Informe 3 ..Filosofia de Los Puentes en El Peru

 

  UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO Facultad de Ingeniería  Escuela Profesional de Ingeniería Civil  Civil 

 

CURSO

 

TEMA

:

:

INTEGRANTES

FILOSOFIA FILOSOFIA DE DISEÑO DE PUENTES EN EL PERU

:

- RUTH KARINA AGUIRRE MENDIETA - ACEVEDO BLAS SANTOS ARSENIO

 

 

 

PUENTES Y OBRAS DE ARTE.

- JOSE ADELMO LLAJA CLAVO

PROFESOR :

ING.FIDEL GERMAN SAGASTEGUI PLASENCIA

 

TRUJILLO – 2021

 

I . INTRODUCCION:

 

Durante años, los ingenieros desarrollaron procedimientos de diseño para proveer  un satisfactorio margen de seguridad a los puentes. Estos procedimientos de diseño fueron basados en los análisis de los efectos de las cargas y la resistencia de los materiales materi ales.. Los procedim procedimiento ientos s de dise diseño ño se plasm plasmaron aron en espe especifica cificacion ciones es de dise diseño ño pa para ra pu puen ente tes. s. Lo Los s prim primer eros os mé méto todo dos s de di dise seño ño se en encu cuen entr tran an en la las s Especificaciones Estándar Para Puentes Carreteros AASHTO, luego fue sustituido por las Especificaciones LRFD Para el Diseño de Puentes Carreteros AASHTO en el año 1994, las Especificaciones LRFD fueron desarrollados en el período 1988 a 1993 cuando estaban disponibles métodos probabilísticos basados en estadísticas, y que se convirtió en la base para cuantificar la seguridad. Mucho del capítulo se ocupará primordialmente de las Especificaciones LRFD porque esta es una filosofía actual más que el método de diseño por factores de carga (LFD) o el método de diseño por esfuerzos admisibles (ASD), ambos métodos están disponibles en las Especificaciones Estándar, pero ninguno tiene una base matemática para establecer  seguridad. Hay muchos asuntos que hacen una filosofía de diseño – por ejemplo, la vida de servicio esperada de una estructura, el grado para el cual el mantenimiento futuro debería ser asumido para conservar la resistencia original de la estructura, las fo form rmas as de co comp mpor orta tami mien ento to fr frág ágil il pu pued eden en se serr ev evit itad adas as,, en qu qué é me medi dida das s so son n necesitadas la redundancia y la ductilidad, el grado para el cual se espera que el análisis represente exactamente los efectos de fuerza experimentados realmente por la estructura, la magnitud para el cual se piensa que cargas son comprendidas y previsibles, el grado para el cual el objetivo de los diseñadores será ayudado por  riguro rig urosos sos req requis uisito itos s en los ens ensayo ayos s de los mat materi eriale ales s e ins inspec pecció ción n min minuci uciosa osa durante la construcción, el balance entre la necesidad de una alta precisión durante la construcción en términos de alineación y el posicionamiento comparado con tener  prevista la desalineación y compensarlos en el diseño, y, quizá fundamentalmente, las bases para introducir seguridad en las especificaciones de diseño.

1.1OBJETIVOS.

1.1. 1.1.1 1 Ob Obje jetiv tivo o Ge Gene nera ral: l:

 



Compar Com parar ar los mét método odos s de dis diseño eño por esf esfuer uerzos zos adm admisi isible bles s (AS (ASD), D), factores de carga (LFD) y factores de carga y resistencia (LRFD) para determinar la mejor filosofía de diseño para el Perú.

1.1. 1.1.1 1 Ob Obje jetiv tivos os esp espec ecíf ífic icos os::



Diseñar un puente de concreto armado, simplemente apoyado para la filosofía de diseño por esfuerzos admisibles (ASD).



Diseñar un puente de concreto armado, simplemente apoyado para la filosofía de diseño por factores de carga (LFD).



Diseñar un puente de concreto armado, simplemente apoyado para la filosofía de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD).

