Puentes_Tesis

UNIVERSIDAD DE ORIENTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

TESIS: PROPUESTA DE DISEÑO DE UN PUENTE SOBRE EL RIO SAN FRANCISCO ENTRE LOS CASERÍOS LOS VÁSQUEZ Y LOS GRANADOS DEL CANTÓN VALLE NUEVO, MUNICIPIO DE SAN CARLOS, DEPARTAMENTO DE MORAZÁN.

PRESENTADO POR: DÍAZ MANZANO, FRANCISCO ALFREDO RAMÍREZ VILLATORO, MARIO EZEQUIEL SANDOVAL DÍAZ, SERGIO ISMAR

ASESOR: ING. JOSÉ HUMBERTO REYES GONZALES

FEBRERO DE 2013 SAN MIGUEL, EL SALVADOR, CENTROAMÉRICA.

UNIVERSIDAD DE ORIENTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD

RECTOR: DR. PEDRO FAUSTO ARIETA VEGA

VICERECTOR GENERAL: LIC. EVER ISRAEL MARTÍNEZ REYES

VICERECTORA ACADÉMICA: LICDA. MARÍA LUISA SEVILLANO MACHADO

SECRETARIO GENERAL: LIC. JUAN ALBERTO ULLOA ZELAYA FISCAL: DR. MAURICIO RAMÓN SUAREZ ROSALES DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA: ING. ROBERTO ALFREDO HERRERA LARIN

JURADO EVALUADOR

INGENIERO MIGUEL EDGARDO LÓPEZ PRESIDENTE

INGENIERO JOSÉ LUIS FIGUEROA ALBANES PRIMER VOCAL

ARQUITECTO MILTON RICARDO ANDRADE CHINCHILLA SEGUNDO VOCAL

INGENIERO JOSÉ HUMBERTO REYES GONZALES ASESOR ESPECIFICO

Agradecimientos. Agradezco a Dios por permitirme alcanzar este gran logro en esta etapa de mi vida, ya que El me dio fuerzas para llegar hasta aquí a pesar de todos aquellos obstáculos que se presentaron ante mí para la realización de este trabajo. Agradezco a mis padres Ismael y Lorena por su amor, su entrega, sus consejos, dedicación y trabajo inalcanzable, que hizo posible la realización de este trabajo, gracias por preocuparse siempre por mí educación, y por inculcar en mi valores y disciplina. A Laura mi esposa, amiga y compañera. Gracias por estar junto a mí en los malos

y

buenos

momentos

por

amarme,

ayudarme,

aconsejarme,

comprenderme y motivarme. Gracias a mis hermanos Diario y Amelia por ser aquellos que han servido como motivación para realizar este trabajo ya que quiero ser un gran ejemplo para ellos como hermano mayor, y enseñarles que todo aquello que uno desee hacer es posible realizarlo con esfuerzo y valor.

Francisco Alfredo Díaz Manzano.

Agradezco primeramente a Dios quién supo guiarme por el buen camino, darme fuerzas para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban, enseñándome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento.

Este trabajo se lo dedico en especial a mi abuela Gertrudis Villatoro (mami tula), quien ya no está conmigo, pero en el Cielo junto con Dios, sé que estará contenta porque terminé esta etapa de estudio.

Con mucho agradecimiento y amor dedico este trabajo a mi mamá Antonia Villatoro, a mi papá Toribio Ramírez, a mi abuela Catalina y a mi abuelo (Herminio que Dios lo tenga en gloria), a mis hermanos, tíos, Primos y amigos. Gracias por su apoyo, consejos, comprensión, amor, ayuda en los momentos difíciles, y por ayudarme con los recursos necesarios para estudiar. Me han dado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi carácter, mi empeño, mi perseverancia, mi coraje para conseguir mis objetivos.

Gracias por estar siempre presentes, acompañándome para poderme realizar.

La adversidad es el mejor campo en donde crecen los árboles de valentía y se producen los frutos del triunfo “CESAR GUZMAN”

Mario Ezequiel Ramirez Villatoro

Este logro se lo dedico a Dios, por darme la oportunidad de vivir y por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el periodo de estudio. A mis Padres (José Isidro Díaz y Elena De Jesús Sandoval), por darme la vida, quererme mucho, creer en mí y porque siempre me apoyaron. Padres, gracias por darme una carrera para mi futuro, es la mejor herencia que me pudieran dar, todo esto se los debo a ustedes. A Claudia Icela Martínez, por ser una persona excepcional. Quien me ha brindado su apoyo incondicional y ha hecho suyos mis preocupaciones y problemas: Gracias por tu amor, paciencia y comprensión. A mis hermanos y amigos. Gracias por su comprensión, su apoyo y consejos en los momentos más críticos de mi vida. Gracias a todos…

“La persona feliz jamás se afana por poseer mucho, disfruta plenamente de lo que tienes, en calidad no en cantidad.” -Bernabé Tierno

SERGIO ISMAR SANDOVAL DIAZ

Ingeniería de puentes.

CONTENIDO: Capítulo I: Antecedentes del Proyecto. ...................................................................... 1 1.1 Introducción........................................................................................................ 1 1.2 Planteamiento del problema.............................................................................. 2 1.3 Situación problemática. ..................................................................................... 4 1.4 Enunciado del problema. ................................................................................... 5 1.5 Justificación........................................................................................................ 5 1.6 Objetivos. ........................................................................................................... 6 1.6.1 Objetivo general: ......................................................................................... 6 1.6.2 Objetivos específicos: ................................................................................ 6 1.7 Alcances y limitaciones. .................................................................................... 7 1.7.1 Alcances: ..................................................................................................... 7 1.7.2 Limites:......................................................................................................... 8 Capítulo II: Marco Referencial. ................................................................................. 10 2.1 Generalidades de Puentes .............................................................................. 10 2.1.1 La Superestructura. ................................................................................... 10 2.1.2 La Subestructura. ..................................................................................... 21 2.1.3 Fundaciones. ............................................................................................. 42 2.1.4 Accesorios y Características Relacionadas al Sitio del Puente. ............ 46 2.2 Requerimientos de Diseño estructural. ........................................................... 49 2.2.1 Cargas de diseñ. ....................................................................................... 49 2.2.2 Grupos de combinaciones de cargas. ...................................................... 71 2.2.3 Métodos de diseño. ................................................................................... 78 2.3 Factor de distribución. ..................................................................................... 82 2.3.1 ¿Cómo se distribuyen las cargas? ........................................................... 82 I

Ingeniería de puentes. 2.3.2 Diferentes tipos de distribuciones de cargas. .......................................... 87 2.4 Losas de hormigón. ......................................................................................... 89 2.4.1 Longitud de tramo efectivo. ....................................................................... 89 2.4.2 Calculo del momento flector. .................................................................... 91 2.4.3 La distribución del refuerzo. ...................................................................... 93 2.4.4 Espesor mínimo de la losa. ....................................................................... 94 2.4.5 Cargas de barandales. .............................................................................. 95 2.4.6 Método AASHTO LRFD. ........................................................................... 96 2.4.7 Detalle del refuerzo de la losa. ................................................................. 97 2.5 Construcciones mixtas. ................................................................................... 98 2.5.1 Acción compuesta. .................................................................................... 98 2.5.2 Construcción apuntalada y no apuntalada. ............................................ 102 2.5.3 Ancho de ala efectiva. ............................................................................. 103 2.5.4 La sección transformada. ........................................................................ 104 2.5.5 Efectos de la fluencia. ............................................................................. 106 2.5.6 La selección de un perfil laminado. ........................................................ 107 2.5.7 Resistencia de la sección compuesta – método LFD. ........................... 108 2.5.8 Resistencia de la sección compuesta – método LRFD. ........................ 112 2.6 Diseño de conectores de cortante. ............................................................... 117 2.6.1 La fatiga. .................................................................................................. 118 2.6.2 Otras restricciones geométricas. ............................................................ 122 2.6.3 Efectos de la utilización de formaletas. .................................................. 123 2.6.4 Resistencia última. .................................................................................. 124 2.7 Atiesadores de apoyo con vigas laminadas. ................................................ 130 2.8 Deflexiones. ................................................................................................... 130

II

Ingeniería de puentes. 2.9 Combadura. ................................................................................................... 134 2.10 Concreto preesforzado. ............................................................................... 135 2.10.1 Descripción general del hormigón pretensado. ................................... 136 2.10.2 Las vigas pretensadas. ......................................................................... 137 2.10.3 Vigas postensionadas. .......................................................................... 138 2.10.4 Aplicación del concreto Pre- y Postensionado. .................................... 139 2.10.5 Aceros para preesfuerzo. ...................................................................... 139 2.10.6 Concreto para preesfuerzo. .................................................................. 140 2.10.7 Vigas compuestas. ................................................................................ 141 2.10.8 Ancho de ala efectiva. ........................................................................... 142 2.10.9 El cortante horizontal. ........................................................................... 143 2.10.10 Fuerza de preesfuerzo requerida. ...................................................... 145 2.10.11 Perdidas de preesfuerzo. .................................................................... 149 2.10.12 Esfuerzos admisibles. ......................................................................... 158 2.10.13 Resistencia a la flexión. ...................................................................... 159 2.11 Tipos de Puentes y sus Aplicaciones ......................................................... 161 2.11.1 Tipos de Puentes y su Aplicación. ........................................................ 163 2.11.2 Puentes para Claros Pequeños. ........................................................... 165 2.11.3 Puentes para Claros Medianos. ........................................................... 169 2.11.4 Puentes para Claros Grandes .............................................................. 171 2.11.5 Puentes para Claros Excepcionalmente Grandes ............................... 173 2.12 Criterios para la Selección del Tipo de Puente. ......................................... 175 2.12.1 Las Condiciones Geométricas del Sitio................................................ 175 2.12.2 Condiciones del Subsuelo del Sitio ...................................................... 175 2.12.3 Requisitos Funcionales ......................................................................... 176

III

Ingeniería de puentes. 2.12.4 Requisitos Estéticos .............................................................................. 176 2.12.5 Economía y Facilidad de Mantenimiento ............................................. 176 2.12.6 Consideraciones de Construcción y de Montaje................................. 177 2.12.7 Consideraciones Legales ...................................................................... 178 2.13 Consideraciones de diseño ante movimientos sísmicos. .......................... 178 2.14 Estudios geotécnicos en la ingeniería de puentes. .................................... 186 2.14.1 Exploración de suelos ........................................................................... 187 2.14.2 Métodos de exploración ........................................................................ 187 2.14.3 Pozos a cielo abierto ............................................................................. 188 2.14.4 Pasteadora y Barreno helicoidal ........................................................... 189 2.14.5 Método de lavado .................................................................................. 190 2.14.6 métodos de penetración estándar. ....................................................... 192 2.14.7 Métodos de penetración cónica. ........................................................... 195 2.14.8 Perforación en boleos y gravas. ........................................................... 198 2.14.9 Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado. ................................... 199 2.14.10 Método rotatorio para roca.................................................................. 199 2.14.11 Numero, Tipo y Profundidad de los sondeos ..................................... 201 2.15 Socavación en puentes. .............................................................................. 202 2.15.1 Socavación normal o general. .............................................................. 203 2.15.2 Socavación local en pilas. ..................................................................... 204 2.15.3 Métodos para prevenir la socavación ................................................... 204 2.16 Estudios hidrológicos en la ingeniería de puentes. .................................... 206 2.16.1 Principales características físicas de una cuenca. .............................. 208 2.16.2 Características físicas de comparación para el estudio hidrológico ... 210 2.17 Estudio hidráulico en la ingeniería de puentes. .......................................... 222

IV

Ingeniería de puentes. 2.17.1Coeficiente de rugosidad de manning ................................................... 223 2.17.2 Curva de descarga natural.................................................................... 225 2.17.3 Tirante crítico y huella en el talud ......................................................... 226 2.17.4 Velocidad del agua ................................................................................ 227 2.17.5 Longitud del claro y cota del tablero. .................................................... 228 Capítulo III: Estudios Técnicos. .............................................................................. 231 3.1 Introducción.................................................................................................... 231 3.2 Estudio Poblacional. ...................................................................................... 232 3.3 Estudio Topográfico. ...................................................................................... 237 3.3.1 Criterios para la selección del tipo de obra. ........................................... 237 3.3.2 Alineamiento de la obra. ......................................................................... 237 3.3.3. El alineamiento horizontal y vertical del camino. .................................. 238 3.3.4. Levantamiento Topográfico. .................................................................. 238 3.4 Estudio Hidrológico. ....................................................................................... 240 3.4.1 Calculo de las características físicas de la cuenca................................ 240 3.4.2 Selección del periodo de retorno. ........................................................... 242 3.4.3 Calculo del tiempo de concentración...................................................... 243 3.4.4 cálculo del coeficiente de escorrentía. ................................................... 244 3.4.5 Calculo de la intensidad de diseño. ........................................................ 246 3.4.6 Calculo del caudal de diseño. ................................................................. 248 3.5 Estudio Hidráulico. ......................................................................................... 249 3.6 Estudio Geotécnico........................................................................................ 251 3.6.1 Introducción. ............................................................................................ 251 3.6.2 Trabajo de campo. .................................................................................. 251 3.6.3 Ensayos de Laboratorio. ......................................................................... 252

V

Ingeniería de puentes. 3.6.4 Resultados obtenidos. ............................................................................. 252 3.7 Estudio de Tráfico. ......................................................................................... 255 3.8 Condiciones Climatológicas .......................................................................... 261 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural. ............................................................. 264 4.1 Introducción.................................................................................................... 264 4.2 Consideraciones de Diseño. ......................................................................... 264 4.3 Análisis y Diseño de la Superestructura. ...................................................... 266 4.3.1 Propuesta estructural #1: Superestructura con Largueros de Acero. ... 266 4.3.2 Propuesta estructural #2: Superestructura con largueros de concreto preesforzado. .................................................................................................... 301 4.3.3 Diseño estructural de la subestructura. .................................................. 335 4.3.4 Diseño estructural de los apoyos. .............................................................. 405 4.3.4.1 Diseño estructural del apoyo de expansión. ....................................... 405 4.3.4.2 Diseño estructural del apoyo fijo. ........................................................ 415 1. Diseño de la almohadilla elastomérica ........................................................ 415 2. Diseño de placa curva. ................................................................................. 416 3. Diseño de placa de apoyo:........................................................................... 418 4. Barra de anclaje. .......................................................................................... 419 5. Placa de unión limite. ................................................................................... 419 Capitulo V: Introducción al CSIBridge. ................................................................... 421 5.1 Introducción.................................................................................................... 421 5.2 Descripción y aplicación de los comandos del CSIBridge. .......................... 423 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge. ................................ 493 6.1 Introducción.................................................................................................... 493 6.2 Análisis y Diseño estructural. ........................................................................ 493

VI

Ingeniería de puentes. 6.2.1 Propuesta estructural #1: Superestructura con largueros de Acero. .... 493 6.2.2 Propuesta estructural #2: Superestructura con largueros de concreto preesforzado. .................................................................................................... 514 Capítulo VII: Comparación de resultados. .............................................................. 536 7.1 Introducción.................................................................................................... 536 7.2 Resultados para la Propuesta estructural #1. .............................................. 536 7.3 Resultados para la Propuesta estructural #2. .............................................. 538 Capítulo VIII: Evaluación económica. ..................................................................... 541 8.1 Introducción.................................................................................................... 541 Capitulo IX: Conclusiones y recomendaciones. ..................................................... 551 Conclusiones. ....................................................................................................... 551 Recomendaciones. .............................................................................................. 552 Anexos. .................................................................................................................... 553 Bibliografia............................................................................................................ 554 Glosario. ............................................................................................................... 558 Diseño de Bloque Sísmicos................................................................................. 563 Planos estructurales: Puente con largueros de acero........................................ 567 Planos estructurales: Puente con largueros de concreto. .................................. 573

VII

Ingeniería de puentes.

Introducción.

En la actualidad El Salvador se encuentra afectado por diferentes factores económicos, sociales y ambientales que lo obligan a la búsqueda continua del desarrollo de sus pueblos y ciudades, estos factores tales como la globalización, superpoblación, desempleo, desastres naturales, etc. Originan exigencias y necesidades que deben suplirse de forma inmediata.

Los puentes son estructuras que proporcionan una vía de paso para salvar cualquier accidente topográfico, de la naturaleza y provocados por el humano, Entre otros. Uno de los problemas más latentes en la población en estudio es la falta de infraestructura vial que facilite el acceso.

Este trabajo pretende brindar al ingeniero un documento que tenga todos aquellos conocimeintos básicos recopilados atravez de la historia de la ingeniería de puentes, y se vuelva una guía de diseño estructural dando a conoc er los reglamentos, la forma de aplicación de estos, los estudios necesarios a ejecutar para llevar a cabo la ejecución exitosa de un proyecto de esta índole que es la construcción de una obra de paso.

Ademas se muestra todos aquellos aspectos a considerar cuando un diseño estructural se realiza ejecutando procedimientos de análisis y diseño tradicionales, ya que el ingeniero debe de tener la capacidad de interpretar resultados, capacidad que solamente se adquiere atravez de los procedimientos tradicionales, sin embargo es necesario dar a conocer las herramientas que facilitan el proceso de diseño estructural que en este caso esta trabajo da a conocer el software CSIBridge.

VIII

Ingeniería de puentes.

CAPITULO I: ANTECEDENTES DEL PROYECTO

Ingeniería de puentes.

Capítulo I: Antecedentes del Proyecto. 1.1 Introducción.

En la actualidad El Salvador se encuentra afectado por diferentes factores económicos, sociales y ambientales que lo obligan a la búsqueda continua del desarrollo de sus pueblos y ciudades, estos factores tales como la globalización, superpoblación, desempleo, desastres naturales, etc. Originan exigencias y necesidades que deben suplirse de forma inmediata.

Los puentes son estructuras que proporcionan una vía de paso para salvar cualquier accidente topográfico, de la naturaleza y provocados por el humano, Entre otros. El cantón Valle Nuevo es dividido por el Rio San Francisco en los caseríos los Vásquez y los Granados, y es precisamente en este punto donde se ha vuelto necesario la construcción de un puente, debido a que ésta es una calle con un nivel de tránsito considerable por ser la principales ruta de acceso al cantón san marcos y el asentamiento Santa bárbara. Al no contar con un puente en este punto, el paso se vuelve difícil para todas las personas que viajan desde los caseríos los Vásquez y los Granados, obligando a la población al uso de vías alternas las cuales no se encuentran en un buen estado por no s er vías de uso frecuente ya que estas solamente son utilizadas en la época de invierno y esto viene a generar pérdidas de tiempo y dinero a la población de estos caseríos. La presente investigación titulada “PROPUESTA DE DISEÑO DE UN PUENTE UBICADO SOBRE EL RIO SAN FRANCISCO, CANTÓN VALLE NUEVO MUNICIPIO DE SAN CARLOS, DEPARTAMENTO DE MORAZÁN”, en las coordenadas geodésicas

13°37'53.8"N, 88° 5'38.92"O al sur de la comunidad de

San Carlos, pretende establecer un apropiado diseño del Puente a implementar en el punto de estudio, con el único objetivo de mejorar las condiciones de acceso y salida a la comunidad. Es evidente que al implementar una estructura de este tipo será notable el desarrollo que generará en las comunidades involucradas. 1 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

1.2 Planteamiento del problema.

En vista a la necesidad de una buena vía de acceso entre los caseríos

los

Vásquez y los Granados en el cantón Valle Nuevo, es necesaria la construcción de un puente y este formaría parte de una segunda vía de acceso al asentamiento Santa Bárbara.

Figura 1.1

La calle principal que conduce al cantón San Marcos es dividido por el Rio San Francisco en los caseríos los Vásquez y los Granados, esta vía es la que conecta a la carretera Litoral CA-7 conocida como la ruta de la Paz y por ende comunica al Oriente con la Ciudad de San Francisco Gotera, al Poniente con el departamento de San Miguel y al sur con Santa Rosa de Lima, además de comunicar a la ciudad de san Carlos que es la más cercana.

En este tramo de la calle principal, el Rio San Francisco intercepta esta calle, impidiendo el paso de peatones, semovientes, bicicletas, automóviles y autobuses que se dirigen a las comunidades vecinas, también hay que recalcar que el Centro escolar se encuentra en el caserío los Vásquez por lo que la población estudiantil del caserío los granados es obligados a cruzar el rio, además en el caserío los 2 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes. Vázquez se encuentran dos canchas de futbol en el cual se llevan a cabo actividades de distinta índole, por lo tanto la población afectada por la falta de este tipo de estructura no solamente son los pobladores del cantón Valle Nuevo por lo que este acceso se vuelve mucho más transitado, esta situación se vuelve aun mas difícil en la época de invierno cuando se hacen presentes las lluvias y las escorrentías provenientes de las zonas altas del norte de Morazán.

Figura 1.2

figura 1.3

Dado que este Rio es abastecido por decenas de quebradas tributarias ubicadas aguas arriba del punto de interés y que la magnitud de la cuenca es de tamaño considerable hace que el flujo de agua lluvia que pasa a través de ella se convierta en una corriente muy fuerte, impidiendo el paso de cualquier tipo de vehículo.

3 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

1.3 Situación problemática.

Los caseríos los Vásquez y los Granados se encuentran divididos por el rio San Francisco el cual en época de invierno deja incomunicado ambos caseríos, esto ha generado un gran problema a los pobladores ya que estos están obligados a la búsqueda de vías alternas para poder desarrollar las distintas actividades del día a día de cada poblador.

Figura 1.4 En el caserío los Vásquez se encuentran dos canchas de futbol en las cuales se desarrollan distintas actividades de sano esparcimiento, lo cual genera que personas de otras comunidades asistan a este tipo de actividades, obligándolos en épocas de invierno a la utilización de vías alternas para llegar a los lugares antes mencionados, generando gran incomodidad, pérdidas de tiempo, pérdidas económicas, y además poniendo en riesgo sus vidas debido a la situación delincuencial de nuestro país.

4 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

1.4 Enunciado del problema.

¿La investigación dará como resultado un diseño en el cual se proporcione una estructura económica sin afectar todos aquellos requisitos de seguridad, servicio y resistencia establecida por códigos internacionales?

1.5 Justificación. En nuestro medio existen muchas comunidades que se encuentran aisladas vía terrestre en épocas invernales por efecto de las crecidas de los ríos, quedando una gran extensión de tierra sin la explotación agrícola, comercial, ganadera, etc. qué de ser aprovechadas tendrían un mejor desarrollo social, económico, cultural, etc.

Para proporcionar acceso a muchas zonas de importancia económica, política y social, existen las obras de paso, estos son estructuras que proporcionan una vía de acceso para salvar obstáculos sobre ríos, lagos, quebradas, valles, pasos a desnivel, carreteras, entre otros. La construcción de una obra de paso entre los caseríos los Vásquez y los granados sobre el rio san francisco se ha vuelto necesaria para la población, ya que genera grandes pérdidas de dinero, tiempo y pone en riesgo la vida de las personas, es por ello que surge la necesidad de la construcción de esta infraestructura y eso solamente se llevara a cabo si se construye una estructura económica y que además cumpla con todos los requisitos de servicio y resistencia que establecen los reglamentos internacionales y resultaría de un diseño estructural adecuado.

Al realizar el diseño estructural se estará iniciando con el proceso de formulación de este proyecto que será de gran ayuda para la institución que le compete la ejecución de este obra, ya que se proporcionara atreves del diseño estructural una estructura económica sin hacer a un lado la seguridad.

5 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

1.6 Objetivos.

1.6.1 Objetivo general:  Diseñar un puente sobre el rio San Francisco entre los caseríos los Vásquez y los Granados para contribuir a solventar la problemática de comunicación y desarrollo que actualmente está afectando a la comunidad del cantón Valle Nuevo, perteneciente al municipio de San Carlos. 1.6.2 Objetivos específicos:  Proponer dos alternativas estructurales para que ambas se evalúen tanto constructiva como económicamente, para luego proseguir a su selección.  Con la propuesta de diseño obra de paso de la cual se tendrá la certeza de su economía constructiva se busca incentivar a aquellas entidades gubernamentales del municipio a la construcción de esta obra, para poder solucionar los problemas de estas comunidades.  Reducir el número de incidentes en la localidad debido a las crecidas del rio San Francisco con el diseño de una obra de paso con la suficiente capacidad hidráulica.  Diseñar una estructura que cumpla con los requisitos de seguridad, resistencia, servicio, confort y estética que necesitan las comunidades beneficiadas de manera directa y indirectamente por la construcción de esta obra de paso.  Proporcionar un documento al estudiante de ingeniería civil enfocado en la ingeniería de puentes con el suficiente fundamento teórico y práctico para que este se ha de utilidad en la formación profesional del ingeniero civil.

6 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

1.7 Alcances y limitaciones.

1.7.1 Alcances:

 Dentro de los estudios que se realizaran para el diseño estructural se encuentran: Estudio Poblacional, Estudio Topográfico, Estudio Hidrológico, Estudio Hidráulico, Estudio Geotécnico, Estudio de Trafico, Estudio Climatológico.  Para el diseño estructural se evaluaran dos tipos de sistemas estructurales, el primer sistema consistirá en un puentes con largueros de concreto preesforzado y el segundo sistema consistirá en un puente con largueros de acero.  Se diseñaran dos sistemas estructurales para luego seleccionar el sistema más económico atreves de la realización de una evaluación económica.  Para cada sistema estructural se realizaran sus respectivos planos independientemente del sistema estructural seleccionado a través de la evaluación económica.  Se dará a conocer el uso del programa de diseño CSIBridge a través de un manual introductorio y complementado con la realización de los diseños estructurales de los distintos sistemas estructurales propuestos.  Se realizara el proceso de análisis y diseño estructural utilizando métodos tradicionales (Método de cálculo manual) y utilizando el CSIBridge de manera de que este documento se convierta en una guía de diseño estructural que contribuya a la formación académica de los estudiantes de Ingeniería Civil.

7 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes. 1.7.2 Limites:

 El diseño estructural estará regido por todos los reglamentos nacionales y por las normas internacionales que sean aplicables según el sistema constructivo seleccionado.  Dentro del estudio no se realizara ningún tipo de factibilidad debido a que este tiene un enfoque meramente estructural y económico, la ejecución de las factibilidades para la construcción de esta estructura le corresponderá a la entidad competente.  El presupuesto para cada sistema estructural solamente tendrá una vigencia de tres meses, ya que los precios de los materiales varían con el tiempo, convirtiéndose el presupuesto solamente en el documento que sirve como el punto de partida para la selección del sistema con mayor viabilidad económica.  El sistema estructural básico a tomar como base de estudio y de diseño será de largueros simplemente apoyados.  La filosofía de diseño a utilizar para el análisis y diseño de los distintos elementos estructurales será mediante el método LRFD.  Las especificaciones técnicas serán detalladas en los planos estructurales, estas

especificaciones

mencionaran

todos

aquellos

aspectos

técnicos

referentes al diseño estructural como las propiedades de los materiales, los códigos de diseño, y las cargas de diseño.

8 Capítulo I: Antecedentes del proyecto

Ingeniería de puentes.

CAPITULO II: MARCO REFERENCIAL

Ingeniería de puentes.

Capítulo II: Marco Referencial. 2.1 Generalidades de Puentes1

Como es el caso en cualquier profesión, la ingeniería de puentes posee su propio y único idioma que debe ser entendido para crear una base uniforme de discusión. La Figura 2.1 muestra una típica estructura de losa sobre vigas que lleva una vía del camino en paso elevado (overpass) encima de otro camino. A continuación se da una breve apreciación global de algunos de los muchos términos relativos a puentes que estaremos usando a lo largo de este trabajo.

2.1.1 La Superestructura. La superestructura comprende todos los componentes de un puente sobre los apoyos. La Figura 2.2 muestra una superestructura típica. Los componentes básicos de la superestructura consisten en los siguientes:  Superficie de Desgaste o Rodamiento (wearing surface).  Tablero (deck).  Miembros Primarios.  Miembros Secundarios 2.1.1.1 Superficie de Desgaste o Rodamiento (wearing surface). La superficie (capa) de desgaste o rodamiento es esa porción de la sección transversal del tablero que resiste el paso de tráfico. En la mayoría de los casos ésta es una capa separada hecha de material bituminoso. La superficie de rodamiento normalmente varía en espesor de 2 a 4 pulgadas (51 a 102 mm); sin embargo, éste espesor a veces puede ser más grande debido al recarpeteo por encima de la carretera que ocurre durante el ciclo de vida de un puente.

1

Chen, W. F., & Duan, L. (2000). Bridge Engineering Handbook. Washington, D.C., United States of America: CRC Prees LLC.

10 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

11 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.1.2 Tablero (deck). El tablero es la extensión física del camino a través de la obstrucción a ser ponteada. En la Figura 2.2, el tablero es una losa de concreto reforzado. En un puente ortotrópico, el tablero es una placa de acero rigidizada. La función principal del tablero es distribuir cargas a lo largo de la sección del puente o transversalmente. El tablero descansa sobre o se integra con un armazón u otro sistema estructural diseñado para distribuir cargas a lo largo de la longitud del puente o longitudinalmente.

Figura 2.2 Componentes principales de la superestructura de un puente tipo MIXTO o losa sobre vigas.

12 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.1.3 Miembros Primarios. Los miembros primarios distribuyen cargas longitudinalmente y son usualmente diseñados principalmente para resistir flexión. En la Figura 2.2, los miembros primarios consisten de vigas roladas de patín ancho. En algunos casos, los miembros primarios externos o de fascia poseen un gran peralte y pueden tener una cubreplaca soldada al patín inferior de ellos para llevar un parapeto adicional o carga de acera así como proveer de una estructura más agradable estéticamente. Los miembros primarios tipo viga tales como éste también son llamados vigas longitudinales (stringers) o vigas compuestas (girders). Estas vigas longitudinales podrían ser vigas compuestas de placas de acero (por ejemplo: placas de acero soldadas juntas para formar una sección I), de concreto reforzado, de concreto pre-esforzado, de madera laminada, o algún otro tipo de viga. A veces en lugar de tener la losa descansando directamente en el miembro primario, ésta se apoya en un filete de espesor pequeño (5 cm.) llamado haunch que se pone entre el tablero losa y el patín superior de la viga longitudinal. También es posible que la superestructura del puente esté formada por una sección en forma de caja (rectangular o trapezoidal). Puentes con viga en forma de cajón pueden ser construidos sin acero o de concreto pre-esforzado y se usan en situaciones donde se requieren longitudes de claro grandes. Los miembros primarios pueden clasificarse en dos clases:  Miembros Primarios de Acero  Miembros Primarios de Concreto

Miembros Primarios de Acero Los miembros primarios de acero pueden ser de una gran variedad de tipos, algunos de los cuales se describen a continuación:

13 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 

La Viga Laminada. La viga laminada o perfilada es un elemento de acero que se fabrica por un proceso de laminación en caliente. El tipo más común de viga laminada usado como un miembro primario en los puentes carreteros es la viga de patín ancho en forma de I (Figura 2.2).



La Viga Laminada con Cubreplacas. Para economizar el material, las vigas laminadas son a veces provistas con una placa rectangular, o cubreplaca, en el patín inferior (Figura 2.2). La cubreplaca incrementa la habilidad de la viga para resistir la flexión sin tener que usar un tamaño más grande de viga laminada o trabe armada.



Trabe Armada con Placas. Una trabe armada, como una viga perfilada, tiene una sección transversal de tipo I, pero en lugar de haber sido laminada en caliente, la viga se construye de placas de acero que se conectan juntas con soldaduras, pernos, o remaches. Para los puentes de carretera modernos, la soldadura de taller es el método más predominante. Con este tipo de viga se economiza material ya que el diseñador especifica adecuadamente las propiedades de la sección (es decir, ancho de patín y espesor, peralte del alma, etc.). Para reducir grandemente la cantidad de acero usada, el peralte de las trabes armadas pueden variarse, para acomodar regiones de momento y/o cortante bajo y alto. Las trabes armadas tienen una ventaja sobre las vigas perfiladas ya que pueden usarse en longitudes de claros más grandes.

Miembros Primarios de Concreto. Existen varios tipos de miembros de concreto, de los cuales se describen a continuación, las vigas de concreto pre-esforzado, por ser el tipo más importante:

14 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 

Vigas de Concreto Pre-esforzado.

El concreto pre-esforzado utiliza una fuerza aplicada que aumenta la compresión interior en la viga de concreto reduciendo por eso o eliminando los esfuerzos debidos a la tensión en la viga cuando está cargada. Hay una variedad de métodos para aplicar la fuerza de pre-esfuerzo a un miembro de concreto. Para aplicar la fuerza de pre-esfuerzo, pueden ponerse “jacks” en cualquier extremo de la viga y hacerlos una parte permanente de la estructura. Tal configuración, sin embargo, estaría sumamente susceptible al movimiento en los apoyos que podrían llevar a una reducción en la fuerza de pre-esfuerzo. Una solución muy popular es utilizar cables de acero o tendones que son embebidos dentro de la viga de concreto y anclados a los extremos del miembro. Las vigas de concreto pre-esforzado de acuerdo con el método de pre-esfuerzo pueden ser de dos clases: 

Vigas pretensadas



Vigas post-tensadas.

Vigas Pretensadas. En una viga pretensada, antes de la colocación de concreto, los tendones son tensados por la aplicación de una fuerza de tracción (normalmente con “jacks” hidráulicos). La magnitud de la fuerza de pre-esfuerzo varía, dependiendo de la viga misma y de las cargas aplicadas. Una vez el concreto ha endurecido alrededor de los tendones, ellos son liberados. Los tendones buscan restaurarse a su longitud original inmediatamente. Es esta respuesta la que introduce la fuerza compresiva que a su vez elimina la tensión a las fibras del fondo de la viga. A veces las vigas pretensadas se fabrican en moldes, donde los tendones son anclados entre estribos grandes conocidos como camas de pretensado. Un método alternativo a este procedimiento es embeber las anclas dentro de la propia viga. 15 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Una ventaja mayor del procedimiento de pretensado es que se presta bien a la producción de vigas en masa. Un método para mejorar la eficiencia de las vigas pretensadas es desviar en forma ascendente o descendente los tendones de pre-esfuerzo a lo largo de la longitud de la viga. Este proceso es conocido como “harping”.

Vigas Post-tensadas. En una viga post-tensada, los tendones de acero son tensados después de que el concreto ha tenido tiempo para endurecer. Los tendones están incorporados en la viga de concreto en cualquiera de las siguientes dos formas: 

Adheridos



No adheridos

Los tendones adheridos se colocan dentro de agujeros hechos en el miembro de concreto. Estos agujeros pueden formarse de conductos de metal o tubos de plástico. Después de que el concreto ha endurecido y la tensión de posttensado es aplicada, el espacio entre el agujero y el tendón se llena con lechada de cemento para que el tendón/tubo se una al concreto circundante de la viga. Los tendones no adheridos simplemente se engrasan y se envuelven en papel. Después de que la fuerza de post-tensado es aplicada, ellos se dejan como están, o sea no adheridos al concreto circundante de la viga. A veces se usa papel impermeable para proteger los tendones contra la corrosión. También puede proporcionarse un componente anticorrosivo a la grasa usada. Las dos de estas formas requieren la incorporación de un anclaje en los extremos del miembro post-tensado. El proceso de pretensado tiene la ventaja de ajustarse bien a la producción en masa, pero el post-tensado es más ventajoso porque se puede post-tensar miembros prefabricados o colados en el lugar lo que le proporciona flexibilidad 16 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

al diseñador. Las vigas pretensadas se producen típicamente en tamaños y geometrías normales, las vigas post-tensadas pueden personalizarse para encajar a las condiciones de sitio específicas.

Las vigas de concreto pre-esforzado pueden tener secciones transversales con diversas geometrías como se muestra en la Figura 2.3 y 2.4.

Figura 2.3 Tres diferentes tipos de vigas I de concreto pre-esforzado, especificadas por AASHTO.

Figura 2.4 Dos vigas-T con bulbo de concreto pre-esforzado, especificadas por AASHTO.

17 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.1.4 Miembros Secundarios. Los miembros secundarios son arriostramientos entre los miembros primarios diseñados para resistir deformación de la sección transversal del armazón de la superestructura y ayudar a distribuir parte de la carga vertical entre las vigas longitudinales permitiendo a la superestructura trabajar junta como una unidad. Los miembros secundarios pueden ser de dos clases generales:  Diafragmas  Arriostramientos laterales

Los Diafragmas. Un diafragma es un miembro secundario sujetado entre las vigas longitudinales, en el plano vertical, que actúa para rigidizar al miembro primario y ayuda a distribuir las cargas verticales. Para superestructuras de acero, cuyos miembros primarios son vigas roladas o trabes armadas con placas, pueden usarse diafragmas formados por vigas roladas. Para miembros primarios de vigas roladas, el diafragma debe estar por lo menos a un tercio o a la mitad del peralte del miembro primario. Los diafragmas para las trabes armadas deben estar a un medio o a tres cuartos del peralte de la trabe. Cuando el miembro primario en una superestructura de acero es muy peraltado [aproximadamente 48 pulg. (1.2 m)] Y muy largo o cuando se usan vigas curvadas, se deben utilizar diafragmas tipo marco transversal. Los marcos transversales se componen típicamente de ángulos de acero configurados en forma de (X) o uve (V). La Figura 2.5 muestra un detalle típico de un miembro secundario tipo marco transversal,

de una superestructura de trabes armadas de acero. En

estructuras con vigas cajón de acero, este tipo de arriostramiento se usa dentro de la viga cajón para aumentar la rigidez del miembro. Los diafragmas de acero se conectan típicamente a las vigas longitudinales con una placa de conexión. La placa de conexión se emperna o se suelda al miembro primario y al diafragma. 18 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

En la Figura 2.2 una vista detallada de una superestructura de puente muestra diafragmas tipo canal usado entre las vigas longitudinales de sección perfilada. Los canales están empernados a placas de acero de conexión que se sueldan a su vez en las vigas longitudinales de ala ancha mostradas. Las estructuras con miembros primarios

de concreto pre-esforzado utilizan diafragmas de

concreto. Los diafragmas de concreto se fijan con barras a las vigas preesforzadas. Otra alternativa es colar en el lugar los diafragmas junto con las vigas y fijarlos juntos con reforzamiento para formar una unidad integrada.

