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PUENTES MSc. Ing. Franc Francisco isco serrano Flores
Definiciones
Un puente es un obra que permite pasar trafico sobre un obstáculo natural (ríos, valles) o artificial (carreteras, calles). Cuando se compone de un gran numero de tramos sucesivos se llama viaducto. Para el transito peatonal se denomina pasarela. Los de L < 5 m. se denominan pontones.
Elementos estructurales de un puente
La súper estructura Tablero Estructura principal La subestructura Estribos Pilares La cimentación Zapatas Pilotes Cajones Elementos de conexión
LA SÚPER ESTRUCTURA
El Tablero
Constituido por elementos estructurales que soportan las cargas de los vehículos y las transmiten a la estructura principal. En los puentes definitivos se usa tablero de concreto. En puentes de grandes luces se usa un tablero ortotrópico (placas de acero con rigidizadores, sobre la cual se coloca una capa de asfalto de 2”), Al disminuir el peso con los tableros ortotrópicos se mejora la capacidad sismorresistente del puente
La estructura principal
Es el sistema estructural que soporta al tablero y salva el vano entre apoyos, transmitiendo las cargas a la subestructura. En los puentes colgantes clásicos, el tablero esta formado por la losa y los elementos de la viga de rigidez (reticulado de longitudinal), y los cables constituyen la estructura principal que transmite las cargas a los anclajes y torres (pilares).
LA SUBESTRUCTURA
Formado por elementos que soportan la superestructura. Transmiten la carga hacia la cimentación Según su ubicación pueden ser estribos (extremos) y pilares (intermedios). En ciertos tipos de puentes la subestructura y la superestructura se unan monolíticamente (tipo pórtico o en arco). Los pilares generalmente son de CºAº se sección hueca o maciza. Los estribos pueden ser de concreto ciclópeo o de concreto armado.
LA CIMENTACIÓN
Pueden ser: Cimentación directa o superficial. Cimentación profunda. La Cimentación Directa se hacen mediante zapatas que transmiten la carga directamente al suelo portante. Las Cimentaciones Profundas se utilizan cuando es estrato resistente se encuentra mas profundidad: Cajones de cimentación Pilotaje Cimentaciones compuestas (cajones con pilotes)
LAS CONEXIONES
En los puentes existen elementos de conexión entre la superestructura y la subestructura, estos deben ser analizados y diseñados cuidadosamente, ya que su comportamiento es de mucha importancia durante sismos, huayco y cambios de temperatura. A los elementos de conexión entre la superestructura y la subestructura se les denomina dispositivos o aparatos de apoyo (fijo o móvil)
ACCESORIOS DEL TABLERO
Un puente forma parte de una facilidad de transporte y como tal, el tablero debe satisfacer los requisitos de funcionalidad, que se establecen en las normas y especificaciones correspondientes. Se deben colocar accesorios como veredas, barandas, etc. En un puente de ferrocarril se coloca balasto, durmientes y rieles.
CLASIFICACION DE LOS PUENTES
SEGÚN SU FINALIDAD Puentes para carretera. Puentes para ferrocarril. Puentes peatonales. Puentes para acueductos. Puentes para aviones (Aeropuertos). Los viaductos elevados para vehículos eléctricos se les denomina Guideways. En la actualidad tenemos vehículos de rieles, neumáticos y los de levitación magnética. Los sistemas pueden ser manuales, semiautomáticos o totalmente automáticos.
SEGÚN EL MATERIAL PRINCIPAL
Los puentes modernos se construyen en concreto o acero; los de concreto a su vez pueden ser de concreto armado, concreto presforzado y potenzado. También se han construido puentes de aluminio. Antes del concreto y del acero, los puentes se construyeron en madera, mampostería (piedra) y hierro.
SEGÚN EL TIPO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL PRINCIPAL
Puentes tipo viga
Constituyen el esquema estructural mas simple En este tipo, las cargas principales de la superestructura se transmiten a la subestructura a través de los apoyos como reacciones verticales. Longitudinalmente se pueden optar distintos esquemas: Puentes de tramos simplemente apoyados. Puentes isostaticos con voladizos (Gerber). Puentes de vigas continuas. Puentes de vigas parcialmente continuas.
Puentes tipo pórtico
Su principal característica es la unión rígida entre la superestructura y los pilares y/o estribos. Con la técnica de construcción por volados sucesivos, actualmente se construyen puentes cuyo esquema estructural final es aporticado pero durante la construcción se comporta como una estructura isostática para soportar el peso propio y las cargas durante la construcción.
Puentes en arco
Gracias a su forma es capaz de transmitir las cargas trabajando en un estado en el que los esfuerzos primarios son de compresión. Pueden ser de diferentes formas:
De tímpano lleno. De tímpano abierto.
De tablero superior. De tablero inferior. De tablero intermedio.
La solución en arco se recomienda cuando se dispone de buenas condiciones de cimentación en los arranques, y el rebajamiento es el adecuado.
