Guía para el diseño de puentes con vigas y losas.pdf

8/13/2019 Gua para el diseo de puentes con vigas y losas.pdf

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Febrero 2004

GUA PARA EL DISEO DE PUENTESCON VIGAS Y LOSAS

Ernesto Seminario Manrique

Piura, 25 de Febrero de 2004

FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Civil


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GUA PARA EL DISEO DE PUENTES CON VIGAS Y LOSAS

Esta obra est bajo una licenciaCreative Commons Atribucin-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Per

Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura
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U N I V E R S I D A D D E P I U R AFACULTAD DE INGENIERA

GUA PARA EL DISEO DE PUENTES CON VIGAS Y LOSA

Tesis para optar el Ttulo deIngeniero Civil.

ERNESTO SEMINARIO MANRIQUE

Piura, Enero 2004


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A mis padres y hermanos, quienes siempre merespaldaron con su paciencia y comprensin.


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Prlogo

En la actualidad es muy comn el uso de varios tipos de puentes para salvar distintosobstculos. De estos puentes, los ms comunes en nuestro medio son los puentes con vigasy losa. Sin embargo, aunque existen muchos libros extranjeros que tratan el tema, no existeuna bibliografa cercana que nos oriente en el diseo de estas estructuras o que abarquen eldiseo de una manera global.

Ante esta necesidad se plante proporcionar una tesis que recoja las normas nacionales e

internacionales conjuntamente con los criterios y recomendaciones ms reconocidos yusados en nuestro medio. Es as como, el trabajo que se presenta a continuacin se elaborcon la finalidad de brindar un aporte directo al conocimiento y difusin del diseo de

puentes, adems de dar una visin general del diseo de puentes.

La importancia de este estudio radica en recoger las normas, criterios bsicos y unametodologa a seguir para el diseo de puentes con vigas y losa, basado en las normasStandard Specifications for Highway Bridges de AASHTO y la norma peruana Manual deDiseo de Puentes del MTC DGCF.

No debo concluir sin antes agradecer sinceramente a mi asesor, el ingeniero Manuel

Antonio Ramrez, quien me proporcion valiosos consejos, la bibliografa principal y laasistencia durante la ejecucin de este trabajo.


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Resumen

La presente tesis tiene como objetivo proveer los lineamientos generales del diseo de puentes con vigas y losa de acuerdo a la normatividad vigente. Es decir el Manual deDiseo de Puentes del MTC DGCF que esta basado en Standard Specifications for

Highway Bridges de AASHTO.

Para lograr este propsito, se dividi el trabajo en nueve captulos. En el primer captulo seesbozan las nociones preliminares. El segundo captulo recopila las cargas de diseo. En eltercer y cuarto captulo se recogen las principales normas y criterios del diseo de losas yvigas. Luego, en el quinto captulo se presentan algunas consideraciones del procesoconstructivo en el diseo.

Adems, en el captulo 6 se realiza un estudio de las subestructuras y en el captulo 7 seestudia los sistemas de apoyos y juntas. Ms adelante, en el captulo 8 se dan algunasrecomendaciones sobre las obras complementarias. Y finalmente, en el captulo 9 se sigueel diseo de un puente desde su localizacin, alineacin, y eleccin del tipo de estructura

hasta el diseo estructural de la losa y de las vigas longitudinales.


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NDICE GENERAL

PrlogoResumen

ndice GeneralIntroduccin 06

Captulo 1: Nociones Preliminares

1.1 Estudios previos del proyecto 071.1.1 Localizacin 071.1.2 Luz y tipo de Estructura 101.1.3 Forma geomtrica y dimensiones 131.1.4 Obras de arte y complementarias 141.2 Tipos de puentes 151.2.1 Segn su utilidad 151.2.2 Segn el material 151.2.3 Segn la localizacin de la calzada 161.2.4 Segn el tipo sistema estructural 161.2.4.1 Puentes tipo viga 161.2.4.2 Puentes de estructura aporticada 171.2.4.3 Puentes tipo arco 191.2.4.4 Puentes reticulados 201.2.4.5 Puentes colgantes 201.2.4.6 Puentes atirantados 201.3 Puentes tipo viga 211.3.1 Losa 211.3.2 Vigas 221.3.3 Subestructuras 231.3.4 Apoyos y juntas 231.3.5 Obras complementarias 23

Captulo 2: Cargas y Combinaciones de cargas

2.1 Introduccin 242.2 Cargas 24

2.2.1 Cargas permanentes 242.2.2 Cargas transitorias 252.2.2.1 Cargas de vehculos 252.2.2.2 Cargas de Peatones 322.2.2.3 Fuerzas Debidas a Fluidos 322.2.2.4 Cargas Ssmicas 352.2.2.5 Fuerzas de Hielo 402.2.2.6 Fuerzas debido a deformaciones 442.2.2.7 Cargas de colisin 462.3 Estados Lmites y combinacin de cargas 472.3.1 Estados Lmites 47

2.3.1.1 Estado Lmite de Servicio 472.3.1.2 Estado Lmite de Fatiga y Fractura 47


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2.3.1.3 Estado Lmite de Resistencia 472.3.1.4 Estado Lmite de Evento Extremo 482.3.1.5 Ductilidad 482.3.1.6 Redundancia 492.3.1.7 Importancia operativa 49

2.3.2 Combinacin de cargas 49

Captulo 3: Diseo de losas

3.1 Predimensionamiento 533.1.1 Longitud del volado de losa 533.1.2 Espesor de la losa 533.1.3 Peralte mnimo 543.2 Mtodo de franjas equivalentes para el diseo de losas 543.2.1 Ancho equivalente de franjas 553.2.2 Ancho efectivo de franjas en bordes longitudinales 563.2.3 Ancho efectivo de franjas en bordes Transversales 563.2.4 Distribucin de carga de rueda en las losa 563.2.5 Aplicacin de sobrecarga 563.2.6 Posicin de la carga viva 563.2.7 Distancia de la carga de la rueda al borde de la losa 573.2.8 Momento de diseo 573.2.9 Armadura de reparticin 573.3 Control de diseo 573.3.1 Refuerzo mnimo 583.3.2 Refuerzo por retraccin de fraguado y temperatura 583.3.3 Clculo de deflexin y contraflecha 583.3.4 Estado lmite de fatiga 583.3.5 Bordes no soportados 58

Captulo 4: Diseo de vigas

4.1 Predimensionamiento 594.1.1 Peralte de las vigas principales 594.1.2 Luces continuas 594.1.3 Espaciamiento entre vigas 594.1.4 Dimensiones mnimas para vigas prefabricadas 60

4.1.5 Dimensiones mnimas para vigas T y cajn multicelularvaciadas in situ 614.1.6 Dimensiones de las vigas diafragma 614.2 Mtodo del factor de distribucin para el diseo vigas 614.2.1 Aplicacin 614.2.2 Factor de distribucin para los momentos de vigas interiores 624.2.3 Factor de distribucin para los momentos de vigas exteriores 644.2.4 Factor de correccin para estructuras continuas 644.2.5 Momento flexionantes y cortantes en vigas de piso transversales 644.1.6 Mtodo del factor de distribucin por corte para vigas interiores 654.1.7 Mtodo del factor de distribucin por corte para vigas exteriores 67

4.3 Estados lmites 674.3.1 Estados lmites de servicio 67


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4.3.1.1.1 Perdidas en elementos preesforzados 674.3.1.2 Lmites de esfuerzos para tendones de preesfuerzo 684.3.1.3 Lmites de esfuerzos de compresin para concreto antes

de prdidas 684.3.1.4 Lmites de esfuerzos de tensin para concreto antes de

prdidas 684.3.1.5 Lmites de esfuerzos de compresin para concreto despus

de prdidas 684.3.1.6 Lmites de esfuerzos de tensin para concreto despus

de prdidas 694.3.2 Estados lmites de resistencia 694.3.2.1 Flexin 694.3.2.2 Corte 694.3.3 Estados lmites de fatiga 724.4 Requisitos de diseo 724.4.1 Refuerzo mnimo por flexin 724.4.2 Refuerzo longitudinal de membrana 724.4.3 Refuerzo por retraccin de fraguado y temperatura 734.4.4 Refuerzo de la losa de tableros en vigas T y vigas cajn

vaciadas in situ 734.4.5 Clculo de deflexin y contraflecha 73

Captulo 5: Consideraciones del diseo segn el proceso constructivo

5.1 Introduccin 745.2 Construccin in situ 755.3 Vigas prefabricadas 755.4 Estructuras izadas 775.5 Voladizos sucesivos 785.5.1 Esquema de construccin por voladizo a partir de pilas 785.5.2 Esquema de construccin por voladizo a partir de estribos 795.5.3 Esquemas de cableado de tableros 795.5.3.1 Trazo de cables en voladizo 805.5.3.2 Trazo de cables solidarizacin 815.6 Estructuras empujadas 815.7 Estructuras con vigas de lanzamiento 82

Captulo 6: Subestructuras6.1 Introduccin 846.2 Erosin 846.3 Diseo de estribos 866.3.1 Cargas y fuerzas de presin de tierra en estribos 886.3.2 Altura equivalente del suelo para sobrecarga de carga viva 906.3.3 Requerimientos de diseo para estribos 906.3.4 Criterios de estabilidad 916.3.4.1 Ubicacin de la resultante 916.3.4.2 Capacidad portante 92

6.3.4.3 Resistencia al desplazamiento 926.3.4.4 Asentamientos tolerables 93


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6.3.5 Predimensionamiento 936.3.6 Rediseo 946.4 Diseo de pilares 966.4.1 Criterios de diseo 996.4.2 Predimensionamiento 99

6.5 Requisitos de pilares tipo columnas y tipo muro 996.5.1 Requisitos de columnas 996.5.2 Refuerzo longitudinal 1006.5.3 Resistencia a la flexin 1006.5.4 Refuerzo transversal y de corte en columnas 1006.5.5 Requerimientos para pilares tipo muro 1006.5.6 Espaciamiento del refuerzo transversal de confinamiento. 1016.6 Requerimientos para cimentaciones 1016.6.1 Cimentaciones superficiales 1016.6.2 Cimentaciones profundas 1026.6.2.1 Pilotes hincados 1026.6.2.1 Pilotes llenados in situ 103

Captulo 7: Sistemas de apoyos y juntas

7.1 Sistemas de apoyos 1047.1.1 Tipos de apoyos 1047.1.1.1 Apoyos de elastmero 1057.1.1.2 Apoyos de acero 1067.1.1.3 Apoyos de elastmeros confinados 1087.1.1.4 Apoyos de disco 1107.1.2 Diseo y anlisis de apoyos de elastmero. 1117.2 Sistemas de juntas 1147.2.1 Funcin de las juntas 1147.2.2 Recomendaciones para juntas 114

