudios deberá considerar exploraciones de campo, cuya cantidad será determinada en base a la envergadura del proyecto. Los estudios geológicos y geotécnicos comprenderán: 11
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL de la información existente que se obtenga. La Entidad podrá establecer en el contrato los requerimientos que considere técnicamente convenientes para casos particulares de sondajes tanto en número como en profundidad. Para puentes menores a 10.00 m., de luz entre ejes de apoyos, se podrá efectuar exploraciones directas, mediante una perforación diamantina en un apoyo complementada por exploraciones geofísicas en cada punto de apoyo. De verificarse una variación estratigráfica, geotécnicamente significativa, se deberá efectuar una perforación adicional en el otro apoyo. Ensayos de Campo Los ensayos de campo serán realizados para obtener los parámetros de resistencia y deformación de los suelos o rocas de fundación, así como el perfil estratigráfico con sondajes que estarán realizadas en función de la longitud del puente, número de estribos, pilares y longitud de accesos. Los métodos de ensayo realizados en campo deben estar claramente referidos a prácticas establecidas y normas técnicas especializadas relacionadas con los ensayos respectivos. Pueden considerarse los ensayos que se listan a continuación: Ensayos en Suelos: Ensayo de Penetración Estándar (SPT). Ensayo de Cono Estático (CPT). Ensayo de Veleta de Campo. Ensayo de Presurometría. Ensayo de Placa Estático. Ensayo de Permeabilidad. Ensayo de Refracción Sísmica. Ensayos en Rocas: Ensayo de Compresión Uniaxial en Roca débil. Determinación de la Resistencia al Corte Directo, en discontinuidades de roca. Ensayo de Carga en Placa Flexible. Ensayo de Carga en Placa Rígida. Ensayo con el Método de Fracturamiento Hidráulico. Ensayos de Laboratorio Los métodos usados en los ensayos de laboratorio deben estar claramente referidos a normas técnicas especializadas relacionadas con los ensayos respectivos. Pueden considerarse los ensayos que se listan a continuación: Ensayos en Suelos: Contenido de humedad. Gravedad específica. Distribución granulométrica. Determinación del límite líquido y límite plástico. Ensayo de corte directo. 13
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Ensayo de compresión no - confinada. Ensayo triaxial no consolidado - no drenado. Ensayo triaxial consolidado - no drenado. Ensayo de consolidación. Ensayo de permeabilidad. Ensayo proctor modificado y CBR. Ensayos en Rocas: Determinación del módulo elástico Ensayo de compresión triaxial Ensayo de compresión no confinada Ensayo de resistencia a la rotura c) Interrelación con los Estudios Hidrológicos En caso de puentes sobre cursos de agua, la información sobre la geomorfología y las condiciones del subsuelo del cauce y alrededores son complementarias con aquella obtenida de los estudios hidrológicos. El diseño de elementos de subestructura se realizará tomando en cuenta además la influencia de la socavación y la sub-presión en el diseño. El nivel de cimentación deberá estar por debajo de la profundidad de socavación estimada. d) Documentación Los estudios deberán ser documentados y contendrán, como mínimo, lo siguiente: Exploración geotécnica. Indicación de sondajes y ensayos de campo y laboratorio realizados. Se indicarán las normas de referencia usadas para la ejecución de los ensayos. Los resultados de los sondajes deben ser presentados con descripciones precisas de los estratos de suelo y/o base rocosa, clasificación y propiedades físicas de los suelos y/o rocas, indicación del nivel freático y resultados de los ensayos de campo. Descripción precisa de los estratos de suelos, clasificación y propiedades físicas de los suelos. Indicación del nivel freático. De los resultados de ensayos de campo y de laboratorio. Como mínimo se deben establecer los siguientes parámetros, de acuerdo al tipo de suelo: peso volumétrico, resistencia al corte, compresibilidad, potencial de expansión o de colapso, potencial de licuación. En caso de rocas, se deberán establecer: dureza, compacidad, resistencia al intemperismo, índice de calidad y resistencia a la compresión. Tipos y profundidades de cimentación recomendadas. Normas de referencia usados en los ensayos. 14
