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Obra Portuaria: Dolphin de Amarre

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by

Analia Romero

on 7 August 2015

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Transcript of Obra Portuaria: Dolphin de Amarre

ASENTAMIENTO DE PILOTES AISLADOS Y EN GRUPO
CARGA DE HUNDIMIENTO Y ASENTAMIENTO DE PILOTES (INDIVIDUAL Y EN GRUPO)
CARGA DE HUNDIMIENTO DEL PILOTAJE AISLADO
Despreciando la pequeña diferencia entre el peso del terreno extraído o desplazado y el del H° del pilote, la expresión general de la carga de hundimiento es:
Bajado de Armadura
Ubicación
CONSIDERACIONES DE CÁLCULO DE PROYECTO
La obra consta de: 4 grupos de dolphin de 4 pilotes cada uno, ubicados en forma paralela al cauce del río, de manera que la embarcación se apoye sobre estos al momento de carga y descarga + 2 torres amarre de popa y proa, ubicados fuera de la línea del grupo de los 4.
En el cálculo se parte de que el pilote trabajará de punta sin tomar en cuenta la fricción, para tener mayor margen de seguridad. En el cálculo de flexión se toma en cuenta la participación de la presión del río, el empuje de un barco (fricción) y fuerzas de amarre.
¿ Que es una Obra de Atraque y Amarre?
Obra Portuaria
Dolphin de Amarre

En este momento se procede a bajar la armadura del pilote. Como la longitud de los hierros es de unos 12 m y los pilotes en el río por lo general tienen unos 45 m de longitud, se procede de la siguiente manera:

Primero
se baja un tramo de armadura, la inferior, y se la deja fija justo al filo de la camisa.
• Se procede a
izar el segundo tramo
, y se lo posiciona justo por encima del primero, por medio de la grúa.
• Los operarios
en la balsa, sueldan los hierros
para garantizar la continuidad estructural de las barras, y una vez terminado se baja el conjunto, hasta
posicionar
nuevamente la parte superior de este nuevo tramo sobre el filo de la camisa. De este modo se procede hasta concluir el armado de todo el pilote.
Infraestructura portuaria que permite a las embarcaciones estacionarse en el puerto, para que puedan llevarse a cabo las operaciones de transbordo de mercaderías y/o personas.
¿Donde se ubican?
En un frente de atraque discontinuo, es decir, que es una obra aislada, no vinculadas estructuralmente entre sí ni con el terreno de margen.
Generalidades
¿Que cantidad se materializan?
Dos (mínimo) por cada sitio de atraque. Se deberán agregar 2 torres de amarre, para tomar los cabos de proa y de popa de las embarcaciones y completar el atraque y amarre para un buque.
¿Por qué no se vinculan a la costa?
Para permitir aproximar la línea de atraque a las profundidades naturales con economía.
Esta materialización es apta para:
unidades portuarias de graneles
sólidos, líquidos y gaseosos.
Beneficios de la Obra
Un número de dolphins superior a 2 proporciona mayor flexibilidad en cuanto al porte de los buques que pueden atracar, un número menor (sólo 2) limita la posibilidad de operar con buques mayores, dado que gran parte de estas embarcaciones hacia proa y popa queda sin apoyo alguno.
Las cargas transmitidas a la estructura por la embarcación atracada (acciones del viento y la corriente), al distribuirse en un número mayor de estas obras, resultarán inferiores. Así puede reducirse el tamaño de los dolphins y disminuir las presiones sobre el casco de la embarcación.
En caso de colapso de uno de los dolphins de atraque (colisión de una embarcación que no impacta sobre la defensa y afecta su estructura), con algunas restricciones o ciertas precauciones adicionales, se podría continuar operando en el sitio de atraque.
Aspectos Estructurales
Su estructura está constituida por un grupo de pilotes, vinculados en su extremo superior por un macizo de gran rigidez que los empotra (cabezal), a través del cual se introducen las acciones de la embarcación sobre la estructura.

