Diseño de puente viga-losa

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO UTESA Facultad de Arquitectura e Ingeniería Carrera de Ingeniería Civil

DISEÑO DEL PUENTE VIGA -LOSA, SOBRE EL RIO LAS LAVAS (SANTIAGO)

Monografía para optar por el título de Ingeniero Civil

PRESENTADO POR: RICHARD LEONEL MOYA M. ABRAHAN TAVERAS BAEZ

ASESORES: ING. JUAN ELIAS ORTIZ ING. ALBERTO A. RODRÍGUEZ, Ph.D.

Santiago de los Caballeros República Dominicana Diciembre, 2009.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO UTESA Facultad de Arquitectura e Ingeniería Carrera de Ingeniería Civil

DISEÑO DE PUENTE VIGA-LOSA SOBRE EL RIO LAS LAVAS (SANTIAGO)

Monografía para optar por el título de Ingeniero Civil

PRESENTADO POR: RICHARD LEONEL MOYA M. 1-01-4402 ABRAHAN TAVERAS BAEZ 1-04-3684

ASESORES: ING. JUAN ELIAS ORTIZ ING. ALBERTO A. RODRÍGUEZ, Ph.D.

Santiago de los Caballeros República Dominicana Octubre, 2009.

Diseño del Puente viga-losa Sobre el río las Lavas (Santiago)

Índice

Dedicatorias…………….………...…………………………………..…...ii Agradecimientos…………………..……………………………….……...v Resumen……………………………………………...…………….…….vii Introducción..........………………………………………..……….……xiii Capítulo I. Generalidades: Puente 1.1 Concepto de puente ……………….……………..……..………....2 1.2 Origen y evolución de puentes ……………………..………………2 1.2.1 História de los puentes dominicanos…..……………...….…..4 1.3 Tipos de puentes …………………………….………………………...5 1.3.1 elección de puentes ….……………………………………....5 1.4 Clasificación de los puentes……........…………………............……....6 1.4.1 Dependiendo del tipo de estructura….…..…..…….……........6 1.4.1.1 Puentes losas….…………....…………..…………......7 1.4.1.2 Puente vigas………………………………………..…7 1.4.1.3 Puentes de arcos……………....…………………........7 1.4.1.4 Puentes de armaduras………..……………………..…8 1.4.1.5 Puentes sustentados por cable….……………………..8 1.4.1.5.1 Puentes colgantes…………….….…………...8 1.4.1.5.2 Puentes atirantados…….……….……....…....9 1.4.1.5.3 Puentes voladizos (cantilever)…….………..10 1.4.1.5.4 Puentes flotantes………...………….………11 1.4.1.5.5 Puentes móviles……………..……….….….11 1.4.1.5.5.1 Basculantes……..............................12 1.4.1.5.5.2 Giratorios y horizontales….………12 1.4.1.5.5.3 De elevación vertical...……………13 1.5 Según su función y utilización……………………………………..…14 1.5.1 Puentes peatonales……………………………….…………...14 1.5.2 Puentes carreteros………………………………….………....14 1.5.3 Puentes ferroviarios…………………….………..…….…..…15 1.6 Diversidad de puentes según los materiales………..……….…….….15 1.6.1 De madera…………………..………..……………..…….…..15 1.6.2 De mampostería……………….….………….……........…….15 1.6.3 De acero …………………….……………….…….....….......16 1.6.4 De hormigón armado…….............…………….…….........…17 1.6.4.1 Pretensado…………………………………………...17 1.6.4.2 Postensado................……...........................................18 1.6.5 Compuesto..……………………….………………………......19 1.7 Superestructura de los puentes.........................................……............19 1.8 Subestructura e infraestructura de los puentes….…………...….....…20

Capítulo II: Elementos , Materiales y Mantenimiento de los Puentes 2.1 hormigon armado…………………………………………………….23 2.1.1 Cemento……………………………..…………………….…24 2.1.1.1 Cemento portland………………………………...…24 2.1.2 Agua………………………………………………………….25 2.1.3 Agregados……………………………………........................25 2.1.3.1 Agregados finos…………….……………….....….....26 2.1.3.2 Agregados gruesos………………………..……...…..26 2.1.4 Aditivos…………………….…………………………...…....27 2.2 Resistencia del hormigón………………………………………....…..27 2.2.1 Resistencia a la compresión……….....………..….…….......28 2.2.2 Resistencia a la abrasión………….…………….……….….29 2.3 Acero…….…….…………………………………………….…...…30 2.3.1 Acero de refuerzo………………………..………..…............31 2.3.2 Acero corrugado …......……….……...……………………...32 2.3.3 Acero estructural…………………………………..………...34 2.4 Elementos estruturales de los puentes………………………..………35 2.4.1 Super estructura…………...……………………..……….….35 2.4.2 subestructura……………...………………………...……......37 2.4.3 Infraestructura……………………...………...…………...….37 2.4.3.1 Cimentacion………………..………………….….....38 2.4.3.1.1 Pilotes……………….……………………...40 2.4.3.1.1.1 Funciones de los pilotes….………....40 2.4.3.1.1.2 Tipos de pilotes………..…….……...41 2.4.4 Muro de contencion………………..…….………………..…43 2.4.4.1 Tipos de muros………………………………….…...44 2.5 Causas que generan problemas en los puentes……………..…...…45 2.6 Mantenimiento de los puentes………...……………….…...….…...49 2.6.1 Mantenimiento preventivo.......................................................50 2.6.2 Mantenimiento correctivo………….……….……..............…51

Capítulo III: Detalles y Especificaciones del Proyecto 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Objetivo………………………………………………....….………..56 Ubicación…………………………………………………………….56 Descripción…………..……..…...…………………..…….……...… 56 Especificaciones de la AASTHO.........................................................57 Cargas……………....................................………………...………...62 3.5.1Carga viva…………………...…….……….………...…...…….62 3.5.2 Carga de impacto…………….…………….……..…..........…..63 3.5.3 Carga muerta………………….….................................…….....65

3.5.4 Cargas por viento………………………………………..……..66 3.5.5 Cargas sísmica…………………………...…………………….72 3.6 Fuerzas………………………………………………….……………..75 3.6.1 Fuerzas centrifugas…………………….….…..……….………76 3.6.2 Fuerzas por cambio de temperatura....……..……………..……77 3.6.3 Fuerzas por empujes de tierra………………..………..……….79 3.7 Estudios……...……………………………..…..………..……………80 3.7.1 Hidrológicos…………..……………….….……….………..….80 3.7.2 Topográfico…………………………...…….…….……………82 3.7.3 Suelo…………………………………...….….………………...83 3.7.4 Transito…………………………….….......…….………….…..92

Capítulo IV: Diseño del Puente Viga-Losa 4.1 Análisis y diseño de losa ……………………………….………….…94 4.1.1 Momento muerto……………………………………….….…95 4.1.2 Momento vivo ……………….……...…………………….…95 4.1.3 Momento de impacto…………....………………….….......…95 4.1.4 Diseño en la etapa elastica de losas …....…….…………..….96 4.2 Diseño de Baranda………………………………………….....……..97 4.3 Analisis y Diseno de vigas interiores……………………….………100 4.3.1 Momento muerto……………………………………..…….100 4.3.2 Momento vivo……………….……..…………………...….101 4.3.3 Momento de impacto……….……………….……………...103 4.3.4 Fuerza cortante de diseno………….……….………………104 4.3.4.1 Cortante vivo………………………………..……...104 4.3.4.2 Cortante muerto……………….…….…….….….....105 4.3.4.3 Cortante de Impacto……….…..………….....105 4.3.5 Diseño de la viga interior…...…………….....……………...105 4.4 Análisis y Diseño de vigas exteriores…………………………….…106 4.4.1 Momento muerto………...……………….…………………106 4.4.2 Momento vivo.………………..….……………………...….107 4.4.3 Momento de Impacto…………….……………………...….107 4.4.4 Fuerza cortante de diseño ……………...…..……..……..…108 4.4.4.1 Cortante vivo ………………..………..…………108 4.4.4.2 Cortante muerto ……….……………………...…108 4.4.4.3 Cortante de impacto ………………………..……109 4.4.5 Diseño de la viga exterior……………..……..………….…109 4.5 Diseño de Columnas………………….……...….....………………...110 4.6 Diseño de pilotes……………………..……….....…….……....…….111 4.6.1 Resistencia como columna………………………………….112 4.7 Diseño de zapata…………….……………………………………....113

4.8 Detalles finales ……………………………….….…………..….….118 Conclusiones...........................................................................................124 Recomendaciones...................................................................................129 Glosario……………………………………………………...………....131 Anexos…………………………….…………………..………………..135 Bibliografía.............................................................................................137

Dedicatoria

A Dios: por darme la existencia, por siempre estar conmigo en todo momento, por darme unos padres ejemplares y enseñarme que todo cuesta sacrificio. A mis padres, Ada Noris Mendoza y Richard Leonel Moya: por todo el amor, dedicación, confianza y todo su empeño para ver hoy en mí su sueño realizado. A mi Esposa, Yamilka Trinidad, mis suegros y mis cuñados por su ayuda intelectual y social en el desarrollo de mi carrera. A mis hermanos de sangre y de crianza, Carolina, Carlos Alberto, Carlos Enrique, Argenis Félix y Richelli: por el gran amor y comprensión que me han brindado, este logro es de ustedes. A mis sobrinos, a mis abuelos, Enrique, Efraín, Angelito, Gladis, Elena y Ana, tíos, primos y demás familiares: por su apoyo incondicional. A mi compañero de monográfico, Abrahan Taveras: por ayudarme cuando lo necesitaba, haciéndolo incondicionalmente. A mis amigos: Marcos del Rosario, Dilson Peña, Rafael, Guelvin . Richard

II

A mi señor

Dios, por darme la Fortaleza cada día para poder

alcanzar todo lo que me he propuesto en mi vida. A mis padres, Yanet Alt. Báez y Teódulo Taveras Pérez, por enseñarme los valores que tanto me han servido en mi vida, por el amor, comprensión y el apoyo. A mis hermanos, Ana Taveras Báez y Teódulo Taveras Báez, por servirme de ejemplo y de estímulo para alcanzar ser un hombre de bien como ustedes, los quiero. A mi querida abuela consuelo Ramírez Rivas, por tanto cariño y apoyo brindado. Y a esos seres tan especiales, Egnora Taveras P., Rafael Ant. Báez P. (Cucullo) y Narciso E. Gonzales. Al Lic. Abel Rojas Núñez , por sus aportes a mi desarrollo intelectual, muchísimas gracias!!!. A mis compañeros de estudio, sin excepción, Pero sobre todo a mi compañero de monográfico Richard Moya y a las Flias. Taveras Días, Rojas Taveras, Báez Castillo, Gómez Báez, Ramírez Peña, Ramírez Ramírez, Báez Núñez, Taveras Melgen. Abrahan

III

Agradecimiento

A Dios: por habernos facilitado los recursos y la sabiduría necesaria para realizar nuestro más preciado objetivo: nuestra carrera universitaria. A la Universidad Tecnológica de Santiago (UTESA): por formarnos y prepararnos como profesionales. A todas las personas, familiares y amigos, que colaboraron de Forma directa o indirecta. Al Doctor Alberto Rodríguez, nuestro asesor metodológico y Colaborador principal. Al ingeniero Elías Ortiz, nuestro profesor asesor por sus enseñanzas claras y precisas. A los ingenieros: Persio Gómez, Elvin Cabrera, Juan Pichardo, Luís Almonte, Omar Sandivar, Atuey Martínez y Samuel Salomón. Por sus enseñanzas y respeto hacia nosotros.

Richard y Abrahan.

V

Resumen

El puente viga losa sobre el río de la lavas en el municipio de villa Gonzáles, se ha de tomar para realizar un diseño que pueda solucionar el deterioro por socavación en su fundación ya que pone en peligro la vida de cada uno de los transeúntes que utilizan tan importante obra. Este diseño debe de estar

acorde con lo que demanda

esta estructura debido al

volumen de tráfico que toma este puente como vía de acceso. Se demanda de que los usuarios que circulen por el mismo se sientan con la debida seguridad y comodidad que amerita la autopista Dr. Joaquín Balaguer R. porque así también garantiza el desarrollo económico de la zona y la región. Por la importancia de esta autopista, por la arteria vial que representa, ya que esta sirve de vía de comunicación para los viajantes que van desde la línea noroeste a la ciudad de Santiago y viceversa. Es por esa razón que el auge de vehículos que circulan por la misma es de mucha consideración. Los puentes son construcciones artificiales que permiten salvar accidentes geográficos o cualquier otro obstáculo físico, el diseño de cada puente varía dependiendo de su función y de la naturaleza del terreno sobre donde se construirá el puente.

VII

Desde que el hombre busco como solución de un problema de depresión topográfica colocando un tronco de algún árbol ya empezaría lo que hoy en día conocemos como puentes. Después de los troncos de árboles, los siguientes puentes fueron arcos hechos con troncos o tablones y eventualmente con piedras, usando un soporte simple y colocando vigas transversales. La mayoría de estos primeros puentes eran muy pobremente construidos y raramente soportaban cargas pesadas. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de mejores puentes. El arco fue usado por primera vez por el Imperio Romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales todavía se mantienen en pie. También en la República Dominicana tuvo su inicio cuando en la ciudad de Santo Domingo, Rodrigo de Liendo dio inicio a la contribución de un puente que comunicaría la ciudad con la margen oriental del río Ozama, el cual serviría también de acueducto en el año 1535. El puente era de piedra, de acuerdo a informaciones dadas por Gonzalo Fernández de Oviedo en 1544, durante una pesquisa contra Fue en mayor parte, destruido por las aguas del Ozama antes de que finalizara o pudiera concluirse su construcción.

VIII

Los elementos principales que componen un puente son la superestructura, subestructura y la infraestructura. La superestructura de un puente está formada por el tablero, losa de acceso,

por

las

vigas

longitudinales,

vigas

transversales

o

de

arriostramiento, calzada, carpeta de rodamiento o de desgaste, vereda, guardarruedas, barandas o defensas, desagües, juntas, Apoyos. La Subestructura está conformada por estribos, pilas o pilares, protección de taludes, muros de vuelta, muros de ala. Y la infraestructura está formada por las fundaciones, los pilotes, cajones de fundación. Es importante destacar que el objetivo general es diseñar un puente Viga-losa paralelo a otro existente en la comunidad de las lavas y que cumpla con todos los requisitos de diseño que demande esa zona. El puente vehicular cuya solución estructural corresponde a un sistema isostático de 4 apoyos y 3 claros de 13.33m estará compuesto por 6 vigas T de hormigón armado con separación de 1.92m con una longitud de 40m, apoyada sobre 4 pilas en cada apoyo, que estarán sobre pilotes, la altura efectiva del puente será de 12m y un ancho de 10.20m. El puente constará con una vía y dos carriles de 4m del ancho; sobre las vigas descansa una losa de hormigón de 15cm y una carpeta asfáltica de 4pulgada

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de espesor. También el puente constará con un sistema de barandas de hormigón armado. Hasta hoy en día en la República Dominicana no existe una norma o reglamento interno que pueda ser usado para el diseño estructural de un puente. Se han adoptado como código y especificaciones de diseño las normas AASHTO. También, es utilizado el código ACI-318 y los manuales que emite al respecto la Secretaría de Estado de Obras Públicas y Comunicaciones (SEOPC). Entre los estudios necesarios para el proceso del diseño se hicieron una serie de análisis para poder diseñar el puente, que van a incidir en su tipología, su longitud total, el número de vanos, cimentaciones y su colocación en el entorno del sitio, dichos estudios son: ancho del puente, sección longitudinal, estudios topográficos, estudios geológicos, estudios hidrológicos y estudios de transito como metodología a utilizar. En el análisis y diseño estructural se hizo una idealización de la estructura para dimensionar los distintos elementos estructurales que van a soportar las cargas de servicio, logrando una transmisión satisfactoria de las cargas hacia el terreno de fundación.

