Puentes de Sección Compuesta

PUENTES DE SECCIÓN COMPUESTA PUENTES DE SECCIÓN COMPUESTA

 DOCENTE:  ING. IDROGO PEREZ CESAR ANTONIO.  ESTUDIANTES: o

CABREJOS DE LOS RIOS RICARDO

o

COICO MONJA MIGUEL

o

CHIROQUE CONTRERAS JAVIER

o

PEREZ MORALES CINTHYA

o

RODRIGUEZ VERA STEFANY

o

SEGOVIA RODAS YESSICA

 CURSO: PUENTES Y OBRAS DE ARTE

27 DE JUNIO DEL 2018

1

 I    N  G  E   N  I   E   R   Í     A   C   I    V   I   L 

Contenido ....................................................................................................................... 3 INTRODUCCION ........................................................................................................................

MARCO TEORICO............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 5 1.

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO. ............................................ 5

2.

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL.  .......................... 8

.................................................................................. .................... 12 PUENTES DE SECCIÓN COMPUESTA ..............................................................

3.

SECCION COMPUESTA: .............................................................. ............................................................................................. ............................... 12

Esfuerzos: ............................................................................................................................... .............................................................................................................................. 14 a)

Secuencia de Carga: ........................................................................................... .......................................................................................... 14

b)

Esfuerzos de Flexión Positiva en la Sección: ................................................... 15

4.

SUPERESTRUCTURAS SUPERESTRUCTURAS DE SECCIÓN COMPUESTA  ................................................. 15

5.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS  ...................................................................................... 22

6. SECCIONES COMPUESTAS POR VIGAS DE ACERO Y TABLERO DE CONCRETO ARMADO MÁS EMPLEADAS EN PUENTES DE CARRETERA:  ............... 24 7.

VIGAS COMPUESTAS: ................................................................. ................................................................................................ ............................... 25

8.

COMPORTAMIENTO DE VIGAS COMPUESTAS Y NO COMPUESTAS:  ............. 25

9.

.............................................................................. 26 TIPOS DE VIGAS COMPUESTAS:  ...............................................................................

9.1. VIGAS CON CUBREPLACA: .................................................................................. ................................................................................. 26 9.2. VIGA EMBEBIDA: .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 27 9.3. VIGA T SOBRE T: ....................................................................................................... ...................................................................................................... 27 9.4. VIGA CON “T” LAMINADA ................................................................................... 28

9.5. VIGA CAJÓN: .......................................................................................................... 28 10.

DEFLEXIONES DE VIGAS COMPUESTAS: ............................................................ 29

2

Ilustración 1 Puente P uente de sección compuesta (en corte y en vista) ................................................. 4 Ilustración 2 Diferentes D iferentes tipos de revenimiento ............................................................................ ............................................................................ 7 Ilustración 3 Comportamiento histerético idealizado de un espécimen de acero. ...................... 9 Ilustración 4 ....................................................................................... ................................................................................................................................... ............................................ 9 Ilustración 5 ....................................................................................... ................................................................................................................................. .......................................... 13 Ilustración 6 Sección Trasversal de un Puente de Sección Compuesta ...................................... 14 Ilustración 7 Sección Compuesta Embebida en Concreto .......................................................... 14 Ilustración 8 sección Compuesta Embebida en Concreto ........................................................... 14 Ilustración 9 ....................................................................................... ................................................................................................................................. .......................................... 15 Ilustración 10 Partes básicas de un puente................................................................................. puente................................................................................. 16 Ilustración 11 Equipamiento, tablero, elementos principales y secundarios de la superestructura de un puente de vigas armadas de acero ........................................................ 19 Ilustración 12 Elementos complementarios de la superestructura de un puente ..................... 19 Ilustración 13 Formas de conectores: a) perno, b) placa inclinada, c) canal, d) espiral, e) ganchos ........................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................ ......... 21 Ilustración 14 Formas embebidas de los conectores en el concreto armado ............................ 22 Ilustración 15 Sección compuesta de tablero de hormigón armado y vigas metálicas .............. 24 Ilustración 16 Sección compuesta de tablero de hormigón armado y armadura metálica tipo WARREN con verticales (de paso superior) ................................................................................ 24 Ilustración 17 ..................................................................................... ............................................................................................................................... .......................................... 25 Ilustración 18 ..................................................................................... ............................................................................................................................... .......................................... 25 Ilustración 19 secciones típicas de vigas compuestas ................................................................ 26 Ilustración 20 Comportamiento de Vigas Compuestas y no Compuestas .................................. .................................. 26 Ilustración 21 viga con Cubreplaca ............................................................................................. ............................................................................................. 27 Ilustración 22 Viga Embebida ........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 27 Ilustración 23 Viga T Sobre T ........................................................................ ....................................................................................................... ............................... 28 Ilustración 24 Viga con T Laminada .............................................................. ............................................................................................. ............................... 28 Ilustración 25 Viga Cajón ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 29