Captulo 8: Obras complementarias

8.1 Barandas 1178.2 Separadores 1198.3 Bermas 1198.4 Losas de transicin 119

8.5 Cortinas y alas 1198.6 Iluminacin 1218.7 Sealizacin 1218.8 Drenaje 1218.9 Elementos de captacin 1218.10 Pavimentacin 122

Captulo 9: Diseo de la superestructura del puente San Juanito

9.1 Introduccin 1239.2 Datos preliminares 123

9.3 Ubicacin y definicin del puente San Juanito 1269.4 Estructuracin del puente San Juanito 127


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9.5 Predimensionamiento 1289.5.1 Espaciamiento de vigas 1289.5.2 Espesor de losa 1289.5.3 Seleccin de la viga postensada 1289.5.4 Viga diafragma 129

9.6 Diseo de la losa 1309.6.1 Anlisis de la carga vehicular 1309.6.1.1 Nmero de lneas de diseo 1309.6.1.2 Ancho de los momentos para carga vehicular 1309.6.1.3 Cargas vehiculares 1319.6.2 Metrado de carga muerta 1319.6.3 Estado lmite de resistencia I 1319.6.4 Refuerzo de flexin 1369.7 Diseo de las vigas postensadas 1379.7.1 Anlisis de la carga vehicular 1399.7.1.1 Clculo de los factores de distribucin de momento por carga viva 1399.7.1.2 Clculo de los factores de distribucin de corte por carga viva 1419.7.2 Metrado carga muerta 1429.7.3 Combinaciones de los estados lmites de diseo 1429.7.4 Diseo a flexin de la viga interior 1479.7.4.1 Estados lmites de servicio 1509.7.4.2 Estado lmite de fatiga 1539.7.4.3 Resistencia ltima 1539.7.5 Diseo a flexin de la viga exterior 1559.7.5.1 Estados lmites de servicio 1559.7.5.2 Estado lmite de fatiga 1589.7.5.3 Resistencia ltima 1589.7.6 Diseo por cortante de las vigas 1599.7.7 Diseo por cortante en la interfase 1609.7.8 Diseo de anclaje 1619.7.8.1 Resistencia del reforzamiento transversal 1639.7.8.2 Refuerzo de confinamiento 1639.8 Diseo de la viga diafragma 163

Conclusiones 166

Referencias Bibliogrficas 168


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Introduccin

Existen numerosas normas de diseo que han sido usadas durante muchos aos como sonlas Normas DIN (Alemania), la Norma Francesa, la Norma Britnica, el Eurocode (UninEuropea), las Normas AASHTO (USA), etc. Sin embargo, en nuestro pas no se contabacon un reglamento oficial, es por ello que estas normas fueron de alguna manera adoptadas

por los profesionales dedicados al diseo y construccin de puentes.

Fue recin en Noviembre del ao 2002 que la MTC DGCF, Direccin General deCaminos y Ferrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, public un

primer intento de norma peruana de puentes con el ttulo Propuesta de Reglamento dePuentes. Propuesta que despus de su debate y discusin pblica se convertira en lanorma nacional Manual de Diseo de Puentes desde julio del ao 2003.

A la vez, nuestra norma autoriza para el diseo de puentes, las normas dadas porAASHTO, como complemento a lo dispuesto por el Manual de Diseo de Puentes. Deconformidad a lo anterior, en este trabajo se ha seguido los requisitos, pautas y

recomendaciones de la norma nacional Manual de Diseo de Puentes y de AASHTO.

De otro lado, la finalidad de esta tesis es proveer los lineamientos generales del diseo de puentes con vigas y losa. Para lograr este objetivo, se presenta la metodologa usada en eldiseo, mostrando las principales etapas del diseo de manera de obtener una visin globaldel diseo de puentes. Estas etapas comprenden la concepcin del proyecto segn el tipode puente, el metrado de cargas, el diseo de losas, vigas, consideraciones constructivas,subestructuras, juntas, apoyos y obras de arte.

No obstante, existen diversos tipos de vigas, losas, estribos, sistemas de apoyo, sistemas de juntas, cada uno con sus condiciones especficas, por lo que aqu slo se han tratado las

consideraciones ms comunes e importantes que se presentan en el diseo de estasestructuras.


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A la vez, este trabajo supone que el lector posee los conocimientos necesarios de anlisisestructural y diseo en concreto armado y preesforzado para poder iniciarse en el estudiodel diseo de puentes con vigas y losa.

Tambin, es importante advertir que los requerimientos proporcionados en este trabajo

estn ms orientados al diseo de puentes de losa y vigas de concreto, en especial elcaptulo de vigas por ser el tipo ms comn en nuestro medio. Sin embargo, losrequerimientos del diseo de superestructuras de acero, se pueden recoger del Manual deDiseo de Puentes o de las especificaciones de AASHTO para puentes y continuar usandola metodologa empleada en este trabajo.

Finalmente, para ilustrar los conceptos presentados en los primeros captulos, se incluye elcaptulo 9 Diseo de la superestructura del puente San Juanito. En esta parte, se estudiael diseo de un puente desde su etapa inicial de concepcin, ubicacin y alineacin hasta eldiseo final de la superestructura (losa y vigas).


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CAPTULO 1: NOCIONES PRELIMINARES

1.1 Estudios previos del proyecto

Los puentes generalmente son obras complejas, que requieren para su proyecto definitivoestudiar los siguientes aspectos:

Localizacin de la estructura o ubicacin. Luz y tipo de puente que resulte ms adecuado para el sitio escogido , teniendo en

cuenta su esttica , economa y seguridad. Forma geomtrica y dimensiones, analizando sus accesos, superestructura,

subestructura, cauce de la corriente y cimentaciones. Obras de arte y complementarias.

A continuacin, se mencionan algunos criterios importantes que deben seguirse paradecidir la ubicacin del puente, luz libre y dimensiones de la estructura.

1.1.1 LocalizacinPara la buena localizacin de un puente deben estudiarse varias alternativas, segn loscriterios de estudio de trfico, alineamiento de la va, alineamiento de la rasante, tipo deterreno, facilidades de construccin, conservacin, la esttica de la obra.

Generalmente, la ubicacin de un puente en vas urbanas es forzada y obedece alcomportamiento del trnsito. En cambio, la localizacin en zonas rurales est determinada

por el tipo de terreno y en el caso de estar sobre un ro se debe tener en cuenta tambin elcomportamiento del cauce.


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Los colapsos ms comunes de puentes son causados por avenidas. Por eso, en esta seccinse prestar atencin a algunos criterios hidrulicos recomendados por Martn Vide (1997)

para la ubicacin el puente:

Una caracterstica fundamental del lugar para la colocacin del puente es suestabilidad fluvial. Es decir, la garanta de que el ro no modifique su seccin conefectos negativos para el puente. El fracaso ms elemental de un puente esdescubrir que se alza sobre seco, mientras el cauce del ro se encuentra en otrolugar.

La ubicacin de un puente en lugar inestable puede obligar a realizar obras deencauzamiento importantes para estabilizarlo. En ocasiones, estas obras sonimprescindibles pues la falta de estabilidad es extensa y general. En vas que cruzanun delta o una llanura o abanico aluvial es preferible situar el puente aguas arriba,en el origen del abanico, donde el ro an no tiene libertad de movimiento.

Los lugares de cauce estrecho dan obviamente la ubicacin del puente mseconmica. De otro lado, los cauces mltiples, adems de tener mayor longitud ,suelen presentar menor estabilidad. Asimismo, los lugares de cauce relativamenterectilneo son preferibles a las curvas, debido a la tendencia a la erosin lateral y laerosin del fondo en el estado exterior de la curva, excepto en orillas muyresistentes. Tambin es mejor un lugar con un cauce principal de gran capacidadque uno fcilmente desbordable.

El conocimiento del ro hidrolgico e hidrulico y sobretodo morfolgico es muytil en el estudio de la estabilidad necesaria de un puente. Pero no es suficiente,

tambin hay que conocer si en el futuro se proyectan obras o actuaciones que puedan modificar la estabilidad; como puede ser la construccin de una presa aguasarriba o la extraccin de material de fondo pueden cambiar drsticamente elcomportamiento del cauce.

Tras la ubicacin del puente, la siguiente cuestin geomtrica con implicacin hidrulicaes la alineacin de la va con respecto al ro. En primer lugar no hay razn para exigir queel cruce sea perpendicular al ro en lugar de oblicuo, siempre que esta ltima alineacinest fundamentada por buenas razones de trazado de la va (ver fig. 1.1).

Fig. 1.1 Alineacin de la va con respecto al ro.

Una vez aceptadas las alineaciones oblicuas, hay que advertir de algunos problemas que

estn asociados:


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Las pilas, cimentaciones, estribos y todo elemento mojado del puente debe estarcorrectamente alineado con la corriente, de ningn modo segn la alineacin propiadel puente, por ms que esto signifique una complicacin estructural o constructiva(ver fig. 1.2).

Fig. 1.2 Alineacin de pilas y estribos segn la corriente.

Una alineacin muy oblicua, casi paralela al ro puede ocasionar tal concentracinde obstculos en el cauce que pueden llegar a obstruirlo. Este problema es msfrecuente cuanto ms importante es la va y cuanto menos importante es el cauce(un arroyo), pues la va impone su trazado desconsiderando el carcter especficodel cauce (ver fig. 1.3).

Fig. 1.3 Va de importancia alineada casi en paralelo con el curso de agua.

1.1.2 Luz y tipo de Estructura

Una vez escogida la ubicacin de estructura, es necesario conocer con mayor exactitud lascaractersticas del terreno y el comportamiento del ro. Para esto, deben efectuarse lossiguientes estudios de la zona escogida:

Estudio Topogrfico: Debe hacerse un estudio del lugar escogido donde debenincluirse las vas de acceso, determinando curvas de nivel y perfiles de la vatomados por el eje y por los extremos de la calzada, alineamiento del cauce aguasarriba y aguas abajo con los niveles de agua observados.

Estudio de la hoya hidrogrfica: Se debe realizar aguas arriba del proyecto conindicacin de pendientes, tipo de suelos, tipo de cultivos, datos pluviomtricos,

registros de aforos en el sitio del ponteadero, velocidad de corriente, caractersticasdel ro y descripcin de los materiales de construccin que se encuentren.


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Recopilacin de informacin: Se debe recopilar los informes tcnicos sobre los

comportamientos de los puentes existentes sobre el mismo cauce en cercanas al ponteadero escogido, mapas, fotografas areas, datos pluviomtricos e hidrulicos,lecturas de niveles de ro en cuestin de la zona del estudio.