Figura. 2.5 Arriostramiento tipo marco–transversal para una superestructura de trabes armadas. (Tomada de Standard Plans for Highway Bridges,vol.II, Structural Steel Superstructures, FHWA, Ref 3.9.)

19 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Arriostramientos Laterales El arriostramiento localizado en el patín superior o patín inferior de una trabe armada para prevenir la deformación lateral se llama arriostramiento lateral. Su configuración es similar a la de un marco transversal en forma de X, pero a lo largo de la longitud de la trabe armada (en el plano horizontal), no a lo largo de su peralte (vea Figura 2.6). El arriostramiento lateral no se requiere en patines de trabes unidas a un elemento rígido, tal como una losa de concreto o entre vigas cajón. En general, en claros menores de 125 pies

(38.1 m) no se

requieren arriostramientos laterales, siempre que ellos tengan un sistema de diafragmas o marcos transversales. Los arriostramientos laterales, sin embargo, también

pueden

agregar

estabilidad

a la superestructura

durante la

construcción y, para los claros grandes, pueden ser deseables desde este punto de vista. El arriostramiento lateral es un tipo de miembro secundario para resistir deformación lateral causada por cargas actuando perpendicularmente al eje longitudinal de un puente. Las fuerzas del viento son un ejemplo de este tipo de carga. En puentes de acero curvados horizontalmente, como el mostrado en la Figura 2.6, el arriostramiento lateral refuerza la capacidad de la superestructura para resistir torsión (por ejemplo: torciendo sobre el eje longitudinal del puente).

Figura 2.6 Arriostramiento lateral sobre un puente de vigas compuestas de acero, curvado horizontalmente 20 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

El espaciamiento longitudinal de los miembros secundarios varía, dependiendo del tipo de miembro primario y la longitud del claro. Los valores de espaciamiento longitudinal, es decir, a lo largo de la longitud del miembro primario, (de soporte a soporte), para varios tipos de diafragmas de acero y concreto se muestran

en la Tabla 2.1. Los tipos de diafragma varían,

dependiendo del material del claro (acero o concreto) y el tipo de miembro primario. Para más información el lector debe consultar la Especificación AASHTO referenciada en la tabla.

Tipo de Claro

Espaciamiento

Especificación

Geometría del claro En cada soporte y Vigas Roladas y Trabes Armadas

puntos intermedios Todos los Claros

de Acero

espaciados a no más de 25 ft. (7.6

AASHTO 10.20.1

m)

Vigas T de Concreto Pre-

Claros > 40 ft (12.2

Esforzado

m)

En los extremos del claro y en puntos de máximo momento

AASHTO 9.10.2

TABLA 2.1 Espaciamiento longitudinal de varios tipos de diafragmas. 2.1.2 La Subestructura. La subestructura consiste de todos los elementos requeridos para soportar la superestructura y la carretera del paso elevado. En la Figura 2.1 ésta sería de los elementos 3 al 6. Los componentes básicos de la subestructura consisten de los siguientes: 

Aparatos de Apoyo



Estribos 21

Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 

Pilas



Fundaciones.

2.1.2.1 Aparatos de Apoyo. Los aparatos de apoyo son dispositivos estructurales posicionados entre la superestructura y la subestructura del puente. Sus funciones principales son las siguientes: 

Transmitir las cargas de la superestructura a la subestructura.



Acomodar los movimientos relativos entre la superestructura y la subestructura.

Las fuerzas aplicadas a los apoyos de un puente incluyen principalmente el peso de la superestructura, las cargas de tráfico, cargas de viento, y cargas de terremoto. Los movimientos en los apoyos incluyen traslaciones y rotaciones. Las contracciones y los efectos de temperatura son las causas más comunes de los movimientos de traslación que pueden ocurrir en la dirección transversal y longitudinal. Las causas comunes de las rotaciones son: las cargas de tráfico, las tolerancias de la construcción, y los asentamientos desiguales de la fundación. Normalmente un apoyo se conecta a la superestructura a través del uso de una placa de asiento de acero y descansa en la subestructura a través de una placa de mampostería. La placa de asiento distribuye a los apoyos las reacciones concentradas de la superestructura. La placa de mampostería distribuye las reacciones a la subestructura. Las conexiones entre la placa de asiento y la superestructura, para las vigas de acero, están hechas empernadas o soldadas. Para las vigas de concreto, la placa de asiento es embebida en el concreto con “studs” tipo ancla. La placa de mampostería se conecta típicamente a la subestructura con pernos de anclaje. Tipos de Apoyos. Los apoyos pueden ser clasificados como: 22 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 

Apoyos fijos



Apoyos móviles.

Los apoyos fijos permiten las rotaciones pero restringen los movimientos de traslación. Los apoyos móviles permiten movimientos tanto de rotación y de traslación. Hay numerosos tipos de apoyos disponibles. Los siguientes son actualmente los tipos principales de apoyos en uso. Apoyos Deslizantes. Un apoyo deslizante (Figura 2.7) utiliza una placa de metal plana que se desliza contra otra para acomodar las traslaciones. La superficie de apoyo que se desliza produce una fuerza friccionante que se aplica a la superestructura, la subestructura, y al propio apoyo. Para reducir esta fuerza de fricción, se usa a menudo PTFE (polytetrafluoroethylene) como un material lubricante

del

deslizamiento. EL PTFE a veces es llamado Teflón, que es una marca ampliamente usada de PTFE, o TFE como aparece en la Especificaciones AASHTO y otras normas de diseño. Durante su aplicación una placa de acero es cubierta con capas de PTFE contra otra placa que normalmente es de acero inoxidable.

Los apoyos deslizantes pueden usarse solos o a veces como un componente de otros tipos de apoyos. Pueden usarse apoyos deslizantes solos, cuando las rotaciones causadas por la deflexión de los apoyos son despreciables (AASHTO 10.29.1.1). Ellos se limitan por consiguiente a una longitud de claro de 15 m ó menos según AASHTO. Un sistema de guía puede adicionarse a un apoyo deslizante para controlar la dirección del movimiento. También pueden fijarse o sujetarse pasando pernos de anclaje a través de las placas.

23 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.7 Componentes de un apoyo deslizante típico. (Ilustración cortesía de D. S. Brown Company,North Baltimore, Ohio.)

Apoyo Balancín. Es un tipo de apoyo móvil que existe en una gran variedad. Consiste típicamente de un pasador en la parte superior que facilita las rotaciones, y de una superficie curvada en el fondo que acomoda los movimientos de traslación (Figura 2.8). El pasador sólido es colocado en el hueco formado por dos superficies semicirculares, una superior y otra inferior. Normalmente, se colocan gorras a ambos extremos del pasador para impedir que se deslice hacia afuera de su asiento y para resistir cargas de levantamiento si es necesario. La placa superior se conecta a la placa de asiento mediante pernos o soldadura. La placa inferior curvada se sienta en la placa de mampostería. Para impedir que el apoyo se mueva, se usan llaves que mantienen el balancín en su lugar. Una llave puede ser un perno de ancla que atraviesa un agujero ranurado en la placa inferior del balancín.

24 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.8 Apoyo tipo Balancín Apoyo de pasador. Es un tipo de apoyo fijo que acomoda las rotaciones a través del uso de un pasador de acero. La configuración típica del apoyo es obviamente igual que la del apoyo balancín, excepto que la placa curvada inferior del balancín ahora es plana y se ancla directamente al concreto (Figura 2.9).

Figura 2.9 Apoyo con Pasador Se usan apoyos balancín y de pasador principalmente en los puentes de acero. Ellos sólo son convenientes para aplicaciones dónde la dirección del desplazamiento está bien definida ya que ellos pueden acomodar solamente traslaciones y/o rotaciones en una dirección. Ellos pueden diseñarse para apoyar cargas relativamente grandes. Los límites prácticos de la carga y el

25 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

desplazamiento son aproximadamente 1800 KN y 100 mm, respectivamente, y rotaciones de varios grados son alcanzables. Normalmente, el momento y las fuerzas laterales inducidas por el movimiento de estos apoyos son muy pequeños y despreciables. Sin embargo, los apoyos de metal son susceptibles a la corrosión y deterioración. Una junta corroída puede inducir fuerzas mucho más grandes. Por consiguiente, requieren regularmente de inspección y mantenimiento. Apoyos de Rodillo Los apoyos de rodillo están compuestos de uno o más rodillos entre dos placas de acero paralelas. Los apoyos de rodillo simples pueden facilitar rotaciones y traslaciones en la dirección longitudinal, mientras que un grupo de rodillos acomodaría sólo traslaciones longitudinales. En el último caso, las rotaciones se proporcionan combinando los rodillos con un apoyo de pasador (Figura 2.10).

Figura 2.10 Apoyo de Rodillos Se han usado apoyos de rodillo tanto en puentes de acero como de concreto. Los apoyos de rodillo simples son relativamente baratos para fabricarse, pero ellos tienen una capacidad de carga vertical muy limitada. Los apoyos de rodillo múltiples, por otro lado, pueden apoyar cargas verticales muy grandes, pero ellos son mucho más caros.

26 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Así como los apoyos tipo balancín y de pasador, los apoyos de rodillo también son susceptibles a la corrosión y deterioración. La inspección y mantenimiento regular son esenciales. Apoyos Elastoméricos Un apoyo elastomérico es hecho de “elastómero” (caucho natural o sintético). Acomodan tanto movimientos de translación como de rotación a través de la deformación del “elastómero”. El elastómero es flexible en cortante pero muy rígido contra cambios volumétricos. Bajo cargas de compresión, el elastómero se expande lateralmente. Para sostener cargas grandes sin deflexión excesiva, se usa reforzamiento para restringir la deformación lateral del elastómero. Esto conduce al desarrollo de varios tipos de almohadillas de apoyos elastoméricos, por ejemplo: almohadillas elastoméricas planas reforzadas de fibra de vidrio, de loneta de algodón, y de acero. La Figura 2.11 muestra una almohadilla elastomérica reforzada de acero.

Figura 2.11 Apoyo Elastomérico: Almohadilla elastomérica reforzada de acero. Las almohadillas elastoméricas simples son las más débiles y las más flexibles porque ellas están restringidas a deformarse exclusivamente por fuerzas de fricción. Ellas se usan típicamente para puentes de claro corto a mediano donde los esfuerzos de apoyo son bajos. Las almohadillas elastoméricas reforzadas de fibra de vidrio consisten en capas alternadas de elastómero y refuerzo de 27 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

fibra de vidrio. La fibra de vidrio impide la deformación lateral de las almohadillas bajo cargas de compresión de manera que una mayor capacidad de carga pueda lograrse. Las almohadillas reforzadas de algodón

son

almohadillas elastoméricas reforzadas con capas estrechamente espaciadas de loneta de algodón. Ellas desarrollan una alta rigidez y resistencia a la compresión pero tienen capacidades de rotación muy limitadas. Las capas delgadas también producen una alta rigidez por cortante lo que produce grandes fuerzas en el puente; por lo que a veces ellas se combinan con una capa de teflón (PTFE) deslizante sobre la almohadilla superior para acomodar las traslaciones (Figura 2.12). Las almohadillas elastoméricas reforzadas de acero son construidas de elastómero vulcanizando para adelgazar las placas de acero. Ellas tienen la más alta capacidad de carga entre los diferentes tipos de almohadillas elastoméricas que sólo puede limitarse por la habilidad del fabricante para vulcanizar uniformemente un volumen grande de elastómero.

Figura 2.12 Apoyo Elastomérico: Almohadilla elastomérica con teflón (PTFE) deslizante. Todas las almohadillas mencionadas excepto las almohadillas reforzadas de acero pueden producirse en una lámina grande, luego cortarse de acuerdo a las dimensiones de cualquier aplicación particular. Las almohadillas reforzadas de acero, sin embargo, tienen que ser hechas exclusivamente para cada aplicación debido a que requieren de una cubierta de borde para proteger el acero de la corrosión. Las almohadillas reforzadas de acero son las más caras, mientras que el costo de las almohadillas elastoméricas simples es el más bajo.

28 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Los apoyos elastoméricos generalmente son considerados como el tipo preferido de apoyos porque ellos son de bajo costo y casi no necesitan mantenimiento. Apoyos Curvados o Esféricos. Un apoyo curvado consiste en dos placas curvadas que coinciden donde una se desliza contra la otra para acomodar las rotaciones. La superficie curvada puede ser cilíndrica para permitir la rotación sólo respecto a un eje o esférica para permitir que el apoyo gire respecto a cualquier eje. En un apoyo curvado puro los movimientos laterales están restringidos y una limitada resistencia lateral puede desarrollarse a través de la combinación de la geometría curvada y las cargas de gravedad. Para acomodar los movimientos laterales, una capa de teflón (PTFE) deslizante debe fijarse a los apoyos. Las placas de guía (keeper plates) se usan a menudo para mantener el movimiento de la superestructura en una sola dirección. Los apoyos curvados pueden diseñarse para cargas y capacidades de rotación grandes. La capacidad vertical está limitada por su tamaño. Similarmente, las capacidades de rotación solamente están limitadas por el claro entre los componentes. La Figura 2.13 muestra un típico apoyo curvado móvil. La placa de acero convexa inferior que tiene una superficie de acero inoxidable descasa en una placa de mampostería. La placa cóncava superior con una superficie de teflón se sienta sobre la placa convexa inferior para las rotaciones. Entre la placa de asiento cóncava superior hay una superficie plana deslizante de teflón que acomoda los movimientos laterales.

29 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.13 Apoyo Curvado o Esférico. Apoyos de Anillo. Un apoyo de anillo comprende un disco elastomérico plano que se confina en un anillo de acero poco profundo, (Figura 2.14). Las cargas verticales se transmiten a través de un pistón de acero que encaja estrechamente en el anillo de acero. Se usan anillos de sello para contener el elastómero dentro del anillo. El elastómero se comporta como un fluido viscoso dentro del anillo a medida que el apoyo gira. Debido al confinamiento de la almohadilla elastomérica, una carga mucho mayor puede soportarse que a través de las almohadillas elastoméricas convencionales. Para los apoyos de anillo puros los movimientos de translación s on restringidos, y las cargas laterales se transmiten a través del pistón de acero que se mueve contra las paredes del anillo. Para acomodar el movimiento de traslación debe usarse una superficie deslizante de teflón. Las placas o barras de guía se usan a menudo para mantener el movimiento de la superestructura en una dirección.

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Ingeniería de puentes.

Figura 2.14 Componentes de un típico apoyo de anillo. (Illustration courtesy of D. S. Brown Company, North Baltimore, Ohio.)

Apoyos de disco Un apoyo de disco, como se ilustra en la Figura 2.15, utiliza un disco elastomérico duro (polyether urethane) para soportar las cargas verticales y una llave de metal en el centro del apoyo para resistir cargas horizontales. Los movimientos rotacionales se acomodan a través de la deformación del elastómero. Para acomodar los movimientos de traslación

se requiere un

deslizante de teflón. En este tipo de apoyos, el disco de “polyether urethane” debe ser bastante duro para resistir la carga vertical sin deformación excesiva y aún bastante flexible para acomodar fácilmente las rotaciones.

31 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.15 Apoyo de disco. 2.1.2.2 Estribos y Muros de Retención. Como componente de un puente, el estribo proporciona el apoyo vertical a la superestructura en los extremos del puente, conecta el puente con las carreteras de acceso,

retiene (como muro de retención) el suelo que está

debajo y adyacente a las carreteras de acceso y soporta parte de la carretera de acceso o losa de acceso. En la Figura 2.1 los estribos son muros de retención tipo voladizo. Entre los componentes de un estribo tenemos: 

El asiento del puente



El muro “backwall o stem”



El muro alero o de ala (wingwall)

El asiento del puente, es el componente sobre el cual descansa la superestructura. El muro “backwall o stem”, es el componente primario del estribo que actúa como una estructura de retención en cada acceso. La Figura 2.16 muestra un muro backwall integrado con un muro de ala en un estribo de concreto. El muro alero o de ala (wingwall) (Figura 2.16), que es un muro lateral al backwall diseñado para ayudar en el confinamiento de la tierra detrás del estribo. En muchas

estructuras, los muros de ala se diseñan muy

conservadoramente, lo que lleva a un muro bastante grande. Un muro de ala puede colarse monolíticamente con el backwall del estribo para formar una estructura integrada. Un método alternativo, preferido por muchos ingenieros, es poner una junta entre el backwall y el muro de ala, creando así el efecto de que el muro de ala actúa como un muro de retención en voladizo por sí mismo. Un muro de ala colado monolíticamente es difícil para analizar, y el diseño del

32 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

acero reforzado que conecta el muro de ala con el muro backwall es relativamente empírico. Debido a esto, muchos muros de ala se han agrietados en esta conexión. La presencia de una junta en la interfase entre los dos muros provee de un movimiento que a menudo es el resultado de los cambios de temperatura extremos.

Figura 2.16 Muro de ala (wingwall) de un estribo. Tipos de Estribos. Desde la perspectiva de la relación que existe entre el estribo del puente y la carretera o flujo de agua que el puente cruza, los estribos pueden ser divididos en dos categorías: 

Estribo de Extremo Abierto



Estribo de Extremo Cerrado

33 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.17 Estribos de extremo abierto típicos Estribos de Extremo Abierto. Para el estribo de extremo abierto (Figura 2.17), hay pendientes entre la cara del estribo y el borde de la carretera o canal de agua que el puente cruza. Esas pendientes mantienen un área abierta ancha al tráfico que fluye o a los flujos de agua debajo del puente. Este tipo de estribo impone un impacto menor sobre el ambiente y los flujos de tráfico debajo del puente, contrariamente al tipo de estribo de extremo cerrado. También, el ajustamiento de las proporciones de las pendientes es más fácil para el ensanchamiento futuro de la carretera o canal de flujo de agua debajo del puente. Sin embargo, la existencia de pendientes normalmente requiere claros de puente más largos y algún terraplén extra. Esto puede producir un aumento en el costo de construcción de puente.

34 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.18 Estribos de extremo cerrado típicos Estribo de Extremo Cerrado. Se construye normalmente cerca del borde de las carreteras o canales de agua (Figura 2.18). Debido a los requisitos de claros libres verticales y a las restricciones de derecho de vía de la construcción, no se permite construir pendientes entre la cara del estribo y el borde de carreteras o canales de agua, y las paredes del estribo deben construirse altas. Como no existe espacio entre el estribo y el borde de tráfico o flujo de agua, es muy difícil hacer un ensanchamiento futuro a las carreteras y a al flujo de agua debajo del puente. La gran altura de las paredes del estribo y un volumen de relleno más grande a menudo resultan

en un costo elevado de construcción del estribo y en un

mayor asentamiento de las losas de acceso en comparación con el estribo de extremo abierto. Generalmente, los estribos de extremo abierto son más baratos, adaptables, y atractivos que los estribos de extremo cerrados. Sin embargo, se han construido muchos puentes con estribos de extremo cerrado en áreas urbanas y para sistemas de transporte ferroviarios debido a la restricción de derecho de vía y a la magnitud de la carga viva para los trenes que usualmente resulta en claros de puente más cortos. 35 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

En base a las conexiones entre el estribo y la superestructura del puente, los estribos también pueden agruparse en dos categorías: 

El Monolítico



El Estribo Tipo Asiento

Estribo Monolítico. Se construye monolíticamente con la superestructura del puente (Figura 2.17a y 2.18a). No se permite ningún desplazamiento relativo entre la superestructura y el estribo. Todas las fuerzas de la superestructura en los extremos del puente se transfieren al estribo, luego al suelo de relleno y a las zapatas del estribo. Las ventajas de este tipo de estribo son su bajo costo inicial de construcción y su inmediato acoplamiento al suelo de relleno que absorbe la energía cuando el puente está sujeto a movimientos transitorios. Sin embargo, la presión de suelo pasiva inducida por el suelo de relleno podría producir un difícil diseño del estribo, y costos de mantenimiento altos podrían esperarse. En la práctica, este tipo de estribo es principalmente construido para puentes cortos. Estribo Tipo Asiento. Se construye separadamente de la superestructura del puente (Figura 2.17b y 2.18b). La superestructura del puente se sienta en el estribo a través de almohadillas de apoyo, apoyos de roca, u otros dispositivos. Este tipo de estribo le permite al diseñador de puentes controlar las fuerzas de la superestructura que serán transferidas al estribo y al suelo de relleno. Los desplazamientos del puente pueden controlarse mediante el ajuste de los dispositivos de apoyo entre la superestructura y el estribo. Este tipo de estribo puede ser de “stem” corto o puede ser de “stem” alto, como se muestra en la Figura 2.17b y Figura 2.18b. Para un estribo de “stem” corto, la rigidez del estribo normalmente es mucho más grande que la de los dispositivos de conexión entre la superestructura y el estribo. Por consiguiente, esos dispositivos pueden tratarse como las

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Ingeniería de puentes.

condiciones de apoyo o de borde para el análisis estructural del puente. Comparativamente, los estribos de “stem” alto pueden estar sujetos a desplazamientos significantes bajo fuerzas relativamente menores. La rigidez de los estribos de “stem” alto y la respuesta del suelo circundante pueden ser consideradas en el análisis estructural del puente. La disponibilidad de dispositivos de conexión que permiten desplazamientos, contracción de la superestructura, y reducción de concreto hace este tipo de estribos ampliamente seleccionados para las construcciones de puente largos, sobre todo para puentes de concreto pre-esforzado y puentes de acero. Sin embargo, la práctica del diseño de puentes muestra que dispositivos de conexión relativamente débiles entre la superestructura y el estribo normalmente exigen diseñar de manera especial las columnas adyacentes. Aunque el estribo tipo asiento tiene un costo inicial de

construcción relativamente superior al del

estribo monolítico, sus gastos de mantenimiento son relativamente bajos.

2.1.2.3 Selección del Tipo de Estribo. Para la selección de un tipo de estribo se necesita considerar toda la información disponible y los requisitos de diseño del puente. Esto puede incluir la geometría del puente, requerimientos de la carretera y de los bordes de los flujos de agua, restricciones geotécnicas y de derechos de vía, requisitos estéticos, consideraciones económicas, etc. El conocimiento de las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de estribos beneficiará grandemente al diseñador del puente, durante la selección del tipo correcto de estribo para la estructura del puente, desde la fase inicial del diseño del puente. Estructuras de Retención. Las estructuras de retención, o, más específicamente, las estructuras de retención de tierra, usualmente se requieren en un proyecto de diseño de un puente y son diseñadas principalmente para resistir presiones laterales de

37 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

tierra. Es práctica común que el propio estribo del puente se use como una estructura de retención. Tipos de Estructuras de Retención Entre los tipos de estructuras de retención frecuentemente muy utilizados tenemos: el muro en voladizo, el muro de anclas (wall tieback), el muro soil nail y los muros rellenos de tierra mecánicamente estabilizados (MSE). 

Muro de retención en voladizo.

Es una estructura usada para resistir la presión activa del suelo en lugares con terraplenes. Normalmente, la estructura del muro de retención de tierra en voladizo no excede los 10 m de altura. La sección de un muro de retención en voladizo típico se muestra en la Figura 2.19b. 

Muro de anclas (wall tieback).

Este muro puede usarse para la retención de tierra en lugares con cortes de terreno. Utiliza cables de alta resistencia que son extendidos hasta la zona estable y actúan como anclas para los elementos de la cara del muro. El muro de anclas puede diseñarse para tener una deflexión lateral mínima. La Figura 2.19d muestra la sección de un muro de anclas. 

Muros de Tierra Mecánicamente Estabilizada (MSE).

Son un tipo de estructuras de retención de "tierra-reforzada". La desviación lateral del suelo de relleno se restringe colocando múltiples capas de fibra de alta resistencia dentro de la sección de relleno. No hay límite de altura para un muro de tierra mecánicamente estabilizada pero la desviación lateral arriba del muro debe ser considerada. La Figura 2.19e y 2.20 muestran un ejemplo de una muro de tierra mecánicamente estabilizada. 

Muro “soil nail”.

Este tipo de muro se ve como un muro de anclas pero trabaja como un muro de tierra mecánicamente estabilizada. En este tipo de muro se usan una serie puntas dentro del cuerpo de tierra que se resisten al movimiento lateral de las 38 Capítulo II: Marco Referencial.

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secciones cortadas del cuerpo de tierra. Normalmente, las puntas de suelo se construyen inyectando lechada de cemento en agujeros perforados. Dichas puntas se ligan al suelo y actúan como un muro de tierra por gravedad. En la Figura 2.19f se muestra un modelo típico de un muro “soil nail”.

Figura 2.19. Tierra Mecánicamente Estabilizada (MSE)

Figura 2.20. Tipos de Muros de Retención 39 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.2.4 Pilas y Columnas. Las pilas proporcionan los apoyos verticales para los claros en puntos intermedios y realizan dos funciones principales: transferir las cargas verticales de la superestructura a las fundaciones y resistir las fuerzas horizontales que actúan sobre el puente. Aunque las pilas se diseñan tradicionalmente para resistir las cargas verticales, se está haciendo más común diseñar las pilas para resistir altas cargas laterales causadas por los eventos sísmicos. Incluso en algunas áreas sísmicas bajas, diseñadores están prestando más atención al aspecto

de

ductilidad

de

diseño.

Se

construyen

las

pilas

usando

predominantemente el concreto reforzado. El acero, también se usa, pero a un grado menor. Las columnas (compuestas) con tubos de acero llenos de concreto han ganado más atención recientemente. Desde un punto de vista estético, las pilas son uno de los componentes más visibles de un puente carretero y pueden representar la diferencia entre una estructura visualmente agradable y una poco atractiva. Tipos estructurales de pilas El término pilas es normalmente usado como un término general para cualquier tipo de subestructura localizada entre los claros horizontales y fundaciones. Sin embargo, de vez en cuando, se aplica también particularmente a una pared sólida para distinguirla de columnas o marcos. Desde un punto de vista estructural, una columna es un miembro que se resiste a la fuerza lateral principalmente por la acción de la flexión mientras que una pila es un miembro que se resiste a la fuerza lateral principalmente por un mecanismo de cortante. Una pila que consiste de múltiples columnas se llama a menudo marco rígido (bent).

40 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.21 una pila de cabeza de Martillo.

Hay varias maneras de definir los tipos de pilas, estas son:  Por su conectividad estructural a la superestructura: monolítica o en voladizo.  Por su forma particular: sólida o hueca; redonda, octagonal, hexagonal, o rectangular.  Por su configuración de marco: columna simple, cabeza de martillo (Figura 2.21), marco de múltiples columnas (Figura 2.22); y pila tipo pared.

41 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.22 Una pila de Cabeza de Martillo de dos columnas. 2.1.3 Fundaciones. La fundación de un puente es parte de la subestructura y conecta el puente a la tierra. Una fundación consiste de elementos estructurales, que son construidos ya sea en la superficie o dentro de materiales geológicos existentes. La función de una fundación es proveer soporte para el puente y transferir cargas o energía entre la estructura del puente y la tierra (suelo).

Las fundaciones se pueden clasificar en: 

Fundaciones Superficiales



Fundaciones Profundas.

Así como los apoyos transfieren las cargas de la superestructura a la subestructura, también a su vez las fundaciones del estribo y de las pilas transfieren cargas de la subestructura al subsuelo. Una fundación, como la que se muestra en la Figura 2.1, bajo un muro es conocida como una zapata corrida. 42 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.3.1 Fundaciones Superficiales Una fundación superficial puede ser definida como aquella en la cual el peralte de fundación (D) es menor que el ancho más pequeño (B) de la fundación, como se ilustra en la Figura 2.28. Los tipos de fundaciones superficiales comúnmente usados incluyen, zapatas aisladas, zapatas corridas,

zapatas

combinadas, y losas de fundación.

Figura 2.28 Diagrama para definición de fundaciones superficiales. Las fundaciones superficiales o zapatas proporcionan soporte a través de sus bases, mientras que las fundaciones profundas lo proporcionan a través de la fricción en sus caras y soporte de base o uno de los dos. 2.1.3.2 Fundaciones Profundas Una fundación profunda es un tipo de fundación donde el empotramiento es más grande que su máxima dimensión plana. La fundación es diseñada para ser soportada sobre materiales geológicos profundos ya sea porque el suelo o la roca cerca de la superficie de la tierra no es capaz de soportar las cargas de diseño o porque es más económico. El mérito de la fundación profunda sobre una fundación superficial es múltiple. Una fundación profunda ocupa un área relativamente pequeña de la superficie del suelo. 43 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Las fundaciones profundas usualmente pueden soportar cargas grandes en comparación con las fundaciones superficiales que ocupan la misma área de la superficie del suelo. Las fundaciones profundas pueden ser capaces de profundizarse hasta alcanzar capas de suelo o rocas de apoyo, mientras que las fundaciones superficiales no pueden. Las fundaciones profundas pueden también soportar grandes levantamientos y cargas laterales, mientras que las fundaciones superficiales no pueden. 2.1.3.3 Fundaciones Típicas. Las fundaciones típicas que se muestran en la Figura 2.29

son listadas a

continuación:  Pilotes Un pilote usualmente representa un elemento estructural esbelto que es hincado dentro del suelo. Sin embargo, pilote es frecuentemente usado como un término genérico para representar todos los tipos de fundaciones profundas, incluyendo un pilote hincado, pilar o eje perforado (drilled shaft), caisson, o un ancla. Un Grupo de Pilotes

es usado para representar varias fundaciones

profundas agrupadas. 

Pilar o Eje (shaft)

Un pilar o eje (shaft) es un tipo de fundación que es construida con concreto colado en un lugar, dentro de un agujero que ha sido previamente perforado o excavado. Un Rock Socket es un pilar (shaft) de fundación instalado dentro de una roca. Un pilar (shaft) de fundación también puede ser llamado: fundación de pila perforada. 

Caisson

Es un tipo de fundación grande que es construida bajando elementos de fundaciones prefabricados a través de una excavación del suelo o roca en el fondo de la fundación. El fondo de un caisson es usualmente sellado con concreto después de que la construcción ha sido completada.

44 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.29 Fundaciones típicas. 

Ancla

Un ancla es un tipo de fundación diseñada para soportar cargas de tensión. Un ancla es un elemento esbelto, de pequeño diámetro que consiste de una barra de reforzamiento que es fijada en un agujero perforado con lechada de concreto. Cables de alta resistencia son con frecuencia usados como refuerzo para anclas de gran capacidad. Un ancla para un puente de suspensión es, sin embargo, una fundación que soporta las cargas de tracción, localizadas en los extremos del puente; la fundación puede ser un muerto, un túnel masivo, o un sistema de fundación compuesta incluyendo anclas normales, pilotes y ejes perforados (drilled shaft).  Zapatas Una zapata es un tipo de fundación cuyo empotramiento, es usualmente menor que su ancho más pequeño.

45 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.3.4 Fundaciones Típicas de Puentes. Las fundaciones para puentes pueden ser:  Individuales  Grupales  Combinadas. La fundación individual de un puente usualmente incluye zapatas, pilares perforados de gran diámetro, caissons, rock sockets y muertos. Las fundaciones agrupadas incluyen grupos de caissons, pilotes hincados, pilares perforados y rock sockets. Las fundaciones combinadas incluyen: caisson con pilotes hincados, caisson con pilares perforados, pilotes tubulares de gran diámetro con rock socket, zapatas con anclas, muertos con pilotes y anclas, etc. Para puentes pequeños, fundaciones de escala pequeña tales como zapatas individuales o fundaciones de pilar perforado, o un grupo pequeño de pilotes hincados pueden ser suficientes. Para puentes grandes, fundaciones de pilares de gran diámetro, fundaciones grupales, caissons, o fundaciones combinadas pueden requerirse. Los caissons, fundaciones de pilotes de tubos de acero de gran diámetro, u otro tipo de fundaciones construidas usando el método de cofferdam, pueden ser necesarios para fundaciones construidas bajo el agua. Las fundaciones de puentes son frecuentemente construidas en condiciones de terreno difícil tales como: áreas con deslizamientos de tierra, suelo licuable, suelo colapsable, suelo blando y altamente compresible, suelo poroso, depósitos de coral y cavernas bajo tierra. Tipos y diseños de fundaciones especiales pueden necesitarse bajo estas circunstancias. 2.1.4 Accesorios y Características Relacionadas al Sitio del Puente. Un accesorio, en el contexto de esta discusión, es cualquier parte del puente o del sitio del puente que no es un componente estructural principal sin embargo tiene algún propósito en la funcionalidad global de la estructura (por ejemplo:

46 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

una barrera de tráfico). El sitio del puente, como una entidad, posee muchos componentes diferentes que, en una manera u otra, se integran con la estructura apropiada. Entre los accesorios principales y características relacionadas al sitio tenemos los siguientes: 2.1.4.1 Terraplenes y Protección de Talud. El talud que desciende del estribo al paso inferior (terraplén) se cubre con un material llamado protección de taludes que debe ser estéticamente agradable y debe proveer del drenaje apropiado y controlar la erosión Figura 2.1). La protección de taludes podría

(Numeral 8 en

hacerse de piedras secas o

incluso de adoquines. La Figura 2.30 muestra un terraplén de estribo que ha sido preparado con material granular selecto de relleno. Este tipo de protección del talud consiste en piedras trituradas que varían en tamaño y forma. En la Figura 2.30 se muestran varios agujeros de drenaje. Estos agujeros proporcionan drenaje subterráneo que protege el suelo de relleno de la humedad excesiva que puede producir un aumento de la presión hidrostática y causar deterioración de los elementos de concreto.

Figura 2.30

Rocas trituradas, variando en tamaño, pueden

ser usadas como protección de taludes.

47 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.1.4.2 Drenaje interior. Con la obligación de proveer el drenaje apropiado de un elemento principal de la subestructura, tal como un estribo, es a menudo necesario instalar un drenaje interior que es un sistema de drenaje hecho de cañería perforada u otra canalización conveniente que transporta el escurrimiento lejos de la estructura y hacia los canales de drenaje apropiados (naturales o artificiales). 2.1.4.3 Losas de Accesos (Approach slab). La sección de carretera del paso elevado que conduce a y se aleja de los estribos del puente se llama el acceso o carretera de acceso. A veces la carretera de acceso (Figura 2.31) mantiene la misma sección transversal de la carretera normal o una sección ligeramente aumentada. Para compensar los posibles asentamientos diferenciales en los accesos, una losa de acceso de concreto reforzado es a veces usada a una distancia dada detrás del estribo. La losa de acceso ayuda minimizando el impacto al estribo que puede resultar de asentamiento diferencial. Es posible para el acceso estar soportado físicamente por el estribo.

Figura 2.31 Losa de Acceso. 2.1.4.4

Barreras de tráfico.

Los dispositivos de protección para

reducir la severidad de un accidente

cuando un vehículo deja el camino se llaman barreras de tráfico. Las barreras de tráfico pueden ir desde un guardarriel hecho de acero hasta parapetos de concreto reforzado.

48 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.2 Requerimientos de Diseño estructural.2

2.2.1 Cargas de diseñ. El diseño de la superestructura del puente (o de cualquier otro elemento estructural), es basado en un conjunto de cargas que el componente o elemento debe de soportar. El ingeniero de puentes debe de tener en cuenta una amplia gama de variedades de cargas que varían en función de: 

Duración (permanente o temporal).



Dirección (vertical, longitudinal).



La deformación (fluencia lenta del hormigón, expansión térmica, etc.).



Efecto (cortante, torsión, flexión, etc.)

Con el fin de formar una base solida para el diseño, organizaciones como la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), han desarrollado un conjunto de condiciones de cargas normales que se aplican al diseño ingenieril del modelo estructural. Otras naciones mantienen sus propias cargas de diseño como la carga BS 5400 utilizada en el reino unido o las cargas del Código de Diseño de Puentes Carreteros de Ontario, cargas utilizadas en la provincia Canadiense de Ontario y en otras partes de la nación. 2.2.1.2 Antecedentes e historia En general, la carga principal para puentes carreteros es diseñada por la carga de camión, dada la gran

variedad de camiones en uso, era determinante

estandarizar la carga de diseño. Esta necesidad llevo al desarrollo, por la AASHTO, una norma de camiones de diseño para ser utilizado por los ingenieros de puentes para mejorar el modelo estructural y realizar un adecuado diseño. En la primera parte del siglo pasado, los diseñadores utilizaban un tren de carga de camiones para el diseño de sus puentes, como la 2

Tonias, D. E., & Zhao, J. J. (2007). Bridge Engineering: Desing, Rehabilitation and Maintenance of Modern Highway Bridges. New York, United States of America: McGraw-Hill.