Para definir la cota superior del cabezal, coincidente con la de coronamiento del dolphin, se considera una altura del agua asociada a un intervalo de recurrencia elevado (alta probabilidad de no ser superada), de modo que resulte operativo la mayor parte de su vida útil; a ese nivel se le adiciona la revancha por oleaje. La altura resultante del cabezal es la que garantiza el empotramiento de los pilotes en el mismo. Se recomienda que esa altura no sea inferior a 1,5 Ø pilote.

Un dolphin está sometido a fuerzas horizontales de elevada magnitud. Por ello, se emplean pilotes de gran diámetro. Se considera a la estructura, elásticamente empotrados en el terreno y aptos para absorber por flexión los esfuerzos horizontales. Los dolphins de atraque se diseñan utilizando defensas elásticas que deben absorber con su deformación toda la energía cinética de la embarcación en el momento del atraque, transmitiendo cargas al dolphin.

La obra portuaria en jurisdicción de la localidad de Timbúes (Norte de la Prov. De Santa Fe), en la margen derecha del Río Coronda (Brazo Río Paraná), a la altura de la progresiva Km 464 de la ruta de navegación. Pertenece a la hoy denominada LDC Argentina S.A. (Dreyfus). Se trata de una obra de embarque de gráneles agrícolas sólidos y líquidos.
Río Coronda (Brazo Paraná)
Dreyfus
Datos Generales de Proyecto para Cálculo
a) Régimen Hidrológico (Referidos al Cero del Hidrómetro de Pto. Gral. San Martín)
H Máx. Anual, Tr = 50 años = + 7.04 m (Período: 1971-2013)
H80% = +2.83 m (Período: 1970-1990)

b) Factores Hidráulicos y Meteorológicos.
w = 1 tf/m3
Velocidad de la corriente: Vc = 1,5 m/s
Velocidad del viento (de cálculo): Vv = 100 km/h
Revancha por oleaje: r = 0,8 m

c) Factores Hidráulico-Sedimentológicos.
Cota de máxima socavación: Cmáx Soc = - 18.60 m
Huelgo bajo quilla: h = 0,61 m

d) Factores Geotécnicos.-> Ver estudio de Suelos

e) Buque de Diseño.-
Desplazamiento: 155.000 tf
Eslora total (Loa): 270 m
Eslora entre perpendiculares (Lpp) :260 m
Manga: B = 42 m
Puntal: P = 23 m
Calado máximo de diseño: Dmáx = 16,5 m
Calado mínimo: Dmín = 7 m

f) Condiciones Náuticas del Sitio de Implantación.-
Calado máximo operativo: Dmáx oper = 12 m
Desplazamiento máximo operativo: 110.000 tf
Velocidad de Atraque: Va = 0.15 m/s
Ángulo de atraque máximo (con respecto a la línea de atraque): 10º

g) Definiciones de diseño.-
Número de dolphins de atraque: N = 4
Separación máxima entre dolphins: Smáx = 56 m
Dirección línea de atraque: sensiblemente paralela a la dirección de la corriente principal
Tirón máximo admisible de las amarras sobre el bolardo: Tbmáx = 100 tf (buque de ultramar)
HA = 2,4 tf/m3
Energía Desarrollada Durante el Choque.-
Es la reacción normal de la defensa y fuerza de rozamiento. Es la energía asociada al movimiento de la embarcación, transferida al dolphin cuando la embarcación lo choca en el atraque, a ser absorbida íntegramente por la defensa.
Con esta Energía desarrollada durante el Choque, se selecciona la Defensa.
Se debe cumplir que:
y a su vez
Adoptamos una defensa que satisfaga esa energía con la menor reacción posible.
Se adopta:
Defensa Simple SCK 2250 H – E 0,9
.
Verificamos la presión admisible sobre el casco de la embarcación:
Determinación de las cargas de Cálculo
La Presión sobre el casco de la embarcación es apenas superior a la admisible. Se adopta:
Defensa Simple SCK 2250 H – E 0.9.