Puentes reticulados
Se encuentra conformado por dos reticulados planos paralelos. El tablero esta constituido por una losa que se apoya en vigas transversales que transmiten las cargas a los nodos de los dos reticulados. Adicionalmente puede ser necesario colocar elementos de arrostramiento lateral a los reticulados. Un reticulado esta formado por el ensamblaje triangular de elementos rectos, y se caracteriza por:
Los ejes centroidales de sus miembros son concurrentes en puntos denominados nodos. Las cargas llegan al reticulado en sus nodos. Los esfuerzos primarios que se generan son fuerzas axiales de compresión y/o tracción.
Puentes colgantes
En el puente colgante la estructura principal lo constituyen los cables curvos que soportan las cargas y las transmiten a las torres y a los macizos de anclaje. Los cables sostienen el tablero por medio de tirantes denominados péndolas. El cable principal es rigidizado por la viga de rigidez, esta viga de rigidez se forma en base a reticulados, también se usan vigas ortotrópicas de sección cajón de forma aerodinámica.
Puentes atirantados
En estos puentes el tablero esta suspendido por medio de varios cables inclinados que se fijan en las torres. La forma que se le puede dar a la torre o pilón de apoyo y a la disposición de los cables es muy variada. El tablero puede ser de acero o concreto presforzado. Por su versatilidad, eficiencia estructural y belleza, los puentes atirantados son considerados los puentes del futuro.
SEGÚN LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SUPERESTRUCTURA
Al forma de la sección transversal de los puentes es muy variada: Puentes losa de sección maciza o aligerada. Puentes de vigas T Puentes de sección cajón. Puentes de sección compuesta. Puentes de losa de concreto con reticulado espacial.
SEGÚN EL SISTEMA CONSTRUCTIVO
Según el sistema constructivo los puentes de concreto pueden construirse por:
Vaciado en sitio sobre encofrado Mediante elementos prefabricados En volados sucesivos con dovelas prefabricadas o vaciadas en sitio Mediante elementos empujados, etc
SEGÚN SU DISPOSICIÓN EN PLANTA
Los puentes pueden ser: Rectos Desviados Curvos De planta arbitraria
SEGÚN EL TIEMPO DE VIDA PREVISTO
Se tienen los puentes definitivos y los puentes provisionales. Es frecuente en nuestro país que los puentes provisionales (Bailey) se queden muchas veces como definitivos.
ESTUDIOS BÁSICOS
Los datos de las condiciones naturales del lugar donde se requiere construir el puente
Los dato de las condiciones funcionales
Topografía Geología y geotecnia Hidrológica e hidráulica del rió Riesgo sísmico
Datos geométricos Datos de carga viva Otros datos (trafico, accesorios)
Datos socioeconómicos
ELECCIÓN DEL PUENTE
Se deben tener presente: 1.
2.
Las condiciones naturales del lugar de emplazamiento de la obra. Las diversas soluciones técnicas factibles de acuerdo a las dimensiones del proyecto.
Se deben preparar anteproyectos y luego de una evaluación técnico-económica elegir la solución mas conveniente. El primer parámetro a considerar en la elección de un puente es la luz que este va a tener.
FILOSOFÍAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
Un buen diseño debe siguientes requisitos:
satisfacer
los
Debe ser factible de construir, en base a los materiales y tecnología disponibles. Debe ser seguro para resistir las cargas y acciones actuales y futuras, naturales y artificiales. Debe satisfacer los requisitos de utilización y funcionalidad. Debe ser económico. Debe ser estético. Debe ser una solución ética y honesta.
Para el diseño estructural, actualmente existen varios métodos, siendo los mas utilizados:
Diseño para esfuerzos permisibles (servicio). Diseño par resistencia ultima (rotura). Diseño para estados al limite. Diseño plástico, auto stress.
Lo adecuado es diseñar la estructura para un buen comportamiento tanto en condiciones de servicio como en condiciones ultimas de máxima carga. Los nuevos métodos de diseño exigen un esfuerzo de reflexión y un conocimiento del tema mas profundo que el exigido por las normas.
Conceptos del diseño para estados limites
El concepto de estado-limite proporciona una definición mas precisa de las condiciones de falla y duración de una obra. Los estados-limite no solo se refieren al estado de falla o colapso, sino también a los estados de utilización de la estructura. Los estados limite pueden clasificarse en dos categorías:
Estados-limite últimos, que corresponden a la capacidad máxima de carga. Estados-limite de utilización, que definen las condiciones de cargas de
a.- Estados-limites últimos
Tenemos:
La perdida de la estabilidad de una parte o del conjunto de la estructura como un cuerpo rígido. La rotura de las secciones criticas. La transformación de la estructura en un mecanismo. La inestabilidad por deformación, pandeo.
b.- Estados-limites de utilización
Deformaciones excesivas para utilización normal de la estructura.
una
Fisuración excesiva. Vibración excesiva.
Un aspecto importante es considerar las cargas y resistencias como variables aleatorias, en consecuencia el problema de seguridad consiste en limitar la probabilidad de ruina de una obra a un valor suficientemente pequeño y aceptable.
En los métodos basados en la nueva filosofía del diseño estructural (métodos semiprobabilísticos de los estadoslimite), las resistencias mecánicas y las cargas y acciones se consideran variables aleatorias y los valores que se utilizan en el calculo estructural se basan en lo que se denomina valores característicos.