 

II. MARCO TEORICO:

2.1. FILOSOFÍA DE DISEÑO:

 

  La filosofía de diseño son todos los conceptos fundamentales que gobiernan el comportamiento de las estructuras ante solicitaciones de cualquier naturaleza. A partir par tir de la com compre prens nsión ión de las pos posibl ibles es res respue puesta stas s est estruc ructur turale ales s loc locale ales s ser será á posi po sibl ble e fija fijarr cr crit iter erio ios s de dise diseño ño y an anál ális isis is,, y co cont ntem empl plar ar as aspe pect ctos os lig ligad ados os al funcionamiento, a la seguridad y a la economía que hacen a la estructura completa.  Antes de iniciar el análisis y diseño de una estructura es necesario realizar una serie de refle reflexi xion ones es qu que e tra trate ten n de ub ubic icar ar el ve verd rdad ader ero o co cont ntex exto to de dent ntro ro de dell cu cual al se encuentra el diseño y análisis estructural. Lo primero y fundamental que hay que comprender es que tanto desde el punto de vista de la funcionalidad, como de la seguridad y de la economía existe una interacción y por ende dependencia directa entre las dimensiones y el diseño de la l a estructura

2.2. 

Evolución de las Filosofías de Diseño.

Los métodos de diseño de puentes, inician con la filosofía por esfuerzos admisibles (ASD), posteriormente se cambió a la filosofía de diseño de factores de carga (LFD), que a diferencia de la anterior considera que la predicción de carga de vehículos y viento son variables, para finalmente perfeccionarse con la filosofía de diseño por  factor fac tores es de car carga ga y res resist istenc encia ia (LR (LRFD) FD),, que uti utiliz liza a los de denom nomina inados dos fac factor tores es modificadores de carga, que dependen de la ductilidad, redundancia e importancia estructural de la estructura; factores que afectan el margen de seguridad de los puen pu ente tes. s. En 19 1900 00 ap apar arec ecen en las las es espe peci cifi fica caci cion ones es de di dise seño ño po porr es esfu fuer erzo zos s admisibles, que se convertiría en la predecesora de todas las demás. En 1931 La  AASHO publica lla a primera norma en Estados Unidos para el diseño y construcción de puentes. Entre los años 1970-1986, la AASHTO implementa la filosofía de diseño por factores de carga (LFD). Surge la preocupación por parte de ingenieros de la Unión Uni ón Ame America ricana na ace acerca rca del rez rezago ago de dell Reg Reglam lament ento o AAS AASHTO HTO Brid Bridge ge Sta Stand ndard ard Specifications. En 1998, se publica la Norma ASCE 7-98 (Cargas Mínimas de diseño para Edificios y otras Estructuras), en la que se incorpora la combinación de cargas con co n su sus s co corr rres espo pond ndie ient ntes es ba basa sado dos s un an anál ális isis is pr prob obab abilí ilíst stic ico. o. En el 20 2002 02 de dell Reglamento ACI 318, modifica el reglamento para incorporal los nuevos aportes.

2.3. Filosofía de Diseño por Esfuerzos Admisibles (ASD) 

 

Se tra trata ta de un pro proced cedimi imient ento o de dis diseñ eño o det determ erminis inista, ta, que cons conside idera ra fijo fijos s y no aleato ale atorio rios s los dis distin tintos tos val valore ores s nu numér mérico icos s qu que e sir sirve ven n de par partid tida a pa para ra el cál cálcul culo o (resistencias de los materiales, cargas aplicadas). En este método se determinan las solicitaciones correspondientes a las cargas máximas de servicio, se calculan los esfuer esf uerzos zos cor corres respo pondi ndient entes es a es estas tas sol solicit icitaci acione ones s (es (esfue fuerzo rzos s de tra trabaj bajo) o) y se comparan sus valores con una fracción de la resistencia de los materiales (esfuerzo admisible), encontrándose usualmente en el rango elástico. (Gomez Jhonson, 2008) La aplicación de este método de diseño supone que para las cargas de servicio la estructura se comporta dentro del rango elástico. En el diseño por ASD se debe cumplir la siguiente expresión: ∑ ≤  ………………..Ec. 01  Donde:  Qi = Esfuerzo por efecto de la carga i. Fadm = F/(F.S) = Esfuerzo admisible del material. Fy = Esfuerzo de fluencia.  F.S = Factor de seguridad.  El procedimiento de diseño parte de las siguientes hipótesis: hipótesis : 

Las tensiones en la fibra más comprimida del concreto y en el acero de refuerzo en tensión están limitadas por los valores de los correspondientes esfuerzos admisibles.



Se admite la hipó ipótesis de Bernoulli, en el sentido de que las deformaciones normales a la sección siguen una ley de variación lineal. Estas deformacio deformaciones nes son las mismas para el acero de refuerzo que para el concreto que las rodea.