La
cara frontal
de dicho escudo se
revestirá con una placa de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMW-PE)
, que posee un bajo coeficiente de fricción. De esta forma, Fr no superará el 20% de la reacción normal Rc.
Cargas Gravitatorias
Corresponden al peso del cabezal completo, sin considerar bolardo ni placa de fijación del mismo.
CARGAS DE LA EMBARCACIÓN ATRACADA.-
Debida a la Acción del Viento
Debida a la Acción de la Corriente
SOLICITACIONES DEL DOLPHIN.-
Se detallan los esfuerzos finales, planteando 5 estados de carga (origen de coordenadas el centro geométrico del cabezal del Dolphin).
Estos valores (solicitaciones máximas) son las necesarias para dimensionarlo estructuralmente.

Estados de Carga
Se analizan 5 estados, de los cuales se considerará para la modelización el estado de carga más desfavorable.
A continuación se indican los mismos, concluyendo que el ESTADO I es el más desfavorable. En él se observan las fuerzas horizontales (reactivas) mayores.
Estado I
Maniobra de atraque. Fuerzas actuantes: el peso propio del cabezal, la reacción normal de la defensa cuando el buque la impacta, y la derivada del rozamiento del buque con el escudo.-
Estado II
Estado II'
Se considera el buque con su calado máximo operativo, que produce la fuerza máxima ejercida por la corriente en el bolardo, y la mínima de viento en la defensa.
Buque amarrado, con viento perpendicular desde el río. Fuerzas intervinientes: peso propio del cabezal y las derivadas de la acción del viento y de la corriente sobre la embarcación. Para este estado se considera el buque con su calado mínimo, produciéndose la fuerza máxima ejercida por el viento, aplicada en la defensa, y la fuerza mínima debida a la corriente, aplicada en el bolardo.
Estado III
Embarcación amarrada, con viento paralelo. Fuerzas resultantes: peso propio del cabezal y una fuerza derivada de la acción del viento y de la corriente, aplicada en el bolardo. Se toma como valor máximo la fuerza de tiro admisible en el bolardo.
Estado IV
Estado V
Buque amarrado, con viento perpendicular desde tierra. Además del peso propio del cabezal, actúa una fuerza en el bolardo derivada de la acción del viento, = a la fuerza admisible del mismo. La acción de la corriente se desprecia por considerar calado mínimo para el buque, ( valores muy pequeños en relación a la fuerza de viento).
Buque amarrado, con un ángulo de 45º entre la Línea de Amarre y la resultante de las acciones de viento y corriente igual al tirón máximo admisible de las amarras. Actúa el peso propio del cabezal y las componentes de la fuerza resultante ejercida en el bolardo.
Estudio de Suelos
Se extrae la información necesaria para la modelización y verificación de dimensiones de pilotes y cabezal.

DESCRIPCIÓN DEL PERFIL HALLADO
.-
Frente sobre el río, se halla un perfil homogéneo, predominio de arenas limosas a limpias que culminan en un espeso manto inferior de densidad relativa elevada.

RECOMENDACIONES
.-
Es posible definir la alternativa de fundación indirecta. Se aconseja fundar la punta de los pilotes excavados penetrando en la arena muy densa, a Cota – 38 m., con lo que se garantizaría aproximadamente 10 m de potencia de material de esas características, presuponiéndose que se mantendrán al menos -18 m de empotramiento de los pilotes, aunque tal magnitud debería ser precisada por un estudio hidráulico.-

RESISTENCIA ADMISIBLE DE PUNTA
.-
La tensión admisible de punta (CS= 3) resulta: 390 t/m², que es el valor adoptado.

RESISTENCIA ADMISIBLE POR FRICCIÓN LATERAL
.-
La fricción lateral a lo largo del fuste activo del pilote es función del tipo de suelo. Para arenas se tiene un coeficiente de fricción lateral ponderado de 1.40 t/m², para una longitud de fuste efectivo medio de 18 m.

