capitulo ii
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Antecedentes de la investigaciónmarco teórico referencialTRANSCRIPT
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CAPITULO II
MARCO TERICO REFERENCIAL
2.1 ANTECEDENTES
El nacimiento de la Ingeniera de Puentes surgi con la necesidad de salvar obstculos
que se presentan en la naturaleza y fueron de mayor necesidad y exigencia con el
desarrollo de los vehculos automotores hacia comienzos del siglo XX. Con el transcurso
del tiempo, las nuevas exigencias de seguridad planteadas por las velocidades de
circulacin y las mayores exigencias estructurales impuestas por el incremento de las
cargas, llevaron a los profesionales e investigadores a proponer soluciones adecuadas
para salvar estas. Surgen estudios para elaborar modelamientos adecuados para el diseo
de puentes logrando estructuras ingenieriles capaces de resistir las exigencias de las
cargas de trnsito.
El ms antiguo de estos puentes de acero ubicado en la Republica de Letonia, es el
conocido como Dzelzs Tilts fue construido a finales del siglo XIX y cruzaba el ro Daugava.
El diseo del puente era sencillo conceptualmente, una gran viga de acero que se apoyaba
sobre pilones de piedra. La viga de acero, era de seccin rectangular, y estaba formada
por un entramado de perfilera que rigidizaba las cuatro aristas. La viga no era continua,
sino que se dispona una resolviendo cada vano entre apoyo y apoyo. EL puente fue
bombardeado durante la Primer Guerra Mundial y durante la Segunda Guerra Mundial,
pero no fue reconstruido despus por lo que nicamente se conservan los arranques de
los pilones.
Otro puente significativo es el Puente del Milenario ubicado en Madrid Espaa, fue
diseado en 1981 por el ingeniero Fdez Ordoez y Martinez Calzon, constructora
Entrecanales y Tavora S.A. Con una longitud de 384 metros con luces de 102, 180, 102
metros y 17.70 metros de ancho, Puente aporticado con estructura mixta de acero
estructural y hormign blanco pretensado.
En la actualidad es muy comn el uso de varios tipos de puentes para salvar distintos
obstculos. De estos puentes, los ms comunes en nuestro medio son los puentes con
vigas y losa. Sin embargo, aunque existen muchos libros extranjeros que tratan el tema,
no existe una bibliografa cercana que nos oriente en el diseo de estas estructuras o que
abarquen el diseo de una manera global.
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En el Per el puente ms emblemtico de la historia es quiz el puente colgante sobre el
ro Apurmac, con una longitud de 45 m y una elevacin de 36 m sobre el ro, fue
mantenido hasta finales del siglo XIX.
Figura N 01
Puente colgante Inca de Per y el puente George Washington en New York.
Fuente: E. George Squier; 1877. Y Angel Franco/The New York Times; 1957.
2.1.1 ANTECEDENTES LOCALES
1. Todas las estructuras deben ser diseadas y construidas para que, con una
seguridad aceptable, sea capaz de soportar todas las acciones que la puedan
solicitar durante la construccin y el periodo de vida til prevista en el proyecto as
como la agresividad del medio. Segn el Ingeniero RUBEN ELIAS FLOREZ
MORALES (2012) Per, de la Universidad Andina Nstor Cceres Velsquez, a
travs de su tesis: Aplicacin del SAP 2000 en el Diseo de Puentes Postensados.
La recopilacin tiene como objetivo dar a conocer de una manera prctica y sencilla
el proceso de clculo de un puente de concreto con vigas postensadas, basndose
en la utilizacin del software de clculo estructural SAP 2000.
2. El trabajo de investigacin nos brindara una metodologa de desarrollo para los
diseos de elementos estructurales en concreto reforzado de un puente vehicular
tipo viga losa, en concordancia con el Manual de Diseo de Puentes (MTC-DGCF)
y el manual de Diseo AASTHO LRFD 2007. Segn los Ingenieros GERONIMO
FERNANDEZ HANCO, EDDER HUANCCO MAMANI (2012) Per, de la
Universidad Andina Nstor Cceres Velsquez, a travs de su tesis: Anlisis
Dinmico de un puente de tipo viga losa mediante el programa de SAP 2000
(versin 14).
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La recopilacin tiene como objetivos:
Determinar una metodologa para el anlisis dinmico de un puente de tipo viga
losa.
Analizar y disear la parte estructural de un puente de tipo viga losa de 16.2 m
de luz, bajo las condiciones de carga esttica y dinmica, mediante el anlisis
lineal-elstico dinmico, mtodo modal espectral.
3. Se recomienda el uso de programas de cmputo donde especifique los algoritmos
utilizados para la solucin, para no incurrir en un sobredimensionamiento o
subdimensionado de los elementos, es as que algunos programas de cmputo con
normas internacionales no incluyen en sus manuales los modelos matemticos
utilizados. Segn el Ingeniero RICHARD ELMER PERALTA MORALES (2011)
Per, de la Universidad Andina Nstor Cceres Velsquez, a travs de su tesis:
Anlisis y Diseo de un Puente Vehicular Tipo Marco en la Zona de Illpa
2.1.2 ANTECEDENTES NACIONALES
En la actualidad es muy comn el uso de varios tipos de puentes para salvar distintos
obstculos. De estos puentes, los ms comunes en nuestro medio son los puentes con
vigas y losa. Sin embargo, aunque existen muchos libros extranjeros que tratan el tema,
no existe una bibliografa cercana que nos oriente en el diseo de estas estructuras o
que abarquen el diseo 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 y usados en nuestro medio. Segn el Ingeniero ERNESTO SEMINARIO
MANRIQUE (2004) Per, de la Universidad de Piura, a travs de su tesis: Gua para
el Diseo de Puentes con Vigas y Losa.
La recopilacin 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 de Diseo de Puentes del MTC DGCF
que est basado en Standard Specifications for Highway Bridges de AASHTO.
2.1.3 ANTECEDENTES HISTORICOS DEL PUENTE INDEPENDENCIA
Anteriormente exista un puente compuesto de vigas de Perfiles de Fierro (Rieles) y
Concreto Armado de 99.60m de longitud por 3.85m de ancho y 0.25m de espesor de
losa, el cual contaba como subestructura dos estribos de concreto ciclpeo en ambas
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mrgenes, este puente fue construido en la dcada de los 80 y refaccionada a principios
del 90 y tena un tirante de 3.0m entre el fondo del cauce y el tablero inferior de la losa.
Este puente colapso debido al embalse generado por las avenidas ocurridas entre los
meses de febrero a Marzo del 1999, cabe mencionar que este puente estaba construido
para el servicio de vehculos livianos, dado que el trfico pesado es muy escaso debido
a que se trataba de un camino de 2do orden.
Debido a las inundaciones producidas por el exceso de lluvias en el primer trimestre
del ao 2001 el Gobierno del Per, mediante Decreto Supremo N 025-2001-PCM,
declar en estado de Emergencia por un plazo de sesenta (60) das a todos los distritos
del departamento de Puno.
Sobre este particular, el gobierno del Per recibi, en el mes de marzo del 2001, la
autorizacin del BID para reorientar los recursos no comprometidos del contrato de
Prstamo N 1058/OC-P que ascendan aproximadamente a US$ 16 millones para la
implementacin de un Programa de Atencin a la emergencia por las inundaciones.
Para el efecto el INADE ha sido designado por el Ministerio de la Presidencia, como
organismo subejecutor de este programa para la ejecucin de las obras necesarias
para la reconstruccin y rehabilitacin de la infraestructura pblica daada a causa de
las fuertes precipitaciones pluviales.
Con Resolucin Jefatural N 254-2001-INADE-1100, en fecha 26-12-2001, se declar
en situacin de urgencia la ejecucin de obras de Reconstruccin de Puentes
Independencia, Caspa, Vilque y Huacullani.
2.2 FUNDAMENTACIN TERICA DE LA INVESTIGACIN
2.2.1 PRINCIPIOS BASICOS DE LOS PUENTES DE SECCION COMPUESTA
Entendemos por puente mixto aquella estructura que, con la funcin principal de
materializar una plataforma de paso con el fin de salvar un determinado obstculo o la
interferencia con otra va, presenta en su estructura secciones resistentes en las que el
acero estructural y el hormign trabajan solidariamente. Aunque se hagan algunas
referencias a la construccin mixta de arcos y puentes atirantados, limitaremos el
estudio a la tipologa estructural de los puentes viga, para los que el tablero y, por tanto,
la seccin mixta estn solicitados principalmente a flexin.
La estructura mixta es una nueva forma de colaboracin del acero y el hormign, en
este caso yuxtapuestos, no mezclados como en el hormign armado y pretensado, pero
s conectados entre s para que trabajen conjuntamente.
Una de las dificultades de los puentes metlicos fue durante mucho tiempo la
materializacin de la plataforma de rodadura de las carreteras. Inicialmente la mayora
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de los tableros de los puentes metlicos eran de madera; cuando apareci el hormign
armado se utilizaron con frecuencia losas de hormign; tambin haba puentes con
tablero abierto, hecho con una rejilla de pletinas metlicas ortogonales colocadas
verticalmente para conseguir rigidez a flexin; este tipo de tablero se usaba mucho en
los puentes mviles, pero es incmodo para el trfico. A pesar de ello se ha utilizado
en puentes bastante recientes. Parte de la plataforma de rodadura del puente colgante
de Lisboa sobre el Tajo, construido en 1966, es de este tipo. La innovacin de la
estructura mixta ha sido incorporar la losa de hormign de la plataforma a la estructura
resistente.
Con este tipo de puentes se puede salvar en forma econmica, luces comprendidas
entre 8 y 12 metros con perfiles laminados enteros y hasta 18 metros con empalmes.
Con perfiles compuestos se pueden salvar luces mayores a los 30 metros para lo que
es necesario un anlisis econmico que puede ser funcin por ejemplo de la ubicacin
de la obra. Ing. Hugo E. Belmonte Gonzales Puentes, 4ta Edicin 2001 Pg. 195.
