diseño estructural smie criterios

8/18/2019 Diseño Estructural SMIE Criterios

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

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CRITERIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO EMPLEADOS EN LAS LUMBRERAS DEL TRAMO I DELTÚNEL EMISOR ORIENTE

Isaac Tlahuetl Herrera1, Alejandro Rafael Martínez Paredes2

Mario Arturo Aguilar Téllez3 e Israel Iván León García4

RESUMEN

En este artículo se presentan los criterios de análisis y el diseño de las lumbreras del tramo I del Túnel Emisor

Oriente (TEO). Los criterios serán descritos tomando como base el proyecto de la lumbrera 3A (L-3A) que es

una de las seis lumbreras construidas en el tramo I, en el desarrollo de este trabajo se mencionarán las

solicitaciones y describirán los modelos matemáticos, el enfoque será estructural sin profundizar en otras

disciplinas relacionadas en la elaboración del proyecto integral de las lumbreras.

ABSTRACT

In this paper, the analysis criteria and design of the shafts in the section I of a drainage tunnel in México

called “Túnel Emisor Oriente” is presented. The analysis criteria description considers the project of the 3A

shaft (L-3A), one of the six shafts built on the section I. This work describes the mathematic models of the

shafts and forces acting on them. The approach of this paper is on the structural design and doesn´t detail

other analysis required in the full project of the shafts.

INTRODUCCIÓN

El TEO conducirá el agua residual y de lluvia para incrementar del sistema de drenaje del Valle de México.La longitud del TEO será de aproximadamente 62 km y para su construcción hará uso de lumbreras que

distarán entre sí 2.5 km aproximadamente. Las profundidades de las lumbreras variarán entre 32 m y 149 m y

se construirán en lugares con distintas características geotécnicas. La distribución de las lumbreras y criterios

de diseño fueron establecidos durante la elaboración del proyecto ejecutivo, debido a la logística se ha

contemplado la construcción de lumbreras intermedias.

Las lumbreras son estructuras en forma de anillo que se construyen desde la superficie hasta el nivel del túnel.

El proceso constructivo abarca en forma consecutiva lo siguientes elementos estructurales: a) Trabe de

coronamiento, b) Muro Milán, c) Anillo de rigidez, d) Losa de fondo, e) Revestimiento definitivo en zonas dellegada y salida del escudo y f) Trabes de borde. Los elementos estructurales mencionados anteriormente se

presentan en la figura 1 y serán descritos a continuación.

1 Ingeniero de Diseño del departamento de Ingeniería de Sitio del tramo I del TEO, Ingenieros Civiles

Asociados S.A. de C.V., Construcción Especializada. Av. Central S/N y Circuito Exterior Mexiquense s/n,

Col. Renovación Jajalpa, CP: 55040, Ecatepec de Morelos, Edo. De México, México. Tel: 51167073 EXT

6510. [email protected]

2.- Coordinador del departamento de Ingeniería de Sitio del tramo I del TEO. [email protected]

3 Gerente del departamento de Ingeniería de Sitio del tramo I, II y V del TEO. [email protected]

4 Coordinador de Ingeniería de Sitio tramo V del [email protected]


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XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 2012

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La L-3A tiene una profundidad de 48 m, el diámetro interior es de 16 m y se encuentra ubicada entre las

lumbreras L-03 y L-04, esta lumbrera recibirá a dos tuneladoras provenientes de las dos lumbreras contiguas.

El proyecto de la L-3A fue generado por el departamento de Ingeniería de Sitio del tramo I y tuvo comoorigen la logística elaborada para la construcción del túnel.

