Puente s

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MODULO VI: INGENIERIA ESTRUCTURAL, SISMORRESISTENTE EN EDIFICACIONES Y PUENTES

TEMA 03: DISEÑO DE PUENTES ASHTO - LRFD

Septiembre 2013

M.Sc. Ing. Carlos Córdova Rojas www.cordovaingenieros.com

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TIPOS DE PUENTES

PUENTE TIPO LOSA

Septiembre 2013

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PUENTE TIPO LOSA

Septiembre 2013

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PUENTE TIPO VIGA LOSA

Septiembre 2013

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PUENTE VIGA LOSA

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PUENTE TIPO VIGA CAJON

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PUENTE VIGA CAJON

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PUENTES TIPO ARCO

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PUENTES ATIRANTADOS

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PUENTES ATIRANTADOS ARTISTICOS

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PUENTES COLGANTES

Golden Gate – California - USA

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PUENTES COLGANTES

Akashi – Kaikyo – Kobe - Japón

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PUENTES COLGANTES

Golden Gate

Septiembre 2013

Akashi – Kaikyo

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PUENTES METALICOS

Puente Astoria – Megler – USA Septiembre 2013

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PUENTES ARTISTICOS

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FILOSOFIA DE DISEÑO AASHTO - LRFD LA FILOSOFIA DE DISEÑO AASHTO – LRFD ESTA BASADA EN

QUE LOS PUENTES DEBEN DE SER DISEÑADOS

TOMANDO EN CUENTA LOS ESTADOS LIMITES QUE SE ESPECIFIQUEN PARA CUMLIR CON LOS OBJETIVOS DE CONSTRUCTIBILIDAD, SEGURIDAD Y DE SERVICIO, ASI COMO LAS DEBIDAS CONSIDERACIONES REFEREIDAS A LA ESTETICA Y LA ECONOMIA.

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PESO DE MATERIALES

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CONCRETO

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CONCRETO

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METODO - LRFD

 LOAD RESISTANCE FACTOR DESIGN  DISEÑO POR CARGA Y RESISTENCIA FACTORIZADA

Septiembre 2013

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Filosofía de diseño nΣγi Qi = φ Rn = Rr Donde: Rn

:

resistencia nominal

Rr

:

resistencia factorizada

γi

:

factor de carga (factor estadístico)

Qi

:

efectos de fuerza

φ

:

factor de resistencia

n

:

factor que relaciona a la ductilidad, redundancia e importancia operativa, modificadores de carga. n= nD x nR x nI >0.95

nD

:

factor que se refiere a la ductilidad

nR

:

factor que se refiere a la redundancia

nI

:

factor que se refiere a la importancia operacional

Septiembre 2013

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Método LRFD 1. Estados Límite (Combinaciones) A) Estado Límite de Servicio

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

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

D) Estado Limite de Evento Extremo

Septiembre 2013

Servicio I Servicio II Servicio III Fatiga

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

Resistencia Resistencia Resistencia Resistencia Resistencia

I II III IV V

Diseño que sera tomado en cuenta para asegurar supervivencia estructural.

Evento Extremo I Evento Extremo II

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Método LRFD 2. Combinaciones de Carga y Factores de Carga DC Combinación de DD Carga DW EH EV Estado Límite ES RESISTENCIA I RESISTENCIA II REISISTENCIA III RESISTENCIA IV Solamente EH, EV, ES, DW, DC RESISTENCIA V EVENTO EXTREMO I EVENTO EXTREMO II SERVICIO I SERVICIO II SERVICIO III FATIGA (solamente LL,IM y CE)

Septiembre 2013

γP γP γP

LL IM CE BR PL LS 1.75 1.35

γP 1.5 γP γP 1.00 1.00 1.00

WA

WS

WL

0.75

TU CR SH

TG

SE

EQ 1.00 1.00 1.00

1.40

1.00 1.35 γEQ 0.50 1.00 1.30 0.8

FR

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

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0.40

0.30

0.40

0.30

1.00 1.00 1.00

0.50/1.20 0.50/1.20 0.50/1.20

1.00

0.50/1.20

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0.50/1.20

γTG γTG γTG

γSE γSE γSE

γTG

γSE

IC

CT

CV

1.00

1.00

1.00

1.00 1.00/1.20 1.00/1.20 1.00/1.20

γTG

γSE

γTG

γSE

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

Septiembre 2013

FACTOR DE CARGA Máximo Mínimo 1.25

0.90

1.80

0.45

1.50 1.50 1.35

0.65 0.90 0.90

1.35 1.35 1.30 1.35 1.95

N/A 1.00 0.90 0.90 0.90 0.90

1.50 1.50

0.75

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Método LRFD NOTACION CARGAS TRANSITORIAS BR CE CR CT CV EQ FR IC IM LL LS PL SE SH TG TU WA WL

