ANALISIS Y DISEÑO DE UN PUENTE METALICO

ANALISIS Y DISEÑO DE UN PUENTE METALICO

10/26/2006

PUENTES Y OBRAS DE ARTE

CONTENIDO DEL PROYECTO 1.-

GENERALIDADES INTRODUCCION

2.-

3.-

OBJETIVOS

ESTUDIOS BASICOS DE INGENIERIA 1.ESTUDIO TOPOGRAFICO

2.ESTUDIO HIDROLOGICO

3.ESTUDIO GEOLOGICOS

4.ESTUDIO GEOTECNICOS

EXPEDIENTE TECNICO MEMORIA DESCRIPTIVA

4.-

5.-

ESPECIFICACIONE TECNICAS

DISEÑO DISEÑO DE LA ARMADURA

DISEÑO DEL TABLERO

DISEÑO DEL ESTRIBO

DISEÑO DEL ALA DEL ESTRIBO

CONCLUSIONES CONCLUSIONES

10/26/2006

5.ESTUDIO IMPACTO AMBIENTAL

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DISEÑO DE LA VIGA DE PISO

MARCO TEORICO:  Las armaduras Pratt y Warren, de paso superior o inferior, son las más utilizadas en puentes de acero de tramos cortos.  La armadura Howe sólo se emplea en puentes de madera.  Para los puentes de tramos largos se emplea la armadura Parker. 

Los primeros puentes metálicos se hicieron de hierro fundido.



El empleo del hierro significó una transformación radical en los puentes; desarrollándose muy rápido las estructuras metálicas .



Uno de los logros de la tecnología fue conseguir que los materiales de construcción sean dúctiles y no frágiles (ACERO).

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OBJETIVOS:  Realización de un trabajo escalonado referente a un puente metálico.  Diseño de los diferentes elementos estructurales: Superestructura. Subestructura. Dispositivos de Apoyo.

 Diseño del puente con las siguientes características: Luz : 30 m. Tipo puente : Metálico. Tipo de sobrecarga : H-20. Categoría : Segunda.  Detalles de diseño y su respectiva maqueta del puente metálico.

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ESTUDIO TOPOGRÁFICO: OBJETIVO: • Es preparar toda la información geométrica que requerirá la adaptación del puente; de tal forma que se precise la ubicación de los estribos y el puente mismo. CONCLUSION. Se ha tomado como base la vía asfaltada recientemente y se ha enlazado la geometría de ingreso y salida. Características Técnicas De Acceso: Velocidad directriz Ancho de calzada Bermas Pendiente mínima Pendiente máxima Radio mínimo Radio mínimo excepcional Sobreancho Peraltes Cunetas 10/26/2006

: : : : : : : : : :

30 Km/h. 6.10 m. 0.60 m. 0.92 % 1.36 % 30 m. 25 m. De acuerdo a la normas. De acuerdo a la normas. H =0.50 V =0.50 PUENTES Y OBRAS DE ARTE

ESTUDIO HIDROLÓGICO: OBJETIVOS: • Evaluar el caudal máximo de diseño. • Evaluar la profundidad de socavación para el caudal correspondiente a una avenida de 100 años de periodo de retorno. • Determinación de los Parámetros mínimos. CONCLUSIONES: El caudal de diseño correspondiente a 200 años de periodo de retorno seria de 222.1 m3/s. El tirante máximo de agua será de 4.14 m. La velocidad será 3.36 m/s . La erosión potencial en la sección del puente se ha estimado en 1 m. 10/26/2006

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ESTUDIO GEOLÓGICO: OBJETIVO:  Establecer las características geológicas, tanto local como general de diferentes formaciones geológicas que se encuentra identificando tanto su distribución como sus características geotécnicas. CONCLUSIONES: SUBRASANTE: Suelo natural conformado por materia heterogénea serán escarificados y compactados en un espesor de 0.20m con un grado de compactación del 95% de la máxima Densidad seca del proctor modificado. BASE: El material a emplear en la base será del tipo granular en un espesor de 0.20 m. para un CBR del 80% como mínimo y compactada al 100% de la Máxima densidad Seca del proctor Modificado. CARPETA DE RODADURA: Será de 4” (0.10m) de espesor, compactado, sellado e impermeabilizado, para protegerlo y colocarlo de acuerdo a las especificaciones técnicas generales de construcción vigente. 10/26/2006