3

INTRODUCCION Los perfiles laminados de ala ancha son por lo general el tipo más económico de construcción para puentes de luces cortas. Con frecuencia, las vigas se utilizan como largueros longitudinales colocados a intervalos regulares, paralelo a la dirección del tráfico, entre los estribos. El tablero colocado sobre la aleta superior, casi siempre provee soporte lateral contra pandeo. Los diafragmas entre vigas ofrecen arriostramiento adicional y también distribuyen lateralmente las fuerzas a las vigas antes de que el hormigón del tablero haya curado. Su uso es en zonas excesivamente frías o calurosas, donde no es frecuente contar con buenas condiciones para el vaciado del concreto, o cuando no se disponen equipos pesados para montar vigas muy pesadas o en países donde construir en acero es ventajoso frente la construcción en concreto, se recurre a ejecutar las vigas de acero (en general de planchas soldadas) y la losa vaciada «in situ» sobre la cabeza de las vigas; también se utilizan, en vigas continuas de inercia constante o variable, las vigas mixtas tipo cajón. Otra aplicación simultánea de acero y concreto, lo constituyen los puentes cuya estructura principal es reticulada de acero y llevan losa de concreto reforzado.

Ilustración 1 Puente de sección compuesta (en corte y en vista)

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MARCO TEORICO DEFINICIONES DE CONCRETO Y ACERO: 1. DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO. El concreto es un material pétreo, artificial, obtenido de la mezcla, en proporciones determinadas, de cemento, agregados y agua. El cemento y el agua forman una pasta que rodea a los agregados, constituyendo un material heterogéneo. Algunas veces se incorporan algunas sustancias, llamadas aditivos que mejoran o modifican algunas propiedades del concreto. La pasta, compuesta de Cemento Portland y agua, une a los agregados (arena y grava o piedra triturada) para formar una masa semejante a una roca pues la pasta endurece debido a la reacción química entre el Cemento y el agua. Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. La pasta está compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o aire incluido intencionalmente. Ordinariamente, la pasta constituye del 25 al 40% del volumen total del concreto. El volumen absoluto del Cemento está comprendido usualmente entre el 7 y el 15% y el agua entre el 14 y el 21 %. El contenido de aire en concretos con aire incluido puede llegar hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo del agregado grueso. Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75% del volumen total del concreto, su elección es importante. Los agregados deben consistir en partículas con resistencia adecuada así como resistencias a condiciones de exposición a la intemperie y no deben contener materiales que pudieran causar deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de la pasta de cemento y agua, es deseable contar con una granulometría continua del tamaño de las partículas.