CARGA ADMISIBLE
.-
La capacidad de carga resultante para un pilote de Ø estimado 1.20 m es: 450 t.-
Modelización - Consideraciones Preliminares
Análisis Estructural
Programa: SAP 2000.
Se modelizan los 4 pilotes que soportan ¼ de la carga total calculada, de acuerdo al estado de carga considerado como es más desfavorable.
Parte superior: se modeliza una viga perimetral, con la altura del cabezal. Así, obtenemos resultados del trabajo en conjunto y se evita el pandeo al que estaría sometido cada pilote individual con una carga puntual aplicada en la parte superior.-
Se discretiza cada pilote, para obtener la variación de momentos en toda su longitud y de esa manera verificar las tensiones de corte y calcular la armadura necesaria (Para Nmáx y Mmáx.).

Tipo Hº: H-30
Tipo Acero: ADN 420 (Bs = 42000 t/m²)
Diámetro: 1,80 m
Radio: 0.90 m
Área: 2.545 m²
Perímetro del pilote: 5.655 m
Longitud del pilote: bajo lecho del río: -38 m, sobre lecho del rio: +5.5 m
Longitud Total = 43.5 m
d1 = Distancia del filo de Hº al eje armadura = 0.046 m
h = Diámetro – Recubrimiento = 1.80 m – 0.05 m = 1.75 m
Estado de carga más desfavorable: Estado 1 (donde tenemos una fuerza reactiva “Rc” mayor)
Kh: De acuerdo al estudio de suelos, se considerará los valores obtenidos en las perforaciones frente al río (P23 a P31), desde el lecho (0m en la perforación)
Datos para realizar la Modelización
Nota 1: Desde -20m hasta + 8.00m, no se colocaron “springs”.
Nota 2: Kh* corresponde al valor multiplicado x por el área de influencia del “frame” (la mitad del perímetro de la circunferencia por la longitud “z” de la discretización entre nodos = 0.5 m), dado que debemos introducir en el nodo el valor en t/m. Este valor de coeficiente de balasto se introduce en ambos ejes: X e Y.
Reacción de defensa: 172.67 tn que toma c/ pilote =
43.15 tn
Peso Propio del Cabezal + Defensa + Pantalla:
680.89 TN

C/ pilote toma =
170.22 TN.
Peso Propio Cabezal + Defensa + Pantalla
Modelización con viga: 421.80 TN /4 pilotes =
105,45 TN (c/u)
.
Es el peso total obtenido de restar al cabezal, el peso de la viga a modelizar (ya que la misma, en SAP, ya tiene calculado su peso propio). De otra manera, se hubiese agregado al pilote aprox.
200 TN extra
.-
Peso propio del pilote
: “
dead
”, definido por el programa de acuerdo al Hº y dimensión del pilote.

Combinación de Cargas:
DEAD + reacción DEFENSA + PP CABEZAL + FRICC. LAT.

Se modeliza como viga, empotrada en la base. Se discretiza cada 0.50m entre -38m y -20 m, para poder colocar los “springs”. A +5.50m (cabezal) se coloca un nodo intermedio en el cual se ubicará la acción de la carga reactiva de la defensa y es el punto donde se modeliza la viga perimetral (de altura 2.50 m). El peso propio del cabezal (con defensa incluida, pero excluyendo el peso de la viga modelizada) se coloca como carga puntual vertical en +8.00m.