Valores característicos
Cuando se reconoce la naturaleza aleatoria de las acciones y de las resistencias mecánicas de los materiales, es necesario definir los valores característicos y los valores de calculo de las acciones y resistencias. Estos valores deben cubrir las diferentes causas de incertidumbre que se presentan en las estructuras reales.
Resistencia característica del material
Es el valor que presenta una probabilidad, aceptada a priori, de no ser alcanzada. Para determinar su valor debemos conocer la ley de distribución estática de las resistencias:
Rk R m.k.s Rm = Media aritmética. Ks = Coeficiente de la probabilidad. s = Desviación típica de la distribución.
En la practica, para el concreto, en la hipótesis de que los resultados de los ensayos sigan una ley Gaussiana, la resistencia característica garantiza que solo existe una probabilidad del 5% de obtener resistencias inferiores a dicho valor.
Cargas y acciones características
Cuando las cargas pueden considerarse aleatorias, el valor característico viene definido por la expresión. Fk Fm (1 kd)
Fm = Valor medio de la distribución. d = Desviación cuadrática media. k = coeficiente de probabilidad.
Valores de cálculo
En la estructura real. Las resistencias y las acciones pueden diferir de los valores característicos; por ello, para tomar en cuenta las diversas fuentes de incertidumbre, en el calculo estructural, los valores característicos se modifican por ciertos coeficientes o factores. El concepto general es el de reducir las resistencias y amplificar las acciones.
Resistencia de calculo. Acciones y solicitaciones de calculo.
a.- resistencia de calculo
La resistencia de calculo R* de un material esta definido por la relación: R* = Rk / βm Siendo βm, un coeficiente superior o igual a la unidad, que se considera la incertidumbre que aparece cuando se pasa de la resistencia característica definida por los ensayos de laboratorio a la resistencia del material real colocado en obra.
Acero 1.15
Concreto 1.4 1.5 1.6
Si el control es riguroso Control ordinario Poco control o sin control
b.- Acciones y solicitaciones de cálculo
Las solicitaciones de calculo S* se determinan a partir de las acciones características Fk, considerando un factor βs de tal manera que: S* = βs Sk Donde:
Sk = Esfuerzos por causa de las acciones características Fk. Βs = Factor en general mayor que la unidad.
NORMAS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
En nuestro país, en vista de que en el Reglamento Nacional de Construcciones se ha optado por las especificaciones americanas tanto para el diseño en concreto como en acero, lo recomendable es optar igualmente por las especificaciones americanas para el diseño de puentes (AASHTO, ACI, AREA), naturalmente que en la adaptación se deben incorporar las particularidades de nuestra realidad nacional El tema e carga viva de diseño, es un aspecto que se debe tratar con detenimiento.
MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN
Los materiales que más se utilizan en a actualidad en la construcción de puentes son:
El concreto El acero
El concreto
El concreto se elabora de acuerdo a la norma ASTM C150, existen cinco tipos de cemento que pueden ser utilizados en la elaboración del concreto. Los componentes del concreto deben cumplir las especificaciones:
M85 T26 M6 M80
(cemento) (agua) (agregado fino) (agregado grueso)
Últimamente a nivel internacional se viene utilizando concreto de alta resistencia, para su uso se deben tomar las precauciones correspondientes.
Acero
El acero se utiliza en la construcción de puentes bajo tres formas:
Acero estructural. Acero de refuerzo. Acero para presforzado.
Acero estructural
La AASHTO reconoce cinco tipos de acero estructural para la construcción de puentes. ASTM A36 (AASHTO M183) Fy = 36 Ksi A588 (M222) y A572 Fy = 50 Ksi (M223) A514 (M244) y A517 Fy = 90 y 100 Ksi
Las uniones se hacen soldadas o empernadas. Los pernos pueden ser de acero al carbono ASTM A307 o pernos de alta resistencia A325 y A490. La soldadura no es recomendable para algunos tipos de acero.
Acero de refuerzo
El acero de refuerzo es el acero que se utiliza como refuerzo en los elementos de concreto armado. Al acero de refuerzo que mas se utiliza son las barras corrugadas grado 60 (Fy = 4200 kg/cm2), conforme a la norma ASTM A615. Las barras se fabrican del Nº 3 al Nº 18, en nuestro pais hasta el Nº 11 (1 3/8”)
Acero para presforzado
Este acero tiene una resistencia ultima mucho mayor a las demás (de 150 a 270 Ksi). Los mas comunes son: El alambre El Strand de 7 alambres Las barras para presforzado. El alambre mas usado es el de ¼” y tiene una resistencia mínima a la tensión de 235 a 250 ksi de acuerdo a la norma ASTN A421.
PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS
El procedimiento de construcción de un puente influye de manera importante en la elección del tipo de estructura. Los procedimientos, técnicas, materiales y equipos de construcción se han desarrollado de manera impresionante en los últimos años. Un gran porcentaje de colapso de puentes se presenta durante la construcción . El diseño y construcción de encofrados debe merecer un cuidado especial.