Somos conscientes de las dificultades que el trabajo supone. No es posible abarcar un
mbito universal o un conocimiento de todas las realizaciones, por lo que siempre
puede existir alguna obra o autor que no hayamos localizado y que pueda arrojar una
nueva visin sobre el tema. Por otra parte, en la tecnologa de la construccin interviene
un amplio conjunto de factores que apoyndose unos en otros constituyen un complejo
entramado terico, social, cultural, industrial y tecnolgico. El presente trabajo no tiene
una voluntad de estudio categrico y cerrado, todo lo contrario, pretende ofrecer a modo
de evaluacin, propuesta e incentivo para nuevos trabajos futuros. La evolucin
tipolgica y esttica planteada aspira a aportar una visin abierta de la historia y
tecnologa del puente mixto que nos ayude a entender su posicin y sus oportunidades
en la construccin de puentes.
A continuacin se muestra un cuadro referencial para seleccionar la tipologa adecuada
segn la luz libre del puente.
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Cuadro N 01
Tipos de puentes segn su luz libre
LONGITUD DE LA LUZ PRINCIPAL (m)
6 15 20 30 50 80 150 200 500 800 1200 1500
COLGANTES
Simples y Mltiples.
ATIRANTADOS
Conc. Acero.
PUENTES EN ARCO
Conc. Acero Atirant.
PTES. RETICULADOS DE ACERO
Isostticos, Continuo, Altura variable
SEC. COMPUESTA
De Acero y Concreto
VIGAS CAJON PREESF.
Inercia Constante Inercia Var.
VIGAS PREESF.
Sec. Doble T Prefabr.
VIGAS CONC. REF.
Isostticas y Cont.
PUENTES LOSA
Maciza, Nerv. Aliger.
Fuente: Ral A. Morales Lagones, Ruben Sapallanay Valenzuela; 2001.
El puente independencia consta de una superestructura de seccin compuesta de losa
de concreto y vigas longitudinales de acero unidas por conectores de corte, con cuatro
tramos continuos con luces libres de 22.00m y 30.00m.
2.2.2 DEFINICIN DE PUENTE DE SECCIN COMPUESTA
A diferencia del diseo del acero estructural tradicional, el cual considera slo la
resistencia del acero, el diseo de secciones compuestas asume que el acero y el
concreto trabajan juntos en las resistencias de las cargas. Esto resulta en diseos ms
econmicos, debido a que la cantidad de acero puede ser reducida.
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2.2.2.1 Construccin Compuesta
Cuando una losa de concreto est apoyada sobre vigas de acero y no existen
medios para transferir los esfuerzos cortantes entre ambos elementos, se tiene una
seccin en la que estos trabajan por separado. La construccin con elementos que
trabajan por separado es, a no dudarlo, segura, pero ya que la losa se flexiona junto
con la viga cuando se aplican cargas, la losa sostiene parte de la carga. Sin
embargo, si no hay suficiente adherencia entre ambos elementos (como sera el
caso cuando la viga de acero estuviera completamente embebida en el concreto, o
cuando se proporcionara un sistema mecnico de conectores de fuerza cortante),
la carga soportada por la losa es pequea y puede ignorarse.
Las vigas de acero y las losas de concreto reforzado se han utilizado durante
muchos aos, sin tomar en consideracin ningn efecto de colaboracin entre
ambas. Sin embargo, en los ltimos aos se ha demostrado que puede lograrse
gran resistencia, unindolas de modo que acten como una sola unidad. Las vigas
de acero y las losas de concreto, unidas formando un elemento compuesto, en
ocasiones pueden llegar a soportar aumentos de una tercera parte, y an mayores,
de la carga que podran soportar las vigas de acero trabajando por separado.
Ms o menos desde 1950 el uso de puentes con pisos compuestos ha aumentado
rpidamente y hasta la fecha se construyen normalmente en todo Estados Unidos.
En estos puentes las fuerzas cortantes longitudinales son transferidas por los
largueros a la losa de concreto reforzado, o cubierta, mediante conectores de fuerza
cortante, haciendo que la losa o cubierta ayude a resistir los momentos flexionantes.
En la siguiente figura, se muestra este tipo de seccin. Jack C. McCormac Diseo de
estructuras de acero mtodo LRFD, 2da Edicin 2002 Pg. 524.
2.2.2.2 Ventajas de los Puentes de seccin Compuesta
Las estructuras de seccin compuesta tienen ms capacidad resistente y mayor
rigidez con relacin a las estructuras no compuestas realizadas con los mismos
materiales, pudindose citar como ventajas:
El perfil laminado o la viga compuesta que se necesita es de dimensiones ms
reducidas lo que se traduce en una notable economa, que es tanto mayor
cuanto mayor es la luz del puente y ms an cuanto mayores sean las cargas
que incidan sobre el puente.
Debido a la gran rigidez de las secciones compuestas, la deflexin de las vigas
no gobierna el diseo, lo que en el caso de las secciones que no se las ejecuta
como compuestas o sea sin conectores hace que muchas veces se tenga que
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adoptar perfiles de acero de mayor dimensin que la requerida por flexin para
as evitar deformaciones excesivas.
Indirectamente al disminuir la altura de las vigas por efecto de la construccin
compuesta se obtiene una economa en lo que al costo de accesos al puente
se refiere, o por el contrario si el puente de seccin compuesta corresponde a
un paso a desnivel superior en el paso inferior se obtiene un galibo mayor.
La seccin compuesta permite por otra parte aumentar las luces de las
estructuras adicionando platabandas a los perfiles laminados o diseando
perfiles compuestos con platabandas variables.
Finalmente se puede decir que la losa de concreto juega dos roles en las
secciones compuestas:
1. El de ser miembro superior de la viga compuesta resistente a la flexin
longitudinal en el conjunto con la viga. Absorbe la zona comprimida en los
diagramas de flexin.
2. El de losa de piso, resistente a la flexin transversal a la direccin del trfico.
Normalmente este rol es el preponderante ya que impone el espesor de la losa
superabundantemente para la seccin mixta. Ing. Hugo E. Belmonte Gonzales Puentes,
4ta Edicin 2001 Pg. 196 197.
2.2.2.3 Apuntalamiento
Despus de haber montado las vigas de acero, se cuela sobre ellas la losa de
concreto, y por tanto, las vigas resistirn el peso de la cimbra, el concreto fresco y
las otras cargas propias del proceso de construccin, o bien, para resistir esas
cargas se apuntala temporalmente. La mayora de las especificaciones indica que
despus de que el concreto ha adquirido el 75% de su resistencia a los 28 das, la
seccin ya trabaja como compuesta y todas las cargas aplicables de este momento
en adelante pueden considerarse como resistidas por tal seccin. Cuando se usa
apuntalamiento, ste soporta el concreto fresco y las otras cargas de construccin.
Los puntales no soportan en realidad el peso de las vigas de acero a menos que se
les d a stas una contraflecha inicial (lo cual no es prctico). Cuando se retiran los
puntales (despus de que el concreto tiene cuando menos 75% de su resistencia
de 28 das), el peso de la losa se transfiere a la seccin y no nicamente a las vigas
de acero. Se puede apreciar que si se utiliza apuntalamiento, podrn usarse vigas
de acero ms livianas, que son ms baratas. Surge entonces la pregunta, ser el
ahorro en el costo del acero mayor que el costo extra del apuntalamiento?
Probablemente la respuesta sea no. La decisin comn es utilizar vigas de acero
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ms pesadas sin apuntalamiento por diversas razones, entre las cuales pueden
citarse las siguientes:
1. Independientemente de razones econmicas, el uso de puntales es una
operacin delicada, sobre todo donde su asentamiento es posible, como es
frecuente en el caso de construccin de puentes.
2. Al efectuar pruebas se ha encontrado que las resistencias ultimas de las
secciones compuestas de dimensiones iguales, son las mismas, se utilice o no
el apuntalamiento. Si se seleccionan vigas de acero ms livianas para un tramo
determinado porque se utiliza apuntalamiento, el resultado es una menor
resistencia ltima.
3. Otra desventaja del apuntalamiento es que despus de que el concreto se
endurece y el apuntalamiento se retira, la losa participara de la accin
compuesta para resistir las cargas muertas. La losa ser sometida a compresin
por estas cargas permanentes y tendr un flujo plstico y contraccin
considerables, paralelos a las vigas. El resultado ser una gran disminucin del
esfuerzo de la losa con el correspondiente aumento en los esfuerzos en el
acero. La consecuencia probable es que, de cualquier modo, la mayor parte de
la carga muerta ser soportada por las vigas de acero y la accin compuesta
servir en realidad solo para las cargas vivas, como si no se hubiera utilizado
apuntalamiento.
4. Adems, en la construccin apuntalada se presentan grietas sobre las trabes
de acero, requirindose entonces barras de refuerzo. De hecho, deben usarse
tambin barras de refuerzo sobre las trabes en la construccin no apuntalada.
Aunque las grietas sern ah menores, ellas estarn presentes y es necesario
mantenerlas tan pequeas como sea posible.
A pesar de todo esto, la construccin apuntalada posee algunas ventajas respecto
a la construccin no apuntalada. En primer lugar, las deflexiones son ms pequeas
porque ellas se basan en las propiedades de la seccin compuesta. (En otras
palabras, las cargas iniciales del concreto hmedo no se aplican solo a las vigas de
acero, sino a la seccin compuesta total.) En segundo lugar, no es necesario
efectuar una revisin de la resistencia de las vigas de acero para esta condicin de
carga hmeda. Esto es a veces muy importante para situaciones en donde se tienen
razones bajas de carga viva a muerta.
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2.2.2.4 Transmisin de la Fuerza Cortante
Las losas de concreto pueden descansar directamente en el patn superior de las
vigas de acero, o stas pueden estar completamente embebidas en el concreto
para protegerlas contra el fuego. Este ltimo caso rara vez se usa por lo caro que
resulta. La fuerza cortante longitudinal puede transferirse entre la losa y la viga por
adherencia y esfuerzo cortante y posiblemente cuando las vigas estn embebidas
se necesite algn tipo de refuerzo por cortante. Si no es as, la carga debe
transferirse mediante algn tipo de unin mecnica. La proteccin contra incendio
no es necesaria en puentes y la losa se coloca sobre las vigas de acero. Puesto
que los puentes estn sujetos a fuertes cargas de impacto, la adherencia entre las
vigas y la cubierta se pierde fcilmente, por lo que se considera insignificante.
Debido a esta razn los conectores se disean para resistir toda la fuerza cortante
entre las losas y las vigas de los puentes.
Se ha experimentado con diversos tipos de conectores de cortante, incluyendo
barras, espirales, canales, zetas, ngulos y esprragos. En la figura anterior se
muestran algunos de esos tipos de unin. Por consideraciones econmicas en
general se prefiere el uso de esprragos redondos soldados a los patines superiores
de las vigas.