X

En este tipo de sistema que impera en la República Dominicana, donde no existe una cultura de mantenimiento a las estructuras de carácter público y también en el sector privado, se debiera empezar a trabajar para que el mantenimiento Preventivo sea de obligación en toda obra civil, ya que pues, se disminuiría el gasto en reparaciones de carácter correctivo. El puente de las lavas ha sido fruto de ese tipo de negligencia, que por falta de mantenimiento preventivo esta estructura asido fruto de una demolición por no percatarse del problema que se venía manifestándose en la fundación el mismo. Antes de realizar algún trabajo de fundaciones es de suma importancia que el diseño del mismo este acorde con los datos arrojados por un buen estudio de suelo donde se pueda hincar las cargas con un Q (Q=resistencia máxima que soporta el suelo) de diseño. Si el Q deseado no es posible conseguirlo superficialmente hay que acudir a la colocación de pilotes no importando a la profundidad que arrojen los datos del estudio geotécnico.

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Introducción

En la comunidad de las lavas del municipio de Villa Gonzáles, provincia de Santiago de los 30 caballeros. Se encuentra una depresión topográfica por el cual drena el río que lleva como nombre el mismo de la comunidad (Río de las lavas).

Fruto a las grandes precipitaciones

registradas en el año 2008, el puente que cruza este río fue fruto de lo que se conoce como socavación en la fundación del que se soportaba esta estructura manifestándose posteriormente un asentamiento, que imposibilitó que los transeúntes siguieran utilizando una de las vías de dicha carretera por temor de ser víctimas fatales en este tramo. A razón de que el puente fue construido monolíticamente, esto sirvió de motivo para ejecutar la demolición total de todos los elementos que conformaban dicho puente. Técnicamente, se entiende que cuando una estructura monolítica sede en una de sus partes se considera que el elemento completo ha sido afectado por el asentamiento. Ya que por motivos estructurales establecidos en las normas del ACI y de la AASHTO se llegó a la determinación de la demolición total del puente. Este tramo carretero es considerado de unos de los más transitados en la República Dominicana, donde por el mismo circulan una gran cantidad de vehículos llevando mercancías y aportes al turismo interno generando así

XIII

un gran aporte al establecimiento económico y social para el cibao y la nación. En todos tramos carreteros se pueden encontrar accidentes geográficos que limitan la continuidad de un tramo de la vía con respecto a otro. Dichos accidentes pueden ser corregidos a través de relleno, alcantarillas de cajón o en el caso que se demande de una estructura de mayor carácter o envergadura como lo es un puente. Es de suma importancia el diseño de este puente ya que como se ha mencionado anteriormente las vías de comunicaciones son vitales para el desarrollo de los pueblos. El diseño de esta estructura se considera de mucho valor para el libre acceso de los transeúntes que demandan de esta vía de comunicación diariamente. Esta investigación posee como objetivo general diseñar el puente viga –losa sobre el río de las Lavas. Por motivo de restaurar el fácil acceso de los vehículos que demandan de este puente. Los objetivos específicos son: restablecer

el transporte para los

usuarios de la vía, ofrecer mayor seguridad a los transeúntes, para que la

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vía mantenga su eficiencia y así los vehículos circulen con la velocidad de diseño de la autopista, analizar las cargas más desfavorables ocasionadas por el peso de los vehículos que van a utilizar dicho puente, mantener la comunicación de esta importante vía, para que continúe el desarrollo socioeconómico de la región. Aquí se determinarán diversos objetivos concernientes a la búsqueda de un puente que sea capaz de cumplir con la demanda de la zona, analizando los distintos tópicos de interés para un buen diseño estructural que pueda este a su vez cumplir con la demanda de cargas y vida útil de la estructura. Presentar un buen diseño de la losa del puente, de las vigas que reciben las cargas de la losa, el diseño de los pilares y posteriormente el diseño de la fundación que soportará los elementos ya antes mencionados. Y para alcanzar estos objetivos se enfocará la investigación desde el estudio topográfico, estudio de suelo, estudio hidrológico y estudio de transito. Donde estos estudios se deben realizar en función a la ubicación del proyecto.

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Presentar las distintas variables de carga posible que puedan ser expuestas a la losa. Estas cargas pueden ser como son el peso propio del la carpeta de rodadura(Asfalto) , peso propio de la losa de hormigón armado, cargas vivas generadas por camiones estandarizados (HS20), las cargas que reciben las vigas , cargas transmitidas a los pilares , etc. La investigación estará limitada al análisis bibliográfico y de campo para el

diseño del puente en el río de las lavas. También cabe

mencionar que se llevara a cabo en la investigación un recuento histórico de otros puentes cercanos o próximos a la región. Donde se formularán hipótesis para llegar a la solución del problema por el cual está pasando la estructura. Estos resultados se presentaran de forma descriptiva, explicativa cuales son los métodos, normas y análisis aplicados para el diseño del puente. Esta

investigación

tuvo

limitaciones

a

lo

concerniente

a

informaciones que se debieron obtener por partes de las autoridades competentes relacionadas con el proyecto de las lavas. Por tal motivo las informaciones ofrecidas en este material fueron un poco limitadas con la realidad del proyecto, así que, las informaciones brindadas fueron informaciones generales.

XVI

Este material presenta cuatro capítulos en lo cuales se desglosan de la siguiente manera: El primer capítulo se enfocará

a todo lo relacionado con las

generalidades de los puentes. Desde su historia hasta las clasificaciones de cada tipo de puentes existentes, dependiendo del tipo de estructura, según su función, utilización y diversidad de materiales con fines constructivos. El segundo capítulo tratará de los elementos, materiales y mantenimientos de los puentes brindando una serie de informaciones que servirán de conocimiento para poder tratar con más propiedad la utilización de cada uno de los elementos y los materiales que pueden ser utilizados para la conformación de los mismos y a su vez tener un cierto nivel de ilustración en cuanto a los mantenimientos de los puentes. En el capítulo tres se desarrollarán los detalles y especificaciones de dicho proyecto donde se encontraría todo lo concerniente al objetivo, ubicación y descripción de la obra. Presentado en este todo lo que compete a las especificaciones de la AASHTO, cargas, fuerzas y estudios que servirán de antesala para el diseño.

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El capítulo cuatro, ya en este con todos los datos obtenidos se procederá a la parte concerniente al diseño del puente. Donde se harán los debidos análisis estructurales de cada uno de los elementos que conforman el puente y a su vez el diseño del mismo utilizando las normas de la AASTHO, ACI-318 y los manuales de la SEOPC.

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Capítulo I Generalidades: Puente

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El propósito de éste capítulo es oriental al lector acerca de los aspectos fundamentales de puentes como son: su concepto, historia, clasificación, tipo de puente, sus funciones, etc. 1.1 Concepto de puente Un puente es una construcción, por lo general artificial, que permite salvar un accidente geográfico o cualquier otro obstáculo físico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua, o cualquier obstrucción. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el que el puente es construido. Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores. 1.2 Origen y evolución de los puentes Los puentes tienen su origen en la misma prehistoria. Posiblemente el primer puente de la historia fue un árbol que usó un hombre prehistórico para conectar las dos orillas de un río. También utilizaron losas de piedra para

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arroyos pequeños cuando no había árboles cerca. Los siguientes puentes fueron arcos hechos con troncos o tablones y eventualmente con piedras, usando un soporte simple y colocando vigas transversales. La mayoría de estos primeros puentes eran muy pobremente construidos y raramente soportaban cargas pesadas. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de mejores puentes. El arco fue usado por primera vez por el Imperio Romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales todavía se mantienen en pie. Los puentes basados en arcos podían soportar condiciones que antes se habrían llevado por delante a cualquier puente. Los puentes de cuerdas, un tipo sencillo de puentes suspendidos, fueron usados por la civilización Inca en los Andes de Sudamérica, justo antes de la colonización europea en el siglo XVI. Un ejemplo de esto es el Puente de Alcántara, construido sobre el Río Tajo, cerca de Portugal. La mayoría de los puentes anteriores habrían sido barridos por la fuerte corriente. Los romanos también usaban cemento, que reducía la variación de la fuerza que tenía la piedra natural. Un tipo de cemento, llamado pozzolan, consistía de agua, lima, arena y roca volcánica. Los puentes de ladrillo y mortero fueron construidos después de la era

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romana, ya que la tecnología del cemento se perdió y más tarde fue redescubierta. 1.2.1 Historia de los puentes dominicanos "Todavía a finales del siglo XIX la comunicación terrestre entre los pueblos de la República Dominicana era muy precaria y debido a que era más fácil habilitar puertos que construir caminos y puentes, se fueron fundando ciudades en la extensa línea costera, donde además se contaba con tierras fértiles. Los caminos utilizados eran prácticamente los mismos que durante La Colonia y la ausencia de puentes hacía muy largo y tedioso los viajes, ya que había que ir traspasando los ríos o cruzándolos en barcas” (Montas, 1999, p.38). "En la ciudad de Santo Domingo, Rodrigo de Liendo dio inicio a la contribución de un puente que comunicaría la ciudad con la margen oriental del río Ozama, el cual serviría también de acueducto en el año 1535. "(Montas, 1999, p.24). El puente era de piedra, de acuerdo a informaciones dadas por Gonzalo Fernández de Oviedo en 1544, durante una pesquisa contra Fue en mayor parte, destruido por las aguas del Ozama antes de que finalizara su construcción. El ciclón de San Zenón del 3 de septiembre del

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año 1930, destruyó nuevamente el puente Ozama, que fue reconstruido posteriormente por segunda vez. Otros de los puentes más antiguos fue el del río Yaque del Norte en la ciudad de Santiago; el cual fue construido en el año 1918, cuando la ocupación norteamericana. "El primer puente metálico construido en el país fue el puente Ozama, el cual unía la ciudad de Santo Domingo con el barrio de pajarito y construido para el año 1878 bajo la bendición de monseñor Roque Cocchia" (Abad, 1988, p.69). Muchos otros puentes metálicos se encuentran entre cañaverales, ya que forman parte de la red ferroviaria utilizada por las industrias azucareras, en todas las regiones del país. 1.3 Tipos de puentes Los puentes se clasifican de diversas formas de acuerdo a su utilización y construcción como se mencionará mas adelante. 1.3.1 Elección de puentes Para elegir el tipo de puente más adecuado, es necesario disponer previamente de los datos del proyecto de puente, para luego seguir con las etapas o procesos, que se especifican a continuación: Fijar en forma aproximada la infraestructura, la luz de cada uno de los tramos y el tipo de

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superestructura, fijando además los posibles sistemas de fundación así como sus profundidades aconsejables en función de la capacidad portante del terreno incluidas las profundidades estimadas de socavación. Una vez (fijada esta cota y la de la rasante, se obtendrá la altura de las pilas, las cuales ya dan una primera idea de la longitud de los tramos, porque según lo muestran los proyectos más satisfactorios se establece que esta luz generalmente está comprendida entre 25 y 4.5 veces la altura de la pila medida desde la cota de fundación hasta la parte superior de su coronamiento. Tratándose de pilotaje, este punto más bajo corresponde a la sección de empotramiento de los pilotes en el terreno incluida la máxima profundidad de socavación y la consistencia del terreno. 1.4 Clasificacion de puentes Los puentes se clasifican de acuerdo a su funcionalidad y utilización de materiales de construcción. 1.4.1 Dependiendo del tipo de estructura Estos se pueden diferenciar de la siguiente manera:

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1.4.1.1 Puente losa

Los puentes de losa son las estructuras más sencillas. Por su simplicidad, resultan convenientes para salvar luces pequeñas (menores de 10 metros) y además, siendo cada tramo independiente no se ven afectados por los asentamientos del terreno. Estos puentes están construidos por una losa plana de concreto armado, maciza o aligerado con bloques de arcilla, que salva la luz entre los apoyos. 1.4.1.2 Puente viga

Las vigas se utilizan como largueros longitudinales, colocados a intervalos regulares, paralelos a la dirección del tráfico, entre los estribos y pilas. El tablero, colocado sobre la aleta superior, casi siempre provee soporte lateral contra el pandeo. Los diafragmas entre las vigas ofrecen arriostramiento adicional y también distribuyen lateralmente las fuerzas a las vigas antes de que el hormigón haya curado. 1.4.1.3 Puentes de arcos Es un puente con apoyos a los extremos del vano, entre los cuales se halla una estructura con forma de arco por donde se transmiten las cargas. El tablero puede estar apoyado o colgado de esta estructura principal, dando origen a distintos tipos de puentes.

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1.4.1.4 Puentes de armaduras Son los conformados por una serie de elementos entrelazados por coyunturas denominadas nodos. Estos pueden ser de acero o madera. La armadura es una viga compuesta par elementos relativamente cortos y esbeltos conectados por sus extremos. La carga fija del peso del pavimento y la carga móvil que atraviesa el puente se transmiten por medio de las viguetas transversales del tablero directamente a las conexiones de los elementos de la armadura. En las diversas configuraciones triangulares creadas por el ingeniero diseñador, cada elemento queda o en tensión o en compresión, según el patrón de cargas, pero nunca están sometidos a cargos que tiendan a flexionarlos. 1.4.1.5 Puentes sustentados por cables Son los puentes que utilizan cables de acero de alta resistencia para soportar las cargas que actúan sobre él. Estos se clasifican en varios tipos: 1.4.1.5.1 Puentes colgantes Un puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales que están anclados en los extremos del

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puente y sujetos por grandes torres de hormigón o acero. A diferencia de los puentes vigas, estas estructuras son capaces de soportar grandes luces.

1.4.1.5.2 Puentes atirantados Los elementos fundamentales de la estructura resistente del puente atirantado son los tirantes, que son cables rectos que atirantan el tablero, proporcionándoles una serie de apoyos intermedios más o menos rígidos. Pero no sólo ellos forman la estructura resistente básica del puente atirantado; son necesarias las torres para elevar el anclaje fijo de los tirantes, de forma que introduzcan fuerzas verticales en el tablero.