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ESTUDIO GEOTÉCNICO: OBJETIVO: Establecer las características geotécnicas, es decir la estratigrafía, la identificación y las propiedades físicas y mecánicas de los suelos para el diseño de cimentaciones estables. CONCLUSION: La capacidad portante admisible para ambos estribos será: Qad  3.5

kg cm2

Que el análisis químico de sales agresivas al concreto nos indican que no existe agresividad al concreto, por lo tanto se recomienda el uso de cemento Pórtland Tipo I.

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ESTUDIO IMPACTO AMBIENTAL: OBJETIVO: •Identificar, analizar y describir los impactos positivos y negativos, que ocasionaran las actividades comprendidas en el proceso de construcción del puente Tarucache.

CONCLUSIONES: Tiene por finalidad mejorar las condiciones de transitibilidad entre los distritos de Tacna y Tarata. Los impactos negativos se presentan durante el desarrollo de los trabajos de la obra, debiéndose adoptar todas las medidas preventivas y de mitigación establecidas en el EIA. Las áreas utilizadas como depósito de excedentes de obra y cantera, al final de la obra deberán ser restauradas a fin de no alterar la calidad paisajística del lugar. Se ha determinado que los impactos ambientales que se susciten, no implican una limitación ni tampoco constituyen restricciones importantes para la ejecución del proyecto; por tanto el proyecto es ambientalmente viable. 10/26/2006

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DISEÑO DE LA ARMADURA  Metrear la armadura para obtener la carga muerta teniendo en cuenta: Peso de la armadura, peso de la viga de piso, peso de puntales superior, peso de la losa, peso de la carpeta asfáltica y peso de la vereda; para luego distribuirlas en cada nudo de la parte inferior de la armadura.  Para el caso de la carga viva se debe distribuir la cargas actuantes del móvil H-20 en los nudos.  Para las cargas de impacto se tomará un porcentaje de la carga viva.  Para obtener las cargas de diseño se procederá a sumar las tres cargas anteriores.  Procedemos al diseño de los miembros en tracción. Para ello encontramos el área que necesita nuestro perfil mediante la siguiente formula:

Pn Ag  t * f y

 Con esta área nos dirigimos a la tabla de perfiles escogiendo el mas conveniente de acuerdo al área.  Luego verificamos la esbeltez del perfil mediante las formulas: L es la longitud del miembro en tracción. r es radio del perfil. 10/26/2006

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L L y rx ry

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10/26/2006

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CARGA MUERTA:

10/26/2006

TRAMO

TIPO CARGA

FUERZA AXIAL

ESTADO DE LA BARRA

A-F

CM

100446.72

COMPRESIÓN

C-H

CM

19426.58

COMPRESIÓN

E-J

CM

59185.82

TRACCIÓN

A-H

CM

59185.82

TRACCIÓN

C-J

CM

19426.58

COMPRESIÓN

E-L

CM

100446.72

COMPRESIÓN

A-G

CM

28096.56

TRACCIÓN

C-I

CM

27734.24

TRACCIÓN

B-H

CM

771.43

TRACCIÓN

D-J

CM

771.43

TRACCIÓN

E-K

CM

28096.56

TRACCIÓN

F-G

CM

71080.15

TRACCIÓN

G-H

CM

72041.68

TRACCIÓN

H-I

CM

128245.95

TRACCIÓN

I-J

CM

128245.95

TRACCIÓN

J-K

CM

72041.68

TRACCIÓN

K-L

CM

71080.15

TRACCIÓN

D-E

CM

113778.31

COMPRESIÓN

C-D

CM

114499.5

COMPRESIÓN

B-C

CM

114499.5

COMPRESIÓN

A-B

CM

113778.31

COMPRESIÓN

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ENVOLVENTE DE LA CARGA VIVA:

10/26/2006

TRAMO

TIPO CARGA

FUERZA AXIAL

ESTADO DE LA BARRA

A-F

CV

20100.23

COMPRESIÓN

C-H

CV

10479.16

COMPRESIÓN

E-J

CV

16618.91

TRACCIÓN

A-H

CV

15086.20

TRACCIÓN

C-J

CV

11948.46

TRACCIÓN

E-L

CV

17218.52

COMPRESIÓN

A-G

CV

13205.29

TRACCIÓN

C-I

CV

13127.53

TRACCIÓN

B-H

CV

354.81

TRACCIÓN

D-J

CV

336.54

TRACCIÓN

E-K

CV

13253.96

TRACCIÓN

F-G

CV

14226.31

TRACCIÓN

G-H

CV

14428.03

TRACCIÓN

H-I

CV

26459.42

TRACCIÓN

I-J

CV

26401.54

TRACCIÓN

J-K

CV

15475.94

TRACCIÓN

K-L

CV

15364.65

TRACCIÓN

D-E

CV

24150.65

COMPRESIÓN

C-D

CV

24303.71

COMPRESIÓN

B-C

CV

22132.06

COMPRESIÓN

A-B

CV

22109.55

COMPRESIÓN

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CARGA DE IMPACTO:

10/26/2006

TRAMO

TIPO CARGA

FUERZA AXIAL CV*0.22

ESTADO DE LA BARRA

A-F

CI

4422.05

COMPRESIÓN

C-H

CI

2305.42

COMPRESIÓN

E-J

CI

3656.16

TRACCIÓN

A-H

CI

3318.96

TRACCIÓN

C-J

CI

2628.66

TRACCIÓN

E-L

CI

3788.07

COMPRESIÓN

A-G

CI

2905.16

TRACCIÓN

C-I

CI

2888.06

TRACCIÓN

B-H

CI

78.06

TRACCIÓN

D-J

CI

74.04

TRACCIÓN

E-K

CI

2915.87

TRACCIÓN

F-G

CI

3129.79

TRACCIÓN

G-H

CI

3174.17

TRACCIÓN

H-I

CI

5821.07

TRACCIÓN

I-J

CI

5808.34

TRACCIÓN

J-K

CI

3404.71

TRACCIÓN

K-L

CI

3380.22

TRACCIÓN

D-E

CI

5313.14

COMPRESIÓN

C-D

CI

5346.82

COMPRESIÓN

B-C

CI

4869.05

COMPRESIÓN

A-B

CI

4864.10

COMPRESIÓN

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CARGAS DE DISEÑO:

10/26/2006

TRAMO

CM

CV

CI

CM+CV+CI

ESTADO DE CARGA

A-F

-100446.72

-20100.23

-4422.05

-124969

COMPRESIÓN

C-H

-19426.58

11948.46

2628.66

-4849.46

COMPRESIÓN

E-J

59185.82

16618.91

3656.16

79460.89

TRACCIÓN

A-H

59185.82

16618.91

3656.16

79460.89

TRACCIÓN

C-J

-19426.58

11948.46

2628.66

-4849.46

COMPRESIÓN

E-L

-100446.72

-20100.23

-4422.05

-124969

COMPRESIÓN

A-G

28096.56

13253.96

2915.87

44266.39

TRACCIÓN

C-I

27734.24

13127.53

2888.06

43749.83

TRACCIÓN

B-H

771.43

354.81

78.06

1204.3

TRACCIÓN

D-J

771.43

354.81

78.06

1204.3

TRACCIÓN

E-K

28096.56

13253.96

2915.87

44266.39

TRACCIÓN

F-G

71080.15

15364.65

3380.22

89825.02

TRACCIÓN

G-H

72041.68

15475.94

3404.71

90922.33

TRACCIÓN

H-I

128245.95

26459.42

5821.07

160526.44

TRACCIÓN

I-J

128245.95

26459.42

5821.07

160526.44

TRACCIÓN

J-K

72041.68

15475.94

3404.71

90922.33

TRACCIÓN

K-L

71080.15

15364.65

3380.22

89825.02

TRACCIÓN

D-E

-113778.31

-24150.65

-5313.14

-143242.1

COMPRESIÓN

C-D

-114499.5

-24303.71

-5346.82

-144150.03

COMPRESIÓN

B-C

-114499.5

-24303.71

-5346.82

-144150.03

COMPRESIÓN

A-B

-113778.31

-24150.65

-5313.14

-143242.1

COMPRESIÓN

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ARMADURA:

