Clase 4 Cargas de Diseño 16 2

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Las cargas que presentamos a continuación están basadas en las especificaciones de AASHTO LRFD. En general, estas cargas pueden ser divididas en dos grandes grupos: cargas permanentes y cargas transitorias (cargas de vehículos, peatonales, peso propio, peso muerto, etc.). Igualmente, se presentan los estados límites de diseño de resistencia, servicio, evento extremo y fatiga con sus correspondientes combinaciones de carga. Las abreviaciones utilizadas en este capítulo son las empleadas por AASHTO.

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Las cargas que presentamos a continuación están basadas en las especificaciones de AASHTO LRFD. En general, estas cargas pueden ser divididas en dos grandes grupos: cargas permanentes y cargas transitorias (cargas de vehículos, peatonales, peso propio, peso muerto, etc.). Igualmente, se presentan los estados límites de diseño de resistencia, servicio, evento extremo y fatiga con sus correspondientes combinaciones de carga. Las abreviaciones utilizadas en este capítulo son las empleadas por AASHTO.

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SOB RECARG A S DE DISEÑO EN EL PERU 

En el Perú, desde el 2003 contamos con un Manual de Diseño de Puentes, basado fundamentalmente en el Reglamento  Americano AASHTO y su propuesta LRFD (Load and Resistance  factor design) Diseño por Factores de Carga y Resistencia  , elaborada en 1993. “

“

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(LL ) CA RGA S VIVA S DE VEHICULO (2.4.3.2)  Nu m er o d e v ías 

La p arte ent era de

.

Donde: w

= A nc ho de calzada (m ).

3.60 = A n c h o d e c ad a v ía (m ). Exc epto para anch o s d e calzada ent re 6.00m y 7.20m en qu e se c o n sid era el pu ente c on d o s (2) vías.

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La carga viva vehicular consiste en: 1- Camión de diseño o 2- Ejes tándem. 3- Carga de carril de diseño (línea de carga).

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Cam ión d e Di s eñ o : HL -93K 3.60 m Ancho de Vía

Camión de Diseño

Peso Total del Camión : 325.00 kN (33.13 toneladas). 4.3 m 35 kN

3.57 T

1.20

4.3 - 9.0 m 145 kN

14.78T

145 kN

14.78T

Sobrecarga Distribu ida 0.970t/m

1.80 m

0.60

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Tán d em d e Dis eñ o : HL -93M 3.60 m Ancho de Vía

Tandem de Diseño

1.20

1.2 m 110 kN 11.2T

Peso Total del Camión : 220.00 kN (22.43 toneladas).

110 kN 11.2T

Sobrecarga Distribu ida 0.970t/m

1.80 m

0.60

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Para el análisis de la sobrecarga en forma longitudinal, el puente será cargado en forma continua o discontinua, según resulte lo más desfavorable para el caso en estudio. Se considera Camión de Diseño + Sobrecarga Distribuida VS Tándem de Diseño + Sobrecarga Distribuida

El camión de diseño con sus dimensiones mas pequeñas (distancia entre ejes de 145 kN de 4.30 m).

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HL-93S

Para momentos negativos en apoyos intermedios: Se consideran 2 camiones de diseño 1 a cada lado del apoyo, separados a una distancia mínima de 15.00 m. Para la distancia entre ejes se toma el rango menor de 4.30m. En este caso los momentos y cortantes se factorizan por 0.9

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Presen cia Múltip le d e Carga Viva (2.4.3.2.2.6) Tiene en cuenta la probabilidad de que se presente la máxima carga viva en diferentes carriles al mismo tiempo. Número de Vías Cargadas 1 2 3 4 ó más

Factor m 1,20 1,00 0,85 0,65

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(IM) EFECTOS DINÁMICOS (IMPACTO) (2.4.3.3) Excepto de estructuras enterradas y de madera, las cargas vivas correspondientes al camión o al tándem de diseño se incrementarán en los porcentajes indicados en la tabla 2.4.3.3-1. Elementos de unión en el tablero (todos los estados limites) = 75 %. Para otros elementos Estados límites de fatiga y fractura = 15%. Otros estados límite = 33 %. •

•

Este incremento no se incluirá en el cómputo de las fuerzas centrífugas o en el cómputo de las fuerzas de frenado, ni se aplicará a la sobrecarga uniformemente distribuida.

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Cargas Peaton ales Las cargas vivas también incluyen a las cargas peatonales y de bicicletas. La norma considera 367 kg/m2 para veredas mayores a 0.60 m.

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CARGAS EN PUENTES PEATONALES (2.4.3.7) Los puentes para uso peatonal y para el tráfico de bicicletas deberán ser diseñados para una carga viva uniformemente repartida de 5 kN/m2 (510kgf/m2). El proyectista deberá evaluar el posible uso del puente peatonal por vehículos de emergencia o mantenimiento. Las cargas correspondientes a tales vehículos no requerirán incrementarse por efectos dinámicos.