Se admite un diagrama esfuerzo – deformación lineal para el concreto en compresión (Ley de Hooke). Se prescinde de la colaboración del concreto en tensión.



Se aplican a la sección ecuaciones de equilibrio, igualando las resultantes de es esfu fuer erzo zos s inte intern rnos os en el co conc ncre reto to y ac acer ero o de re refu fuer erzo zo,, co con n lo los s esfuerzos actuantes sobre la sección .

2.4.

Diseño por Factores de Carga (LFD) o Resistencia Última.

 

(Ramirez Coria & Leon Avila, 2010) Diseño por Factores de Carga (LFD) realizo un esfuerzo preliminar al reconocer que la carga viva era más altamente variable que el peso pe so mu muer erto to.. Es Este te pe pens nsam amie ient nto o es co cont nten enid ido o en el co conc ncep epto to de us usar ar un multiplicador diferente en la carga muerta y en la carga viva; Un criterio de diseño que puede ser expresado como:

ø > ∑

………..Ec. 02

Dónde Rn = Resistencia nominal.  βi = Factor de carga, generalmente >1.0. ø = Factor de resistencia, generalmente

Cuando se diseña con LFD, se considera los eventos para las combinaciones de cargas factoradas en condiciones últimas, es decir, condiciones de resistencia, y se esta es tabl blec ece e

algu alguna nas s ve veri rific ficac acio ione nes s

pa para ra co cond ndic icio ione nes s en se serv rvic icio io (con (contr trol ol de

deflexiones, agrietamiento y fatiga). Hipótesis de diseño para método por resistencia última.   El diseño por resistencia de elementos sujetos a flexión deberá satisfacer las condic con dicion iones es de equ equilib ilibrio rio y com compat patibi ibilid lidad ad de de defor formac macion iones. es. Ade Además más,, deb deberá erá basarse en las siguientes hipótesis: 

Las deformaciones en el refuerzo y en el concreto se supondrán directamente proporcionales a la distancia al eje neutro.



Existe adherencia entre el acero y el concreto que la deformación del acero es igual a la del concreto adyacente. La má máxi xima ma de defo form rmac ació ión n util utiliz izab able le de dell co conc ncre reto to en la fi fibr bra a ex extr trem ema a a compresión se supondrá igual a 0.003.

2.5. Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD)   Est Este e mét método odo utiliz utiliza a coe coefic ficien ientes tes basa basados dos en la teo teoría ría de la con confia fiabil bilida idad d y en conocimiento estadístico de las cargas y de las características del material.  Para tener en cuenta la variabilidad en ambos lados de la inigualdad, el lado de la resistencia debe ser multiplicado por un factor de base estadística ø el cual su valor  es usualmente menor que uno, y el lado de la carga es multiplicado por un factor de

 

carga de base estadística βi, su valor es un número usualmente mayor que uno. Debido a que los efectos de carga en un estado limite particular envuelve una comb co mbin inac ació ión n de dife difere rent ntes es tip tipos os de ca carg rga a Qi qu que e tie tiene ne di dife fere rent ntes es gr grad ados os de predictibilidad, el lado de los efectos de carga es representado por la sumatoria de valores βiQi.

La expresión básica en el diseño por el método LRFD es: Resistencia > Demanda

 >  > ∑ ø

……………….Ec. 03

Donde:  n = Factor de modificación de carga. βi = Factor de carga, generalmente >1.0. ø = Factor de resistencia, generalmente

Las hipótesis del método de los estados límites de resistencia, se fundamenta en las siguientes hipótesis, y los ensayos que las verifican:  

Se admite que las secciones planas antes de la flexión, permanecen planas después de que la sección se deforme, es decir que las deformaciones son proporcionales a su distancia al eje neutro .



No se considera el diagrama de compresión del concreto como rectilíneo, por  lo que no se acepta la proporcionalidad entre deformación y tensión del mismo.

 

 Admite la adherencia perfecta entre la interfaz del concreto y el acero dado que las varillas usadas hoy en día son corrugadas y garantizan en gran proporción dicha hipótesis.