Los puentes atirantados, sobre todo si tienen varias torres, pueden ser muy parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción de un puente colgante se disponen muchos cables de pequeño diámetro entre los pilares y los extremos donde se anclan al suelo o un contrapeso, estos cables, son la estructura primaria de carga del puente. Después se suspenden otros cables del cable principal, y más tarde se coloca esta, sosteniéndola de dichos cables.

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1.4.1.5.3 Puentes voladizos (cantilevers)

Grafico 1.2 puente en voladizo Fuente: http//es.wilkipedia.org/image/puentesvoladizos La expresión puente por volados (voladizos) sucesivos hace referencia a un procedimiento de construcción utilizado con frecuencia en grandes puentes. El método consiste en construir la superestructura a partir de las pilas o pilones, agregando tramos parciales que se sostienen del tramo anterior. Esta maniobra se realiza de manera más o menos simétrica a partir de cada pilón, de manera que se mantenga equilibrado y no esté sometido a grandes momentos capaces de provocar su vuelco. Puede utilizarse en puentes construidos con cualquier material, aunque lo común es que se reserve para puentes viga de sección hueca construidos en hormigón postensado, en los cuales las secciones parciales se construyen

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en sitio mediante la técnica de encofrado deslizante o se construyen como dovelas prefabricadas que se llevan a su sitio mediante grúas de gran porte. 1.4.1.5.4 Puentes flotantes Se apoyan sobre flotadores que pueden tener diversos tamaños. Consisten fundamentalmente en un tablero apoyado sobre una serie de elementos flotantes que sirven para mantenerlo en una situación más o menos fija. Estos elementos flotantes son muy variados tales como barcas, pontones cerrados, etc. Los primeros puentes flotantes fueron de odres o barcas y datan del Siglo V antes de Cristo. Ya desde esta fecha a nuestros días se vienen utilizando este tipo de puentes flotantes en ríos profundos o donde resulta difícil cimentar. 1.4.1.5.5 Puentes moviles Los puentes móviles son aquellos en que el tablero o parte de él es móvil con tal de permitir el paso alternativo a dos tipos de tráfico muy diferente, generalmente el terrestre y el marítimo. De este modo cuando están cerrados permiten el paso de los vehículos o ferrocarriles y cuando están abiertos permiten el paso de los barcos. Estos son:

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1.4.1.5.5.1 Basculantes

Grafico 1.3 puente Basculante Fuente: http// www.construaprende.com

Los Puentes Basculantes, giran alrededor de un eje horizontal situado en una línea de apoyos de manera que podemos incluir en ellos los levadizos y los basculantes. Son los puentes más clásicos y de mayor uso en la actualidad. 1.4.1.5.5.2 Giratorios y horizontales

Grafico 1.4 puentes giratorios y horizontales Fuente: http// www.construaprende.com

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Los puentes giratorios de eje vertical tienen dos posibilidades de apertura que son el giro de dos vanos simétricos respecto a una pila situada en el centro del canal de navegación o bien girar dos semivanos con sus compensaciones sobre dos pilas situadas en los bordes del canal. Puentes de desplazamiento horizontal: La mayoría son flotantes. El puente se desplaza longitudinalmente sobre rodillos avanzando o retrocediendo en voladizo libre hasta llegar al apoyo de la otra orilla. 1.4.1.5.5.3 De elevación vertical

Grafico 1.5 puente de elevación vertical Fuente: http// www.construaprende.com Puentes de desplazamiento vertical: Son tableros simplemente apoyados cuyos apoyos se pueden mover verticalmente cuyos apoyos se

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pueden mover verticalmente para elevarlos a la cota que requiere el gálibo del canal de navegación. Normalmente se elevan tirando de sus cuatro esquinas. Este sistema es apto para luces grandes. 1.5 Según su función y utilización A los puentes los podemos clasificar según su función y utilización en: 1.5.1 Puentes peatonales Son los que están destinados al paso de las personas, en lugares en los que resulta inseguro el tránsito peatonal. Estos puentes son primordiales en lugares donde existen escuelas, hospitales, centros de comercio, entre otros. Los puentes peatonales pueden ser: 1.- De acuerdo al material construido: de acero, de concreto y mixtos 2.- De acuerdo a su estructura: En arco, atirantado, sobre vigas. 1.5.2 Puentes carreteros Son aquellos que se utilizan para el tránsito de una carretera ordinaria sobre un curso de agua o el paso sobre otra vía.

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1.5.3 Puentes ferroviarios Puentes que salvan desniveles amplios y profundos, para una vía férrea que permite el paso del ferrocarril. 1.6 Diversidad de puentes según los materiales Según sus materiales de construcción, los puentes podrán ser de: 1.6.1 De madera Los puentes de madera se han utilizado eficientemente, con luces de hasta 20 m, en caminos de poca circulación, con vehículos livianos. La gran ventaja de este tipo de puentes es la reducción de costos al utilizar materiales y mano de obra de la misma zona. La mayor parte de puentes de madera construidos en el país son pequeñas estructura rústicas en caminos de segundo, tercer orden y vecinales. 1.6.2 De mamposteria

Grafico 1.6 puente de mamposteria Fuente: http//es.wilkipedia.org/image/puentes peatonales

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Los puentes de mampostería en piedra, ladrillo y hormigón en masa; son siempre puentes en arco, pues estos materiales solo resisten esfuerzos de compresión; su vida útil es ilimitada, pues todavía se usan puentes romanos, sin prácticamente gastos de conservación. 1.6.3 De acero

Grafico 1.7 puente de acero Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/puentes peatonales

Cabe mencionar que a finales del siglo XIX se empezó a utilizar el acero para la construcción de puentes. Conseguir que los materiales sean dúctiles y no frágiles, es uno de los logros importante de su tecnología. Los puentes metálicos tienen dos tipos de limitantes: su costo por utilizar materiales importados, y la necesidad de un mantenimiento considerable.

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1.6.4 De hormigón armado

Grafico 1.8 puente de hormigón armado Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/puentesdehormigon La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es habitual usarlo asociado al acero, recibiendo el nombre de hormigón armado, comportándose en conjunto muy favorablemente ante las diversas solicitaciones. 1.6.4.1 Pretensado

Grafico 1.9 Viga pretensado Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/puentespretensados

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Son

los

elementos

estructurales

de

hormigón

sometidos

intencionadamente a esfuerzos de compresión previos a su puesta en servicio. Esta tensión se aplica mediante cables de acero que son tensados y anclados al hormigón. 1.6.4.2 Postensado

Grafico 1.9 Viga postensada Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/hormigonpostensado

Es aquel hormigón al que se somete, después del vertido y fraguado, a esfuerzos de compresión por medio de armaduras activas (cables de acero) montadas dentro de vainas. A diferencia del hormigón pretensazo, en el que las armaduras se tensan antes del hormigonado, en el postensado las armaduras se tensan una vez que el hormigón ha adquirido su resistencia característica.

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1.6.4.3 Compuesto

Grafico 1.10 Puente compuesto Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/puentescompuesto

Es el material que combinado con otro forman un solo elemento, como en el caso de un puente losa de hormigón armado, apoyado sobre vigas de acero u otro material diferente o igual al hormigón. 1.7 Superestructura

Grafico 1.11 Superestructura de un puente Fuente: http// http//es.wilkipedia.org/image/puentes

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Proyección de una estructura por encima de su cimentación. Se le llama así a cualquier equipo o construcción útil para prestar algún servicio o realizar determinada actividad (carreteras, planta de tratamiento de aguas residuales, drenajes, energía eléctrica, aeropuertos, cines, tiendas, etcétera). 1.8 Subetructura e infraestructura de los puentes

Grafico 1.12 Subestructura Fuente: autores Estructura que se encuentra oculta en el terreno, que constituye la cimentación de una construcción. También llamada infraestructura. Conjunto de obras de tierra y de fábrica necesarias para construir la plataforma sobre la que se apoya la superestructura de vía. Entre las obras de tierra se encuentran los terraplenes, las trincheras y los túneles y, entre las obras de fábrica, los

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puentes, viaductos, drenajes y pasos a nivel. Cabe mencionar que aunque existe una relación entre la subestructura e infraestructura, pero subestructura se usa para determinar las pilas, muros y pilares del puente.

Capítulo II Elementos, Materiales y Mantenimiento de los Puentes

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Este capítulo enfocará los materiales y elementos estructurales que componen un puente, tales como: hormigón armado, , acero, acero de refuerzo, acero estructural, etc.

Además los principales elementos que

componen un puente como son: la superestructura, la subestructura y la infraestructura y una pequeña pincelada a lo que debiera ser el mantenimiento de los puentes. 2.1 Hormigón armado Es una combinación del hormigón y el hierro, que permite construir vigas de luces considerables y afinar las dimensiones de los arcos, lo que no es posible con el hormigón en masa ni con la piedra. El hormigón armado se puede considerar un nuevo material. En la mayoría de los trabajos de construcción, el hormigón se refuerza con armaduras metálicas, sobre todo de acero; este hormigón reforzado se conoce como hormigón armado. El acero proporciona la resistencia necesaria cuando la estructura tiene que soportar fuerzas longitudinales elevadas. El acero que se introduce en el hormigón suele ser una malla de alambre o barras sin desbastar o trenzadas.

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2.1.1 Cemento Es un aglutinante o aglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (grava o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, manejable y plástica capaz de fraguar y endurecer al reaccionar con el agua y adquiriendo por ello consistencia pétrea. Su uso está muy generalizado, siendo su principal función la de aglutinante.

2.1.1.1 Cemento portland Según la ASTM C-150. el cemento Portland es el tipo de cemento más utilizado como ligante para la preparación del hormigón. El nombre del cemento Pórtland le fue dado por la similitud que este tenía con la piedra de la isla de Pórtland. Cuando el cemento Pórtland es mezclado con el agua, el producto se solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas. El endurecimiento es producido por la reacción del agua con sus componentes, formando una estructura cristalina. La calidad del cemento Pórtland deberá estar de acuerdo con la norma.

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2.1.2 Agua El agua se requiere en la producción del concreto a fin de precipitar la reacción química con el cemento, para humedecer el agregado y lubricar la mezcla para una fácil manejabilidad. Es de carácter obligatorio que la calidad del agua de mezclado sea igual a la potable, ya que, el agua que contiene ingredientes nocivos, contaminación, sedimentos, aceites, azúcar o químicos es dañino para la resistencia y propiedades de fraguado del cemento. También, utilizar agua no adecuada puede romper la afinidad entre el agregado y la pasta de cemento y puede afectar de forma adversa la manejabilidad de una mezcla. 2.1.3 Agregado Son aquellos materiales inertes, naturales o artificiales, que aglomerados con el cemento Portland en presencia de agua conforman un todo compacto (piedra artificial) conocido como concreto u hormigón. Existen dos formas de clasificar los agregados: agregado grueso y agregado fino. Los agregados finos y gruesos ocupan comúnmente de 60% a 75% del volumen del concreto (70% a 85% en peso), e influyen

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notablemente en las propiedades del concreto recién mezclado y endurecido, en las proporciones de la mezcla, y en la economía. 2.1.3.1 Agregados finos Los agregados finos comúnmente consisten en arena natural o piedra triturada sus partículas menores que 4.76 mm y mayores de 0.074 mm. Al igual que el agregado grueso, el agregado fino deberá estar siempre libre de impurezas orgánicas, arcilla o cualquier material dañino o relleno excesivo de material con tamaños menores de 0.074 mm.

2.1.3.2 Agregado grueso Los agregados gruesos consisten en una grava o una combinación de grava o agregado triturado cuyas partículas sean predominantemente mayores que 4.76 mm y generalmente entre 9.50 mm y 38.00 mm. Las propiedades del agregado grueso afectan la resistencia final del concreto endurecido y su resistencia a la disgregación, intemperización y otros efectos destructivos. El agregado grueso mineral deberá estar limpio de impurezas orgánicas y deberá adherirse bien con la pasta de cemento.

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2.1.4 Aditivos Los aditivos son productos que, introducidos en pequeña porción en el hormigón, modifican algunas de sus propiedades originales, se presentan en forma de polvo, líquido o pasta y la dosis varía según el producto y el efecto deseado entre un 0.1 % y 5 % del peso del cemento. El empleo de los aditivos permite controlar algunas propiedades del hormigón, tales como: Trabajabilidad,

tiempo

de

fraguado,

resistencia,

impermeabilidad,

durabilidad, entre otros .Los aditivos más usados en las construcciones son: Plastificantes, aceleradores de fraguado y/o endurecimiento, incorporadores de aire, estabilizantes, retardadores de fraguado, entre otros. 2.2 Resistencia del hormigon Por resistencia mecánica se entiende la capacidad de un material de resistir tensiones ya sean de compresión, tracción, flexión o combinaciones de ellas. Sin duda que estas capacidades del material, definen su aptitud para ser utilizado en distintas aplicaciones estructurales. Otras características del hormigón como su impermeabilidad y densidad, tienen relación directa con la resistencia mecánica. En general, y en el hormigón en particular, medir la

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capacidad o resistencia a la compresión es relativamente sencillo comparado con las mediciones de tracción o flexión. “El hormigón es un material semejante a la piedra que sólo se obtiene mediante una mezcla cuidadosamente proporcionada de cemento, arena y grava u otro agregado y agua; después esta mezcla se endurece en formaletas con la forma y dimensiones deseadas” (Nilson, 2000, p. 1).

2.2.1 Resistencia a la compresion La resistencia a la compresión se puede definir como la máxima resistencia medida de un espécimen de concreto o de mortero a carga axial. Generalmente se expresa en kilogramos por centímetro cuadrado (kg/cm2) a una edad de 28 días y se le designa con el símbolo f’ c. Estos ensayos a compresión se efectúan sobre cilindros que miden 15 cm. de diámetro y 30 cm. de altura. La resistencia a la rotura de los cilindros de hormigón, sometidos a carga lenta, llega a ser aproximadamente el 85% de la resistencia del mismo tipo de cilindros sometidos a carga estándar rápida ASTM, lo que es común para todas las resistencias de hormigones. Por su parte, cuando se realizan

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ensayos de carga ultra rápida, la resistencia del hormigón sobrepasa a la obtenida a los ensayos ASTM.

Tabla 2.1(Esfuerzo-Deformacion) 2.2.2 Resistencia a la abrasión La abrasión es el Proceso de desgaste y destrucción de la parte o del todo de un cuerpo u objeto debido a su fricción. Es la Propiedad que permite a un material resistir y mantener su apariencia original al ser frotado con otro objeto; cualidad muy importante en materiales de pavimentación y revestimiento.