Estudio de suelo y geotcnicos: El objetivo primordial de estos estudios esdeterminar la erosin y los parmetros de suelo, con el fin de establecer el tipocimentacin y garantizar la estabilidad de la obra. Como resultado de los estudiosgeotcnicos, se deben dar los parmetros necesarios que intervienen en el anlisisdinmico y diseo sismo-resistente de la estructura segn el comportamiento desuelos.

Hay procesos y componentes de la erosin que ocurren independientemente de laexistencia del puente (erosin general transitoria y a largo plazo, erosin en curvas,etc), pero tambin existen otros componentes debidos slo a la presencia de

puentes. Los componentes de la erosin especficos en el caso de un puente sondos: la erosin localizada provocada por el estrechamiento ocasionado por el

puente (ocurre en la seccin del puente y sus inmediaciones), y la erosin local(ocurre en pilas, estribos y otro elementos mojados o rodeados por la corriente).

Con los estudios realizados podremos conocer la seccin hidrulica, la velocidad de lacorriente, el gasto mnimo y el gasto mximo en el sitio del ponteadero durante la vida tilde la estructura, caractersticas del suelo, si es erosionable o no. Con la ayuda de estosresultados se deber elegir la luz de la estructura.

En general, un puente puede considerarse formado por dos unidades de obra diferentes: laestructura y la obra de tierras de aproximacin (terrapln). La estructura es la unidad cara yla unidad de tierras de aproximacin es la unidad barata. Sin embargo, la segunda unidadresta anchura a la seccin del ro, de ah que una buena combinacin de las dos unidadesnos dar la solucin econmica y segura.

Si disminuimos moderadamente el ancho del ro no necesariamente se resta capacidadhidrulica (ver fig. 1.4). El efecto global es una sobre elevacin del nivel antes del puente(remanso producido por el puente) . El caudal de agua pasa por igual debajo del puente,

pero con una velocidad media mayor a travs del vano. De todos modos si la perdida deanchura superara el estrechamiento crtico el nivel de la seccin crecera conforme al

calado crtico.

Fig. 1.4 Caractersticas hidrulicas del flujo bajo un puente (rgimen lento).


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Adems del efecto de sobre elevacin, el aumento de velocidad (por la reduccin deanchura) produce erosin del lecho en el rea del puente. Estos dos efectos, desobreelevacin y erosin, son los inconvenientes de restar anchura al vano.

Teniendo en cuenta esos efectos, el ptimo econmico se encuentra siguiendo este

razonamiento: cuanto mayor es la longitud de terrapln y menor la longitud de laestructura, la obra del puente ser ms barata, pero ms caros los efectos: costo delremanso creado por el puente y costo de las obras para cimentarlo a mayor profundidad ydefenderlo. En otro extremo, cuanto ms larga es la estructura y ms corto es el terrapln,la obra del puente es ms cara pero sus efectos son menos costosos. Tambin influye en ladecisin la existencia de otros puentes prximos. Finalmente, es importante el factor

psicolgico: qu apariencia tendra el puente o cmo lo percibira la poblacin.

La problemtica de reduccin del ancho se presenta con un nuevo aspecto en el caso particular de ros con cauce principal y llanuras de inundacin bien diferenciadas. El puente sera extremadamente antieconmico si hubiera de salvar todo o parte de la anchurade la llanura mediante una estructura. La ocupacin de parte de la llanura con el terraplnes as inevitable. Ahora bien, podramos distinguir el caso en que el cauce principalrepresentara casi toda la capacidad de desage del ro (porque la avenida de proyectodesbordase muy poco) del segundo caso en que las llanuras de inundacin contribuyeransensiblemente a la capacidad.

En el primer caso la llanura sirve ms bien como un almacenamiento temporal de agua y ladiscusin sobre la anchura puede aplicarse a la luz sobre el cause principal. Tan slo parafacilitar el vaciado y el llenado de la llanura conviene dejar pontones en el terrapln.

En el segundo caso, una solucin tcnica y econmica consiste en un vano secundario enla llanura (ver fig. 1.5), llamado tambin vano de alivio, con una segunda estructura(aunque tambin puede ser sustituido por un rea de vano equivalente en forma demltiples secciones prefabricadas menores). El objetivo del vano de alivio es colaborar aldesage, en particular a dar paso al caudal circulante en avenida por la llanura. Con ellocontribuye a reducir la sobreelevacin aguas arriba y la erosin del cause principal.Tambin suele tener un efecto psicolgico de alivio frente al aspecto de obstruccin de unterrapln extendido en toda la llanura.

Fig. 1.5 Vano principal y vano de alivio

Una vez determinada la luz total de la obra se debe elegir el tipo de sistema estructural quese emplear. La tabla 1.1 muestra los rangos de luces para los diferentes tipos de puentes.Para elegir el tipo de puente, tambin se debe considerar la esttica de la obra que debeguardar armona con los alrededores, el buen servicio y durabilidad de la obra, la facilidadde construccin y la economa del proyecto.


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perpendicularmente bajo el puente se reduce la capacidad hidrulica del puente y las pilasy estribos sufrirn la incidencia oblicua del agua

Para contrarrestar estos efectos se requieren obras que estabilicen el ro orientndolo haciael vano del puente. Se puede utilizar espigones para el caso de ros trenzados y defensa de

mrgenes en el caso de ros meandriformes. Adems, como obras especiales puedendestacarse los diques de gua, cuyo objetivo es dirigir el flujo del ro hacia el vano endireccin perpendicular al vano.

1.2 Tipos de puentes

A continuacin, describiremos los principales criterios de clasificacin de puentes.

1.2.1 Segn su utilidad

La utilidad de los puentes puede ser muy distinta. Los ms modernos son los viaductos para transporte rpido masivo de pasajeros (TRM). Entre los distintos puentes tenemos:

Puentes peatonales. Puentes para carreteras. Puentes para vas frreas. Puentes para el paso de tubera. Viaductos para transporte rpido masivo de pasajeros (TRM).

1.2.2 Segn el material

En cuanto a los fines de clasificacin se refiere, la identificacin se hace en base al

material utilizado en la estructura principal. Por ejemplo, cuando se habla de un puente deacero, se entiende que la estructura principal es de acero pero la losa puede ser de concreto.Los tipos ms usados son:

Puentes de madera. Puentes de concreto reforzado o preesforzado. Puentes metlicos. Puentes compuestos (metal con concreto).

Fig. 1.6 Puentes de va inferior.

Puente de va inferior (arco superior).

Puente va inferior (armadura superior).


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1.2.3 Segn la localizacin de la calzada

Esta clasificacin est basada en la ubicacin de la va o calzada con respecto a laestructura (armadura o arco).

Puentes de calzada o va inferior (ver fig. 1.6).

Puentes de calzada o va superior (ver fig. 1.7).

Fig. 1.7 Puentes de va superior

1.2.4 Segn el tipo sistema estructuralLongitudinalmente se puede optar por diversos sistemas estructurales. A continuacin,

presentamos los principales esquemas estructurales:

1.2.4.1 Puentes tipo viga

Los puentes tipo viga son los ms comunes. Estructuralmente, tambin son los mssencillos, se pueden dividir en:

Puentes de tramos simplemente apoyados (una o varias luces simplementeapoyadas).Pueden ser los de losa maciza o de losas y vigas (ver fig. 1.8). Sudesventaja se encuentra en el mayor nmero de juntas y dispositivos de apoyo.

Fig. 1.8 Puente de vigas simplemente apoyadas.

Puente de va superior (arco inferior)

Puente de va superior (armadura inferior)


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Puentes isostticos con voladizos (Gerber). Existen vigas Gerber con apoyo internoy vigas Gerber con apoyo externo (fig. 1.9). En general, tiene las mismas ventajas ydesventajas de las vigas simplemente apoyadas. En la actualidad, este tipo de

puentes se ha dejado de utilizar.

Fig. 1.9 Puentes de vigas Gerber.

Puentes de vigas continuas (ver fig. 1.10). Este tipo de puentes constituyenestructuralmente la solucin ms eficiente. Un tipo especial de estos puentes sonlos formados por vigas parcialmente continuas (fig. 1.11), est formado por vigas

prefabricadas, que se colocan entre los apoyos y posteriormente integrarse con unalosa vaceada en sitio.

Fig. 1.10 Puente de vigas continuas.

Fig. 1.11 Puente de vigas parcialmente continuas.

1.2.4.2 Puentes de estructura aporticada

La principal caracterstica de estos puente es la unin rgida entre la superestructura y los pilares y/o estribos. Existen diversos esquemas de prticos (ver fig. 1.12), entre los

principales tipos tenemos:

Vigas Gerber con apoyo interno

Vigas Gerber con apoyo externo

Losa vaceada en situ

Viga prefabricada

Diafragma vaciado en situ


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Fig. 1.12 Puentes de estructura aporticada.

Prtico con vigas conectoras

Prtico con vigas en voladizo "ligadas"

Prtico continuo

Prticos en "T"

Prtico con arco triarticulado tipo Maillart

Prtico de patas inclinadas con tirantes

Prtico con patas inclinadas (acaballado simple)


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Prtico con vigas conectoras. Prtico continuo. Prtico con vigas ligadas en voladizo. Prticos en T. Puente acaballado simple. Puente acaballado con tirantes. Arco tri articulado tipo Maillart.

Fig. 1.13 Puentes de arco.

1.2.4.3 Puentes tipo arco

En este caso la estructura principal es el arco. La caracterstica principal del arco es quegracias a su forma transmite gran parte de las cargas en compresin. Debe tenerse encuenta que los arcos ms isostticos son los ms simples de analizar pero sus dimensionesresultan mayores. Adems, debe considerarse que las articulaciones son por lo generalcostosas. En cambio los arcos empotrados suelen alcanzar luces mayores con elinconveniente de hacerse ms crticos los efectos de contraccin de fragua, variacintrmica y deformaciones. Los principales tipos de arco son (ver fig. 1.13):

Arco biarticulado con desplazamiento libre

Arco tri articulado

Arco biarticulado

Arco empotrado


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Fig. 1.21 Tipos de vigas.

1.3.3 Subestructura

Las subestructuras estn conformadas por los estribos y los pilares quienes tienen lafuncin de soportar a la superestructura (vigas y losa). A su vez, los estribos y pilarestransmiten sus cargas a la cimentacin y sta las transmite al terreno.

Los estribos y pilares pueden ser de distintos tipos como veremos ms adelante en elcaptulo 6. Asimismo, la cimentacin puede ser superficial o profunda (pilotes).

1.3.4 Apoyos y juntas

Los sistemas de apoyos tienen la funcin de transmitir las cargas de la superestructura a lasubestructura (ver fig. 1.21). Asimismo, los sistemas de apoyos restringen o admitenmovimientos traslacionales o rotacionales de la superestructura.