49 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

industria del transporte creció, y junto con esta las cargas de los camiones, muchos puentes comenzaros a evidenciar sobrecargar en componentes estructurales. En 1944, un conjunto de hipótesis sobre clases de camiones designados como H y HS, clases de camiones que fueron desarrollados por la AASHTO. Estos vehículos de diseño fueron creados con dos y tres ejes, respectivamente. En 1975 el gobierno federal de los Estados Unidos actualizo el peso bruto permitido para camiones de 73,280 lb a 80,000 lb. Esto significaba que existía una diferencia de 8,000 lb con respecto a las 80,000 lb del camión de diseño. Algunos estados respondieron actualizando sus estándares de diseño AASHTO de 1944 aumentando la carga de diseño de72,000 lb a 90,000 lbs (de HS-20 a HS-25). Los camiones de diseño H y HS dominaron la norma básica en los Estados Unidos hasta la aparición de las especificaciones AASHTO LRFD y estas fueron ampliamente aceptadas, sustituyendo gradualmente a las especificaciones estándar AASHTO, utilizando una carga viva HL-93, esta la compone un camión HL-93 (idéntico al HS-20) y o tándem de diseño, combinado con una carga de carril de 0.64 kip/ft. La carga HL-93 es significativamente más pesada que la carga HS-20, especialmente para puentes de claros medios y claros largos. 2.2.1.3 Cargas permanentes. Como el nombre lo indica, son aquellas cargas que siempre permanecen y actúan sobre un puente a lo largo de su vida. Muchas veces la carga muerta es utilizada como sinónimo de carga permanente. Carga muerta. La carga muerta en una estructura es el peso total de todos los elementos estructurales (es decir, aquellos elementos por encima de los cojinetes). Entre estos se incluyen: la cubierta, la superficie de rodadura, aceras, barandas, parapetos, los miembros primarios y secundarios. Uno de los primeros pasos en cualquier diseño de una superestructura consiste en elaborar una lista de todos aquellos elementos que contribuyen a la carga muerta.

50 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

En la especificaciones estándar de la AASTHO, todas las cargas muertas son tratadas como un grupo, sin embargo, en las especificaciones AASTHO LRFD, la carga muerta de la superficie de rodadura es tratada como un grupo separado de carga muerta, que tiene un mayor factor de carga debido a que este grupo de carga tienen una mayor incertidumbre que otras cargas muertas. El propósito de los factores de carga es tener en cuenta la incertidumbre de la cargas. Cargas muertas superpuestas. En la construcción compuesta las cargas muertas superpuestas son aquellas cargas colocadas en la superestructura después del curado de la cubierta y los elementos principales han comenzado a trabajar resistiendo estas cargas. Se debe de tener en cuenta que las cargas muertas superpuestas son parte de la carga muerta total. Estas se separan del resto de cargas muertas debido a que estas son resistidas por una sección compuesta, por lo tanto, causan menos deflexión y esfuerzos en los largueros que otras cargas muertas. Presiones. Las presiones debidas a la tierra o el agua también se consideran cargas permanentes. Aunque estas cargas afectan principalmente a los elementos de la subestructura, es importante destacar que el diseño estructural de un puente es realizado en términos de sus componentes individuales, sin perder de vista que la estructura es un conjunto. 2.2.1.4 Cargas temporales. Las cargas temporales son aquellas cargas que actúan sobre un puente en un corto periodo de tiempo. Así como las cargas muertas son las principales cargas permanentes, cargas vivas representan la condición más importante de carga temporal. Sin embargo existen otros tipos de cargas temporales que el diseñador debe considerar. Vehículo de carga viva. El término de carga viva significa que una carga se mueve a lo largo de la longitud de un tramo. Por lo tanto una persona que camina a lo largo de un puente puede ser considerado como carga viva. 51 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Obviamente, un puente carretero tiene que ser diseñado para soportar más carga peatonal. Para dar a los diseñadores la capacidad de modelar con presión la carga viva sobre una estructura, se desarrollaron diseños hipotéticos de vehículos. En 1935, entonces llamada AASHO emitió un esquema de carga basado en un tren de camiones. Estos identificados como H-20-35 y H-15-35 (figura). Para satisfacer las demandas de los camiones más pesados, la introducción de cinco clases de camiones se hizo en 1944. Estas clas es tienen las siguientes denominaciones y los pesos brutos de los vehículos: 

H10-44 (20,000 lb – 89 KN)



H15-44 (30,000 lb – 133 KN)



H20-44 (40,000 lb – 178 KN)



HS15-44 (54,000 lb – 240 KN)



HS20-44 (72,000 lb – 320 KN)

Figura 2.31. AASHO 1935 Tren de Camiones de Carga. 52 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Hoy en día todos los vehículos menos el H10-44 todavía son incluidos en las especificaciones estándar de la AASTHO. La figura ilustra estos camiones de diseño y sus propiedades geométricas.

Figura 2.32 Camiones de diseño H y HS especificados por la especificaciones estándar de la AASHTO Estos camiones de diseño se mueven a lo largo de la longitud del tramo para determinar el punto de momento máximo. Recientemente, para dar condiciones de carga más altos, algunos estados han comenzado a utilizar el camión de diseño denominado HS-25, lo que representa un 25% de aumento de carga con respecto al camión de diseño HS20-44, teniendo como peso bruto 90,000 libras. Es importante destacar que los camiones H y HS no representan un camión real que se utiliza para el transporte de mercancías

o materiales. Son

aproximaciones utilizadas para simular la deflexión máxima y las fuerzas de cizallamiento causadas por los camiones reales. De la figura 2.32 vemos que los camiones HS, tienen una distancia variable entre los dos ejes traseros. Esta distancia entre, ejes varían de 14 a 30 pies, 53 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

estas distancias se utilizan para inducir el momento máximo de un tramo. Para puentes simplemente apoyados, esta distancia será la mínima de 14 pies. En tramos continuos, sin embargo, la distancia entre ejes varía para posicionar los ejes en los soportes adyacentes, de tal manera como para crear el momento negativo máximo. Sustituyendo el tren de carga de camiones propuesta por el código alrededor de 1935, las especificaciones estándar de la AASHTO, para generar este efecto producido por el tren de carga utilizan una carga uniformemente distribuida en combinación con una fuerza concentrada. Esta fuerza varia el momento y cálculos de cizallamiento. En general la carga de camiones gobierna para tramos cortos y sencillos, la carga de carril gobierna para tramos continuos, al igual que la carga de camiones la carga concentrada se mueve a lo largo del tramo para determinar el punto de máximo momento. Para puentes de luces simples y para determinar el máximo momento positivo en tramos continuos, solo una carga concentrada se utiliza en conjunto con la carga uniforme. Para determinar el máximo momento negativo en tramos continuos, se utilizan dos cargas concentradas. (Figura 2.33).

Figura 2.33 Cargas de carril H y HS 54 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Otra forma de carga viva, conocida como carga militar alternativa era desarrollada en 1956 por la Administración Federal de Carreteras. Esta carga consta de dos ejes separados a 4 pies y pesa 24,000 libras cada uno. Esta carga se utiliza para representar vehículos militares pesados, esta carga militar se compara con la carga del camión HS20-44, y la configuración de carga que cause las mayores fuerzas es la utilizada. Una reducción en la intensidad de carga viva está permitida para puentes con dos o más carriles que tienen máxima tensión causa por la plena carga de cada carril. En las especificaciones

estándar de la AASHTO, una reducción del 10 por

ciento para tres carriles y una reducción del 25 por ciento para los puentes con cuatro o más carriles están permitidas. En las especificaciones del LRFD de la AASHTO un 15 por ciento de reducción para dos carriles y una reducción del 20 por ciento para cuatro o más carriles es permitido.

Tabla 2.2 Factores de reducción Estas reducciones son permitidas dada la probabilidad de que se produzca la disminución de carga en varios carriles. Cargas de terremoto. La carga de un terremoto es un producto de las fuerzas naturales que dependen de la localización geográfica del puente. En general, hay cuatro fuerzas naturales importantes con los que el ingeniero de puentes debe tratar:

55 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.



Fuerza sísmicas



Las fuerzas de viento



La fuerzas térmicas



Las fuerzas de canal

El análisis sísmico de puentes sea convertido en una ardua tarea a lo largo de los años, a partir del terremoto de 1971 en San Fernando, el código de diseño sísmico ha sido objetivo de una amplia revisión y expansión. Debido a la compleja naturaleza de la actividad sísmica (y por la falta de cualquier metodología concreta) las disposiciones de diseño, según se establece en los códigos, como en las especificaciones estándar de la AASHTO, es el mejor de los casos, simplificaciones de los efectos sísmicos de un terremoto, y, en el peor de los casos, la aproximación de lo que podría suceder. Como es el caso de la carga vehicular, las fuerzas causadas por la actividad sísmica se describen como una idealización de las fuerzas realmente ejercidas. La fuerza que actúa sobre un puente es una función de los siguientes factores: 

Peso muerto de la estructura



El movimiento del suelo (aceleración)



Periodo de vibración de la estructura



El tipo de suelo presente

Estos factores se utilizan para determinar la respuesta del puente al someterlos a la acción de una carga uniforme. Esta respuesta tomo la forma de una carga estática equivalente de terremoto que se aplica a la estructura para calcular las fuerzas y desplazamientos en elementos del puente. La AASHTO establece cuatro metodologías para el cálculo de esta carga. El método a utilizar depende de si el puente es de un claro o múltiples claros y de las características geométricas de la estructura. Para estructuras de claros individuales, las conexiones entre el puente y el claro tope con cojinetes fijos deben estar diseñadas para resistir el peso de la

56 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

superestructura multiplicado por el coeficiente de aceleración, y el coeficiente de sitio para el tipo de suelo. El coeficiente de aceleración es una constante a dimensional que se utiliza para describir el movimiento del suelo. El análisis de puentes de múltiples claros varía dependiendo el tipo de geometría y el grado de actividad sísmica en el sitio del puente. Los puentes llamados

regulares

son

aquellos

con superestructuras

con

secciones

transversales consistentes y similares y con estructuras intermedias de apoyo consistentes y similares. Los puentes con una sección transversal variable y con diferentes tipos de apoyo se consideran irregulares. El grado de actividad sísmica se basa en el coeficiente de aceleración en el sitio del puente. Los puentes con un coeficiente de aceleración mayor que 0.19 se consideran que están en una zona altamente sísmica. Este coeficiente, junto con el puente si se clasifica como esencial o no esto se hace para asignar al puente una categoría de desempeño sísmico. Basados en la Categoría de Desempeño Sísmico y el numero de vanos, uno de los cuatro diferentes métodos de análisis se elige para calcular la carga sobre el puente debido a la fuerza de un terremoto. Los dos métodos utilizados son: 

Simple modo de análisis espectral.



Múltiples modos de análisis espectral.

En general, los puentes regulares en las zonas de actividad sísmica baja se requiere el análisis del simple modo espectral, mientras que para los puentes irregulares ubicados en lugares con un alto riesgo sísmico requieren el enfoque multimodal de análisis espectral. El primer análisis puede llevarse a cabo utilizado métodos convencionales de cálculo manual, pero para el último exige análisis más rigurosos asistidos por computadora. El método de simple análisis espectral asume la carga básica en direcciones transversal y longitudinal como se muestra en la figura 2.34. Sin embrago, el 57 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

enfoque multimodal es necesario para puentes de irregular geometría que requiere un análisis para determinar los efectos de acoplamiento en tres direcciones cada una representada por un modo de vibración.

Figura. 2.34 Cargas asumidas para el simple modo de análisis espectral.

Fuerza de terremoto longitudinal y transversal. La simple modo de análisis espectral se utiliza el mismo método para calcular tanto longitudinal como transversalmente la fuerza sísmica. Este método utiliza el método de desplazamientos virtuales para el desarrollo de un modelo de forma modal del 58 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

puente. Se aplica de manera arbitraria una carga uniforme estática Po esta se aplica a la longitud de la estructura para producir un desplazamiento inicial Vs , este desplazamiento, combinado con el peso muerto de la superestructura (y parte de la subestructura), se utiliza para determinar la fuerza sísmica resultante. El primer paso consiste en calcular el desplazamiento inicial generalizada de nuestro modelo. Este valor varía dependiendo del tipo de apoyo (por ejemplo, dos columnas o tres columnas de apoyo, columna pared,

etc.). El

desplazamiento se calcula suponiendo una carga arbitraria de Po=1. El siguiente paso consiste en calcular el peso muerto de la estructura W(x). Esto representa la carga muerta de la superestructura y subestructura. Incluso es posible incluir los valores de carga viva para las estructuras en las zonas urbanas de tráfico alto, donde un gran número de vehículos pueden estar presentes en la estructura durante un terremoto. Una vez que los valore de Vs y W(x) son conocidos, los siguientes tres factores se pueden calcular:

Donde L= longitud del puente Con estos factores conocidos, el periodo fundamentas del puente puede ser calculado con la siguiente expresión:

59 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde: Po = 1

g = aceleración de la gravedad Estamos casi listos para calcular la carga sísmica horizontal resultante sobre la estructura. Esta masa puede ser dividida en función de: 

La masa de la estructura



El coeficiente de aceleración



El tipo de suelo



El periodo fundamental

La AASHTO proporciona un coeficiente elástico de respuesta sísmica que cuantifica estos parámetros en un valor adimensional. Este coeficiente simplifica enormemente el análisis, ya que no requiere que el diseñador calcule un periodo total del sitio. El coeficiente se describe por:

Donde: A = coeficiente de aceleración

S= coeficiente de sitio Con los valores antes obtenidos (periodo fundamental y coeficiente elástico de respuesta sísmica), la intensidad de carga del terremoto puede ser calculada. Esta carga es una aproximación de los efectos inerciales resultantes de la deformación dinámica de la estructura y esta se define como:

60 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Esta carga puede aplicarse a la estructura de una manera similar a el uno en el que la carga de unidad inicial Po=1 era el comienzo del proceso. Ahora, sin embargo, el valor de Pe(x) es sustituido para determinar desplazamiento, tijeras y los momentos debidos a la carga sísmica

Cargas de viento. Al igual que las fuerzas sísmicas, la carga de viento ofrece un complicado conjunto de condiciones de carga que debe der idealizado con el fin de proporcionar un diseño viable. Aunque el problema de las fuerzas del viento es dinámico, con vientos que actúan sobre un determinado intervalo de tiempo, estas fuerzas se pueden aproximar como una carga estática que se distribuye uniformemente sobre las regiones expuestas de un puente. Las regiones expuestas en un puente se toman como las áreas de superficie que se ven en elevación (es decir, perpendicular al eje longitudinal). La carga ejercida sobre un puente debido a las fuerzas de viento es especificada por la AASHTO basado en una velocidad de viento de 100 millas por hora (160 km/hora). Para puentes convencionales tipo trabe/viga esto se traduce en una intensidad de 50 lb/ft2 con una fuerza mínima total de 300 lb/ft. Las vigas y los arcos requieren cargas de viento aplicadas con una intensidad de 75 lb/ft2 con una fuerza mínima total de ya ser 300 o 150 lb/ft, dependiendo de si el elemento es una superficie de barlovento o sotavento, respectivamente. La superficie de barlovento es aquella expuesta a los vientos dominantes y, por lo contrario, la superficie de sotavento se encuentra lejos de los vientos. Las presiones de vientos aplicadas a los vehículos se basan en la velocidad del viento de 55 millas por hora, que actúa sobre una larga fila de vehículos, lo que genera una presión del viento de 100 lb/ft, actuando de manera normal, y a 6 ft por encima de la cubierta del puente. 61 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Con respeto a la superestructura, las fuerzas del viento se aplican en una dirección transversal y longitudinal en el centro de gravedad de la región expuesta de la superestructura. La AASHTO ofrece un conjunto de valores de carga de viento para puentes de celosía y de viga en función del ángulo de ataque de las fuerzas eólicas (AASHTO LRFD 3.8.1). Para puentes convencionales de losa y largueros con longitudes de extensión de menos o igual a 125 ft, la AASHTO permite la simplificación de las cargas de viento: Cargas de viento sobre la estructura: 

Carga transversal: 50 lb/ft2



Carga longitudinal: 12 lb/ft2

Cargas de viento sobre la carga viva: 

Cargas transversal: 100 lb/ft



Carga longitudinal: 40 lb/ft

Fuerzas de canal. Las fuerzas de canal son las cargas impuestas a una estructura debido a las fuerzas del agua. Estas fuerzas incluyen, pero no se limitan al flujo de la corriente, al hielo flotante y a la flotabilidad. Las fuerzas de canal, similar a las fuerzas sísmicas, afectan principalmente a los element os de la subestructura. Fuerzas de flujo. Estructuras con sus apoyos en corrientes de agua están en riesgo de tener esos apoyos en disposición de vuelco. Debido a las fuerzas del flujo .las velocidades excesivas de la corriente puede conducir a las condiciones adversas de socavación que pueden socavar la cimentación y poner en riesgo la integridad de la estructura. En general, las presiones debidas a las fuerzas de la corriente es un resultado del cambio en el momento del agua, ya que impacta una pila y luego se aleja de esta.

62 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Las especificaciones estándar de la AASHTO define la presión media que actúa sobre una pila de puente debido a las corrientes de agua, esta se define mediante la siguiente expresión:

Donde: Pavg = flujo promedio (lb/ft2) K= constante basada en la forma de la pila

Vavg= velocidad media del agua (m/s) La velocidad media se calcula dividiendo la velocidad de flujo por el área del flujo. Los valores de caudal se deben obtener de un minucioso estudio hidrológico/hidráulico para las condiciones que producen velocidades máximas. Tal estudio puede llevarse a cabo simultáneamente con el proyecto del diseño de puente o como un estudio independiente. El caudal máximo de flujo de la presión Pmax es igual a dos veces la presión de la corriente media Pavg. Utilizar Una distribución triangular con Pmax situado en la parte superior de la elevación del agua y una presión de cero en la línea de flujo. En las especificaciones de la AASHTO LRFD, la presión de la corriente que actúa en la dirección longitudinal de la subestructura es:

Donde: P: presión del agua que fluye (ksf) V: velocidad del agua (m/s) CD: coeficiente de arrastre de la pila

63 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Cuando el caudal de los ríos y la pila tienen un ángulo de inclinación θ, la presión lateral es:

Donde: P: presión del agua que fluye (ksf) V: velocidad del agua (m/s) CD: coeficiente de arrastre lateral de la pila Fuerza longitudinal. También llamada por las especificaciones AASHTO LRFD como fuerzas de frenado, la carga del vehículo se transfiere de las ruedas del camión a la cubierta del puente. Las especificaciones estándar de la AASHTO específica que el 5 por ciento de la carga de carril junto con la fuerza concentrada de momento. Como se muestra en la figura 2.33 Es utilizada como fuerza resultante longitudinal. Las especificaciones de la AASHTO LRFD específica que la fuerza de rotura como el 5 por ciento de camión de diseño, más la carga de carril. O el 5 por ciento del tándem, mas el carril de carga, o el 25 por ciento de los pesos por eje del camión de diseño o tándem de diseño. Esta fuerza se aplica a 6 ft por encima de la parte superior de la superficie de la cubierta. Todos los carriles de circulación se supone que va en la misma dirección. El efecto de las fuerzas longitudinales en la superestructura es intrascendente. Sin embargo, los elementos de la subestructura se ven afectados

más

significativamente.

Por

estas

fuerzas,

como

fuerzas

longitudinales. Fuerzas centrifugas. Para las estructuras en las curvas horizontales, el efecto de la fuerza centrífuga debe ser calculado. Al igual que carga longitudinal, la fuerza centrífuga es simula por un vehículo que viaja a lo largo del puente y, en este caso, en una trayectoria curvilínea. La fuerza se aplica de 6 pies por encima de la parte superior de superficie de la cubierta y se define como: 64 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde: C= fuerza centrifuga, el porcentaje de carga viva sin impacto S= velocidad de diseño, mph D= grado de curvatura. R= radio de la curva En lugar de una fuerza real, el valor C de arriba es un porcentaje, de forma similar al 5 por ciento de las fuerzas longitudinales, que se aplica a la carga viva de la estructura. Este porcentaje, multiplicado por la carga viva, se obtiene la fuerza para ser aplicado 6 ft sobre la superficie cubierta. A diferencia de fuerzas longitudinales, las fuerzas centrífugas se calculan utilizando la carga de camiones en vez de carriles de carga. Un camión diseño estándar se coloca en cada carril de tráfico de tal forma que las fuerzas máximas en el puente se generan. La cubierta que se une a los miembros principales de la superestructura (por ejemplo, una cubierta compuesta de hormigón integrado con vigas de acero con conectores de cortante) transmiten las fuerzas centrífugas a los elementos de la subestructura a través miembros secundarios y los cojinetes en pilas y estribos. Carga de impacto. Con el fin de tomar en cuenta los efectos dinámicos de un vehículo montado sobre una estructura, un factor de impacto se usa como un multiplicador de ciertos elementos estructurales. Desde dinámica básica, sabemos que una carga que se mueve por un miembro presenta grandes tensiones de una forma estática colocado sobre ella. Mientras que el modelado real de este efecto puede ser un asunto complejo, el factor de impacto utilizado por AASHTO permite una idealización conservadora del problema. La especificación Estándar de la

AASHTO define el factor de impacto de la

siguiente manera: 65 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde: I = factor de impacto (este no debe de exceder del 30 por ciento) L=longitud del tramo para crear tensión máxima, ft AASHTO ESTÁNDAR El factor de impacto es aplicado a ciertos elementos y componentes. El factor de impacto es aplicado a aquellos elementos que pertenecen al grupo A. El grupo A especificado por el reglamento incluye: a la superestructura, pilas y a diversos apoyos. El grupo B especificado por el reglamento incluye: incluye a los estribos, fundaciones, estructuras de madera y alcantarillas

Tabla 2.3 estructuras a las cuales es aplicado el factor de impacto. La carga viva se multiplica por este factor de impacto. El lector debe de tener en cuenta que este es un factor que aumenta los valores de carga viva. Así, por ejemplo, un tramo que es de 55 ft de largo daría una fracción de impacto de 0.28 es esto equivale a un factor multiplicador de 1.28, como se ha dicho en las especificaciones estándar de la AASHTO, este factor de impacto no puede exceder de 0.30. Esto significa que, para cualquier longitud mayor o igual a 41.7 ft, el valor de impacto siempre será de 0.30. Además de la respuesta dinámica del puente, el factor de impacto también está diseñado para tener en cuenta los afectos de la vibración de un vehículo y por golpes debido a desperfectos en la capa de rodadura, por ejemplo, baches. Las especificaciones de la AASHTO LRFD, el factor de impacto para la fatiga y para los estados límites de fractura es de un15 % y un 33% para todos los otr os estados límites. Para las uniones de la cubierta, un 75% de impacto será utilizado para todos los estados límites. Para estructuras enterradas tales como alcantarillas con 8 ft o más de suelo en la parte superior, el impacto se toma

66 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

como cero. Si una estructura está enterrada con menos de 8 ft de suelo, la interpretación lineal puede ser utilizada para calcular el impacto de la carga viva. El factor de impacto solo será aplicado a los camiones o al tándem de la carga viva. El factor de impacto no será aplicado a la carga de carril. Cargas de construcción. Es posible que durante la construcción de una estructura, varios miembros estén bajo condiciones de carga que son inducidas por equipos de construcción u otros tipos de cargas. En situaciones donde esta está prevista para el proceso de diseño (como en una construcción por etapas o una construcción segmentaria), el diseñador debe tomar las cargas adicionales en cuenta y presentar los refuerzos necesarios o estructuras de apoyo en la planes.

Figura 2.34 Construcción del puente sobre el rio Huasco en chile (puente postensionado segmentado). En otros casos, las cargas son introducidas por un método de construcción preferido por el contratista. En este caso, el contratista debe prever todo fortalecimiento necesario de los miembros o estructuras de apoyo. Estas medidas deberán ser presentadas por un ingeniero profesional con licencia de trabajo para el contratista, y revisado y aceptado por el propietario.

67 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.2.1.5 La deformación y las cargas de respuesta. Las cargas de respuesta son aquellas inducidas por el cambio interior o exterior en las propiedades del material o la geometría del miembro. Debido a que muchos puentes tienen redundancia estructural, los efectos de deformaciones como el asentamiento de los apoyos, fluencia y retracción en el hormigón inducen esfuerzos en un miembro fuera de la carga convencional muerta y viva. Estas cargas son creadas por la respuesta de la estructura a una condición de carga dada. La fluencia. La fluencia es la deformación del hormigón causa por la cargas sufridas durante un periodo de tiempo. Cuando un miembro de hormigón se carga inicialmente, se somete a una tensión instantánea y a la deformación relacionada. Si la carga es sostenida a lo largo de un periodo de tiempo (como en una cubierta que descansa sobre vigas de hormigón), una deformación, aproximadamente de 1.5 a 3 veces la magnitud de la tensión instantánea, será inducida.

Figura 2.35 Tensión-deformación diagrama que muestra la deformación del hormigón debido a la fluencia. 68 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. En la figura 2.35 se muestra una comparación de la deformación instantánea a la fluencia de tensión formando un diagrama de esfuerzo-deformación. Cuando se construye un elemento de hormigón, en vez de introducir cargas instantáneas, se coloca en el de una forma gradual en el miembro. Cuando se adopta este enfoque, el

desplazamiento

y

las

deformaciones

instantáneas

se

introducen

simultáneamente. El principal factor que afecta a la fluencia es la madurez del hormigón cuando las cargas se aplican. Por lo tanto, es preferible que esperar hasta que el concreto llega a una cierta fuerza antes de aplicar cargas a la misma. Otros factores tales como la humedad del aire y la relación agua / cemento de la hormigón también afectan a la magnitud de la fluencia. La deformación

por

fluencia teniendo

lugar

en

el

rango

elástico,

es

aproximadamente proporcional a esfuerzo. Una vez que cualquier miembro de hormigón es cargado, se deforma elásticamente., sin embargo, continuará a deformarse durante un período prolongado de tiempo. Una forma de contrarrestar los efectos de fluencia es simplemente usar un mayor la resistencia del hormigón con bajo nivel de agua / cemento. La contracción. Aunque la fluencia se relaciona con la contracción, los dos tipos de deformación son fenómenos separados. La contracción es el cambio natural en el volumen de concreto. Implica un cambio que no está relacionado con la carga de un miembro. Cuando la contracción se lleva a cabo, el volumen de hormigón en general, disminuye (se reduce). Esto generalmente es causado por una pérdida de humedad durante el secado. Por lo tanto, al igual que la fluencia, la contracción es sensible a la relación agua / cemento del concreto, y la condición de humedad del aire. La contracción y la fluencia tienen lugar al mismo tiempo y de forma independiente. Tienen un efecto similar en la estructura. El refuerzo se añade perpendicular a la armadura principal para tener en cuenta los esfuerzos de tracción inducido por la contracción. Otra forma de limitar los efectos de la 69 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. contracción es con ayuda del contratista en el campo para asegurarse de que el hormigón está debidamente curado. Para asegurar que

la contracción se

minimiza durante el proceso de curado, el titular debe utilizar el concreto que posee una cantidad mínima de agua necesaria para la trabajabilidad y fuerza. El concreto deberá mantenerse húmedo durante el curado, lo que permite para una curación lenta que reduzca al mínimo la contracción del hormigón. No hay manera de eliminar por completo la contracción, pero la atención adecuada limitará sus efectos. Si la contracción del hormigón no se controla de una manera adecuada, la contracción puede conducir a la formación de grietas en los elementos convencionales de hormigón. En el concreto pretensado, la contracción normalmente puede conducir a una pérdida de la fuerza de pretensado en el miembro. Asentamientos. El movimiento descendente de una base, pavimento, o estructura debido a las deformaciones del suelo de apoyo o pilotes es conocido como asentamiento. El asentamiento puede ser iniciada por un número de factores que incluyen, pero no están limitados a: 

La sobrecarga del suelo de soporte o pilas.



La reducción de la carga freática de zapatas o pilotes de fricción.



La vibración de las cargas vivas o carga sísmicas.



Los terraplenes de carga.



Los cambios en las propiedades del suelo.

Con respecto a este último punto, la contracción e hinchazón de suelo debido a las variaciones estacionales de la humedad, puede conducir a asentamiento. Por lo tanto, es importante que las zapatas se encuentren a una profundidad que no se ve afectado por estas fluctuaciones. Algo de particular interés para el ingeniero de puentes son los asentamientos diferenciales donde una fundación se moverá hacia abajo en una forma irregular.

70 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Tales asentamientos pueden dar lugar a la formación de grietas en los elementos de la subestructura. Fuerzas térmicas. Los efectos de las fuerzas térmicas en una estructura son importantes y no debe ser subestimado por el diseñador. En general, fuerzas térmicas son causadas por las fluctuaciones en la temperatura (es decir, de caliente a frío o frío a caliente).

2.2.2 Grupos de combinaciones de cargas. A diferencia de una película de acción donde los villanos convenientemente prefieren atacar a uno de los héroes a la vez, las cargas no convienen que actúen individualmente, sino más bien en diversas combinaciones. Es decir, la carga del vehículo podría estar en un puente y a la misma vez las fuerzas de viento y las fuerzas de la corriente de agua. El ingeniero de puentes debe diseñar un puente de tal manera que puede manejar agrupaciones plausibles de cargas que se colocan en un puente de forma simultánea. Pero de otra forma, la probabilidad de que todas las peores cargas actúen sobre la estructura al mismo tiempo es muy pequeña, por lo que los ingenieros no sólo deberían de considerar las peores cargas para el diseño de un puente. Para explicar esto, la AASHTO ha desarrollado un conjunto de combinaciones de carga que se dividen en varios grupos. Estos grupos representan probables combinaciones de cargas en una estructura. Todos los componentes estructurales deben estar diseñados para soportar todos los grupos de carga. Diferentes expresiones han sido utilizadas por las Especificaciones estándar de la AASHTO y especificaciones AASHTO LRFD para reflejar la diferencia en sus filosofías de diseño.

71 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Tabla 2.4 Coeficientes de grupo de carga y factores de carga (Especificaciones estándar AASHTO). 72 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Tabla 2.5 coeficientes de presiones de tierras y carga muerta para el diseño por factores de cargas.

Las Especificaciones estándar de la AASHTO. La ecuación general utilizada para definir un grupo de carga está dada por:

Donde: N = numero de grupo. = factor de carga β = coeficiente

73 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Los valores de subíndice en la ecuación representan los diferentes tipos de cargas. Las especificaciones estándar de la AASHTO presentan los valores de y β que son la base del método esfuerzos de trabajo y el factor de carga es utilizado en el método de diseño por resistencia. El β coeficiente varía en función del tipo de carga. El factor de carga

es la

unidad para todos los grupos de esfuerzos de trabajo. La última columna de la Tabla 2.4 da un determinado aumento de esfuerzo admisible para el método de esfuerzos de trabajo. Las Especificaciones AASHTO LRFD. La filosofía de diseño es tener una relación constante de la probabilidad de fallo estructural para todos los elementos y estructuras durante su diseño independiente de sus tipos, la geometría, los materiales o métodos de construcción. La medida de seguridad de cualquier miembro de la estructura es una función de la variabilidad de carga y de resistencia. Cuanto mayor sea la variación de una carga, el factor de carga debe de ser más grande. El objetivo de este método de diseño, es comprobar que cada miembro de la estructura cumpla con los estados límites de resistencia, servicio, y fatiga. Los estados límites de resistencia tienen como objetivo garantizar que las estructuras tengan la suficiente resistencia y estabilidad bajo condiciones de cargas diferentes. El estafo limite de servicio es utilizado para controlar deflexiones, ancho de fisuras, nivel de esfuerzos y en algunos casos la estabilidad bajo condiciones normales

de servicio que se garantice la utilidad de la estructura

durante su vida útil. El estado límite de fatiga son las restricciones sobre el rango de esfuerzo en carga de servicio de rotura para el diseño de la vida del puente. Dentro de cada combinación de carga, el efecto de la fuerza total factorada debe ser tomar como:

74 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde:

= modificador de carga, factor relacionado con la ductilidad de la estructura, redundancia y operatividad, para la mayoría de puentes este valor es igual a 1. = factor de carga, multiplicador de base estadística. = efecto debido a cargas especificas.

Cada miembro de conexión y de una estructura debe satisfacer los siguientes estados límite: 

Resistencia I – Combinación de cargas básica que representa el uso vehicular normal del puente, sin viento.



Resistencia II – Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos de diseño especiales especificados por el Propietario, vehículos de circulación restringida, o ambos, sin viento.



Resistencia III – Combinación de cargas que representa el puente expuesto a vientos de velocidades superiores a 90 km/h.



Resistencia IV – Combinación de cargas que representa relaciones muy elevadas entre las solicitaciones provocadas por las cargas permanentes y las provocadas por las sobrecargas.



Resistencia V – Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos normales con una velocidad del viento de 90 km/h.



Evento extremo I – Combinación de cargas que incluye sismos.



Evento extremo II – Combinación de cargas que incluye carga de hielo, colisión de embarcaciones y vehículos, y ciertos eventos hidráulicos con 75

Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. una sobrecarga reducida diferente a la que forma parte de la carga de colisión de vehículos, CT. 

Servicio I – Combinación de cargas que representa la operación normal del puente con un viento de 90 km/h, tomando todas las cargas a sus valores nominales. También se relaciona con el control de las deflexiones de las estructuras metálicas enterradas, revestimientos de túneles y tuberías termoplásticas y con el control del ancho de fisuración de las estructuras de hormigón armado. Esta combinación de cargas también se debería utilizar para investigar la estabilidad de taludes.



Servicio II – Combinación de cargas cuya intención es controlar la fluencia de las estructuras de acero y el resbalamiento que provoca la sobrecarga vehicular en las conexiones de resbalamiento crítico.



Servicio III – Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tracción en superestructuras de hormigón pretensado, cuyo objetivo es controlar la fisuración.



Fatiga – Combinación de cargas de fatiga y fractura que se relacionan con la sobrecarga gravitatoria vehicular repetitiva y las respuestas dinámicas bajo un único camión de diseño con la separación entre ejes especificada en la AASTHO LRFD.

76 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Tabla 2.6 Combinaciones de Cargas y Factores de Carga

Tabla 2.7 Factores de carga para cargas permanentes,

p

77 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 2.2.3 Métodos de diseño. En la ingeniería de puentes, hoy en día existen dos principales métodos de diseño, los nombres utilizados para definir estos métodos de diseño varían en función del material estructural utilizado, el código de diseño al que se hace referencia, o incluso a la época de una publicación. A los efectos de este texto, vamos a clasificar los dos métodos de diseño como: 

Diseño por esfuerzos de trabajo.



Diseño por estados limites.

La mayor parte del siglo pasado, el enfoque de diseño por esfuerzos de trabajo el cual fue el método mediante el cual se diseñaron puentes y otros proyectos de ingeniería estructural, sin embargo, en la década de 1970, el diseño por el método de estados limites comenzó a ganar aceptación por parte de la comunidad de ingeniería en general. ¿Cuáles son estos dos métodos de diseño y como se diferencian? ¿Es uno mejor que el otro? A responder a estas preguntas, es necesario entender primero los conceptos que hay detrás de cada enfoque. A continuación se ofrece un enfoque y una visión general de estos dos métodos de diseño y como se aplican al diseño de estructuras, en general, y puentes en partículas. 2.2.3.1 Diseño por esfuerzos de trabajo. El enfoque del método de diseño por esfuerzos de trabajo consiste en que los elementos estructurales son diseñados de modo que los esfuerzos unitarios no excedan un esfuerzo permisible predefinido. El esfuerzo admisible está definido por un esfuerzo dividido por un factor de seguridad, de modo que, en general, el esfuerzo de trabajo se expresa en forma de:

f actual ≤ f admisible

78 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.36 Diagrama de esfuerzo-deformación para diferentes resistencias del hormigón en compresión. Para una viga en flexión, este esfuerzo actual se define por:

Donde: M = momento máximo C = distancia al eje neutro de la fibra extrema I = momento de inercia de la sección transversal Y la tensión admisible puede ser dada por:

f

admisible=

Donde: fy = esfuerzo a la fluencia FS = factor de seguridad

79 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. La tensión admisible también podría ser definida por algunos otros criterios de control como el esfuerzo de pandeo para acero, resistencia a la compresión del hormigón, etc. Por lo tanto, la tensión admisible puede ser considerada como una fracción de algún fallo de un determinado material como el acero o el hormigón. Bajo el enfoque de esfuerzos de trabajo, los esfuerzos reales son representativos de las tensiones debidas a las cargas de servicio a la cual una estructura es sometida. Toda la estructura está diseñada para caer bien dentro de la gama elástica del material del elemento. Cuando la tensión, o deformación, de un material es proporcional a la aplicación del esfuerzo, el material se dice que se comportan elásticamente. El punto donde un material deja de comportarse elásticamente se define como el límite proporcional. Una vez que el esfuerzo y la tensión ya no son proporcionales, el material entra en el rango de plástico. 2.2.3.2 Diseño por estados limites. El método de diseño por estados límites fue, en parte, elaborado para hacer frente a las desventajas del método de esfuerzos de trabajo. Este enfoque hace uso del rango plástico para el diseño de los distinto miembros estructurales e incorpora los factores de carga teniendo en cuanta la variación de las cargas. Uno de las ventajas de los estados límite enfoque es que toma en cuenta esta variación mediante la definición de límite de resistencia y capacidad de servicio. El diseñador del puente puede pensar en estos términos de la siguiente manera: 

El esfuerzo es el estado límite que define el funcionamiento seguro y adecuado de la estructura. Los criterios que se utilizan para definir estos esfuerzos son la resistencia a la ruptura, pandeo, vuelco, etc. Bajo condiciones normales de carga, o en los eventos extremos.



Serviciabilidad

es

el

estado

límite

que

define

el

rendimiento

y

comportamiento de la estructura bajo carga nominal de servicio. Algunos criterios de servicio son el esfuerzo, la fatiga, la vibración, etc. De lo anterior, es fácil ver por qué los estados límites de diseño de los códigos, como los publicados en la AISC y AASHTO, dan mucha importancia a la fuerza del 80 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. estado límite, ya que este es el que tiene que ver con la seguridad pública de la vida física y los bienes de los seres humanos. Esta es la razón por la cual el estado limite de resistencia también se refiere a menudo como la resistencia de diseño. Obviamente, los estados límites de resistencia pueden variar dependiendo del tipo de miembro a ser diseñado, de las propiedades del material y de las condiciones de cargas dadas. Por lo tanto, como el diseño de esfuerzos de trabajo y estados limite varían dependiendo del material que se está utilizando y las características de diseño relacionadas. Podemos definir la ecuación de los estados límite como: Resistencia proporcionada ≥ Resistencia requerida La resistencia proporcionada está definida por las especificaciones aplicables al diseño del miembro (por ejemplo, ACI, AISC, AASHTO). La resistencia requerida es calcula utilizando las combinaciones aplicables de carga con factores de carga apropiados. Esto se puede traducir simbólicamente en una ecuación cuya forma es:

Donde: Φ = factor de reducción de la resistencia Sn = resistencia nominal L = carga de servicio de actúa sobre el miembro Ѱ = factor de carga debido a la incertidumbre de la carga de servicio

Así, la mitad derecha de la ecuación representa la suma individual de las cargas, cada una multiplicada por su factor de carga específico. Para las combinaciones de carga y los factores de carga correspondientes a los diversos tipos de cargas utilizado en las especificaciones AASHTO LRFD.