CALIDAD DEL DISEÑO DE UN PUENTE
Los criterios de evaluación ha considerar son:
Funcional (ubicación y dimensiones adecuadas) Estructural (resistencia y buen comportamiento) Económico (costo mínimo) Estético
RESEÑA HISTÓRICA
Los puentes primitivos
Puntes metálicos
Los puentes de piedra Puentes de fundición Puentes de hierro Puentes de acero
Puentes de concreto Viaductos elevados para trenes eléctricos
LOS PUENTES PRIMITIVOS
Los primeros puentes que se construyeron fueron utilizando materiales que se encuentran directamente en la naturaleza como la piedra, la madera y las sogas de material trenzado. La piedra ha demostrado ser el material mas durables para la construcción de puentes. Los romanos fueron grandes constructores de arcos en piedra, el rebajamiento (relación entre la flecha y luz libre) era de ½. Se ha llegado a rebajamientos de 1/8.
PUENTES METÁLICOS
Puentes de fundición
Aparecieron a fines del siglo XVIII. Su construcción fue más fácil y económica que los puentes de piedra de la época. La mayoría de los puentes de fundición tuvieron una vida relativamente corta debido a que la fundición es un material frágil y con una débil resistencia a la tracción.
Puentes de hierro
Se empezó a usar en al siglo XIX; debido a su mayor resistencia a la tracción, se podía utilizar en diversos tipos de puentes (colgantes, arcos y vigas) Entre estos tenemos: Puente sobre el Menai (Inglaterra), construido en 1825 y L = 177m. Puente sobre el rió Ohio (USA) construido en 1849 y L = 308m. Puente sobre el Niagara (USA) construido en 1855 y L = 250m. Puente Britania, construido en 1850, consta de 4 tramos, L = 420 m.
Puentes de acero
Con el acero se inicio la construcción de puentes mas esbeltos y de mayor luz. Entre estos tenemos: El puente Eads sobre el rió Mississipi (Usa). El puente Brookyn terminado el 1883 y L = 487m. Puente Golden Gate terminado en 1937 y L = 1280m. Puente Verrazano terminado en 1964 y L = 1298m. Y un costo de $ 325 millones.
PUENTES DE CONCRETO
El concreto al igual que la piedra es un material resistente a la compresión, es por eso que los primeros puentes que se construyeron fueron en forma de arco. Dentro de los puentes de concreto tenemos: Puentes en arco de concreto. Puentes de concreto presforzado. Puentes de concreto parcialmente postensado.
CARGAS EN PUENTES
Las cargas, fuerzas y acciones que se deben considerar en el diseño estructural de puentes son: Cargas permanentes
Peso propio Cargas muertas Empuje de tierras
Cargas o acciones permanentes variables
Efectos del presforzado Contracción del concreto Fluencia del concreto Asentamiento de apoyos Presión hidráulica Subpresion
Cargas transitorias
Carga viva y sus derivados Carga viva (efecto estático) Amplificación dinámica Fuerzas longitudinales Fuerza centrifuga Fuerza de cabeceo (trenes) Fuerza de viento Efecto de temperatura
Cargas excepcionales
Sismos Huaycos Frenado de emergencia Rotura de rieles Descarrilamiento Colisión
Cargas temporales
Cargas durante la construcción Cargas durante el mantenimiento.
CARGAS DE DISEÑO
Se definen como los elementos del entorno que causan esfuerzos y deformaciones en la estructura. En la definición de carga de diseño intervienen simultáneamente los objetivos de seguridad y economía. La cargas de diseño usualmente no son los valores máximos absolutos que pueden actuar durante la vida útil de la estructura. En el método de diseño para los estados limites, se reconoce la naturaleza aleatoria de las cargas como también de la resistencia de los materiales.
Cargas por peso propio
Depende de las dimensiones finales de los elementos; para su determinación se podrán usar los siguientes valores unitarios: AASHTO
ESP. JAPONES
Cº Aº
2400 kg/m3
2500 kg/m3
ACERO
7200 kg/m3
7850 kg/m3
Carga por peso muerto
Esta constituido por el peso de todas las partes sobrepuestas del tablero que no forman parte de la estructura resistente (veredas, barandas, tuberías, etc.) El peso muerto se calcula de acuerdo a las propiedades y dimensiones de los materiales en cada caso particular.
Carga viva
La carga viva en los puentes esta constituida por el peso de los vehículos mas los efectos derivados por su naturaleza dinámica y móvil.
Cargas reales que circulan por el puente. Cargas máximas legales. Cargas de diseño. Carga viva de inventario y de operación.
Carga viva para puentes de carretera
La carga viva a considerar en el diseño de puentes debe ser: El camión de diseño. La carga equivalente a una serie de camiones. La carga de ejes tamden. Otras cargas mayores (sobrecargas). El ancho de diseño de una vía de trafico es de 3.60m. La carga viva equivalente o la del camión se asume que ocupa un ancho de 3.00m.
Reducción de la carga viva
Para puentes de mas dos vías se, debe reducir los efectos de la carga viva ante la menor probabilidad de que todas las vías de trafico estén cagadas al mismo tiempo con sus valores máximos: Para la 1º y 2º vías
100% de carga viva
Para la 3º vía
90% de carga viva
Para las demás vías
75% de carga viva
Factor de amplificación dinámica (impacto)
Para tomar en cuenta la naturaleza dinámica de la carga viva, los resultados deben ser amplificados en ciertos elementos estructurales. Se aplica al factor de impacto en: Superestructura Pilares, excluyendo su cimentación. No se aplica el factor en: Cimentaciones Estructuras que tengan mas de 0.90m. De relleno (alcantarillas)
Formulas para determinar el factor de impacto
Para puentes de carreteras I
15.24
L 38
Donde: L=
Longitud de carga en metros.