Los sistemas de juntas tienen la funcin de resistir las cargas externas y proveer seguridad

al transito sobre la brecha entre el puente y el estribo o entre dos puentes. Tambin las juntas deben proveer una transicin suave entre el puentes y las reas adyacentes.

Fig. 1.21 Sistemas de apoyos.

1.3.5 Obras complementarias

El buen funcionamiento del puente requiere de obras complementarias que aseguren ladurabilidad de las estructuras y que brinden seguridad y comodidad al trnsito.

Entre las obras complementarias podemos encontrar las barandas, separadores, bermas,losas de transicin, cortinas y alas, obras de iluminacin, obras de sealizacin, drenaje,obras de captacin, pavimentacin, etc. En el captulo 8, se estudiarn algunasrecomendaciones para el diseo de estos elementos.

Rectangular I Tee Cajn

Carga Carga Carga

Carga


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CAPTULO 2: CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGAS

2.1 Introduccin

Las cargas que presentamos a continuacin estn basadas en las especificaciones deAASHTO. En general, estas cargas pueden ser divididas en dos grandes grupos: cargas permanentes y cargas transitorias (cargas de vehculos, peatonales, de fluidos, de sismo, dehielo y de colisiones). Adicionalmente, dependiendo del tipo de estructura pueden presentarse otras fuerzas como las debidas al creep, al shrinkage, o al movimiento de losapoyos de la estructura.

Igualmente, en este captulo se presentan los estados lmites de diseo de resistencia,servicio, evento extremo y fatiga con sus correspondientes combinaciones de carga. Lasabreviaciones utilizadas en este captulo son las empleadas por AASHTO.

2.2 Cargas

2.2.1 Cargas permanentesLas cargas permanentes incluyen:

Carga muerta de elementos estructurales y elementos no estructurales unidos (DC). Carga muerta de superficie de revestimiento y accesorios (DW).

Los elementos estructurales son los que son parte del sistema de resistencia. Los elementosno estructurales unidos se refieren a parapetos, barreras, seales, etc. En caso de no contarcon las especificaciones tcnicas o manuales que den informacin precisa del peso, se pueden usar los pesos unitarios de AASHTO presentados en la tabla 2.1. La carga muertade la superficie de revestimiento (DW) puede ser estimada tomando el peso unitario paraun espesor de superficie.


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Tabla 2.1 Pesos unitarios.

Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

2.2.2 Cargas transitorias

Las cargas que estudiaremos a continuacin comprende las cargas del trfico vehicular, deltrfico peatonal, de fluidos, de sismo, de hielo, de deformaciones y las causadas porcolisiones.

2.2.2.1 Cargas de vehculos

Los efectos del trfico vehicular comparados con los efectos del trfico de camiones sondespreciables. Debido a esto el diseo de cargas de AASHTO ha desarrollado modelos detrficos de camiones que son muy variables, dinmicos, y pueden ser combinados con otrascargas de camiones.

Esos efectos incluyen fuerzas de impacto (efectos dinmicos), fuerzas de frenos, fuerzascentrfugas, y efectos de otros camiones simultneos.

a. Cargas debidas al peso de los vehculos

En 1992, Kulicki ajust un estudio deTransportation Research Board (TRB, 1990) a lascargas de camiones presentes y desarroll un nuevo modelo. Este modelo consiste en trescargas diferentes:

Camin de diseo. Camin tandem de diseo. Lnea de diseo.

El camin de diseo es el tpico semitrailer: el eje frontal es de 35kN seguido a 4.3 m de uneje de 145kN y finalmente un eje posterior de 145kN que est ubicado a una distancia

variable de 4.3 m a 9.0 m. Este camin de diseo ha sido usado por AASHTO (1996)

Materiales Peso Unitario(Kg/m3)Aluminio 2800Superficies bituminosas 2250

Arena, arcilla o limos compactados 1925Concreto ligeros (incluido refuerzo) 1775Concreto ligero-con arena (incluido refuerzo) 1925Concreto normal 2400Arena, limos o grava suelta 1600Arcilla suave 1600Balasto 2450Acero 7850Albailera de piedra 2725Madera dura 960

Madera suave 800Rieles para trnsito por va 300 Kg/ml


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Standard Specification y desde 1944 es comnmente denominado HS20. La H denotaHighway, la S denota Semitrailer y 20 es el peso en toneladas americanas.

La segunda configuracin es el camin tandem de diseo. Consiste en dos ejes de 110kNespaciados a 1.2 m.

La tercera carga es la lnea de diseo que consiste en una carga distribuida de 9.3 N/mm yse asume que ocupa una regin de 3.0 m transversalmente. Esta carga es similar a la lneade carga usada por AASHTO durante muchos aos, excepto que esta no necesita cargasconcentradas.

Los efectos (momentos, cortantes, etc) de las cargas del camin de diseo y del tandem dediseo deben ser superpuestos con los efectos de la lnea de diseo (ver Fig. 2.1). Seescoge de la Fig. 2.1 entre a y b, la combinacin que produzca los efectos msdesfavorables, mientras que la alternativa c es utilizada para calcular el momento interiornegativo en los apoyos.

Estas nuevas combinaciones como son descritas en AASHTO (1994) LRFD Bridge Specifications son designadas como HL-93 para cargas en carreteras aceptadas en 1993.

Fig. 2.1 Cargas de diseo de AASHTO.

Esta combinacin de cargas distribuidas y puntuales da una desviacin mayor a losantiguos requerimientos de AASHTOStandard Specifications , donde las cargas eranconsideradas separadamente. Es importante entender que estas cargas no son diseadas para un vehculo o combinacin de vehculos, sino que reflejan el espectro de cargas y susefectos asociados.

En resumen, los tres tipos de carga de diseo deben ser considerados: Camin de diseo,Tandem de diseo, y lnea de diseo. Como se mostr en la Fig. 2.1, estas cargas sonsuperpuestas de tres maneras. Los factores de carga de estos casos son ilustrados en la tabla2.2.


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Tabla 2.2 Factores de carga viva.

Combinacin Camin de Camin tandem Camiones de diseo Lnea dede carga viva diseo de diseo separados 15m diseo

a 1.00 1.00 b 1.00 1.00c 0.90 0.90


a.1 Lnea de diseo

A continuacin aclararemos el concepto de lnea de diseo usado en el modelo AASHTOHL-93. Para esto es necesario conocer tambin el concepto de lnea de trfico.

La lnea de trfico es el nmero de lineas o rutas que se planea usar para cruzar el puente.

El ancho tpico de una lnea de trfico es 3.6 m.En cambio, la lnea de diseo es aquella que ocupa la carga dentro de la lnea de trfico.Aqu, ASHTO usa un ancho de 3.0 m para la lnea de diseo y el vehculo se ubica en la posicin ms desfavorable de la lnea de trfico (3.6 m) para los efectos extremos (ver fig.2.2).

Fig. 2.2 Lnea de diseo.

El nmero de lineas de diseo es la parte entera de dividir el ancho libre de la va entre 3.6m. En casos donde el ancho de la lnea de trfico es menor de 3.6 m, el numero de lineasde diseo es igual al nmero de lneas de trfico y el ancho de lnea de trfico sera el

ancho de la lnea de diseo. Tambin debe tenerse en cuenta los planes de desvos, ya queestos suelen alterar los patrones de trnsito.

a.2 Presencia mltiple

Los camiones podran presentarse en lineas adyacentes sobres las carreteras con mltipleslineas de diseo pero es poco probable que tres lineas adyacentes sean simultneamentecargadas con grandes pesos. Para este efecto AASHTO provee un factor de ajuste demltiple presencia que se muestra en la tabla 2.3.

Estos factores no se aplicaran en casos donde los factores ya hayan sido implcitamente

incluidos, tampoco se deben utilizar en casos de estado lmite de fatiga. Adicionalmente,estos factores se deben aplicar a las fuerzas de frenado en el diseo de apoyos y estribos.


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Tabla 2.3 Factores de presencia mltiplem

Nmero de lneas "m"de diseo

1 1.202 1.003 0.85

Ms de 3 0.65Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

a.3 Cargas de Fatiga

Debido a que la mayora de camiones no exceden el lmite de peso, sera muy conservadorusar toda la carga viva del modelo para el anlisis de la fatiga. Por eso, la carga de fatiga es

nicamente el camin de diseo con el eje variable colocado a 9.0 m y un factor de cargade 0.75. La carga dinmica (IM) debe ser incluida y se asume que se carga una sola lnea.

El esfuerzo de fatiga lmite depende del rango de carga viva y del nmero de ciclos decarga y descarga. Este nmero del ciclos de carga de esfuerzos esta basado en el estudio detrfico. A continuacin, se dan algunos parmetros para determinar el nmero de ciclos decarga y descarga.

El promedio del trfico diario de camionesaverage daily truck traffic (ADTT) en una solalnea (sl) puede ser estimada como:

ADTTSL = P (ADTT)Donde P es la fraccin de trfico que se considera en la lnea de diseo. Los valores de P son definidos en la tabla 2.4. Como los patrones de trnsito son inciertos la frecuencia decargas de fatiga se aplica a todas las lneas.

Tabla 2.4 Fraccin de camiones en una lnea.

Nmero de lineasDisponibles a camiones p

1 1.002 0.85

3 o ms 0.85Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

En muchos casos el ADTT no es conocido y solo se conoce el ADT ( promedio diario devehculos). En esos casos donde no es posible un estudio y el estado lmite de fatiga no estacontrolando el diseo, AASHTO provee una gua de factores para estimar el nmero decamiones, como se ilustra en la tabla 2.5.

El numero de ciclos de rango de esfuerzos se usa para establecer la resistencia disponible(esfuerzo admisible). Este esfuerzo admisible tambin depende del tipo de material.


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Tabla 2.5 Fraccin de camiones en el trfico

Clase de Carretera Fraccin de trficoRurales troncales 0.20Urbanas troncales 0.15

Otras rurales 0.15Otras urbanas 0.10Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

a.4 Cargas en la losa y cargas del sistema de barrera

La losa debe ser diseada para los efectos de carga debido al camin de diseo y el tandemde diseo, cualquiera que cree los mximos efectos. La lnea de diseo no se considera enel diseo del sistema de losa ya que generalmente sta es cargada en la direccintransversal a la lnea de trfico. En puentes tipo losa se debe considerar la lnea de diseocuando la losa es cargada en la direccin longitudinal (paralela a la lnea de trfico).