Figura 1 Elementos estructurales de lumbreras

CRITERIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO

TRABE DE CORONAMIENTO

La función de la trabe de coronamiento es ligar los paneles del muro Milán y se encuentra ubicada en el

extremo superior de la lumbrera. Para el análisis se genera un modelo matemático en el programa SAP 2000que considera la geometría final de la lumbrera en la etapa en que finaliza la construcción del muro Milán, es

decir, solamente se modela el muro Milán sin incluir la losa de fondo y otros elementos estructurales. Tanto la

trabe de coronamiento como el muro Milán son modelados con elementos placa a los cuales se les colocan

resortes obtenidos del análisis geotécnico. El modelo utilizado para el análisis de la trabe de coronamiento se

muestra en la figura 2.

La carga que se considera en el modelo es la debida al empuje horizontal a corto plazo, para la L-3A además

de la carga mencionada anteriormente se consideró la presión generada por la grúa que extraerá las piezas de

las tuneladoras. El código utilizado para el diseño de lumbreras son las Normas Técnicas Complementarias


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para el Diseño y Construcción del Distrito Federal 2004 y la revisión de la trabe se realiza para

flexocompresión y cortante, el acero de refuerzo y la sección de la trabe de coronamiento de la L-3A se

muestra en la figura 3.

Figura 2 Modelo matemático para el análisis de la trabe de coronamiento

100

1 0 0

1 0

1 0

16.5 33.5 33.5 16.5

Varillas de refuerzodel Muro Milán

Proyección deMuro Milán

12Vars#8

2E#5@40cm

Proyección trabe decoronamiento

6

1 7

1 7

1 7

1 7

6

Acot.: cm

Figura 3 Geometría y acero de refuerzo de trabe de coronamiento de la L-3A

MURO MILÁN

El muro Milán está constituido por 8 paneles y cada panel por 3 tableros, con este número de paneles se da la

tendencia a formar un cilindro que va desde el nivel de terreno natural hasta el nivel del túnel. El espesor de

este muro es de 1 metro en toda la altura de la lumbrera. Los tableros y paneles se muestran en la figura 4.


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Panel

Tablero

Figura 4 Configuración de paneles de muro Milán

Para el análisis se realizan dos modelos matemáticos utilizando el programa SAP 2000 y métodos analíticos.

A partir de los modelos matemáticos se obtienen los esfuerzos a compresión máximos considerando los casos

de la geometría teórica y el espesor efectivo. Los dos modelos tienen las mismas características, la diferencia

entre ambos es la ubicación de los paneles, uno de ellos considera la configuración teórica mientras que el

otro toma en cuenta la desviación con la vertical debida al proceso constructivo. Los dos modelos se muestran

en la figura 5 y corresponden a los elaborados para la L-3A.

a) b)

Figura 5 Modelos matemáticos para análisis del muro Milán de la lumbrera L-3A; a) configuraciónteórica, b) configuración considerando la desviación de 1% con la vertical

Los modelos presentados están constituidos por elementos tipo “placa” con un espesor de 1 metro, cada nodo

de las placas se restringe al movimiento perpendicular al plano de la placa y al giro alrededor de los dos ejes

contenidos en el plano de la placa, por otra parte en las opciones de análisis se definen los grados de libertad

disponibles en dirección de dos ejes contenidos en el plano de la placa y el giro alrededor del eje

perpendicular al plano de la placa. Las cargas se aplican en las caras externas de las placas perimetrales en

dirección hacia el centro de la lumbrera, la magnitud de las cargas se obtiene del análisis geotécnico a laprofundidad máxima considerando la presión de poro y el esfuerzo efectivo del suelo.


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El momento y el cortante horizontal se obtienen considerando los paneles como vigas articuladas sometidas a

una carga uniformemente distribuida cuya magnitud es igual a la presión máxima, por otra parte, el momento

y el cortante vertical se obtienen del análisis geotécnico.

Las revisiones que se realizan son para aplastamiento, flexión, cortante y flexocompresión, el acero de

refuerzo a nivel del túnel de un tablero del muro Milán se muestra en la figura 6.