81 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.3 Factor de distribución. 3

2.3.1 ¿Cómo se distribuyen las cargas? Un puente carretero, no es una colección de elementos individuales, cada uno no realiza una función específica, sino más bien es una unidad integrada. El modelo de cómo una carga realmente se dispersa desde la cubierta hacia abajo a través de la subestructura no es una tarea trivial. Una amplia variedad de parámetros que van desde la geometría de la estructura, las propiedades del material del elemento influyen en la forma de cómo se distribuyen exactamente las cargas. La define un modelo matemático preciso de lo que ocurre con las cargas del puente en una estructura es complicado, es posible examinar las variables que influyen en la distribución. En esencia, los parámetros que influyen están en función de las propiedades de la sección transversal de la superestructura del puente. A continuación se detallan todos aquellos parámetros que influyen en la distribución de las cargas: 

Tipo y la profundidad de la cubierta



La longitud del tramo



Separación de los elementos primarios



El espaciamiento de los miembro secundarios



La rigidez de los miembros principales



La rigidez de los elementos secundarios



El tipo de arriostramiento utilizado



El tamaño y posición de las cargas

Con el fin de simplificar el cálculo de la distribución de carga, las especificaciones estándar de la AASTHO opta por utilizar un factor de distribución basado en solo 3

Tonias, D. E., & Zhao, J. J. (2007). Bridge Engineering: Desing, Rehabilitation and Maintenance of Modern Highway Bridges. New York, United States of America: McGraw-Hill.

82 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. dos de los criterios antes mencionados, este factor de distribución se basa en el tipo de cubierta y en el espaciamiento de los largueros, sin embargo, las especificaciones AASHTO LRFD, también considera el espesor de la cubierta, la longitud del tramo, y la rigidez del larguero. Para tener en cuenta los efectos de la distribución de carga. Este factor de distribución de carga se calcula y se aplica a los efectos producidos por la carga viva (los momentos de flexión, y esfuerzos cortantes). La Tabla 3.6 muestra los factores de distribución aplicados a la carga de rueda establecido por las Especificaciones estándar de la AASHTO para el tipo de cubierta y diversas configuraciones de los espacios.

Figura 2.37 Es importante señalar que estos factores de distribución son aplicados a las cargas de las ruedas. La figura 2.27 ilustra una situación típica de un camión HS20 que carga sobre un larguero interior. Cuando se calcula el momento de flexión debido a la carga del camión, por ejemplo, una fracción del eje frontal y de los ejes traseros se toma para actuar sobre un tablero interior. Consultando la tabla 2.8, para una cubierta de hormigón con dos o más carriles y un espaciamiento de menos de 14 ft el factor de distribución resultante de un larguero interior será:

83 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Tabla 2.8 especificaciones estándar de la AASHTO de distribución de carga de rueda en vigas longitudinales.

84 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Las especificaciones AASHTO LRFD proporciona una formula más precisa y sofisticada para calcular los factores de distribución de carga viva. Es muy importante recordar que las especificaciones AASHTO LRFD utiliza la carga por eje y la carga de carriles, en lugar de la carga por rueda. En otras palabras, los factores de distribución de carga viva en el método LRFD es aproximadamente la mitad que en las especificaciones estándar, que utiliza la carga de la rueda o media carga de carril. Por lo tanto, usamos 8 klb, 32 klb y 32 klb de carga para el cálculo utilizando el camión HL-93, pero se utiliza 4 klb, 16 klb, 16 klb para el cálculo utilizando el camión HS-20, aunque ambos camiones son idénticos. Las siguientes ecuaciones son utilizadas en el cálculo del factor de distribución para carga viva establecida por las especificaciones estándar de

la AASHTO

LRFD. Para la cubierta de concreto sobre largueros típicos de puentes, el factor de distribución para momento en largueros interiores es: Para un carril:

Para dos o más carriles:

El factor de distribución de carga viva para cortante en largueros interiores es: Para un carril:

85 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Para dos o más carriles:

Para aplicar estas ecuaciones, el puente tiene que cumplir las siguientes condiciones:

Donde: S = espaciamiento de los largueros (ft) L = longitud (ft) Kg = parámetro de rigidez longitudinal del larguero (in4)

ts = profundidad de la losa de hormigón (in)

Donde:

n = modulo de elasticidad entre el material del larguero y la losa de concreto I = momento de inercia del larguero (in4)

86 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

A = área de la sección transversal del larguero (in2)

eg = distancia entre el centro de gravedad del larguero y el de la cubierta (in) Para los puentes que no cumplen con las condiciones anteriores, análisis estructurales refinados tales como el análisis de elementos finitos puede ser utilizado para otros tipos de superestructura, los factores de distribución de carga puede ser obtenido de conformidad con la Tabla AASHTO LRFD 4.6.2.2b-1. 2.3.2 Diferentes tipos de distribuciones de cargas. Además del tipo de piso y espaciamiento de los largueros, los criterios que rigen la distribución de carga varían dependiendo de la orientación del elemento que se analiza (longitudinal o transversal) y su posición (interior o exterior). El texto siguiente ofrece una visión general de algunos de los principales tipos de sistemas de piso y los relacionados con los requisitos de AASHTO para la distribución de las cargas. Miembros longitudinales interiores. Como ya hemos discutido en el ejemplo anterior, el factor de distribución de carga viva de un

larguero interior se

determina en el cuadro 2.8 (AASHTO 3.23.1), o AASHTO LRFD 4.6.2.2.2b. Miembros longitudinales exteriores. Dependiendo de la viga, las vigas exteriores están a menudo sometidas a cargas más pesadas que las vigas interiores. Las cargas muertas

superpuestas, tales como bordillos, aceras,

barandillas, barreras, etc., que se colocan sobre una viga exterior después de que la cubierta ha curado, pueden ser distribuidas por igual entre todos los miembros principales (AASHTO 3.23.2.3.1.1). Para un puente de losa sobre el larguero con cuatro o más travesaños, los factores de distribución

que se utilizan en las

especificaciones estándar de la AASHTO:

O 87 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde: S= es la distancia entre el larguero exterior y el larguero interior adyacente. De las ecuaciones anteriores observamos que el factor de distribución varía dependiendo del espaciamiento del larguero. Como es el caso de muchos larguero interiores, cuando el espaciamiento entre un larguero exterior y un larguero interior es superior a 14 pies, el cubierta entre los dos largueros se toma para actuar como una viga simple con la carga sobre cada larguero siendo la carga de la rueda la reacción resultante. En las especificaciones AASHTO LRFD, aunque sólo uno de los carriles se carga, el factor de distribución de carga viva para el momento y cortante puede obtenerse a través del posicionamiento de la rueda de camión a 2 pies del parapeto, y el cálculo de la reacción a partir de la viga exterior, suponiendo que la cubierta está simplemente apoyada por las vigas en la dirección transversal. Cuando dos o más carriles se han cargado, el factor de distribución de carga viva para el momento se puede obtener utilizando la siguiente expresión: Para un carril:

Para dos o más carriles:

Donde:

de =

Distancia entre la banda exterior de la viga exterior al rostro de la barrera de tráfico (pies).

Si una viga exterior está bajo una acera, la viga debe ser diseñada para la carga de camión en la acera. Cabe señalar que en ningún caso debe una viga exterior 88 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. ser diseñada más pequeña que las vigas interiores, de manera que el puente puede ser fácilmente ampliado en el futuro. Miembros transversales. Las especificaciones AASHTO no permiten que para cualquier distribución lateral de la carga para los miembros transversales. Cuando no hay miembros presentes longitudinales y la cubierta apoyado en su totalidad por las vigas de piso, los factores de distribución, como se indica en AASHTO Tabla 3.23.3.1 o AASHTO LRFD 4.6.2.2.2f Tabla-1, puede ser utilizada. Para los puentes de la cubierta de hormigón, los factores de distribución, tanto para momento y cortante es de S / 6. Donde S es el espaciamiento de la viga transversal. Si S es superior a 6 pies (1,8 m), el factor de distribución puede ser calculado mediante la colocación de la carga viva para obtener la reacción máxima en la viga piso, suponiendo que la cubierta está simplemente apoyada por las vigas de piso. Los factores de distribución para ambos especificaciones AASHTO son similares.

2.4 Losas de hormigón.4 2.4.1 Longitud de tramo efectivo. La figura 2.28 muestra una tira de diseño típica para una losa de hormigón armado. La cubierta se supone que actúa como una viga, que es continua a lo largo de sus soportes. En este caso, los soportes son la pestaña ancha de los largueros utilizados como miembros primarios en la superestructura. Una unidad de anchura de un pie se supone para la viga a diseñar, la viga se extiende transversalmente (perpendicular a los miembros). Para simplificar el diseño, un segmento de la losa asumido como viga se toma y es analizado como un claro simple. La longitud de este segmento se llama longitud de tramo efectivo. El tamaño de la longitud de tramo efectiva depende de: 

Si la losa es continua durante más de dos soportes

4

Tonias, D. E., & Zhao, J. J. (2007). Bridge Engineering: Desing, Rehabilitation and Maintenance of Modern Highway Bridges. New York, United States of America: McGraw-Hill.

89 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 

El tipo de soporte (por ejemplo, largueros de hormigón o acero)



Como la losa se integra con los soportes

Figura 2.38 segmento de diseño para una losa de concreto reforzado. La tabla 2.9 se enumeran los criterios que rigen la longitud de tramo efectivo para losas de concreto reforzado (AASHTO 3.24.1).

Tabla 2.9 criterio para determinar la longitud de tramo efectivo de losas de concreto

90 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 2.4.2 Calculo del momento flector. Como se menciono anteriormente, el diseño de una losa de hormigón es realizado en un ancho de pie por base de la losa. La AASHTO ofrece criterios para especificar el momento de flexión producido por la carga viva. El momento de flexión producido por la carga viva varía dependiendo de si la armadura principal es perpendicular o paralela a la dirección del tráfico. Es necesario tener en cuenta que estas ecuaciones proporcionadas por el reglamento no incluyen impacto. 2.4.2.1 Refuerzo perpendicular a la dirección del tráfico. La colocación de forma perpendicular armadura principal a la dirección del tráfico normalmente se produce en las estructuras donde la losa de hormigón descansa sobre un conjunto de miembros principales orientadas longitudinalmente. El ejemplo más común de esto es un puente losa sobre el larguero. El momento de carga viva para tramos de losa simplemente apoyado en la dirección transversal se calcula como sigue:

Donde: MLL =momento de carga viva por pie de losa (ft-lb) S = longitud de tramo efectivo (ft) P= carga viva = 16 kip para H20 y HS20 0 = 20 kip para H25 y HS25 Si la losa es continua durante más de dos soportes, AASHTO introduce un multiplicador de 0,8 que se aplica a ambos momentos positivos y negativos. Esto modifica la ecuación anterior para convertirse en:

91 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.4.2.2 Refuerzo paralelo a la dirección del tráfico. La colocación de refuerzo principal paralelo a la dirección del tráfico se produce en las estructuras donde la losa resiste grandes fuerzas de flexión o vigas de piso están presentes. Para estos tipos de puentes, AASHTO especifica que la losa sea analizada como una viga que tiene una anchura efectiva E, una longitud S, y una profundidad como se ha descrito antes, de tal manera que:

Donde: E = ancho efectivo de la losa. S = la longitud efectiva.

2.4.2.3 Momento por carga muerta. Para tramos simples, el momento de la carga muerta puede ser tomado como momento máximo para una viga simplemente apoyada bajo una carga uniformemente distribuida. Es decir, para una longitud de tramo eficaz de S:

Para losas continuas sobre más de dos soportes, una aproximación debe ser hecha. Aunque no ofrece la especificación de la AASHTO una ecuación para el cálculo del momento por carga muerta, la expresión generalmente aceptada es:

92 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 2.4.3 La distribución del refuerzo. Sea o no la armadura principal paralela o perpendicular a la dirección del tráfico, el refuerzo de distribución es requerido. El refuerzo de distribución se utiliza para tener en cuenta la distribución lateral de las cargas vivas (AASHTO 3.24.10).

Figura 2.39 acero de refuerzo para una losa de hormigón a punto de ser colada.

Para determinar la cantidad de acero de distribución necesario, la cantidad de armadura principal necesaria se multiplica por un porcentaje específico. Este porcentaje varía, dependiendo de si la armadura principal es paralela o perpendicular a la dirección del tráfico. Para la armadura principal perpendicular a la dirección del tráfico él porcentaje de acero se da como:

93 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. O, cuando el refuerzo es paralelo a la dirección del tráfico, usamos la expresión:

Donde: S = longitud de tramo efectiva (ft) Los valores limites del 67 por ciento y 50 por ciento se especifican en las ecuaciones

anteriores,

respectivamente,

estos

porcentajes

de

acero

de

distribución son los límites y no deben de ser excedidos. La razón para localizar el acero en la parte inferior de la losa es por los momentos transversales a la tensión, que se muestran en la parte inferior de la losa. Si la armadura principal se coloca perpendicular al tráfico, la distribución del acero se colocara en el medio centro del tramo, entre los largueros. Además no menos del 50 por ciento de la cantidad utilizada en el medio se va a colocar en los cuarto exteriores del tramo. 2.4.4 Espesor mínimo de la losa. El fin de establecer un espesor mínimo de losa es que el espesor de una losa de hormigón tiene un gran impacto en la longevidad general de la losa. El control de las deflexiones de la superestructura también se ve afectada por la losa. Las especificaciones de la AASHTO han establecido criterios que definen el espesor mínimo de las losas de hormigón armada, tanto para tramos simples como para tramos continuos. El espesor mínimo está definido para miembros de hormigón para que se proporcione una adecuada rigidez, para resistir deformaciones excesivas. Para las losas de hormigón armado, esto significa que para una losa con el refuerzo principal paralelo a la dirección del tráfico. Para losas que están simplemente apoyadas, el espesor mínima de losa se da como:

94 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. O, cuando se trata de una losa continua sobre más de dos soportes, el espesor mínimo de losa se da como:

Donde: S = longitud de tramo efectivo (ft) En las especificaciones AASHTO LRFD, la profundidad mínima de un tablero de hormigón es de 7,0 pulgadas (178 mm), además de la superficie de la superficie de rodadura. 2.4.5 Cargas de barandales. La porción de losa que resiste las cargas inducidas por postes de la barandilla varía dependiendo de si un parapeto está presente o no (AASHTO 3.24.5.2). Cuando un parapeto no está presente, la longitud efectiva de la losa que resiste las cargas posteriores es dado como:

O, cuando un parapeto se proporciona, la longitud efectiva de la losa se define por la siguiente expresión:

Donde: E = longitud efectiva de la losa que resiste la carga de barandilla (ft) X = distancia desde el centro de un poste hasta el punto de análisis (ft)

95 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.40 Detalle en sección transversal de una losa de hormigón armado 2.4.6 Método AASHTO LRFD. Hasta ahora solo se ha mencionado el diseño de la losa de concreto utilizando el método utilizado en las especificaciones estándar de la AASHTO. AASHTO LRFD permite a los diseñadores que utilice uno de los siguientes enfoques para el diseño de la losa de concreto: el primer enfoque es el llamado “método analítico” este método es casi idéntico a la del método usado en las especificaciones estándar. Para el camión de diseño HL-93 la carga de rueda a utilizar es P = 16 kip, carga utilizada para obtener el momento de flexión debido a la carga viva. El segundo enfoque es el llamado "Método de Diseño Empírico". Para utilizar este método, la profundidad mínima de la cubierta no debe ser inferior a 7,0 in (178 mm) con exclusión de una superficie de sacrificio, la longitud de tramo efectivo de la cubierta no debe exceder de 13,5 ft (4,1 m), y la relación de longitud de tramo efectivo a la profundidad cubierta es entre 6,0 y 18,0. Alguna otro condición que se especifique en AASHTO LRFD 9.7.2.4, también deben ser satisfecha para utilizar el Método de Diseño empírica. El método de diseño empírico especifica que la cantidad mínima de refuerzo para la capa inferior debe ser de 0,27 in2/ft (572 mm2 / m), y la cantidad mínima de refuerzo para la capa superior debe ser 0,18 in2/ft (381 mm2 / m). Todos los 96 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. refuerzos serán barras rectas, excepto para los ganchos donde se requieran, y la separación máxima es de 18 in (457 mm). 2.4.7 Detalle del refuerzo de la losa. Además de proporcionar el suficiente refuerzo, el diseñador debe también de preocuparse, por proporcionar un detallado pertinente de la losa. Algunos de las principales inquietudes en el detallado incluyen, pero no se limitan a, los siguientes: 

El recubrimiento mínimo.



La longitud de las barras.



El espacio entre las barras paralelas.



La unión de las barras.

Figura 2.41 un puente con un refuerzo similar al de la figura 2.40

97 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

2.5 Construcciones mixtas. 5 2.5.1 Acción compuesta. El uso de dos materiales para formar un único elemento estructural no es una nueva técnica. La llegada de la construcción de la construcción compuesta en el diseño de puentes, no tuvo vigencia hasta mediados y finales de la década de los 40, desde una perspectiva histórica, el momento de la aceptación de la construcción compuesta fue fundamental, ya que llego casi al mismo tiempo que el desarrollo de la interestatal de los Estados Unidos. ¿Cuál es la construcción compuesta, y como se ofrece dicha economía de los materiales? Desde la resistencia básica de los materiales, la tensión máxima en una viga sometida a flexión pura se define como:

Donde: f = tensión en la viga M = momento de flexión C= distancia del eje neutro a la fibra extrema I = momento de inercia resistente de la sección trasversal Esto a menudo se redefine utilizando el módulo de sección elástico que es depende sólo en la geometría de la sección transversal resistente y se da simplemente como:

5

Tonias, D. E., & Zhao, J. J. (2007). Bridge Engineering: Desing, Rehabilitation and Maintenance of Modern Highway Bridges. New York, United States of America: McGraw-Hill.

98 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde S = modulo de sección =

Por inspección, vemos que cuanto mayor sea el valor del modulo de sección, menor es el resultado del esfuerzo. Por lo tanto, es en el mejor interés del diseñador para aumentar el modulo de la sección tanto como sea posible. Es aquí donde la principal ventaja de la acción compuesta entra en juego. Si una losa de hormigón simplemente descansa en la parte superior de una viga de acero, se produce un fenómeno como el deslizamiento conocido como cortante horizontal.

Como las

cargas

se colocan

en

la

parte superior

de

la

losa, la parte superior de ambos la losa y la viga están en compresión y la parte inferior de la losa y la viga están en tensión. En esencia, ambos elementos se deflectan como una viga, aunque de forma independiente. Dado que la parte inferior de la losa está en tensión y la parte superior de la viga en compresión, la resultante es un efecto de la losa que se extiende a lo largo de los extremos de la viga (véase la Figura 2,42). En el análisis de dicha configuración, la losa y la viga se tratan de forma independiente, con la geometría de cada elemento que define el eje neutro y el momento de inercia de la losa y la viga. Dado que la losa de hormigón por sí solo tiene poca fuerza en comparación con los patines, la contribución de la resistencia de la cubierta es por lo general ignorada por las superestructuras no compuesto. Si la losa y la viga, se integraron de alguna manera, estos podrían resistir las cargas como una sola unidad. En esta disposición, el eje neutro sería localizado en un punto intermedio de la sección definida por la parte superior de la losa y la parte inferior de la viga. Con una integración adecuada, la losa de haz lo haría actuar como una unidad con la parte superior de la losa en la compresión y la parte inferior de la viga en tensión y sin deslizamiento en el medio. Esta integración se lleva a cabo mediante la incorporación de conectores de corte entre la losa y la viga.

99 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.42 El deslizamiento se produce en la interface losa-viga en vigas no compuesto.

Los conectores de corte son generalmente elementos metálicos que se extienden verticalmente de la pestaña superior de la viga de apoyo y se incrustan en la losa. Varios de estos conectores se colocan a lo largo de la longitud de la viga para evitar deslizamiento que es causada por el cortante horizontal en la interface losaviga. Figura 2.43 muestra una fila de pernos de corte unidos a una viga de chapa de acero. Los conectores de cortante son la forma más común utilizada en la actualidad en puentes mixtos. La instalación del conector de cortante se ve facilitada por el uso de una pistola de soldadura automática. Esta facilidad de instalación y el relativamente bajo costo de los conectores ha llevado a su popularidad en la construcción compuesta.

100 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Figura 2.43 conectores de cortante instalados en la pestaña superior de una viga armada. Los conectores de cortante son el ingrediente clave para prevenir el deslizamiento y la creación de la acción compuesta. Para vigas de hormigón, la acción compuesta se logra mediante la extensión de los estribos de la viga en la cubierta de concreto para resistir el esfuerzo cortante horizontal entre la cubierta y las vigas. Con los conectores de cortante, la losa y la viga pueden ser utilizadas como una sola unidad. Lo que aumenta el modulo de sección que a su vez permite que la viga compuesta tenga mayor resistencia. En esencia, la viga en forma de I se sustituye por una sección transversal en forma de T compuesta por la losa y el larguero, las ventajas pueden ser: 

Una disminución en el tamaño del larguero



Longitudes de tramos más grandes



Una sección transversal rígida



Una disminución en el esfuerzo y en la deflexión producida por la carga viva



Un aumento en la capacidad de carga



Mayor resistencia a las cargas laterales

La forma de calcular la capacidad de flexión de hormigón compuesto sobre acero largueros es similar a la de una viga de hormigón armado sección T. Parte de los

101 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. la cubierta está en compresión, y el larguero de acero actúa como el acero de refuerzo. La economía de los materiales realizado por la construcción compuesta llevó rápidamente a su crecimiento como un elemento básico en el diseño de puentes carreteros. Las vigas roladas de ala ancha ahora podrían ser utilizadas para longitudes mucho más largas. La disminución en el tamaño de los largueros también significó que las vigas ahora podrían ser menos peraltadas que antes. Otro beneficio añadido es que la conexión entre la losa y el larguero actúa como un diafragma entre los largueros adyacentes para resistir la def ormación lateral.

2.5.2 Construcción apuntalada y no apuntalada. Las cargas muertas en un puente losa-larguero consisten principalmente en el peso de la losa y la viga. Dado que el hormigón ha de curar durante 28 días antes de que este alcense su resistencia máxima, la losa y la viga no puede considerarse que trabajen en forma compuesta. Esto significa que, hasta que el concreto ha endurecido a un punto suficiente, el larguero de acero debe de resistir todas las cargas muertas. La construcción apuntalada minimiza la cantidad de carga muerta que tiene que soportar la viga ya que se le proporciona apoyos en puntos intermedios a lo largo de la longitud del tramo. Una vez de que el hormigón haya alcanzado la suficiente fuerza, los apoyos son removidos y la carga muerta del hormigón es soportada por la sección compuesta. Por lo tanto con el apuntalamiento, existen deflexiones más pequeñas producidas por la carga muerta y esfuerzos más pequeños producidos por la carga muerta. Por lo contrario, la construcción no apuntalada no proporciona ningún soporte durante el moldeado de la cubierta de hormigón y la viga resiste todas las cargas muertas. Para la mayoría de los tramos los costos asoc iados con el

apuntalamiento son mayores que los ahorros en acero. Por lo tanto, la

construcción apuntalada no es una práctica común.

102 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. 2.5.3 Ancho de ala efectiva. A pesar de que la cubierta se construye continuamente a través de los largueros de apoyo, solo una porción de la losa se toma a trabajas de una forma compuesta con el larguero. Esta porción de losa es el reborde superior de una viga en forma de T (véase la figura 2.44). Esta porción se denomina ancho de ala efectiva. La definición del ancho de ala efectiva varía dependiendo de si la losa forma una T (viga interior) o está presente en un solo lado del larguero (viga exterior). Las especificaciones estándar de la AASHTO definen el ancho de ala efectiva como el menor de: 

Un cuarto de la longitud del larguero



Centro a centro de la distancia entre los largueros



Doce veces el espesor mínimo de la losa

De la inspección se puede ver que el primer criterio gobierna a menudo para tramos cortos y el último para losas delgadas. Para largueros exteriores, el ancho de ala efectiva debe ser tomada como la mitad de la anchura efectiva del adyacente larguero interior además de la menor de: 

Una doceava parte de la longitud del tramo



Seis veces el espesor de la losa



Cubierta de ancho voladizo

En las especificaciones AASHTO LRFD, la contribución de la banda del larguero y el ancho efectivo de ala efectiva superior también se consideran en la determinación de la del ancho efectivo de la plataforma de hormigón. Para largueros interiores, en ancho efectivo del ala se define como el menor de (AASHTO LRFD 4.6.2.6): 

Un cuarto de la longitud del larguero.



La distancia de centro a centro entre los largueros



Doce veces el espesor promedio de la losa, además del mayor espesor del alma, o la mitad del ancho de la pestaña del larguero superior

103 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Para los largueros exteriores, AASHTO LRFD define el ancho de ala efectivo como la mitad de la anchura efectiva del larguero interior adyacente, además de la menor de: 

Un octavo del de la longitud del larguero



La anchura de la cubierta de voladizo desde el larguero exterior



Seis veces el espesor promedio de la losa, además de la mayor de la mitad del espesor del alma del larguero, o un cuarto de la anchura de la pestaña superior del larguero

Figura 2.44 Ancho de ala efectiva para una viga exterior y una viga interior. La anchura efectiva del ala se utiliza para calcular las propiedades de la sección compuesta y representa la porción de la cubierta que, junto con el larguero, resiste las cargas aplicadas. 2.5.4 La sección transformada. Cuando se calcula el esfuerzo o la deflexión de una estructura ante cargas de servicio, usualmente se asume una estructura con comportamiento elástico. Para simplificar los cálculos de las propiedades de la sección compuesta, se transforma la sección en una sección transformada, donde la losa de hormigón se convierte en un área equivalente de acero por el uso de una relación modular. La relación modular se define como: 104 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes.

Donde: Es = modulo de elasticidad del acero Ec = modulo de elasticidad del concreto

Figura 2.45 sección transformada

La figura anterior visualiza lo que una sección transformada podría parecer. El valor aceptado para el módulo de la elasticidad del acero es 29.000.000 psi (ACI 8.5.2,

8.7.2

y

AASHTO

10.38.1.3).

Para

concreto

de

peso

normal

(aproximadamente 145 kg/m3), el módulo de elasticidad se da como:

Donde: f’c = resistencia a la compresión del concreto (lb/in2) Si la unidad de peso real de hormigón utilizado es conocido, el módulo de elasticidad puede ser calculada utilizando:

105 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Donde: w = unidad de peso del concreto (lb/ft3) Para los miembros de compuestos, AASHTO ofrece una lista de configuración modular valores de relación que varían dependiendo de la resistencia última de cilindro del hormigón utilizado (AASHTO 10.38.1.3). Los valores se basan en el uso de hormigón de peso normal.

Tabla 2.10 relaciones modulares Una vez que la relación modular ha sido determinada, la anchura de la losa de hormigón transformada se puede calcular dividiendo simplemente la anchura efectiva de la losa por la relación modular:

Donde: btr = ancho de losa de hormigón transformado. K = multiplicador de consideración de la fluencia. 2.5.5 Efectos de la fluencia. Se ha definido que la fluencia es “la deformación del concreto causada por cargas sostenidas por un periodo de tiempo”. Curado se considera una sección compuesta, esto tiene un impacto en las cargas muertas superpuestas como la superficie de desgaste, bordillos, barandales, etc., que se colocan después de que la cubierta ha curado y se mantiene durante la vida útil de la estructura.

106 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Para tener en cuenta los efectos de la fluencia, la AASHTO especifica un multiplicador para ser aplicado a la relación modular al calcular la anchura de la losa transformada (AASHTO 10.38.1.4). Un multiplicador de k = 1 se utiliza para carga viva. Para cargas muertas superpuesta que actúan sobre la sección compuesta, se utiliza un multiplicador de k = 3. Por lo tanto, si una relación modular de n = 10 estaba siendo utilizada para el cálculo de las tensiones en la sección compuesta producidas por la carga viva, un valor de 3n = 30 sería utilizado para carga muerta superpuesta. Esto tiene el efecto de reducir la anchura de la losa transformada y reduciendo así el tamaño del módulo de sección compuesta, lo que aumentará la tensión y la deformación causada por las cargas muertas superpuestas. 2.5.6 La selección de un perfil laminado. La selección de la sección transversal del larguero se logra a través de un proceso de ensayo y error. La selección se realiza mediante la realización de cinco sencillos pasos: 

El primer paso, suponer una sección de acero, basándose en la longitud del tramo.



El segundo paso, calcular el momento de flexión y fuerza cortante factorizados.



El tercer paso, calcular en momento de flexión y la fuerza cortante con la sección asumida.



El cuarto paso, revisar, si es necesario, la sección de acero supuesta en base a la resistencia requerido



El quinto paso, comprobar las deflexiones y esfuerzos de trabajo

Hay una variedad de métodos que pueden utilizarse para seleccionar los largueros de acero de puentes mixtos. El método de selección de la sección transversal del larguero será dependiendo de si una sección a utilizar es una viga laminado o viga armada.

107 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. La selección de una sección. La selección de un larguero de acero que cumpla con todos los requisitos de diseño se realiza a través de un proceso de prueba y error. Los estudios han demostrado que para un puente de claros simples, el peralte del larguero debe estar en el intervalo de 1/27 a 1/20 de la longitud del tramo. Por supuesto, el diseño de la sección final dependerá del espacio entre largueros, los esfuerzos en el acero, y las cargas. AISC LRFD (Manual de la Construcción en Acero) (LRFD) ofrece una herramienta muy útil para ingenieros jóvenes en la Selección de una sección preliminar. Como ya hemos obtenido el momento de flexión total factorizado, podemos usar una sección compuesta

partiendo del momento de flexión utilizando tablas de

capacidad para que nos ayuden en la selección del tamaño del larguero. 2.5.7 Resistencia de la sección compuesta – método LFD. Una vez que una sección preliminar ha sido elegida basándose en la longitud del tramo, en el momento factorizado y en las experiencias anteriores, la sección seleccionada debe ser revisado para determinar la idoneidad de la viga en resistir el momento flector factorizado y la fuerza de corte factorizada. Para una sección compuesta, la capacidad de momento de flexión depende si el larguero de acero es una sección compacta. Una sección compacta es una viga en forma de I simétrica de alta resistencia al pandeo local y lateral o torsional. Vigas compuestas en las regiones de momento positivo, se entenderá como secciones compacto si el eje neutro en el momento plástico se encuentra por encima del patín, o si la sección

cumple los siguientes requisitos (AASHTO

10.50.1.1):

108 Capítulo II: Marco Referencial.

Ingeniería de puentes. Donde: Dcp = profundidad de la banda en la compresión en el momento plástico tw = espesor del patín fy = esfuerzo de fluencia del acero (psi) Dp = distancia entre la parte superior de la losa al eje neutro a momento plástico.

Donde: β = 0.9 para fy = 36000 psi = 0.7 para fy = 50,000 psi o 70 psi d = peralte de la viga de acero

ts = espesor de la losa de concreto tb =

espesor de la cartela de concreto por encima de la parte superior de la

vida (hasta la parte inferior de la losa) Para sección compacta en regiones de flexión positiva, si el eje neutro del momento plástico está por encima de la faja, o si Dp 4.59 in, por lo tanto se cumple la condición anterior y la resistencia a flexión debe der tomada como: Mn = Mp (1.07 – 0.7

)

Mn = 4513.93 (1.07 – 0.7

)

 Mn = 4359.28 Kips.ft

- Chequeo del límite de resistencia. Mu + fl x t  fMn Mu  fMn

Donde  = 1 y fl= 0

“art 6.5.4.2 AASHTO LRFD”

2658.27 Kips.ft  4359.28 Kips.ft O.K. - Chequeos de requerimientos de ductilidad. ≤ 0.42 ⇒

= 0.15  0.42 O.K.

- Chequeo de la capacidad de cortante. K = 5 para vigas no rigidizadas. Determinación de constante C



280 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

= 57.44 

=

= 60.31

57.44 < 60.31 por lo tanto C = 1 Calculado el cortante nominal: Vn = CVp = C(0.85.fy.D.tw) Vn = CVp = 1 (0.85 x 50 x 35.9 x 0.625) Vn = CVp = 953.59 Kips

Vn  Vu donde =1 (1)(953.59) > 202.44 Kips 953.59 Kips > 202.44 Kips O.K. Por lo tanto se puede concluir que la sección preliminar cumple con los requerimientos de Resistencia.

9. Calculo del momento de inercia de la sección compuesta. - Momento de inercia para la carga muerta superpuesta, usando n = 8 bf =

=

= 3.93 in

Inercia de la losa =

= 167.68 in4

=

Elemento

A (in2)

Y (in)

AY (in3)

AY2(in4)

I0 (in4)

W36 x 150

44.20

17.95

793.39

14241.35

9040

Losa (3n)

31.44

41.90

1317.34

55196.38

167.68

∑

75.64

-

2110.73

69437.73

9207.68

281 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

z

= 78645.41 in 4

= Y’ = z

= 29.90 in = 19766.47 in4

-

= 708.48 in3

- Momento de inercia para la carga viva, usando n = 8 bf =

=

= 11.80 in

Inercia de la losa =

= 503.46 in4

=

Elementos

A(in2)

Y (in)

Ay (in3)

AY2(in4)

I0 (in4)

W36 x 150

44.2

17.95

793.39

14241.35

9040

Losa (n)

94.4

41.90

3955.36

165729.58

503.46

∑

138.60

-

4748.75

179970.93

9543.46

z

= 189514.39 in4

= Y’ = z

-

= 34.26 in = 26832.97 in4 = 783.21 in3

282 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 10. Chequeo del estado limite de servicio. Para la realización de este chequeo las especificaciones establecen que se debe de utilizar la combinación de carga de Servicio II (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007), la cual se detalla a continuación: Servicio II = 1.0DC + 1.0DW 1.3 LL+IM Para la realización de este chequeo debe de tenerse en cuenta el comportamiento de la estructura a lo largo del proceso constructivo, ya que las propiedades de la sección cambia a medida se avanza en el proceso constructivo.  Análisis de esfuerzo para la sección no compuesta producido por la carga muerta: En este caso los largueros soportan las cargas muertas por si solas. Esfuerzo 1 =

=

= 12.04 Ksi

-Análisis de esfuerzo para la sección compuesta producido por la carga muerta súper puesta: En este paso los largueros actúan en conjunto con la losa de concreto cambiando las propiedades geométricas de la sección Esfuerzo 2 =

=

= 4.10 Ksi

-Análisis de esfuerzo para la sección compuesta producida por la carga viva.

Esfuerzo 3 =

=

= 14.93 Ksi

Luego de calcular los distintos esfuerzos se procede a la sumatoria de ellos y el esfuerzo total no debe de sobrepasar el 95% del esfuerzo de fluencia del larguero, 283 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. si se diera el caso contrario esto indicaría que se generarían deformaciones permanentes en el larguero de acero. Calculo de esfuerzo total factorizado en el patín inferior: Esfuerzo total: 1.0(12.04) + 1.0(4.10) + 1.3(14.93) Esfuerzo total: 35.55 ksi

- Verificando el estado limite de servicio II Esfuerzo del patín  0.95 fy 35.55 ksi  0.95 (50) 35.55 Ksi < 47.5 Ksi O.K. Se puede observar que la viga es satisfactoria para el estado límite de Servicio II por lo tanto no existen deformaciones permanentes en el larguero, siendo este es el estado que predomina en el diseño estructural ya que genera la mayor demanda estructural sobre los largueros de acero.

11. calculo del rango de cortante en el larguero. En este paso se determinan los rangos de cortante, valores utilizados en el cálculo de los conectores de cortante. Para el cálculo del rango de cortante en el larguero se efectúa bajo el estado límite de fatiga. DF = 0.36 +

= 0.36 +

= 0.67

Factor de impacto por fatiga = 0.15 Factor por el estado limite de fatiga = 0.75

284 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. - X = 0 ft  Cortante positivo.

Figura 4.7 Diagrama de cortante cuando X=0 =0

=RA

RA = 61.76 Kips RB = 10.24 Kips Vx =LF x DF x (I + IM) x (61.76) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (61.76) = 35.69 Kips  X = 0  Cortante negativo Vx = 0  Rango de Cortante = 35.69 – 0 = 35.69 Kips

285 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. -  X = 8.20 Ft  Cortante positivo.

Figura 4.8 Diagrama de cortante cuando X=8.20 ft =0 RA = 52.76 Kips RB = 19.24 Kips Vx = 8.20ft = LF x DF x (I + IM) x (52.76) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (52.76) = 30.49 Kips -  X = 8.20 Ft  Cortante negativo.

Figura 4.9 Diagrama de cortante cuando X=8.20 ft 286 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. =0= RA = 7.33 Kips RB = 0.67 Kips Vx = LF x DF x (I + IM) x (-0.67) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (-0.67) = -0.39 Kips  Rango de Cortante = 30.49 – (-0.39) = 30.88 Kips

-  X = 12.00 Ft  Cortante positivo.