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METODO LRFD Filosofía de diseño

ni Qi =  Rn = Rr Donde

Rn

:

resistencia nominal

Rr

:

resistencia factorizada

i

:

factor de carga (factor estadístico)

Qi

:

efectos de fuerza



:

factor de resistencia

n

:

factor que relaciona a la ductilidad, redundancia e importancia operativa, modificadores de carga. n= nD x nR x nI  1.00

nD

:

factor que se refiere a la ductilidad

nR

:

factor que se refiere a la redundancia

nI

:

factor que se refiere a la importancia operacional

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1. Estados Límite (Combinaciones)

 A) Estado Límite de Servicio

Restricción sobre esfuerzos, se basa en el diseño sobre esfuerzos permisibles.

B) Estado Límite de Fatiga y Fractura Diseño bajo criterio de control de grietas. ESTADOS

C) Estado Límite de Resistencia

Diseño que sera tomado en cuenta para asegurar resistencia y estabilidad de una estructura durante su vida útil.

D) Estado Limite de Evento Extremo

Diseño que sera tomado en cuenta para asegurar supervivencia estructural.

LIMITE

Servicio I Servicio II Servicio III   Fatiga Resistencia I Resistencia II Resistencia III Resistencia IV Resistencia V Evento Extremo I Evento Extremo II

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RESISTENCIA I .- Combinación básica de carga relacionada con el uso vehicular normal, sin considerar el viento.

RESISTENCIA II   .- Relacionada al uso del puente mediante vehículos de diseño especiales especificados por el propietario y/o vehículos que permiten la evaluación, sin considerar el viento.

RESISTENCIA III   . - Relacionada al puente expuesto al viento con una velocidad mayor que 90 km/h.

RESISTENCIA IV .- Relacionada a relaciones muy altas de la carga muerta a la carga viva. RESISTENCIA V   .- Relacionada al uso vehicular normal del puente considerando el viento a una velocidad de 90 km/h.

EVENTO EXTREMO I .- Combinación de carga incluyendo sismo. EVENTO EXTREMO II .- Relacionada a la carga de viento, choque de vehículos y barcos, y ciertos eventos hidráulicos con carga viva reducida, distinta de la carga de choque vehicular.

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SERVICIO I .- Combinación de carga relacionada al uso operativo normal del puente con todas las cargas a su valor nominal (sin factorizar). También está relacionada al control de la deflexión en estructuras metálicas empotradas, placas de revestimiento de túneles y tubos termoplásticos, así como controlar el ancho de las grietas en estructuras de concreto armado.

SERVICIO II .- Combinación de carga considerado para controlar la fluencia de la estructuras de acero y el deslizamiento de las conexiones críticas, debidos a la carga viva vehicular.

SERVICIO III .- Combinación de carga relacionada solamente a la fuerza de tensión en estructuras de concreto pretensado, con el objetivo de controlar las grietas.

FATIGA  .- Combinación de fatiga y carga de fractura, relacionada a la carga viva vehicular repetitiva y las respuestas dinámicas bajo un camión de diseño simple con el espaciamiento entre ejes.

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CARGAS Y NOTACION Se considera las siguientes cargas y fuerzas permanentes y transitorias:

Cargas Permanentes DD

= Fuerza de arrastre hacia abajo

DC DW

= Carga muerta de Componentes estructurales y no estructurales = Carga muerta de la superficie de rodadura y dispositivos auxiliares

EH ES EV

= Presión de tierra horizontal  = Carga superficial en el terreno = Presión vertical del relleno

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Cargas Transitorias: BR CE CR CT CV EQ FR IC

= fuerza de frenado vehicular = fuerza centrífuga vehicular  = “ creep” del concreto = fuerza de choque vehicular  = fuerza de choque de barcos = sismo = fricción = carga de hielo

IM LL

= carga de impacto = carga viva vehicular 

LS PL SE SH TG TU WA WL WS

= carga viva superficial  = carga viva de peatones = asentamiento = contracción = gradiente de temperatura = temperatura uniforme = carga de agua y presión del flujo = efecto de viento sobre la carga viva = efecto de viento sobre la estructura

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2. Combinaciones de Carga y Factores de Carga

Combinación de Carga

Estado Límite RESISTENCIA I RESISTENCIA II REISISTENCIA III RESISTENCIA IV Solamente EH, EV, ES, DW, DC RESISTENCIA V EVENTO EXTREMO I EVENTO EXTREMO II SERVICIO I SERVICIO II SERVICIO III FATIGA (solamente LL,IM y CE)

DC DD DW EH EV ES P P

LL IM CE BR PL LS 1.75 1.35

P P

WA

WS

WL

P

1.35

P

EQ

1.00 1.00 1.00

0.50 1.00 1.30 0.8 0.75

TU CR SH

TG

SE

EQ 1.00 1.00 1.00

1.40

1.00

1.5

FR

Usar solamente uno de los indicados en estas columnas en cada combinación

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0.40

0.30

0.40

0.30

1.00 1.00 1.00

0.50/1.20 0.50/1.20 0.50/1.20

1.00

0.50/1.20

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0.50/1.20

TG

SE

TG

SE

TG

SE

TG

SE

IC

CT

CV

1.00

1.00

1.00

1.00 1.00/1.20 1.00/1.20 1.00/1.20

TG

SE

TG

SE

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Notación y Factores de Carga para Cargas Permanentes