10@16cm=160

Tipo 2

Tipo 1

22#8 Tipo C

8 0

7 4

Cara tierra

Cara Excavación

E #6 @ 20 (TIPO 1) y

E#4@20 (TIPO 2)

Figura 6 Acero de refuerzo de tablero de muro Milán a nivel del túnel

ANILLO DE RIGIDEZ, REVESTIMIENTO DEFINITIVO Y TRABES DE BORDE

Para el análisis se realizan dos modelos en el programa SAP 2000 que representan las condiciones de la

apertura de los huecos para la construcción del túnel en el muro Milán. Uno de los modelos considera

únicamente la apertura de un hueco mientras que el otro la apertura de los dos huecos. El modelo está

constituido por elementos placa con los anchos y espesores que representan a la trabe de coronamiento,

revestimiento definitivo, anillo de rigidez, trabes de borde y losa de fondo. A los espesores de la trabe decoronamiento, revestimiento definitivo y anillo de rigidez se les suma el espesor del muro Milán. Los dos

modelos en cuestión se muestran en la figura 7 y corresponden al proyecto de la L-3A.

a) b)

Figura 7 Modelos matemáticos para análisis del revestimiento definitivo, anillo de rigidez y trabes deborde; a) modelo con dos huecos y b) modelo con un hueco

En los nodos de las placas perimetrales inferiores del muro se colocan resortes con la finalidad de darestabilidad al modelo, la dirección en que actúan los resortes es en sentido vertical. También se colocan


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resortes en los elementos placa actuando horizontalmente cuya rigidez se obtiene del análisis geotécnico. Las

condiciones de frontera de los elementos se muestran en la figura 8.

a) b)

Figura 8 Condiciones de frontera en el modelo de la lumbrera L-3A; a) Resortes en la parte inferior delmodelo y b) Resortes horizontales en los elementos placa verticales

Las cargas que se considera en los modelos son: a) las debidas al empuje horizontal a largo plazo del suelo e

hidrostática y b) la subpresión. El empuje horizontal se aplica a los elementos placa desde el nivel de

superficie hasta la parte más baja del muro y en dirección hacia el centro de la lumbrera. La subpresión se

aplica bajo la losa de fondo en dirección a la parte superior de la lumbrera. Entre el túnel y la lumbrera no se

considera una conexión rígida ya que no la habrá, entre la lumbrera y las dovelas del revestimiento primario

del túnel se tendrá una banda de neopreno y posteriormente se realizará la inyección en el espacio.

En el diseño se considera la contribución del muro Milán para las revisiones por aplastamiento, flexión,

cortante y flexocompresión del revestimiento definitivo, anillo de rigidez y trabes de borde. El acero de

refuerzo del muro Milán solo se considera que contribuye en la revisión en el sentido vertical ya que en la

dirección horizontal no tiene continuidad el acero de refuerzo. Además de la revisión de los elementos

estructurales mencionados se revisan los conectores de cortante entre el muro Milán y el revestimiento

definitivo. La deformación permisible de las trabes de borde no debe exceder 0.005 veces su diámetro, éstadeformación máxima está contenida en los términos de referencia.

Adicional a lo mencionado anteriormente se realiza una revisión para sismo. Para la obtención de la

resistencia a flexión se considera la sección transversal de la lumbrera a nivel del eje del túnel y en la zonasuperior; para la sección a nivel del eje del túnel se considera que se tienen los dos huecos en el muro Milán.

La geometría y el acero de refuerzo del revestimiento definitivo, de la trabe de borde y del anillo de rigidez a

nivel del túnel se presentan en la figura 9.

LOSA DE FONDO

Para el análisis de la losa de fondo se genera un modelo matemático en el programa SAP 2000. El modelo

matemático considera únicamente la losa de fondo, es decir, no se incluyen los muros, el revestimiento

definitivo ni otros elementos estructurales. El modelo está constituido por elementos placa con el espesor dela losa de fondo. Los nodos perimetrales se restringen al movimiento en las tres direcciones y se deja libre a

momento, es decir, se tienen apoyos articulados. El modelo de la losa de fondo para la L-3A se presenta en la

figura 10.