Si la losa esta en volado (fuera de la viga), comnmente referida como cantilever, serdiseada para una lnea de carga uniforme de 14.6 N/mm ubicados a 0.3 m desde el bordede la vereda o de la baranda como se muestra en la figura 2.3. Esta carga se deriva de lamitad de 220kN tandem (110kN) que es distribuida sobre una longitud de 7600mm. Larazn para esta longitud bastante larga es que el sistema de barrera continuo ayuda adistribuir las cargas en una mayor longitud. Si la barrera es discontinua entonces se debeconsiderar la carga distribuida en una menor longitud (ver Fig. 2.4).

Fig. 2.3 Fuerzas de gravedad en cantilever.

El diseo tambin debe ser revisado para cargas de choque. Las fuerzas para el sistema de barrera y losa son dividas en tres niveles de funcionamiento PL (ver tabla 2.6 y fig. 2.5):

PL-1 se usa para longitudes cortas, estructuras de poco nivel ubicadas en sistemas decarreteras rurales, vas secundarias, y reas con velocidad reducida y poca cantidad devehculos pesados.

PL-2 se usa para estructuras de grandes velocidades sobre vas libres, vas expresas,carreteras y reas con vehculos mixtos pesados y grandes velocidades.

PL-3 se usa para estructuras de grandes velocidades, vas libres con cruces variables decuestas, curvas con radios reducidos y grandes volmenes mixtos de vehculos pesados.


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Fig. 2.4 Sistemas de barreras.

Tabla 2.6 Fuerzas del diseo del sistema de barrera.

Fuerzas Nivel de funcionamientoPL-1 PL-2 PL-3Ft Transversal (kN ) 120 240 516Fl Longitudinal (kN) 40 80 173Fv Vertical (kN) 20 80 222Lt y Ll (mm) 1 220 1 070 2 440

Lv(mm) 5 550 5 500 12 200Altura mnima de barrera (mm) 510 810 1 020Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

Fig. 2.5 Esquema de fuerzas de diseo del sistema de barrera. Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

b. Efectos Dinmicos (IM)

Como la superficie de rodadura no es uniforme, la suspensin de los vehculos reacciona acomprensin y tensin. Esta oscilacin crea fuerzas que exceden el peso esttico cuando elvehculo esta en movimiento.

Barrera continua

Barrera discontinua


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Fig. 2.6 Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas de frenado.

Las fuerzas de frenado pueden tomarse como el 25% del peso de los ejes del camin dediseo o del camin tandem ubicado en todas las lineas. Para la lnea de diseo no seasume fuerzas de frenos. Se asume que esta accin ocurrir en diferentes momentoscuando el camin de diseo es mximo. Tambin implcitamente los valores de loscoeficientes de AASHTO exceden 0.25 para la interfase plataforma-neumtico. Se asumeque la fuerza de freno acta horizontalmente a 1.80 m encima de la superficie de rodaduraen cualquier direccin longitudinal.

2.2.2.2 Cargas de Peatones

La carga peatonal AASHTO es 3.6x10-3MPa, la cual es aplicada a los lados que integran el puente. En el caso de puentes peatonales que permitan el trfico de bicicletas, la carga vivaser 5.0x10-3MPa.

Las barandas para peatones y/o bicicletas deben ser diseadas para cargas 0.73 N/mm,transversal y verticalmente en cada elemento longitudinal en el sistema de barandas.

Adems, como se muestra en la figura 2.7, las barandas deben ser diseadas para unafuerza concentrada de 890 N aplicada en cualquier lugar y en cualquier direccin.

Fig. 2.7 Cargas en barandas peatonales.

2.2.2.3 Fuerzas Debidas a Fluidos

Las fuerzas estructurales debidas al flujo de fluidos (agua o aire) son establecidas por laecuacin de Bernoulli en combinacin con unos coeficientes de correccin. De la figura2.8, a es el punto inicial y b es el punto estancado con velocidad igual a cero:

890 N


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Fig. 2.8 Diagrama de flujo tpico.

De la ecuacin de Bernoulli:21

Va2 + Pa + gha = 21

V b2 + P b + gh b

Asumiendo que a y b estn a las misma altura y que la presin aguas arriba es cero, la

presin en b ser: P b= 21

Va2

La relacin de la presin promedio con la presin de estancamiento es comnmentellamadadrag coefficient o coeficiente de arrastre:

P = Cd 21

Va2

A continuacin presentamos las principales cargas laterales debidas a fluidos.

a. Fuerzas de Viento

La velocidad del viento vara con la altura y la rugosidad del terreno que recorre. La

velocidad aumenta con la altura como se muestra en la figura 2.9. El parmetro Vg es lavelocidad lmite de efectos independientemente de cualquier superficie, es el espesor dela capa y V10 es la velocidad referencial a 10m.Para puentes a alturas menores a 10m se usar la velocidad V10 (a 10 m), para alturasmayores se usar la ecuacin de AASHTO para el perfil de velocidad:

VDZ = 2.5V0(V10/VB)ln(Z/Z0)

Fig. 2.9 Perfil de velocidad.

VDZ es la velocidad de diseo esperada en Km/h a una altura Z. VB es la velocidad base delviento a 160 Km/h y V0 (velocidad de friccin) y Z0 (longitud de friccin) se obtienen de la

a b

10m

Vg

V(z)


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tabla 2.8. La constante 2.5 es la inversa de 0.4 de la constante de Karman. V10 es Lavelocidad a 10m, si no se conoce 160 Km/h es un buen criterio.

Tabla 2.8 Valores de V0 y Z0

Condicin Campo Abierto Semi urbano CiudadV0(km/h) 13. 2 15. 2 25. 3Z0(mm) 70 300 800


La presin sobre la estructura es relacionada con la velocidad base del viento VB = 160km/h de la siguiente manera:

PD = PB 2

B

D

V V

= PB 22

160 DV

Las presiones para la velocidad base de viento son dadas en la tabla 2.9. Adicionalmente lacarga lineal producto de la presin del viento no puede ser menor que 4.4N/mm en el barlovento y sotavento para puentes tipo viga. Estas cargas deben considerarse en todas lasdirecciones y se debe usar los valores extremos para el diseo. Tambin debenconsiderarse los ajuste de direccin, donde la presin es separada en dos componentes perpendiculares entre s como funcin del ngulo de ataque.

Tabla 2.9 Valores de PB correspondientes a VB = 160 Km/h.

Elemento estructural Carga de Carga de

Barlovento (MPa) Sotavento (MPa)Columnas, arcos, armaduras etc 0.0024 0.0012Vigas 0.0024 N/ASuperficies largas planas 0.0019 N/A


Sobre los vehculos tambin debe considerarse una carga de viento de 1.46 N/mm aplicada a 1.8m sobre la superficie de rodadura.

b. Fuerzas Hidrulicas

El agua que rodea las subestructuras del puente crea fuerzas laterales que actandirectamente sobre la estructura , producto de esto escombros pueden acumularse debajodel puente. Para una = 1000 Kg/m3 en la ecuacin deducida anteriormente:

P b =2

21

ad V C = 5002

ad V C

Donde la ecuacin de AASHTO es: P = 5.14x10-4 2ad V C

Donde CD es el coeficiente de arrastre dado en la tabla 2.10 y V es la velocidad en m/s dediseo del agua. Si la subestructura esta en ngulo con la corriente deben hacersecorrecciones (ver especificaciones de AASHTO). Para escombros depositados en las


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subestructuras del puente, el rea tambin debe corregirse (ver especificaciones deAASHTO).

Tabla 2.10 Coeficiente Cd.

Tipo CdPilar semicircular 0.7Pilar cuadrado 1.4Pilar con flujo desviado 1.4Pilar con cua con de 90 o menos 0.8


2.2.2.4 Cargas Ssmicas

Dependiendo del lugar de ubicacin del puente, puede que los efectos ssmicos seanirrelevantes o puede que gobiernen el diseo del sistema de resistencia de cargas laterales.Las especificaciones de AASHTO estn basados en los siguientes principios:

Sismos leves sern resistidos sin que los componentes salgan del rango elstico ysin sufrir daos importantes.

Se usarn movimientos del suelo y fuerzas reales en el proceso de diseo. La exposicin a prolongadas vibraciones no colapsar la estructura del puente,

donde los posibles daos sern fcilmente detectables para inspeccionar y reparar.

AASHTO proporciona aplicaciones para puentes convencionales de losas, vigas, vigas

cajn y superestructuras cuya luces no exceda 150m. No es aplicable para puentes queexceden los 150m y otros tipos de puentes como puentes colgantes, puentes atirantados, puentes movibles y arcos.

a. Procedimiento para determinar las cargas ssmicas

El primer paso es determinar un diseo preliminar describiendo el tipo de puente, numerode losas, la altura de los pilotes, la seccin tpica de carretera, alineacin horizontal y lascondiciones del subsuelo. El tipo de conexin entre la losa y la superestructura, entre lasuperestructura y la subestructura, entre la subestructura y la cimentacin tambin esimportante.

El segundo paso es determinar el coeficiente de aceleracin que depende del lugar deubicacin del puente. El coeficiente de aceleracin se obtiene del mapa de zonificacinssmica del Per (ver Fig. 2.10).

Dada una localidad, el coeficiente de aceleracin tiene una probabilidad del 90% de queese valor no sea excedido en 50 aos. Este valor corresponde al periodo de retorno. Hay un10% de probabilidad de que un sismo mayor ocurra. En algunos casos, para puentesimportantes se debe disear para un periodo de retorno de 2500 aos.


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Fig. 2.10 Mapa de distribucin de Iso-aceleraciones del Per.Extrado del Manual de Diseo de Puentes. MTC DGCF. Direccin General de Caminos y

Ferrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones., Lima Per 2003.

El tercer paso la importancia de la categora del puente. Las estructuras que estn en lasrutas de hospitales, centros de comunicacin, instalaciones militares, plantas de tratamientode agua, departamentos de bomberos, departamentos de polica, aeropuertos, refineras,industrias de defensa, ferrocarriles y terminales de camiones deben continuar funcionandoy los puentes en estas rutas deben ser clasificados como esenciales. En la tabla 2.11 resumelas caractersticas de las tres categoras de importancia, se debe tener en cuenta los cambiosfuturos en el funcionamiento de los puentes.

El cuarto paso es determinar el funcionamiento ssmico de la zona para cada puente. Las

zonas ssmicas tienen el mismo riesgo ssmicos. Para aceleraciones ms grande ms grandees el riesgo. Las zonas ssmicas son dadas en la tabla 2.12.


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Tabla 2.11 Importancia de la categora

Categora de importancia DescripcinPuentes crticos Despus del sismo diseo (retorno de 475 aos) deben estar abierto a todo

el trfico y despus de un sismo largo (retorno de 2500 aos) debe estarabierto a vehculos de emergencia.