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2.3 Acero Los aceros son aleaciones de hierro-carbono forjables, con porcentajes de carbono variables entre 0.008 y 2.14%, con una densidad promedio de 7,850 kg/m3. Los aceros incorporan una serie de elementos químicos, algunos son perjudiciales (impurezas) y provienen de la chatarra, el mineral o el combustible empleado en el proceso de fabricación; es el caso del azufre y el fósforo. Otros se añaden intencionalmente para la mejora de alguna de las características del acero (aleantes); pueden utilizarse para incrementar la resistencia, la ductilidad, la dureza, entre otros, o para facilitar algún proceso de fabricación como puede ser el mecanizado. Elementos habituales para estos fines son el níquel, el cromo, el molibdeno y otros. El acero es un material de construcción competitivo para claros de tamaños entre 40 y 60 metros, y favorable para puentes de claros de longitudes mayores, por las siguientes razones: tiene una alta resistencia a la tensión y a la compresión. Se comporta como un material elástico casi perfecto dentro de los niveles normales de trabajo. Tiene reservas de resistencia más allá del límite de fluencia.

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Las normas estrictas de fabricación de la industria garantizan a los consumidores uniformidad del control de sus propiedades, dentro de estrechas tolerancias. Los sistemas de conexión son seguros y hay gran disponibilidad de trabajadores capacitados en su aplicación. Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles, siendo éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares. 2.3.1 Acero de refuerzo El uso del acero de refuerzo ordinario es común en elementos de concreto presforzado. Este acero es muy útil para: Aumentar ductilidad, aumentar resistencia, resistir esfuerzos de tensión y compresión, resistir cortante, resistir torsión, restringir agrietamiento, reducir deformaciones a largo plazo, confinar el concreto, entre otros. El acero de refuerzo suplementario convencional (varillas de acero) se usa comúnmente en la región de altos esfuerzos locales de compresión en los anclajes de vigas postensadas. Tanto para miembros postensados como pretensados es usual proveerlos de varillas de acero longitudinal para controlar las grietas de contracción y temperatura. Finalmente, a menudo es

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conveniente incrementar la resistencia a la flexión de vigas presforzadas empleando varillas de refuerzo longitudinales suplementarias. Las varillas se pueden conseguir en diámetros nominales que van desde 3/8” hasta 1 3/8”, con incrementos de 1/8” y también en dos tamaños más grandes de 1 ¾” y 2 ¼” de diámetro. 2.3.2 Acero corrugado

Grafico 1.10 acero corrugado Fuente: http// www.google./image/hormigom El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente

en

construcción,

para

armar

hormigón armado,

y

cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y

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doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético. Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40mm, en la que se cita la sección en cm2 que cada barra tiene así como su peso en kg. Las barras inferiores o iguales a 16mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras. Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción:

•

Limite elástico Re (Mpa)

•

Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa)

•

Alargamiento de rotura A5 (%)

•

Alargamiento bajo carga máxima Agt (%)

•

Relación entre cargas Rm/Re

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2.3.3 Acero estructural

Grafico 1.10 acero estructural Fuente: http//www.google/image/acero Se conoce como acero estructural al resultado de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le tributan características específicas. El acero laminado en caliente, fabricado con fines estructurales, se denomina como acero estructural al carbono, con límite de fluencia de doscientos cincuenta (250) mega pázcales (2•549 Kg. /cm2). En muchos elementos prefabricados es común el uso de placas, ángulos y perfiles estructurales de acero. Éstos son empleados en conexiones, apoyos y como protección. El esfuerzo nominal de fluencia de este acero es de 2530 Kg./cm2. Por su fácil colocación, las retículas de

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alambre o mallas electro soldadas se emplean comúnmente en aletas de trabes cajón, doble te y similares. El esfuerzo nominal de fluencia es de 5000 kg/cm2. 2.4 Elementos estructurales de los puentes Los elementos estructurales de los puentes son las partes, que se diseñan para resistir las cargas a las que se supone que dicho puente estará expuesto, como son: 2.4.1 Elementos de la superestructura de los puentes Losa de Tablero: Estructura que soporta en forma directa las cargas de tránsito y la carpeta de rodamiento, transmitiéndolas a las vigas de tablero (en los puentes viga) o directamente a los pilares y estribos (en los puentes losa y alcantarillas). Losa de Acceso: Vincula la losa de calzada (rígida) con el suelo (flexible). Vigas Longitudinales o Principales: Son los elementos de mayor relevancia portante en la superestructura de los puentes viga no existen en

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los puentes y alcantarillas tipo losa). Transmiten las cargas del tablero a los apoyos. Vigas Transversales o de Arrostramiento: Unen transversalmente a las vigas principales, distribuyendo las cargas y dándole rigidez al conjunto. Calzada: Zona de tránsito vehicular. Vereda: Posibilita el tránsito peatonal. Carpeta de Rodamiento o de Desgaste: Se agrega a la losa de calzada para protegerla del desgaste producido por el tránsito y para protegerla de infiltración de agua y otros líquidos. Guardarruedas: Cordón que delimita los extremos de la calzada y protege y guía al tránsito vehicular. A diferencia de las veredas, su ancho no permite el tránsito peatonal. Desagües: Aseguran el escurrimiento de las aguas pluviales. Barandas o Defensas: Protegen el tránsito peatonal y/o vehicular de desvíos y caídas. Juntas: Permiten la dilatación de la estructura. Apoyos: Transmiten las cargas de la superestructura a la infraestructura y permiten los movimientos de la superestructura.

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2.4.2 Elementos de la subestructura Estribo: Estructura ubicada en cada extremo de un puente. Sostiene parte de la superestructura. Puede ser cerrado (actúa además como contención frontal del terraplén) o abierto (deja caer el terraplén con su talud natural; requiere protección de taludes). Pilas o Pilares: Elementos estructurales ubicados entre los estribos, que junto con estos sostienen la superestructura. Protección de Taludes: De naturaleza variable, evitan la socavación de la tierra. Muros de Vuelta: Vinculados al estribo y paralelos al eje del camino, y sostienen lateralmente la tierra. Muros de Ala: Vinculados al estribo e inclinados respecto al eje del camino, y sostienen parte de la tierra. 2.4.2.1 Elementos de la infraestructura Fundaciones: Ubicadas bajo pilas y estribos, reciben las fuerzas que actúan en ellos y las distribuyen en el suelo para que las soporte.

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Los Pilotes: son utilizados para transferir las cargas de la subestructura al resto de la infraestructura a través de un suelo débil, agua o aire hasta los estratos más profundos que tengan capacidad suficiente para soportar la estructura completa y todas las cargas que esperan irán aplicada sobre la misma. Cajones de fundación: Es una estructura que se utiliza como protección y ayuda a realizar excavaciones de cimientos, pero que ha de quedar formando parte permanente de la estructura. 2.4.3.1 Cimentaciones Las cimentaciones tienen por objeto transmitir a los estratos portantes del subsuelo las reacciones del puente y repartir en ellos dichas cargas con los menores asentamientos posibles. Las cimentaciones pueden ser sobre suelo seco o sobre suelo por debajo del nivel freático, caso último muy frecuente en los puentes. “La cimentación debe ser segura contra una falla por corte general del suelo que la soporta.” (DAS, B. 2006 Pág. 123)

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La cimentación bajo agua es una de las partes más delicadas en la construcción de un puente, por la dificultad en encontrar un terreno que resista las presiones, siendo normal el empleo de pilotes de cimentación. Las cimentaciones pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: Cimentaciones superficiales y cimentaciones profundas. Cimentaciones superficiales, Son aquellas que se encuentran a profundidades relativamente bajas, estas se utilizan cuando el suelo de fundación tiene una buena capacidad de carga, la cual le permite soportar el peso que la cimentación le transmite de la superestructura, por tal razón no se hace necesario cimentar hasta estratos más profundos. Esta no necesita de grandes maquinarias para su construcción, sino que puede realizarse manualmente. Entre las cimentaciones superficiales más usadas en puentes están: Zapatas, Son ampliaciones de las bases de columnas, pilas o muros, que tiene por objeto transmitir las cargas al sub-suelo a una presión adecuada y procurando que dichas cargas no sobrepasen al esfuerzo admisible del terreno de cimentación. Estas tienen forma aplanada y cubren un área bastante grande en comparación con la sección transversal de los estribos o

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pilas. Su área dependerá de las condiciones del suelo de cimentación y de las cargas que el cuerpo le transmita. 2.4.3.1.1 Pilotes (cimentaciones profundas) Los pilotes son elementos directos de fundación, colocados en el terreno, verticalmente o ligeramente inclinados, a fin de incrementar su capacidad de carga o con objeto de transmitir las cargas de la fundación a un estrato más profundo, de mayor resistencia. La capacidad de una cimentación de pilotaje para soportar cargas sin falla o asentamiento excesivo, depende de varios factores: la losa sobre los pilotes, el fuste del pilote, la transmisión de la carga soporta el pilote al suelo, y el suelo y los estratos subyacentes de roca que finalmente soportan la carga.

2.4.3.1.1.1 Funciones de los pilotes Los pilotes de carga que soportan las cimentaciones son los más comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a través de estratos blandos a suelos más fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo, o distribuyen la carga a través de los estratos blandos que

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no son capaces de resistir la concentración de la carga de un cimiento poco profundo. La operación de introducir el pilote en el terreno se llama hinca del pilote. Como muchas otras operaciones que se realizan en las construcciones, la hinca de pilotes es un arte, cuyo éxito depende de la habilidad e ingeniosidad de los que la realizan. 2.4.3.1.1.2 Tipos de pilotes Pilotes de tensión: Su capacidad para resistir fuerzas al arranque les permite evitar el desplazamiento hacia arriba de estructuras sometidas a fuerzas de levantamiento (presión hidrostática), o al trabajar conjuntamente con pilotes a compresión, configurar mecanismos resistentes a momentos de volcamiento sobre la fundación, como los producidos por cargas actuantes en la parte superior de estructuras de gran altura. Pilotes de anclaje: Configuran mecanismos de anclaje resistentes a empujes horizontales de tablestacados u otras estructuras. usualmente se combinan pilotes a tensión con pilotes a compresión. Pilotes de defensa: Son parte integrante de estructuras que se deforman elásticamente bajo cargas dinámicas, que les confiere gran

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capacidad de amortiguación de energía y les permite proteger estructuras frente al agua (muelles),del impacto de embarcaciones y otros elementos flotantes masivos. Frecuentemente se usa la madera. Pilotes inclinados: Al instalar un pilote con su eje longitudinal inclinado en un cierto ángulo respecto a la vertical, la componente horizontal de la capacidad axial de carga del pilote se puede aprovechar para resistir fuerzas horizontales (el vector de fuerza resistente axial tiene componentes horizontal y vertical). Pilotes Prefabricados, Los pilotes prefabricados pertenecen a la categoría de cimentaciones profundas, también se los conoce por el nombre de pilotes pre moldeados; pueden estar construidos con hormigón armado ordinario o con hormigón pretensado. Pilotes de punta: Transmiten cargas a través de agua o suelos blandos hasta estratos con suficiente capacidad portante, por medio del soporte en la punta del pilote. Pilote de Fricción, flotante: Transmite cargas a un cierto espesor de suelo relativamente blando mediante fricción desarrollada sobre la superficie lateral del pilote, a lo largo de la longitud del mismo. Es aplicable cuando,

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dentro de profundidades alcanzables, no se encuentran estratos que provean soportes significativos en la punta. Pilote de fricción, compactación: Compacta suelos granulares relativamente sueltos incrementando su compacidad y, en consecuencia, su capacidad de carga por fricción (también, una parte significativa por punta). 2.4.4 Muros de contención Los Muros de Contención son elementos constructivos que cumplen la función de cerramiento, soportando por lo general los esfuerzos horizontales producidos por el empuje de tierras. En otros tipos de construcción, se utilizan para contener agua u otros líquidos en el caso de depósitos. Un muro de contención no solo soporta los empujes horizontales trasmitidos por el terreno, debe también recibir los esfuerzos verticales trasmitidos a pilares, paredes de carga y forjados que apoyan sobre ellos. La mayoría de los muros de contención se construyen de hormigón armado, cumpliendo la función de soportar el empuje de tierras, generalmente en desmontes o terraplenes, evitando el desmoronamiento y sosteniendo el talud.

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2.4.4.1 Tipos de muros Con Talón y Puntera: para construir este muro es necesario sobrepasar la línea de edificación, a nivel de los cimientos. Muros sin Talón: por lo general al construirlo resulta con un aumento de dimensión en la puntera de la zapata. Muros con Talón: además del primer caso, necesitan sobrepasar la línea de edificación. El resultado es similar al muro sin talón, pero trabaja de otra manera; esta es la mejor solución ante inestabilidades por posible vuelco. Según su Función, Contención de tierras: cuando el muro se destina a contener sólidos, éstos por lo general son tierras; la impermeabilización y el drenaje son dos aspectos importantes para controlar el paso de agua del terreno hacia el interior de la edificación. Contención de líquidos: para esta función es necesario conseguir la continuidad del hormigón a fin de lograr una buena impermeabilización. Para ello se efectúa un vibrado con un control adecuado, para evitar huecos y juntas. De acuerdo a su Forma de Trabajo Muros de contención por gravedad: soportan los empujes con su peso propio. Los muros construidos con

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hormigón en masa u hormigón ciclópeo, por ser más pesados, se utilizan habitualmente como muro de gravedad ya que contrarrestan los empujes con su propia masa. Las acciones, se aplican sobre su centro de gravedad. Muro de Gavión (por gravedad) Muro de gavión Fuente: Muros de contención ligeros (a flexión): cuando el muro trabaja a flexión podemos construirlo de dimensiones más livianas. Dado que aparecen esfuerzos de flexión, la construcción se efectúa con hormigón armado, y la estabilidad está en relación a la gran resistencia del material empleado. El diseño del muro debe impedir que flexione, ni produzca desplazamientos horizontales o vuelque, pues debido a los empujes. 2.5 Causas que generan problemas en los puentes Son muchos los problemas que se presentan durante la vida útil de un puente, a continuación se tratara de sintetizar esos problemas y las soluciones que se presentan con más frecuencia: Los puentes pueden deteriorarse por el escurrimiento natural de una corriente, por los vehículos que los utilizan o por otras causas naturales, tales como sismos, aluviones, corrosión, pudrición, etc.

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Los escurrimientos naturales habituales y, con mayor razón, las grandes crecidas y aluviones, son los que más comúnmente producen daños a puentes y estructuras. Como gran parte del país se caracteriza por la existencia de ríos con escurrimientos del tipo torrente, es habitual que ocurran socavaciones en torno a las fundaciones, erosiones de los taludes de los terraplenes de acceso y otras fallas similares. La socavación de las fundaciones muchas veces se traduce en asentamientos que generan grietas y fisuras en la estructura. Los daños más comunes provocados por el tránsito de vehículos son los impactos a las barandas y para-petos en puentes, y los que producen en vigas y losas las cargas de altura superior a la permitida, en el caso de los pasos superiores. La circulación de vehículos propiamente tal, deteriora el pavimento de la estructura provocando degastes, ahuellamientos, fisuras, alabeos, asentamientos y otros. Asimismo, se dañan las juntas de expansión, se sueltan las cantoneras, se obstruyen las juntas y barbacanas, etc. En los puentes de madera, la circulación de los vehículos provoca, normalmente, desgaste de los tablones de rodado y que se suelten debido a la pérdida de clavos o pasadores.