I =
Factor de amplificación dinámica, no mayor del 30%.
Para los viaductos de trenes eléctricos Para estructuras de tramos simples VCF I 0.1 Vehículos con llantas y f 1 0.1 rieles soldados I
VCF f 1 0.1
0.3
Rieles sin soldar
Para estructuras continuas VCF I 0.5 0.1 Vehículos con llantas y f 1 0.1 rieles soldados I 0.5
VCF f 1 0.1
0.3
Rieles sin soldar
VCF =
(Velocidad del vehiculo, m/seg)/L(m)
L
Longitud del tramo en metros.
=
Para puentes ferroviarios de concreto Donde:
I
100 L
D L
L=
Carga viva total sobre el elemento.
D=
Carga muerta asociada al elemento.
En puentes ferroviarios, el factor de amplificación dinámica I, no debe exceder 80% para maquinarias a vapor ni 60% para las diesel. La amplificación es mayor en los puentes metálicos que en los de concreto.
Comentario respecto a la amplificación dinámica
La rigidez de ka estructura, las propiedades del material, la masa, el amortiguamiento, relación carga viva a carga permanente, etc., son variables que se deberían tomar en cuenta al evaluar el factor de amplificación dinámica. Se recomienda calcular adecuadamente la frecuencia de vibración para evitar errores conceptuales que significan un gasto innecesario de dinero.
Fuerzas longitudinales por carga viva
Simultáneamente con la carga viva vertical, se deben aplicar la fuerza longitudinal proveniente del frenado y aceleración: En puentes de carreteras
FL = 0.05 carga viva
En viaductos para trenes
FL = 0.15 carga viva
Frenado de emergencia
Fle = 0.30 carga viva
En los puentes de carreteras FL se aplica a 1.8m. Sobre el nivel del tablero.
Fuerza centrífuga
En los puentes de planta en curva se deben considerar una fuerza radial horizontal igual a un porcentaje de la carga viva sin impacto. Esta fuerza se aplica en el centro de gravedad del vehiculo. Para el caso de camiones se asume a 1.8m de la calzada y en los trenes a 1.2m sobre la riel.
CF (%) 7.9
V
2
R
V =
Velocidad de diseño en km/h
R =
Radio de curva en metros
Fuerza de empuje de tierras
En las estructuras que retienen tierra, se considerara el efecto de la presión de acuerdo al estudio de geotecnia. Esta presión no será menor a la equivalente a la presión de un fluido de 500 kg/m3. El empuje lateral debe ser incrementado por efecto del trafico cercano, dicho incremento no será menor a 1 t/m2
Fuerzas de viento
Se recomienda aplicar las fuerzas de viento de acuerdo a los registros de viento de nuestro país. En los casos en que la acción del viento pueda originar fenómenos vibratorios importantes (inestabilidad aerodinámica), se deberán realizar los estudios especiales correspondientes. Los puentes colgantes son los mas sensibles a las acciones del viento
Efecto de temperatura
Los cambios de temperatura originan esfuerzos y/o movimientos de la estructura. Dichos efectos se pueden evaluar considerando los siguientes coeficientes de dilatación lineal por grado centígrado:
Para elementos de concreto Para elementos de acero
1.0 105 1.2 105
Efecto de presforzado
El presforzado debe introducir esfuerzos internos de compresión, de manera que contrarresten los esfuerzos de tracción producidos por cargas externas. El presforzado origina esfuerzos y deformaciones que son variables durante la aplicación de la carga, pero que luego de la perdida quedan de manera constante. La perdidas del preesfuerzo se deben a:
Contracción del concreto. Fricción. Relajación del acero. Embutimiento de cuña, etc.
Efecto de contracción y fluencia del concreto
La contracción y fluencia (creep) del concreto producen deformaciones que dependen del tiempo, para disminuir los efectos negativos de estos se debe planificar adecuadamente la secuencia de vaciado del concreto. El coeficiente de contracción del concreto se asume igual a 0.0002. El creep en el concreto es un fenómeno por el cual al deformación continua bajo carga constante. esta se puede considerar proporcional a la deformación elástica instantánea y es del orden del doble o triple de esta.