Puentes esenciales Despus del sismo de diseo debe estar abierto a vehculos de emergencia.Otros puentes Puede cerrarse para ser reparado despus de un sismo largo.


Tabla 2.12 Zonas ssmicas.

Coeficiente de aceleracin ZonaA


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Tabla 2.15 Factores de modificacin de respuesta-Subestructuras.

Subestructura Importancia de la categoraCrticos Esenciales Otros

Pilares tipo pared-longitudes grandes 1.5 1.5 2.0Pilotes de concreto reforzado

a. Solo pilotes verticales 1.5 2.0 3.0 b. Uno o ms bateras de pilotes. Inc. pilotes verticales 1.5 1.5 2.0

Columnas simples 1.5 2.0 3.0Pilotes de acero o compuesto de acero y concreto

a. Solo pilotes verticales 1.5 3.5 5.0 b. Uno o ms bateras de pilotes. Inc. pilotes verticales 1.5 2.0 3.0

Columnas mltiples 1.5 3.5 5.0

Adaptado del Manual de Diseo de Puentes. MTC DGCF. Direccin General de Caminos yFerrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones., Lima Per 2003.

El sexto paso es determinar el factor de modificacin de respuesta (R-factores), el cualreduce las fuerzas ssmicas basadas en el anlisis elstico del sistema del puente. Losfactores de respuesta son dados en la tabla 2.15.

El uso de estos factores generalmente mayores a 1, reconocen que cuando un eventossmico (periodo de retorno de 475 aos) ocurre, la energa es disipada por deformacionesinelsticas en la subestructura. Si un eventos ssmico grande (periodo de retorno de 2500aos) ocurre, se tendr que reparar las zonas deformadas, pero si todos los componentes

estn propiamente conectados la estructura no colapsar. Los factores R para latransmisin de fuerzas internas segn el tipo de conexin son dados en la tabla 2.16.

Tabla 2.16 Factores de modificacin de respuesta-Conexiones.

Conexin Todas las categorasSuperestructura con estribos 0.8Juntas de expansin dentro de una luzde la superestructura 0.8Columnas, pilares o pilotes con vigas principales de la superestructura 1.0Columnas o pilares con la cimentacin 1.0

Extrado del Manual de Diseo de Puentes. MTC DGCF. Direccin General de Caminos yFerrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones., Lima Per 2003.

b. Fuerzas de conexin para sismos mnimos

Cuando el suelo vibra debido a sismos, la estructura se mueve debido a las fuerzasinerciales. Estas fuerzas pueden desarrollarse en cualquier direccin y pueden serrestringidas o disipadas segn el tipo de unin entre la subestructura y la superestructura.Para un puente de luz simple, la mnima fuerza de diseo de conexin en la direccinrestringida es igual al producto del coeficiente de aceleracin con la carga muerta asociadacon el tipo de conexin.


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Los puentes de la zona 1 no requieren un anlisis ssmico por eso los valores nominalesson especificados para las fuerzas de conexin. Para puentes que tengan ambos apoyos conapoyos elastmeros que ofrecen poca o ninguna restriccin, la conexin ser diseada pararesistir slo fuerzas cortantes transmitidas a travs de los apoyos , pero nunca menores a

los valores de la carga tributaria muerta multiplicada por los valores dados en la tabla 2.17.

Tabla 2.17 Factores de multiplicacin para fuerzas de conexin en la zona ssmica 1.

Coeficiente de aceleracin Tipo de suelo FactorA< 0.025 I o II 0.1 III o IV 0.20.025


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gradualmente y crece tras largos periodos llegando a tener una slida y cristalinaapariencia. De otro lado si la nieve presente se derrite en tiempos clidos y luego vuelve anevar, se formar una nieve granular dbil. En realidad, una estructura presenta capas dehielo cristalinas, capas sombras y capas de nieve lo que hace muy difcil su clasificacin.Algunas variaciones de resistencia del hielo son dados por AASHTO en la tabla 2.19.

Es importante mencionar que existe una gran variacin en las fuerzas de hielo aun cuandohayan sido formados en condiciones similares o cuando las lminas son muy largas estas pueden rotar, por eso es prudente aun cuando las condiciones locales sean mnimas usar la penltima resistencia efectiva del hielo de 1.15MPa de la tabla 2.19.

b. Espesor del Hielo

Las frmulas usadas para predecir las fuerzas horizontales son directamente proporcionalesa las resistencias efectivas del hielo, el espesor de las lminas de hielo y la longitud delhielo. Probablemente la mejor manera de determinar el espesor de hielo sea tener unregistro histrico de las medidas del hielo. Tambin, es importante una visita al sitio del puente que podran proveer informacin del espesor del hielo o del nivel del agua.

Si no se poseen registros de los espesores de hielo, existen modelos matemticos paradeterminar su espesor. Para medir la frialdad se usan el termino FDD(freezing degree day) o grado de fri promedio diarios, los cuales son acumulados en el FDDS Sf (suma de losFDD). Esta suma puede ser negativa en das clidos, entonces una nueva suma empieza alda siguiente. Las observaciones muestran que el espesor del hielo es proporcional alcuadrado del Sf . Neill (1981) propuso la siguientes frmula:

T = 33.9 )(C S f t (mm)Donde:

T = Espesor del hielo (mm)Sf = Suma acumulada diaria de FDD en C.

t = Coeficiente de condiciones locales de Neill, ver tabla 2.20.

Tabla 2.20 Factores locales de Neill para estimar el espesor del hielo.

Condiciones locales Lagos ventosos sin nieve 0.8Lago con nieve 0.5-0.7Rio con nieve 0.4-0.5Ro pequeo protegido con nieve 0.2-0.4

c. Fuerzas Dinmicas horizontales

Cuando una lmina de hielo en movimiento ataca un pilar se asume que el hielo falla encomprensin y que la fuerza horizontal en el pilar es proporcional al ancho del rea de

contacto, al espesor del hielo y al esfuerzo en comprensin del hielo. Para igualar elcambio de energa cintica en el trabajo hecho en compresin o aplastamiento del hielo es


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necesario determinar la velocidad crtica. La velocidad crtica es la velocidad necesaria para lograr un contacto total de la estructura dentro del hielo.

Las expresiones para las fuerzas dinmicas horizontales de hielo de AASHTO sonindependientes de la velocidad del hielo, en la que se asume una velocidad mayor que la

velocidad crtica.Para w/t >6 (ancho entre espesor), el movimiento del hielo es gobernado por elaplastamiento del hielo del pilar:

F = Fc = Ca ptw

Ca = (5 t/w + 1)0.5

Donde:

p = Resistencia efectiva del hielo de la tabla 2.19 (MPa).t = Espesor del hielo en mm.w = Ancho del pilar al nivel de accin del hielo (mm).F = Fuerza horizontal (N).

Cuando la cara del pilar est inclinada con un ngulo mayor a 15 respeto de la vertical, unconjunto de hielo puede subir al pilar y ocasionar la falla por dobladura. Si w/t 6 lafuerza horizontal en Newtons es la que resulte menor de Fc y Fb. Donde Fb se debe tomade la siguiente expresin:

F = F b = Cn pt2

Cn =0.5/tan( - 15 )

Donde:

= Inclinacin de la cara del pilar tomado desde la vertical, pero nunca menor de 15.

Cuando el hielo ataca con ngulo horizontal, se desarrollan fuerzas horizontales. Lasfuerzas horizontales Ft son dadas por AASHTO, depende del ngulo de la cara del pilarque rompe el hielo (ver Fig. 2.11).

Ft =

+ f

F

2

tan2

F = La fuerza horizontal Fc o F b calculada de las ecuaciones.= Angulo horizontal entre las dos caras del pilar. Para un pilar plano =0, y para un pilarcurvo puede ser 100.


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Las fuerzas longitudinales y transversales debidas a fuerzas de hielo se asume que actandirectamente sobre el pilar. Cuando el movimiento del hielo es paralelo al eje del pilarnecesitan ser investigadas las dos combinaciones de carga:

Una fuerza longitudinal F combinada con una fuerza transversal de 0.15 Ft. Una fuerza longitudinal de 0.5F combinada con una fuerza transversal de Ft.

Fig. 2.11 Fuerzas transversales del hielo cuando falla sobre una porcin del pilar.Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

En regiones donde las fuerzas de hielo son importantes no se recomienda pilares delgadosy/o flexibles ya que la interaccin hielo estructura puede amplificar las fuerzas de hielo.

d. Fuerzas Horizontales Estticas de Hielo

Cuando el hielo se mueve muy lentamente, su inercia puede ser olvidada y considerarseque las fuerzas del hielo son estticas. Las mayores fuerzas de hielo son de origen trmicoy ocurren cuando en un lado de la estructura hay agua y en el otro extremo hay hielo.

La prediccin de las fuerzas trmicas de hielo es difcil ya que estas depende del cambiode temperatura y del coeficiente de expansin trmica 0.000 054/C (0.000 030/F). Si elempuje trmico es calculado asumiendo que el hielo falla por comprensin y usando losvalores de resistencia de la tabla 2.19, las cuales desprecian el deslizamiento, la cargalateral calculada ser muy grande. Wortley en 1984 dio unos valores razonables para elGreat Lakes del empuje trmico desde 73kN/mm hasta 146kN/mm. Si existen condiciones

que restringen el movimiento biaxial como en un puerto, el empuje trmico puededuplicarse desde 146kN/mm a 292kN/mm.

e. Fuerzas Verticales de Hielo

Cambios en el nivel del agua causan que el hielo adherido a la estructura bajen creandofuerzas verticales. El cortante esta limitado por la esfuerzo entre el hielo y la superficie dela estructura, por el cortante resistente del hielo y por la falla debida a deformaciones de lalmina de hielo a cierta distancia de la estructura. Asumiendo que no hay deslizamientoentre la interfase hielo estructura y no hay fallas por cortante, ocurrir una falla pordeformacin del hielo. Si el nivel del agua baja, el hielo adherido a la estructura se colgar

como una carga muerta (peso del hielo = 9.0kN/m3

). Si el nivel del agua sube, la lmina dehielo transmitir una fuerza de levantamiento que podra desplazar la carga muerta de una


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estructura ligera. AASHTO da las siguientes expresiones para las mximas fuerzasverticales sobre el puente:

Para una seccin circular:

Fv = 0.3t2 + 0.0169Rt

1.25 (N)

Para una seccin rectangular:

Fv = 2.3 x 10-3t1.25 (N/mm)

t = Espesor del hielo en mm.R = Radio de la seccin en mm.

f. Cargas de Nieve sobre la Estructura

Generalmente la nieve no es considerada excepto en zonas extremas nevadas, donde lanieve no es posible remover, e incluso puede exceder la carga viva de los vehculos. Enalgunos lugares montaosos se puede encontrar cargas mayores a 33.5 KPa. En estas reaslos registros histricos y la experiencia local puede ser usada para determinar la magnitudde la carga.