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL caso de ocurrencia de un sismo extraordinario, se acepta cierto nivel de daño sin que se ponga en riesgo la estabilidad de la estructura. No siendo ajeno a los avances tecnológicos, permitirá dar pasos para su implementación progresiva en el caso particular de diseños con sistemas de aisladores y disipadores de energía, admitiendo dos criterios: Aislamiento total: el objetivo es evitar el daño en los elementos estructurales en niveles del sismo de diseño, a diferencia de un puente convencional en el que se espera que la deformación inelástica de alguno de sus elementos contribuya a disipar la energía que introduce el sismo en la estructura. Aislamiento parcial: tiene como objetivo disminuir las fuerzas sísmicas en los elementos estructurales, pero deberá mantener el mismo nivel de comportamiento sísmico que en el caso de puentes convencionales. El Aislamiento sísmico es la tecnología en la cual se reduce la fuerza inercial actuante sobre una estructura y simultáneamente provee a los apoyos aislados de la superestructura la capacidad de deformación para absorber la energía de la vibración y aumentar el amortiguamiento en la estructura. Dado que a la actualidad no existe experiencia suficiente en puentes con aislamiento sísmico que hayan experimentado sismos de gran intensidad, queda a criterio de los ingenieros estructurales, garantizar la capacidad de disipación de energía, la distribución de las fuerzas inerciales en las subestructuras que permita un control de daño en los apoyos y pilares, la vida útil de diseño de los aisladores, entre otros. a) Estudio de Peligro Sísmico Los estudios de peligro sísmico tendrán como finalidad la determinación de espectros de diseño que definan las componentes horizontal y vertical del sismo a nivel de la cota de cimentación. e) Requerimiento de los Estudios El alcance de los estudios de peligro sísmico dependerá de: La zona sísmica donde se ubica el puente. El tipo de puente y su longitud. Las características del suelo. Para los casos siguientes podrán utilizarse directamente las fuerzas sísmicas mínimas especificadas, sin que se requieran estudios especiales de peligro sísmico para el sitio: Puentes convencionales ubicados en la Zona Sísmica 1, independientemente de las características operacionales y de la geometría. Puentes de una sola luz, simplemente apoyados en los estribos, independientemente de la zona donde se ubiquen. 16
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Otros puentes que no correspondan a los casos explícitamente listados en lo que sigue. Se requerirán estudios de peligro sísmico para los puentes no convencionales que se ubiquen en las Zonas 1, 2, 3 o 4, en los siguientes casos: Puentes colgantes, puentes atirantados, puentes de arco y todos aquellos puentes con sistemas estructurales no convencionales. Otros puentes de gran longitud, incluyendo puentes continuos y simplemente apoyados de múltiples luces. f) Alcances Cuando se requiera un estudio de peligro sísmico para el sitio, éste deberá comprender como mínimo lo siguiente: Recopilación y clasificación de la información sobre los sismos observados en el pasado, con particular referencia a los daños reportados y a las posibles magnitudes y epicentros de los eventos. Antecedentes geológicos, tectónica y sismo tectónica y mapa geológico de la zona de influencia. Estudios de suelos, definiéndose la estratigrafía y las características físicas más importantes del material en cada estrato. Cuando sea procedente, deberá determinarse la profundidad de la napa freática. Prospección geofísica, determinándose velocidades de ondas compresionales y de corte a distintas profundidades. Determinación de las máximas aceleraciones, velocidad y desplazamiento en el basamento rocoso correspondientes al “sismo de diseño” y al “máximo sismo creíble”. Se define como sismo de diseño al evento con 7% de probabilidad de excedencia en 75 años de exposición, lo que corresponde a un período de retorno promedio de aproximadamente 1000 años. Determinación de espectros de respuesta (correspondientes al “sismo de diseño”) para cada componente, a nivel del basamento rocoso y a nivel de la cimentación. g) Métodos de Análisis La información de sismos pasados deberá comprender una región en un radio no menor que 500.00 km desde el sitio en estudio. El procesamiento de la información se hará utilizando programas de cómputo de reconocida validez y debidamente documentados. Deberán igualmente justificarse las expresiones utilizadas para correlacionar los diversos parámetros. Los espectros de respuesta serán definidos a partir de la aceleración, la velocidad y el desplazamiento máximos, considerando relaciones típicas observadas en condiciones análogas. 17