2.6.  Estados Límite  2.6. Límite  Toda To das s las las es espe peci cifi fica caci cion ones es de dise diseño ño so son n es escr crita itas s pa para ra es esta tabl blec ecer er un ni nive vell acep ac epta tabl ble e de se segu guri rida dad. d. El mé méto todo do pa para ra tr trat atar ar as asun unto tos s de se segu guri rida dad d en espec esp ecific ificaci acione ones s mod modern ernas as es el est establ ableci ecimie miento nto de est estado ados s lím límite ite para para def defini inir  r  grupos de eventos o circunstancias que podrían causar que una estructura sea inservible para su objetivo original.

 

 Las Especificaciones LRFD están escritas con un formato de Estados Limite basado en probabilidades requiriendo el análisis de algunos, o todos, de los cuatro Estados Límite definidos abajo para cada componente de diseño en un puente. El estado lími límite te de se serv rvic icio io.. Trat Trata a co con n las las rest restri ricc ccio ione nes s im impu pues esta tas s a la las s te tens nsio ione nes, s, defo de form rmac ació ión, n, y an anch chos os de fi fisu sura ra ba bajo jo co cond ndic icio ione nes s de se serv rvic icio io re regu gula lar. r. Esto Estos s requis req uisito itos s est están án dir dirigi igidos dos a as asegu egurar rar un fun funcio cionam namien iento to ace acepta ptable ble de dell pue puente nte durante el periodo de diseño. El estado límite de fatiga y fractura. El estado límite de fatiga se debe considerar como restricciones impuestas al rango de tensiones que se da co como mo resu resulta ltado do de un ún únic ico o ca cami mión ón de di dise seño ño oc ocur urri rien endo do el nú núme mero ro anticipado de ciclos del rango de tensión. La intención del estado límite de fatiga es limitar el crecimiento de fisuras bajo cargas repetitivas, a fin de impedir la fractura durant dur ante e el per period iodo o de dis diseño eño del pu puent ente. e. El est estado ado límit límite e de fra fractu ctura ra se de debe be considerar como un conjunto de requisitos sobre resistencia de materiales de las Especificaciones sobre Materiales de AAHSTO. El estado del límite de resistencia. Está dirigido a garantizar resistencia y estabilidad, tanto local como global, para resistir combinaciones de carga estadísticamente significativas que se anticipa que un puente experimentara durante su periodo de diseño.

2.7.  DISPOSICIONES DE LA NORMA AASHTO PARA LAS FILOSOFIAS 

DE DISEÑO ASD, LFD y LRFD . La seguridad pública es la primera responsabilidad del ingeniero. Todos los demá de más s as aspe pect ctos os de dell dise diseño ño,, incl inclui uida da la fu func ncio iona nali lida dad, d, ma mant nten enim imie ient nto, o, economía, y estética son secundarios a los requerimientos de la seguridad. Esto Es to no qu quie iere re de deci cirr qu que e otro otros s ob obje jeti tivo vos s no se sean an im impo port rtan ante tes, s, pe pero ro la seguri seg urida dad d es su super perior ior.. (Ra (Ramir mirez ez Cor Coria ia & Le Leon on Avi Avila, la, 201 2010) 0) Los pu puent entes es

 

debe de ben n se serr dise diseña ñado dos s pa para ra cu cump mpli lirr sa satis tisfa fact ctor oria iame ment nte e la las s co cond ndic icio ione nes s impuestas por los estados límite previstos en el proyecto, considerando todas la las s co comb mbin inac acio ione nes s de ca carg rga a qu que e pu pued edan an se serr oc ocas asio iona nada das s du dura rant nte e la construcción y el uso del puente. Asimismo, deben ser diseñados teniendo en cuenta su integración con el medio ambiente y cumplir las exigencias de durabilidad y servicio requeridas de acuerdo a sus funciones, importancia y las condiciones ambientales. (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2016) En los capítulos subsecuentes se hará una revisión de las filosofías de Diseño por Esfuerzos Admisibles (ASD), Filosofía de Diseño por Factores de Carga (LFD) y la Filosofía de Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD).