2.2.2.6 Fuerzas debido a deformaciones

a. Temperatura

Dos tipos de temperatura deben ser considerados en el anlisis de la estructura. El primertipo es el cambio de temperatura uniforme. Este tipo de cambio de temperatura afecta puentes largos y cortos, y si los apoyos estn restringidos ocasionar fuerzas en los estribosdel puente. Este tipo de deformacin se muestra en la figura 2.12 (a). El segundo tipocambio de temperatura es un gradiente no uniforme de calentamiento o enfriamiento comose muestra en la figura 2.12 (b).

Fig. 2.12 (a) Temperatura que induce dilatacin y (b) temperatura que induce curvatura.

Expuesta a los rayos del sol, la plataforma del puente se calienta ms que las vigas debajode la plataforma, lo que hace que las vigas intente curvarse hacia arriba. Si es restringido por soportes internos o por no intencionales restricciones se producirn fuerzas internas. Si


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es completamente libre se producirn esfuerzos internos debidos a la distribucin lineal detemperatura, como en el caso de vigas simplemente apoyadas.

El rango de temperatura es usado para establecer el cambio de temperatura en el anlisis.Para determinar estos rangos de temperatura AASHTO define dos condiciones climticas:

moderado y fro. Un clima moderado es cuando el numero das fros por ao o FDD esmenor a 14. Un da fro es cuando la temperatura es menor que 0C. La tabla 2.21 da losrangos de temperatura.

Tabla 2.21 Rangos de Temperatura en C.

Clima Acero o Aluminio Concreto MaderaModerado -18 a 50 -12 a 27 -12 a 24

Fro -35 a 50 -18 a 27 -18 a 24Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

Como el gradiente de temperatura es mayor en unas zonas que otras. El gradiente detemperatura est definido en la tabla 2.22. Este gradiente se considera tambin para elcambio de temperatura uniforme. Normalmente este dos tipos estn separados en elanlisis. Los gradientes de temperatura son ilustrados en la figura 2.13.

Tabla 2.22 Gradientes de temperatura en C.

Zona Superficie de concreto 50 mm de Asfalto 100 mm de AsfaltoT1 T2 T1 T2 T1 T2

Costa 40 15 35 15 30 15

Sierra 40 5 35 5 30 5Selva 50 20 45 20 40 20

Extrado del Manual de Diseo de Puentes., MTC DGCF. Direccin General de Caminos yFerrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones., Lima Per 2003.

Fig. 2.13 Gradientes de Temperatura.Adaptado de Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).

Un incremento de temperatura es considerado positivo en AASHTO. La temperatura t3 esmenor a cero determinado del sitio especfico de estudio, pero en ningn caso es mayor a3C. En la figura 2.13 la dimensin A es determinada de la siguiente manera:

AProfundidad de la

superestructura

t

200 mm

100 mmT1

T2

T3


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2.3 Estados Lmites y combinacin de cargas

2.3.1 Estados Lmites

Todos los componentes y conexiones debern satisfacer la siguiente ecuacin para cadaestado lmite a menos que se especifique otra cosa.

n ii q R n= R rPara lo cual: n = nD nR nI > 0.95

i = Factor de carga (es un multiplicador obtenido estadsticamente que se aplica a losefectos de fuerza).

= Factor de resistencia ( es un multiplicador obtenido estadsticamente que se aplica alos valores de resistencia nominal).

n = Factor de resistencia que relaciona ductilidad, redundancia e importancia operativa.nD = Factor de ductilidad.nR = Factor de Redundancia.nI = Factor de importancia operativa.qi = Efectos de fuerza.R n = Resistencia nominal.R r = Resistencia factorizada.

El factor de resistencia = 1.0 se asigna a todos los estados lmites menos al estado lmitede resistencia.

2.3.1.1 Estado Lmite de ServicioEl estado lmite de servicio ser tomado en cuenta como una restriccin sobre losesfuerzos, deformaciones y ancho de grietas bajo condiciones regulares de servicio.

El estado lmite de servicio da experiencia relacionada a provisiones, las cuales no siempre pueden ser derivados solamente de resistencia o condiciones estadsticas.

2.3.1.2 Estado Lmite de Fatiga y Fractura

El estado lmite de fatiga ser tomado en cuenta como un juego de restricciones en el rango

de esfuerzos causados por un solo camin de diseo que ocurre en el nmero especificadode ciclos correspondiente a ese rango de esfuerzos.

El estado lmite de fractura ser tomado en cuenta como un juego de requerimientos detenacidad del material.

2.3.1.3 Estado Lmite de Resistencia

El estado lmite de resistencia ser tomado en cuenta para asegurar la resistencia yestabilidad. Bajo este estado lmite podra ocurrir dao estructural y frecuentementesufrimiento, pero la integridad completa de la estructura se espera que se mantenga. Deacuerdo a las especificaciones AASHTO, a menos que otros estaos lmites seanespecificados, los factores de resistencia sern los siguientes:


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Flexin y traccin de concreto reforzado 0.90 Flexin y traccin de concreto preesforzado 1.00 Corte y torsin:

Concreto de densidad normal 0.90Concreto de baja densidad 0.70

Compresin axial con espirales y estribos excepto en las zonasssmicas 3 y 4 en el estado lmite de eventos extremos 0.75

Aplastamiento del concreto 0.70 Compresin de modelos reticulado 0.70 Compresin en zonas de anclajes:

Concreto de densidad normal 0.80Concreto de baja densidad 0.65

Traccin en el acero en zonas de anclaje 1.00

Para elementos en flexo compresin puede incrementarse linealmente al valor porflexin conforme la resistencia factorada por carga axial,Pn, disminuye de 0.10fcAg a 0.Para elementos parcialmente preesforzados en flexin con o sin traccin, el valor de puede tomarse como:

= 0.90 + 0.10(PPR)

Donde:

PPR =AsfyApsfpy

Apsfpy+

PPR = Relacin de preesforzado parcial.As = rea de refuerzo no preesforzado.Aps = rea de acero preesforzado.fy = Resistencia a la fluencia (MPa)fpy = Resistencia a la fluencia del acero preesforzado (Mpa)

2.3.1.4 Estado Lmite de Evento Extremo

El estado lmite de evento extremo ser tomado en cuenta para asegurar la supervivenciaestructural del puente durante un sismo importante o durante inundaciones o choques,ocurridos posiblemente en condiciones muy especial.

2.3.1.5 Ductilidad

El sistema estructural del puente ser proporcionado de tal forma que asegure en losestados lmites de resistencia y evento extremo el desarrollo de significantesdeformaciones inelsticas visibles antes de la falla.

Las estructuras de concreto en las cuales la resistencia de una conexin es mayor que 1.3veces el efecto de la fuerza mxima impuesta sobre la conexin por la accin inelstica delos componentes adyacentes puede suponerse que los requerimientos de ductilidad estnsatisfechos.

Los valores nD para el estado lmite de resistencia:


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nD = 1.05 para componentes y secciones no dctiles.nD = 0.95 para componentes dctiles.

Los valores nD para los dems estados lmite:

nD = 1.02.3.1.6 Redundancia

Aquellos elementos cuya falla causara el colapso del puente sern diseados en fallacrtica y el sistema estructural asociado ser no redundante. Alternativamente, losmiembros con falla crtica en tensin pueden ser diseados en fractura crtica. Loselementos cuya falla no se espera que produzcan el colapso del puente no se disearn enfalla crtica y el sistema estructural asociado ser redundante.

Los valores nR para el estado lmite de resistencia:

nR = 1.05 para componentes y secciones no redundantes.nR = 0.95 para componentes redundantes.

Los valores nR para los dems estados lmite:

nR = 1.0

2.3.1.7 Importancia operativa

Este articulo slo aplica a los estados lmites de Resistencia y Evento Extremo. El propietario puede declarar si un puente o un componente tiene importancia operativa. Entodos los casos n

Iestar comprendido entre los valores de 1.05 y 0.95, en funcin de su

importancia.

2.3.2 Combinacin de cargas

Debido a que todas las cargas no actan simultneamente, las normas de AASHTOespecifican varias combinaciones de cargas y fuerzas a las cuales debe estar sujeta laestructura. A continuacin presentamos la notacin para las diferentes cargas:

Cargas permanentes:

DD = Fuerza de arrastre hacia abajo.DC = Carga muerta de componentes estructurales y no estructurales.DW = Carga muerta de superficie de rodadura y dispositivos auxiliares.EH = Presin de tierra horizontal.ES = Carga superficial en el terreno.EV = Presin vertical del relleno.

Cargas transitorias:

BR = Fuerza de frenado.CE = Fuerza centrfuga vehicular.

CR = Creep del concreto.CT = Fuerza de choque vehicular.


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CV = Fuerza de choque de barcos.EQ = Sismo.FR = Friccin.IC = Carga del hielo.IM = Impacto.

LL = Carga viva vehicular.LS = Carga viva superficial.PL = Carga viva peatonal.SE = Asentamiento.SH = Contraccin.TG = Gradiente de temperatura.TU = Temperatura uniforme.WA = Carga de agua y presin del flujo.WL = Carga de viento sobre la carga viva.WS = Carga de viento sobre la estructura.

La carga total factorizada ser:Q = n i qi Donde:n = Factor de resistencia que relaciona ductilidad, redundancia e importancia operativa.qi = Carga especificada.i = Factores de carga especificados en las tablas 2.23 y 2.24.

Esta ecuacin tendr que ser cumplida por los estados lmites siguientes:

Resistencia I: Combinacin bsica de carga relacionada con el uso vehicular normal, sinconsiderar el viento.

Resistencia II: Combinacin de carga relacionada al uso del puente mediante vehculos dediseos especiales especificados por el propietario y/o vehculos que permiten laevaluacin, sin considerar el viento.

Resistencia III: Combinacin de carga relacionada al puente expuesto al viento con unavelocidad mayor a 90 Km/h.

Resistencia IV: Combinacin de carga relacionada a relaciones muy altas de la cargamuerta a la carga viva.

Resistencia V: Combinacin de carga relacionada al uso vehicular normal del puenteconsiderando el viento a una velocidad de 90 Km/h.

Evento Extremo I: Combinacin de carga incluyendo sismo.

Evento Extremo II: Combinacin de carga relacionada a la carga de viento, choque devehculos y barcos, y ciertos eventos hidrulicos con carga viva reducida, distinta de lacarga de choque vehicular.


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Servicio I: Combinacin de carga relacionada al uso operativo normal del puente conviento a 90 km/h y con todas las cargas a su valor nominal (sin factorizar). Tambin estrelacionada con el control del deflexiones.