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La calidad del concreto depende en gran medida de la calidad de la pasta. En un concreto elaborado adecuadamente, cada partícula de agregado debe quedar completamente cubierta con pasta y también todos los espacios entre partículas de los agregados. Las propiedades del concreto en estado fresco (plástico) y endurecido, se pueden modificar agregando aditivos al concreto, usualmente en forma líquida, durante su dosificación. Los aditivos se usan comúnmente para (1) ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento, (2) reducir la demanda de agua, (3) aumentar la trabajabilidad, (4) incluir intencionalmente aire, y (5) ajustar otras propiedades del concreto. REVENIMIENTO El revenimiento se utiliza como una medida de la consistencia del concreto. Un concreto de bajo revenimiento tiene una consistencia dura. En la práctica de la construcción, los elementos delgados de concreto y los elementos de concreto fuertemente reforzados requieren de mezclas trabajables, pero jamás de mezclas similares a una sopa, para tener facilidad en su colocación. Se necesita una mezcla plástica para tener resistencia y para mantener su homogeneidad durante el manejo y la colocación. Mientras que una mezcla plástica es adecuada para la mayoría de los trabajos con concreto, se puede utilizar aditivos supe fluidificantes para adicionar fluidez al concreto en elementos delgados o muy reforzados. Esta prueba se realiza con un molde de forma troncocónica, de 30 cm de altura, que se coloca en una superficie lisa con la abertura más pequeña hacia arriba. El molde se llena con tres capas de concreto y cada capa se apisona 25 veces con una varilla lisa de acero, de 16 mm de diámetro y de punta redondeada. La superficie se nivela con movimientos laterales y en círculo con la varilla de apisonamiento.

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En la figura 2 se muestran los diferentes tipos de revenimiento que se pueden obtener.

Ilustración 2 Diferentes tipos de revenimiento

CONCRETO ARMADO El concreto armado, es el concreto en el que el acero se incrusta de tal manera que los dos materiales actúan juntos en fuerzas de resistencia. Las varillas de refuerzo de acero, barras o malla, absorben la tracción, cizalladura, ya veces los esfuerzos de compresión en una estructura concreta. El concreto en masa no resiste fácilmente los esfuerzos de tracción o fuerzas causado por el viento, terremotos, vibraciones y otras fuerzas y es por lo tanto inadecuado en la mayoría de las aplicaciones estructurales. En cambio el concreto armado, posee una increíble resistencia a del acero y la resistencia del hormigón trabajan en conjunto para permitir que el elemento tenga la resistencia necesaria. El descubrimiento del concreto reforzado es atribuido a Joseph-Louis en 1848 quien experimento con la incorporación de acero a la pasta de concreto con el fin de aumentar su resistencia, incluso hay registros de un barco de concreto armado que presento en la Feria Mundial en Paris en 1855. Pero la primer patente de concreto reforzado la obtuvo Joseph Monier, quien utilizo el concreto reforzado para la elaboración de macetas, tubos y tanques entre otros. Pero estos descubrimientos del siglo dieciocho no produjeron el cambio en los sistemas constructivos ya que sus creadores no los supieron aprovechar, no fue hasta 1879 que François Hennebique, un albañil francés comenzó a promocionar el concreto como un sistema que protegía del fuego a los elementos de acero. El concreto reforzado obtiene sus ventajas al combinar características del concreto y el acero y compensar las carencias de uno con el otro. Una de las

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características que ha permitido la combinación del concreto y el acero es su similitud en el coeficiente de expansión térmica, lo que evita los desplazamientos relativos entre el acero y el concreto circundante por cambios de temperatura. La ventaja de combinar dos materiales es aprovechar las ventajas de ambos y tratar que compensar las carencias o debilidades del otro, la poca resistencia a tención del concreto es compensada por la alta resistencia del acero y las deficiencias del acero en cuanto a alta corrosión, alta conductividad térmica y alto costo son compensados por el concreto, pero para que el concreto pueda proteger la armadura interna es necesario respetar los recubrimientos mínimos y en los casos que la armadura se deba separar del borde inferior de la chorrea utilizar helados de concreto y no madera piedras u otro elemento que pueda variar o perjudicar la chorrea.

2. DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL. El acero resulta de la aleación de hierro que contiene entre un 0,04 y un 2,25% de carbono y a la que se añaden elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros. El acero es el metal más importante utilizado con fines estructurales porque combina una alta resistencia, tanto en tensión como en compresión, con gran rigidez debido a su alto módulo elástico, y facilidad de fabricación. El acero por naturaleza es un material dúctil, de comportamiento estable bajo inversiones de carga y con una relación resistencia / peso que resulta favorable. El acero absorbe una cantidad significativa de energía cuando está sometido a cargas cíclicas en el rango inelástico. La curva Esfuerzo-Deformación cíclica de la figura 3, y en específico el área delimitada por los puntos ABCD describe la energía absorbida durante un ciclo de deformación fuera del comportamiento elástico igual a 4

Fy.