Cargas
Momento Máximo:
-788.40 TN-m

Normal Máxima:
651 TN
(compresión)
Corte Máximo:
52 TN
Resultados de la Modelización
Cabezal
Restricciones
Imágenes Modelizado
Diagrama de Momentos
Mmáx Pilotes
Dimensionamiento de Pilotes
Cálculo de Armadura Y Verificaciones: al Corte y Tensión de Punta.
Dimensionamiento del Cabezal
Cálculo de Armadura.
Verificación al Corte.
En terrenos de gravas, muchas veces no es posible determinar la resistencia a la penetración estándar en punta (N) para poder hincar los pilotes (o las camisas, en este caso), por lo que deben tomarse como resistencias unitarias:
La capacidad de carga obtenida aquí es menor que la calculada en el estudio de suelos (450 t). Por lo tanto, podríamos decir que el diseño trabaja bajo B.C.
VERIFICACIÓN DE CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO OPERATIVO BAJO CONDICIONES HIDROLÓGICAS EXTREMAS
BUQUE CON CALADO MÍNIMO Y NIVEL DE RIO PARA TR = 50 AÑOS
Buque de diseño con calado mínimo y altura de agua máxima. Para esta condición operativa se observa que la embarcación toma contacto con el escudo en toda su extensión, verificando la cota propuesta para la defensa.-
BUQUE CON CALADO MÁXIMO Y ALTURA DE AGUA IGUAL A H80%

Buque de diseño con calado máximo operativo y altura de agua con 80% de probabilidad de ocurrencia. Esta situación operativa determina el nivel máximo del lecho del río que permitirá operar a los buques con calado máximo, siendo igual a -9,78m.
El nivel máximo a considerar para el cálculo de la fundación está dado por la cota de máxima socavación, porque condicionan la cota máxima de operación del buque de diseño.

Siendo la cota de máxima socavación -18,66 m (Respecto al 0 del Hidrómetro de Puerto Gral. San Martín) se encuentra aproximadamente 20 m (19,34 m) por encima de la cota de punta de los pilotes -38 m, de esta manera están asegurados los 10 m de penetración mínima de los pilotes en suelo denso y nos quedan casi 9 metros más de diferencia por seguridad.
DEFINICIÓN DEL NIVEL MÁXIMO DEL LECHO A CONSIDERAR PARA EL CÁLCULO DE LA FUNDACIÓN.-
Muchas
Gracias.
Tecnología Constructiva
Tareas se llevan a cabo con el empleo de una
balsa
.
El
posicionamiento
se realiza por medio de personal
topográfico
, realizando una poligonal con
dos estaciones en tierra
.
Se necesita ubicar el
sector de la perforación en un entorno de 1m de diámetro
con respecto al
centro
del pilote o
conjunto de pilotes
.
Una vez
posicionado
, se baja una camisa de 100 mm hasta el lecho del río y se la hinca por medio de un pilón de poco peso (para evitar la contaminación).
Por dentro de esta camisa se pasa un
trépano
, para perforar el suelo, y se toman las muestras necesarias a 1m de distancia cada una de ellas. En el río Paraná se encuentran suelos Limosos, Arcillosos y Arenosos.
Con las muestras extraídas, se realiza el
estudio de suelo en gabinete
, y se conforma el informe con el detalle de la resistencia del suelo a cada metro de profundidad, conformación y origen del mismo, cotas del río al momento de realizar el estudio, profundidad del lecho, y puntos de referencia (cota cero).
Además se realiza un
diagrama con el perfil del suelo
, el cual sirve para determinar la longitud de la camisa del pilote, rubro más que crítico en el costo de la obra.
Se tira un
campo de firmes de amarre
desde donde se fijará la balsa o
pontón
para su correcto posicionamiento.
Esta maniobra se realiza con 2
topógrafos
desde tierra, para minimizar
errores
.
Se desplaza la balsa hasta ubicarla en su sitio, con un
error
de aproximadamente
1 cm
(esto puede ser realizado por medio de un operario con estación total desde tierra, o por GPS en el pontón).
Se emplea como
referencia
la generatriz de la camisa cilíndrica del pilote, que es llevada en la balsa, en
posición vertical y colgando desde la borda a pocos metros del lecho del río
.
En el
pontón
se cuenta con una grúa de gran tamaño, grupo electrógeno, taller, depósito de bentonita madura, obrador, entre otras herramientas.
Es importante
mantener la horizontalidad del pontón
(lastrando el mismo ).
Replanteo
Posicionamiento
Estudio de Suelos
Se realiza a través de la
camisa
, por medio de un
asta
telescópica, en cuyo extremo se fija el
balde o Bucket
.
Este equipo, se posiciona en el
pontón
, por medio de la grúa. Es una
tarea complicada
y un
error
en este caso, podría tener que
modificar la posición del pilote, cabezal y resto de las estructuras
.
El proceso de
perforado
, es simple: Se perfora con el balde, se llena el mismo con material, se lo sube y luego se vuelca el suelo al Iado de la camisa.
Se va perforando en
tandas de 0,5 a 0,7 m de profundidad
c/u.
Durante todo el proceso se mantiene el pozo con
bentonita
, a un
nivel mayor que el del río
, para generar mayores presiones hidrostáticas y minimizar los riesgos de desmoronamiento.
Con el comienzo de la perforación se inicia la
etapa crítica
, donde
no deben existir demoras
, ya que un
error