Efecto del movimiento de apoyos
En las estructuras se debe considerar el asentamiento diferencial de los apoyos, los cuales deben ser determinados por el análisis de la interacción suelo estructura. Este análisis puede ser modelado por una malla de elementos finitos, sin embargo en muchos casos puede ser suficiente representar las condiciones de cimentación mediante apoyos elásticos (resortes) Se pueden usar las siguientes formulas para simular condiciones de cimentación
Horizontal Vertical Giro A = L= G= V=
1/ 2
Kx 2(1 v ).G.bx ( BL ) Ky
1/ 2
G /(1 v)bx ( BL )
1/ 2
Ko G /(1 v )bo( BL )
Ancho de la zapata de cimentación. Longitud de la zapata. Modulo de corte del suelo de cimentación. Coeficiente de poisson. 0.35 Para suelos poco saturados. 0.50 Para suelos totalmente saturados
Fuerzas por acción del agua
Las fuerzas que se deben considerar en el diseño de puentes por efecto de la acción del agua son de tres tipos:
Presión hidrostática. Presión por las corrientes de agua Presión hidrodinámica durante sismo
La fuerza por presión hidrostática
Se determina por el procedimiento convencional considerando variación lineal de la presión del agua: P .h P= γ= h=
presión hidrostática en kg/m2 peso unitario del agua en kg/m3 profundidad del agua
La fuerza por presión de corrientes de agua P kV A 2
P V k A
= = = =
k 72 35 26
Fuerza por la corriente de agua en kg. Velocidad máxima del agua en m/seg. Factor de forma del pilar Área vertical proyectada del pilar en m2. Para presión en superficie plana. Para presión en superficie circular. Para presión en superficie inclinada < 30º
El punto de aplicación de esta fuerza se considera a 0.6h medido desde el fondo del rió. La socavación es una de las causas mas frecuentes de falla de puentes
La fuerza por la presión hidrodinámica durante sismo Para estribos tipo muro 7
P
P = Kh = γ = b = h =
12
Kh. .b.h
2
Fuerza total hidrodinámica sobre muro. coeficiente sísmico horizontal. peso especifico del agua kg/m3. Ancho del elemento en metros, en la dirección perpendicular a la de la presión. Profundidad del agua en metros.
Para pilares (elemento rodeado por agua) P = 3/4 Kh.γ.b .h(1-0.25b/h) P = 3/8 Kh.γ.b .h P = 7/6 Kh.γ.b.h
b/h < 2.0 2.0 < b/h < 3.1 3.1 < b/h
Acción de huaycos y avenidas extraordinarias
Innumerables puentes han colapsado por la acción de las avenidas extraordinarias. La posibilidad y magnitud de las avenidas extraordinarias deben ser tomados en cuenta desde el inicio del proyecto, cuando influye en la ubicación, elección del tipo de puente, luces, gálibo. La profundidad de cimentación debe ser suficiente para evitar la socavación
Fuerzas de colisión
Las fuerzas de colisión son de carácter extraordinario y son considerados solamente en casos especiales. Son causadas por embarcaciones y otros objetos de transporta el agua. También e debe considerar la posibilidad de fuerzas de colisión en los puentes con gálibo reducido.
COMBINACIONES DE CARGA
Combinaciones de carga para puentes carreteros (AASHTO)
La AASTHO especifica doce grupos de combinaciones de cargas y fuerzas a que pueden estar sometidos los puentes de carretera, aquí algunas: Grupo I
= 1.3 [D + 1.67(L + I)n + CF + E + SF]
Grupo IB
= 1.3 [D + 1.00(L + I)e + CF + E + SF]
Grupo VII
= 1.3 [D + E + SF + EQ]
(L + I)n (L + I)e CF E SF EQ
= Carga viva normal de diseño (HS20) = Carga viva excepcional de diseño = Fuerza centrifuga. = Empuje de tierras. = Flujo de agua. = Acciones sísmicas.
Combinaciones de carga para viaductos (trenes eléctricos)
El comité 358 del ACI recomienda considerar las siguientes combinaciones.
UO
= 1.3D + 1.7(L + I) + 1.PS
U1
= 1.3D + 1.4(L + I) + 1.PS + 1.(SH + CR) + 1.5WL
U2
= 1.3D + 1.4(D + I) + 1.PS + 1.(SH +CR)
U3
= 1.3D + 1.4(L + I) + 1.PS + 1.(SH + CR) + 1.5EQ + 1.4LFe
U4
= 1.3D + 1.4(L + I) + 1.PS + 1.(SH + CR) + 1.2BR
U5
= 1. + 1.4(L + I) + 1.PS + 1. (SH + CR) + 1.5WL + 1.4DR
U6
= 1.3D + 1.PS + 1.(SH + CR) + 1.3CL
Combinaciones de carga para puentes ferroviarios
En general los factores de carga para puentes ferroviarios son mayores que para los puentes de carreteras i
= 1.4[D + 5/3(L + I) + CF + E + B + SF]
IA
= 1.8[D + L + I + CF + E + B + SF]
II
= 1.4 [D + E + B + SF + EQ]
DISEÑO DE SUBESTRUCTURAS
Estribo
Se denomina “estribo” al apoyo extremo de un puente, el cual recibe la reacción de un tramo y soporta a su vez el empuje de tierras. Tiene la finalidad de:
Conseguir una superficie de apoyo. Contener el relleno de tierra. Obtener un apoyo que permanezca a una cota fija, transmitiendo al terreno presiones susceptibles de ser soportadas por este.
Clases de estribos
Por sus materiales pueden ser: Estribos de concreto ciclópeo. Estribos de concreto armado. Estribos con pilotes o cilindros rellenos. Por su forma pueden ser: Estribos con alas inclinadas “V” . Estribos con alas perpendiculares “U” . Estribos “T” . Estribos Cajón o Celulares. Estribos Pilares. Estribos de Arco.