8

Ilustración 3 Comportamiento histerético idealizado de un espécimen de acero.

En la figura 4, se esquematiza como el acero puede soportar cargas de tensión y luego por inversión de las mismas soporta cargas de compresión, deformándose de manera dúctil en uno y otro sentido sin fallar.

Ilustración 4

Otros materiales estructurales como el aluminio principalmente, se emplean en casos en que se requieren aprovechar las características que los hacen

9

diferentes del acero, como bajo peso volumétrico o la elevada resistencia a la corrosión.

ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimos elementos se denominará acero aleado. Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeñas. Por ejemplo, el contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3%. La composición química del acero es de suma importancia en sus efectos sobre sus propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, etc. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos han requerido aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas, de manera que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD. Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM: los aceros de propósitos generales (A36), los aceros estructurales de carbono (A529), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A572), los aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y la placa de acero templada y revenida (A514 y A852). Véase la Fig. 1.10 Los aceros estructurales pueden agruparse de acuerdo con su composición, como sigue: 1) Aceros simples al carbono: principalmente hierro y carbono, con menos de 1 % de carbono.

10

2) Aceros de baja aleación: hierro y carbono y otras componentes (usualmente menos del 5%). Los componentes adicionales son principalmente para incrementar la resistencia, que se logra a costa de una reducción en la ductilidad. 3) Aceros especiales o de alta resistencia: similares en composición a los aceros de baja aleación pero con un mayor porcentaje de componentes agregados al hierro y al carbono. Esos aceros son de resistencia superior a la de los aceros simples al carbono y tienen también alguna cualidad especial como la resistencia a la corrosión.

RESISTENCIA. Característica de un material o elemento Estructural que le permite soportar las cargas que actúan sobre él.

RIGIDEZ. Propiedad que le permite al acero soportar esfuerzos elevados con deformaciones relativamente pequeñas.

ESFUERZO DE FLUENCIA, Fy. En aceros que no tienen punto de fluencia, se define como el esfuerzo correspondiente a una deformación específica de 0.2%. En los que tienen flujo plástico definido es el correspondiente a

= 0.5%.

MÓDULO DE ELASTICIDAD, Es. Pendiente de la gráfica esfuerzo-deformación, en la zona de comportamiento elástico. Define la rigidez del material, gobierna las deformaciones e influye en la resistencia al pandeo. Es prácticamente constante para todos los aceros estructurales a temperatura ambiente.

DUCTILIDAD. Propiedad de un material de experimentar deformaciones plásticas grandes sin romperse. De ella depende la energía que puede absorber el material y las redistribuciones de esfuerzos que preceden la falla.

FRAGILIDAD.

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Característica de un material que permite la propagación de grietas sin deformación plástica. Es una propiedad opuesta a la ductilidad.

RESILIENCIA. Capacidad de un material para absorber energía en el intervalo elástico. Número que expresa la resistencia de un material a choques o a impacto.

TENACIDAD. Propiedad que describe con la resiliencia la capacidad del material para absorber energía, y se opone a la rotura.

RESISTENCIA ÚLTIMA. Cociente de la fuerza máxima observada en el ensaye de tensión entre el área original del espécimen.

COMPOSICIÓN QUÍMICA. El acero es, básicamente, una aleación de hierro y carbono, esté último en cantidades muy pequeñas (0.32%, máximo, en acero NOM-B-254 ó ASTM A-36). Al aumentar el contenido de carbono aumenta la resistencia, pero disminuye la ductilidad y la soldabilidad.

PUENTES DE SECCIÓN COMPUESTA 3. SECCION COMPUESTA:

Secciones Compuestas: Las secciones que consisten de una losa de concreto que provea una acción compuesta y soporte lateral conectado a una sección de acero por conectores de corte diseñados de acuerdo a las disposiciones del Art. 6.10.10 serán considerados secciones compuestas.