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En caminos no pavimentados, el tránsito normalmente arrastra material de la carpeta hacia la calzada de la estructura, lo que acelera el desgaste del pavimento, obstruye los desagües y las juntas de expansión, y cubre con suelos las mesas de apoyo de la superestructura. Los sismos de magnitud importante son otros de los agentes que provocan daños de consideración en los puentes y estructuras; inducen grietas y asentamientos en la infraestructura y, en algunos casos, el colapso parcial o total de la estructura. El medio ambiente, es decir, las variaciones térmicas, la humedad del aire, las precipitaciones, los ambientes marinos, etc., provocan deterioros importantes en las obras estructuradas con elementos metálicos y/o madera. La corrosión de vigas, barandas y arriostramientos metálicos, así como la pudrición de las maderas, obligan a efectuar periódicamente el mantenimiento de estos elementos. De igual modo, los hormigones agrietados o con fisuras sufren la corrosión de las armaduras; por este mismo proceso se desprenden trozos del hormigón de recubrimiento quedando las enfierraduras a la vista, con lo que se acentúa el proceso corrosivo. Este fenómeno es especialmente acelerado en las armaduras o cables pretensados

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en los hormigones post y pretensados, con el agravante que la corrosión del acero bajo tensión puede producir el colapso del elemento estructural. Los procedimientos más usuales para solucionar los problemas más comunes en cada una de las etapas y para los elementos más comunes en los puentes, se sintetizan a continuación: a) Limpiar, reponer y estabilizar la alineación y la sección transversal del cauce. b) Para evitar erosiones y socavaciones: utilizar gaviones o muros de mampostería o de concreto ciclópeo. c) Reconstruir los conos de derrame y delantales frente a los apoyos extremos. d) Hacer zampeados de mampostería de piedra con dentellones en el fondo del cauce. e) Proteger los caballetes con terraplenes o escolleras instaladas al frente y alrededor.

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2.6 Mantenimiento de los puentes El mantenimiento de los puentes es una de las actividades más importantes entre las que hay que realizar para llevar a cabo su conservación, su objetivo final, como la de toda labor de conservación, es la del mantenimiento de todas las condiciones de servicio de la carretera en el mejor nivel posible. La falta de mantenimiento adecuado en los puentes da lugar a problemas de funcionalidad y seguridad que pueden ser graves: limitación de cargas, restricciones de paso, riesgo de accidentes, riesgo De interrupciones de la red, y a un importante problema económico por el acortamiento de la vida útil de las obras. Según la importancia del deterioro observado, las acciones para el mantenimiento un puente se clasifica en tres grupos: Mantenimiento rutinario, reparaciones y reforzamientos. El mantenimiento rutinario es una labor substantiva que debe ampliarse para evitar que crezca el número de puentes con daños. Con los trabajos de reparación y reforzamiento, se pretende que los puentes recuperen un nivel de servicio similar al de su condición original.

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Sin embargo, por la evolución del tránsito, a veces no es posible obtener este resultado y se requieren trabajos de refuerzos y ampliaciones. 2.6.1 Mantenimiento preventivo El mantenimiento preventivo lo comprenden aquellas actividades de mantenimiento en los puentes. Dichas actividades son: - Señalización, pintura, alumbrado, etc. - Limpieza de acotamientos, drenes, lavaderos y coronas de pilas, estribos, caballetes, etc. - Limpieza y rehabilitación de conos de derrame incluida su protección, enrrocamiento o zampeado. - Limpieza y rehabilitación del cauce. - Recarpeteo de los accesos del puente. - Protección contra la socavación. - Reacondicionamiento de parapetos dañados. - Limpieza o rehabilitación de las juntas de dilatación.

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- Limpieza o protección de apoyos. 2.6.2 Mantenimiento correctivo Reparaciones dentro del mantenimiento correctivo se consideran las siguientes acciones: Sellado de fisuras, inyección de fisuras, saneo de concreto degradado, reposición de concreto, limpieza de armaduras, impermeabilización del tablero, pintura perimetral, recolocación o recalce de apoyos, reparación o reposición de barreras o parapetos, reparación de aceras y canalizaciones de servicios, actuaciones sobre el pavimento y otras actuaciones singulares como, por ejemplo, arreglo de socavaciones en la cimentación, etc. Estas acciones se llevan a cabo por equipos específicos una vez que se ha decidido su realización.

La reparación de los puentes enmarca las siguientes actividades en los puentes que son realizadas por personal técnico especializado (Empresas Contratistas): - Alineamiento vertical y horizontal de tableros de la superestructura.

52

- Cambio de apoyos. - Cambio de juntas de dilatación. - Rehabilitación del concreto degradado. - Tratamiento de armados expuestos. - Inyección de grietas en subestructura y superestructura. - Protección de aceros expuestos en subestructura y superestructura utilizando Sand-Blasting, picado o pegacreto para colocar concreto lanzado.

El mantenimiento de puentes es una de las actividades más importantes entre las que hay que realizar para llevar a cabo la conservación de una red de carreteras. Su objetivo final, como la de toda labor de conservación, es la del mantenimiento de todas las condiciones de servicio de la carretera en el mejor nivel posible.

Otro tipo de acciones es la reparación de daños producidos por golpes. Con cierta frecuencia se producen colisiones del tráfico con las obras, especialmente de vehículos que circulan con altura excesiva de carga por pasos inferiores, aunque también dentro de la propia autopista por colisionar contra pilas, etc. Estos daños cuando se producen son reparados aunque no

53

constituyan un peligro inmediato para el buen funcionamiento de la estructura. La reparación consiste normalmente en la eliminación del concreto

roto

y

su

sustitución

por

un

mortero

de

reparación.

Capítulo III Detalles y Especificaciones del Proyecto

55

Como todos los demás puentes existentes a nivel nacional e internacional, el puente paralelo sobre el río de las lavas, en villa Gonzales, posee características que deben ser consideradas en el análisis y diseño estructural del mismo para garantizar una correcta y adecuada forma de llevar a cabo el proyecto presentado. En este capítulo se encontrarán las informaciones relacionadas con la finalidad, descripción del proyecto, , cargas de diseño para puentes, estudio de tránsito, estudio de suelo, cálculos topográficos y cálculos hidrológico.

“En el puente como en las restantes construcciones de la ingeniería, existe una condición previa a su funcionalidad, que puede ser resumida dentro del termino genérico de estabilidad, es decir: el puente debe sostenerse y perdurar cierto tiempo o mas brevemente resistir. Esta condición, si bien esencial en el puente no debe ser única ni exclusiva.” (SAMARTIN, A. 1983 Pág.1)

56

3.1 Objetivo El objetivo es diseñar el puente que sobre pasa el rio de las Lavas. De la forma más segura y económica posible, para brindar un servicio optimo y a la vez darles seguridad a los usuarios. Contribuyendo a su vez con el desarrollo socio-económico de la región. 3.2 Ubicación El puente viga-losa sobre el río las lavas, en la comunidad de las LAVAS de Villa Gonzáles, se encuentra al noroeste de la provincia de santiago, y se localiza entre los municipios

de SANTIAGO y VILLA

GONZALES. En la autopista JOAQUIN BALAGUER.

3.3 Descripción El puente carretero en la cual se presenta la siguiente solución estructural correspondiente al puente sobre el rio las lavas, cuya luz de diseño es de unos 39.40m, con un ancho total de 10.20m. El puente contara con una vía de 2 carriles cada uno de 4m de ancho; sobre la losa de hormigón reposa una carpeta asfáltica de 4cm de espesor y un sistema de barandas de hormigón.

57

“Para un puente de carretera, la carga fija lo constituyen las vigas o pórticos principales, las vigas de piso y largueros del sistema de tablero, las losas de calzada, los bordillos, aceras, barandillas, postes de iluminación y otro equipo” (Head y Benson, 1973, p. 50). 3.4 Especificaciones de la AASHTO

FIG.3.1 Fuente: Construaprende.com

Los miembros del puente se proyectaran tomando en cuenta los esfuerzos permisibles y las limitaciones del material empleado de acuerdo con las especificaciones AASHTO. En la hoja para cálculo de esfuerzos se incluirá un diagrama o notas sobre las cargas consideradas y por separado se indicaran los esfuerzos debidos a las diferentes cargas. Cuando las condiciones del proyecto así lo

58

requieran, se registrara el orden sucesivo de los colados de concreto en los planos o bien en las especificaciones complementarias. Las sobrecargas especificadas por la American Association of State Highway Officials (AATSHO) cuyas especificaciones se aplican en los puentes construidos en el país, se componen de camiones normalizados ideales o de sobrecargas equivalentes a una serie de camiones se prevén dos tipos de cargas: Las cargas H corresponden a camiones de dos ejes y las H-S a dos ejes tractores con semirremolque de un solo eje (Gráfica 3.5).

Para el cálculo de losas debe suponerse que el eje de la rueda se halla a una distancia de 0.30 m del bordillo (Gráfica 3.6).Las sobrecargas para puentes de carreteras se dividen en varias clases. El número de la carga indica el peso total del camión, en toneladas. Este peso se reparte entre los ejes delanteros y traseros del camión. El eje delantero recibe un 11.1% de la carga y cada eje trasero recibe un 44.45% del total.

59

Gráfica 3.2 Cargas HS de camiones normalizados Fuente :www.Construaprende.com

Gráfica 3.3 Espacio libre y ancho del carril de carga Fuente: www.Construaprende.com

60

Las siguientes especificaciones se dan tomando en cuentas algunas de las reglas más importantes de la ASSHO para la aplicación de la sobre carga: Se supondrá que la sobrecarga virtual uniforme o el tren de carga normalizado ocupan una anchura de 3.0 m (Gráfica 3.2). Su posición dentro del carril de será la que de lugar a la máxima tensión.

Cuando los máximos esfuerzos en una pieza del puente se deban a la actuación de simultánea de las sobrecargas en una serie de carriles de tráfico paralelos, se tomarán los siguientes porcentajes de los esfuerzos producidos por la totalidad de las sobrecargas, a fin de tener en cuenta lo improbable de la coincidencia de las cargas máximas:

Número de carriles

Porcentaje

1ó2

100

3

90

4 ó más

75

Cuadro 3.4 Reduccion del Mu(momento de diseno)

61

Para tramos simples, la luz de cálculo será la distancia entre ejes de los soportes, pero no superior a la luz libre más el espesor de la losa. Perpendicularmente a la armadura principal habrá de disponer en todas las losas una armadura de reparto con el objetivo de que contribuya a la distribución de las cargas concentradas móviles en sentido transversal. La sección de esta armadura se determinará por las ecuaciones siguientes: Para armadura principal paralela al tráfico: Porcentaje = 55/√S

máximo = 50 %

Para armadura principal perpendicular al tráfico: Porcentaje = 121/√S

máximo = 67 %

Donde S es la luz eficaz del tramo, en metros. Las losas dimensionadas para resistir momentos flectores de acuerdo con las instrucciones precedentes, deben considerarse satisfactorias en cuanto a esfuerzos de adherencia y cortantes.

62

3.5 Cargas

Gráfica 3.5

file:///H:/fuerzas y metodos.htm

Estas son las fuerzas que actúan en la estructura interna y externamente provocando en ella distintos esfuerzos generados por las distintas cargas como son:

3.5.1 Carga viva Las cargas vivas son las debidas al peso de las cargas móviles aplicadas que corresponden a camiones, autobuses, automóviles, equipos para construcción y trabajos agrícolas, ciclistas, peatones, ganado y, en pasos inferiores de ferrocarril (PIF), al tren. En casos especiales, podrá disponerse que la estructura se diseñe para cargas vivas diferentes a las mencionadas, por ejemplo, para los casos de puentes ubicados en los accesos a instalaciones militares o industriales.

63

La carga viva consistirá en el peso de la carga móvil aplicada, correspondiente al peso de los camiones, coches y peatones. Los elementos portantes y piezas de puentes se diseñaran con la carga de camión HS-20, HS-15 y HS-10, tomando como carga de diseño la que produzca los mayores momentos vivos de acuerdo con la distribución de claros. Según Winter y Nilson (1994) las cargas vivas de los puentes siempre deben amplificarse por el coeficiente de impacto. 3.5.2 Carga de impacto La cantidad permisible en que se incrementan los esfuerzos se expresa como una fracción de los esfuerzos por carga viva, y se determinara con la formula siguiente: I= (15) / (L + 38) Donde: I = Impacto, en porcentaje (máximo 30%) L = Longitud, en metros, de la parte del claro que debe cargarse para producir el máximo esfuerzo en el miembro.

64

Para uniformar su aplicación, la longitud cargada, "L", se considerara específicamente como sigue: - Para pisos de calzada, emplear la longitud del claro marcada en el proyecto. - Para miembros transversales, tales como piezas de puente, usar la longitud del claro del miembro, entre centros de apoyo. - Para calcular momentos debidos a cargas de camión, usar la longitud del claro. Para tramos en voladizo, se usara la longitud desde el centro de momentos hasta el eje más alejado del camión. - Para esfuerzo cortante debido a cargas de camión, usar la longitud de la parte cargada del claro, desde el punto en consideración hasta la reacción mas alejada. Para tramos en voladizo, considérese el 30%. - En claros continuos, empléese la longitud del claro considerado para momento positivo y para momento negativo, el promedio de los dos claros adyacentes cargados.

65

3.5.3 Carga muerta La carga muerta estará constituida por el peso propio de la estructura ya terminada, incluyendo la carpeta asfáltica, banquetas, parapetos, tuberías, conductos, cables y demás instalaciones para servicios públicos. Cuando, al construir el puente, se coloque sobre la carpeta una capa adicional para desgaste, o cuando se piense ponerla en el futuro, deberá tomarse en cuenta al calcular la carga muerta. Dicho factor es particularmente importante en aquellas regiones en donde se requiere el uso de cadenas sobre las llantas, o llantas con grapas para la nieve.

Por lo regular al calcularse la carga muerta se consideran los siguientes pesos volumétricos: Hierro fundido…………………………………………… 7,800 Kg/m3 Aleaciones de aluminio………………………………….. 2,800 Kg/m3 Madera (Tratada o sin tratar)…………………………….. 800 Kg/m3 Acero estructural………………………………………… 7,850 Kg/m3

66

Concreto simple…………………………………………. 2,300 Kg/m3 Concreto reforzado………………………………………. 2,400 Kg/m3 Arena, tierra, grava o balasto compactados……………… 1,920 Kg/m3 Arena, tierra o grava sueltas……………………………... 1,600 Kg/m3 Macadam o grava compactadas con aplanadora………… 2,240 Kg/m3 Relleno de escorias………………………………………. 960 Kg/m3 Pavimento (excluyendo adoquinado de madera)………… 2,300 Kg/m3 Vía de FF.CC. (riel, guardariel, accesorios de vía)……… 3,200 Kg/m3 Mampostería……………………………………………... 2,720 Kg/m3 Tablón asfáltico de 2.5 cm de espesor …………………... 22 Kg/m2

3.5.4 Cargas por viento Son cargas dinámicas pero son aproximadas usando cargas estáticas equivalentes. La mayor parte de los edificios y puentes pueden utilizar este

67

procedimiento cuasi-estático y solo en casos especiales se requiere un análisis modal o dinámico. El viento produce una presión sobre las superficies expuestas. La fuerza depende de: -densidad y velocidad del viento -ángulo de incidencia -forma y rigidez de la estructura -rugosidad de la superficie -altura de la edificación. A mayor altura mayor velocidad del viento Para una estructura en general se deben calcular las cargas de viento que actúan, en cualquier dirección, sobre: a. La estructura en conjunto b. Los elementos estructurales individuales, por ejemplo una pared de fachada en especial, el techo.