Partes de un estribo
La cimentación: Es la parte enterrada en el terreno , recibe el empuje de tierras por todos sus lados y que por consiguiente se anulan, sirve para alcázar el terreno resistente, evitando hundimientos o socavaciones. Elevación: es la parte que sobresale del terreno, soportando el empuje de tierras. Comprende el cuerpo y las alas. En el cuerpo del estribo esta situada la cajuela en la cual se aloja el puente.
Fuerzas que actúan sobre un estribo
Las fuerzas que actúan sobre un estribo son: Reacción del puente, peso propio y sobrecargas. Peso del estribo mismo. Peso de la tierra que favorece la estabilidad. Frenado de los vehículos sobre el puente. Fuerzas de fricción originadas por las dilataciones o contracciones del puente. Empuje de tierras
ESTABILIDAD DE LOS ESTRIBOS
Falla por volteo
Por acción de las fuerza horizontales un estribo puede pivotear sobre una arista exterior volteándose. La relación del momento de estabilidad al momento de volteo debe ser mayor a 1. Para los estribos de puentes esta relación no debe ser menor de 2. El Momento de estabilidad es el producto de la suma de las fuerzas verticales por su distancia a la arista de volteo mas el producto de las fuerzas horizontales consideradas por su distancia a la misma arista.
Falla por deslizamiento
Un estribo al igual que un muro de sostenimiento puede deslizarse sobre su baje paralelamente al eje del puente, ósea en el sentido de acción de las fuerzas horizontales. Para evitar la falla por deslizamiento, el producto de las fuerzas verticales por el coeficiente de rozamiento debe ser mayor que la suma de las fuerzas horizontales, esta relación debe ser mayor a 2.
Por falla del terreno
Al haber una compresión en la arista exterior mayor de la que el terreno puede soportar, este cede produciéndose así el volteo o simple hundimiento de la estructura. Esta falla puede producirse también por socavación del terreno por acción del agua. Para evitar este tipo de falla las presiones del estribo deben ser inferiores a las permisibles por el terreno, y la cota de cimentación debe estar fuera de la zona de socavación del rió.
DISEÑO DE LOS ESTRIBOS
Datos
Para diseñar un puente se necesita conocer: El perfil transversal del rió, la altura de la rasarte del nivel de aguas máximas y mínimas y la cota de cimentación. Las características de la estructura: peso, ancho, altura de vigas, dimensiones, etc.; para determinar las dimensiones de la cajuela del estribo. La resistencia del terreno para determinar la cota de fundación. El estudio del estribo sebe hacerse en dos situaciones: Estribo sin puente y relleno sobrecargado. Estribo con puente y relleno sobrecargado.
Estribo sin puente con relleno sobre cargado
Considerado en la etapa de construcción se seguirán los siguientes pasos:
Se determinara el peso del estribo, y la tierra sobre él. Se determinara el punto de paso y la magnitud de estas fuerzas para obtener la distancia de la resultante al punto considerado. Se determinara el empuje, su punto de aplicación y su dirección. Se determinara el punto de paso de las fuerzas verticales y el empuje debiendo quedar dentro del tercio central. Se determinara el coeficiente de volteo, de deslizamiento y las presiones máximas y mínimas.
Estribo con puente y relleno sobrecargado
Se seguirán los siguientes pasos:
Determinar la resultante de las fuerzas verticales y su punto de paso. Determinar el empuje de tierras, inclinación y punto de aplicación. Determinar fuerzas horizontales debido al frenado y a la fricción de los apoyos. Determinar el paso de la resultante total de las fuerzas por la sección horizontal considerada. Determinar los coeficientes de volteo, deslizamiento y presión máxima y mínima.
La sección se considerara satisfactoria si para el caso mas desfavorable la resultante par por el tercio central.
En el caso de un estribo de concreto armado en cantilever se requiere los siguientes pasos
Diseño de la cajuela del estribo armado en cantilever y sometida a la reacción del puente. Momentos de las fuerzas verticales y horizontales. Determinación de la sección y armadura de la pared vertical. Momento en la zapata delantera bebido a la reacción del terreno. Determinación del momento en la zapata posterior debido al peso del relleno y de la carga sobre él. Determinación de la sección y refuerzo de la misma.
VERIFICACIONES El calculo se hace tanteando un perfil y luego chequeado las siguientes concisiones
El calculo se hace tanteando un perfil y luego chequeado las siguientes condiciones:
Chequeo por volteo. Chequeo por deslizamiento. Chequeo por compresiones tracciones.
y
Chequeo por volteo
Este chequeo se hace teniendo en cuenta la acción de las fuerzas siguientes:
Empuje de tierras Fuerza de frenado. Fuerza de tracción. Fuerza de fricción y rodadura.
Se toma un coeficiente de seguridad igual o mayor que 2: Momento estable Momento de volteo
2
Chequeo al deslizamiento
Bajo la acción de las fuerzas horizontales el estribo puede deslizarse, pero la fricción de la cimentación y el empuje pasivo se opone a este movimiento. El chequeo se hará para la relación:
Fv.C Empuje pasivo 2 Fh Fv = C = Fh =
Suma de las fuerzas verticales. Coeficiente de fricción o de rozamiento. Suma de fuerzas horizontales.