12

Ilustración 5

Los miembros compuestos son miembros estructurales hechos de dos o más materiales. La mayoría de secciones compuestas usadas en las construcciones son hechas de acero y concreto. El Acero proporciona la fuerza y el concreto proporciona la rigidez. La combinación de los dos materiales resulta en un miembro eficiente en lo referente al soporte de carga. Un miembro compuesto puede ser de concreto encajonado ó lleno de concreto. En la actualidad el uso de secciones compuestas ha ido aumentando. Anteriormente las vigas de acero y las losas de concreto se consideraban por

separado,

es

decir,

en

su

diseño

no

se

aprovechaban

sus

características estructurales de cada uno para la aumentar su resistencia. En la acción compuesta aumenta la resistencia de la sección, ya que se aprovechan las propiedades estructurales de cada uno. En vigas compuestas la resistencia se puede aumentar aproximadamente una tercera parte, en comparación de una viga de acero normal, al igual que la sección compuesta reduce las deflexiones considerablemente, lo cual permite usar vigas de acero más chicas en su sección. En vigas compuestas, cuando el eje neutro se encuentra en la unión de los dos elementos, el concreto resiste la fuerza de compresión y el acero la fuerza de tensión, ya que si no hay suficiente adherencia entre ambos elementos, esta unión se hace por medio de conectores de cortante, para que la sección trabaje como una sola.

13

Ilustración 6 Sección Trasversal de un Puente de Sección Compuesta

n

Ilustración 7 Sección Compuesta Embebida en Concreto

Ilustración 8 sección Compuesta Embebida en Concreto

Esfuerzos: a) Secuencia de Carga: Los esfuerzos elásticos en cualquier parte de la sección compuesta debido a cargas aplicadas serán la suma de los esfuerzos causado por las fuerzas aplicadas separadamente en: La sección de Acero A corto plazo

en la sección compuesta (n) A largo plazo en la sección

compuesta (3n) La carga permanente aplicada antes de que la losa de concreto se endurezca en la sección compuesta, se asume será llevada

14

solamente por la sección de acero; la carga permanente y la carga viva aplicada después del endurecimiento de la losa de concreto se asume será llevada por la sección compuesta.

b) Esfuerzos de Flexión Positiva en la Sección: Para calcular los esfuerzos de flexión en la sección sujeta a flexión positiva, la sección compuesta consistirá de la sección de acero y el área transformada del ancho efectivo de la losa de concreto. Para cargas instantáneas asumidas aplicadas a corto plazo en la sección compuesta, el área de la losa de concreto será transformada usando las relación de módulos n. Para las cargas permanentes asumidas aplicadas a largo plazo en la sección compuesta, el área de la losa de concreto será transformada usando la relación de módulos (3n).

Ilustración 9

4. SUPERESTRUCTURAS DE SECCIÓN COMPUESTA 2.1. Generalidades sobre los puentes de carretera Los puentes son una de las primeras estructuras que ha existido en la historia. Su finalidad es la de salvar obstáculos comunicando dos puntos permitiendo la continuidad física y geométrica de la vía terrestre, con un margen adecuado de seguridad, por medio de una serie de elementos estructurales que pueden ser elaborados en varios materiales dependiendo de las solicitaciones específicas que se tenga para cada caso determinado.

15

2.1.1. Partes de un puente Los puentes están constituidos por una gran cantidad de elementos que pueden agruparse en tres conjuntos o partes básicas, denominadas 

Superestructura,



Subestructura o Infraestructura, y



Cimentación o Fundación.

Ilustración 10 Partes básicas de un puente

a) La Superestructura La superestructura es la parte de un puente que permite la continuidad del camino con su calzada y pasillos, sobre un río, quebrada, estero, u otro camino. La superestructura es el conjunto de elementos que reciben las cargas provenientes del tránsito vehicular y peatonal. Estas cargas recibidas son trasmitidas a la infraestructura o subestructura. Para su construcción y colocación en obra se debe tomar en cuenta los posibles desplazamientos que se puedan manifestar debido a cambios de temperatura y de movimientos sísmicos mediante juntas de expansión y de sistemas antisísmicos respectivamente.

b) La Subestructura o Infraestructura La subestructura es la parte del puente que transmite las cargas de la superestructura a la cimentación o fundación es decir está constituida por los apoyos extremos e intermedios del puente.