Los esprragos son barras de acero de seccin circular soldadas por uno de sus
extremos a las vigas de acero. El otro extremo tiene una cabeza para impedir la
separacin vertical de la losa y la viga. Los esprragos pueden ser fijados
rpidamente a las vigas de acero con pistolas especiales para soldar, con operarios
no especializados.
La instalacin en taller de conectores de cortante, resulta ms econmica, pero
existe una mayor tendencia a su instalacin en la obra. Existen dos razones
principales para esta tendencia: los conectores pueden daarse fcilmente durante
el transporte y montaje de las vigas, y son un estorbo para los operarios que
caminan por los patines superiores, durante las primeras fases de la construccin.
Jack C. McCormac Diseo de estructuras de acero mtodo LRFD, 2da Edicin 2002 Pg. 527 531.
Cuando una viga compuesta se somete a prueba, la falla ocurre probablemente por
aplastamiento del concreto, por eso parece razonable considerar que el concreto y
el acero han llegado a una condicin plstica.
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2.2.3 SUBESTRUCTURAS DE PUENTES
2.2.3.1 Pilares y Columnas
Los pilares proporcionan soporte vertical a los tableros de puentes y tienen dos
funciones principales.
1. Transferir las cargas verticales de la superestructura a las cimentaciones.
2. Resistir las fuerzas horizontales que actan sobre el puente.
En la actualidad los pilares que tradicionalmente se diseaban para soportar cargas
verticales, ahora se disean para resistir las cargas laterales causadas por los
sismos.
2.2.3.1.1 Tipos Estructurales.
El termino pilares se usa generalmente para definir a las subestructuras entre
el tablero y las cimentaciones; tambin se usa particularmente para
denominar a los muros solidos de forma de distinguirlos de las columnas y
prticos. Desde el punto de vista estructural una columna es un elemento que
resiste la fuerza lateral principalmente por flexin, en cambio un pilar es un
elemento que resiste las fuerzas laterales principalmente por el mecanismo
de corte. Un pilar con varias columnas se denomina tipo aporticado.
Hay muchas maneras de definir los tipos de pilares. Una es por conexin a la
superestructura: monolticos o en voladizo. Otra es por la forma de su seccin
transversal: slidos y huecos, circulares, octogonales, hexagonales o
rectangulares. Igualmente se distinguen por su configuracin estructural es
decir: de una sola columna, de mltiples columnas (aporticado), tipo martillo
o pilares de pared gruesa.
2.2.3.1.2 Criterios De Seleccionamiento.
Los criterios de seleccionamiento para los pilares deben basarse en aspectos:
funcionales, estructurales y geomtricos. La arquitectura es tambin un factor
importante en la seleccin del pilar.
La seleccin del tipo de pilar apropiado depende de muchos factores primero
que nada del tipo de superestructura, en segundo lugar depende de si el
puente se encuentra sobre un curso de agua o no.
Los pilares de pared gruesa se prefieren en ros donde el arrastre de material
es una preocupacin seria y en consecuencia el aspecto hidrulico es
determinante. Los pilares aporticados de varias columnas se usan
comnmente en el caso de tableros tipo losa.
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Por ltimo la altura de los pilares tambin est determinada por el tipo de pilar,
los pilares altos requieren secciones huecas para reducir el peso sobre las
cimentaciones, reducindose as las cargas y hacindose ms econmicas
las cimentaciones. Ing. Csar Arans Garca Rossell Anlisis y diseo de puentes
de concreto armado mtodo AASHTO LRFD, 1ra Edicin 2006 Pg. 136 138.
Cuadro N 02
Recomendaciones generales para el seleccionamiento de pilares.
Tipos de pilares aplicables.
Superestructuras de acero.
Sobre ros. Pilares altos.
De pared gruesa o tipo martillo, seccin hueca en la mayora de casos, en voladizo, puede combinarse tipo martillo con pared
gruesa en la base y un cuerpo de ancho variable.
Menor altura. De pared gruesa o tipo martillo, seccin slida, tipo cantiliver.
Sobre
terreno.
Pilares altos. Tipo martillo y aporticado, seccin hueca en el caso de un solo cuerpo
y seccin slida para el tipo aporticado.
Menor altura. Tipo martillo y aporticado, seccin slida, en voladizo.
Superestructuras de concreto presforzado.
Sobre ros. Pilares altos.
De pared gruesa o tipo martillo, seccin hueca en la mayora de casos, en voladizo, puede combinarse tipo martillo con pared
gruesa en la base y un cuerpo de ancho variable.
Menor altura. De pared gruesa o tipo martillo, seccin slida, en voladizo.
Sobre terreno.
Pilares altos.
Tipo martillo y posiblemente aporticados, de seccin hueca en el caso
de un solo cuerpo y seccin slida para el tipo aporticado, en voladizo.
Menor altura. Tipo martillo y aporticado, seccin slida, en voladizo.
Superestructuras vaciadas in situ.
Sobre ros. Pilares altos.
De un solo cuerpo, el tablero se vaca con encofrados viajeros por el
mtodo de construccin en voladizo, secciones huecas, monolticos
empotrados en la cimentacin.
Menor altura. De pared gruesa, seccin slida, monolticos empotrados en la base.
Sobre
terreno.
Pilares altos. De una columna o mltiples columnas, seccin slida para la mayora de los casos, monolticos, empotrados en la base.
Menor altura. De una columna o mltiples columnas, seccin slida, monolticos, articulados en la base.
2.2.3.2 Estribos y Estructuras de Contencin
2.2.3.2.1 Tipos de Estribos
Desde el punto de vista de la relacin entre el estribo y la carretera o rio, los
estribos se pueden dividir en dos categoras: estribos de extremo abierto y
estribos de extremo cerrado.
En los estribos de extremo abierto hay un terrapln entre la cara del estribo
y el borde de la carretera o rio. La pendiente del terrapln proporciona un
rea abierta para el flujo de agua o de trfico debajo del puente.
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La existencia de este terrapln usualmente requiere luces de puentes
mayores y algn trabajo extra de movimiento de tierras.
Los estribos de extremo cerrado usualmente se construyen pegados al
borde del rio o camino. Debido a q no hay espacio entre el estribo y el borde
del rio es muy difcil la ampliacin en un futuro del camino de ser el caso
bajo el puente.
Generalmente los estribos de extremo abierto son ms econmicos,
adaptables y atractivos que los estribos de extremo cerrado.
2.2.3.2.2 Seleccin Del Tipo De Estribo.
La seleccin del tipo de estribo requiere considerar: la geometra del puente,
la calzada, la configuracin de la rivera, los parmetros geotcnicos,
arquitectura y las consideraciones econmicas, etc.
2.2.4 SOLICITACIONES A CONSIDERAR EN LOS PUENTES
2.2.4.1 Norma Utilizada y Anlisis de diseo de carga
En nuestro pas no se contaba con un reglamento oficial hasta el mes de noviembre
del ao 2002 en el que el MTC DGCF, Direccin General de Caminos y
Ferrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, publico un primer
intento de norma Peruana de puentes con el ttulo de Propuesta de reglamento de
puentes. Propuesta que despus de su debate y discusin pblica se convierte en
la norma nacional Manual de Diseo de Puentes desde julio del ao del 2003. A
la vez esta ltima autoriza las normas dadas por AASHTO.
Este Manual de Diseo de Puentes brinda las pautas necesarias para el
planeamiento, anlisis y el diseo, de puentes carreteros y de puentes peatonales.
Se especifican en cada caso los requisitos mnimos, quedando a criterio del usuario
a utilizar lmites ms estrictos o complementar estas especificaciones en lo que
resulte pertinente.
El Manual se refiere a los aspectos de ingeniera bsica, que incluyen los estudios
topogrficos, hidrolgicos e hidrulicos, geolgicos, geotcnicos, de riesgo ssmico,
impacto ambiental, trfico, alternativas de diseo vial, alternativas de anteproyecto
y factibilidad; sin los cuales no sera posible desarrollar el proyecto. Estos aspectos
tienen singular importancia, ms an por las condiciones muy variadas y a menudo
difcilmente impuestas por la geografa y los desastres naturales.
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En aspectos tales como las sobrecargas de camiones se mantienen las ideas
bsicas de las especificaciones AASHTO. La sobrecarga especificada en este
Manual corresponde a la denominada AASHTO HL-93.
2.2.4.2 Normas para las Cargas
Entre las diversas solicitaciones que se deben considerar en el diseo de los
puentes, se tiene: El peso propio, la carga viva, el impacto, el frenado, el viento, la
fuerza de la corriente de agua, la supresin, la fuerza centrfuga, el sismo y otras
particulares como ser el choque de los hielos etc.
Las magnitudes de estas solicitaciones estn basadas en datos empricos y estn
definidas en normas o reglamentos para el diseo de los puentes. Las cuales se
tienen entre otros:
Cargas del reglamento Francs.
Cargas de la Norma Americana (AASHTO STANDARD)
Cargas de la Norma Americana (AASHTO - LRFD).
2.2.4.3 Cargas consideradas en el Diseo Original Normativa Aashto
Standard.
Las estructuras pueden ser diseadas para resistir las siguientes cargas y fuerzas:
Carga muerta.
Carga viva.
Impacto o efecto dinmico de la carga viva.
Cargas de viento.
Otras fuerzas, cuando ellas existan, como las siguientes:
Fuerzas longitudinales, fuerza centrfuga, fuerzas trmicas, presiones de tierra,
empuje, esfuerzos de contraccin, esfuerzos de montaje, presin de corriente y
hielo, y esfuerzos de sismo.
Los miembros deben ser proporcionados usando esfuerzos admisibles permitidos
para el procedimiento de diseo y las limitaciones impuestas por el material.
Cuando son requeridas por las condiciones de diseo, la secuencia de vertido del
concreto deber ser indicada en los planos o en las disposiciones especiales.
2.2.4.3.1 Carga Muerta
La carga muerta consiste en el peso de la estructura completa, incluyendo
la calzada, aceras, pistas de coches, tuberas, conductos, cables y otras
utilidades de servicio pblico.
Los siguientes pesos son usados en el clculo de la carga muerta:
-
Acero o acero fundido ..7850 Kg/m3.
Hierro fundido 7200 Kg/m3.
Aleaciones del aluminio2800 Kg/m3.