2.8. CARGAS.

 

2.8.1 Cargas permanentes.   Son cargas que va a estar presente durante toda la vida del pue uen nte te,, ent ntre re est sta as te tene nem mos os:: DC= Pes eso o pro rop pio de lo los s componentes estructurales y accesorios no estructurales. DW= Peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para servicios públicos. EV= Presión vertical del peso propio del suel su elo o de rell rellen eno. o. EH EH= = Em Empu puje je ho hori rizo zont ntal al de dell suel suelo. o. EL EL= = Tensio Ten siones nes res residu iduale ales s acu acumu mulad ladas as res result ultant antes es de dell pro proces ceso o constr con struct uctivo ivo.. ES= Sob Sobrec recarg arga a de su suelo elo.. No Nota: ta: El Man Manual ual de Diseño de Puentes – Perú, adopta para el concreto armado el

 

peso específico de 2500kg/m³ y para el caso de superficies de rodamiento bituminosas 2200Kg/m³. 18

 

2.8.2 Carga viva.   En LR LRFD FD el ca camió mión n HL HL-9 -93 3 de di dise seño ño re reem empl plaz aza a al tí típi pico co semitrailer para carreteras de 20 ton (HS20-44) adoptado por   AASHO (ahora AASHTO) para las filosofías ASD y LFD, el camión de diseño tiene una carga de 35 KN en el eje delantero a 4.30m se encuentra el segundo eje con un peso de 145 KN, el tercer eje esta posesionado en una distancia que varía de 4.30 a 9.0m con un peso de 145 KN, el camión de diseño tiene la misma mis ma con config figura uració ción n que el cam camión ión de dis diseño eño HS2 HS20-4 0-44. 4. La carga viva considerada en ASD y LFD consiste en un camión o un carril de diseño, dependiendo de cual ocasione el mayor  efecto.

a) Cami Camión ón de de dise diseño ño..

 Ilustración 4 Tren de carga, camión de diseño HS 20-44

 Fuente: (Ochoa Espinoza, 2008)

 

 Ilustración 5 Tren de carga, camión de diseño HL-93

 Fuente: (Ochoa Espinoza, 2008)

b) Tánd Tándem em de de dise diseño ño.. - Consiste en dos ejes, cada uno de 110 KN, separados una distancia de 1.2 m.

 Ilustración 6 Tren de carga, tándem de diseño

 Fuente: (Ramirez Coria & Leon Avila, 2010) 2010)

2.9.

Carga de fatiga

El esfuerzo de fatiga se relaciona con el rango de esfuerzos producidos por la carga viva y con el número de ciclos de esfuerzo bajo condiciones de carga de servicio. (Gomez Jhonson, 2008) Independientemente del número de vías, para el estado límite de fatiga se considerará como carga vertical la de un solo camión de diseño, con una distancia fija de 30 ft (9,14 m) entre los dos ejes de 32 kip (14,55 t) e incluyendo los efectos dinámi din ámicos cos.. El cam camión ión se ubi ubicar cará, á, tan tanto to en dir direcc ección ión lon longit gitudi udinal nal como como en la direcc dir ección ión tra transv nsvers ersal, al, en las pos posici icione ones s qu que e pro produz duzcan can los efe efecto ctos s má máxim ximo o y mínimo para el elemento en estudio, de modo tal que se obtenga el máximo rango de esfuerzos. La frecuencia de la carga de fatiga se calculará sobre la base del tráfico de vehículos de tres o más ejes en cada dirección. Para estos cómputos deberá considerarse el volumen de tráfico promedio a lo largo de la vida útil del puente. (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2016) En las filosofías ASD y LFD no se considera ninguna carga de fatiga, sin embargo, la carga la carga viva no debe exceder el camión de diseño. En LRFD, la carga de fatiga está dado por un camión de diseño con una separación entre ejes de 9 m y con un factor de carga de 0.75; así mismo se incluye un incremento por carga vehicular dinámica (IM), para un solo carril.

 

 

 Ilustración 7 Tren de carga para carga de fatiga en LRFD

 Fuente: (Ochoa Espinoza, 2008)

III.CONCLUSIONES  Se realizó la revisión bibliográfica, así como la comparación entre los métodos de Diseño por Esfuerzos Admisibles (ASD), Factores de Carga (LFD) y Factores de Carga y Resistencia (LRFD), aplicada a la superestructura de un puente viga de co conc ncre reto to arma armado do,, co corre rresp spon ondi dien ente tes s a pu puen ente tes s simp simple leme ment nte e ap apoy oyad ados os,, llegando a las siguientes conclusiones: 1. En LRF LRFD, D, con bas base e en la teoría de la co confi nfiab abilid ilidad ad se define define el niv nivel el de seguridad (índice de confiabilidad), β donde para los diversos tipo y configuraciones de puentes se tiene un β≈3.5, en la que la probabilidad de falla es de 0.02%, mientras que en ASD y LFD, se tienen β4.5, siend iendo o

β