Figura 4.10 Diagrama de cortante cuando X=12.00 ft =0 RA = 48.59 Kips RB = 23.40 Kips Vx = 12.0ft = LF x DF x (I + IM) x (48.39) Vx= 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (48.39) = 28.08 Kips

-  X = 12.00 Ft  Cortante negativo. 287 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Figura 4.11 Diagrama de cortante cuando X=12.00 ft =0 RA = 30.97 Kips RB = 9.03 Kips Vx = 12.0ft = LF x DF x (I + IM) x (-1.03) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (-1.03) = -0.59 Kips  Rango de Cortante = 28.08 – ( -0.59) = 28.67 Kips

 X = 32.81 Ft  Cortante positivo.

Figura 4.12 Diagrama de cortante cuando X=32.81 ft 288 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. =0 RA = 25.76 Kips RB = 46.24 Kips Vx = 32.81ft = LF x DF x (I + IM) x (25.76) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 + 0.15) x (25.76) = 14.88 Kips

 X = 32.81 Ft  Cortante negativo.

Figura 4.13 Diagrama de cortante cuando X=32.81 ft

=0– RA = 41.12 Kips RB = 30.88Kips Vx = 32.81ft = LF x DF x (I + IM) x (-22.81) Vx = 0.75 x 0.67 x (1 +0.15) x (-22.81) = -13.18 Kips  Rango de Cortante total = 14.88 – ( -13.18) = 28.06 Kips 289 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 12. Calculo de los conectores de Cortante basados en el criterio de fatiga. Ya que tenemos una sección transversal constante usaremos  y Q para todos los puntos:

Figura 4.14 Detalle de sección transformada.

 = 26832.97 in 4 Q = (área del larguero) x (Distancia del N.A al C.G del larguero) Q = (44.2 in2) x (34.26 – 17.95) Q = 720.70 in4 Sr =

y p=

Utilizando un ADTT = 1,000 Usando pernos de cortante 5/8”

290 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Figura 4.15 Detalle de restricción geométrica. S > 4d; S > 4(5/8) = 2.5 in; bf = 12 in (Ancho de patín) S =  bf – (2x distancia mínima a borde) / 2 espacios S =  12 – (2x 2) / 2 espacios S = 4 in 4 in > 2.5 in O.K.

N = 365 x 75 x n x p x ADTT N = 365 x 75 x 1 x 1 x 1000 N = 41.06 x 106  = 34.5 – 4.28 LongN

  2.75

 = 34.5 – 4.28 Long (41.06 x 10 6) = 1.91  2.75 Por lo tanto utilizaremos un valor de  = 2.75

291 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Zr =  x d2

Zr = 2.75 x

2

= 1.07 Kips

p=

Punto (ft)

Vr (K)

Q (in3)

 ( in4)

Sr (k/in)

P (in)

X = 0.0

35.69

720.90

26,832.97

0.958

3.35

X = 8.2

30.88

720.90

26,832.97

0.829

3.87

X = 12

28.67

720.90

26,832.97

0.776

4.13

X = 32.81

28.06

720.90

26,832.97

0.750

4.28

Figura 4.16 Detalle de ubicación de conectores de cortante.

292 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 12. Cálculo de los conectores de Cortante basados en el estado limite de resistencia. P1 = Asfy = 44.2 x 50 = 2,210.00 Kips P2 = 0.85 x f’c x beff x t = 085 x 4 x (7.87 x 12) x 8 = 2568.77 Kips PMIN (P1, P2) = 2,210.00 Kips  Asc x fu

Qn = 0.5 Asc

= 0.306 in2; Ec = 1820

Asc =

0.5 x Asc0.5 Asc Asc

= 1820

= 3,640 Ksi; fu = 60 Ksi

= 0.5 x 0.306 x

= 18.46 Kips

= 0.306 x 60 = 18 .36 Kips 18.46 Kips ≥ 18 .36 Kips Por lo tanto Qn = 18.36 Kips

Numero de pernos requeridos =

=

= 141.61 pernos

Numero de pernos proporcionados = 3(41 + 69) = 330 pernos. Por lo tanto se concluye que el diseño basado en el estado límite de fatiga rige el diseño de los conectores de cortante ya que la cantidad de pernos solicitados por este estado límite es mayor que la demanda de pernos por el estado limite de resistencia.

293 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.1.5 Diseño estructural del Diafragma de extremo. El diafragma de extremo se utiliza para soportar el extremo de la cubierta y para transmitir la carga de viento a los soportes, en este caso el efecto del viento en la estructura no causa efectos considerables que afecten su estabilidad. La longitud de diseño del diafragma de extremo es de 2.4 metros que equivale a 7.87 ft, el material del diafragma debe de cumplir con las especificac iones ASTM A36 y el tipo de diafragma a utilizar es un perfil laminado C. 1. Análisis de la carga muerta. Suponiendo que el diafragma soporta su propio peso, el peso de una franja de 2 ft de la cubierta, más el peso adicional de los acartalamietos. En este caso se asume un peso de diafragma de 50 lbs/ft Carga muerta =0.05 + 0.15 (

)

Carga muerta= 0.32 Kips / ft - Cortante y momento por carga muerta.

V=

M=

= 4.126 Kips

= = 2.48 Kips.ft

2. Análisis de la carga muerta. Para el análisis de la carga viva se evalúan dos condiciones: la primera cuando el camión HL-93 se encuentra centrado entre los largueros, y el segundo caso 294 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. cuando una de las ruedas del camión actuad directamente sobre uno de los largueros. Caso de análisis 1:

Figura 4.17 Detalle de ubicación de la carga viva “caso 1”. De la realización del análisis estructural obtenemos que: V = 21.80 Kips M = 20,84 Kips. ft Caso de análisis 2:

Figura 4.18 Detalle de ubicación de la carga viva “caso 2”. 295 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. De la realización del análisis estructural obtenemos que: V = 26.86 Kips M = 31.08 Kips. Ft Estos resultados obtenidos de ambos casos es necesario compararlos con las reacciones en los apoyos de cada larguero ya que por aspectos de mantenimiento en los apoyos estos largueros son evaluados mediante gastos hidráulicos. 3. Análisis por la ubicación de gayos hidráulicos. Reacción en apoyos = 45.60 Kips (Producido por la carga muerta) Aplicando combinación de carga del estado de resistencia I: V = 1.3 (45.60) = 59.28 Kips Suponiendo que los gastos hidráulicos se ubican a 2 ft a cada lado del larguero: Momento en el apoyo =

x 59.28 x 2 = 88 Kips.ft

Se determina que el momento producido por la carga viva es inferior que el momento que se produce por la utilización de los gatos hidráulicos por lo tanto utilizamos el momento producido por los gatos hidráulicos. Calculo del modulo de sección requerida: Para el cálculo del modulo de sección requerido se utilizan los momentos producidos por la aplicación de la carga muerta sobre el diafragma y el producido por la utilización de los gatos hidráulicos. S requerida =

=

= 30.16 in3

Utilizando las tablas del AISC se determina que el perfil C 12x30 es una sección satisfactoria ya que cumple con el modulo de sección requerido. 296 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.1.6 Diseño de conexión Empalme de viga Alma-Patín. Datos de diseño: Datos geométricos de perfil: Perfil: W36x150 A992 (fy: 50 Ksi; fu: 65 Ksi). d: 35.9 in; tw: 0.625 in; T: 32.125 in; bf: 12 in; tf: 0.94 in. El análisis y diseño de esta conexión es muy complejo ya que la sección no compuesta tiene una cierta capacidad a momento y a cortante, pero cuando esta se transforma a una sección compuesta la resistencia a momento y a cortante de la sección cambia por lo tanto para el diseño de esta conexión se ha relacionado con el proceso constructivo y esta tiene que ser capaz de resistir su propio peso, el peso de la losa y el peso de la barrera de trafico mas el bordillo y una porción de la carga viva ya que cuando actúa la carga viva la sección compuesta es la que resiste el momento generado por la carga viva. De manera conservadora la conexión se diseña para una porción significativa de la resistencia del miembro en este caso un 50% de la capacidad del miembro no compuesto. ΦbMpx = 2180 kips.ft (0.5)= 1090kips.ft ΦvV n = 672 kips (0.5)= 336 kips Utilizando tornillos de diámetro de 7/8” tipo A325-X. La resistencia de un perno a cortante simple es 27 kips y 54 kips a cortante doble. -Empalme de Patín. Para empalmar los patines se utilizan placas de igual espesor y material que los patines del perfil esto se logra gracias a la reutilización de los desperdicios, esto con el fin de reducir costos. Fuerza en el patin = T = C =

=

= 355.04 kips 297

Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Numero de tornillos requeridos=

=13.15= 14 unidades.

El ancho de la placa a utilizar será igual al ancho del patín del larguero. Ancho grueso= 12 in; Ancho neto= 12-2(

) = 10.125 in

Chequeo de fuerza en el patín correspondiente al estado limite de fluencia en el área total: 0.9fyWgt 0.9x50x12x0.94 507.60 kips

Tu 355.04 kips

355.04 kips O.K.

Chequeo de fuerza en el patín correspondiente al estado limite de fractura en el área neta efectiva: 0.75fuUWnt 0.75x65x1x10.125x0.94 493.97 kips

Tu 355.04 kips

355.04 kips O.K.

Por lo tanto el espesor de placa es satisfactorio que da como resultado: Ag= 12x0.94 = 11.28 in2 ; An= 10.125x0.94= 9.517 in2 An= 0.84Ag < 0.85 Ag O.K. Calculando la longitud de la placa de empalme utilizando un paso de 3in y una distancia borde de 1 ½”. Longitud total: 2(1.5 + 7(3))= 45”

298 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

4.18 Detalle de conexión empalme de vigas Alma-Patín atornillado. -Empalme de alma. Para empalmar las almas se utilizan placas de igual espesor y material que el alma del perfil esto se logra gracias a la reutilización de los desperdicios, esto con el fin de reducir costos. Para el diseño de este elemento se asume que la placa absorbe un 10% del momento: Momento: 10% x 1090 kips.ft= 109 kips.ft Cortante: 336 Kips. Excentricidad equivalente de carga vertical: e* = eo + -Separación entre vigas de ½” -Pernos utilizados de 7/8” de diámetro.

299 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

e* = (0.25+1.5+1.5) +

= 7.14 in

Coeficiente C requerido por el grupo de tornillos cargado excéntricamente para diseño por resistencia ultima. Crequerido =

=

= 6.22

De la tabla 7-8 del AISC-LRFD con un s=3in; n=6 y e*= 7.14 in Cproporcionado = 6.46 O.K. Por lo tanto se utilizaran 12 tornillos en cada lado de empalme. Calculo del peralte de la placa de empalme: d= 5(3)+2(1.5)= 18in < T= 32.125in O.K.

4.18B Detalle de conexión empalme de vigas Alma-Patín atornillado.

300 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.2 Propuesta estructural #2: Superestructura con largueros de concreto preesforzado.



Datos de Diseño:

- Características geométricas: 1. Longitud total del puente = 40 mts 2. Puente dividido en dos tramos de 20 metros (tramos simplemente apoyados) 3. ancho del puente: 6.00 metros 4. Número de carriles = 2 carriles

- Materiales: 1. f’c: 350 kg/cm2 (para el larguero) 2. f’c: 280 kg/cm2 (para la losa) 4. fy: 4200 kg/cm2 (para la losa y el larguero) 5. f’s: 18982 kg/cm2 = cables de baja relajación.

- Cargas: 1. Peso específico del concertó: 2400 kg/m3 2. Peso especifico del asfalto: 2250 kg/m3 3. Peso especifico del acero: 7850 kg/m3 3. Carga viva de diseño: HL93 + carga de carril

301 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Figura 4.19 Carga Viva de Diseño. 4.3.2.1 Pre dimensionamiento del Larguero de concreto preesforzado. Antes de iniciar con el diseño de la superestructura es necesario estimar el tamaño del larguero de concreto preesforzado Para este caso en particular se utiliza una sección tipo AASHTO PCI, para la selección de ella se ha utilizado la tabla 2.14 en la cual se determina que una viga AASHTO tipo III es satisfactoria para un claro de 20.00 metros (65.62 ft)..

. 302 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.2.2 Cálculo del número de carriles. Según las especificaciones (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007) el número de carriles se calcula dividiendo el ancho de la sección disponible entre 3.6, y el valor obtenido debe de ser aproximado al valor entero más cercano. N° de carriles = W/3.6

donde W = ancho de la vía

N° de carriles = 6.0/3.6 = 1.666  2 carriles 

Definición del número de largueros.

Para esta sección de dos carriles el número de largueros a utilizar serán definidas, tomando como referencia la longitud del tramo efectivo (S) del factor de distribución “S

14 ft” por lo tanto utilizaremos tres largueros con una separación

a ejes entre largueros de 2.4 metros (7.87 ft).

Figura 4.20 Sección transversal de la superestructura. 4.3.2.3 Diseño estructural del tablero (Losa). El diseño estructural de la losa se ha realizado según como lo indican las especificaciones LRFD en el cual se utiliza el Método Empírico de Diseño. (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007), Para la aplicación del método empírico de diseño es necesario cumplir con ciertas

303 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. condiciones establecidas en el art. 9.7.2.4., condiciones que se detallan a continuación:

1. calculo de la longitud de tramo efectivo: S = 7.87 ft – (22/12) ft

donde:

S ≤ 13.5 ft

S = 6.04 ft O.K.

2. Calculo de relación Longitud de tramo efectivo / espesor de losa. 6  relación  18 Relación = 6.04/(8/12) = 9.06 O.K.

3. Calculo de refuerzo superior El art. 9.7.2.4 de las especificaciones estándar establecen que si se cumplen las condiciones que este articulo menciona se debe de colocar un área de acero mínimo igual a 0.18 in2/ft a una separación máxima de 18 in. Área de acero mínimo a proporcionar = 0.18 in2 / ft (318 mm2/m) Utilizando varillas # 5 (área de varilla = 0.3067 in2) Utilizando separación máxima = 18in  45 cm

Área de acero proporcionado =

= 0.12 in2 /ft O.K.

 Por lo tanto se proporcionan varillas #5 @ 45cms ambos sentidos en el lecho superior.

304 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4. Calculo de refuerzo inferior: El art. 9.7.2.4 de las especificaciones estándar establecen que si se cumplen las condiciones que este articulo menciona se debe de colocar un área de acero mínimo igual a 0.27 in2/ft a una separación máxima de 18 in. Área de acero mínima a proporcionar = 0.27 in2/ft Utilizando varillas # 5 (área de varilla = 0.3067 in2) = 1.14 ft = 13.68 in  12 in  30 cm

Calculo de separación =

Área proporcionada =

= 0.3067 in2/ft “Cumple”

 Por lo tanto se proporcionan varillas #5 @ 20cms ambos sentidos en el lecho inferior de manera conservadora.

Figura 4.21 Detalle del refuerzo del tablero según el método empírico de diseño.

305 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.2.4 Diseño estructural del larguero de concreto preesforzado (Diseño por flexión). El análisis y diseño estructural solamente se realiza para el larguero interior ya que según los procedimientos de análisis realizados de una manera manual se asume que el comportamiento de todos los elementos estructurales actúan como una sola unidad estructural repartiendo en todas ellas en partes iguales las cargas muertas y vivas. 1. Calculo de la longitud de patín efectivo (beff): La longitud de patín ala efectiva es definida como el mínimo de: - ¼ * longitud del tramo=

x 65.62 ft = 16.40 ft

- Ancho del alma +2(6 x Espesor de losa)=9.33 ft - La mitad de la distancia libre hasta la siguiente alma=7.87 ft  beff = 7.87 ft 2. Calculo de la carga muerta para la sección no compuesta: La carga muerta está compuesta por el peso propio de los siguientes elementos: CM losa = beff x espesor de losa x peso de concreto CM losa = 7.87ft x (

) ft x 0.15

-CM losa = 0.78

CM peso propio = área de larquero x peso del concreto CM peso propio = 3.89 ft3 x 0.15

-CM peso propio = 0.583

306 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 3. Calculo de la carga muerta para la sección compuesta. La carga muerta está compuesta por el peso propio de la acera, el parapeto tipo New Jersey, y la carga de la calzada o superficie de rodadura. El análisis de la carga muerta de la acera y el parapeto se analizo como un solo conjunto. Área de la sección= 0.30 m2  465.00in2

Figura 4.22 Detalle geométrico de barrera de trafico mas bordillo. Carga muerta por elemento= (465in2) (1/122) (0.15 Kips / ft2) Carga muerta por elemento= 0.48 Kips / ft Ya que se tratan de dos elementos en el Puente uno en cada extremo el peso de estos se reparten entre los tres largueros CM parapeto + bordillo = 2 elementos x

CM parapeto + bordillo = 2 x - CM parapeto + bordillo = 0.32 Kips/ft

307 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

CM superficie de rodadura =

CM superficie de rodadura =

- CM superficie de rodadura = 0.13

4. Cálculo de cortantes y momentos producidos por las cargas muertas: Donde: Cortante:

; Momento: -CM losa: Cortante: 25.59 kips

Sección No Compuesta

Momento: 419.83 kips.ft -CM peso propio: Cortante: 25.59 kips Momento: 419.83 kips.ft -CM parapeto + bordillo: Cortante: 25.59 kips

Sección Compuesta

Momento: 419.83 kips.ft -CM superficie de rodadura: Cortante: 25.59 kips Momento: 419.83 kips.ft

5. Calculo de momento y cortante por carga viva. Para el análisis de la carga viva es necesario evaluar los efectos producidos por el camión de diseño y luego evaluar los efectos producidos por el tamden de diseño y ambos combinados con la carga de carril. Para la carga de camión. 308 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Figura 4.23 Ubicación de la carga viva en el punto que genera mayor demanda de momento.

-RB (65.62) + 8 (16.47) + 32 (30.47) + 32 (44.67) = 0 RB = 38.65 Kips RA= 33.35 Kips Calculando momento máximo por carga viva: Mcv = (RAx 30.47) – (8x14) Mcv = (33.35x 30.47) – (8x14)  Mcv = 904.17 Kips.ft. Calculando cortante máximo por carga viva: El cortante máximo se produce cuando el camión entra al puente y su ultimo eje se apoya directamente sobre el apoyo.

309 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

 aplicando

VCV = 32 Kips +  VCV = 61.75 Kips Para la carga de carril  MCV=

=

= 344.47 Kips.ft

 VCV=

=

= 20.99  21 Kips

6. Calculo del factor de distribución para carga viva: Propiedades del larguero: A=560 in2

I=125,390 in4

Y=20.27 in

La distancia entre los C.G. del larguero y el C.G del tablero: eg: (

) + 2 + 24.73 = 30.73 in

Figura 4.24 Ubicación de ubicación del centro de gravedad del larguero y la losa de concreto.

310 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Para un concreto de larguero de 5 ksi y para un concreto de tablero de 4 ksi

Kg = Kg = Kg = Factor de distribución para momento por carga viva: DFm =

DFm =  DFm = 0.60 O.K. Factor de distribución para cortante por carga viva: DFv =

DFv =  DFv =0.8 O.K. 7. Aplicación del factor de impacto y factor de distribución: Para el diseño de los componentes de la superestructura debe de aplicarse un factor de impacto igual al 33%, pero es necesario tener cuidado con la aplicación del factor de impacto ya que este solo debe de ser aplicado al momento y cortante producido por el camión o tamden de diseño y no al momento y cortante producido por la carga de carril (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007).

311 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Aplicando factor de distribución y factor de impacto. Para el momento máximo: MCV + I = F.D MCV + I = 0.60  MCV + I = 928.39 Kips .ft Para el cortante máximo: VCV + I = F.D VCV + I = o.80  VCV + I = 82.50 Kips

8. Calculo del momento de inercia de la sección compuesta:

Figura 4.25 Detalle de dimensiones de la sección compuesta.

312 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 2

4

2

4

Elemento

Área (in )

Y (in)

AY (in )

AY (in4)

I (in )

Losa

755.52

51

38,531.52

1,965,107.52

4,029.44

Larguero

560

20.27

11,351.20

230,088.80

125,390.0

TOTAL

1315.52

49,882.72

2,195,196.32

129,419.4

Iz = I + Iz = 2324615.76 in4

Y’ = 37.92 in

I sección compuesta: 432,994.82 in4

9. Calculo de esfuerzos en la fibra superior del larguero: Sección no – compuesta

Sección compuesta

Sección tipo AASHTO

Sección tipo AASHTO + losa

Inercia: 125390 in

4

Inercia: 432994.82 in4

Yt =(45-20.27)in = 24.73in

Yt =(45-37.92)in = 7.08in

Yb = 20.27in

Yb = 37.92in

El esfuerzo de la fibra interior del larguero es calculada usando la expresión estándar de esfuerzo donde:

313 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Elemento

ecuación

Esfuerzo en la fibra superior

losa

1.00 ksi

Sección Nocompuesta

larguero

0.74 ksi

Parapeto + bordillo

Sección compuesta

0.03 ksi

Superficie de

0.01 ksi

rodadura Carga viva + IM

-------

Total

0.18 ksi ---------

1.96 ksi

10. Calculo de esfuerzos en la fibra inferior del larguero: Sección no – compuesta

Sección compuesta

Sección tipo AASHTO

Sección tipo AASHTO + losa

Inercia: 125390 in

4

Inercia: 432994.82 in4

Yt =(45-20.27)in = 24.73in

Yt =(45-37.92)in = 7.08 in

Yb = 20.27in

Yb = 37.92in

El esfuerzo de la fibra interior del larguero es calculado usando la expresión estándar de esfuerzo

Elemento

ecuación losa

Sección Nocompuesta Sección compuesta

larguero Parapeto + bordillo

Esfuerzo en la fibra inferior 0.82 ksi 0.61 ksi 0.18 ksi

314 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Superficie de

0.07 ksi

rodadura Carga viva + IM -------

Total

0.97 ksi ---------

2.65 ksi

11. Calculo de la fuerza inicial de preesfuerzo: - Calculando el radio de giro al cuadrado: = -Calculando la fuerza de preesfuerzo efectiva:

- Calculo del esfuerzo efectivo: fe= Esfuerzo admisible - Perdidas asumidas Según AASHTO 5.93 para los limites de la tensión en los tendones de pretensado. Esfuerzo admisible= 0.75 F’s = 0.75*270 ksi = 202.50 ksi De tabla 2.16 “estimaciones clásicas de perdidas” tenemos: Pérdidas estimadas= 35 ksi fe = 202.50 ksi – 35 Ksi = 167.50 ksi Calculando área de cable: As =

=

= 3.70 in2

315 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. -Asumiendo pérdidas debido al acortamiento elástico: Perdida antes de la transferencia = 35 ksi -13 ksi = 22 ksi - La fuerza inicial de preesfuerzo es: Pi = Pf + (Perdidas de la transferencia x As) Pi = 620.92 + (22 x 3.67)  Pi = 701.66 kips. 12. Calculo de esfuerzos en las fibras extremas en el larguero: Fibra superior

Elemento

Fibra inferior

ecuación

Al momento del preesfuerzo. Fibra Superior del

Al momento de

Larguero

cargar la losa. Al momento de aplicar la carga. Al momento del preesfuerzo.

Fibra Inferior del

Al momento de

Larguero

cargar la losa. Al momento de aplicar la carga.

Esfuerzo 0.11 ksi “T” -0.98 ksi “C” -1.18 ksi “C” -2.37 ksi “C” -1.20 ksi “C” 0.01 ksi “T”

316 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 13. Determinando y verificando requerimientos de resistencia del concreto: - Según AASHTO LRFD 5.9.4.1.1: El límite de la tensión de compresión en los elementos de hormigón pretensado y potenzado será 0.6 f’c. f’ci =

= 3.95 ksi. Por lo tanto es menor que f’c.

Especificando esfuerzo mínimo de f’ci=3 ksi -Según AASHTO LRFD 5.9.4.1.1: Para las tensiones en tracción se deberá aplicar los límites indicados en áreas fuera de la zona de tracción precomprimida y sin armadura auxiliar adherente. Esfuerzo en patín superior producido por el preesfuerzo.

-Según AASHTO LRFD 5.9.4.1.1: “tenciones de compresión” las tensiones provocadas por la sobrecarga y la semisuma de la tención efectiva mas las cargas permanentes (limite de tensión de compresión en el hormigón pretensado después de las perdidas) = 0.4f’c f’c =

=

= 2.95 ksi 2.95 ksi < 5.0 ksi O.K.

-Según AASHTO LRFD 5.9.4.1.1: Tensiones de tracción límite para la tensión de tracción en el hormigón pretensado en estado límite de servicio después de las pérdidas.

317 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 14. Definición del drapeado de los tendones:

Figura 4.26 Detalle de drapeado de los tendones.

El momento en el tercer punto de una viga es definida para una carga uniforme distribuida como: Si, A =

Por lo tanto basándose en el análisis anterior el momento máximo en el centro para una viga sometida a una carga uniformemente distribuida es dada como

La proporción de momento en el tercer punto de la viga está dada por la relación:

318 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 15. Determinación de los esfuerzos en las fibras extremas del larguero en el tercer punto:

El multiplicador se aplica en las tensiones que dependen del tiempo, calculadas en el paso 12. Elemento

ecuación

Al momento del Fibra Superior del Larguero

0.19 ksi “T”

preesfuerzo. Al momento de

-0.79 ksi “C”

cargar la losa. Al momento de

-0.97 ksi “C”

aplicar la carga. Al momento del

-2.43 ksi “C”

preesfuerzo. Fibra Inferior

Al momento de

del Larguero

cargar la losa.

Esfuerzo

-1.36 ksi “C”

Al momento de

0.28 ksi “C”

aplicar la carga.

Determinando y verificando requerimientos de resistencia del concreto.

- Según AASHTO LRFD 5.9.4.1: Limite de la tensión de compresión 0.6 f’ci ≥ Esfuerzo

- Según AASHTO LRFD 5.9.4.1.2: Límites para la tensión de tracción temporaria antes de las pérdidas, donde 3

≥ Esfuerzo

319 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Podemos observar que este requisito no es satisfactorio sin embargo, armadura de adherencia puede ser proporcionada para resistir la tensión total en el concreto siempre que:

-Determinando el número de barras de refuerzo requeridas:

Figura 4.27 Detalle de esfuerzos en las fibras extremas del larguero.

320 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

-Determinando área de acero: Utilizando un esfuerzo admisible de 0.4 fy < 0.5 fy

16. Chequeo de resistencia a flexión:

Calculando la relación de acero pretensado.

Donde: = 3.69 in2 b = ancho efectivo de la losa = 94.44” d = Altura de sección compuesta -

Espesor de la losa = 51”

Calculando la tensión media en el acero de preesfuerzo

= 266.11 ksi

321 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Donde: γ*=0.28 para acero de baja relajación β1=0.80 para concreto de 5 ksi

= 2.43 in Espesor de losa = 8 in > a= 2.43 in El bloque de compresión se encuentra dentro del espesor de losa por lo tanto esta debe de ser evaluada como una sección rectangular. Para una sección rectangular, debemos verificar que:

No exceda el límite (AASHTO LRFD): 0.36βI = 0.36 x 0.8 = 0.288 0.04 < 0.28 O.K. La resistencia a la flexión de una sección rectangular se toma como:

Calculando momento ultimo:

322 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Mr ≤ ΦMn 2861.53 kips.ft < 3446.59 kips.ft O.K. Se observa que todos los chequeos establecidos por el reglamento AASHTO LRFD son satisfactorios y por lo tanto la sección es satisfactoria. 

Diseño por cortante a tención diagonal y en el alma:

Para este caso el diseño por cortante se han analizado dos puntos en la viga de preesfuerzo: el primer punto se ha considerado a una distancia de L/3 del apoyo, y el segundo punto se han considerado donde se genera el cortante maxiomo en el larguero de concreto:

Figura 4.28 Detalle de drapeado de los tendones. - Cargas de diseño: Carga muerta de losa = 0.78 kips/ft Peso propio del larguero =0.583 kips/ft Carga muerta del parapeto + bordillo =0.32 kips/ft Carga muerta de superficie de rodadura =0.13 kips/ft Cortante máximo por carga viva = 70.74 kips 323 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Fuerza inicial de preesfuerzo = 586.54 kips Fuerza efectiva de preesfuerzo= 518.34 kips - Calculando el cuadrado de radio de giro:

-De acuerdo con el código ACI el valor a utilizar de d = 0.8h d = 0.8(45) = 36 in - Cálculo del esfuerzo en la fibra interior a causa del preesfuerzo efectivo:

- El momento y cortante en la sección producida por el peso propio de la viga:



 324 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. - Calculando esfuerzo en la fibra interior por peso propio:

 - Calculando momento adicional:

 - Calculando relación entre el cortante y el momento de las cargas superpuesta en esta sección es:

- Determinando la fuerza cortante para la cual puede esperezarse la formación de las grietas por cortante y flexión:

325 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

 Por lo tanto se utiliza Vci = 30.29 kips. - Calculando fuerza de compresión en el concreto en el centroide de la sección:

 - Encontrando el cortante en el que deben formarse las grietas de cortante en el alma:

Donde: fpc= Es la fuerza de compresión en el concreto después de las perdidas Vp=componente vertical de la fuerza efectiva de preesfuerzo Nota: para este caso es la sección analizada Vp=0, por que la disposición de los tendones es horizontal.



326 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. - Determinando resistencia a cortante del concreto:

 Por la tanto la resistencia a cortante de la sección es igual a 30.29 kips. En la selección analizada, la fuerza cortante total utilizando el estado limite de resistencia I: Resistencia I: 1.25DC + 1.5DW + 1.75LL+IM Resistencia I: 1.25(1.683x10.94) + 1.5(0.13x10.94) + 1.75(40.74)  Resistencia I: 96.44 kips

-Determinando refuerzo y separación: Utilizando estribo #3, siendo este un estribo cerrado. Av = 2x0.11 = 0.22 in2 Determinando la separación requerida:

Determinando separación máxima:

327 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Por lo tanto la separación de estribos en este punto es de 5.71 in ≈ 15 cm. Nota: es necesario analizar la sección en distintos puntos para poder determinar el área de acero necesaria y separación de estribos, el análisis de otros puntos no se presenta ya que es un proceso repetitivo y su cálculo se ha realizado con la ayuda de hojas de cálculo.

4.3.2.5 Diseño estructural de los diafragmas.

Figura 4.29 Esquema de ubicación de diafragma. -Dimensiones de diafragma: Altura= 0.82 mt Base = 0.30 mt - Calculo geométrica:

h= 20 cm;

328 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes.

Figura 4.30 Esquema de cálculo geométrico. - Calculo de carga muerta: Carga muerta del alma: 0.3x0.82x2.4 = 0.59 Ton/m. Carga muerta de la losa: 0.2x0.6x2.4 = 0.28 Ton/m.  Carga Muerta Total: 0.88 Ton/m. - Cálculo de cortante y momento producido por la carga muerta:  Cortante: 1.06 Ton.  Momento: 0.63 Ton.m - Calculo de carga viva:

Figura 4.31 Detalle de ubicación de la carga viva sobre diafragmas. 329 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Diagramas de cuerpo libre:

Figura 4.32 Detalle de diagramas de cortante y momento de diafragmas.

RA = RB =

Utilizando el método de superposición tenemos el siguiente diagrama de cuerpo libre:

Figura 4.33 Detalle de diagramas de cortante y momento de diafragmas. 330 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Es importante mencionar que en el diagrama de cortante y momento tienen que ser aplicado el factor de impacto correspondiente a un 33% según como lo establece las especificaciones LRFD. - Diseño por flexión:

; Mn=8.34; Condición de equilibrio:

; donde: a = βI.c Determinando factor de resistencia:

- Determinando cuantilla de refuerzo:

331 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Determinando cuantilla de acero mínimo:

Por lo tanto se calcula al mínimo. Calculando área de acero mínimo: Asminimo = Asminimo = Asminimo = 

Área de acero a proporcionar = 2N°8= 10.13cm2

- Diseño por cortante:

y donde:

por lo tanto:

siendo

Calculando resistencia nominal del concreto:

 Podemos notar que la resistencia a cortante por el concreto es más que suficiente para resistir el cortante último por lo tanto solamente se proporciona acero mínimo.

332 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Calculando área de acero mínimo:

Pero no menor de: Proporcionando estribo N°3



 - Verificando espaciamiento máximo.

-Verificación si el diafragma se comporta como una viga de gran peralte. La viga es peraltada si:

333 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. -Para vigas de gran peralte (ACI11.8.3):

-Según ACI 11.8.4

por lo tanto se utilizara

estribo N°3 @ 20 cms. Según ACI 11.8.5

donde

Utilizando varilla N°3 = 8 varillas = 8.54 cms 2 -Sección final de diagrama:

Figura 4.34 Detalle estructural de diafragmas.

334 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. 4.3.3 Diseño estructural de la subestructura. Para iniciar el análisis y diseño de la pila es necesario relacionar las condiciones geológicas y sísmicas del lugar en estudio con las características y geológicas que considera las especificaciones LRDF de la AASHTO. Según las condiciones establecidas por nuestro reglamentos sísmicos el lugar de emplazamiento de nuestra obra cae dentro de la zona sísmica I donde el coeficiente de aceleración “A” es igual a 0.4 y según el estudio geotécnico, la obra está ubicada sobre un monto rocoso el cual según los perfiles de suelo establecidos por nuestros reglamentos sísmicos es un perfil de suelo S1, y de igual manera es clasificado en la especificaciones LRDF de la AASHTO, pero es necesario destacar que cuando no se tenga la certeza del tipo de suelo a considerar las especificaciones LRDF de la AASHTO recomienda utilizar las características de un perfil de suelo tipo S 2 siendo esta una consideración conservadora para el diseño, por lo tanto para el diseño de la superestructura se ha utilizado un perfil de suelo S 2.

Figura 4.35 Mapa de zonificación sísmica de El Salvador. Otro aspecto a considerar para el diseño estructural de la subestructura es la clasificación de la obra de paso según su forma y funcionalidad.

335 Capítulo IV: Análisis y Diseño Estructural.

Ingeniería de puentes. Según su forma puede ser regular o irregular, en nuestro caso nuestro puente se categoriza como regular ya que este es constante en su masa, rigidez y forma geométrica (art.4.7.4.3.1. AASHTO LRFD) Según su funcionalidad los puentes se categorizan (art 3.10.3 AASHTO LRFD) como: 1. Puentes críticos: puentes pertenecientes a carretera troncales, vías urbanas arbitrarias, y puentes que permiten el acceso a proyectos importantes como centrales hidroeléctricas.

2. Puentes importantes: todos los puentes rurales de vías principales al igual que todos los puentes de vías secundarias que sean únicas en dar acceso a regiones de más de 50.000 habitantes.

3. Otros puentes: los puentes no comprendidos en las categorías anteriores. Para este caso la obra se categoriza por funcionalidad como otros puentes ya que la clasificación de la carretera es rural y en futuro puede ser considerada como terciaria. Zonificación sísmica según AASHTO LRFD. (art 3.10.4) según la AASHTO las zonificaciones sísmicas de los Estados Unidos son 4 cada una con un valor distinto de aceleración las cuales se detallan a continuación: Zona Sísmica

Coeficiente de Aceleración

1

A ≤ 0.09

2

0.09 new: Este comando es para desplegar un nuevo modelo figura 5.2. Esta forma tiene distintas opciones para iniciar desde unos modelos predefinidos con propiedades por defecto que luego el usuario debe modificar. Note que también se pueden definir las unidades que se van a usar. Las unidades seleccionadas en este paso serán las unidades de “base” que el programa va a usar en dicho modelo. Si en el transcurso de nuestro trabajo estas unidades son cambiadas el programa internamente la convierte a la unidad de “base” y cada vez que abrimos el modelo se abre en estas unidades. También observe que es posible iniciar un modelo desde un archivo existente “Initialize Model from an Existing File” en este caso podemos traer un archivo de un modelo existente e iniciar un nuevo modelo sin alterar el archivo que seleccionamos ya existente. Esta opción se puede usar si el modelo existente tiene propiedades en común con el nuevo modelo que vamos a generar. La opción “Quick Bridge” típicamente produce estructuras con espaciamientos uniformes, aunque este se puede modificar luego. Podríamos describir algunas opciones dentro del recuadro “New Model”:

Templates “Blank”: Esta opción permite abrir el programa en blanco si ningún modelo. Esta opción puede ser útil cuando Importamos algún modelo para iniciar nuestro trabajo. También si queremos generar el modelo desde cero usando las pestañas (Ribbon) o mejor aun si queremos usar el “Bridge

izard” (Definido más

adelante).

Templates “Quick Bridge”: Esta opción es para generar un modelo rápidamente, solo hay que especificar al programa la longitud y el tipo de sección que compone al puente en la Súper Estructura. Una vez generado el modelo es posible también

424 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. usar el “Bridge

izard” o las pestañas para hacer modificaciones o introducir

información. Templates “Cable Bridge”: Esta opción es usada para crear un puente en suspensión con cables, basado en el ancho de la losa, pandeo mínimo de cables, y el número de divisiones que contiene un tramo (Span). Templates “Caltrans BAG”: Este es el generador de Análisis de Puente, el cual genera un modelo para desarrollar un análisis dinámico de respuesta espectral y un análisis estático para un puente de concreto armado. Es una opción que normalmente se usa para cumplir con los requerimientos del departamento de transportación y Obras Públicas de California. Templates “Beam”: Usado para crear un modelo simple de viga, solo hay que especificar el número de tramos (spans), su respectiva longitud y la propiedad de la sección a usar. Templates “2D Frame”: Para usar un modelo de pórtico en dos dimensiones basado en los parámetros especificados. 2. Orb > Open Luego que el modelo es creado y salvado, este puede abrirse usando el comando “Open”. 3. Orb > Save Este comando es para guardar y almacenar el archivo en uso. La extensión de los archivos es .BDB 4. Orb > Import Este comando es usado para traer datos de un modelo en varios formatos.