Madera (tratada y no tratada)800 Kg/m3.
Concreto, simple o reforzado ..2400 Kg/m3.
Arena, tierra, grava o lastre compactados.1920 Kg/m3.
Arena, tierra, grava o lastre sueltos1600 Kg/m3.
Capa de asfalto, 25 mm de espesor...44 Kg/m2.
2.2.4.3.2 Carga Viva
La carga viva consiste en el peso de la carga mvil aplicada de vehculos,
coches, y peatones.
2.2.4.3.3 Carriles De Trfico
La lnea de cargada o camin estndar se asume que ocupa un ancho de
3000mm.
Para determinar el nmero de vas, se dividir la longitud del ancho de la
calzada entre el ancho de carril (3000 mm); Si este no resulta un numero
entero, se tomar el mximo entero. No se considerar ninguna fraccin de
la sobrecarga.
2.2.4.3.4 Camin Estndar y Cargas De Carril.
La carga viva de carretera sobre la calzada del puente consistir de un
camin estndar y una carga de carril que es equivalente a trenes de
camiones. Dos sistemas de cargas son previstas, la carga H y la carga HS,
siendo la carga HS ms pesada que la correspondiente carga H.
Cada carga de carril consiste de una carga uniforme por metro lineal de carril
de trfico combinado con una carga concentrada simple (o dos cargas
concentradas en el caso de tramos continuos), ubicado sobre el tramo de tal
manera de producir los mximos esfuerzos. La carga concentrada y la carga
uniforme se consideran uniformemente distribuidas sobre un ancho de 3000
mmsobre la lnea normal a la lnea central del carril.
2.2.4.3.5 Tipos de Cargas
Hay cuatro tipos estndar de cargas de carretera:
H 20, H 15, HS 20 y HS 15. La carga H 15 es el 75% de la carga H 20. La
carga HS 15 es el 75% de la carga HS 20. Si se desea otra carga que no
est designada, se obtendrn por cambios proporcionalmente de los pesos
-
mostrados tanto para el camin estndar y las correspondientes cargas de
carril.
2.2.4.3.6 Carga HS
La carga HS consiste de un camin con dos ejes o la correspondiente carga
de carril como se ilustra en la figura siguiente.
Figura N 02
Camin estndar HS
Fuente: Standard Specifications for Highway Bridges. AASHTO (1996).
2.2.4.3.7 Impacto
Las cargas vivas de carretera deben ser incrementadas para los elementos
estructurales del grupo A, mostrado ms abajo, a aplicar para efectos
dinmicos, vibracin e impacto. El incremento por impacto no ser aplicado
a los tems del grupo B.
Grupo A Se Incluye Impacto.
Superestructura, incluyendo pilares de los marcos rgidos.
Pilar, (con o sin apoyos independientemente del tipo) excluyendo
zapatas y esas porciones por debajo de la lnea de tierra.
Las porciones de concreto o pilotes de acero por encima de la lnea de
tierra que soportan la estructura.
Grupo B No Se Incluye Impacto.
Estribos, muros de contencin, pilotes excepto como se especifica en la
parte (3) del anterior grupo.
Presiones de fundaciones y zapatas.
Estructuras de madera.
-
Cargas de acera.
Alcantarillas o estructuras que tienen 7.5 cm o ms de recubrimiento.
Frmula de Impacto.
La cantidad del incremento por impacto esta expresado como una fraccin
del esfuerzo de carga viva, y se determina por la frmula:
=50
3.28+125 . (01)
En el que:
I = Fraccin de impacto (mximo 30%);
L = Longitud en metros de la porcin del tramos que est cargado para
producir los esfuerzos mximos en el miembro.
2.2.4.3.8 Aplicacin De Carga Viva
Unidades del Carril de Trfico
En el clculo de los esfuerzos, cada 3 metros de carga de carril o camin
estndar simple ser considerado como unidad, y fraccin del ancho del
carril de carga o camiones no son consideradas.
Cargas De Carril en Tramos Continuos
Para el clculo del momento mximo negativo en el diseo de tramos
continuos, la carga de carril que se muestra en la figura anterior se debe
modificar por la adicin de una segunda carga, igual a la carga concentrada
del peso ubicado en uno u otro tramo en las series de tal manera que genere
los mximos efectos. Para el momento mximo positivo, solo una carga
concentrada se usara por carril, combinados con la mayora de tramos
cargados uniformemente como se requieran para producir el mximo
momento.
2.2.4.3.9 Reduccin en la Intensidad de Carga
Donde los esfuerzos mximos se producen en algn miembro por cargar un
nmero de carriles de trfico simultneamente, se usan los siguientes
porcentajes de carga viva en vista de la improbabilidad de coincidencia de
cargas mximas:
Uno o dos carriles..100%.
Tres carriles...90%.
Cuatro a mas carriles75%.
-
2.2.4.3.10 Combinacin de Cargas
Los siguientes grupos representan varias combinaciones de cargas y
fuerzas a las que pueda estar sujeta una estructura. Cada componente de
la estructura, o la fundacin en la que descansa, es proporcionada para
soportar satisfactoriamente todos los grupos de combinaciones de esas
fuerzas que son aplicables al lugar o tipo particular. Los grupos de
combinaciones de carga para el diseo por cargas de servicio y diseo por
cargas factoradas son dadas por:
() = [ + ( + ) + + + + + +
+ + ( + + ) + + ] . (02)
Dnde:
N = Nmero de grupo.
= Factor de carga.
= Coeficiente.
D = Carga muerta.
L = Carga viva.
I = Impacto por carga viva.
E = Presin de tierra.
B = Supresin.
W = Carga de viento sobre la superestructura.
WL = Carga de viento sobre la carga viva.
LF = fuerza longitudinal de la carga viva.
CF = Fuerza centrfuga.
S = contraccin.
T = Temperatura.
EQ = Sismo.
SF = Presin de la corriente de flujo.
ICE = Presin de hielo.
-
Tabla N 03
Combinaciones de carga
Fuente: AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges 17th ed, 2002.
2.2.4.4 Cargas consideradas en el rediseo Norma Aashto Lrfd
2.2.4.4.1 Cargas y Denominacin de las Cargas
Se consideran las siguientes cargas y fuerzas permanentes y transitorias:
Cargas permanentes
DD = Friccin negativa (downdrag)
DC = Peso propio de los componentes estructurales y accesorios no
estructurales.
DW = Peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para
servicios pblicos.
EH = Empuje horizontal del suelo
EL =Tensiones residuales acumuladas resultantes del proceso
constructivo, incluyendo las fuerzas secundarias del postensado.
ES = Sobrecarga de suelo
EV = presin vertical del peso propio del suelo de relleno.
-
Cargas transitorias
BR = Fuerza de frenado de los vehculos.
CE = Fuerza centrfuga de los vehculos.
CR = Fluencia lenta.
CT = Fuerza de colisin de un vehculo.
CV = Fuerza de colisin de una embarcacin.
EQ = Sismo.
FR = Friccin.
IC = Carga de hielo.
IM = Incremento por carga vehicular dinmica.
LL = Sobrecarga vehicular.
LS = Sobrecarga viva.
PL = Sobrecarga peatonal.
SE = Asentamiento.
SH = Contraccin.
TG = Gradiente de temperatura.
TU = Temperatura uniforme.
WA = Carga hidrulica y presin del flujo de agua.
WL = Viento sobre la sobrecarga.
WS = Viento sobre la estructura.
2.2.4.4.2 Factores de carga y combinaciones
La carga total factorizada ser calculada como:
= .. (03)
Donde:
n = modificador de carga
qi = carga especificada en esta seccin
i = factores de carga especificados en las tablas
Los componentes y las conexiones de un puente satisfacen la ecuacin (1)
para las combinaciones aplicables de los efectos de la fuerza extrema
factorizada como se especifica en los estados lmites siguientes:
RESISTENCIA I.- Combinacin de cargas bsica que representa el uso
vehicular del puente, sin viento.
-
RESISTENCIA II.- Combinacin de cargas que representa el uso del
puente por parte de vehculos de diseo especiales especificados por el
Propietario, vehculos de circulacin restringida, o ambos, sin viento.
RESISTENCIA III.- Combinacin de cargas que representa el puente
expuesto a vientos de velocidades superiores a 90 km/h.
RESISTENCIA IV.- Combinacin de cargas que representa relaciones muy
elevadas entre las solicitaciones provocadas por las cargas permanentes
y las provocadas por las sobrecargas.
RESISTENCIA V.- Combinacin de cargas que representa el uso del
puente por parte de vehculos normales con una velocidad del viento de 90
km/h.
EVENTO EXTREMO I.- Combinacin de cargas que incluye sismos.
EVENTO EXTREMO II.- Combinacin de cargas que incluye carga de
hielo, colisin de embarcaciones y vehculos, y ciertos eventos hidrulicos
con una sobrecarga reducida diferente a la que forma parte de la carga de
colisin de vehculos, CT.
SERVICIO I.- Combinacin de cargas que representa la operacin normal
del puente con un viento de 90 km/h, tomando todas las cargas a sus
valores nominales. Tambin se relaciona con el control de las deflexiones
de las estructuras metlicas enterradas, revestimientos de tneles y
tuberas termoplsticas y con el control del ancho de fisuracin de las
estructuras de hormign armado. Esta combinacin de cargas tambin se
debera utilizar para investigar la estabilidad de taludes.
SERVICIO II.- Combinacin de cargas cuya intencin es controlar la
fluencia de las estructuras de acero y el resbalamiento que provoca la
sobrecarga vehicular en las conexiones de resbalamiento crtico.
SERVICIO III Combinacin de cargas relacionada exclusivamente
con la traccin en superestructuras de hormign pretensado, cuyo
objetivo es controlar la fisuracin.
SERVICIO IV Combinacin de cargas relacionada exclusivamente
con la traccin en subestructuras de hormign pretensado, cuyo objetivo
es controlar la figuracin.
FATIGA Combinacin de cargas de fatiga y fractura que se relacionan
con la sobrecarga gravitatoria vehicular repetitiva y las respuestas
dinmicas bajo un nico camin de diseo.
-
Los factores se debern seleccionar de manera de producir la solicitacin total
mayorada extrema. Para cada combinacin de cargas se debern investigar
tanto los valores extremos positivos como los valores extremos negativos.