16

Los estribos o apoyos extremos del puente forman parte de la infraestructura y están destinados a sostener la superestructura y en las carreteras a retener los terraplenes de acceso al puente en colaboración con los muros de ala (muros de contención). En puentes largos, la superestructura está constituida por más de un tramo; los apoyos intermedios de estos tramos se denominan pilas o pilones, según los casos, y junto con los estribos constituyen, la infraestructura del puente.

c) La cimentación o fundación La fundación está constituida por las cimentaciones del puente, y su función es la de recibir las cargas provenientes de la superestructura y de la subestructura para disiparlas al suelo. Estas cimentaciones pueden ser superficiales (zapatas aisladas o combinadas) y profundas (zapatas más pilotes, cajones de cimentación, etc.)

2.1.2. Elementos de la Superestructura La superestructura, por lo general, está constituida por una variedad de elementos según sea el diseño para cada caso en particular, entre otros tenemos los siguientes:

Equipamiento a) Protecciones laterales Protecciones laterales vehiculares 

Macizas: Parapeto de concreto



Alivianadas: Poste metálico y valla de hormigón, Bordillo de

hormigón Protecciones Laterales Peatonales y de ciclovías 

Postes y Pasamanos (metálicos, madera, hormigón)

Protecciones laterales combinadas: Vehiculares y peatonales 

Postes, pasamanos, vallas vehiculares, aceras y bordillos

b) Capa de rodadura

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

Hormigón



Carpeta asfáltica

c) Sistemas de iluminación y drenaje d) Señalización 

Avisos de altura y carga máximas

Tablero a) Tablero de madera b) Tablero de hormigón c) Tablero de acero

Elementos principales a) Vigas (madera, hormigón armado, acero) b) Pórticos (hormigón armado, acero) c) Arcos (hormigón armado, acero) d) Bóvedas (mampostería) e) Cables (acero)

Elementos secundarios a) Diafragmas (hormigón armado) b) Contravientos horizontales y verticales (madera, acero)

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Ilustración 11 Equipamiento, tablero, elementos principales y secundarios de la superestructura de un puente de vigas armadas de acero

Elementos complementarios a) Aparatos de apoyo (rótulas de hormigón, neopreno zunchado, acero) b) b Articulaciones y amortiguadores c) Juntas de dilatación

Ilustración 12 Elementos complementarios de la superestructura de un puente

2.2. Secciones transversales para puentes de vigas longitudinales de Carretera

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Los puentes de vigas utilizan como elemento estructural vigas paralelas o longitudinales a la carretera, que soportan esfuerzos, principalmente el esfuerzo de flexión longitudinal, que viene hacer el más crítico y predominante en este tipo de estructuras.

2.2.1. Secciones transversales de un solo material a) Sección transversal con vigas simples y compuestas Este tipo de secciones transversales con vigas de madera resultan apropiadas para salvar luces cortas, que en su forma más elemental están constituidas por vigas simplemente apoyadas con escuadrías pequeñas y con tablero superior apoyado sobre vigas transversales.

Secciones compuestas por acero y concreto armado Estas secciones de puente por lo general están constituidas por un tablero de concreto armado y vigas de acero. Las razones de preferencia de que el tablero sea de concreto armado en las secciones compuestas son: 

Por su fácil construcción.



Por obtener secciones relativamente económicas



Por su gran resistencia frente a agentes atmosféricos como también al tráfico vehicular. - Y principalmente porque trabaja bajo solicitaciones en que este material se desempeña de mejor manera, es decir que el tablero de concreto armado se encarga de recibir esfuerzos de comprensión mientras que las vigas de acero asimilan los esfuerzos de tracción, dándose así una estructura compuesta que trabaja de la mejor manera.

Formas de los conectores Anteriormente se utilizaban como conectores de cortante algunos elementos como barras, espirales, ángulos, canales, secciones Z, tes, pedazos de viga I, etc. (Ver fig. 13). En la actualidad los conectores que más se utilizan son los de perno con cabeza por su facilidad en su colocación

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Ilustración 13 Formas de conectores: a) perno, b) placa inclinada, c) canal, d) espiral, e) ganchos

El perno con cabeza soporta la fuerza cortante horizontal trabajando a flexión, más que por aplastamiento del concreto contra él, y la cabeza proporciona resistencia contra el levantamiento del tablero.