425 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

5. Orb > Export Este comando es usado para exportar el modelo generado en CSIBridge a una variedad de formatos (todos los anteriores, incluyendo el Perform 3D y Perform 3D Structure. 6. Orb > Print Este comando está compuesto por tres subcomandos: 1- Print Graphis: La grafica que se despliega en la ventana activa es enviada a imprimir en una impresora. 2- Print Tables: Para especificar e imprimir datos en el programa. 3- Print Setup: Este comando es usado para especificar la impresora que se usara por defecto, orientación del papel y otras opciones. 7- Orb > Report Comando “Create Report”: Genera un reporte para el file, usando la fuente de datos, el formato de salida y los tipos de datos seleccionados usando el “Report Setup”. Comando “Report Setup”: Este comando no es para generar un reporte sino mas bien cuál será el contenido del reporte, formato, tipo de salida, grupos, orientación de la página, componentes del reporte, datos de entrada, parámetros de salida y si se requiere incluir los nombres de todos los objetos en la salida de resultados. Comando “Advanced Report

riter”: Este comando permite que el usuario

seleccione desde cero el contenido y el formato que tendrá el reporte, y entonces crea el reporte en función de lo especificado.

426 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. 8- Orb > Pictures Este comando despliega un menú de sub comandos que permiten capturar la imagen en la pantalla del programa que esta activa, también es posible crear videos de animación múltiple o cíclica. 9- Orb > Setting Este comando despliega un menú de sub comandos que puede ser usado para especificar las unidades de salida y de entrada de datos, tolerancias, la tabla de base de datos, colores entre otras cosas. 10- Orb > Language Las lenguas validas en CSIBridge son el Ingles y el chino.

 Describiendo el comando “home”.

1- Ir a Home > Bridge Wizard. Esta opción guiara al usuario a través de los pasos necesarios para crear un nuevo modelo. Para que este comando sea activo al igual que todos los TAB primero se debe haber seleccionado la pantalla en blanco en la opción nuevo modelo o crear un nuevo modelo con propiedades por defecto usando el comando “Quick Bridge”. El Bridge

izard se ha diseñado para trabajar con la pantalla en

blanco.

427 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.3 Modulo Bridge Wizard El recuadro desplegado mostrara cada paso que usted debe seguir en el proceso de crear su nuevo modelo. Si usted selecciona un paso determinado en la tabla de sumario “Summary Table” La descripción pertinente aparecerá en el recuadro localizado en la parte superior. A mano izquierda están las opciones para comenzar a trabajar con la definición del modelo. Al seleccionar cualquier opción en el recuadro de definición también aparece la definición del mismo en el recuadro derecho. Puede ir deslizándose a través de cada paso con las flechas que se encuentran en la parte inferior en “Step”. También puede visualizar todo el contenido en la tabla de sumario deslizando las flechas en “Form Layout”. La columna “Note” en la tabla de sumario presenta la palabra “Required” y “Component….”, lo requerido siempre deberá definirse para poder crear el modelo, mientras que los otros parámetros son avanzados poco usuales. Cuando usted usa la opción “Quick Bridge” para iniciar su nuevo modelo el programa asigna propiedades por defecto a todo el puente. Estas propiedades pueden revisarse y

428 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. modificarse a través del “Bridge

izard”. También otra forma de interactuar con

las propiedades del puente es navegando a través de cada TAB. Pasos a seguir cuando usamos el “bridge wizard”: 2. Definir la Alineación Horizontal y Vertical del Puente “LAYOUT LINE”. 3. Definir las Propiedades Básicas de los Materiales, Secciones y Link (Cuando Aplique). 4. Definir las características Especificas del Puente (Sección de la Losa, Diafragmas, Restricciones, Asientos, Esprines usados en las Fundaciones entre otras cosas). 5. Desde los pasos 5 hasta el 7 definir los objetos del puente, esto después de haber definido la geometría en los pasos anteriores. 8. Dibujar y asignar las propiedades a los objetos del puente. 9. Desde los pasos 9 hasta el 13 definir los parámetros básicos del análisis (Lineas, vehículos, casos de carga y opciones de salida). Observe que hay pasos que no pueden ser definidos hasta que un paso previo este definido por ejemplo no es posible definir los objetos del puente hasta que el “Layout” y las propiedades del “Deck” no estén definidos. La asignación a los objetos del puente no se puede completar hasta que los objetos no sean definidos. Para definir “Lanes” es necesario primero haber definido el “Layout” y deben existir los objetos “Frame” en el puente. 2 - Definición de layout line. Las líneas de Layout son líneas de referencia usadas para definir la longitud de los tramos del puente, como también su alineación, el cual puede ser curvo o recto. En el caso de haber iniciado el modelo con el “Quick Bridge” el programa crea automáticamente las líneas de “Layout” y algunas Definiciones del “Lane”. Estas definiciones pueden ser vistas desde la pestaña (Tab) “Layout”. En el casos de 429 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. haber iniciado el modelo usando el “Bridge

izard” es posible seleccionar

(Highlighting) el Item “Layout Line” y el “Lane” en la tabla de sumario y entonces hacer click en “Define/Show Layout Lines y Define/Show Lanes, otra alternativa es usar la pestaña. Los comando de Layout, también pueden ser usados si se inicia desde un modelo en blanco desde cero.

Esta opción es para generar básicamente las líneas de referencia usadas para definir la alineación vertical y horizontal del puente. También se usan para especificar las líneas vehiculares. Las líneas de trazos pueden ser rectas, con dobles, con curvas tanto verticales como horizontales. Si hacemos doble Click en “Layout Line” que se encuentra en la tabla de sumario podremos entrar al recuadro “Define Bridge Layout Line”.

Figura 5.4 cuadro de creación de los Layout Line. Al presionar “Set Preferences….” En esta opción usted puede modificar la orientación de la flecha Norte, la cual dependerá del ángulo que usted introduzca medido en dirección contraria a las manecillas del reloj. Si colocamos 0 gados el norte estará en la dirección global X y si colocamos 90 gados el norte estará en la dirección global Y.

430 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. También usted puede refinar la curva del puente colocando el ángulo en grados, mientras más pequeño más discreta será la curva del puente.

Figura 5.5 cuadro de las preferencias para la creación de los Layout Line. Si presionamos “Add New Line…” se desplegara el recuadro “Bridge Layout Line Data” mostrado a continuación. Note que también usted puede acceder a estos mismos recuadros a través del Tab “Layout” en la barra de herramientas.

Figura 5.6 cuadro de creación de las propiedades de los Layout Line.

431 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Modify Layout Line Station: Esta opción es usada para mover las líneas de trazado, de dos formas: Shift Distance: Para mover la estación inicial del “Layout” seleccionado, especificar la distancia a partir de eje global longitudinal. Todas las demás estaciones serán referenciadas según esta nueva estación inicial.

Figura 5.7 recuadro para la definición de un nuevo estacionamiento New Starting Station: Mover la estación inicial especificando una nueva estación. Coordinates of Initial Station: Esta opción es usada para mover el punto donde comienza el “Layout”. Por defecto este punto está en el origen de los ejes globales de referencia. Initial Station: Aquí usted puede introducir una nueva estación inicial, sin embargo solo se modificara dicha estación las demás se quedaran igual. Initial Grade Percent: Representa el porciento de inclinación del puente. End Station: Modifica la estación final sin alterar las demás estaciones. Horizontal Layout Data: Esta opción despliega un recuadro que puede ser usado para definir el alineamiento horizontal del puente. Es posible definir una combinación de layout usando ya sea múltiples líneas rectas o curvas, a partir de una estación previa de asientos (bearing), o de una nueva estación. Las curvas pueden ser tanto a la derecha como a la izquierda. Las estaciones se especifican como longitud medida desde la izquierda a la derecha, desde la estación inicia.

432 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.8 recuadro para la definición del alineamiento horizontal del puente. Si seleccionamos “Quick Start” aparece el siguiente recuadro para hacer una definición rápida del alineamiento horizontal.

Figura 5.9 recuadro para la definición de distintos tipos de alineación horizontal.

433 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Vertical Layout Data: Esta opción despliega un recuadro que puede ser usado para definir el alineamiento vertical del puente. Es posible definir una combinación de layout vertical con múltiples alturas, ya sea constante desde una estación previa con su respectivo grado o elevación, o desde una nueva elevación. La localización de las estaciones se miden en longitud de derecha a izquierda desde la localización de la estación inicial.

Figura 5.10 recuadro para la definición del alineamiento vertical del puente.

Definición de los carriles (Layout > Lanes). Los carriles se definen para el análisis del modelo bajo la carga viva. Esta definición se usa cuando agregamos los casos de carga móvil y en la definición de los patrones de carga viva los cuales que a la vez se usan en los casos de carga estático y dinámico con múltiples pasos. La carga viva vehicular pasa directamente sobre el “Lane” (Carril) definido, puede definirse uno o más carriles. Estos carriles pueden satisfacer los requerimientos del código. Los carriles no necesariamente tienen que ser paralelos o tener la misma longitud.

434 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. En puentes simples con una carretera, los carriles usualmente son paralelos y con espaciamiento uniforme, recorriendo toda la longitud del puente. También es posible definir múltiples patrones de carriles para estudiar el efecto de diferentes posiciones vehiculares paralelas. Para propósitos de diseño se debe definir y cargas un solo carril. El factor de distribución de la carga viva se debe definir usando las opciones disponibles cuando definimos la súper estructura. En la siguiente figura se ilustran los comandos para definir los carriles.

.

Figura 5.11 ilustración de utilización de comandos para definir los carriles.

435 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Con este comando es posible alinear la geometría del puente definida a través del “Layout” con el “Lane” que se está definiendo. Note que los cuadros de edición pueden usarse para especificar la localización de la estación medida de izquierda a derecha en relación al inicio del puente, la distancia de separación referente al “Layout” y el ancho del “Lane”. La separación entre el “Lane” y el “Layout” puede variar por estación. La línea completa puede ser movida usando botón “Move Lane”, el cual se puede usar para cambiar la separación entre el “Layout” o moviendo el inicio de la línea a otra posición deseada. Note que para definir un simple “Lanes” se requiere como mínimo dos datos correspondientes al inicio y al final.

Este

recuadro

es

usado

para

referenciar el “Lane” a un elemento “Frame” el cual se especifica con el label correspondiente al elemento. Es posible utilizar, múltiples elementos como referencia para definir el “Lane” en caso de que el “Lane” sea mayor que

uno

de

los

elementos

de

referencia, en este caso hacemos referencia a otro elemento.

436 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.  Describiendo la pestaña “components”. En la pestaña “Component” se encuentra el “Properties Panel” usado para agregar, copiar o modificar definiciones de materiales, elementos, cables, tendones, link. Esta el “Superstructure Panel” usado para secciones de losas, diafragmas, variaciones paramétricas. Esta el “Substructure Panel” usado para bearing, restricciones, esprines de fundaciones, abutment y columnas. También existe un comando en “Properties Panel” usado para especificar el tamaño de las barras, como también un comando para borrar una definición existente. Si el usuario ha usado el “Quick Bridge” para iniciar el modelo el programa deberá crear automáticamente definiciones por defecto para los materiales, propiedades de elementos, sección de la losa, bearing, abutment y columnas. Todas estas definiciones por defecto pueden visualizarse a través de la pestaña “Components”. También se puede tener acceso a toda esta información a través de las opciones del “Bridge

izart”.

Los comandos de la pestaña “Components” también pueden usarse si se a usado la opción “Blank” para iniciar un nuevo modelo y todavía no se ha usado el “Bridge izart”.

Figura 5.13 ilustración de utilización del comando Components.

437 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. 1. Components > materiales Al seleccionar “Type” se despliega una lista de propiedades y el nombre del panel cambiara en función de la propiedad seleccionada en la lista. Si hacemos click en expandir se desplegaran una de los siguientes recuadros.

Figura 5.14 recuadros que corresponden a la definición de los materiales.

438 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.15 recuadros que corresponden a la definición de los elementos “FRAME”.

439 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.16 recuadros que corresponden a la definición de los elementos “FRAME” utilizando el Section Designer.

440 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. 2. Components > Super estructura La Super Estructura del Modelo de un puente consiste en la Sección del Deck, Diafragmas y es soportada por la Sub Estructura. Las dimensiones de la Sección del Deck pueden varias de acuerdo con la definición de variación paramétrica.

Figura 5.17 recuadros que corresponden a la definición de los componentes de la superestructura. A continuación se muestran los recuadros relacionados a cada Item.

Figura 5.18 recuadro que corresponden a la definición de la sección transversal de la superestructura

441 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Usando este recuadro es posible la definición de secciones tales como: secciones de concreto que incluyen cajones (Box), Cajones con múltiples celdas, Vigas T, Losa Plana, Vigas AASHTO pretensadas y otros tipos de vigas pretensadas y Secciones con Vigas de Acero. Entre los parámetros que debes especificar podemos mencionar: Dimensiones del Deck, Localizacion de parapetos (Esto es usado por el programa para determinar la extensión de la carga vehicular a través de la sección del Deck, para determinar los factores de distribución de la carga viva LLDF). Al presionar “Add New Section” aparecerá el siguiente recuadro.

Figura 5.19 recuadros que corresponden a la definición de la sección transversal de la superestructura. 442 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Recuadro para Definir los Diafragmas del Puente.

Figura 5.20 recuadros que corresponden a la definición de los diafragmas. Los tipos de diafragma pueden ser: Sólidos (únicamente para puentes de concreto), con diagonales (únicamente para puentes de acero), o vigas simples (únicamente en puentes de acero). Para Puentes de Concreto: Se usan diafragmas sólidos y su definición es basada en el ancho del diafragma y su altura. Para Puentes de Acero: En el caso de un diafragma con diagonales, la definición debe incluir las propiedades de la sección a usarse en la parte en la cuerda superior e inferior y en los elementos de brazos (estos pueden ser V, V invertida, X), como también especificar los puntos de trabajo en función del cambio en elevación. También en puentes de acero se pueden usar diafragmas como viga simple, la definición incluye las propiedades de la sección y la especificación en el cambio de elevación en sus extremos.

443 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.21 recuadros que corresponden a la definición de los distintos tipos de diafragmas. Recuadro para Definir la Variación Paramétrica del Puente.

Figura 5.22 recuadros que corresponden a la definición de las variaciones geométricas de la superestructura. La variación paramétrica se refiere a como varia la sección del Deck en su vista lateral a lo largo del puente. La variación puede ser: Lineal, Parabólica o Circular. El botón “Quick Start” puede ser usado para agilizar el proceso. El recuadro para especificar la variación paramétrica es el siguiente.

444 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.23 recuadros que corresponden a la definición de las variaciones paramétricas del tablero.

3. Components > Sub estructura La Sub Estructura del Modelo de un puente consiste en los Asientos (Bearing), restricciones, esprines de fundaciones, estribos (Abutment) y Viga transversal para apoyar la Super a través de los asientos (BENT).

445 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.24 recuadros que corresponden a la definición de los componentes de la subestructura. Una vez hemos seleccionado el Item desde el listado podemos seleccionar el despliegue de Items para ver el recuadro que corresponde al Item seleccionado. A continuación se ilustran los recuadros que corresponden a cada Item.

Figura 5.25 recuadros que corresponden a la definición de los Apoyos.

446 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Las propiedades del Bearing son usadas en el Abutment, en el Bent y asignación de Hinge a los objetos del puente. Por ejemplo en los Abutment los Bearing son usados en la conexión entre los girders y la Sub Estructura, en el Bent los Bearing son usados en la conexión entre los girders y el Bent Cap Beam, en el Hinge los Bearing son usados en la conexión entre los girders y las dos caras del Hinge. Las propiedades de los Bearing pueden ser especificadas como “Soportes Link” o pueden definirse por el usuario que es mas recomendado. Cuando el usuario define el Bearing debe especificar las condiciones de restricción en los seis grados de libertad (Fijo, libre o parcialmente restringido) con una constante específica de resorte.

Figura 5.26 recuadro que corresponden a la definición de las restricciones de los Apoyos. Las restricciones básicamente son usadas donde hay discontinuidad, por ejemplo cuando la super estructura es discontinua sobre el abutment o el bent. Esta opción permite conectar la super estructura con la sub estructura en la localización del Bearing a través de un cable de restricción o inmovilización (Cable Restrainers). El usuario puede definir las propiedades especificando un Link o definiendo las propiedades directamente lo cual es recomendado, en tal caso el programa calcula automáticamente las propiedades del Link desde las características de cable especificadas por el usuario. El Link de restricción se localizara en el mismo lugar donde se localiza el Link del Bearing, aunque en realidad lo que estamos haciendo es conectar el Link de restricción a la super y al Bearing, mientras que el 447 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Link del bearing se conecta al Bent Cap. En resumen definimos: Restricción definida por un Link: Se genera un simple Link que conecta el Bent Cap con el Bearing. Restricción definida por el usuario a través de las características de un Cable para que el programa calcule automáticamente las propiedades del Link: Se generan dos Links conectando el Bent Cap con el Bearing. Un Link tiene propiedades de Gap y el otro Link tiene propiedades de Hook. Esto es para simular que el cable es únicamente efectivo cuando la super estructura se mueve en sentido opuesto a la sub estructura.

Figura 5.27 recuadro que corresponden a la definición de los esprines de fundación definidas por el usuario.

448 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Los esprines para las fundaciones son usados para conectar la Sub Estructura al suelo. Estas propiedades pueden usarse en el Abutment y en el Bent. En el Bent los esprines para las fundaciones son usados en la base de cada columna como esprines puntuales al igual que el Abutment. La propiedad de estos esprines en por unidad de longitud. Las propiedades de un esprín pueden especificarse como Link o definidas por el usuario lo cual es recomendado. En tal caso las propiedades pueden darse en los seis grados de libertad (Fijo, libre y parcialmente restringido) con una constante de esprín específica. Esta definición de esprín también puede usarse para apoyar vigas continuas se debe especificar un factor indicando la longitud sobre la cual dichas propiedades deben aplicar.

Figura 5.28 recuadro que corresponden a la definición del estribo “Abutment”. Este recuadro es para especificar las condiciones de soporte en los extremos del puente. Permite especificar la conexión entre el abutment y los girders ya sea como integral o conectado a la base del girder únicamente, permitiendo la conexión a través de una serie de esprines puntuales (uno en casa girder) o sobre una viga continua transversal.

449 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.29 recuadro que corresponden a la definición de la pila “Bent”. Este recuadro es para especificar la geometría y las propiedades de la sección del “Bent Cap” y del “Bent Columns”. También se especifica las condiciones de soporte en la base de las columnas, la conexión entre abutment y girders ya sea integral o conectada en la base de los girders únicamente, una simple línea de bearing continua o una línea de bearing doble. La super estructura del puente deberá tomarse como continua o discontinua basado en el tipo de Bent a usarse. El botón “Modify/Show Columns Data”, desplegara los datos para las columnas del Bent (Localización, altura y condición de soporte en la base).

 Describiendo la pestaña load “cargas” La pestaña “Cargas” (Load), permite el acceso eficiente a los datos necesarios para agregar, copiar o modificar definiciones de vehículos y clases de vehículos, patrones de carga, espectros de respuesta, funciones de carga en el tiempo, cargas puntuales, lineales y cargas de áreas. Esta también disponible un comando para borrar una definición especifica. Si se usó el “Quick Bridge” para iniciar el modelo, el programa deberá tener creado definiciones de vehículos por defecto, clases de vehículos, patrones de carga, ect. Todas estas definiciones pueden 450 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. visualizarse usando los comandos de la pestaña “Loads” o también usando el “ izard”. Los comandos de esta pestaña también pueden ser usados si se usa la opción en blanco para iniciar el nuevo modelo. Los vehículos deben ser definidos para analizar el modelo de un puente bajo carga viva vehicular. En el programa CsiBridge la carga vehicular son aplicadas a la estructura a través de los “Lanes”. Cada definición de los vehículos consiste de una o más cargas concentradas o cargas uniformes.

Figura 5.30 recuadros que corresponden a la definición de los vehículos de diseño. Luego de haber seleccionado una opción del listado de Item para los vehículos ( ehicles,

ehicles Classes) podemos hacer click en la flecha “expandir” para

tener acceso a los siguientes recuadros de definición.

Figura 5.31 recuadros que corresponden a la definición de los vehículos de y definición de grupos de vehículos.

451 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Define Vehicles: Hay un gran número de vehículos estándares definidos en el programa, este recuadro es usado para añadir cualquiera de estos vehículos. Define Vehicles Classes: Esto es simplemente un grupo de uno o más vehículos que son usados en un análisis con carga móvil (Un vehículo a la vez). Esta definición por clase permite evaluar la máxima y mínima respuesta del puente de la más extrema de varios tipos de vehículos. La opción para definir clases de vehículos no está habilitada hasta que no se haya definido un vehículo estándar. Si hacemos Click en “Add “Define “Standart

ehicle” en el recuadro

ehicles”, tendremos acceso al recuadro ehicle Data”. En este recuadro tenemos

una gran variedad de tipos de vehículos que representan la carga viva, en base a varios códigos de diseño. El factor de escala que se introduce en algunos vehículos es para especificar el peso nominal en las unidades en cuestión, por ejemplo para un H o HS las unidades son en Toneladas, para vehículos UIC las unidades son en kN/m y así por el estilo. En la carga dinámica permisible se especifica la adición al porcentaje para incrementar las cargas concentradas y de ejes, la carga uniforme no se afecta, si este número es 33 todas las cargas concentradas de ejes serán multiplicadas por 1.33. Si del recuadro “Define hacemos click en “Add

ehicles”, seleccionamos “Add General

ehicle”, y luego

ehicle” tendremos el siguiente recuadro para agregar un

vehículo general:

452 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.32 recuadros que corresponden a la definición de vehículo general. Un vehículo general consiste en “n” ejes con una distancia especifica entre uno y otro. Cargas concentradas en los ejes. Carga uniforme entre pares de ejes. Rango de variación en la distancia entre ejes y distancia fija.

Loads > Load patterns Los patrones de carga se componen por un nombre, tipo de carga y distribución espacial de fuerzas, desplazamientos, temperatura, entre otros efectos que actúan sobre la estructura. Estos patrones de carga una vez se definen deben ser aplicados a la estructura. También es posible generar un patrón con múltiples pasos de carga viva el cual es usado en un análisis estático de pasos múltiples o en un análisis dinámico de pasos en el tiempo. Si hacemos click en la pestaña “DL Load Patterns” se despilega el siguiente recuadro:

453 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.33 recuadro que corresponden a la definición de los patrones de carga. Cada patrón de carga debe tener un nombre único. Los tipos de carga que se despliegan en este recuadro están definidos en el Código AASHTO LRFD. Los tipos de carga son usados para determinar las combinaciones automáticas de carga. Note que en el caso de carga “Bridge Live” podemos tener acceso al recuadro “Multi Step Bridge……..”, en este recuadro se pueden especificar uno o más vehículos para que transiten por un carril (Lane) especifico a una cierta velocidad, dirección y un determinado tiempo de inicio. El multiplicado de peso propio es un factor de escala que multiplica el peso de la estructura y aplica esta fuerza en dirección de la gravedad (-Z). El peso propio de la estructura es determinado al multiplicar el peso específico del material por el volumen de cada objeto con propiedades estructurales.

454 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. El patrón automático de carga lateral se aplica en los casos de terremotos, olas y vientos. Con esta opción el usuario puede especificar los códigos para que el programa

haga los

cómputos

internamente. Otra

alternativa

es

aplicar

manualmente estas cargas usando la pestaña “Advanced” esto se explicara más adelante.

Loads > Functions

Figura 5.34 recuadro que corresponden a la definición de las funciones espectrales. En referencia a la función espectral podemos decir que es una función que relaciona el periodo versus la aceleración espectral. Los valores de la aceleración son normalizados o sea sin unidades de esta forma las unidades son asociadas al factor de escala que es el multiplicador de la función el cual se debe especificar cuando se define la función. Existen muchas opciones para definir la función espectral, principalmente AASHTO 2006 y AASHTO 2007. En el caso de AASHTO 455 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. 2006, hay que especificar en los valores el coeficiente de amortiguamiento y el tipo de suelo, los valores de periodo y aceleración están por defecto, podemos también convertir dicha función a definida por el usuario y entonces modificar valores de periodos y aceleraciones. En el caso de AASHTO 2007, el programa CSIBridge se basa en los procesos descritos en “AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design”, Seccion 3.4.1. Los valores de Ss, S1 y PGA deben tomarse de los mapas USGS y AASHTO los cuales están internamente incluidos en CSIBridge, también el usuario puede especificar directamente estos valores.

Figura 5.35 recuadro que corresponden a la definición del espectro de respuesta elástico utilizando las especificaciones AASHTO 2007.

En referencia a la función “Time History” podemos decir que consiste en un listado de valores de tiempo y de la función que ocurren en intervalos igualmente espaciados. Los valores de la función representan la aceleración del terreno y están normalizados.

456 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.36 recuadro que corresponden a la definición de la función tiempohistoria. Nota: Una vez hemos definido la función espectral y de aceleraciones en el tiempo, se pueden usar en la definición de los casos de carga.

Loads > Distributions

Figura 5.37 recuadro que corresponden a la definición de los distintos tipos de cargas gravitacionales.

457 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.38 recuadro que corresponden a la definición de cargas puntuales. Esta opción permite definir una carga puntual única en una dirección, localización e intensidad específica. Esta carga puede ser un momento o una fuerza y el sistema de coordenada puede ser local o global. La localización de la carga puntual en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck.

Figura 5.39 recuadro que corresponden a la definición de cargas lineales.

458 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Esta opción permite definir una única carga lineal, en dirección y localización especifica. Puede ser una fuerza o un momento. El sistema de coordenadas pude ser local o global. La localización de la carga lineal en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck.

Figura 5.40 recuadro que corresponden a la definición de cargas por unidad de área. Esta opción permite definir una única carga por unidad de área, en dirección y localización especifica. Puede ser una fuerza o un momento. El sistema de coordenadas pude ser local o global. La localización de la carga en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck. Ambas distancias son requeridas para definir las condiciones de borde en los extremos de la carga por unidad de área.

 Describiendo la pestaña “bridge” La pestaña “Bridge” se compone de comandos para agregar, copiar o modificar definiciones de objetos, como también borrar y actualizar definiciones previas. Otros comando permiten acceder a formas de datos para la revisión de tramos (Diafragmas, rotulas y discretización), soportes (Abutmen y Bent), súper elevación, 459 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. tendones de pretensado y cargas. También hay otros comandos para agregar barras a las vigas y para definir los grupos que componen la secuencia de construcción. Si para iniciar el modelo se usa el “Quick Bridge” el programa habrá generado automáticamente los objetos del puente usando las definiciones por defecto, las cuales pueden visualizarse a través de la pestaña “Bridge”. Si se ha usado el “Bridge

izard” para iniciar el modelo, podemos acceder a todos los

comando que están en la pestaña “Bridge”, a través de “Bridge Object Asignments”. Todos los comando de la pestaña “Bridge” también pueden usarse si se inicia el modelo con la opción “Blank”.

Figura 5.41 recuadro que corresponden a la definición de los distintos componentes del objeto puente.

El modelo de un puente está representado paramétricamente por una serie de objetos. Al usar la pestaña “Bridge” lo que hacemos es reunir todos estos objetos en un mismo modelo llamado “Bridge Object”, ya sea como sólido, línea o área. En otras palabras el “Bridge Object” representa toda la estructura del puente. Al hacer click en “New” aparece el siguiente recuadro:

460 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.41 recuadro para la definición de los distintos componentes del objeto puente. Todas las asignaciones que se pueden hacer al “Bridge Object” aparecen en la lista ubicada a mano derecha de este recuadro. Si seleccionamos un “Item” y presionamos “Modify……” aparecen los mismo recuadros disponibles en la pestaña “Bridge”. Asignando el Span al “Bridge Object”

Figura 5.42 recuadro para la asignación del Span al objeto puente.

461 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. El comando Span despliega el recuadro usado para poder asignar la sección del “Deck” previamente definida a través de la pestaña “Components’. A través de este recuadro se puede aplicar la variación paramétrica a través de “Section aries” o “Modify/Show……….”

Figura 5.43 recuadro para la asignación de variaciones paramétricas al Span del objeto puente.

Asignando Diafragmas al “Bridge Object” La asignación del diafragma debe incluir la selección del tramo o span, en donde se ubicara el diafragma (a lo largo de la longitud), la identificación de las propiedades del diafragma, la localización medida desde el comienzo del tramo y la indicación de asientos.

462 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.44 recuadro para la incorporación de los diafragmas al objeto puente. Asignando Junta de Expansión “Hinge” Esta opción es usada para especificar zonas de expansión (Discontinuidad). Para asignar una discontinuidad, junta, rotula o expansión es necesario especificar su localización y orientación, propiedades de asiento, elevación, y ángulo de rotación, propiedades de restricciones, propiedades de diafragma antes y después de la discontinuidad, la abertura inicial (Gap) arriba y debajo de la súper estructura.

Figura 5.44 recuadro para la incorporación de las juntas de expancion al objeto puente. 463 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Asignando Puntos de Discretización. En la gran mayoría de modelos no es necesario discretizar, debido a que el programa discretiza cuando actualizamos el modelo. Sin embargo al usar esta opción reemplazamos lo que hace el programa controlando la división del tramo a lo largo del puente. Este recuadro permite especificar los puntos donde el tramo será discretizado. Esta opción también es usada cuándo requerimos la salida de resultados en un punto específico. También se puede especificar un Skew asociado a un punto de discretización. Asignando los Soportes. Abutment: Permite la asignación en el inicio y en el final del puente de: Inclinaciones (Skew), Propiedades de Diafragma en los extremos, sub estructura en el abutment, propiedades, elevación vertical y localización horizontal de la sub estructura, propiedades de los asientos ect. La elevación de los asientos se refiere a los puntos de acción o punto en el cual ocurren todas las traslaciones y rotaciones.

Figura 5.45 recuadro para la incorporación de las propiedades del estribo al objeto puente.

464 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Bent: Permite la asignación de la súper estructura incluyendo propiedades de diafragmas (En el caso de súper estructura discontinua una propiedad de diafragma se puede especificar en cada extremo, también como propiedades de restricciones, abertura arriba y abajo), propiedades del Bent y orientación, elevación vertical y localización horizontal, propiedades de asientos, elevación y ángulo de rotación. Para bent con súper estructura discontinua se debe especificar un asiento en los dos extremos de la discontinuidad.

Figura 5.46 recuadro para la incorporación de las propiedades de la pila al objeto puente. Asignando la Super Elevación. La súper elevación indica la rotación de la súper estructura a lo largo de su eje longitudinal y está se referenciada a la línea de “Layout”. La súper elevación se especifica en porcentaje.

465 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.47 recuadro para la incorporación de la súper elevación a la superestructura. Asignando los Tendones de Pretensado. Para asignar los tendones de pretensado debemos especificar la localización del inicio y el final del tendón, la configuración (geometría) vertical y horizontal, propiedades de la sección transversal del tendón, parámetros para las perdidas y opciones para el “Jacking” o dispositivo que se usa para tensar los cables, fuerza o esfuerzo a aplicarse en el cable y modelamiento del tendón como carga o como elemento.

Figura 5.48 recuadro para la incorporación de tendones de pretensado a los largueros. 466 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Asignando Barras de Acero a la Viga. Es posible a través de este comando asignar el acero longitudinal y transversal a cada viga. Este acero es usado en el cálculo del “Load Rating”. El refuerzo transversal se especifica en términos del área, espaciamiento, número de espacios y localización de inicio y final. Similarmente el refuerzo longitudinal se especifica por el área de la barra, y la distancia desde el tope o el inferior de la viga con una localización inicial y final a lo largo de la longitud de la viga.

Figura 5.49 recuadro para la incorporación del acero de refuerzo a los largueros para un análisis Rating.

467 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Grupos (Usados para la Secuencia de Construcción) Este comando es usado para agregar nuevos grupos al modelo. Los grupos se pueden usar en la definición de los casos de carga por secuencia de construcción.

Figura 5.50 recuadro para la creación de grupos utilizados en un análisis por secuencia constructiva.

468 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Comando “Actualización” (Update). Una vez hemos definido todos los objetos del puente estos no son ensamblados hasta que no actualicemos el modelo.

Figura 5.51 comando de actualización (Update).

Cada vez que se actualiza el modelo la condición de definiciones previa a la actualización se reemplazan por la nueva actualización. Por otro lado si efectuamos cambios de edición fuera de la pestaña “Bridge” estos cambios pueden perderse si actualizamos nuevamente el modelo. En la actualización automática el programa hará actualizaciones automáticamente cada vez que se realicen cambios al modelo.

Describiendo la pestaña “analysis”. La pestaña “Analysis” nos permite el acceso a los comandos necesarios para la definición de los casos de carga, programa de construcción (Schedule) el cual es usado cuando desarrollamos un análisis de secuencia de construcción, conversión de combinaciones de carga a casos no lineal, especificación de los resultados a salvarse para todos los casos de carga móvil y la ejecución del análisis. Esta pestaña también tiene comandos para bloquear y desbloquear el modelo, ver deformada y colocar la condición no deformada del modelo.

469 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.52 recuadro del comando Analysis. Los casos de carga definen como las cargas serán aplicadas a la estructura (Eje. Estáticamente o Dinámicamente), como la estructura responde (Eje. Lineal o No lineal) y como será ejecutado (Eje. Integración Directa o Modal).

Para el análisis sísmico los casos usados son el estático, respuesta espectral y historial de tiempo. El casos pushover puede emplearse para el análisis estático no lineal, como también el análisis de secuencia constructiva se desarrolla usando casos estáticos no lineales. Hay algunas opciones disponibles para analizar con carga viva vehicular, para computar las líneas de influencia a fin de obtener los valores máximos y mínimos de la respuesta. Para el análisis de la respuesta en el tiempo de la estructura mediante integración directa es posible definir un caso de carga dinámico de pasos múltiples (Multi – Step Dynamic) a fin de obtener la respuesta de uno o más vehículos moviéndose a través del puente, también se puede definir un casos estático de pasos múltiples para estos fines (Multi – Step Static). Estos casos de pasos múltiples usan patrones de carga viva que están en función de la dirección, tiempo de inicio y velocidad del vehículo que se mueve a través del puente. 470 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Definición de los Tipos de Carga. “All”

New

Este recuadro es general para definir todos los casos de carga.

Figura 5.53 recuadro para la creación de los tipos de casos de carga.

Casos estaticos “statics” : Lineal: Para definir casos los casos de carga más usuales estáticos (Lineal o No lineal).

Figura 5.54 recuadro para la creación de un caso de carga estático. 471 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Nonlinear: Usado para el Análisis Pushover.

Figura 5.55 recuadro para la creación de un caso de carga estáticono lineal. Nonlinear Staged Construction: En este análisis las ecuaciones de toda la estructura son resueltas mediante un análisis de integración directa “Time Hystory” en cada paso de tiempo a diferencia de un análisis modal “Time History” que usa el método de súper posición modal.

Figura 5.56 recuadro para la creación de un caso de carga por secuencia de construcción. 472 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Caso estático lineal de múltiples pasos “linear multi step static”: Un caso de múltiples pasos de carga estática desarrolla un análisis lineal estático en distintas posiciones vehiculares, tomando en cuenta el efecto de varios vehículos a la vez sobre el puente. En este caso de carga no es posible la consideración del efecto dinámico, de ser necesario la evaluación del efecto dinámico hay que efectuar un análisis dinámico “time history”.

Figura 5.57 recuadro para la creación de un caso estático lineal de múltiples pasos. Caso “modal” Un análisis modal es un análisis dinámico para calcular los modos de deformación usando los métodos “Eigenvector” y Ritz

ector”. Un análisis modal siempre es

lineal. El análisis usando el método “Eigenvector” determina la vibración libre no amortiguada de la estructura determinando las deformaciones y las frecuencias de cada modo. El método “Ritz

ector” es usado para determinar los modos que son

excitados baja cargas particulares y es recomendado cuando us amos espectros de respuesta o time history, que son basados en superposición modal. 473 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.58 recuadro para la creación de un caso estático lineal de múltiples pasos. Caso de respuesta espectral “response spectrum” Un análisis de respuesta espectral es usado para en función de una demanda estadística de aceleraciones calcular la respuesta de la estructura. Antes de definir este caso de carga es necesario haber definido la función espectral.

Figura 5.59 recuadro para la creación de un caso de respuesta espectral.

474 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Caso de respuesta historial en el tiempo “time history” En este caso de carga se aplica a la estructura cargas que varían con el tiempo. Antes de definir este caso de carga es necesario definir la función de carga en el tiempo. La solución puede ser por los métodos de súper posición modal o por integración directa y puede ser lineal o no lineal. En la aplicación a puentes se puede usar este análisis para determinar la respuesta dinámica producto de una determinada carga viva vehicular.

Figura 5.60 recuadro para la creación de un caso de respuesta historial en el tiempo. Caso de carga movil “moving load” Antes de proceder con la definición del caso de carga móvil es necesario haber definido los vehículos, carriles y clases de vehículos. El caso de carga móvil es para calcular la respuesta mas severa que puede resultar del movimiento de vehículos a lo largo de los carriles del puente. Los vehículos son movidos en ambas direcciones a lo largo de cada carril. Usando la superficie de influencia los vehículos son ubicados automáticamente en distintas posiciones a lo largo del ancho y longitud del carril a fin de producir la respuesta máxima y mínima sobre la estructura. Se puede permitir que un vehículo actué en un solo carril o que se mueva en varios carriles.

475 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.61 recuadro para la creación de un caso de carga movil.

Caso de pandeo “buckling” Este caso de carga es para calcular el modo de pandeo bajo aplicación de cargas. El análisis lineal de pandeo busca la los modos de inestabilidad de una estructura, como resultado del efecto P-delta en un determinado conjunto de cargas. El termino λ es llamado factor de pandeo. Este es el factor de escala que debe multiplicarse por las cargas aplicadas para causar el modo de pandeo. Se recomienda un mínimo de 6 modos de pandeo. Es importante entender que el modo de pandeo va a depender de las cargas.