En las combinaciones de cargas en las cuales una solicitacin reduce otra
solicitacin, a la carga que reduce la solicitacin se le deber aplicar el valor
mnimo. Para las solicitaciones debidas a cargas permanentes, se deber
seleccionar el factor de carga que produzca la combinacin ms crtica. Si la
carga permanente aumenta la estabilidad o la capacidad de carga de un
componente o puente, tambin se deber investigar el valor mnimo del factor
de carga para dicha carga permanente.
El factor de carga para sobrecarga en la combinacin correspondiente a
Evento Extremo I, se determina en base a las caractersticas especficas de
cada proyecto.
Tabla N
Combinaciones de carga y factores de carga
Fuente: Tabla A3.4.1-1 AASHTO LRFD, 2007.
-
Tabla N
Factores de carga para cargas permanentes, FP.
Fuente: Tabla 3.4.1-2 AASHTO LRFD, 2007.
2.2.4.4.3 Cargas Permanentes: DC, DW Y EV
La carga permanente deber incluir el peso propio de todos los componentes
de la estructura, accesorios e instalaciones de servicio unidas a la misma,
superficie de rodamiento, futuras sobrecapas y ensanchamientos previstos.
2.2.4.4.4 Sobrecargas Vivas
Nmero de Carriles de Diseo.
En general, el nmero de carriles de diseo se debera determinar tomando
la parte entera de la relacin w/3600, siendo w el ancho libre de calzada entre
cordones y/o barreras, en mm. Tambin se deberan considerar posibles
cambios futuros en las caractersticas fsicas o funcionales del ancho libre de
calzada. En aquellos casos en los cuales los carriles de circulacin tienen
menos de 3600 mm de ancho, el nmero de carriles de diseo deber ser
igual al nmero de carriles de circulacin, y el ancho del carril de diseo se
deber tomar igual al ancho del carril de circulacin.
Los anchos de calzada comprendidos entre 6000 y 7200 mm debern tener
dos carriles de diseo, cada uno de ellos de ancho igual a la mitad del ancho
de calzada.
-
Presencia de Mltiples Sobrecargas.
Los requisitos de este artculo no se aplicarn al estado lmite de fatiga para
el cual se utiliza un camin de diseo, independientemente del nmero de
carriles de diseo. Si en lugar de emplear la ley de momentos y el mtodo
esttico se utilizan los factores de distribucin aproximados para carril nico,
las solicitaciones se debern dividir por 1,20.
La solicitacin extrema correspondiente a sobrecarga se deber determinar
considerando cada una de las posibles combinaciones de nmero de carriles
cargados, multiplicando por un factor de presencia mltiple correspondiente
para tomar en cuenta la probabilidad de que los carriles estn ocupados
simultneamente por la totalidad de la sobrecarga de diseo HL93.
Se debern utilizar al investigar el efecto de un carril cargado,
Se podrn utilizar al investigar el efecto de tres o ms carriles cargados.
A los fines de determinar el nmero de carriles cuando la condicin de carga
incluye las cargas peatonales combinadas con uno o ms carriles con la
sobrecarga vehicular, las cargas peatonales se pueden considerar como un
carril cargado.
Cuadro N
Factor de presencia mltiple.
Nmero de carriles cargados
Factor de presencia mltiple, m.
1 1,20
2 1,00
3 0,85
>3 0,65 Fuente: Tabla 3.6.1.1.2-1 AASHTO LRFD, 2007.
2.2.4.4.5 Sobrecarga Vehicular de Diseo
La sobrecarga vehicular sobre las calzadas de puentes o estructuras
incidentales, designada como HL-93, deber consistir en una combinacin de:
Camin de diseo o tndem de diseo.
Carga de carril de diseo.
Cada carril de diseo considerado deber estar ocupado ya sea por el camin
de diseo o bien por el tndem de diseo, en coincidencia con la carga del
carril, cuando corresponda. Se asumir que las cargas ocupan 3.0m
transversalmente dentro de un carril de diseo.
-
Camin de Diseo. Las cargas por eje y los espaciamientos entre ejes sern
los indicados en la siguiente figura, la distancia entre los dos ejes de 145 kN
ser tomada como aquella que, estando entre los lmites de 4,30 m y 9,00 m,
resulta en los mayores efectos. Las cargas del camin de diseo debern
incrementarse por efectos dinmicos.
Figura N
Caractersticas de camin de diseo
Fuente: Figura 3.6.1.2.2-1 AASHTO LRFD, 2007.
Tndem de Diseo. El tndem de diseo consistir en un par de ejes de
110.000 N con una separacin de 1200mm. La separacin transversal de las
ruedas se deber tomar como 1800mm. Se deber considerar un incremento
por carga dinmica segn lo especificado.
Carga del Carril de Diseo. La carga del carril de diseo consistir en una
carga de 9,3 N/mm, uniformemente distribuida en direccin longitudinal.
Transversalmente la carga del carril de diseo se supondr uniformemente
distribuida en un ancho de 3000mm. Las solicitaciones debidas a la carga del
carril de diseo no estarn sujetas a un incremento por carga dinmica.
2.2.4.4.6 Aplicacin De Sobrecargas Vehiculares De Diseo
A menos que se especifique lo contrario, la solicitacin extrema se deber
tomar como el mayor valor entre:
El efecto del tndem de diseo combinado con el efecto de la carga del
carril de diseo, o
-
El efecto de un camin de diseo con la separacin entre ejes variables
como se muestra en la figura anterior combinado con el efecto de la carga
del carril de diseo, y
Tanto para momento negativo entre puntos de contraflexin bajo carga
uniforme en todos los tramos, como para reaccin en pilas interiores
solamente, 90 por ciento del efecto de dos camiones de diseo separados
un mnimo de 15.000 mm entre el eje delantero de un camin y el eje
trasero del otro, combinado con 90 por ciento del efecto de la carga del
carril de diseo. La distancia entre los ejes de 145.000 N de cada camin
se tomar como 4300mm.
2.2.4.4.7 Sobrecarga Distribuida
Se considerar una sobrecarga de 9,3kN/m (970kgf/m), uniformemente
distribuida en direccin longitudinal sobre aquellas porciones del puente en
las que produzca un efecto desfavorable. Se supondr que esta sobrecarga
se distribuye uniformemente sobre un ancho de 3,00 m en direccin
transversal. Esta sobrecarga se aplicar tambin sobre aquellas zonas donde
se ubique el camin o el tndem de diseo. No se considerarn efectos
dinmicos para esta sobrecarga.
2.2.4.4.8 Cargas Peatonales
Si se deber aplicar una carga peatonal de 3.6 x 10-3 MPa en todas las aceras
de ms de 600 mm de ancho, y esta carga se deber considerar
simultneamente con la sobrecarga vehicular de diseo.
Si las aceras, puentes peatonales o puentes para ciclistas tambin han de ser
utilizados por vehculos de mantenimiento y/u otros vehculos, estas cargas
se debern considerar en el diseo. Para estos vehculos no es necesario
considerar el incremento por carga dinmica.
2.2.4.4.9 Incremento Por Carga Dinmica: IM.
Los efectos estticos del camin o tndem de diseo, a excepcin de las
fuerzas centrfugas y de frenado, se debern mayorar aplicando los
porcentajes indicados en la siguiente tabla, incremento por carga dinmica.
El factor a aplicar a la carga esttica se deber tomar como: (1 + IM/100).
El incremento por carga dinmica no se aplicar a las cargas peatonales ni a
la carga del carril de diseo.
-
Tabla N
Incremento por Carga Dinmica, IM
Componente IM
Juntas del tablero todos los estados limites
75%
Todos los dems componentes Estrato de lmite de fatiga y fractura Todos los dems estados limites
15% 33%
Fuente: Tabla 3.6.2.1-1 AASHTO LRFD, 2007.
No es necesario aplicar el incremento por carga dinmica a:
Muros de sostenimiento no solicitados por reacciones verticales de la
superestructura, y
Componentes de las fundaciones que estn completamente por debajo
del nivel del terreno.
2.2.4.5 Carga De Viento
Se asumir que las presiones aqu especificadas son provocadas por una velocidad
bsica del viento, VB, de 160 Km/h.
Se asumir que la carga de viento est uniformemente distribuida sobre el rea
expuesta al viento. El rea expuesta ser la sumatoria de las reas de todos los
componentes, incluyendo el sistema de piso y las barandas, vistas en elevacin y
perpendiculares a la direccin de viento supuesta. Esta direccin se deber variar
para determinar las solicitaciones extremas en la estructura o en sus componentes.
En el anlisis se pueden despreciar las superficies que no contribuyen a la solicitacin
extrema considerada. Para puentes o elementos de puentes a ms de 10.000 mm
sobre el nivel del terreno o del agua, la velocidad de viento de diseo, VDZ, se deber
ajustar de la siguiente manera:
Donde:
VZ = Velocidad del viento (km/h) a la altura z
V10 = Velocidad de referencia, correspondiente a z = 10 m.
Z = Altura por encima del nivel del terreno o del agua (m)
C, Zo = Constantes dadas en la siguiente tabla:
Tabla N
Valores de las constantes C, Zo
Fuente: Manual de Diseo de puentes, 2003.
. (04)
-
2.2.4.5.1 Presiones horizontales sobre la estructura
Las presiones de viento sern calculadas mediante la expresin:
P = Presin del viento (kN/m2)
VZ = Velocidad del viento (km/h) a la altura z
PB = Presin bsica correspondiente a una velocidad de 100 km/h, dada
en la tabla siguiente.
Tabla N
Presiones bsicas correspondientes a una velocidad de 100 km/h
Fuente: Manual de Diseo de Puentes, 2003.
2.2.4.5.2 Presiones Verticales
Excepto cuando se determinen las presiones verticales debidas a viento
mediante un anlisis ms preciso o experimentalmente, se considerar una
fuerza vertical hacia arriba, uniformemente distribuida por unidad de longitud
de puente, con una magnitud igual a 0,96kN/m2 (100kgf/m2) multiplicada por
el ancho del tablero, incluyendo veredas y parapetos. Esta fuerza se
considerar aplicada a un cuarto de la dimensin total del tablero, hacia
barlovento.
2.2.3.5.3 Cargas de viento en las Superestructuras
Si el viento no se considera normal a la estructura, la presin bsica del viento,
PB, para diferentes ngulos de direccin del viento se puede tomar como se
especifica en el siguiente cuadro, y se deber aplicar a una nica ubicacin
de rea expuesta. El ngulo de oblicuidad se deber medir a partir de una
perpendicular al eje longitudinal. Para el diseo la direccin del viento ser
aquella que produzca la solicitacin extrema en el componente investigado.