Septiembre 2013

Fuerza de frenado vehicular Fuerza centrífuga vehicular “Creep” del concreto Fuerza de choque vehicular Fuerza de choque de barcos Sismo Fricción Carga de hielo Carga de impacto Carga viva vehicular Carga viva superficial Carga viva de peatones Asentamiento Contracción Gradiente de temperatura Temperatura uniforme Carga de agua y presión del flujo Efecto de viento sobre la carga viva

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

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

B) Para los demás Estados Límites Se asume :

Septiembre 2013

f

=1.00

0.90 1.00 0.90 0.50-0.90 0.70 0.70 0.80 1.00

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

A) Ductilidad (nD) Se debe proporcionar la capacidad necesaria al sistema estructural, de tal forma que se asegure el desarrollo de significantes deformaciones inelásticas visibles antes de la falla. DUCTILIDAD (nD) Para el estado límite de resistencia, los valores de nD son: - Para componentes y conexiones no dúctiles - Para componentes y conexiones dúctiles

1.05 0.95

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

Septiembre 2013

1.00

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

1.05 0.95

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

Septiembre 2013

1.00

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

1.05 0.95

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

Septiembre 2013

1.00

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SOBRECARGAS 1. Generalidades

La carga viva correspondiente a cada vía será la suma de: a) Camión de Diseño + Sobrecarga Distribuida, ó b) Camión Tándem + Sobrecarga Distribuida 2. Número de Vías

Para efectos de diseño, el número de vías será igual a la parte entera de w/3.60, donde w es el ancho libre de calzada (m). Número de Vías Cargadas 1 2 3 4 ó más

Septiembre 2013

Factor 1.20 1.00 0.85 0.65

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SOBRECARGAS 3. Descripción (Cargas Vivas de Vehículos)

3.1 Camión de Diseño

HL – 93K Peso Total del Camión : 325.00 kN (33.13 toneladas).

ANCHO DE VIA

8P= 145 kN

8P= 145 kN

2P= 35 kN

9.3 kN/m

∞

var 4.30 a 9.00 m

9.3 kN/m

4.30 m

∞

Camión de Diseño – Truck

Septiembre 2013

3.00 m

.60m General .30m Losa

Bordillo

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SOBRECARGAS 3. Descripción (Cargas Vivas de Vehículos)

3.1 Camión de Diseño

HL – 93M

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

Tandem de Diseño Septiembre 2013

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SOBRECARGAS 3. Descripción (Cargas Vivas de Vehículos)

3.2 Camión de Diseño Para el estado de Fatiga

Septiembre 2013

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SOBRECARGAS

Septiembre 2013

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SOBRECARGAS 4. Ubicación de las Cargas Vivas 4.1 En la Vista Longitudinal Para el análisis de la sobrecarga en forma longitudinal, el puente será cargado en forma continua o discontinua, según resulte lo más desfavorable para el caso en estudio. Se considera: Camión de Diseño + Sobrecarga Distribuida VS Tandem de Diseño + Sobrecarga Distribuida

Septiembre 2013

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SOBRECARGAS 4. Ubicación de las Cargas Vivas

4.1 En la Vista Transversal El Camión de Diseño y el Tandem de Diseño se ubicarán en las posiciones más desfavorables (conjuntamente con la sobrecarga distribuida) respetando los límites mostrados en la siguiente figura, donde el valor de “V” depende del elemento que estemos evaluando : V : 0.30 m para el diseño de losa 0.60 m otros elementos

Septiembre 2013

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SOBRECARGAS 5. Efectos Dinámicos Las Cargas vivas correspondientes al camión o al tándem de diseño se incrementarán en los porcentajes indicados en la siguiente tabla, para tener en cuenta los efectos de amplificación dinámica y de impacto : Incremento de la Carga Viva por Efectos Dinámicos Componente Elementos de unión en el tablero (para todos los estados límite)

Porcentaje 75%

Para otros elementos:

Septiembre 2013

a) Estados límite de fatiga y fractura

15%

b) Otros estados límite

33%

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SOBRECARGAS 6. Distribución de Cargas Vivas - Momentos a) Momentos en vigas longitudinales interiores

Los factores de distribución para los momentos flexionantes por carga viva para las vigas interiores con tableros de concreto pueden ser determinados según las siguientes expresiones: Un carril cargado

 S  0.060 +    4300  A S L ts Kg

Septiembre 2013

: : : : :

0.40

S   L

0.30

Dos ó más carriles cargados (ginterior)