Servicio II: Combinacin de carga considerado para controlar la fluencia de estructuras de

acero y el deslizamiento delas secciones crticas, debidas a la carga viva vehicular.Servicio III: Combinacin de carga relacionada solamente a la fuerza de tensin enestructuras de concreto pretensado, con el objetivo de controlar las grietas.

Tabla 2.23 Combinaciones de carga y Factores de Carga.

Combinacin DC LL WA WS WL FR TU TGUsar solamente uno de losde cargas DD IM CR indicados en estas columnas

DW CE SH en cada combinacinEH BR SE EQ IC CT CV

EV PLEstado Lmite ES LSRESISTENCIA I p 1.75 1.00 1.00 0.50/1.20TG SE RESISTENCIA II p 1.35 1.00 1.00 0.50/1.20TG SE RESISTENCIA III p 1.00 1.40 1.00 0.50/1.20TG SE RESISTENCIA IV

Slo EH, EV, ES, p 1.00 1.00 0.50/1.20 DW, DC 1.5RESISTENCIA V p 1.35 1.00 0.40 0.40 1.00 0.50/1.20TG SE EVENTO EXTREMO I p EQ 1.00 1.00 1.00EVENTO EXTREMO II p 0.50 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00SERVICIO I p 1.00 1.00 0.30 0.30 1.00 1.00/1.20TG SE SERVICIO II p 1.30 1.00 1.00 1.00/1.20 SERVICIO III p 0.80 1.00 1.00 1.00/1.20TG SE FATIGA

Slo LL, IM, CE. 0.75Extrado del Manual de Diseo de Puentes. MTC DGCF. Direccin General de Caminos y


Fatiga: Combinacin de fatiga y carga de fractura, relacionada a la carga viva vehicular

repetitiva y las respuestas dinmicas bajo un camin de diseo simple con el espaciamientoentre ejes.

Los factores de carga para las combinaciones sern tomados de la tabla 2.23. Los factoresde carga de las cargas permanentes sern tomados de la tabla 2.24. Los factores sernescogidos para producir el efecto factorizado extremo total. Para cada combinacin serninvestigados los efectos mximos positivos y negativos.

En combinaciones de carga donde el efecto de una fuerza reduce el efecto de la otra , seaplicar el mnimo valor de la fuerza reductora. De la misma manera cuando la carga permanente aumenta la estabilidad o la capacidad de carga de algn componente o todo el puente, se evaluara la posibilidad de una combinacin de carga con el mnimo valor de lacarga permanente.


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Para el clculo de las deformaciones ser usado el mayor factor de carga TU, CR y SH, para otros clculos se usarn los valores mnimos de factor de carga.

Tabla 2.24 Factores de carga para cargas permanentes, p

TIPO DE CARGA FACTOR DE CARGAMximo Mnimo

DC: Componentes y Auxiliares 1.25 0.90DD: Fuerza de arrastre hacia abajo 1.80 0.45DW: Superficies de Rodadura y Accesorios 1.50 0.65EH: Presin horizontal de tierra

Activa 1.50 0.90En reposo 1.35 0.90

EV: Presin vertical de tierra

Estabilidad global 1.35 N/AEstructuras de retencin 1.35 1.00Estructuras rgidas empotradas 1.30 0.90Prticos rgidos 1.35 0.90Estructuras flexibles empotradas 1.95 0.90excepto alcantarillas metlicasAlcantarillas Metlicas 1.50 0.90

ES: Carga superficial en el terreno 1.50 0.75Extrado del Manual de Diseo de Puentes. MTC DGCF. Direccin General de Caminos y


Para la evaluacin de la estabilidad global de los taludes con o sin estructuras decimentacin , sern usados los factores mximos.

El factor de carga para TG y SE ser determinado para cada proyecto especfico.

El factor de carga viva en la combinacin de carga del Evento Extremo I (sismo), serdeterminado para cada proyecto especfico.


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CAPTULO 3: DISEO DE LOSAS

3.1 Predimensionamiento

3.1.1 Longitud del volado de losa

AASHTO, limita la longitud del volado a 1.80 m 0.5 S (separacin de las vigas) como semuestra en la fig. 3.1. Asimismo, AASHTO limita la longitud de la calzada del volado a0.91 m.

Fig. 3.1 Lmites AASHTO para el volado de losa.

3.1.2 Espesor de la losa

Para controlar las deflexiones y otras deformaciones que podran afectar adversamente lafuncionalidad de la estructura, AASHTO recomienda un espesor mnimo (ver tabla 3.1),sin descartar la posibilidad de reducirlo si lo demuestran clculos y/o ensayos.


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Otro criterio comn utilizado por Trujillo Orozco (1990) para pre-dimensionar el espesordel tablero es:

201 upmin = 1.0 GS2

rih B

n s

Donde:

s = Rotacin de diseo.n = Nmero de capas interiores.


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B = Longitud en la direccin de la rotacin.G = Mdulo de corte. (Usar el valor mximo para el criterio de levantamiento).

El requerimiento de para evitar esfuerzos excesivos de compresin en apoyos sujetos adeformaciones cortantes se expresa en la siguiente condicin:

s < Cmax = 1.875 GS

2

20.01rih

Bn s

Donde:

G = Mdulo de corte. Se debe usar el valor mnimo para el criterio de cortante.

Adems se debe asegurar la estabilidad de los apoyos bajo la combinacin de cargas delestado lmite de servicio. Esto se logra limitando el esfuerzo de compresin promedio que

para puentes con losa libres de trasladarse horizontalmente es:

s cr = B A

G2

Donde:

A =

W L

S

Lhrt

0.21

92.1

+

B =)

0.41)(0.2(

67.2

W L

S S ++

El reforzamiento deber soportar los esfuerzos de tensin producidos por la compresin enel apoyo. Entonces el espesor de las placas de acero hs podr estimarse por las siguientesexpresiones:

Estado lmite de servicio:

hs Fy

h S max3

Estado lmite de fatiga:

hsTH

L

F h

max2

hmx = Mximo valor de los h ri:Fy = Esfuerzo de fluencia del refuerzo, usualmente = 345 MPa.Fth = Esfuerzo de fatiga, usualmente para superficies lisas sin uniones = 165 MPa.

Para el diseo de otro tipo de apoyos se debe consultar las especificaciones de AASHTO(1996). Standard Specifications for Highway Bridges.


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7.2 Sistemas de juntas

7.2.1 Funcin de las juntas

La funcin de las juntas es resistir las cargas externas y proveer seguridad al transito sobrela brecha entre el puente y el estribo o entre dos puentes de manera que todo el puente

pueda desplazarse sin causar grandes esfuerzos. Al mismo tiempo, las juntas de expansindeben proveer una transicin suave entre el puente y las reas adyacentes.

Para lograr estos objetivos, las juntas de expansin debern ser robustas y adecuadas paratodas las cargas o acciones locales como las condiciones climticas, humedad o agentescorrosivos. Adems, el reemplazo de todas las partes usadas debera ser posible de unamanera sencilla.

Los movimientos en las juntas de expansin dependen del tipo de puente y de laconfiguracin de los apoyos. Normalmente, estos movimientos resultan de la temperatura,desplazamientos debidos a cargas externas, creep y shrinkage.

En general, las juntas de expansin deberan cumplir los siguientes requerimientos:

Capacidad de movimiento. Resistencia de cargas estticas y dinmicas. Hermeticidad Niveles bajos de ruido. Seguridad de trfico.

7.2.2 Recomendaciones para juntas

A continuacin presentamos algunas recomendaciones hechas por Gnter Ramberger(2002) para satisfacer los requerimientos de juntas.

Es importante conocer que para cumplir con los requisitos de juntas se debe evitar pendientes mayores al 3%, as como diferencias de niveles mayores a 8 mm entre lassuperficie unidas. Del mismo modo no recomienda juntas mayores a 60mm.

Fig. 7.20 Juntas ocultas.

Para puentes con movimientos pequeos hasta 15 mm es posible construir carpetasasflticas continuas soportadas sobre placas sobre la brecha (ver Fig. 7.20). En caso de


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movimientos mayores a 10mm se recomienda una placa de elastmero en vez de la placade acero.

Para movimientos mayores hasta 25 mm es posible mediante asfaltos especiales construir juntas asflticas como se muestra en la fig. 7.21. Sin embargo, este tipo de juntas suelen

tener poca duracin y generalmente son usadas para construcciones temporales.

Fig. 7.21 Juntas asflticas

Para movimientos mayores de 25 a 80 mm se puede lograr juntas por medio de elementossellantes (ver fig. 7.22). El elemento de sello puede ser reemplazado por un cojinete encaso de requerir absorber deformaciones cortantes.

Fig. 7.22 Junta de expansin para movimientos de 25 a 80 mmm.

Fig. 7.23 Junta de expansin con cojinete.

De otro lado Jernimo Herrera (1996), recomienda para juntas de dilatacin de 20 mm bordes con ngulos metlicos de 5x5x3/16 anclados en el concreto (ver Fig. 7.24).


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Adicionalmente recomienda una cinta de Sika PVC a 20 cm de profundidad para evitar elescurrimiento del asfalto.

Fig. 7.24 Junta de dilatacin con bordes metlicos.

Este tipo de junta tiene la variante de usar platinas metlicas dentadas debidamenteancladas en lugar de los ngulos. En la actualidad, existen muchos tipos de juntas con susventajas y desventajas.


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CAPTULO 8: OBRAS COMPLEMENTARIAS

8.1 Barandas

Como se describi anteriormente en el captulo 2 (Cargas), los puentes deben ser provistosde barandas o sistemas de barreras para proteccin de los usuarios. Estos sistemas debenresistir las distintas cargas en las respectivas direcciones.

Para cumplir este objetivo el Manual de Diseo de Puentes seala que la altura de las barandas para puentes peatonales ser no menor de 1.10 m. y en casos de ciclovas, ser nomenor de 1.37 m.

Fig. 8.1 Modelos de barandas para trnsito peatonal y de ciclistas separado del vehicular.Adaptado de Herrera Mantilla, Jernimo. Puentes, Univ. Catlica de Colombia 1996.

Adems, las barandas deben ser especificadas de tal forma que sean econmicas yestticas. Debe considerarse el aspecto esttico al momento de escoger el tipo de baranda o barrera de manera que pueda lograrse armona con el resto de la estructura. En general, lassoluciones mixtas de barandas de metal ms concreto satisfacen estos requisitos.


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Herrera Mantilla (1996), recomienda algunos sistemas de barandas para trnsito. En la fig.8.1 se muestran algunos esquemas recomendados para

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Guía para el diseño de puentes con vigas y losas.pdf