En la figura observamos la armadura con sus respectivos perfiles para cada miembro ya sea en tracción y compresión. A

B W 200x59

C

D

W 200x59

W 200x59

W 310x33

W 310x33

E W 200x59

W 200x27 W 310x33

W 200x27

W 200x15

W 200x15

F W 200x52

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G

W 310x33

W 200x15

W 200x15

W 200x52

H

W 200x52

I

W 200x52

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W 200x15

J

W 200x52

K

W 200x52

L

DISEÑO DEL TABLERO: CARGA MUERTA: P. p. de la losa P. p. del asfalto

: 0.50 m * 1m * 2400 kg/m3 : 0.05 m * 1m * 2000 kg/m3 WD

: 1200 kg/ml : 100 kg/ml : 1300 kg/ml

CARGA VIVA: Para una sobrecarga H-20para la cual iremos moviendo cada 2 m. como se indica en el grafico. CARGA DE IMPACTO:

15.24 15.24 I   0.35  35%  30% por tanto I  30%. L  38 5  38 Con todos estos datos : Wu = 1.3 [CM + 1.67 (CV+CI)] Remplazando en la formula tenemos: Wu = 1.3 [CM + 1.67 (CV + 0.3CV)] Wu = 1.3 [CM + 1.67 (1.3CV] Wu = 1.3 [CM + 2.17CV] Wu = 1.3CM + 2.82CV sin ancho efectivo. 10/26/2006

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pero CI = 0.3xCV

ANCHO EFECTIVO: Nuestra losa es diseñado paralelo al tráfico por tanto nuestro ancho efectivo será:

E

3.05N  W 3.05(2)  7.30   1.69 4N 4(2)

Entonces nuestro juego de cargas será: Wu = 1.3CM + (2.82CV/1.69) Wu = 1.3CM + 1.67CV Para obtener los momentos máximos y fuerzas cortantes máximas procedemos a utilizar el software SAP2000 donde aplicaremos la combinación de cargas hallado.

ACERO DE REFUERZO PRINCIPAL: Apoyo 1: b = 100.0 cm h = 50 cm Asmin = 0.0018 x b x h As min = 9 cm2 Se usará Ø = 5/8"  Av = 1.99 cm2 Separación entre barras: S = b * (AV/As) S = 22.11 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø5/8"@ 22 cm 10/26/2006

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TRAMO 1-2: Mu = 3364727 kg-cm

As 

b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

a = 3.88 cm Verificación de a: Se usará Ø = 1"  Separación entre barras: S = 24.53 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: APOYO 2: Mu = 1982326 kg-cm

As 

As. fy 0.85 * f ' c * h

As = 20.62 cm2 OK a = 3.65 cm OK AV = 5.07 cm2 S = b * (AV/As) Ø1"@ 24 cm b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

a = 2.29 cm Verificación de a: Se usará Ø = 3/4"

a

d = 45 cm

As. fy 0.85 * f ' c * h

As = 11.96 cm2 OK a = 2.11 cm OK 2 AV = 2.87 cm



Separación entre barras: S = 24 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: 10/26/2006

a

d = 45 cm

S = b * (Ab/As) Ø3/4"@ 24 cm

PUENTES Y OBRAS DE ARTE

TRAMO 2-3: Mu = 2551110 kg-cm

As 

b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

a

d = 45 cm

As. fy 0.85 * f ' c * h

a = 2.94 cm As = 15.50 cm2 OK Verificación de a: a = 2.74 cm OK 2 Se usará Ø = 3/4"  AV = 2.87 cm Separación entre barras: S = b * (Ab/As) S = 18.52 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø3/4"@ 18 cm APOYO 3: Mu = 1882225 kg-cm