TIPO DE CARGA

DC: Componentes estructurales y Auxiliares DD : Fuerza de arrastre hacia abajo DW : Superficie de Rodadura y accesorios EH : Presión horizontal de tierra - Activa - En reposo EV : Presión vertical de tierra - Estabilidad Global - Estructura de Retención   - Estructuras Rígidas Empotradas - Pórticos rígidos - Estructuras Flexibles empotrados excepto alcantarillas metálicas - Alcantarillas Metálicas ES : Carga superficial en el terreno

FACTOR DE CARGA Máximo Mínimo

1.25

0.90

1.80

0.45

1.50 1.50 1.35

0.65 0.90 0.90

1.35 1.35 1.30 1.35 1.95

N/A 1.00 0.90 0.90 0.90 0.90

1.50 1.50

0.75

gP

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3. Factor de Resistencia ( ) Dentro de la ecuación básica de diseño LRFD, se considera un factor de resistencia, el cual ”factoriza”   los esfuerzos resistentes de acuerdo al material estructural, y que varia por diferentes solicitaciones, dependiendo del requerimiento de diseño que estemos siguiendo.

 A) Para el Estado Límite de Resistencia

Valor de ф Flexión y Tracción de Concreto Armado Flexión y Tracción de Concreto Presforzado Corte y Torsión Concreto densidad normal Compresión Axial con Espirales o Estribos  Aplastamiento en Concreto Compresión en modelos de bielas de compresión y Tracción Compresión en zonas de concreto de densidad normal Tracción en el acero en zonas de anclaje

B) Para los demás Estados Límites Se asume : f =1.00

0.90 1.00 0.90 0.50-0.90 0.70 0.70 0.80 1.00

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4. Modificadores de Carga (n) Este factor (n), esta relacionado directamente con la seguridad en el diseño de puentes. Depende de tres variables las cuales son las siguientes : Ductilidad, Redundancia, Importancia Operativa :

 A) Ductilidad (nD) Se debe proporcionar la capacidad necesaria al sistema estructural, de tal forma que se asegure el desarrollo de significantes deformaciones inelásticas visibles antes de la falla.

DUCTILIDAD (nD)  Para el estado límite de resistencia, los valores de n D son: - Para componentes y conexiones no dúctiles - Para componentes y conexiones dúctiles

1.05 0.95

 Para los demás estados límite, el valor de n D es: - Para elementos dúctiles y no dúctiles

1.00

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4. Modificadores de Carga (n) Este factor (n), esta relacionado directamente con la seguridad en el diseño de puentes. Depende de tres variables las cuales son las siguientes : Ductilidad, Redundancia, Importancia Operativa :

B) Redundancia (n R ) Condición que esta basada en la seguridad que brinda un puente, ante posibles eventos o solicitaciones extremas. En ese sentido deberán usarse rutas múltiples de carga, y estructuras continuas a menos que se indique lo contrario. REDUNDANCIA (nR )  Para el estado límite de resistencia, los valores de n R  son: - Para miembros no Redundantes - Para miembros Redundantes

1.05 0.95

 Para los demás estados límite, el valor de n R  es: - Para elementos Redundantes y no Redundantes

1.00

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4. Modificadores de Carga (n) Este factor (n), esta relacionado directamente con la seguridad en el diseño de puentes. Depende de tres variables las cuales son las siguientes : Ductilidad, Redundancia, Importancia Operativa :

C) Importancia Operativa (nI) La clasificación referente a importancia operativa deberá tomar en cuenta los requerimientos sociales, de supervivencia, de seguridad y de defensa. El propietario puede declarar si un puente o una componente estructural, es de importancia operativa. IMPORTANCIA OPERATIVA (n I)  Para el estado límite de resistencia y evento extremo, los valores de nI son: - Puentes de Importancia Operativa, como mínimo - Otros casos, como mínimo

1.05 0.95

 Para los demás estados límite, el valor de n I es: - Para elementos en general

1.00

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COMBINACION DE CARGAS PARA EL ESTADO LIMITE DE RESISTENCIA I:

øMu ≥ n ( γDC MDC + γDw MDw + γLL MLL+IM )

øMu ≥ 1 (1.25M DC + 1.50M DW + 1.75M LL+IM )

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COMBINACION DE CARGAS PARA EL ESTADO LIMITE DE SERVICIO I:

øMu ≥ n ( 1.0 MDC + 1.0 MDw + 1.0 MLL+IM )

PARA EL ESTADO LIMITE DE FATIGA:

øMu ≥ 1 (0.75 M LL+IM )

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PREDIMENSIONAMIENTO