implica
pérdidas de tiempo
, posibles desmoronamientos y perdida del pilote.

Perforación
de los Pilotes
Desarenado

Una vez perforado el pilote hasta la cota correcta, se procede a desarenar el pozo por medio de una bomba centrífuga que separa el lodo bentonítico de la arena. Esto es necesario debido a que las impurezas en el mismo sedimentan en el fondo y generan una zona de falla en la base del pilote.

Por otro lado, en el proceso de hormigonado, se estaría contaminando la masa con material inerte, disminuyendo la calidad del mismo. La tarea concluye cuando el remanente de arena es del orden del 2%.
Hormigonado
Se realiza por
bombeo
, a través de
cañerías
dispuestas sobre pasarelas flotantes, hasta el pontón. Por lo general los pilotes se encuentran sobre la
zona navegable del río
, y por ende a una distancia importante de la costa. Ello, podría implicar tener que trasladar en otras balsas a los camiones hormigoneros, en vez de bombear el material hasta el pilote. (El límite son 500 m de distancia).

En el pontón, el hormigón es
colado
directamente en la boca del pilote a través de otra cañería denominada
chimenea
, y por la cual cae libremente hasta al fondo del mismo. Esta se arma con tramos de caño de 6 o 8 pulgadas de hierro. Cuando el pozo comienza a llenarse, el
lodo

bentonítico
es desplazado por el hormigón debido a diferencia de densidades y se va recuperando parcialmente para una posterior reutilización.

A medida que el
nivel del hormigón sube
,
se levanta la chimenea
, para que no se generen
tapones
, y se retiran los tramos que van sobrando. De este modo se continúa hasta llegar a la superficie. El
final del hormigonado
se determina, cuando el material vertido por la ventana de la camisa, empieza a ser
hormigón en vez de bentonita
.


Relevamiento
Una vez concluido el pilote, se procede a verificar la posición exacta del mismo, y su relación con el resto de pilotes y el cabezal. Por lo general en todo el proceso de pilotaje se tiene una desviación de unos 5 cm aproximadamente. Si el desvío es mayor, se deberá verificar el cálculo del resto del conjunto.
Ejecución del Cabezal.
El cabezal es la estructura que vincula los pilotes. Se comienza por soldar perfiles a las camisas de los pilotes desde donde se armará una mesa que será el fondo del encofrado del cabezal. Arriba de esta mesa se colocarán los hierros del macizo y los laterales del encofrado. Como detalle, el hormigonado de esta estructura se realiza en 2 o 3 etapas.

Un fondo o cáscara de unos 15 a 20 cm de altura, para rigidizar la base y de esta forma poder soportar el peso del hormigón. Una segunda etapa con el resto o una parte del hormigón faltante, dependiendo del espesor que tendrá este cuerpo y el posible riesgo de fisuración debido al calor de hidratación emanado por la masa, en su proceso de fragüe. Y si corresponde, una tercera etapa con el final del mismo, todo dependiendo del volumen total del cabezal.
Mesa - Fondo de Encofrado de Cabezal
Armaduras en Cabezal
Ejemplo: Cabezal Terminado
Ejemplo de Defensa
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