Las presiones transversal y longitudinal se debern aplicar simultneamente.
2.2.4.5.4 Fuerzas Aplicadas Directamente a la Subestructura
Las fuerzas transversales y longitudinales a aplicar directamente a la
subestructura se debern calcular en base a una presin bsica del viento
supuesta de 0,0019 MPa. Para direcciones del viento oblicuas respecto de la
... (05)
-
estructura, esta fuerza se deber resolver en componentes perpendiculares
a las elevaciones posterior y frontal de la subestructura. La componente
perpendicular a la elevacin posterior deber actuar sobre el rea de
subestructura expuesta tal como se la ve en la elevacin posterior, mientras
que la componente perpendicular a la elevacin frontal deber actuar sobre
las reas expuestas y se deber aplicar simultneamente con las cargas de
viento de la superestructura.
2.2.4.5.5 Presin de Viento sobre los Vehculos: WL
Si hay vehculos presentes, la presin del viento de diseo se deber aplicar
tanto a la estructura como a los vehculos. La presin del viento sobre los
vehculos se debe representar como una fuerza interrumpible y mvil de 1.46
N/mm actuando normal a la calzada y 1800 mm sobre la misma, y se deber
transmitir a la estructura.
Si el viento sobre los vehculos no se considera normal a la estructura, las
componentes de fuerza normal y paralela aplicadas a la sobrecarga viva se
pueden tomar como se especifica en el siguiente cuadro, considerando el
ngulo de oblicuidad con respecto a la normal a la superficie.
Figura N
Mapa elico del Per
-
2.2.4.6 Efectos de Sismo
Las disposiciones de esta seccin son aplicables a puentes con una luz total no
mayor que 150 m y cuya superestructura est compuesta por losas, vigas T o cajn,
o reticulados. Para estructuras con otras caractersticas y en general para aquellas
con luces de ms de 150 m ser necesario un estudio de riesgo ssmico del sitio. En
ningn caso se usarn fuerzas ssmicas menores que las indicadas en los acpites
siguientes.
No se requerir considerar acciones de sismo sobre alcantarillas y otras estructuras
totalmente enterradas.
2.2.4.6.1 Fuerzas Ssmicas
Las fuerzas ssmicas sern evaluadas por cualquier procedimiento racional de
anlisis que tenga en cuenta las caractersticas de rigidez y de ductilidad, las
masas y la disipacin de energa de la estructura. Se supondr que las acciones
ssmicas horizontales actan en cualquier direccin. Cuando slo se realice el
anlisis en dos direcciones ortogonales, los efectos mximos en cada elemento
sern estimados como la suma de los valores absolutos obtenidos para el
100% de la fuerza ssmica en una direccin y 30% de la fuerza ssmica en
direccin perpendicular.
2.2.4.6.2 Coeficiente De Aceleracin
El coeficiente de aceleracin A para ser usado en la aplicacin de estas
disposiciones deber ser determinado del mapa de iso-aceleraciones con un
10% de nivel de excedencia para 50 aos de vida til, (Anexo), equivalente a
un periodo de recurrencia de aproximadamente 475 aos.
Estudios especiales para determinar los coeficientes de aceleracin en sitios
especficos debern ser elaborados por profesionales calificados si existe una
de las siguientes condiciones:
El lugar se encuentra localizado cerca de una falla activa.
Sismos de larga duracin son esperados en la regin.
La importancia del puente es tal que un largo periodo de exposicin, as
como periodo de retorno, debera ser considerado.
2.2.4.6.3 Categorizacin De Las Estructuras
Para efectos de establecer los procedimientos mnimos de anlisis, as como
para determinar los coeficientes de modificacin de la respuesta en distintos
casos, los puentes se clasificarn en tres categoras de importancia:
-
Puentes crticos.
Puentes esenciales, u
Otros puentes
Los puentes esenciales son aquellos que como mnimo debern quedar en
condiciones operativas despus de la ocurrencia de un sismo con las
caractersticas de diseo, a fin de permitir el paso de vehculos de emergencia
y de seguridad o defensa. Sin embargo algunos puentes debern permanecer
operativos luego de la ocurrencia de un gran sismo, que supere al sismo de
diseo, y permitir en forma inmediata el paso de vehculos de emergencia, y de
seguridad o defensa. Estos debern ser considerados como puentes crticos.
2.2.4.6.4 Zonas De Comportamiento Ssmico
Cada puente deber ser asignado a una de las cuatro zonas ssmicas de
acuerdo con la tabla siguiente.
Tabla N
Zonas Ssmicas
Coeficiente de Aceleracin Zona ssmica
A 0.09 1 0.09 < A 0.19 2 0.19 < A 0.29 3 0.29 < A 4
Fuente: Tabla 3.10.4-1 AASHTO LRFD, 2007
2.2.4.6.5 Condiciones Locales
Para considerar la modificacin de las caractersticas del sismo como resultado
de las distintas condiciones de suelo, se usarn los parmetros del cuadro
siguiente, segn el perfil de suelo obtenido de los estudios geotcnicos:
Tabla N
Coeficientes de Sitio
Coeficiente de
sitio
Tipo de perfil de suelo
I II III IV
S 1.0 1.2 1.5 2.0
Fuente: Tabla 3.10.5.1-1 AASHTO LRFD, 2007.
En sitios donde las propiedades del suelo no son conocidas en detalle
suficiente para determinar el tipo de perfil de suelo o donde la clasificacin
propuesta no corresponde a alguno de los cuatro tipos, el coeficiente de sitio
para Suelos Tipo II deber ser usado.
-
Suelo Perfil Tipo I
Roca de cualquier caracterstica descripcin, o arcilla esquistosa o cristalizada
en estado natural (tales materiales pueden ser descritos por velocidades de
ondas de corte mayores a 760 m/s.
Condiciones de suelo rgido donde la profundidad del suelo es menor a 60 m y
los tipos de suelos sobre la roca son depsitos estables de arenas, gravas o
arcillas rgidas.
Suelo Perfil Tipo II
Es un perfil compuesto de arcilla rgida o estratos profundos de suelos no
cohesivos donde la altura del suelo excede los 60 m, y los suelos sobre las
rocas son depsitos estables de arenas, gravas o arcillas rgidas.
Suelo Perfil Tipo III
Es un perfil con arcillas blandas a medianamente rgidas y arenas,
caracterizado por 9 m o ms de arcillas blandas o medianamente rgidas con o
sin capas intermedias de arena u otros suelos cohesivos.
Suelo Perfil Tipo IV
Es un perfil con arcillas blandas o limos cuya profundidad es mayor a los 12 m.
2.2.4.6.6 Coeficiente De Respuesta Ssmica Elstica
El coeficiente de respuesta ssmica elstica, Csn para el n-simo modo de
vibracin, deber tomarse como:
= 1.2/2 3 2.5 .. (06)
Dnde:
Tn = Periodo de vibracin del n-simo modo (s).
A = Coeficiente de aceleracin.
S = Coeficiente de sitio.
Excepciones.
Para puentes sobre perfiles de suelo tipo III o IV y en reas donde el coeficiente
A es mayor o igual a 0.30, Csn debe ser menor o igual a 2.0 A.
Para suelos tipo III y IV, y para otros modos distintos al modo fundamental el
cual tenga periodos menores a 0.3s, Csn deber tomarse como:
= (0.8 + 4.0) (07)
-
S el periodo de vibracin para cualquier modo excede 4.0 s, el valor de Csn
para ese modo deber tomarse como:
= 30.75 (08)
2.2.4.6.7 Factores De Modificacin De Respuesta
Para aplicar los factores de modificacin de respuesta que se especifican en
este tem, los detalles estructurales debern satisfacer las disposiciones
referentes al diseo de estructuras de concreto armado en zonas ssmicas.
Tabla N
Factores de Modificacin de Respuesta - Subestructuras
SUB ESTRUCTURA
IMPORTANCIA
CRITICA ESENCIAL OTROS
Pilar tipo de gran dimensin 1.5
1.5
2.0 Pilotes de concreto armado
Solo pilotes verticales 1.5
2
.
0
3.
0 Grupo de pilotes incluyendo pilotes inclinados 1.5
1
.
5
2.
0 Columnas individuales 1.5
2.0
3.0 Solo pilotes verticales 1.
5 3.5
5.0 Grupo de pilotes incluyendo pilotes inclinados
Columnas mltiples
1.5
1.5
2.0 3.5
3.0
5.0
Fuente: Tabla 3.10.7.1-1 AASHTO LRFD, 2007.
Aplicaciones.
Las cargas ssmicas sern asumidas que actan en cualquier direccin
lateral.
El apropiado factor R se debe usar para ambos ejes ortogonales de la sub-
estructura.
Un pilar tipo placa de concreto puede ser analizado como una columna
simple en la direccin ms dbil si las disposiciones para columnas, como
se especifica en el captulo de diseo de estructuras de concreto, son
satisfechas.10
2.2.4.6.8 Cargas sobre Veredas, Barandas y Sardineles
Sobrecargas en Veredas. Las veredas y los elementos que las soportan
debern disearse para una sobre carga de 3,5kN/m2 (360kgf/m2) actuante en
los tramos que resulten desfavorables en cada caso y simultneamente con las
cargas vivas debidas al peso de los vehculos. Se exceptan las veredas de los
puentes no urbanos cuyas veredas tengan anchos menores que 0,60 m, para
los cuales no ser necesario considerar esta sobrecarga.
-
Fuerzas sobre Sardineles. Los sardineles sern diseados para resistir una
fuerza lateral no menor que 7,5kN (760kgf) por metro de sardinel, aplicada en
el tope del sardinel o a una elevacin de 0,25m sobre el tablero si el sardinel
tuviera mayor altura.
Fuerzas sobre Barandas. Las fuerzas mnimas sobre barandas se detallan en
la tabla 2.
Cuadro. II - 14: Manual de Diseo de puentes: Fuerza de Diseo para Barandas.
PL-1 Primer nivel de importancia
Usado en estructuras cortas y de bajo nivel sobre puentes rurales y reas donde el
nmero de vehculos pesados es pequeo y las velocidades son reducidas.
PL-2 Segundo nivel de importancia
Usado para estructuras grandes y velocidades importantes en puentes urbanos y
en reas donde hay variedad de vehculos pesados y las velocidades son las
mximas tolerables.