68

c. Las unidades individuales de revestimiento y sus conexiones, vidriería y cubierta con sus aditamentos.

Gráfica 3.6 cargas de viento Fuente : www.google.com Para convertir el efecto del viento en presión se cuenta con dos procedimientos aceptados por las normas, el simplificado o estático y el dinámico. En el estático se toma una velocidad promedio sin tener en cuenta efectos como rugosidad del terreno y topografía y se convierte en presión por métodos energéticos (energía cinética pasa a ser energía potencial). Si después de realizar el análisis estático se encuentra que el viento es determinante en el diseño, se debe realizar un estudio mas profundo de la carga utilizando el método de análisis dinámico.

69

Método simple: La presión producida por el viento se calcula por:

en kN/m2 Donde: P: presión estática

q: velocidad convertida en presión dinámica. Vs: velocidad del viento en k.p.h (km/hora). Para determinar la velocidad, Vs, se cuenta con los mapas de amenaza eólica del país, donde por energía sabemos que la energía cinética es 1/2mV2 y m es la densidad del aire. La tabla nos da los valores de q calculados según la altura con respecto al terreno de la parte superior de la edificación o de cada parte de esta, si se hace un análisis por partes y según la velocidad del viento. Debe tenerse presente que el análisis simple no considera otros factores como rugosidad del terreno, tamaño del edificio, altura sobre el terreno, topografía y por lo

70

tanto, es de esperarse que los valores encontrados por este método son mayores a los que se encontrarían por un análisis particular. S4: variación de la densidad del aire con la altura sobre el nivel del mar Cp= Coeficiente de presión que depende de la forma de la edificación. Para encontrar la presión ejercida sobre las diferentes partes de la estructura se emplean los coeficientes CP (coeficientes de presión) que modifican el valor de la presión del viento básica para tener en cuenta los efectos de la forma de la edificación y el sentido de la presión que se produce. Por el análisis simplificado estos valores son globales para la estructura analizada, es decir, no consideran efectos puntuales que pueden hacer aumentar la presión del viento en algún punto en especial de la edificación. Según las recomendaciones del análisis simple de la NSR-98 se dan valores de Cp para: Cubiertas con superficies inclinadas en edificaciones cerradas, tabla (cubiertas inclinadas, superficie a barlovento y superficie a sotavento.

71

En cubiertas inclinadas de edificios con uno o mas lados abiertos, leer los valores de la tabla y añadir -1,0 a los valores negativos de estas. Pórticos a dos aguas considerando el viento soplando paralelamente a la cumbrera (fuerza ascendente sobre el pórtico), Cp=-0,6 Para los aleros de cualquier tipo de cubierta, Cp=-1,5 Una vez obtenida la presión se encuentra la fuerza total al multiplicar por el área expuesta frontal efectiva y dicha presión. El resultado del análisis simplificado son unas presiones tentativas sobre el elemento analizado o sobre la edificación, si se quiere tener un análisis mas completo de la variación del coeficiente Cp en cada una de las partes de un techo o de una edificación. Puntos con mayores coeficientes Cp Existen valores tabulados donde se dan los coeficientes de presión dependiendo de la forma de la estructura el revestimiento, la relación altura vs ancho y el punto analizado, con su respectivo signo que da si es presión o succión.

72

Si lo que se quiere es determinar la fuerza de viento total ejercida sobre una estructura, sin tener en cuenta los efectos locales, se trabaja con un coeficiente de fuerza, Cf, en vez de un coeficiente de presión. En ese caso la fuerza de diseño corresponde a la suma de la fuerza en cada una de las direcciones de ataque del viento sobre la estructura, y se calcula como: F=Cf.q.Ae Donde: Cf= coeficiente de fuerza q= velocidad convertida en presión dinámica Ae=área expuesta o frontal efectiva de la edificación.

3.5.5 Carga sísmica

73

Las cargas sísmicas son cargas inerciales causadas por movimientos sísmicos, estas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez), y las aceleraciones esperadas. Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargas estáticas equivalentes. Los edificios pueden utilizar este procedimiento cuasi-estático, pero también se puede utilizar un análisis modal o dinámico. Los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de la estructura. Esas cargas resultan de la distorsión en la estructura causada por el movimiento del suelo y la resistencia lateral de ésta. Sus magnitudes dependen de la velocidad y tipo de aceleraciones del suelo, así como de la masa y rigidez de la estructura. El sismo es una liberación súbita de energía en las capas interiores de la corteza terrestre que produce un movimiento ondulatorio del terreno. Este movimiento ondulatorio se traduce en una aceleración inducida a la estructura que contando esta con su propia masa y conociendo la 2da ley de Newton se convierte en una fuerza inercial sobre la estructura. Es inercial porque depende directamente de la masa de la estructura sometida al sismo.

74

Como mencionamos la magnitud de esta fuerza depende de la masa de la edificación y de la aceleración correspondiente de la estructura. La aceleración de la estructura (es decir la respuesta de esta a una perturbación en la base) depende a su vez de su rigidez (K=F/d) y de la magnitud y frecuencia de la aceleración del terreno. La masa y la rigidez determinan el periodo de vibración de la estructura que para una aceleración del terreno produce una aceleración de vibración en ella. Por medio de un espectro de diseño (grafica de aceleración del terreno vs. Periodo de vibración de la estructura) se determina la aceleración de diseño para la estructura y por medio de la ecuación de la segunda Ley de Newton,

, encontramos una fuerza estática equivalente al sismo.

La fuerza total sísmica en la base de la estructura se conoce como cortante basal. V = cortante basal ® fuerza total en la base

75

El cortante basal se puede determinar por métodos aproximados utilizando la siguiente ecuación derivada de la segunda Ley de Newton: V = W.Sa donde Sa es un coeficiente sísmico (adimensional) que representa la aceleración con que responde la edificación a un movimiento de su base. Se expresa como una fracción de la gravedad y depende de la estructura analizada y de la zona donde se encuentre localizada. En Medellín podríamos decir en forma generalizada que este coeficiente tiene un valor de 0,5 para una vivienda de un piso.

3.6 Fuerzas La fuerza es una magnitud vectorial capaz de deformar los cuerpos (efecto estático), modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en movimiento si estaban inmóviles (efecto dinámico). En este sentido la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que

76

modifica el módulo, la dirección, o el sentido de su velocidad), o bien de deformarlo. Comúnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en cuenta al otro objeto u objetos con los que está interactuando y que experimentarán, a su vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza como un ente físico-matemático, de carácter vectorial, asociado con la interacción del cuerpo sobre la que actúa con otros cuerpos que constituyen su entorno.

3.6.1 Fuerzas centrifugas En puentes de planta curva, la fuerza centrífuga se supondrá actuando horizontalmente perpendicular al eje de la plataforma del tablero, a cota del pavimento y con el valor deducido de la siguiente fórmula: Fc=K·M·V2e/R Donde:

•

Fc = fuerza centrífuga (N).

77

•

M = masa de la sobrecarga definida en (kg).

•

Ve = velocidad específica en el tramo de ubicación del puente (m/s).

•

R = radio en planta de la curva correspondiente al eje de la plataforma del puente (m).

•

k = factor de distancia adimensional que puede suponerse igual a: 231/(V2e+231)

Al considerar la actuación de la fuerza centrifuga en un tablero, las componentes verticales del tren de cargas, deberán disminuirse en el mismo factor K anteriormente definido. 3.6.2 Fuerzas por cambio de temperatura Lo más común es que estas fuerzas la conocemos como dilatación o contracción. Casi todos los sólidos se dilatan cuando se calientan, e inversamente se encogen al enfriarse. Esta dilatación o contracción es pequeña, pero sus consecuencias son importantes. Un puente de metal de 50 m. de largo que pase de 0° a 50 podrá aumentar unos 12 cm. de longitud; si sus extremos son fijos se engendrarán tensiones sumamente peligrosas. Por eso se suele montarlos sobre rodillos como muestra la ilustración. En las vías del

78

ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este intersticio es el causante del traqueteo de los vagones. A continuación se presentara los Coeficientes de dilatación lineal (por coda grado de temperatura y centímetro de longitud) de algunos materiales: Aluminio 0,000024 Bronce 0,000018 Hormigón 0,000018 Cobre 0,000017 Fundición de hierro 0,000012 Acero 0,000013 Platino 0,000009 Vidrio térmico 0,000003 Vidrio comercial 0 000011 Cuarzo fundido 0,0000005 Invar (aleación) 0,0000009 Roble, a lo largo de fibra 0,000005 Roble, a lo ancho de fibra 0,000054 Caucho duro 0,000080

79

3.6.3 Fuerzas por empuje de tierra Cargas por presión hidrostática y empuje de tierras por la Ley de Pascal sabemos que la presión que ejerce un líquido sobre las paredes que lo contienen es proporcional a la profundidad y al peso específico del líquido contenido. Los suelos ejercen sobre las superficies una presión similar a los líquidos pero de menor magnitud. La presión se representa entonces como una carga triangular W=h.γ h. R=h2*γ/2

Gráfica 3.7 diagrama de empuje de tierra Fuente:www. Construaprende.com Donde:

80

γ: peso específico del líquido o del líquido equivalente que representa al suelo. γequivalente=ka. γ suelo, donde ka

1

H: altura 3.1 Estudios Los estudios a realizarse son los siguientes: 3.7.1 Hidrologicos Según el Servicio Meteorológico Nacional, la pluviometría media de la ciudad de Santiago es de 1,000 mm de lluvia por año, con una temperatura promedio de 26.2 oC y 100 días de lluvia anuales. El mes más lluvioso del año es Mayo con un promedio de 150 mm de lluvia por mes. Fórmula de Curklin Qmáx = {[(3,594)/ (370+A)] +0.21}*A Donde: Qmáx = Caudal máximo de escorrentía (m3 /seg) A= Área tributaria de la cuenca en millas cuadradas Datos:

1 mi2= 2.56 km2

81

A= 28.23 km2

= 11.03 mi2

2.56 km2 /mi2 Qmáx = {[(3,594)/ (370+11.03 mi2)] +0.21}*11.03 mi2 Qmáx = 106.35 m3/seg. 3.2.2.2 Caudal de diseño Qs= K*A*R2 /3 *S1/2 R=At/Pm= (31.45 m2 ) /(17.30 m)= 1.82m Pm= 14.30m +3.00m =17.30m m At= 31.45 m2 S= (104.31m- 96.32m)/ 600m = 0.0133 K= (1/n)= 1/0.03=33.33 n= (coeficiente de rugosidad) Qs=33.33 *31.45 m2 *(1.82m)2 /3*(0.013)1/2 Qs= 178.08 m3/seg. 106.35 m3/seg. < 178.08 m3/seg. Qmáx total < Qs

Ok.

82

Cuadro 3.1. Perfil topografico Estación

Rasante

Terreno

10+000

99.52

99.52

10+7.86

99.34

99.21

11+000

99.36

99.04

12+000

99.43

90.39

12+284

99.45

86.58

13+000

99.59

84.07

14+000

99.57

84.03

15+000

99.64

84.46

16+000

99.71

87.77

16+218

99.72

92.3

17+000

99.73

96.58

17+15

99.82

99.68

18+000

99.84

89.82

18+000

99.88

99.88

83

3.7.3 Suelo La investigación que se realizará en este estudio, tendrán como objetivo el determinar tanto las características Físico-Químicas como Mecánicas que presenta la estratigrafía de los suelos que conforman el subsuelo y que servirá de fundación a la estructura que se desea proyectar. Se determinará el nivel de fundación de la estructura, la posición del nivel freático, capacidad de soporte y posibles problemas potenciales del subsuelo que se localizará, para lo cual se realizará tanto exploraciones y sondeos, conjuntamente con la toma de muestra del subsuelo así como distintos ensayos y análisis que serán realizados en el laboratorio. Esta información permitirá establecer las distintas soluciones, conclusiones y recomendaciones más apropiadas, que garanticen la estabilidad y la vida útil de la estructura proyectada. Se realizaron cuatro sondeos, con equipo de percusión y muestreo continuos. También se efectuó una exploración visual de las zonas circundantes. Estas perforaciones fueron realizadas a partir del nivel actual del terreno, alcanzando las profundidades siguientes:

84

Cuadro 3.2 Profundidades de penetración Sondeo No.

Profundidad (m)

1

5.75

2

4.95

3

9.90

4

4.35

3.2.4.2 Descripción del sub-suelo investigado En las exploraciones efectuadas se localizaron diferentes estratos, los cuales se describen a continuación: Relleno degradable: Conformado por mezclas de capa vegetal, arcilla amarilla y basura. Este fue localizado únicamente en los sondeos No. 1 y 2. Relleno degradable: Conformado por escombros de concreto y piedras. Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 2.

85

Cuadro 3.3 Espesor total de relleno degradable Sondeo No.

Profundidad (m)

1

1.15

2

1.20

El espesor promedio del relleno degradable es 1.18 metros. Relleno Grava-Areno-Limoso: Su color es amarillo. Posee piedras de hasta 6”. Su fino es no plástico. Este fue localizado únicamente en los sondeos No. 3 y No. 4. Posee la siguiente granulometría. Cuadro 3.4 Granulometría de la 1ra muestra Tamiz No.

% Pasante

% Retenido

2"

100.00

0.00

1"

75.90

24.10

3/8"

55.20

20.70

4

37.70

17.50

10

22.50

15.20

40

8.20

14.30

200

5.30

2.90

86

Relleno Grava-Areno-Limoso: Su color es amarillo. Posee piedras de hasta 6”. Su fino es no plástico. Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 3. Posee la siguiente granulometría. Cuadro 3.6 Granulometría de la 2da muestra Tamiz No.

% Pasante

% Retenido

2"

100.00

0.00

1"

70.00

30.00

3/8"

51.70

18.30

4

41.60

10.10

10

33.60

8.00

40

20.10

13.50

200

13.60

6.50

Cuadro 3.5 Espesor total de relleno granular

87

Sondeo No

Profundidad

1

1.10

2

2.55 Cuadro 3.6 Sondeos realizados

El espesor promedio del relleno granular es 1.83 metros. Arcilla (38.00%) - Areno (36.00%) - Gravosa (26.00%). Su color es amarillo con vetas de color gris. Su fino es de mediana plasticidad (IP=22%), (LL=47%), (LP=25%). Es de consistencia compacta (N=12; R=30%; W=95%). Su ángulo de fricción interna (Ø=27o). Posee una mediana capacidad de expansión (EL=60%; LC=13%). Su clasificación corresponde a CL. Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 1. Arcilla (62%) – Arenosa (38%). Su color es amarillo con vetas de color gris. Su fino es de mediana plasticidad (IP=18%), (LL=41%), (LP=23%). Es de consistencia compacta a muy compacta (N=12-18; R=25%-40%; W=94%-120%). Su ángulo de fricción interna (Ø=27o-31o).