Cuadro. 1 Tipos de conectores tipo perno

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Ilustración 14 Formas embebidas de los conectores en el concreto armado

El uso de las secciones compuestas por tablero de concreto y viga de acero en la construcción de puentes de carretera demuestra que para ciertas condiciones de implantación, tiene mayores ventajas comparativas con respecto al empleo de otros materiales, superando ampliamente a sus desventajas inherentes.

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas: Permite la utilización de materiales de alta resistencia. Ahorro de material, al fabricar elementos esbeltos. Significativa reducción del peso propio y del volumen de obra. Elevado rendimiento mecánico del concreto y del acero utilizado. Una vez lanzadas las vigas, estas sirven como apoyo a la construcción del tablero de concreto. Uso de encofrado solo para el tablero. Mayor rapidez de montaje y elaboración.

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La sección compuesta en entrepisos hechos con acero y concreto, aprovecha la resistencia del concreto a compresión al tiempo que la totalidad del acero o un alto porcentaje de este a tensión; con lo cual se logra que para las mismas cargas y claros se requieran menores secciones de perfiles estructurales. La sección compuesta genera una mayor rigidez y disminuye las deflexiones con respecto a los elementos individuales. Permite tener menores espesores de concreto en placas de entrepisos disminuyendo las cargas debidas al peso propio y por consiguiente ahorros en costos de estructura, mampostería, cimentación etc. Como resultado del diseño compuesto, el tamaño y peso de las vigas metálicas puede reducirse entre un 15% y 30%. La actuación bastante satisfactoria bajo las condiciones de fuego (todos los miembros y el sistema entero). Construcción Rápida (por ejemplo, pisos de láminas, las columnas tubulares llenas y conexiones de momento).

Desventajas: Representa una inversión inicial alta. Necesitan de un mantenimiento periódico de pintura, debido a que son propensos a la corrosión. Se requiere de transporte y equipo de montaje o lanzamiento Algunas desventajas asociadas con las secciones compuestas son que el concreto se desliza y se encoge.

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Además, las incertidumbres con respecto a la atadura mecánica (adhesión) desarrollada entre la sección de acero y concreto complica a menudo el diseño de juntas de la viga-columna.

6. SECCIONES COMPUESTAS POR VIGAS DE ACERO Y TABLERO DE CONCRETO ARMADO MÁS EMPLEADAS EN PUENTES DE CARRETERA : Estas secciones se pueden clasificar según se trate de viga metálica de alma llena (soldada o remachada) (fig. 15) y viga metálica en celosía (fig. 16) de paso superior, inferior o medio.

Ilustración 15 Sección compuesta de tablero de hormigón armado y vigas metálicas

Ilustración 16 Sección compuesta de tablero de hormigón armado y armadura metálica tipo WARREN con verticales (de paso superior)

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7. VIGAS COMPUESTAS: Son aquellas en que la sección está formada por la combinación de dos o más materiales y es una práctica muy común en ingeniería para la construcción de elementos estructurales Resultan convenientes en caso de escasez de materiales estructurales, integran materiales de diferentes propiedades, se pueden combinar materiales ligeros con materiales resistentes. En el diseño de vigas compuestas las que más fácilmente se diseñan y se construyen, es la sección formada por una viga laminada (simétrica, de patines anchos), y una losa de concreto que apoya en la viga de acero (Fig. Nº 17). Para proporcionar mayor estabilidad contra el pandeo del patín de compresión de la viga, este se puede embeber a la losa como se muestra en la Figura Nº 18, esta adherencia no se toma en cuenta en el diseño por cortante.

Ilustración 17 Ilustración 18

8. COMPORTAMIENTO DE VIGAS COMPUESTAS Y NO COMPUESTAS: En los edificios y vigas de acero de puentes a menudo deben soportar losas de concreto.

Bajo

las

cargas

de

servicio

cada

componente

actúa

independientemente con movimiento relativo o deslizamiento que ocurren en su adherencia. Si los componentes se conectan entonces el deslizamiento es eliminado, considerablemente reducido (Fig. Nº19), entonces la losa y la viga de acero actúan juntos como un compuesto, una unidad (Fig. Nº20). Hay un aumento consecuente en la fuerza y rigidez de la viga compuesta a la suma de los componentes.