PL-3 Tercer nivel de importancia
Usado para autopistas con radios de curvatura reducidos, pendientes variables
fuertes, un volumen alto de vehculos pesados y con velocidades mximas
tolerables. Justificacin especifica de este tipo de lugar ser hecho para usar este
nivel de importancia.
2.2.3.3.8.4 Variaciones de Temperatura
En ausencia de informacin ms precisa, los rangos de temperatura sern los
indicados en la tabla 3.
La temperatura de referencia ser la temperatura ambiente promedio durante las
48horas antes del vaciado del concreto o antes de la colocacin de aquellos
elementos que determinan la hiperestaticidad de la estructura.
-
Cuadro. II - 15: Manual de Diseo de puentes: Rangos de Temperatura.
2.2.4 TEORIAS DE ANALISIS.
El mtodo seleccionado de anlisis puede variar desde uno aproximado hasta otro
sofisticado dependiendo del tamao, complejidad e importancia de la estructura.
En general, las estructuras de puentes se analizan elsticamente. Sin embargo, se
puede considerar el anlisis inelstico o los efectos de redistribucin de fuerzas en
algunas superestructuras de vigas continuas.
2.2.4.1 MTODOS ACEPTABLES SEGN EL MANUAL DE DISEO DE PUENTES
DEL MTC.
Se podr usar cualquier mtodo de anlisis que satisfaga los requerimientos de
equilibrio y compatibilidad y utilicen las relaciones esfuerzo - deformacin de los
materiales, pudiendo incluir pero no estar limitados a:
Mtodo clsico de desplazamientos y fuerzas.
Mtodos de elementos finitos.
Mtodos de placas plegadas.
Mtodos de franjas finitas.
Mtodo de lnea de fluencia.
2.2.4.2 MODELOS.
Los modelos matemticos debern considerar las cargas, la geometra y el
comportamiento estructural del material y adems donde sea apropiada las
caractersticas de la respuesta de la cimentacin.
La eleccin del modelo deber ser consistente con los estados lmite, los efectos
de fuerza cuantificada y la exactitud requerida.
Por ejemplo, los estados lmite de servicio y fatiga debern ser analizados con
modelos elsticos. La misma aplicacin debe darse para los estados lmite de
resistencia, excepto en el caso de ciertas vigas continuas donde se requiera de
anlisis inelsticos, redistribucin inelstica de momentos negativos e investigacin
de estabilidad. Los estados lmite de evento extremo pueden requerir investigacin
de colapso basados enteramente en modelos inelsticos. Puentes muy flexibles
-
como por ejemplo los colgantes y los atirantados deberan ser analizados usando
mtodos elsticos no lineales, tales como la teora de grandes deflexiones.
2.2.5 MTODOS APROXIMADOS DE ANLISIS.
2.2.5.1 Tableros.
Un mtodo aproximado de anlisis para tableros, en el cual el tablero se subdivide
en franjas perpendiculares a los apoyos es considerado aceptable. Donde el mtodo
de franjas es usado, el momento positivo mayor de cualquier panel de tablero entre
vigas ser el que se considere en todas las regiones de momento positivo.
Similarmente el momento negativo mayor ser tomado en todas las regiones de
momento negativo.
2.2.5.2 Ancho Equivalente de Franjas Interiores.
El ancho de franja equivalente de un tablero puede ser tomado como se especifica
en el siguiente cuadro. Las franjas equivalentes para tableros cuya direccin principal
es perpendicular al trfico no estn sujetas a lmites de ancho. La siguiente notacin
es aplicada en el cuadro de ancho de franja equivalente:
S = Espaciamiento de componentes de apoyo (mm).
H = Espesor del tablero (mm).
L = Luz del Tablero (mm).
P = Carga por eje (N).
Sb = Espaciamiento de las barras de emparrillado (mm).
M+ = Momento positivo.
M- = Momento negativo.
X = Distancia desde la aplicacin de la carga al punto de apoyo (mm).
Tipo de Tablero Direccin de franja
principal relativa a la
Ancho de franjas
principales (mm).
Concreto:
Colocado en el lugar
Colocado en el lugar con permanencia
del encofrado
Prefabricado, preesforzado.
Cantilever 1140 + 0.833 X
Paralelo o +M: 660 + 0.55S
Perpendicular -M: 1220 + 0.25S
Paralelo o +M: 660 + 0.55S
Perpendicular -M: 1220 + 0.25S
Paralelo o +M: 660 + 0.55S
Perpendicular -M: 1220 + 0.25S
Acero:
Emparrillado abierto
Emparrillado lleno o parcialmente lleno.
Emparrillado compuesto, no lleno
Barras principales 0.007P+ 4.0 Sb
Barras principales Aplicar (Art 2.6.4.2.1.8)
Barras principales (AASHTO 9.8.2.4)
-
Madera :
Prefabricado colado No interconectado.
Interconectado
Laminados por presin
Laminados por clavos o pernos
Tableros continuos o paneles
Paneles no Interconectados.
Tablones o Entarimado
Paralelo 2.0 h + 760
Perpendicular 2.0 h + 1020
Paralelo 2280 + 0.07L
Perpendicular 4.0 h + 760
Paralelo 0.066S + 2740
Perpendicular 0.84 S + 610
Paralelo 2.0 h + 760
Perpendicular 4.0 h + 1020
Paralelo 2.0 h + 760
Perpendicular 2.0 h + 1020
Ancho de tablones
Cuadro: II 16. Franjas efectivas.
2.2.5.3 LNEAS DE INFLUENCIA.
La mayor aplicacin de las lneas de influencia es justamente en el diseo de los
puentes, particularmente en el caso de estructuras hiperestticas.
En el pasado se recurra a tabulaciones para ciertas relaciones de luces y que
permiten encontrar directamente las ordenadas de las lneas de influencia tanto para
momento como para corte cada dcimo de luz de tramo. En los puentes, la aplicacin
de estas tablas resulta limitada porque solo sirven para vigas de altura constante y
determinadas relaciones de tramos.
Para vigas continuas de seccin variable o constante, se recurre a una diversidad de
mtodos entre los que se destaca por su simplicidad el mtodo de distribucin de
momentos que sirve tambin para el caso de estructuras aporticadas.
Estas lneas permiten localizar los puntos crticos por carga viva y calcular las fuerzas
para diversas posiciones de las cargas. Las lneas de influencia para estructuras
estticamente indeterminadas no son tan fcil de trazar como para el caso de
estructuras isostticas. En estas ltimas se pueden calcular las ordenadas para
algunos puntos importantes y unir estos valores por medio de lneas rectas. Por
desgracia, las lneas de influencia en estructuras continuas exigen el clculo de
ordenadas en un gran nmero de puntos, porque los diagramas pueden ser curvos o
constar de una serie de cuerdas. El diagrama de cuerdas se determina cuando las
cargas se transmiten a intervalos a la estructura, como ocurre en los nudos de una
armadura o en las uniones de viguetas de una trabe.
El problema del trazo de esos diagramas no es tan difcil como se mencion en el
prrafo anterior, pues un gran porcentaje del trabajo se elimina mediante la aplicacin
del principio de las deflexiones reciprocas de Maxwell.
-
2.2.5.3.1 Lneas De Influencia Para Vigas Estticamente Indeterminadas.
A continuacin se describe el trazo de la lnea de influencia para la reaccin interior
de la viga de dos claros que se muestran en la siguiente figura.
El procedimiento para el clculo de VB ha sido plantear una ecuacin de
compatibilidad de desplazamientos de la forma:
= 0 Ecuacin II 9.
Donde, B es la deflexin en B causadas por las fuerzas primarias y bb es la
deflexin en B causada por una fuerza virtual unitaria en B. Este procedimiento se
usa para trazar una lnea de influencia para VB. Una carga unitaria se coloca en un
punto x a lo largo de la viga. De la ley de maxwell sobre las deflexiones reciprocas
sabemos que esta carga causa una deflexin B que es igual a bx. Entonces puede
establecerse la siguiente relacin:
Ecuacin II 10.
Figura: II 14. Ubicacin de una carga unitaria en un punto x.
A primera vista parecer que la carga unitaria tiene que colocarse en numerosos
puntos sobre la viga y el valor de bx puede ser laboriosamente calculado para cada
ubicacin. Sin embargo, un estudio de las deflexiones causadas, por una carga
unitaria en el punto x mostrara que estos clculos no son necesarios. Por la ley de
Maxwell, la deflexin bx en B debida a una carga unitaria en x es idntica a la
deflexin en x causada por una carga unitaria en B, o sea xb. La expresin para VB
es entonces:
Ecuacin II 11.
2.2.5.3.2 Teorema De Maxwell Sobre Las Deflexiones Reciprocas.
Existe una sorprendente relacin entre las deflexiones de dos puntos en una viga,
que fue publicada por primera vez por James Clerk Maxwell en 1864. El teorema de
Maxwell es enunciada de la siguiente manera:
-
La deflexin en un punto A de una estructura debida a una carga aplicada en otro
punto B es exactamente la misma que la deflexin que se obtendra en B si la misma
carga se aplicara en A.
El teorema se aplica a cualquier tipo de estructura, ya sea armadura, viga, marco,
que est hecha de material elstico que obedezca la ley de Hooke. Los
desplazamientos pueden ser causado por flexin, cortante o torsin. Este teorema
tiene frecuente aplicacin en la preparacin de lneas de influencia de estructuras
continuas, en el anlisis de estructuras hiperestticas y en el anlisis de modelos. El
teorema no solo es aplicable a las deflexiones de todos estos tipos de estructuras,
sino que tambin es aplicable a rotaciones.
2.2.5.4 CONSIDERACIONES SSMICAS EN PUENTES.
La dinmica, dentro del contexto de la mecnica, es el estudio de los cuerpos, o
conjuntos de partculas, en movimiento.
Cuando un cuerpo se desplaza de una posicin de equilibrio estable, el cuerpo tiende
a volver a esta posicin al verse afectado por la accin de fuerzas que tienden a
restablecer la situacin de equilibrio; este puede ser el caso, de las fuerzas
gravitacionales en un pndulo, o de las fuerzas elsticas impuestas por un resorte en
el caso de una masa apoyada en l. En general en el instante que el cuerpo vuelve
a su posicin de equilibrio tiene alguna velocidad que lo lleva ms all de esa
posicin, presentndose una oscilacin alrededor del punto de equilibrio. Estas
oscilaciones en el campo de la mecnica se denominan vibraciones mecnicas.