88

Posee una mediana capacidad de expansión (EL=50%; LC=15%). Su clasificación corresponde a CL. Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 1. Arcilla (100%). Su color es amarillo. Su fino es de mediana plasticidad (IP=19%), (LL=43%), (LP=24%). Es de consistencia Compacta a muy compacta (N=14-24; R=20%-40%; W=96%-125%). Su ángulo de fricción interna (Ø=27o-31o). Posee una mediana capacidad de expansión (EL=60%; LC=13%). Su clasificación corresponde a CL. Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 1.

Arcilla (46.00%) - Areno (44.00%) - Gravosa (10.00%). Su color es gris con trazas negras. Su fino es de una alta plasticidad (IP=28%), (LL=57%), (LP=29). Es de consistencia compacta (N=9-12; R=40%-60%; W=94%-130%). Su ángulo de fricción interna (Ø=25o-27o). Posee una mediana capacidad de expansión (EL=80%; LC=11%). Este fue localizado en los sondeos No. 2 y No. 3.

89

Arcilla (58.00%) - Areno (15.00%) - Gravosa (27.00%). Su color es gris. Su fino es de una alta plasticidad (IP=34%), (LL=69%), (LP=30). Es de consistencia compacta a muy compacta (N=12-20; R=40%-50%; W=98%110%). Su ángulo de fricción interna (Ø=27o-31o). Posee una mediana capacidad de expansión (EL=100%; LC=10%). Su clasificación corresponde a CH.

Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 2. Arena-Limo-Gravosa. Su color es amarillo. Su fino es no plástico. Es de densidad relativa de medianamente densa a densa (N=24-36; R=5%; (Ø=34o-38o). Este fue localizado en los sondeos No. 3 y No. 4.

Material Grava-Areno-Limoso. Su color es amarillo. Su fino es no plástico. Es de consistencia dura (N>40; R=5%). Este fue localizado únicamente en el sondeo No. 1.

90

En cada sondeo realizado fueron detectadas las aguas subterráneas, las cuales se encontraban a las profundidades siguientes: Cuadro 3.7 Profundidades de las aguas subterráneas Sondeo No.

Profundidad (mts)

1

0.60

2

0.20

3

0.25

4

0.20

Luego de haber concluido los estudios correspondientes de mecánica de suelos del proyecto a realizar, se concluye con la recomendación de cimentación directa, con los siguientes datos e informaciones: Esfuerzo admisible del terreno (Qadm)...…...…….……1.50 kg/cm2 Módulo de reacción (K)……………….………………0.85 kg/cm2 Ángulo de fricción interna (Ø)...……………..…………..……25o Cohesión………………………….……..…………….0.50 kg/cm2

91

3.2.4.3 Recomendaciones de cimentación Fundar la base de la losa de fondo del estribo correspondiente a los sondeos No. 1 y No. 2, a una profundidad mínima de 4 metros por debajo del nivel de las aguas del río. La losa de fondo del estribo correspondiente a los sondeos No. 3 y No. 4 se fundará a una profundidad mínima de 3 metros por debajo del nivel de las aguas del río. El hormigón de la losa de fondo se diseñará

para obtener un

resistencia a la rotura mínima f’c=210 kg/cm2, a los 28 días. Los muros y cabezales deberán ser provistos de un sistema de drenaje adecuado.

92

3.7.4 TRANSITO Cuadro 3.8 Estudio de tránsito de la ruta Las lavas– Santiago

Hora

Vehículos Vehículos livianos pesados

7:00 @ 8:00 a.m.

24

11

8:00 @ 9:00

17

5

9:00 @ 10:00

21

8

10:00 @ 11:00

24

3

11:00 @ 12:00

30

1

12:00 @ 1:00 p.m.

15

1

1:00 @ 2:00

8

4

2:00 @ 3:00

13

2

3:00 @ 4:00

9

1

4:00 @ 5:00

25

3

5:00 @ 6:00

34

2

Total

218

41

Promedio veh/hora

19

4

Total Prom. veh/hora

23

Tránsito Medio Diario (TMDA)

276

Capítulo IV Diseño del Puente Viga-Losa

94

A continuación se presenta la elaboración del diseño de cada uno de los elementos estructurales que componen el puente como son: el diseño de la losa, diseño de las vigas interiores, diseño de la viga exteriores, diseño de baranda, diseño de columnas, diseño de la zapata para pilas y el diseño de pilotes sobre el cual se apoyarán las Zapata. Este diseño está basado en las normas y especificaciones de los códigos de diseño de la American Concreto Institute (ACI) y la (AASHTO). En el mismo, se presentan los detalles del dimensionamiento y armado de los distintos elementos estructurales.

40m. 4.1 Análisis y diseño de losa Carga muerta Peso propio del concreto = 0.15 m * 2.4 ton /m3 = 0.36 ton /m2 Peso propio del asfalto = 0.1 m* 1.6 ton /m3 = 0.16 ton /m2 Terminacion = 0.08m * 1.8 ton/ m3 = 0.144 Carga muerta total = 0.664 ton/m2

95

4.1.1 Momento muerto Mm=WS2/10 = 0.664 ton/m2 *(1.32 m) 2 /10 Mm= 0.12 ton-m/m 0.664ton/

S=1.32 m

4.1.2 Momento vivo Momento vivo = 0.80 {[(S + 0.6)/ (9.75)] (P)} Mv = 0.80 {[(1.32 m+0.6 m)/ (9.75 m)] (8000 kg)}= 1,260.31 kg-m/m =1.26 ton-m/m 4.1.3 Momento de impacto Coeficiente de impacto (CI)= 15 / (S + 38) ≤30 CI=15/(1.32+ 38) = 0.38 (usar CI=0.30) MI = Mv * CI= (1,260)*(0.30)= 378 kg-m/m = 0.378 ton-m/m Momento de diseño Mu= Mm+Mv+MI=0.12 +1.26 + 0.378 =1.76 ton-m/m

96

4.1.4 Diseño a la elástica N=Es/Ec Es = 2.03x106 kg/cm2 Ec = 15,100 √f´c = 15,100 √280 kg/cm2 = 0.25x106 kg/cm2 N = (2.1x106 kg/cm2) / (0.25x106 kg/cm2) = 8.31 K=N/[N+( fs/fc)] = 8.31/(8.31+11.11)= 8.31/19.42=0.43 J= 1- (K/3) = 1- (0.38/3)= 0.86 d = [2Mu/fc*k*j*b]^1/2 d = [ 2*176,000 kg-cm / 126*0.43*0.86*100cm]^1/2 d = 8.69cm < 13cm Ok. Acero Principal (perpendicular al tráfico) As= Mu/fs*d*j = (176,000 kg-cm/m) / (1,400 kg/cm2*13 cm* 0.86) = 11.24 cm2/m Separación de varillas Ø 1/2˝= [1.27 cm2 / 11.24 cm2]*100 = Ø 1/2˝@11cm Acero por temperatura (paralelo al trafico)

97

Ast = 121/√L = 121/ √1.32 = 105.32/100 = 1.05 > 67% Ast = 0.67* 11.24 = 7.53cm2 Separación de varillas Ø 1/2˝ = [1.27 cm2 / 7.53 cm2]*100 = Ø 1/2˝ @ 16 cm 4.2

Diseño de baranda:

Datos: f'c=280kg/cm2

fy = 2800kg/cm2

98

99

Area = (0.55 * 0.25) +

(0.35 + 0.25)(0.20) = 0.1975 M 2 2

Usar cuantía Min min=14/fy=14/2800=0.005 Ast = 0.005 * 35 * 70 = 12.25 cm2 → Usar 4 Ø 3

4

Acero de temperatura a lo largo de la baranda. Ast = 0.002 * 35 * 70 = 4.90 cm2 → Usar 3

8

@ 10 cm

Estribos S = d = 70 = 17.5 = 18 cm → Usar φ 3 " a 18 cm 4 4 8

Detalle de acero para la baranda

4 ø3/4

100

4.3 Análisis y diseño de vigas interiores

Grafica estandarizada de la AASTHO(ton m) Carga muerta por losa = 0.664 ton/m2 * 1.92m = 1.27ton/m Peso propio del concreto viga = 0.60 m * 2.4 ton /m3 * 1.04= 1.5 ton /m Terminación = 0.08m * 1.8 ton/ m3 = 0.144 Carga muerta total = 2.91ton/m

4.3.1 Momento muerto Mm=WS2/8 = 2.91 ton/m2 *(13.33 m) 2 /8 Mm= 64.63 ton-m Ray muerto = 19.40 ton

101

2.91ton/m

S=13.33 m

4.3.2 Momento vivo

Cargas en tonelada Factor de carga F1=L/1.5 = 1.92m/1.5m =1.28

102

Cargas : 8 ton * 1.28 = 10.24 ton 2 ton * 1.28 = 2.56 ton R=∑F1 = 10.24 ton + 10.24 ton + 2.56 ton = 23.04 ton

∑MA=0+ -23.04 ton (x) – 10.24 ton (4.20 m) – 2.56 ton (8.40 m)=0 X=2.80 m e=(4.20m-2.80m)/2= 0.70 m

Reacciones

∑MB=0 -

-2.56 ton (1.77 m)- 10.24 ton (5.97m)- 10.24 ton (10.17 m) +RAy (13.33m)=0

103

RAy=12.74ton X2 = 7.37m

- ∑Mcv=0 -

Mcv = 12.74(7.37)- 10.24(4.20) Mcv = 50.89to-m

4.3.3 Momento de impacto Mi = 15/L+38 = 15/(13.33+38) = 0.29 < 0.30 Mcv total = 50.89 * 1.29 = 65.65ton-m Momento muerto (7.37m) Mcm = 19.4ton (7.37) – 2.91(7.37)(7.37/2) Mcm = 63.95ton-m Momento de diseño = 65.65ton-m + 63.95ton-m = 129.6ton-m

104

4.3.4 Fuerza cortante de diseño

4.3.4.1 Cortante vivo d = 1m CVd = 10.24(0.92)+10.24(0.62)+2.56(0.29) CVd = 16.41 ton

105

4.3.4.2 Cortante muerto d= 1m Cmd = 19.40ton – 2.91ton/m(1m) Cmd = 16.49ton

4.3.4.3 Cortante de impacto d = 1m Cvi = 0.29(16.41ton) Cvi = 4.76ton

Cortante de diseño = Cvd+Cmd+Cvi = 16.41+14.28+4.76 = 35.45ton

4.3.5 Diseño de la viga interior d = [2Mu/fc*k*j*b]^1/2 d = [ 2*12,103,000 kg-cm / 126*0.43*0.86*60cm]^1/2 d = 94cm < 100cm Ok. As= Mu/fs*d*j = (12,103,000kg-m) / (1,400 kg/cm2*100 cm* 0.86)

106

= 100.52 cm2 Cantidad de varillas = 100.52cm2/5.06cm2 = 20 Ø 1˝

4.4 Analisis y Diseño de vigas exteriores Carga muerta Carga muerta por losa = 0.664 ton/m2 * 1.26m = 0.84ton/m Peso propio del concreto viga = 0.60 m * 2.4 ton /m3 * 1.04= 1.5 ton /m Peso propio de baranda = {(0.25*0.55) +[ ((0.25+0.35)*.20)/2]}*2.4= = 0.47ton/m Peso adicional = 0.20m*0.75m*2.4ton/m3 = 0.36ton/m Terminación = 0.08m * 1.8 ton/ m3 = 0.144ton/m Carga muerta total = 3.31ton/m

4.4.1 Momento muerto Mm=WS2/8 = 3.31 ton/m2 *(13.33 m) 2 /8 Mm= 73.52.63 ton-m Ray muerto = 22.40 ton

3.31ton/m

S=13.33 m

107

Momento muerto (7.37m) Mcm = 22.4ton (7.37) – 3.31(7.37)(7.37/2) Mcm = 75.19ton-m

4.4.2 Momento vivo Para encontrar el momento debido a la sobrecarga hay que buscar una fracción de carga que será la que actúa sobre la viga borde. Fc = 1.17/1.92 = 0.61 Momento Debido a la Sobrecarga Será igual a la fracción de carga entre el factor de incremento, multiplicado por el MV de la viga interior. MV = [(Fc)/FI]* MV = 0.61/1.28 (65.65) = 31.29Ton-m

4.4.3 Momento de Impacto MI = 0.29 x 31.29 = 9.07Ton-m

Momento de Diseño MD = MM + MV + MI = 75.19 +31.29 + 9.07 = 115.55Ton-m

108

4.4.4 Fuerza cortante de diseño

4.4.4.1 Cortante vivo (Cv) d= 1.0m

Cv en d= 6.25ton (0.93)+6.25ton(0.61)+1.55(0.3) =10.09ton 4.4.4.2 Cortante Muerto (Cm) d= 1.0m

109

Cm en d = 22.40ton – 3.31ton/m(1m) Cm en d = 19.09ton

4.4.4.3 Cortante de impacto (Ci) Ci = 0.29 * 10.09ton = 2.93ton Cortante de diseno = Cv + Cm + Ci = 10.09 ton + 19.09ton + 2.93ton = 32.11ton

4.4.5 Diseño de la viga exterior d = [2Mu/fc*k*j*b]^1/2 d = [ 2*11,555,000 kg-cm / 126*0.43*0.86*60cm]^1/2 d = 90.91cm < 100cm Ok. As= Mu/fs*d*j = (11,555,000kg-m) / (1,400 kg/cm2*100 cm* 0.86) = 95.97 cm2 Cantidad de varillas = 95.97cm2/5.06cm2 = 19 Ø 1˝

Diseño de Estribos VU/32.11ton = 6.67-d/6.67

110

VU = [32.11ton (6.67- 1.0)] / 6.67 = 27.30ton Ф = 0.85 Vc = 0.53√ f´c . b . d = 0.53 √280 x 60 x 100 = 53.21ton VS = (VU / Ф) – Vc > 2.1√f´c . b . d VS = (27.30 / 0.85) – 53.21 > 2.1 √280 x 60 x 100 = = -21.09 < 210.84 No 0.85 VU > Ф Vc/2 27.30 >[ 0.85 (53.21)] / 2 = 27.30 > 22.61 ok VU > ФVc 27.30 > 0.85 (53.21) = 27.30 > 45.23 No S = AvFy / 3.5b = 2x 0.71 x 2800 / 3.5 x 60 = 21.3cm Usar Ø 3/8” @ 0.18m