Chequeo de compresiones y tracciones
Se hace para comprobar si las presiones transmitidas son menores a las del terreno y también si las tracciones son menores a las que puede soportar la albañilería. Fv 6e p 1 a.b
±p = ΣFv =
b
Compresiones o tracciones. Suma de fuerzas verticales. a,b = Dimensiones de la base.
Calculo para estribos de concreto ciclópeo
Predimensionamiento
El talud varia de 1:10 a 1:25 La altura de elevación se obtiene del perfil del terreno, restando la cota pasante menos la cota de elevación. La altura de cimentación se obtiene restando la cota de la base de la elevación menos la cota de cimentación. El ancho b de la base de la elevación es aproximadamente: b 0.40h, b 0.35h, b 0.30h, b 0.25h,
para 35º para 40º para 45º para 50º
La dimensión de b’ de la base de cimentación se obtiene de los valores anteriores, pero siendo h la altura total de elevación más la cimentación.
Verificación
Hecho el perfil de tanteo, los chequeos se hace para dos condiciones de carga:
El estribo con el relleno sobrecargado sin puente. El estribo con el relleno sobrecargado con puente.
Para ambas condiciones los chequeos se hacen en las secciones en donde el estribo cambia de sección. En la sección A-A se chequea como si fuera un muro en donde solo actúa el empuje de tierras y el peso propio. Para la sección B-B se debe tener en cuenta lo siguiente
Para la sección B-B se debe tener en cuenta lo siguiente
Primero se considera el estribo sin puente con relleno sobrecargado y los pasos a seguir son: Halla: Las fuerzas horizontales Las fuerzas verticales. Resultante de ambas y su excentricidad. Comprobar: Compresiones y tracciones. Volteo. Deslizamiento
Segundo, se considera el estribo con puente y con relleno sobrecargado. Hallar: Reacción del puente por ml. Fuerza de frenado por ml. Fuerza de tracción por ml. Fuerza de fricción por ml. Fuerza de rodadura por ml. Suma de fuerzas verticales. Suma de fuerzas horizontales. Comprobar: Compresiones y tracciones Volteo. Deslizamientos.
Para la comprobación de la sección C-C de cimentación en el cuerpo del estribo, se considera igualmente:
Primero con puente y luego sin puente. El calculo con puente es similar al de elevación, tomando en cuenta el empuje pasivo, como este actúa como fuerza de reacción la resultante se considera pasando por el extremo del tercio central, haciéndose la excentricidad igual a 1/6 de b, luego: Fv p 2 a.b a.b
Calculo de las alas
Se busca la longitud del ala necesaria y la altura de la elevación del ala para luego hallar el perfil de tanteo y los chequeos. Para hallar la longitud de ala nos valemos del método grafico siguiente. Hallados la longitud del ala y la altura de la elevación hacemos un perfil de tanteo b = h x C. Siendo C un coeficiente que varia según θ, conocida la base y el talud podemos hallar la parte superior de la elevación, y de igual forma para la cimentación considerando h la altura total.
PILARES
Definición
Se llama pilar al apoyo intermedio de un puente que recibe la reacción de dos tramos adyacentes. El costo de un pilar no varia generalmente con el tamaño del puente que se apoya sobre él sino de las condiciones de cimentación que son:
Altura de aguas mínimas Calidad del terreno.
Para su ubicación se debe tener en cuenta:
Mínimo costo combinado de subestructura y superestructura. Obtener una cimentación segura dando origen a que los tramos sean simétricos. Causar el menor desarreglo en la corriente del rió.
Clases de pilares.
Por los materiales: Albañilería de piedra o de concreto ciclópeo. Pilares de concreto armado. Pilares de perfiles de acero. Por su forma: Pilar muro. Pilar columna. Pilar en T o columna cónica. Pilar cepa. Pilar de celosía. Pilar de arco.
Partes de un pilar
Costa de dos partes:
Cimentación.- Puede ser de concreto ciclópeo, cajón o pilotes. Elevación.- Toma todas las formas que hemos citado anterior mente, además de un elemento adicional llamado Tajamar o Taja-agua situado a ambos lados, cuando se trata de pilar de pilotes y los de celosía no es necesario colocar Tajamares.
Fuerzas que actúan sobre un pilar Reacción del puente. Peso propio del pilar. Fuerza del viento. Fuerzas de expansión y dilatación del puente (temperatura) Frenado o tracción. Fuerza centrifuga (curvas). Sismo. Empuje pasivo del terreno Fuerza de la corriente del rió, hielo y cuerpos flotantes. En un primer tanteo se pueden considerar solo las fuerzas verticales y el efecto de los sismos, luego se chequea las demás fuerzas.
Estabilidad de los pilares
Los pilares al igual que los estribos pueden fallar por tres razones: Por volteo.- Por acción de diversas fuerzas horizontales el pilar tiende a voltearse. Por deslizamiento.- El pilar bajo la acción de diversas fuerzas horizontales tiende a deslizarse sobre su base. Por falla del terreno.- Se produce por presión excesiva sobre el terreno o por excavaciones del fondo originada por el agua.
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