476 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.62 recuadro para la creación de un caso de pandeo.

Caso de carga “steady state” Este caso de carga es usado para evaluar la respuesta de una estructura bajo cargas cíclicas en una o más frecuencias de interés. Luego que el análisis es ejecutado es posible visualizar la deformada de la estructura y las fuerzas y esfuerzos en la frecuencia deseada y en algún ángulo de fase o sea si usamos un ángulo de fase de 0 grados obtendremos el comportamiento dado a la carga horizontal más un componente de amortiguamiento dado a la carga vertical. La magnitud de la respuesta en una frecuencia determinada es dada por la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la respuesta de los componentes en 0 grados y 90 grados (imaginarios).

477 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.63 recuadro para la creación de un caso de carga “Steady Atate”. Caso de carga “power spectral density” Al igual que el “Steady State” este análisis es para obtener la respuesta de la estructura resultante de cargas cíclicas, sobre un rango de frecuencias a diferencia de que se obtiene un espectro resultante en el rango de frecuencia.

Figura 5.64 recuadro para la creación de un caso de carga “Power Spectral density”. 478 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Caso de carga “hiperstatic” Este caso es para calcular la respuesta lineal de la estructura asumiendo que todos los soportes se han removido y se han reemplazado por una reacción que proviene del análisis de otro caso de carga. Este análisis es usado para calcular las fuerzas secundarias bajo cargas de pretensado.

Figura 5.65 recuadro para la creación de un caso de carga “hiperestático”

 Comando calendario de fase constructiva “schedule stages”.

Figura 5.66 comando Schedule stages Este comando es usado para identificar las actividades de construcción según su programación, duración, tareas a completarse antes de que se pueda completar otra tarea y la operación que especifica como la tarea afecta el desarrollo de la construcción. Una etapa (stage) es una colección de operaciones que deben ejecutarse en un momento dado. Cada etapa debe tener definido su duración en días (Un número entero igual o mayor a cero). Cada etapa inicia con una condición inicial igual al final de la etapa previa.

479 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.67 recuadro de aplicación del comando Schedule state.

 Comando para convertir combos a un caso no lineal “nl convert combos”.

Figura 5.68 comando nl Convert combos

Use esta opción para especificar que combinación de carga deberá usarse en el análisis no lineal estático. Este comando es conveniente para crear una carga no lineal mientras se hace uso de una combinación de carga. Para usar este comando primero debemos definir las combinaciones de carga a usarse en el modelo. Comando “bridge response bridge” Este comando despliega los resultados correspondientes al caso de carga viva móvil que se desea salvar o guardar. En otras palabras es posible especificar al programa que información nosotros necesitamos calcular en las juntas y elementos “frame” dado al movimiento de la carga viva. Los cálculos se pueden 480 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. limitar a resultados específicos como también a resultados solo en grupos de objetos en el modelo. También hay una opción para usar los valores Máximos y Mínimos en el diseño de elementos “frame”. El método para el cálculo de la respuesta puede ser exacto o con un grado especifico de refinamiento la cual provee rápidos resultados para verificaciones preliminares.

Figura 5.69 recuadro de despliegue de los resultados correspondientes al caso de carga viva móvil.  Describiendo los comandos para analizar la estructura.

Figura 5.70 comando para analizar la estructura. Opciones de análisis “analysis options” Son opciones usadas para especificar los grados de libertad a tomar en cuenta en el análisis, opciones para solución de ecuaciones y para salvar resultados en Microsoft acces o Excel.

481 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.71 recuadra para la aplicación de las opciones de análisis. Corriendo el analisis “run analysis” Es usado para seleccionar los casos de carga que queremos correr en el análisis.

Figura 5.72 recuadra previo a la ejecución del análisis.

482 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.  Describiendo la pestaña “design/rating”

Figura 5.73 elementos que componen el comando “Desing/Rating”. Esta pestaña permite acceder a comandos usados para agregar, copiar, modificar o borrar combinaciones

de carga;

establecer preferencias

y crear

los

requerimientos del diseño de la súper estructura; establecer preferencias para el diseño sísmico; establecer preferencias y generar el “Load Rating”. Entre las preferencias se encuentra el código AASHTO LRFD 2007 y STD 2002. - Combinaciones de carga. Las combinaciones de carga pueden ser agregadas por el usuario o pueden ser generadas

por

el programa

dependiendo del código seleccionado. Las

combinaciones que se basan en los códigos también pueden modificarse según deseado. Las combinaciones son usadas en el proceso de diseño y pueden definirse antes o después del análisis. Al hacer Click en la flecha expandir aparece el siguiente recuadro:

Figura 5.74 combinaciones de cargas creadas por defecto por el programa. 483 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Todos los casos previamente definidos aparecen listados en este recuadro, al hacer click en “Add New Combo…” es posible definir un nuevo caso de carga usando el siguiente recuadro:

Figura 5.75 recuadro para la creación de combinaciones de cargas creadas por el usuario. Tipos de combinaciones:

Figura 5.76 recuadro para la creación de distintos tipos de combinaciones de cargas creadas por el usuario.

484 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Linear: En este tipo todos los casos de carga se multiplican por su factor de escala y se aplican en conjunto. Este tipo de combinación puede usarse en cargas estáticas. Envelope: Se evalúa una envolvente de valores máximos y mínimos de los casos de carga en dicha combinación, para cada elemento y junta. El caso de carga que arroja el máximo y mínimo es el que se usa para esta combinación. Por lo tanto la combinación de carga tendrá dos valores en la salida. Este tipo de combinación puede ser usada para cargas móviles y algún otro caso donde la carga produce valores de fuerza o esfuerzo máximo y mínimo. Absolute Add: Los valores absolutos de cada caso de carga se suman. Se obtienen valores positivos y negativos en la salida de resultados. Esta combinación se puede usar para cargas laterales. SRSS: Se obtiene la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados en los casos de carga para obtener valores positivos y negativos. Este combo también se puede usar para carga lateral. Range: Es un rango de Combinación Máxima y Mínima, donde el máximo es la suma de los valores máximos positivos de la contribución de cada caso de carga (excluyendo valores negativos), y el mínimos de los valores mínimos negativos de la contribución de cada caso de carga (excluyendo valores positivos). Este tipo de combinación es usado en patrones de carga donde usted debe considerar todas las permutaciones en la contribución de los casos de carga.

Para agregar las combinaciones por defecto hacer click en “Add Default Design Combos”:

485 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.77 recuadro para la creación automática de las combinaciones de cargas a utilizar en el diseño.

 Diseño de la súper estructura. El diseño en CSIBridge se basa en los patrones de carga, casos de carga, combinaciones de carga y requerimientos de diseño. Cabe señalar que el diseño de la súper estructura de un puente es un tema complejo y que los códigos cubren muchos aspectos de este proceso. CSIBridge es una herramienta que nos ayuda con este proceso. Únicamente los aspectos descritos en el documente de diseño “CSI’s Design Manual” son automatizados en CSIBridge. “Por lo anterior el usuario debe verificar los resultados y cubrir otros aspectos que no son cubiertos por el programa”.

Figura 5.78 elementos utilizados para el diseño de la superestructura.

486 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Estos comandos nos permiten el acceso a los recuadros necesarios para seleccionar los códigos de diseño y otros parámetros como: agregar, copiar modificar, o borrar requerimientos de diseño y seleccionar los requerimientos a tomar en cuenta para la corrida. - Comando “Code Preferences”

Figura 5.79 Recuadro para la selección del código de diseño.

Este recuadro es para especificar el código de diseño que vamos a usar y algunos otros parámetros de diseño si aplica. Hay otras pestañas que permiten seleccionar el código, solo aplica un código a la vez, cualquiera que sea la vía para seleccionarlo. Comando “Design Requests” En este comando se requiere especificar los requerimientos para el diseño con un único nombre para el “Bridge Object” (Se refiere a todo el puente previamente definido), selección del objeto del puente para el cual se establecen los requerimientos, la acción que se va a verificar (Flexión, esfuerzo de corte, ect.), rango de estaciones (porción del puente a ser diseñada), parámetros de diseño (ejemplo factor de esfuerzo), y demanda (Combinaciones de carga).

487 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.80 Recuadro para la selección de los requerimientos de diseño. Tipo de Chequeo (Check Type): Determina cual es el chequeo a completarse cuando se corren los requerimientos para el diseño. Esta lista refleja los tipos de Deck a ser usados en el puente. Rango de Estaciones (Station Ranges): Define el inicio y el final de la localización a considerarse en el diseño de la súper estructura. Se pueden especificar múltiples zonas con un simple requerimiento de diseño. Set de Demanda (Demand Set): Es para identificar la combinación de carga a usarse en el diseño. Se pueden definir múltiples combinaciones de demanda en un mismo requerimiento de diseño. Las combinaciones típicamente usadas para el diseño del puente típicamente son de tipo “envolvente” de otras combinaciones y el diseño se desarrolla para cada combinación dentro de la combinación envolvente seleccionada.

488 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes. Comando “Run Super”

Figura 5.81 Recuadro previo para la realización del diseño de la súper estructura. En este comando seleccionamos el requerimiento de diseño que vamos a correr. El análisis debe ejecutarse primero antes de efectuar la corrida de diseño.

Comando “Optimize”

Figura 5.82 Recuadro para la optimización de los largueros de acero.

Después de haber completado el análisis y diseño de una viga de acero, se puede usar esta opción para de manera iterativa optimizar el diseño. 489 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.  Diseño sísmico CSIBridge permite al ingeniero definir parámetros específicos para el diseño sísmico que deberán aplicarse al modelo del puente durante ciclos automatizados de análisis a través del diseño. Si el ingeniero lo especifica el programa puede determinar automáticamente las propiedades agrietadas de la sección, la demanda espectral para el análisis, como también en el análisis no lineal estático pushover. El programa también determina la relación Demanda/Capacidad para Sistemas Resistentes a Terremotos (ERS).

Figura 5.83 elementos utilizados para el diseño sísmico.

Comando “Preferences” Con este comando también es posible especificar el código de diseño y es similar al mostrado en las opciones de diseño para súper estructura, pero solo un código puede aplicar a la vez. Comando “Design Request” Esta opción es para especificar los requerimientos para el diseño sísmico. A través de esta opción podemos seleccionar la función espectral a usar en un diseño particular como también la categoría para el diseño sísmico, entre otros parámetros para el diseño sísmico. Si la fundación ha sido incluida en el modelo del puente, los elementos de la fundación deben asignarse a un grupo.

490 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes.

Figura 5.84 pasos a seguir para la definición de los requerimientos de diseño.

Comando “Run Seismic”: Es el comando usado para correr el análisis sísmico.

Figura 5.81 Recuadro previo para la realización del diseño de la subestructura.

491 Capítulo V: Introducción al CsiBridge.

Ingeniería de puentes

CAPITULO VI: ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON EL CSIBRIDGE.

492

Ingeniería de puentes

Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge. 6.1 Introducción.

Este capítulo consiste en la realización del diseño estructural de las propuestas estructurales desarrolladas en el capítulo IV, estos diseños parten de los mismos datos utilizados en los procedimientos de diseño realizados en el capitulo antes mencionado. Es importante destacar que para agilizar el proceso de diseño se utilizaran las secciones resultantes del análisis y diseño estructural realizado anteriormente, dicho de otra manera este será un proceso de verificación para luego comparar los resultados de ambos procedimientos. El diseño estructural realizado con el CSIBridge se divide en 4 etapas: 1. La creación del modelo estructural. 2. Creación y aplicación de cargas. 3. Análisis estructural. 4. Diseño estructural.

6.2 Análisis y Diseño estructural.

6.2.1 Propuesta estructural #1: Superestructura con largueros de Acero.

“Nota: a diferencia del proceso de diseño en el capítulo IV el diseño estructural de la propuesta #1 envuelve lo que es el diseño tanto de la superestructura con el diseño de la subestructura”.

493 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.  Etapa 1: Creación del modelo estructural. 1. el primer paso es la creación de un nuevo modelo en el cual definimos las unidades de trabajo que en este caso utilizaremos como unidades Toneladas, metros y como nuevo modelo seleccionaremos un modelo en blanco (Select Template Blank).

Figura 6.1 Recuadro para la creación de un nuevo modelo. 2. El segundo paso consiste en la creación de la alineación del puente (Layout Line) que en este caso nuestro puente consta de una longitud de 40 metros y un alineamiento horizontal y vertical completamente recto.

Figura 6.2 Recuadro para le definición del alineamiento del puente.

494 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 3. El tercer paso consiste en la creación de los carriles de diseño, cada carril de diseño debe de ser creado por separado, especificando su ancho y la ubicación del centro del carril con respecto a la alineación definido en el paso anterior, para este caso los carriles de diseño tienen un ancho de 3.00 metros.

Figura 6.3 Recuadro para creación de los carriles de diseño. 4. Deben de definirse los materiales y secciones de los distintos elementos estructurales (La resistencia del concreto a utilizar, el grado del acero de refuerzo, las secciones de los largueros, las dimensiones de la pila, entre otros), para ello utilizamos la ventana Componentes (Components). Los materiales definidos son los siguientes: - La resistencia a la compresión del concreto es de 280 Kg/cm2 . - Acero ASTM A615 Gr40 y Gr60 (material para las barras de refuerzo) - Acero ASTM A992 (material del larguero) Las secciones definidas son las siguientes: - Perfil laminado W36x150 (largueros) - Columna circular de 1.20 metros de diámetro (columna de pila)

495 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. - Viga de 1.20 x 1.20 metros (viga cabezal). - Perfil laminado C12x36 (Diafragma).

Figura 6.4 Recuadro para creación de los componentes del puente. 5. Luego de definir los materiales y las secciones de los distintos elementos estructurales, se definen los elementos que componen la superestructura utilizando el comando componentes (Components), aquí se define la sección del tablero esta debe de definirse acorde a nuestra superestructura, es importante mencionar que el CSIBridge proporciona distintas opciones de tableros entre los cuales podemos mencionar tableros con largueros tipo AASHTO, tableros con largueros de acero, entre otros, además de la definición del tipo de tablero se define el tipo de diafragma que de igual manera que para la selección del tablero el programa proporciona diferentes tipos de Diafragmas entre los cuales se encuentran diafragmas sólidos, tipo arriostramiento, y tipo viga simple. Para el caso del tablero se ha definido una losa con un espesor 20 cms con una ancho de tablero de 6.00 metros, con unos largueros W36x150 con un larguero interior y dos larguero exterior, con una separación entre largueros de 2.40 metros.

496 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.5 Recuadro para la creación de los componentes de la superestructura. 6. Luego de haber definido los componentes de la superestructura se procede a la definición de los elementos de la subestructura. Para los cuales se definieron: - Apoyos (Bearing): para la definición de los apoyos se han definido dos tipos de los cuales está un apoyo fijo con restricciones a los movimientos de traslación en todas sus direcciones, y un apoyo móvil con restricciones a los movimientos de traslación vertical y de traslación normal al eje del larguero dejando libre el movimiento a lo largo del larguero. Es importante destacar que el programa solamente considera las condiciones de restricción de los apoyos y que estos no se diseñan.

497 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. - Esprines de fundación: aquí definimos las propiedades de la fundación tanto para el estribo como para la pila, que para este caso definimos que es un empotramiento definiendo como fijos las traslaciones y rotaciones en todas sus direcciones. - Estribos (Abutment): en este caso el programa solo define las condiciones de conectividad de la superestructura al estribo y del estribo al suelo de fundación ya que para el diseño estructural el programa no diseño los estribos del puente. Además es posible definir si el estribo es monolítico con los largueros o si solamente están conectados con la parte inferior de estos. - Pila (Bent): aquí definimos dos elementos que componen a la pila, la viga cabezal y la columna de la pila. Para la definición de la viga cabezal basta con definir su longitud y el tipo de sección de la viga cabezal definida anteriormente en el paso 4, y para la definición de la columna es posible definir distintas columnas cada una de ellas con diferentes alturas, secciones y distintas separaciones entre ellas ya sea para definir una pila tipo portico o una pila cabeza de martillo para nuestro caso se define una única columna con un diámetro de 1.20 metros la cual fue definida en los pasos anteriores. Además es aquí donde nosotros definimos si se trata de un puente continuo con un solo apoyo o con un puente discontinuo con doble apoyo, considerando además que podemos definir que la pila sea monolítica con la superestructura como sería el caso de un puente postensionado segmentado, pero para nuestro caso se trata de un puente discontinuo con doble apoyo dicho de otra forma cada tablero se define como simplemente apoyado.

498 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.6 Recuadro para la creación de los componentes de la subestructura. 7. El último pasó de la primera etapa consiste en la reunión de todos los elementos estructurales en un objeto llamado objeto puente utilizando el comando Puente (Bridge). En este paso reunimos todos los elementos que se crearon en todos los pasos anteriores, aquí definimos la longitud de los dos tramos que componen nuestra alineación ambos de 20 metros, definimos la cantidad y ubicación de cada diafragma que en este caso hemos definido 3 diafragmas intermedios con una separación de 5.00 metros entre ellos, la ubicación de los estribos y el tipo de apoyo que conectan a la superestructura con la subestructura que en nuestro caso un apoyo es fijo y otro apoyo es móvil. La ubicación de la pila y los tipos de apoyos que existen en ella ya que hemos definido que se trata de un puente discontinuo

499 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. con dos apoyos en la pila, un apoyo se ha definido como móvil y el otro apoyo como fijo. Es importante mencionar que al momento de definir el objeto puente se pueden incorporar las cargas.

Figura 6.7 Recuadro para la creación del objeto puente (Bridge Object).

500 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.8 Modelo realizado con el CSIBridge (Puente con largueros de acero).

 Etapa 2: Creación y aplicación de cargas. 1. El primer paso de esta segunda etapa consiste en la creación de los patrones de carga. Los patrones de carga definidos en el programa están creados de acuerdo al código AASHTO LRFD. Para nuestro modelo se han definido los siguientes patrones de carga: - Peso propio (Dead - factor multiplicador de 1). - Parapeto (Dead – factor multiplicador de 0). - Acera (Dead – factor multiplicador de 0). - Superficie de rodadura (Weiring Surface – factor multiplicador de 0).

501 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.9 Recuadro para la creación de los patrones de carga. 2. Luego de haber definido los patrones de carga, se procede a la definición de los vehículos de diseño, y a la creación de un grupo de vehículos. Para este caso se han definido dos tipos de vehículos, el primero el HL-93K (representa la caga de un camión), y el HL-93M (representa la carga de tamden) ambas cargas combinadas con una carga de carril.

Figura 6.10 Recuadro para la definición de los tipos de vehículos.

502 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Luego de la definición de las clases de vehículos es necesarios agruparlos en un grupo para que el programa compute ambas cargas y genere una envolvente en la cual involucre las solicitaciones máximas y mínimas que generan los vehículos a la superestructura.

Figura 6.11 Recuadro para la definición del grupo de vehículos. 3. El tercer paso consisten en la aplicación de las cargar al puente en la cual se ha definido las cargas de parapeto (carga lineal), cargas de acera (carga por unidad de área), carga de superficie de rodadura (carga por unidad de área).

Figura 6.12 Recuadro para la aplicación de cargas gravitacionales. 503 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.13 Representaciones graficas de la aplicación de cargas gravitacionales.

4. El cuarto paso de esta etapa consiste en asociar la aplicación de las cargas con respecto al proceso constructivo y esto se hace definiendo el caso de carga Staget Construction, ya que hay que destacar que a medida el proceso constructivo avanza cambian las propiedades de los largueros. Para ello definimos el tiempo en el cual se incorporan los elementos estructurales al análisis.

Figura 6.14 Recuadros para de definición del caso de carga Staget Construction. Es importante mencionar que para la incorporación de la losa al inicio de la del analisis no debe de aportar rigidez a los largueros ya que el concreto está fresco y luego de cierto tiempo la losa a fraguado y ha alcanzado cierta resistencia y esta aporta rigidez y modifica las propiedades del larguero, esto es capaz atreves de la definición de modificadores de elementos área. 504 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 5. Luego de la aplicación de las cargas es necesario crear el caso de carga móvil. En el cual definimos el grupo de vehículos de diseño, los carriles de diseño y definimos que al momento de analizar la carga móvil (carga viva) tome los resultados obtenidos al final del caso Staget Construction.

Figura 6.15 Recuadro para la definición del caso carga móvil (moving load).  Etapa 3: Análisis estructural. Esta etapa consiste en el análisis estructural de los elementos que componen la estructura, es aquí donde podemos determinar las solicitaciones a las cuales la estructura está sometida producidas por las distintas cargas ya se han muertas o vivas.

505 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.16 Recuadro para la observación de resultados en largueros. En esta etapa con el programa podemos verificas las fuerzas y los esfuerzos en los distintos elementos estructurales, para este caso solo presentaremos los datos del análisis para la viga interior de la superestructura: 1. Diagrama de cortante y momento producido por la carga de la superestructura utilizando como unidades kips, ft:Vmax: 30.21 kips; Mmax:446.52 kips.ft

Figura 6.17 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la superestructura.

506 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 2. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta de la acera utilizando como unidades kips, ft: Vmax: 3.74 kips; Mmax: 75.30 kips.ft

Figura 6.18 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la acera. 3. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta de la del acera utilizando como unidades kips, ft: Vmax: 4.17 kips; Mmax: 96.00 kips.ft

Figura 6.19 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta del parapeto.

507 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 4. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta de la del superficie de rodadura utilizando como unidades kips, ft: V max: 4.67 kips; Mmax: 73.17 kips.ft

Figura 6.20 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la superficie de rodadura. 5. Diagrama de cortante y momento producido por la carga viva utilizando como unidades kips, ft: Vmax: 4.67 kips;

Mmax: 73.17 kips.ft.

Para el diagrama de cortante se observa un diagrama de cortante no muy parecido a un diagrama de cortante clásico obtenido de un proceso utilizando análisis tradicionales (análisis con procedimientos manuales), esto es debido que los diagramas de cortante y momento genera una envolvente y en este caso representa la envolvente con los valores máximos positivos de cortante. En el caso del diagrama de momentos no se da el caso ya que no se generan momentos negativos y por lo tanto el diagrama de momento no presenta ninguna diferencia con respecto a los análisis tradicionales.

508 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.21 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga viva. Luego de determinar los diagramas de cortante y momento de la superestructuras se procede a la verificación de los resultados de cortante y momento en la pila.

Figura 6.22 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la cargas sísmicas.

509 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Cabe mencionar que para la realización del análisis estructural de la subestructura es necesario definir los patrones de carga correspondientes a la fuerza sísmica, y ya que se trata un análisis sísmico estático se define la utilización de un coeficiente sísmico el cual se calcula dividiendo el coeficiente sísmico elástico entre el factor de modificación de respuesta correspondiente. Del análisis estructural utilizando unidades de toneladas metros obtenemos un Vmax:40 toneladas y un Mmax: 280.17 Ton.m.  Etapa 4: Diseño estructural. Esta etapa consiste en la verificación de las secciones diseñadas en el capítulo IV. - Diseño de la superestructura. Para proceder al diseño de la superestructura es necesario definir el código de diseño y los requerimientos de diseño. Para nuestro diseño se utiliza el código AASHTO LRFD y para los requerimientos de diseño es necesario definir los chequeos de resistencia y de servicio con sus respectivas combinaciones de carga. Para el chequeo por resistencia se selecciona la combinación de carga perteneciente al Estado límite correspondiente para evaluar la resistencia a cortante y flexión, y para el chequeo por servicio para la evaluación de los esfuerzos en el patín inferior.

Figura 6.23 Recuadro para la selección del código de diseño. 510 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.24 Recuadro para la definición de los requerimientos de diseño. Luego de la definición del código de diseño y de los requerimientos de diseño procedemos al diseño estructural. Partiendo del chequeo de resistencia se indica al programa que presente la relación Demanda/Capacidad, esta consiste en la relación de la demanda a la cual una sección es sometida versus la capacidad de esta, siendo satisfactoria cuando la relación Demanda/Capacidad es menor a la unidad. Se puede observar que la relación Demanda/Capacidad tanto para flexión como para cortante son inferiores a la unidad siendo satisfecho este requerimiento de diseño sin embargo se observa que esta relación es inferior a 0.5, indicando que la resistencia de esta sección es mucho mayor a la demanda estructural. El segundo chequeo consiste en verificar que el esfuerzo en el patín inferior del larguero de acero sea menor al 95% del esfuerzo de fluencia del acero el larguero.

511 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.25 Diagramas de la relación Demanda/Capacidad.

Figura 6.26 Diagrama de esfuerzo en el patín inferior del larguero para la combinación del estado limite de resistencia II.

512 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Se observa que el esfuerzo en el patín inferior es de 34.29 ksi siendo este menor a 47.5 ksi y calculando la relación demanda/capacidad el larguero trabaja a una eficiencia de 0.72 siendo esta sección bastante eficiente, observando que el estado limite de servicio II es el que controla en el diseño.

- Diseño de la Subestructura: En este caso definiremos la columna con el refuerzo obtenido en el diseño realizado en el capítulo IV que corresponde a 22 varillas #10 grado 60 y a estribos #4 a una separación de 7.5 cm, para posterior mente ser chequeado.

Figura 6.27 Recuadro para la definición de la columna de la pila con su correspondiente refuerzo longitudinal y transversal.

513 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.28 Representación grafica de la relación Demanda/Capacidad de la columna. Se ha verificado la relación Demanda/Capacidad de la pila siendo esta de un 90% por lo tanto la sección se considera satisfactoria. 6.2.2 Propuesta estructural #2: Superestructura con largueros de concreto preesforzado.

 Etapa 1: Creación del modelo estructural. 1. el primer paso es la creación de un nuevo modelo en el cual definimos las unidades de trabajo que en este caso utilizaremos como unidades Toneladas, metros y como nuevo modelo seleccionaremos un modelo en blanco (Select Template Blank).

Figura 6.29 Recuadro para la creación de un nuevo modelo.

514 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 2. El segundo paso consiste en la creación de la alineación del puente (Layout Line) que en este caso nuestro puente consta de una longitud de 40 metros y un alineamiento horizontal y vertical completamente recto.

Figura 6.30 Recuadro para le definición del alineamiento del puente. 3. El tercer paso consiste en la creación de los carriles de diseño, cada carril de diseño debe de ser creado por separado, especificando su ancho y la ubicación del centro del carril con respecto a la alineación definido en el paso anterior, para este caso los carriles de diseño tienen un ancho de 3.00 metros.

Figura 6.31 Recuadro para creación de los carriles de diseño.

515 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 4. Deben de definirse los materiales y secciones de los distintos elementos estructurales (La resistencia del concreto a utilizar, el grado del acero de refuerzo, las secciones de los largueros, las dimensiones de la pila, entre otros), para ello utilizamos la ventana Componentes (Components). Los materiales que se han definido son los siguientes: - Concreto con un f’c de 280 Kg/cm2 para la Losa, Diafragmas y Pila. - Concreto con un f’c de 350 Kg/cm 2 para los largueros AASHTO tipo III. - Acero ASTM A615 Gr40 y Gr60 (material para las barras de refuerzo). - Cables de baja relajación ASTM A416 Gr270 para los tendones. Con respecto a la definición del concreto para los largueros es necesario indicarle al programa que muestre las propiedades avanzadas y definir que las propiedades del concreto son dependientes del tiempo para poder capturar las perdidas del preesfuerzo, para ello es necesario definir ciertos parámetros con la utilización del código de diseño CEB-FIP 90 (este es un comité Europeo el cual se dedica al estudio del comportamiento de los materiales). Los parámetros que se han definido son los siguientes: Coeficiente del tipo de concreto: 0.25 (para concreto normal). Fluencia lenta del concreto: - Humedad relativa: 70% - Notional Size: 0.205 metros Contracción del concreto: - Coeficiente de contracción: 5 - Edad a la que se considera la contracción: 7 dias

516 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.32 Recuadro para definición de las propiedades avanzadas del concreto. Para la creación de los distintos elementos que componen la superestructura y la subestructura se han creado los siguientes: - Vigas AASHTO tipo III (Largueros). - Columna circular de 1.20 metros de diámetro (Cuerpo de la pila). - Viga de 1.20 x 1.20 metros (Viga cabezal). - en este caso la sección de los diafragmas no se define en este paso.

Figura 6.33 Recuadro para definición de las secciones de los distintos elementos estructurales. 517 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 5. luego de definir los materiales y las secciones de los distintos elementos estructurales, se definen los elementos que componen la superestructura utilizando el comando componentes (Components), aquí se define la sección del tablero la cual debe de definirse un tablero acorde a nuestra superestructura, es importante mencionar que el CSIBridge proporciona distintas opciones de tableros entre los cuales podemos mencionar tableros con largueros tipo AASHTO, tableros con largueros de acero, entre otros, además de la definición del tipo de tablero se define el tipo de diafragma que de igual manera que para la selección del tablero el programa proporciona diferentes tipos de Diafragmas entre los cuales se encuentran diafragmas sólidos, tipo arriostramiento, y tipo viga simple. Para el caso del tablero se ha definido con un espesor 20 cms con una ancho de tablero de 6.00 metros, con unos largueros AASHTO tipo III con un larguero interior y dos larguero exterior, y una separación entre largueros de 2.40 metros, y un diafragma tipo solido con un espesor de 30 cm.

Figura 6.34 Recuadro para la creación de los componentes de la superestructura. 518 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 6. Luego de haber definido los componentes de la superestructura se procede a la definición de los elementos de la subestructura. Para los cuales se definieron: - Apoyos (Bearing): para la definición de los apoyos se han definido dos tipos de los cuales está un apoyo fijo con restricciones a los movimientos de traslación en todas sus direcciones, y un apoyo móvil con restricciones a los movimientos de traslación vertical y de traslación normal al eje del larguero dejando libre el movimiento a lo largo del larguero. Es importante destacar que el programa solamente considera las condiciones de restricción de los apoyos y que estos no se diseñan. - Esprines de fundación: aquí definimos las propiedades de la fundación tanto para el estribo como para la pila, que para este caso definimos que es un empotramiento definiendo como fijos las traslaciones y rotaciones en todas sus direcciones. - Estribos (Abutment): en este caso el programa solo define las condiciones de conectividad de la superestructura al estribo y del estribo al suelo de fundación ya que para el diseño estructural el programa no diseño los estribos del puente. Además es posible definir si el estribo es monolítico con los largueros pero en este caso como los largueros de esta primera propuesta estructural se trata de vigas de acero indicamos que la condición de conectividad solamente es atreves de la parte inferior de los largueros. - Pila (Bent): aquí definimos dos elementos que componen a la pila, la viga cabezal y la columna de la pila. Para la definición de la viga cabezal basta con definir su longitud y el tipo de sección de la viga cabezal definida anteriormente en el paso 4, y para la definición de la columna es posible definir distintas columnas cada una de ellas con diferentes alturas, secciones y distintas separaciones entre ellas ya sea para definir una pila a porticada o una pila cabeza de martillo para nuestro caso se define una única columna con un diámetro de 1.20 metros la cual fue definida en los pasos anteriores. Además es aquí donde nosotros definimos si se trata de un puente continuo con un solo apoyo o con un puente discontinuo con 519 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. doble apoyo, considerando además que podemos definir que la pila sea monolítica con la superestructura como sería el caso de un puente postensionado segmentado, pero para nuestro caso se trata de un puente discontinuo con doble apoyo dicho de otra forma cada tablero se define como simplemente apoyado.

Figura 6.35 Recuadro para la creación de los componentes de la subestructura. 7. El último pasó de la primera etapa consiste en la reunión de todos los elementos estructurales en un objeto llamado objeto puente utilizando el comando Puente (Bridge). En este paso reunimos todos los elementos que se crearon en todos los pasos anteriores, aquí definimos la longitud de los dos tramos que componen nuestra alineación ambos de 20 metros, definimos la cantidad y ubicación de cada 520 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. diafragma que en este caso hemos definido 2 diafragmas intermedios con una separación de 6.67 metros entre ellos, la ubicación de los estribos y el tipo de apoyo que conectan a la superestructura con la subestructura que en nuestro caso un apoyo es fijo y otro apoyo es móvil. La ubicación de la pila y los tipos de apoyos que existen en ella ya que hemos definido que se trata de un puente discontinuo con dos apoyos en la pila, un apoyo como móvil y el otro apoyo como fijo.

Figura 6.36 Modelo realizado con el CSIBridge (Puente con largueros tipo AASHTO).  Etapa 2: Creación y aplicación de cargas. 1. El primer paso de esta segunda etapa consiste en la creación de los patrones de carga. Los patrones de carga definidos en el programa están creados de acuerdo al código AASHTO LRFD. Para nuestro modelo se han definido los siguientes patrones de carga: - Peso propio (Dead - factor multiplicador de 1). - Parapeto (Dead – factor multiplicador de 0). 521 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. - Acera (Dead – factor multiplicador de 0). - Superficie de rodadura (Weiring Surface – factor multiplicador de 0). - Pre esfuerzo (Prestress – factor multiplicador de 0).

Figura 6.37 Recuadro para la creación de los patrones de carga. 2. Luego de haber definido los patrones de carga, se procede a la definición de los vehículos de diseño, y a la creación de un grupo de vehículos. Para este caso se han definido dos tipos de vehículos, el primero el HL-93K (representa la caga de un camión), y el HL-93M (representa la carga de tamden) ambas cargas combinadas con una carga de carril.

Figura 6.38 Recuadro para la definición de los tipos de vehículos.

522 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Luego de la definición de las clases de vehículos es necesarios agruparlos en un grupo para que el programa compute ambas cargas y genere una envolvente en la cual involucre las solicitaciones máximas y mínimas que generan los vehículos a la superestructura.

Figura 6.39 Recuadro para la definición del grupo de vehículos. 3. El tercer paso consisten en la aplicación de las cargar al puente en la cual se ha definido las cargas de parapeto (carga lineal), cargas de acera (carga por unidad de área), carga de superficie de rodadura (carga por unidad de área).

Figura 6.40 Recuadro para la aplicación de cargas gravitacionales. 523 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.41 Representaciones graficas de la aplicación de cargas gravitacionales. 4. El siguiente paso consiste en la incorporación de los tendones a los largueros, para ello se utiliza el comando puente (Brigde), con la ayuda de este comando podemos crear cada tendón dentro de cada larguero y especificar los datos a considerar como el área de cada tendón, la fuerza de pretensionado en cada tendón o grupo de tendones y podemos indicar el drapeado de cada tendón. Para este caso se ha trabajado por grupo de tendones, cada grupo constituido por tres tendones aplicando una fuerza de pretensionado de 40.12 Kips por tendón que equivale a una fuerza por grupo de tendones de 160.5 Kips, además es aquí donde definimos las perdidas en el larguero pretensionado, estas pueden ser especificadas por el usuario o calculadas por el programa, para este caso se ha especificado que el programa compute las perdidas.

Figura 6.42 Recuadros para la creación e incorporación de los tendones a la estructura. 524 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.42 Recuadro para verificar la ubicación del grupo de tendones.

5. El cuarto paso de esta etapa consiste en asociar la aplicación de las cargas con respecto al proceso constructivo y esto se hace definiendo el caso de carga Staget Construction, ya que hay que destacar que a medida el proceso constructivo avanza cambian las propiedades de los largueros. Para ello definimos el tiempo en el cual se incorporan los elementos estructurales al análisis..

Figura 6.42 Recuadros para de definición del caso de carga Staget Construction. 525 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Es importante mencionar que para la incorporación de la losa al inicio de la losa esta no debe de aportar rigidez a los largueros ya que el concreto está fresco y luego de cierto tiempo la losa a fraguado y ha alcanzado cierta resistencia y esta aporta rigidez y modifica las propiedades del larguero, esto es capaz atreves de la definición de modificadores de elementos área. 6. Luego de la aplicación de las cargas es necesario crear el caso de carga móvil. En el cual definimos el grupo de vehículos de diseño, los carriles de diseño y definimos que al momento de analizar la carga móvil (carga viva) tome los resultados obtenidos al final del caso Staget Construction.

Figura 6.43 Recuadro para la definición del caso carga móvil (moving load).  Etapa 3: Análisis estructural. Esta etapa consiste en el análisis de la estructural ante las cargas aplicadas, aquí podemos determinar las solicitaciones a las cuales la estructura está sometida producidas por las distintas cargas ya se han muertas o vivas.

526 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.16 Recuadro para la observación de resultados en largueros. En esta etapa con el programa podemos verificas las fuerzas y los esfuerzos en los distintos elementos estructurales, para este caso solo presentaremos los datos del análisis para la viga interior de la superestructura: 6. Diagrama de cortante y momento producido por la carga de la superestructura utilizando como unidades kips, ft:V max: 47.18 kips; Mmax:717.35 kips.ft

Figura 6.17 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la superestructura. 527 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 7. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta de la acera utilizando como unidades kips, ft: Vmax: 3.39 kips; Mmax: 71.81 kips.ft

Figura 6.18 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la acera. 8. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta del parapeto utilizando como unidades kips, ft: V max: 4.80 kips; Mmax: 94.20 kips.ft

Figura 6.19 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta del parapeto. 528 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. 9. Diagrama de cortante y momento producido por la carga muerta de la del superficie de rodadura utilizando como unidades kips, ft: V max: 4.88 kips; Mmax: 71.79 kips.ft

Figura 6.20 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga muerta de la superficie de rodadura. 10. Diagrama de cortante y momento producido por la carga viva utilizando como unidades kips, ft: Vmax: 83.42 kips;

Mmax: 1072.91 kips.ft.