4.5 Diseño de columna Pu = Øpn= 0.85Ø[f'c(Ag-Ast)+(fy*Ast)]

111

174,020kg = 0.65(0.85)[280kg/cm2(2500cm2-Ast) + (2800kg/cm2 * Ast)] 174,020kg = 0.65(0.85)[595,000kg-239Ast + 2800 Ast] 174,020kg = 0.65(0.85)[595,000kg + 2562Ast] 174,020kg = 328737.5kg + 1415.51 Ast Ast = (328737.5kg – 174,020kg) / 1415.5 Ast = 109.3cm2

Cantidad de varillas = 109.3cm2 / 5.06cm2 Cantidad de Varillas = 22 Ø 1˝ , Usar 24 Ø 1˝ 4.6

Diseño pilote Datos: Ap= 1,600 cm2 C = 0.60 kg / cm2 Ø = 28° Nc* = 82 Α = 0.80 L = 20 mt F. S = 3.5

112

Capacidad última

Q U = Q P + QS Q P = C * N*C * Ap ⇒ (0.60)(82)(1600) = 78.72 ton

Qs =∝ *C * Perm. * L ⇒ (0.80)(0.60)(4 * 40)(2000) = 153.60 ton QU = 232.32 ton Capacidad admirable Q ADM =

Qu 232.32 ⇒ = 66.38 ton F.S. 3.5

Determinar el número de pilotes

Q ADM = 66.38 ton Put = 426.19ton # Pilotes = Put / QADM → 426.19/ 66.38 = 6.42 pilotes

Nota: Usar 7 pilotes

4.6.1 Resistencia como columna Datos: F´c= 280 kg / cm2

Fy = 2,800 kg / cm2

Ag = 1,600 cm2

As = 11.40 cm2

Ø = 0.70

R PU = 0.80 * φ[0.85 F´c(Ag − As) + FyAs]

113

R PU = (0.80)(0.70)[(0.85) (280)(1500 − 11.40) + (4200 * 11.40)] R PU = 238.54 ton R PU

2

= 119.27 ton

R PU > Q ADM ⇒ O.K. Estribos a) 48 db Est. → 48 * 3/8 *2.54 = 45cm b) 16 db long. → 16 * ¾ * 2.54 = 30cm

c)

Lmenor 40 ⇒ = 20 cm 2 2

Nota: Usar Est. Ø 3 " @ 0.20 mt 8

Espacio Óptimo (So) So = 1.10 + 0.40 * (N)0.4 ⇒ 1.10 + 0.40 (20)0.4 So = 2.43 l = 0 .5 +

0 .4 0 .4 ⇒ 0.5 + = 0.80 0. 1 ( N − 0 .9 ) (20 − 0.9) 0.1

Diseño del cabezal de la zapata Datos: P = 186.52 ton F´c = 280 kg / cm2 Fy = 2,800 kg / cm2

114

∫ rell = 1,800 kg / mt3

h = 0.7 mt b = 1.00 mt bo = 4(70+50) = 480 cm

QADM = 2.75 kg / cm2 Q neto = Q ADM − Q rell Q neto = 2.75 − Q neto =

(1,800 * 1.60 ) = 2.46 (100)

2

kg / cm 2

P P ⇒A= Q neto A

A = (186.52*1000) / 2.46 = 75,821 cm2 L = 75,821 cm2 / 580cm = 130.73cm = 1.32m

Quh = P / A → (201.22*1000)/(580*132) = 2.63kg/cm2

Chequeo como losa de zapata Asumiendo d = 80 cm VUI = 2.63[(580*132)-(50+80)^2] = 156,905.8 V'UI = VUI / Ø*b0*d → 156,905.8/ 0.85* 520*80 = 4.44kg VCI = 1.06√f'c → 1.06√280kg/cm2 = 17.74kg V'UI < VCI → ok

115

Chequeo como viga de zapata • Viga larga L = (580 – 80) / 2 = 250cm W = 2.45*200 = 490 kg/cm Vv2 = 490 * 70 = 34,300 kg VV´ 2 =

34,300 = 2.52 kg 0.85 * 200 * 80

VC2 = 0.53 350 = 9.92 kg VV´ 2 < VC 2 ⇒ O.K. M=

WL2 490 * (70) 2 ⇒ = 12,005 kg − mt 2 2

Chequeo como viga corta L=

200 − 80 = 60 cm 2

W = 2.45 * 220 = 539.00 kg / cm VV´ 2 = 539 * 60 = 32,340 kg VV´ 2 =

32,340 = 2.16 kg 0.85 * 220 * 80

VC 2 = 0.53 350 = 9.92 kg

VV´ 2 < VC 2 ⇒ O.K. WL2 (539)(60) 2 ⇒ = 9,702 kg − mt M= 2 2

116

Diseño de la zapata * Lado largo W = 0.848 − 0.719 −

∫=

1,200 ,500 = 0.003 0.53 * 350 * 200 * 80 2

0.003 * 350 = 0.00025 4,200

∫ min =

14 = 0.00333 4,200

As = 0.00333*200*80 = 53.33 cm2 S=

5.07 * 180 = 18.06 cm ⇒ Usar φ 1"@ 0.18 mt 53.33

W = 0.848 − 0.719 −

∫=

970200 0.53 * 350 * 220 * 80 2

0.0023 * 350 = 0.0002 4,200

∫ MIN =

14 = 0.0033 4,200

∫ < ∫ MIN ⇒ Usar ∫ MIN

As = 0.0033 * 220 * 80 = 58.08 cm2 S=

5.07 * 220 = 19.20 cm ⇒ Usar φ 1"@ 0.19 mt 58.08

117

Detalle de la zapata

Fuente : http://images.google.com.do

118

4.8 Detalles finales

Viga de apoyo

En esta imagen se muestra la viga de apoyo donde descansará la superestructura.

119

120

121

En esta imagen se muestran los diagramas de cortante de la viga de apoyo.

122

Nota; el momento máximo se genera en los apoyos. Estos son 60.1 ton-m

Conclusiones

124

Ya finalizada la presente investigación sobre el diseño del puente viga-losa sobre el río de las lavas, ubicado en la comunidad de villa González de la provincia de Santiago se han determinado las siguientes conclusiones. El análisis y diseño del puente a ofrecido como solución del problema que se realizase una estructura isostática de 4 apoyos con una separación longitudinal entre pilares de 13.33mts, poseyendo 6 vigas, 4 d ellas son vigas internas y 2 vigas exteriores. Estas son vigas T de hormigón armado con una separación de 1.92mts teniendo como referencia de diseño la longitud de la separación entre los pilares, esta estructura constara con una vía de dos carriles, sobre las vigas descansa una losa de 15 cm más una carpeta de asfalto de 4 pulgada de espesor. También el puente contara con una baranda de hormigón armado. Para poder diseñar una estructura de la magnitud de un puente hay que analizar las posibles cargas máximas vivas que puedan transitar por el puente para poder así garantizar la vida útil del mismo. Ya determinada la cargas máxima como son: las cargas producidas por el transito, las producidas por el impacto que genera la

125

vibración de los vehículos y las muertas producidas por la propia carga del puente. Cada uno de los elementos estructurales del puente debe ser diseñado tomando en cuenta los efectos que ocasionan uno sobre el otro, pues que, cada elemento se diseña por separado. Pero no deja esto que el comportamiento de la estructura completa se comporte como una sola pieza por razones de su diseño monolítico, dando esto a entender que cualquier fallo en una de sus partes se puede manifestar en el puente completo. La seguridad de cualquier elemento estructural dependerá indiscutiblemente de la resistencia que pueda poseer el suelo en el lugar a construir la estructura, pero para saber la verdadera resistencia del suelo es de rigor realizar estudios relacionados con el mismo para conocer la resistencia cortante en función a la carga que se pueda transmitir al suelo. Ya conociendo este dato se analiza y a su vez se diseñan los pilotes y zapatas a utilizar para garantizar la estabilidad del puente. Cuando se necesita construir un puente que servirá de paso por una depresión topográfica por la cual pase un rio, es de interés tener

126

cuenta la profundidad a la que se hincaran los pilotes y zapatas para poder así evitar socavaciones debido a las posibles crecidas del rio . El material a utilizar en la estructura completa es el hormigón armado por las resistencias que puede este ofrecer, en el caso del diseño se logra mediante el planteo de secciones y luego analizándolas. El concreto es un material no elástico, con la no linealidad de su comportamiento, que comienza a una etapa muy temprana de carga, por lo que se diseña bajo un enfoque de resistencia última, y se calculan las cargas a las que estará sometido en su estado de funcionalidad y servicio aplicando factores de seguridad a éstas. Con esto se puede estimar el punto donde la estructura fallaría diseñándose éstos elementos para que el punto último de resistencia falle por turbulencia del refuerzo de acero y no por fractura del concreto. Luego se ha decidido que la posición que ocupará el puente con respecto a los elementos alrededor, que ancho, longitud, y demás dimensiones, el ingeniero tiene la importante labor de llevar a cabo todas estas decisiones y darle forma en un proyecto que pueda ser construido. En el análisis y diseño estructural se hizo una inicialización de la estructura para dimensionar los distintos elementos estructurales que van

127

a soportar las cargas de servicio del puente, logrando una transmisión eficaz de las cargas hacia el terreno de fundación. El final del diseño consiste en comunicar los resultados del proceso descrito a las personas que se encargarán de ejecutar la obra. La comunicación de los datos necesarios para la realización del diseño se hace mediante una serie de planos (detalles) y especificaciones.

Recomendaciones

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Ya conocido el análisis y diseño del Puente que cruza el rió de las lavas de villa González, se recomienda lo siguiente: Tener una visión mas allá de lo económico, tener una visión de futuro. Tener mucho cuidado con el material a colocar, hay que conocer su respectivas resistencias en el antes y después para garantizar así el diseño. No improvisar con el diseño, trabajar con las normas y reglamentos que ya están certificados para tales fines. En la ejecución de la obra hay que ser muy celoso con la colocación el armado, colocar el acero como lo especifiquen los planos. Cumplir con lo que se establece en las topografías viales, hacer que las pendientes estén acorde con la carpeta de rodadura para evitar acumulación de agua y que estas deterioren dicha carpeta. Ser precavido con el mantenimiento, es mejor el gasto que demande un buen mantenimiento preventivo y no acudir a un mantenimiento correctivo por el alto costo que este ultimo puede generar.

Glosario

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Acero: hierro bastante pobre con un bajo contenido de carbón. (Cuevas, 2000). Bombeo: es la pendiente transversal que se le da a la carretera para facilitar el drenaje del pavimento. (Eduardo, 1962). Concreto presforzado: concreto que usa acero de preesfuerzo. (Nilson y Winter, 1994). Concreto reforzado: concreto que usa acero de refuerzo. (Nilson y Winter, 1994). Cohesión: fuerza que une, adherencia. (Crespo, 1998). Claro: espacio libre entre dos apoyos. (Kassimali, 2001). Cimentación: Terreno sobre el que descansa una estructura. (J. Badillo y R. Rodríguez,2002) Esfuerzo: acción enérgica de un cuerpo contra una acción. (Hibbeler, 1997). Estribo: elemento extremo auxiliar de los puentes para evitar deslaves. (Crespo, 1998).

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Hormigón: material artificial utilizado en ingeniería que se obtiene mezclando cemento Portland, agua, algunos materiales bastos como la grava y otros refinados, y una pequeña cantidad de aire. (Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005) Hormigón armado: concreto con un armazón de acero en su interior, diseñado para coger las tensiones. (Nilson y Winter, 1994). Hormigón simple: concreto sin refuerzo de acero. (Nilson y Winter, 1994). Infraestructura: conjunto de obras que prestan un servicio a la comunidad. (Hibbeler, 1997). Puente: es una construcción, por lo general artificial, que permite salvar un accidente geográfico o cualquier otro obstáculo físico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua, o cualquier obstrucción (Biblioteca de Consulta Wilkipedia 2005) Viga: elemento constructivo horizontal, sensiblemente longitudinal, que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los elementos verticales de sustentación. (Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005)

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Momento: medida del efecto de rotación causado por una fuerza. Es igual a la magnitud de la fuerza multiplicada por la distancia al eje de rotación, medida perpendicularmente a la dirección de la fuerza. (Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005) Pila: son las partes que mantienen la superestructura a la altura exigidas por la carretera. (Eduardo, 1962). Socavación: Material que se pierde de la cimentación en pilas o estribos.(J. Badillo y R. Rodríguez,2002) Subestructura: están formados por los estribos y las pilas con sus cimientos. (Hibbeler, 1997). Superestructura: es lo que sostiene el tablero entre los puntos de apoyos. (Hibbeler, 1997). Tablero o firma: esta compuesto por el pavimento, las aceras, barandillas y su sistema de apoyos. (Nilson, 2000). Tablero: es la losa de un puente. (Nilson y Winter, 1994).

ANEXO

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VIGA DE AMARRE DE LAS PILAS

Bibliografía

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Bowles, J. (1984). Diseño de Acero Estructural. México: Limusa. Crespo, C. (1994). Mecánica de Suelos y Cimentaciones. México: Limusa. Crespo, C. (1998).Vías de Comunicación.(3ra ed.) México: Limusa. Crespo, C. (1998). Mecánica de suelos y cimentaciones. México: editorial Limusa. Crespo, C. (2001).Vías de comunicación. México: Editorial Limusa. Crespo villalaz.(2002) aplicaciones de la mecánica de suelo. México: Editorial Limusa. Das, B. (2001). Principios de ingeniería de cimentaciones.(4ta. Edición) México: Editorial Limusa. García Muñoz. (2002). Puentes. Construexpo.vol.3.68-71 Gonzáles, O. (2002). Análisis estructural. México: Editora Limusa. Hibbeler, R. (1997). Análisis estructural. México: Editora Limusa. Kassimali, A (2001). Análisis Estructural. USA: Thomson Editores. Montas, E. (1999). La ciudad del Ozama. España: Lunwerg editores. Mott, R. (1996). Resistencia de Materiales. USA: McGraw-Hill. Nawy, E. (1988). Concreto Reforzado. México: Prentice Hall. Normas ASTM-C150 y ACI -318-2005 Nilson, A. (1999). Diseño de Estructuras de Concreto. (12va ed.) Colombia: Mc Graw- Hill Interamericana. Nilson, A. (1980). Diseño Acero Estructural. USA: Prentice Hall.

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Nilson, A. (2000). Diseño de estructuras de concreto reforzado. : España: MC graw-Hill Penson, E. (2000). Cátedras de Mecánica de Suelos y Cimentaciones (1ra ed.) República Dominicana: UNPHU. Winter, G. y Nilson, A. (1994). Diseño de Estructuras de Concreto. USA: Mc Graw- Hill. Winter, G. y Nilson, A. (1997). Proyecto de estructura de hormigón. España reverte Samartin, A. (1983). Calculo de Estructuras de Puentes de Hormigón. España: editorial Rueda. Sowers, G. (1972). Introducción al a mecánica de suelos y cimentaciones. México: editora Limusa. www.construaprende.com www.googlebooks.com www.wikipedia.org