 Kg    Lt  s

0.10

Area de vigas (mm2) Espaciamiento de vigas (mm) Longitud de viga (mm) Espesor de losa de concreto Parámetros de rigidez longitudinal (mm4)

 S  0.075 +    2900 

0.60

S   L

0.20

 Kg   3  Lt   s 

0.10

2 Kg = n(I + Ae g )

n I eg

: Relación de módulos de los materiales (viga-tablero) : Momento de Inercia de vigas (mm4) : Distancia entre c.g. de la viga principal y el tablero (mm)

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SOBRECARGAS b) Momentos en vigas longitudinales exteriores Los factores de distribución para los momentos flexionantes por carga viva para las vigas exteriores con tableros de concreto pueden ser determinados según las siguientes expresiones: Un carril cargado Regla de la Palanca

Septiembre 2013

Dos ó más carriles cargados (gexterior) gexterior = e. ginterior

e = 0.77 + de 2.800

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SOBRECARGAS 7. Distribución de Cargas Vivas - Cortante a) Cortante en vigas longitudinales interiores

Los factores de distribución para las fuerzas cortantes por carga viva para las vigas interiores con tableros de concreto pueden ser determinados según las siguientes expresiones: Un carril cargado 0.36 + A S L ts Kg

Septiembre 2013

: : : : :

S 7600

Area de vigas (mm2) Espaciamiento de vigas (mm) Longitud de viga (mm) Espesor de losa de concreto Parámetros de rigidez longitudinal (mm4)

Dos ó más carriles cargados (ginterior)  S   S  0.200 +   −  3600   10700 

0.2

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SOBRECARGAS b) Cortante en vigas longitudinales exteriores Los factores de distribución para las fuerzas cortantes por carga viva para las vigas exteriores con tableros de concreto pueden ser determinados según las siguientes expresiones: Un carril cargado Regla de la Palanca

Septiembre 2013

Dos ó más carriles cargados (ginterior) gexterior = e. ginterior

e = 0.60 +

de 3000

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Septiembre 2013

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ANCHO EFECTIVO

Septiembre 2013

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FRANJAS EFECTIVAS

Septiembre 2013

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EJEMPLO DE APLICACION Diseño de Vigas Principales Método LRFD Se plantea lo siguiente :         

Superestructura de concreto armado, de un solo tramo (simplemente apoyado) Longitud de superestructura (Luz) = 22.00 m Ancho de calzada (2 vías) = 7.20 m Espesor de losa de concreto = 0.18 m Espesor de Asfalto = 0.05 m Separación / vigas principales = 2.00 m Ancho de vigas principales = 0.40 m Separación / vigas diafragma = 4.40 m Ancho de vigas diafragma = 0.25 m

Septiembre 2013

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EJEMPLO DE APLICACION a) Vista en Planta Eje de Apoyo Izquierdo

Longitud del puente = 22m

EJE DEL PUENTE

Ancho de vigas = 0.40m Septiembre 2013

Ancho de diafragma = 0.25m

Eje de Apoyo Derecho

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EJEMPLO DE APLICACION b) Vista Transversal

Ancho de Calzada = 7.2m

Peralte = 1.60m

S=2.00m Septiembre 2013

Espesor de la losa = 0.18m

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EJEMPLO DE APLICACION 1. Factores de Carga y Combinaciones RESISTENCIA I Símbolo DC DW LL

Descripción

Factor de Carga

Carga muerta estructural y no estructural Carga muerta superficial de rodadura Carga viva vehicular

1.25 1.50 1.75

2. Factor de Resistencia Flexión y Tracción de Concreto Armado

Septiembre 2013

φ = 0.90

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EJEMPLO DE APLICACION 3. Modificadores de Carga

Símbolo nD nR nI

Descripción

Valor

DUCTILIDAD REDUDANCIA IMPORTANCIA OPERATIVA

0.95 1.05 1.05

4. Número de Vías

Septiembre 2013

Ancho de Calzada

7.20 m

Número de Vías

2.00 und

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EJEMPLO DE APLICACION 5. Efectos de Fuerza (FLEXION) SOBRECARGA VEHICULAR

A) Camión de Diseño

HL – 93K

RESULTADOS Reacción A Reacción B Mmáx

Septiembre 2013

15.47 t 17.66 t 143.60 t-m

M máx (i) = 190.99 t-m

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EJEMPLO DE APLICACION 5. Efectos de Fuerza (FLEXION) SOBRECARGA VEHICULAR

A) Tandem de Diseño

HL – 93M

RESULTADOS Reacción A Reacción B Mmáx

Septiembre 2013

10.89 t 11.51 t 116.52 t-m

M máx (i) = 154.97 t-m

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EJEMPLO DE APLICACION 5. Efectos de Fuerza (FLEXION) SOBRECARGA VEHICULAR