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Ilustración 19 secciones típicas de vigas compuestas

Ilustración 20 Comportamiento de Vigas Compuestas y no Compuestas

9. TIPOS DE VIGAS COMPUESTAS:

9.1. VIGAS CON CUBREPLACA: En las vigas anteriores en ocasiones el eje neutro queda dentro de la losa, lo cual la parte superior de eje neutro queda en compresión y la parte inferior en tensión, lo que provocaría que la parte que está en tensión de la losa se agriete, y con el paso del tiempo se deteriore la misma. Para evitar este problema se le agrega una cubre placa al patín inferior de la viga para que el eje neutro baje y pueda quedar en la unión entre los dos elementos, para que la viga de acero trabaje totalmente en tensión y la losa de concreto en compresión.

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Ilustración 21 viga con Cubreplaca

9.2. VIGA EMBEBIDA: En el diseño por cortante se deben cumplir ciertos requisitos, lo cual en vigas que no tienen la suficiente adherencia o conexión para que los dos elementos trabajen como una sola sección; no se le pueda

considerar como compuesta. En el caso de vigas embebidas (Figura N°22), la adherencia debe ser tal que debe cumplir ciertos requisitos para que le pueda considerar como compuesta, anteriormente el uso principal del concreto en las vigas de acero era para protegerlas del fuego, sin que se tomara una acción compuesta.

Ilustración 22 Viga Embebida

9.3. VIGA T SOBRE T: En la Figura Nº 23 se muestra una viga compuesta “T sobre T”, en donde la “T” inferior es más grande que la “T” superior, ya que

en vigas compuestas simétricas los esfuerzos de compresión se suelen desplazar hacia la losa de concreto, por lo que se puede utilizar este tipo de vigas para que el eje neutro baje.

27

Ilustración 23 Viga T Sobre T 

9.4. VIGA CON “T” LAMINADA :

También se puede utilizar una “T”

laminada o formada con dos placas soldadas como se muestra en la Figura

Nº24.

Ilustración 24 Viga con T Laminada

9.5. VIGA CAJÓN: Como la sección cuadrada es la que tiene mayor rigidez a la torsión, lo cual las vigas cajón proporcionan esta propiedad, al igual que presentan buena capacidad para soportar cargas. Este tipo de secciones se pueden aprovechar como conductos de calefacción, aire acondicionado, para la protección contra los incendios se le puede usar para el paso de líquidos con agentes anticongelantes para el control de las altas temperaturas.

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Ilustración 25 Viga Cajón

10. DEFLEXIONES DE VIGAS COMPUESTAS: Las deflexiones de una viga compuesta son menores que una viga no compuesta, ya que la primera presenta mayor momento de inercia de la sección transfor mada y en consecuencia mayor rigidez; la deflexión de las sección compuesta es del orden del 35 al 55 % de la deflexión de las vigas no compuestas. Para el cálculo de las deflexiones se emplean las formulas del análisis elástico y como la deflexión es un estado límite de servicio, no de resistencia, se calculan con las cargas de servicio. Las deflexiones causadas por las cargas aplicadas antes de que el concreto fragüe, deben calcularse con el momento de inercia del perfil de acero. Para la deflexión causada por cargas vivas y para la deflexión inicial causada por las cargas muertas aplicadas cuando la losa actúa en forma compuesta con la viga de acero se calcula con el momento de inercia de la sección transformada calculado con la relación modular n.

11. BIBLIOGRAFIA AASHTO (2012). AASHTO LRFD bridge design specifications, sixth edition. Washington: American Association of State Highway and Transportation Officials. ASTM International (2013). Standard A796/A796M-13a: Standard Practice for Structural Design of Corrugated Steel Pipe, Pipe-Arches, and Arches for Storm and Sanitary Sewers and Other Buried Applications. Pennsylvania: ASTM International. McCormac, J., & Csernak, S. (2013). Diseño de estructuras de acero (5th ed.). México D.F.: AlfaOmega.

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