Figura 6.21 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la carga viva. 529 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Para el diagrama de cortante se observa un diagrama de cortante no muy parecido a un diagrama de cortante clásico obtenido de un proceso utilizando análisis tradicionales (análisis con procedimientos manuales), esto es debido que los diagramas de cortante y momento genera una envolvente y en este caso representa la envolvente con los valores máximos positivos de cortante. En el caso del diagrama de momentos no se da el caso ya que no se generan momentos negativos y por lo tanto el diagrama de momento no presenta ninguna diferencia con respecto a los análisis tradicionales. Luego de determinar los diagramas de cortante y momento de la superestructuras se procede a la verificación de los resultados de cortante y momento en la pila.

Figura 6.22 Diagrama de cortantes y momentos producidos por la cargas sísmicas. Cabe mencionar que para la realización del análisis estructural de la subestructura es necesario definir los patrones de carga correspondientes a la fuerza sísmica, y ya que se trata de un análisis sísmico estático se define la utilización de un coeficiente sísmico el cual se calcula dividiendo el coeficiente sísmico elástico entre el factor de modificación de respuesta correspondiente.

530 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. Del análisis estructural utilizando unidades de toneladas metros obtenemos un Vmax: 36.73 toneladas y un M max: 267.76 Ton.m.

 Etapa 4: Diseño estructural. - Diseño de la superestructura. Para proceder al diseño de la superestructura es necesario definir el código de diseño y los requerimientos de diseño. Para nuestro diseño se utiliza el código AASHTO LRFD y para los requerimientos de diseño es necesario definir los chequeos de resistencia y de servicio con sus respectivas combinaciones de carga. Para el chequeo por resistencia se selecciona la combinación de carga correspondiente al Estado límite de resistencia con esta evaluando la resistencia a cortante y flexión, y para el chequeo por servicio se selecciona la combinación de carga correspondiente al estado limite de Servicio para la evaluación de los esfuerzos en el concreto.

Figura 6.23 Recuadro para la selección del código de diseño. Luego de la definición del código de diseño y de los requerimientos de diseño procedemos al diseño estructural. 531 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.24 Recuadro para la definición de los requerimientos de diseño. Partiendo del chequeo de resistencia se indica al programa que presente la relación Demanda/Capacidad, este consiste en la relación de la demanda a la cual una sección es sometida versus la capacidad de esta sección siendo esta satisfactoria cuando la relación Demanda/Capacidad es menor a la unidad.

Figura 6.25 Diagramas de la relación Demanda/Capacidad por cortante.

532 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes.

Figura 6.25 Diagramas de la relación Demanda/Capacidad por cortante. Se puede observar que la relación Demanda/Capacidad tanto para flexión como para cortante son inferiores a la unidad siendo satisfecho este requerimiento de diseño. El segundo chequeo consiste en verificar los esfuerzos en el concreto tanto esfuerzos de compresión como esfuerzos de tensión.

Figura 6.26 Diagrama de esfuerzo en el patín superior del larguero.

533 Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

Ingeniería de puentes. - Diseño de la Subestructura: En este caso definiremos la columna con un refuerzo que corresponde a 22 varillas #10 grado 60 y a estribos #4 a una separación de 7.5 cm, para posterior mente ser chequeado.

Figura 6.27 Recuadro para la definición de la columna de la pila con su correspondiente refuerzo longitudinal y transversal.

Figura 6.28 Representación grafica de la relación Demanda/Capacidad de la columna. Se ha verificado la relación Demanda/Capacidad de la pila siendo esta de un 90% por

lo

tanto

la

sección

se

considera

satisfactoria. 534

Capítulo VI: Análisis y Diseño Estructural con el CSIBridge

CAPITULO VII: COMPARACIÓN DE RESULTADOS.

535

Ingeniería de puentes.

Capítulo VII: Comparación de resultados. 7.1 Introducción.

Este capítulo consiste en comparar los resultados estructurales obtenidos de los procedimientos de análisis y diseño tradicionales (procedimientos manuales) con los resultados obtenidos utilizando el CSIBridge.

7.2 Resultados para la Propuesta estructural #1.

A continuación se detallan los resultados obtenidos de los análisis realizados para la obra de paso con largueros de acero. Puente con largueros de acero: Larguero Interior. Caso de carga

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

Observación. Existe variación de resultados ya que en

Peso propio:

Vmax:30.8 klb

Vmax:28.6 klb

el análisis tradicional

Mmax: 505.9 klb.ft

Mmax: 444.21 klb.ft

sea sobre estimado la carga proveniente de los diafragmas.

Acera + Parapeto

S. de rodadura

Vmax:10.5 klb

Vmax:7.62 klb

Mmax: 172.24 klb.ft

Mmax: 170.3 klb.ft

Vmax:4.26 klb

Vmax:4.66 klb

Mmax: 69.97 klb.ft

Mmax: 72.81 klb.ft

Variación mínima

Variación mínima Existe diferencia de

Carga viva

Vmax:82.5 klb

Vmax:83.9 klb

Mmax: 974.6 klb.ft

Mmax: 1095.6 klb.ft

resultados ya que el análisis con el CSIBridge se han utilizado 2 tipos de

536 Capítulo VII: Comparación de resultados

Ingeniería de puentes. cargas la carga HL93K y la HL-93M. Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

Flexión

0.60

0.56

Variación mínima

Cortante

0.40

0.48

Variación mínima

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

34.14 ksi

34.94 ksi

Demanda/Capacidad

Chequeo de esfuerzo C. Servicio II

Observación.

Observación. Variación mínima

Pila Central Demanda/Capacidad Chequeo del Refuerzo

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

0.92

0.90

Observación. Variación mínima.

Se puede observar que existen dos amplias variaciones en los casos de carga analizados para el diseño del larguero interior, el primero corresponde al caso de carga del peso propio de la estructura esto se da ya que en el análisis tradicional es común asumir un porcentaje del peso de cada larguero, mientras que en el CSIBridge se ha especificado exactamente el tipo de perfil utilizado para el diafragma. La segunda variación que se puede observar es para el caso de carga correspondiente a la carga viva en este caso el análisis con el CSIBridge se han evaluado las dos cargas de diseño especificadas por el código la carga correspondiente al camión de diseño (HL-93K) y al tamden de diseño (HL-93M), creando una evolvente para las solicitaciones de ambas cargas, mientras que en el análisis tradicional solamente se ha evaluado el camión de diseño. Con respecto al diseño de la pila central el análisis con el CSIBridge consistió en el chequeo de la sección de la columna obtenida con el análisis tradicional obteniendo valores de relación demanda/capacidad muy parecidos esto quiere decir que los valores de momento y cortante son similares tanto para el análisis tradicional como para el análisis con el CSIBridge.

537 Capítulo VII: Comparación de resultados

Ingeniería de puentes.

7.3 Resultados para la Propuesta estructural #2.

A continuación se detallan los resultados obtenidos de los análisis realizados para la obra de paso con largueros tipo AASHTO. Puente con largueros tipo AASHTO: Larguero Interior. Caso de carga

Peso propio:

Acera + Parapeto

S. de rodadura

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

Vmax:44.72 klb

Vmax:47.09 klb

Mmax: 733.63 klb.ft

Mmax: 717.39 klb.ft

Vmax:10.5 klb

Vmax:8.23 klb

Mmax: 172.24 klb.ft

Mmax: 166.11 klb.ft

Vmax:4.26 klb

Vmax:4.88 klb

Mmax: 69.97 klb.ft

Mmax: 71.79 klb.ft

Observación.

Variación mínima

Variación mínima

Variación mínima Existe diferencia de resultados ya que el

Carga viva

Vmax:82.5 klb

Vmax:83.22 klb

Mmax: 928.4 klb.ft

Mmax: 1072 klb.ft

análisis con el CSIBridge se han utilizado 2 tipos de cargas la carga HL93K y la HL-93M.

Demanda/Capacidad

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

Observación. Esta variación se da ya que los tendones han sido modelados cada uno con sus

flexión

0.73

0.83

respectivas ubicaciones y además el programa ha calculado las pérdidas reales.

538 Capítulo VII: Comparación de resultados

Ingeniería de puentes. Cortante

0.42

0.46

Variación mínima

Pila Central Demanda/Capacidad

Análisis

Análisis con el

tradicional

CSIBridge

Observación. La pila fue diseñada

Chequeo del Refuerzo

-

0.901

solamente con el CSIBridge.

Se puede observar que existen unq amplia variacion en el caso de carga analizado correspondiente a la carga viva para el diseño del larguero interior, en este caso el análisis con el CSIBridge se han evaluado las dos cargas de diseño especificadas por el código la carga correspondiente al camión de diseño (HL93K) y al tamden de diseño (HL-93M), creando una evolvente para las solicitaciones de ambas cargas, mientras que en el análisis tradicional solamente se ha evaluado el camión de diseño. Con respecto al diseño de la pila central el análisis con el CSIBridge consistió en el chequeo de un sección circular con un diámetro de 1.20 metros, 22 varillas #10 Gr 60 y refuerzo transversal Gr 40, esta sección con este refuerzo fue tomado de la sección resultante de la pila para la propuesta estructural #1 para luego verificar su desempeño estructural.

539 Capítulo VII: Comparación de resultados

CAPITULO VIII: EVALUACIÓN ECONÓMICA.

540

Ingeniería de puentes.

Capítulo VIII: Evaluación económica.

8.1 Introducción.

Esta evaluación consiste en valorar el costo económico de la construcción de esta obra de paso para ello se han evaluado económicamente ambas propuestas estructurales teniendo como objetivo principal dar a conocer la propuesta más económica al momento de la construcción. Es importante mencionar que las estructuras antes diseñadas han sido evaluadas con anterioridad para verificar la posibilidad del montaje de los largueros. La construcción del presupuesto se ha realizado en cuatro partidas principales tomando en cuenta la importancia de cada elemento. Las partidas son obras preliminares,

Superestructura, subestructura y Obras complementarias. Cabe

recalcar que el único cambio para el presupuesto de cada propuesta genera mayor importancia en la superestructura. El porcentaje del costo indirecto se realizara tomando en cuenta el porcentaje que distintas empresas utilizan para la construcción de este tipo de obras la cual se tomara un promedio de costo indirecto de una serie de empresas constructoras. Los costos unitarios de este presupuesto fueron formulados por este grupo de trabajo, pero el cálculo de estos no se ha detallado debido a la gran magnitud de este trabajo de investigación.

541 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

HOJA DE PRESUPUESTO: PROPUESTA ESTRUCTURAL #1 FECHA: CANTIDAD

ENERO DE 2013

UNIDAD

P.U.

SUB-TOTAL

1.0 - OBRAS PRELIMINARES

$

1,202.06

1.1 - Limpieza y Chapeo

409.0384

m2

$

0.36

$

147.25

1.2 - Trazo Y Nivelación

1122.89

m2

$

1.06

$

1,054.81

$

173,552.95

2.0 SUBESTRUCTURA 2.1 PILA 2.1.1

M3

$

420.91

$

19,117.67

31.89

M3

$ 413.57097

$

13,188.78

6.33

M3

$ 497.29692

$

3,147.89

7.20

M3

$ 386.24988

$

2,781.00

61.71

M3

$

492.46

$

30,390.97

30.00

M3

$

307.95

$

9,238.49

29.25

M3

$

684.85

$

20,031.84

2.46

M3

$

454.99

$

1,120.63

Zapata.

6.75X6.75X0.70, Ref. General en ambos sentidos

45.42

#6

@25

cm

Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2. 2.1.2

Columna

Circular.

D=1.20 mt, h= 5.60 mt, Ref. #10@15 cm Gr.=60, Espi. #4 @ zona conf 7.5 cm zona no conf. 10 cm Gr.=40, Fc=280 Kg/cm2

2.1.3

Cabezal:

6x0.70, Ref. #7 Gr.=60, Estribo #4 @ 18 cms Gr.=40, Refuerzo #3 Gr.=40 2.2 ESTRIBO Nº1 2.2.1

Zapata:

6x5x1

mt

Ref. #6 @ 12 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.2.2 Muro o stem: 6x6.50x0.75 mt Ref. #7 @ 8 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm, Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.2.3 Cabezal Estribo 1.29x6x0.25 Ref. #3 @ 30 cm, Gr. 40

542 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes. 2.3 ESTRIBO Nº2 2.3.1

Zapata:

6x5x1

61.71

M3

492.46

$

30,390.97

30.00

M3

$

307.95

$

9,238.49

29.25

M3

$

684.85

$

20,031.84

2.46

M3

$

454.99

$

1,120.63

12

unidades

$

1,112.26

$

13,347.10

55.95

M3

$

358.83

$

20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$

7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$

12,297.90

55.95

M3

$

358.83

$

20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$

7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$

12,297.90

55.95

M3

$

358.83

$

20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$

7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$

12,297.90

mt

Ref. #6 @ 12 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.3.2 Muro o stem: 6x6.50x0.75 mt Ref. #7 @ 8 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm, Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.3.3

Cabezal

Estribo

1.29x6x0.25

Ref. #3 @ 30 cm, Gr. 40, fc=280 Kg/cm2 2.4

APOYOS

DE

ACERO

CON

ELASTOMEROS 12"x14" 2.4 MURO LATERAL 1 2.4.1

Zapata:

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.4.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

2.5 MURO LATERAL 2 2.5.1

ZAPATA:

6.80x5x0.75m

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.5.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

2.6 MURO LATERAL 3 2.6.1

Zapata:

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.6.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

543 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

2.7 MURO LATERAL 4 2.7.1

Zapata:

55.95

M3

$

358.83

$

20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$

7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$

12,297.90

$

98,388.37

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.4.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

3.0 SUPERESTRUCTURA

3.1 PERFIL W36X150. L=12 Mt

12

unidad

$

5,067.73

$

60,812.82

3.2 PERFIL C12x30. L12 Mt

4

unidad

$

1,358.93

$

5,435.72

57.456

M3

$

450.13

$

25,862.38

402

M2

$

15.62

$

6,277.45

$

25,832.23

3.3 LOSA DE CONCRETO. H=0.20 mt, Ref. Super. #5 @ 45 cms ambos sentidos, Ref. Inf. #5 @ 0.20 cms ambos sentidos, Gr.=60, Fc=280 kg/cm2

3.4 ASFALTO H=0.05 mt

4.0 OBRAS DE COMPLEMENTACION

4.1

EMPLANTILLADO

MAMPPOSTERIA

DE

DE PIEDRA:

748.89

M2

$

12.39

$

9,279.07

337.20

M3

$

15.79

$

5,325.25

piedra cuarta, H=30 cm, Fc=280 Kg/cm2

4.2 RELLONO COMPACTADO AL 90 % Proctor T99

544 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes. 4.3

LOSA

DE

APROXIMACION

1:

4.24x6.7x0.30, Ref. #4 @ 25 cms, Gr.=40, Ref. #3 @ 25cm, Gr.= 40,

8.24

M3

$

295.12

$

2,431.79

8.24

M3

$

295.12

$

2,431.79

96.00

ML

$

66.30

$

6,364.33

$

298,975.62

Fc=280 kg/cm2

4.4

LOSA

DE

APROXIMACION

2:

4.24x6.7x0.30, Ref. #4 @ 25 cms, Gr.=40, Ref. #3 @ 25cm, Gr.= 40, Fc=280 kg/cm2

4.5

BARRERA

DE

TRAFICO:

0.2X0.2X0.7 mt, Tubo Est. 3"X3"x1/4, Fy= 36 Ksi, Ref. #6,#3 Gr.= 40, Estr. #4 @0.125

mt,

Fc=280

Kg/cm2

Costo Directo Costo Indirecto (30%) IVA TOTAL

$ $

89692.69 50,526.88

$ 439,195.19

El costo indirecto se ha considerado igual a un 30% del costo directo, ya que se ha realizado un sondeo de costos indirectos en la zona Oriental para este tipo de proyectos.

545 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

HOJA DE PRESUPUESTO: PROPUESTA ESTRUCTURAL #2 FECHA: DESCRIPCIÓN

CANTIDAD

ENERO DE 2013

UNIDAD

P.U.

SUB-TOTAL

1.0 - OBRAS PRELIMINARES

$

1,202.06

1.1 - Limpieza y Chapeo

409.0384

m2

$

0.36

$

147.25

1.2 - Trazo Y Nivelación

1,122.89

m2

$

1.06

$

1,054.81

2.0 SUBESTRUCTURA 2.1 PILA 2.1.1

168,261.87

45.42

M3

$

420.91

$

19,117.67

31.89

M3

$ 413.57097

$

13,188.78

6.33

M3

$ 497.29692

$

3,147.89

7.20

M3

$ 386.24988

$

2,781.00

61.71

M3

$

492.46

$

30,390.97

30.00

M3

$

307.95

$

9,238.49

29.25

M3

$

684.85

$

20,031.84

2.46

M3

$

454.99

$

1,120.63

Zapata.

6.75X6.75X0.70, Ref. General en ambos sentidos

$

#6

@25

cm

Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2. 2.1.2

Columna

Circular.

D=1.20 mt, h= 5.60 mt, Ref. #10@15 cm Gr.=60, Espi. #4 @ zona conf 7.5 cm zona no conf. 10 cm Gr.=40, Fc=280 Kg/cm2 2.1.3

Cabezal:

6x0.70, Ref. #7 Gr.=60, Estribo #4 @ 18 cms Gr.=40, Refuerzo #3 Gr.=40

2.2 ESTRIBO Nº1 2.2.1

Zapata:

6x5x1

mt

Ref. #6 @ 12 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.2.2 Muro o stem: 6x6.50x0.75 mt Ref. #7 @ 8 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm, Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.2.3 Cabezal Estribo 1.29x6x0.25 Ref. #3 @ 30 cm, Gr. 40

546 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

2.3 ESTRIBO Nº2 2.3.1

Zapata:

6x5x1

61.71

M3

30.00

M3

492.46

$

30,390.97

$

9,238.49

mt

Ref. #6 @ 12 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm

$

307.95

Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 3.0 SUPERESTRUCTURA

$ 106,182.48

3.1 VIGA AASTHO TIPO III: L=20 mt, Preesforzada, 24 tendones

Fc=350

kg/cm2 (5 ksi), 2C#3 fy: 4200 kg/cm2,

6

unidad

$11,634.11

$ 69,804.66

29.25

M3

$

2.46

M3

$ 454.99

$ 1,120.63

12

unidades

$

$ 8,056.02

55.95

M3

$ 358.83

$ 20,076.56

25.50

M3

$ 305.05

$ 7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$ 12,297.90

55.95

M3

$

358.83

$ 20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$ 7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$ 12,297.90

E#3 Gr.=60, Estribo #3 @ 7.0 cm Gr 60 2.3.2 Muro o stem: 6x6.50x0.75 mt Ref. #7 @ 8 cm, Gr.= 60, #3 @ 25 cm,

684.85

$ 20,031.84

Gr.= 40, fc=280 Kg/cm2 2.3.3

Cabezal

Estribo

1.29x6x0.25

Ref. #3 @ 30 cm, Gr. 40, fc=280 Kg/cm2

2.4 APOYOS DE NEOPRENO 12"x14"

2.4 MURO LATERAL 1 2.4.1

Zapata:

671.34

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.4.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

2.5 MURO LATERAL 2 2.5.1

ZAPATA:

6.80x5x0.75m

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.5.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

547 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

2.6 MURO LATERAL 3 2.6.1

Zapata:

55.95

M3

$

358.83

$ 20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$ 7,778.66

30.45

M3

$

403.87

$ 12,297.90

55.95

M3

$

358.83

$ 20,076.56

25.50

M3

$

305.05

$

$

403.87

$ 12,297.90

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.= 60, fc=280 Kg/cm2 2.6.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.40, Fc=280 Kg/cm2

2.7 MURO LATERAL 4 2.7.1

Zapata:

6.80x5x0.75

Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm, Gr.=

7,778.66

60, fc=280 Kg/cm2 2.4.2 Muro o stem: 6.80x7.79x0.75 mt Ref. #6 @ 10 cm, Ref. #3 @ 25 cm,

30.45

M3

Gr.40, Fc=280 Kg/cm2 3.2 DIAFRAGMA DE CONCRETO. Ref. #8 Gr60, Est. #3 @ 20cm Gr.40, tubo de

9.44

M3

$

448.94

$

4,237.99

57.456

M3

$

450.13

$

25,862.38

402

M2

$

15.62

$

6,277.45

$

25,832.23

11/2", barras #8 Gr.60 3.3 LOSA DE CONCRETO. H=0.20 mt, Ref. Super. #5 @ 45 cms ambos sentidos, Ref. Inf. #5 @ 0.20 cms ambos sentidos, Gr.=60, Fc=280 kg/cm2

3.4 ASFALTO H=0.05 mt

4.0 OBRAS DE COMPLEMENTACION

4.1

EMPLANTILLADO

MAMPPOSTERIA

DE

DE PIEDRA:

748.89

M2

337.20

M3

$

12.39

$

9,279.07

piedra cuarta, H=30 cm, Fc=280 Kg/cm2

4.2 RELLONO COMPACTADO AL 90 % Proctor T99

$ 15.79

$

5,325.25

548 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes. 4.3

LOSA

DE

4.24x6.7x0.30,

APROXIMACION

Ref.

#4

@ 25

1:

cms,

Gr.=40, Ref. #3 @ 25cm, Gr.= 40, Fc=280

$

8.24

M3

8.24

M3

$

295.12

$

2,431.79

96.00

ML

$

66.30

$

6,364.33

$

301,478.65

295.12

$

2,431.79

kg/cm2

4.4

LOSA

DE

4.24x6.7x0.30,

APROXIMACION

Ref.

#4

@ 25

2:

cms,

Gr.=40, Ref. #3 @ 25cm, Gr.= 40, Fc=280 kg/cm2

4.5

BARRERA

DE

TRAFICO:

0.2X0.2X0.7 mt, Tubo Est. 3"X3"x1/4, Fy= 36 Ksi, Ref. #6,#3 Gr.= 40, Estr. #4 @0.125 mt, Fc=280 Kg/cm2

Costo Directo Costo Indirecto (30%) IVA TOTAL

$ 90443.60 $

50949.89 $ 442872.14

El costo indirecto se ha considerado igual a un 30% del costo directo, ya que se ha realizado un sondeo de costos indirectos en la zona Oriental para este tipo de proyectos.

Se puede observar que la propuesta estructural #1 es aquella la cual presenta un menor costo económico de construcción. Observando pequeñas diferencias entre ambos costos económicos.

549 Capítulo VIII: Evaluación económica

Ingeniería de puentes.

CAPITULO IX: CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES.

550

Ingeniería de puentes.

Capitulo IX: Conclusiones y recomendaciones.

Conclusiones.



El análisis y diseño estructural realizado con procedimientos manuales como el análisis y diseño estructural realizado con el CSIBridge son muy similares, dando a conocer que ambos análisis dan como resultado valores muy parecidos con variaciones mínimas, por lo tanto se tiene la certeza en destacar que el procedimiento manual se ha realizado de una manera adecuada.



La propuesta estructural numero uno (puente con largueros de acero), es la propuesta con menor costo de construcción, teniendo en cuenta que el montaje de los largueros de acero no generarían problemas con respecto a los largueros de concreto preesforzado ya que si se opta por la opción número dos es muy probable que esta instalación genere mayor costo económico, por lo tanto se opta por proponer que la propuesta estructural numero uno es la recomendado para la construcción.



El diseño estructural de una sección de concreto preesforzado realizado con el CSIBridge es mucho más exacto ya que en él se puede modelar cada tendón de preesfuerzo con sus respectivas excentricidades y calcular de una manera más exacta las perdidas del preesfuerzo a través del tiempo.



Una de las desventajas del CSIBridge es que esta no realiza el análisis y diseño estructural de los estribos, los apoyos ya sean fijos o de expansión y los conectores de cortante en las vigas de acero.

551

Ingeniería de puentes.

Recomendaciones.



Los diseñadores deben mantenerse en continua actualización respecto a los cambios que se realizan a las normativas técnicas utilizadas en el país. La ingeniería sísmica es un área en constante investigación, gracias a esto las normativas van mejorando y modificándose de una edición a otra.



Se recomienda que al diseñar con la norma AASHTO LRFD se apliquen parámetros que reflejen las características locales del país. Esta norma está basada en condiciones propias de Estados Unidos y sus parámetros reflejan condiciones propias del lugar.



En el proceso de diseño se recomienda poner especial atención en los requisitos de la norma AASHTO LRFD relacionados con el detallado ya que estos permiten alcanzar comportamientos sísmicos satisfactorios aun, cuando no se utilicen herramientas de análisis refinadas, tal como el análisis por push-over.



Aunque se pueda utilizar la norma AASHTO LRFD, es necesario desarrollar una norma propia del país, ya que en ella se contemplarían las características que tiene El Salvador.



Los programas de diseño estructural solamente son herramientas que facilitan los cálculos estructurales, es el diseñador estructural quien debe de interpretar de manera adecuada estos resultados y tomar las decisiones pertinentes para la realización del diseño y detallado estructural.

552

Ingeniería de puentes.

Anexos.

553

Ingeniería de puentes.

Bibliografia.

554

Ingeniería de puentes.

Bibliografia 1. Alcaldia Municipal de San Carlos. (2012). Plan Estrategico del Municipio de San Carlos. San Carlos, Morazan, El Salvador: Alcaldia Municipal de San Carlos. 2. American Association of State Highway and Transportation Officials. (2007). AASHTO LRFD Bridge Desing Specifications. Washington, DC., United States of America: American Association of State Highway and Transportation Officials. 3. American Concrete Institute Committee 315. (1999). Details and Detailing of Concrete Reinforcement. Michigan, United States of America: American Concrete Institute. 4. American Concrete Institute Committee 315R. (2004). Manual of Structural and Placing Drawings for Reinforced Concrete Structures. Michigan, United States of America: American Concrete Institute. 5. American Concrete Institute Committee 343R. (2004). Analysis and Desing of Reinforced Concrete Bridge Structures. Michigan, United States of America: American Concrete Institute. 6. American Institute of Steel Construction. (2005). Steel Construcction Manual. Chicago, United States of America: American Institute of Steel Construction. 7. Barker, R. M., & Puckett, J. A. (2007). Design of Higway Bridges An LRFD Approach. New Jersey, United States of America: John Wiley & Sons, Inc. 8. Brockenbrough, R. L., & Merrit, F. S. (1999). Structural Steel Designer´s Handbook. New York, United States of America: McGraw-Hill, INC. 9. CALTRANS. (2010). Seismic Desing Criteria. California, United States of America: CALTRANS. 10. Chen, W. F., & Duan, L. (2000). Bridge Engineering Handbook. Washington, D.C., United States of America: CRC Prees LLC. 11. Chen, W. F., & Duan, L. (2003). Bridge Engineering: Seismic Design. Washington. D.C, United States of America: CRC Prees LLC. 12. Chen, W. F., & Duan, L. (2003). Bridge Engineering: Substructure Design. Washington, D.C, United States of America: CRC Prees LLC.

555

Ingeniería de puentes.

13. Chow, V. T. (2003). Hidraulica de Canales Abiertos. Bogota, Colombia: McGraw-Hill. 14. Comite Euro - International Du Beton. (1991). CEB - FIP Model Code 1990. London, England: Thomas Telford Serviced Ltd. 15. Dheming Guatemala, S. S., & Herrera Matute, J. C. (2009). Consideraciones sobre el Diseño de Subestructuras de Puentes Carreteros en Zonas Sismicas (Documento digital ed.). Antiguo Cuscatlán, El Salvador: UCA. 16. Gallego Silva, M., & Sarria Molina, A. (2010). El Concreto y los Terremotos. Bogota, Colombia: ASOCRETO. 17. Gilbert, R. I., & Micklebougruop, N. C. (2004). Design of Prestressed Concrete. Sydney, Australia: Spon Prees Taylor & Fracis Group. 18. Hernandez Velez, A. (2012). Introduccion al Concepto del CSIBridge, Analisis y Diseño de Puentes. San Juan, Puerto Rico. 19. Index Mundi. (s.f.). Index Mundi. Recuperado el septiembre de 2012, de http://www.indexmundi.com/g/g.aspx?v=66&c=es&l=es 20. Institution of Civil Engineers. (2008). ICE Manual of Brigde Engineering. London, England: Thomas Telford Ltd. 21. Instituto Nacional Geografico de EL Salvador. (1950?). Cuadrante Geografico. Tercera Edicion, hoja 2556 I. San Salvador, El Salvador: Ministerio de Obras Publicas. 22. Mendez Castro, L. O. (2003). Vulnerabilidad Sismica y Diseño Estructural de Puentes Tipicos: Una Revision Sistematica Utilizando Registros de Los Sismos Ocurridos en 1986 y 2001 en El Salvador (Documento digital ed.). San Salvador, El Salvador: UES. 23. Mera, A. F. (2010). Concreto Preesforzado Diseño y Contrucción. Bogota, Colombia: ASOCRETO. 24. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador. (2012). Curvas de Intensidad de Precipitaciones pluviales. San Salvador. MARN. 25. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador. (2003). Mapa de Temperatura maxima Absoluta. San Salvador, El Salvador: MARN.

556

Ingeniería de puentes.

26. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador. (2003). Mapa de Temperatura Minima Absoluta. San Salvador, El Salvador: MARN. 27. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador. (2005). Mapa de Usos de Suelo. San Salvador, El Salvador: MARN. 28. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador. (1997). Mapa de Zonificacion Sismica de El Salvador. San Salvador: MARN. 29. Minnesota Department of Transportation. (2004). LRFD Bridge Desing Manual. Minnesota, United States of America: Minnesota Department of Transportation. 30. Nilson, A. H., & Winter, G. (1999). Estructuras de Concreto. Santa Fe, Bogota: McGraw-Hill. 31. Precast and Prestressed Concrete Institute. (1999). PCI Desing Handbook. Chicago, United States of America: Precast and Prestressed Concrete Institute. 32. Sociedad Americana de la Soldadura. (2002). Codigo de Soldaduras en Estructuras de Acero. Miami, Florida, Estados Unidos de America: AWS. 33. Tonias, D. E., & Zhao, J. J. (2007). Bridge Engineering: Desing, Rehabilitation and Maintenance of Modern Highway Bridges. New York, United States of America: McGraw-Hill. 34. Vallecilla, C. R. (2006). Manual de Puentes de Concreto Reforzado. Bogota, Colombia: Bauen. 35. Villalaz, C. C. (2005). Mecanica de Suelos y Cimentaciones. Mexico, DF., Mexico: Limusa Noriega. 36. Vinnakota, S. (2006). Estructuras de Acero Comportamiento y LRFD. Mexico, DF, Mexico: McGraw-Hill.

557

Ingeniería de puentes.

Glosario.

558

Ingeniería de puentes.

A.A.S.H.T.O: American Association of State Highway and Transportation Officials. A.A.S.H.O: American Association of State Highway Officials. Aceleración: La razón de cambio de la velocidad con respecto al tiempo. Acelerograma: Registro de las aceleraciones del suelo en función del tiempo. Apoyos: Dispositivos estructurales ubicados sobre la subestructura y sirven para transmitir las fuerzas de la superestructura hacia la subestructura y acomodar los desplazamientos relativos entre ellas. Cimentaciones: Parte de la subestructura que se encarga de transmitir las fuerzas al suelo. Claro: Espacio entre los elementos principales de la subestructura de los puentes. Colapso: Cambio de la geometría del puente que hace que éste ya no sea apto para su uso. Cortante: Fuerza aplicada en dirección paralela a la sección transversal de un elemento. Daño: Disminución o pérdida de las propiedades mecánicas de los elementos causada por acciones externas. Deformación inelástica: Cambio de longitud de manera permanente de un elemento estructural. Diseño: Dimensionamiento y detallado de los elementos y conexiones de un puente. Ductilidad:

Capacidad

de

sufrir

grandes

deformaciones

sin

disminuir

significativamente la resistencia. Empalme: Punto donde una barra el acero de refuerzo se une a otra mediante la prolongación de una de las barras.

559

Ingeniería de puentes.

Esfuerzo: Fuerza sobre área unitaria Espectro de respuesta: Representación de la máxima respuesta, en términos de aceleración, velocidad o desplazamiento, de un sistema elástico con un solo grado de libertada a un movimiento fuerte en función de la frecuencia natural o el periodo natural. Espirales: Barra o alambre torcido en forma de hélice cilíndrica. Estados límites: Condición más allá de la cual el puente o un elemento deja de satisfacer los requisitos para los cuales fue diseñado. Estribos: Elementos estructurales de la subestructura de los puentes ubicados en los extremos del mismo Filosofía de diseño elástico: Especificaciones y criterios de diseño basados en el comportamiento elástico de las estructuras y los elementos individuales. Fundaciones: Sinónimo de cimentaciones. Grados de libertad: Número de desplazamientos requeridos para definir la posición desplazada de toda la masa relativa a la posición inicial. L.R.F.D: Load Resisten Factor Design. L.F.D: Load Factor Design. Licuefacción: Fenómeno en el cual el suelo pierde temporalmente capacidad para soportar fuerzas debido al efecto que causan las ondas sísmicas, principalmente de corte, cuando atraviesan capas de suelos granulares saturados. Longitud de desarrollo: Longitud de las barras de acero requerida para desarrollar completamente la resistencia del refuerzo. Modos: Patrones o formas características en que vibrará un sistema mecánico. Período natural: Tiempo requerido para completar un ciclo de vibración libre.

560

Ingeniería de puentes.

Pilas: Elementos de soporte de la superestructura ubicados en el interior de la longitud del puente. Pilote: Tipo de cimentación profunda que transmite las cargas a estratos profundos del suelo. Puente: Cualquier estructura que tiene una abertura no menor de 6.1 m y que forma parte de una carretera o está ubicada sobre o debajo de una carretera. Refuerzo longitudinal: Acero de refuerzo colocado en dirección longitudinal del elemento cuya función es resistir los esfuerzos por flexión. Refuerzo transversal: Acero de refuerzo colocado en dirección perpendicular al eje longitudinal del elemento cuya función es resistir los esfuerzos por tensión diagonal. Refuerzo transversal en forma de estribos: Barras de acero dobladas que envuelven el acero de refuerzo longitudinal. Resistencia: Capacidad para soportar cargas Respuesta elástica: Aceleración, velocidad o desplazamiento de una estructura dentro del rango elástico. Riesgo sísmico: Probabilidad de ocurrencia, dentro de un plazo dado, de que un sismo cause, en un determinado lugar, cierto efecto definido como perdidas o daños. Rótula plástica: Estado en donde todo el acero de refuerzo, en una zona de un elemento, entre en fluencia. Sismos: Movimiento repentino de parte de la corteza terrestre causado por el movimiento a lo largo de una falla geológica o actividad volcánica. Tramo: Sinónimo de claro

561

Ingeniería de puentes.

Subestructura: Componentes estructurales del puente que soportan el tramo horizontal. Superestructura: Componentes estructurales del puente que constituyen el tramo horizontal.

562

Ingeniería de puentes.

Diseño de Bloque Sísmicos.

563

Ingeniería de puentes.

Análisis y Diseño de Bloques Sísmicos.

En algunas ocasiones, la respuesta sísmica de un puente ha llevado a la falla de la superestructura teniendo como causa la pérdida de soporte originada por desplazamientos sísmicos excesivos de toda la estructura del puente.

Una manera de evitar el colapso de la superestructura ante la respuesta transversal del puente debido a un sismo es con la incorporación de bloques de concreto reforzado ubicados sobre los soportes (pilas y estribos), separados por las vigas. Estos bloques restringen el movimiento transversal de la superestructura cuando un puente es sometido a un sismo. En la norma AASHTO LRFD 2007 no se encuentra contemplado el diseño de estos elementos.

Figura A.1 Pila tipo cabeza de martillo con bloques sísmicos.

Priestley y otros muestran requerimientos de diseño para los bloques sísmicos (figura A.2). Estos se encuentran sometidos a una fuerza en su plano, por lo que 564

Ingeniería de puentes.

es necesario diseñarlos para soportar un esfuerzo de corte que tratará de deslizar el bloque lateralmente. El valor que debe soportar el bloque se expresa en la ecuación.

Donde el coeficiente de fricción puede tomarse como μ = 1.4 para grietas por cortante que ocurren naturalmente, As es el área total de refuerzo que cruza la interface crítica, Φ es un factor de reducción de resistencia a cortante que se tomará como 0.85.

Debe observarse que, la resistencia real puede ser menor que la esperada si la fuerza lateral P se transmite muy por encima del bloque sísmico, causando que este se comporte como una viga en voladizo, con un modo de falla a flexión. La máxima carga lateral que puede ser transmitida por flexión debe ser:

De las ecuaciones anteriores, la máxima altura “y” a la cual la carga puede ser aplicada es:

565

Ingeniería de puentes.

Figura A.2 Esquema de análisis del bloque sísmico.

Para asegurar esto, la longitud del bloque sísmico debe ser tres veces esta altura o se debe incorporar detalles especiales a cada lado del elemento para asegurar que el punto de aplicación de la fuerza esté a una altura deseada.

El Departamento de Transporte de California (Caltrans) en la Sección 7.8.4 indica algunos requerimientos respecto a los Bloques sísmicos. La capacidad del bloque sísmico en los Estribos estará limitada por el menor de:

Donde Σ

pila

= suma de la capacidad lateral de la pila y P dl es la reacción vertical

de la carga muerta sobre el estribo. Los puentes anchos pueden requerir bloques sísmicos internos para asegurar una adecuada resistencia lateral para cargas de servicio y de sismo.

566

Ingeniería de puentes.

Planos estructurales: Puente con largueros de acero.

567

Ingeniería de puentes.

568

Ingeniería de puentes.

569

Ingeniería de puentes.

570

Ingeniería de puentes.

571

Ingeniería de puentes.

572

Ingeniería de puentes.

Planos estructurales: Puente con largueros de concreto.

573

Ingeniería de puentes.

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Ingeniería de puentes.

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Ingeniería de puentes.

576

Ingeniería de puentes.

577

Ingeniería de puentes.

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