As 

b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

a

d = 45 cm

As. fy 0.85 * f ' c * h

a = 2.17 cm As = 11.34 cm2 OK Verificación de a: a = 2.00 cm OK 2 Se usará Ø = 3/4"  AV = 2.87 cm Separación entre barras: S = b * (Ab/As) S = 25.31 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø3/4"@ 25 cm 10/26/2006

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TRAMO 3-4: Mu = 2566304 kg-cm

b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

d = 45 cm

As. fy 0.85 * f ' c * h a = 2.96 cm As = 15.60 cm2 OK Verificación de a: a = 2.75 cm OK 2 Se usará Ø = 3/4"  AV = 2.87 cm Separación entre barras: S = b * (Ab/As) S = 18.40 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø3/4"@ 18 cm As 

APOYO 4: Mu = 1752945 kg-cm As 

a

b = 100.0 cm

Mu  * fy * (d  a / 2)

a

d = 45 cm

As. fy 0.85 * f ' c * h

a = 2.02 cm As = 10.54 cm2 Verificación de a: a = 1.86 cm OK Se usará Ø = 3/4"  AV = 2.87 cm2 Separación entre barras: S = b * (Ab/As) S = 27.23 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø3/4"@ 27 cm 10/26/2006

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ACERO DE REPARTICIÓN: % Asr 

55 55   0.2460  24.60%  50% OK. L 5

Asr = 24.60% x As Para hallar el acero de repartición tomaremos el mayor de valor de las áreas de acero principal: Asr = 0.246 x 20.62 cm2 Asr = 5.07 cm2 Se usará Ø = 5/8"  Av = 1.99 cm2 Separación entre barras: S = b * (AV/Asr) S = 39.25 cm POR LO TANTO SE COLOCARA: Ø5/8"@ 39 cm ACERO DE TEMPERATURA: Asmin = 0.0018 x b x h b = 100 cm 2 Ast = 9.00 cm Se usará Ø = 5/8" AV = 1.99 cm2 Separación entre barras: S = b * Ab /Ast S = 22.11 cm Se colocará Ast: Ø 5/8" @ 22 cm. VERIFICACIÓN POR CORTE: Vmax = 33107.20 Kg. El concreto absorbe:

Vn m ax 

h = 50 cm

33107.20  38949.65 kg. 0.85

Vc  0.53 x 280 x 100 x 45  39907.68 kg. 10/26/2006

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Vn m ax  Vc

OK.

DISEÑO DEL VIGA DE PISO: METRADO DE CARGAS: POR CARGA MUERTA: kg/m) - Peso propio de la losa: - Peso propio del asfalto: - Peso propio de la viga:

Asumiendo un perfil: W360x122 (121.7

1 * 0.50 * 5 * 2400= 6000 kg/m. 1 * 0.05 * 5 * 2000= 500 kg/m. W360x122 = 121.7 kg/m. CM1 = 6621.7 kg/m. - Peso propio de la vereda: 1 * 0.15 * 5 * 2300=1725 kg/m. CM2 = 1725 kg/m. - Peso propio de la armadura: 167.4 * 117.43 = 19657.78 kg/m. 19657.78/5 = 3276.3 Kg. CM3 = 3276.3 kg. CM3

CM2

CM2 CM1

POR CARGA VIVA: El juego de cargas sera el siguiente:

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CM3

8tn

CV1

8tn

1.21 1.83

7.30

4.26

8tn

CV2

8tn

1.83

7.30 CV3 8tn

8tn

1.21

8tn 1.22

1.83

1.21 1.83

7.30

10/26/2006

8tn

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ANALISIS ESTRUCTURAL: VT = 41204.81 kg MT = 78282.5 kg-m VT = 41204.81 kg

DISEÑO DE LA VIGA:

Mc  f  para A36 : I fy  2530 kg/c m2

 

fu  4080 kg/c m2

Tomamos la condición fbt = 0.6*fU = 0.6*(4080) = 2448 kg/cm2 Se conoce que: I Mu Mu S  fb U   S C S fb U

S 

78282.59 * 1000 * 100  3197.82 x103 mm3 2448

Tomando referencia “S” elegimos un perfil: W 360x196 que tiene un S = 3420 x 103 mm3 Con el nuevo “S” calculamos: fb (real) fb(real ) 

78282.59 * 1000  22.8896 kg/mm2  fb(real)  2289 kg/cm2 3 3420* 10

fb(real)  2289 kg/cm2  fbt  2448 kg/cm2 10/26/2006

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OK.

VERIFICACIÓN AL CORTE: Vt = 41357.3 Kg.

Vn  0.6 * fy w * Aw

Para perfil W360x196: Hc: altura = 372 mm. = 37.2 cm. Tw: espesor del alma = 16.4 mm. = 1.64 cm.

hc 37.2   22.68 Tw 1.64

1520

K 5  1520  67.57 fyW 2530

*como 22.68 < 67.57

OK.

Área del alma:

Aw  hc * Tw

Vn  0.6 * fy w * Aw

Aw  37.2 *1.64  61 cm 2

Vn  0.6 * 2530 * 61  92598 kg.

Resistencia de diseño al corte será: (Φ = 0.9)

Vn  0.9 * 92598  83338.2kg. *como ΦVn > Vt 10/26/2006

CORRECTO. PUENTES Y OBRAS DE ARTE

DISEÑO DEL ESTRIBO: Altura de zapata cimentacion (m) d= 1.50 Tipo de terreno (tn/m2) δ= 35 Ancho de puente (m) A= 7.30 Luz del puente (m) L= 30.00 Altura del estribo (m) H= 8.00 Angulo de friccion interna (grado) Φ= 35.00 Altura equiv. de sobre carga (m) h’= 0.60 Peso especif. relleno (tn/m3) γ1= 1.80 Peso especif. concreto (tn/m3) γ2=2.30 M=0.80 m. N = 0.80 m. E=0.70 m. G = 2.50 m. a=1.40 m. b = 1.50 m. c=1.00 m. B = 4.80 m. I.

ANALISIS DE ESTABILIDAD EN LA SECCION A-A 1.EMPUJE DE TERRENO: H = 1.40 m. h'= 0.60 m. C = Tang 2(45-θ/2) C = 0.271 E = 0,5*W*h*(h+2h’)*C E = 0.888 kg. Ev=E*Sen(θ/2) Ev = 0.267 Kg. Eh=E*Cos(θ/2) Eh = 0.847 Kg. Punto de aplicación de empuje Ea: h * (h  3h' )

Dh 

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3 * (h  2h' )

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Dh = 0.57 m.

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DISEÑO DEL ALA DEL ESTRIBO:

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CONCLUSIONES:  La construcción del puente Tarucachi tiene por principal finalidad mejorar las condiciones de transitibilidad entre Tacna y Tarata.  La profundidad de cimentación recomendada es mayor que el nivel mínimo del lecho menos la profundidad de socavación.  El nivel mínimo del fondo del tablero a especificar corresponde a nivel de aguas máximas extraordinarias agregándole el borde libre.  El estribo se debió diseñar tipo voladizo de concreto armado para aligerar el peso ya que la altura es grande y demandaría mucho costo ,pero con fines de aplicar lo estudiado en clase se considero estribo de gravedad ;realizando las verificaciones respectivas resultando correctas ya que el esfuerzo de terreno es grande (roca).

 Se logro el objetivo principal que era analizar y diseñar un puente metálico, lo cual incluye la superestructura y subestructura.

OBSERVACIONES:  El tablero para nuestro puente se considero de concreto armado, pudiendo también ser placa metálica ortotrópica y de madera.  Los dispositivos de apoyo pueden ser metálicos los cuales ya no son muy utilizados o de elastómeros que es un apoyo estándar freyssinet que realiza una unión de tipo elástico entre la estructura y su soporte. 10/26/2006

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