C) Sobrecarga Distribuida

RESULTADOS Reacción A Reacción B

10.67 t 10.67 t

Mmáx

58.69 t-m

Por lo tanto el Momento por sobrecarga vehicular por vía (camión) será : ML (por vía) = 190.99 + 58.69

ML(por vía) Septiembre 2013

249.68 t-m

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EJEMPLO DE APLICACION 6. Coeficiente de Distribución de Carga - Momentos 6.1 Viga Interior (gint)

Kg = n ( I + A eg2 )

 S  0.075 +    2900 

Septiembre 2013

0.60

S   L

0.20

 Kg   3  Lt   s 

0.10

n :

1.000

y

:

1.029 m

I

:

0.240 m4

A :

0.951 m2

eg :

0.481 m

S :

2.00 m

L

:

22.00 m 4

Kg :

0.460 m

ts :

0.180 m

Kg = 0.460 m4

Gint = 0.638 MLint = 159.30 t-m

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EJEMPLO DE APLICACION 6. Coeficiente de Distribución de Carga - Momentos de

6.2 Viga Exterior (gext) e = 0.77 + de 2.800

e = 0.984 m

Donde : de = 600 mm gext = e . gint

gext = 0.628

MLext = 156.78 t-m

Septiembre 2013

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EJEMPLO DE APLICACION 7. Diseño de Vigas Principales (Flexión) 7.1 Viga Interior Cuadro de Momentos Carga Muerta - Peso Propio Nº

Tipo

Unidad

1

DC

(t/m)

2.481

22.00

150.10

Diafragmas

(t)

1.340

22.00

17.69

167.79

DW

(t/m)

0.200

22.00

12.10

12.10

2

Carga

Luz (m)

MDi

MD (t-m)

Para la carga repartida : MDC = WL2 / 8 Para la carga puntual : MDC = 3PL / 5

Reemplazando valores en la ecuación básica de diseño, tenemos:

nΣγiQi =

(0.95x1.05x1.05) (1.25x167.79 + 1.50x12.10 + 1.75x159.30)

nΣγiQi = Septiembre 2013

530.66 t-m

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EJEMPLO DE APLICACION 7. Diseño de Vigas Principales (Flexión) 7.1 Viga Exterior Cuadro de Momentos Carga Muerta - Peso Propio Nº

Tipo

Unidad

1

DC

(t/m)

2.616

22.00

158.27

Diafragmas

(t)

0.672

22.00

8.87

167.14

DW

(t/m)

0.160

22.00

9.68

9.68

2

Carga

Luz (m)

MDi

MD (t-m)

Para la carga repartida : MDC = WL2 / 8 Para la carga puntual : MDC = 3PL / 5

Reemplazando valores en la ecuación básica de diseño, tenemos:

nΣγiQi =

(0.95x1.05x1.05) (1.25x167.14 + 1.50x9.68 + 1.75x156.78)

nΣγiQi = Septiembre 2013

521.39 t-m

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EFECTOS DE SISMO

Septiembre 2013

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FUERZAS SISMICAS

Septiembre 2013

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COEFICIENTE DE ACELERACION

Septiembre 2013

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CATEGORIZACION DE LAS ESTRUCTURAS

Septiembre 2013

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ZONAS SISMICAS

Septiembre 2013

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Septiembre 2013

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CONDICIONES LOCALES

Septiembre 2013

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Septiembre 2013

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ACELERACION ESPECTRAL 4

ZONA SISMICA

0.38

COEFICIENTE DE ACELERACION

1.2

SUELO TIPO II

1.2 A S / Tn^ 2/3 3.5

COEFICIENTE DE RESPUESTA SISMICA ELASTICA FACTOR DE REDUCCION SISMICA

0.95

T

Csn

0.00 0.20 0.40 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.50 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

0.95 0.95 0.95 0.77 0.73 0.69 0.66 0.63 0.61 0.59 0.55 0.51 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 0.38 0.37 0.36 0.34 0.32 0.31 0.29 0.28 0.26 0.24 0.22 0.19 0.17 0.15 0.14 0.13 0.12

Sa =

Cns * g

ESPECTRO ADIMENSIONAL 1.00 0.80 Csn

Zona A= S= Csn = R 2.5 A =

0.60 0.40 0.20 0.00 0.00

5.00

10.00

15.00

PERIODOS (SEG.)

g = 9.81 m/s2 Aceleracion de la Gravedad C < 2.5 A = 0.95 Los valores obtenidos se multiplicaran por la gravedad (g) para tener unidades de aceleracion Lor resultados de la respuesta deberan ser divididos por el factor de modificacion de respuesta R = 3.5

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DISEÑO DE ESTRIBOS

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