La carga que se considera es la debida a la subpresión y se considera en el modelo como una presión uniforme

bajo la losa de fondo. El diseño se realiza para flexión, cortante y aplastamiento en el concreto debido a las

presiones del muro Milán sobre la losa de fondo.


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a) b)

Figura 9 Geometría y acero de refuerzo de revestimiento, anillo de rigidez y trabe de borde; a)Revestimiento en zona de portales de entrada y salida del escudo y b) Anillo de rigidez y trabe de

borde a nivel de clave del túnel

Figura 10 Modelo matemático para el análisis de la losa de fondo

ANÁLISIS SÍSMICO

Para estimar la distribución de la fuerza cortante y el momento flexionante que actúan sobre la lumbrera seconsidera el procedimiento establecido en las notas técnicas no. 10 y 11 generadas por el Instituto de

Ingeniería de la UNAM. El procedimiento a seguir es el siguiente:

1.- Definir la aceleración máxima del terreno en roca: se definen 3 aceleraciones máximas correspondientes a

las condiciones: a) temporal, b) definitiva y c) excavación. Los periodos de retorno son de 47.5, 475 y 4.75

años para las condiciones temporal, definitiva y de excavación respectivamente.

2.- Calcular la velocidad al corte y la densidad promedio del subsuelo a una profundidad de cuatro veces el

radio exterior de la lumbrera: con base en el análisis geotécnico se obtienen los parámetros en cuestión.


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3.- Determinar la relación de esbeltez y el contraste de rigidez estructura – suelo: la relación de esbeltez se

obtiene dividiendo la altura de la lumbrera entre su radio exterior y el contraste de rigidez se obtiene

dividiendo la velocidad de propagación de onda en el concreto entre la velocidad de corte del suelo.

4.- De las tablas de la nota técnica no. 10 seleccionar los casos reportados que cubran los valores calculados

en el inciso 3 mencionado anteriormente.

5.- Con el caso seleccionado obtener los coeficientes de cortante y momentos estáticos, así como los

correspondientes factores de amplificación dinámica.

6.- Para el caso en cuestión, estimar los valores de Qon y Mon y de FQ y FM, mediante extrapolación lineal.

7.- Calcular los valores estáticos de fuerza cortante y momento flexionante.

8.- Determinar la fuerza cortante y momento flexionante dinámicos.

REFERENCIAS

“Análisis y memoria de cálculo geotécnico, lumbrera L3A”. COMISSA, claves: TEO-1-L-3A-AG-CL,

TEO-1-L-3A-CG-CL, 2011.

“Anexo 10ª: Términos de Referencia”, Subdirección General de Agua Potable Drenaje y Saneamiento,

Coordinación General de los Proyectos de Saneamiento del Valle de México. Noviembre 2008.

“Manual de Diseño de Obras Civiles. Diseño por Sismo”. Comisión Federal de Electricidad. 1993.

“Memoria de Cálculo Estructural Adendum por Análisis Sísmico”. COMISSA, clave: TEO-1-L-3A-ME-CL, 2011.

“Modelo Geotécnico para diseño de la Lumbrera 3A”. COMISSA, clave: TEO-1-L-3A-MG-CL, 2011.

“Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Cimentaciones del RCDF”.Gaceta Oficial del Distrito Federal. 6 de Octubre, 2004.

“Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del

RCDF”. Gaceta Oficial del Distrito Federal. 6 de Octubre, 2004.

“Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las

Edificaciones del RCDF”. Gaceta Oficial del Distrito Federal. 6 de Octubre, 2004.

“Nota Técnica No. 10. Análisis simplificado de interacción dinámica suelo – lumbrera: Modelo

geotécnico de dos capas”. Instituto de Ingeniería UNAM. 2009.

“Nota Técnica No. 11. Análisis simplificado de interacción dinámica suelo – lumbrera: CriteriosAdicionales”. Instituto de Ingeniería UNAM. 2009.

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