La dinmica estructural se ha desarrollado ampliamente a partir de la aparicin del
computador digital. Sus fundamentos se remontan ms de dos siglos y medio atrs,
pero puede decirse que el enfoque moderno proviene de las ltimas cuatro dcadas.
El anlisis y diseo sismorresistente de la estructura de un puente es una parte
fundamental del proyecto estructural y su objetivo es asegurar la integridad y
estabilidad de la estructura durante un sismo severo. Se acepta la posibilidad de
daos estructurales debido a incursiones inelsticas en el comportamiento de partes
de la estructura pero de forma que la estructura sea reparable.
2.2.5.4.1 Tipos De Excitacin Dinmica.
Toda estructura se ve afectada numerosas veces durante su vida por efectos
dinmicos que van desde magnitudes despreciables, hasta efectos que pueden
poner en peligro su estabilidad. Dentro de los tipos de excitacin dinmica que
pueden afectar una estructura, o un elemento estructural, se cuenta entre otros:
-
Causada por equipos mecnicos.- Dentro de este grupo estn los efectos
causados por maquinarias y equipos que tengan componentes que roten o se
desplacen peridicamente.
Causada por impacto.- El hecho de que una masa sufra una colisin con otra,
induce una fuerza impulsiva aplicada sobre las dos masas, la cual induce
vibraciones.
Causada por explosiones.- Una explosin produce ondas de presin en el aire,
o movimientos del terreno, ambos efectos afectan estructuras localizadas cerca
del lugar de la explosin.
Causada por el viento.- La intensidad de las presiones que ejercen el viento
sobre las estructuras vara en el tiempo. Esto induce efectos vibratorios sobre
ellas.
Causada por olas.- En las estructuras hidrulicas las olas inducen efectos
dinmicos correspondientes a las variaciones del empuje hidrulico sobre ellas.
Causada por sismos.- El efecto sobre las estructuras de los movimientos del
terreno producidos por la ocurrencia de un sismo conduce a vibraciones
importantes de la estructura.
Figura: II 15. Tipos de Excitacin Dinmica.
2.2.5.4.2 Caractersticas de un Sismo.
Desde el punto de vista estructural las caractersticas ms importantes de un sismo
son la aceleracin pico, la duracin y el contenido de frecuencias. La aceleracin
pico es la aceleracin mxima y representa la intensidad del movimiento del suelo.
-
La duracin es la longitud de tiempo entre el primer pico y el ltimo mayores que un
cierto nivel especificado. Mientras mayor es la duracin de un sismo mayor es la
energa impartida a la estructura de un puente. Debido a q la energa de
deformacin elstica absorbida por una estructura es muy limitada, un sismo fuerte
de gran duracin tiene gran posibilidad de forzar a la estructura del puente a
incursionar al rango del comportamiento inelstico, de aqu la importancia del
detallado de refuerzos para posibilitar la formacin de mecanismos inelsticos que
disipe la energa del sismo sin hacer colapsar a la estructura del puente.
2.2.5.5 Idealizacin Dinmica De La Estructura.
2.2.5.5.1 Matriz De Rigidez.
Matriz de rigidez de un elemento en coordenadas locales:
Figura: II 16. Fuerzas y Desplazamientos en los extremos de un elemento de prtico plano.
Ecuacin II 12.
Matriz de rigidez de un elemento en coordenadas globales:
-
Ecuacin II 13.
Dnde:
Ecuacin II 14.
= ngulo entre el eje x local y el eje X global.
2.2.5.5.2 Masa Distribuida.
Existe una alternativa para definir un procedimiento que permita disponer de las
propiedades de masa distribuida, pero concentrar los efectos en los extremos de
los elementos, como se hizo con las propiedades de rigidez, La matriz de masa del
elemento, denominada matriz consistente de masa, se ensambla y opera de una
manera totalmente anloga a la de la matriz de rigidez del elemento.
Figura: II 17. Aceleraciones y fuerzas en los extremos de un prtico plano.
Ecuacin II 15.
Esta matriz est definida en coordenadas locales del elemento.
2.2.5.5.3 Diafragma Flexible.
-
Desafortunadamente para el caso en el cual el diafragma se considera flexible no
existe un procedimiento general para implantar la idealizacin de diafragma flexible,
como s ocurre con el de diafragma rgido. Esto conlleva mayor criterio del ingeniero
que utiliza estas tcnicas con el fin de lograr idealizaciones adecuadas.
En general existen diferentes enfoques para clasificar los diafragmas flexibles. Los
tres ms conocidos son: diafragmas flexibles uniformes, diafragmas con huecos e
irregularidades y por ltimo diafragmas rgidos unidos por elementos flexibles.
Figura: II 18. Diagrama flexible de un puente continuo.
Dentro de lo que se puede clasificar como diafragmas flexibles uniformes hay un
caso muy comn que es un puente continuo, como el mostrado en la Figura anterior.
En general un puente recto como el mostrado, en el sentido longitudinal de la va
se puede considerar como una estructura de diafragma rgido. La losa del tablero
del puente es alargada, a un punto que cuando se le solicita por parte de una carga
horizontal en el sentido transversal del puente, la hiptesis de diafragma rgido no
es vlida, por lo tanto esta flexibilidad del diafragma debe tenerse en cuenta.
Una manera de enfocar la solucin del planteamiento de las ecuaciones de
movimiento de una estructura de diafragma flexible, tal como el puente mostrado
en la Figura anterior, puede ser el siguiente procedimiento: A cada uno de los
elementos de soporte del puente, prticos y estribos, se les calcula su rigidez ante
cargas horizontales en el sentido mostrado en la Figura anterior. Los grados de
libertad generales de la estructura se plantean tal como se muestra en la figura,
como un desplazamiento transversal y una posibilidad de giro, en todos los puntos
de interconexin entre el diafragma y los elementos de soporte. Para tener en
cuenta la rigidez del diafragma, este se supone compuesto por vigas colocadas de
tal manera que el alto, h, de su seccin est colocado horizontalmente y el ancho,
b, verticalmente, como muestra la figura. La masa puede concentrarse en los
-
grados de libertad traslacionales tomando la masa aferente, o bien generarla por
medio de la matriz consistente de masa de la Seccin anterior.
2.2.6 SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS.
El mtodo de los elementos finitos (MEF en castellano o FEM en ingls) es un mtodo
numrico general para la aproximacin de soluciones de ecuaciones diferenciales
parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniera y fsica.
Hablar de la modelacin en general es referirse a la aplicacin de un lenguaje
matemtico a un elemento, simulando las condiciones reales a las cuales va a estar
sometido durante su vida til. Hoy en da, debido a la gran cantidad de variables que
se deben tener en cuenta para analizar un fenmeno, se ha implementado el uso de
aplicaciones computacionales que tienen en cuenta este lenguaje matemtico, sin
apartarse del principio de la modelacin matemtica.
Es por esto por lo que al abordar el tema de la modelacin, se habla principalmente
de los principios en que se basa la modelacin matemtica, independientemente de
si est o no sistematizada. En la actualidad, este tipo de programas utilizan el mtodo
de elementos finitos, FEM (por su sigla en ingls, Finite Element Methods) para
resolver los modelos que se requieren analizar. CSiBridge emplea este mtodo al
analizar elementos tipo cascarones y slidos.
Por lo anterior, se hace necesario conocer conceptualizacin bsica, para as
entender el funcionamiento de estas aplicaciones computacionales.
2.2.6.1 DESCRIPCIN MATEMTICA DEL MTODO
El desarrollo de un algoritmo de elementos finitos para resolver un problema definido
mediante ecuaciones diferenciales y condiciones de contorno requiere en general
cuatro etapas:
1. El problema debe reformularse en forma variacional.
2. El dominio de variables independientes (usualmente un dominio espacial para
problemas dependientes del tiempo) debe dividirse mediante una particin en
subdominios, llamados elementos finitos. Asociada a la particin anterior se
construye un espacio vectorial de dimensin finita, llamado espacio de
elementos finitos. Siendo la solucin numrica aproximada obtenida por
elementos finitos una combinacin lineal en dicho espacio vectorial.
3. Se obtiene la proyeccin del problema variacional original sobre el espacio de
elementos finitos obtenido de la particin. Esto da lugar a un sistema con un
-
nmero de ecuaciones finito, aunque en general con un nmero elevado de
ecuaciones incgnitas. El nmero de incgnitas ser igual a la dimensin del
espacio vectorial de elementos finitos obtenido y, en general, cuanto mayor sea
dicha dimensin tanto mejor ser la aproximacin numrica obtenida.
4. El ltimo paso es el clculo numrico de la solucin del sistema de ecuaciones.
Los pasos anteriores permiten construir un problema de clculo diferencial en un
problema de lgebra lineal. Dicho problema en general se plantea sobre un espacio
vectorial de dimensin no-finita, pero que puede resolverse aproximadamente
encontrando una proyeccin sobre un espacio subespacio de dimensin finita, y por
tanto con un nmero finito de ecuaciones (aunque en general el nmero de
ecuaciones ser elevado tpicamente de miles o incluso centenares de miles). La
discretizacin en elementos finitos ayuda a construir un algoritmo de proyeccin
sencillo, logrando adems que la solucin por el mtodo de elementos finitos sea
generalmente exacta en un conjunto finito de puntos. Estos puntos coinciden
usualmente con los vrtices de los elementos finitos o puntos destacados de los
mismos. Para la resolucin concreta del enorme sistema de ecuaciones algebraicas
en general pueden usarse los mtodos convencionales del lgebra lineal en espacios
de dimensin finita.
2.2.6.2 SOFTWARE INTEGRADO PARA EL ANLISIS Y DISEO ESTRUCTURAL
CSIBRIDGE 2014.
2.2.6.2.1 CSIBRIDGE 2014
CsiBridge 2014 es un nuevo software integral del estado de la tcnica para el anlisis
estructural y ssmico; para el diseo y evaluacin de los puentes simples y complejos.
Todos los comandos se integran en una nica interfaz, que proporciona un entorno
fcil de usar as como realizar un trabajo intuitivo. Los modelos de Puente son
generados a partir de plantillas que el programa trae como predefinidos; permitiendo
al participante un gran ahorro de tiempo en la elaboracin del modelo del puente a
disear.
Modelo, anlisis y diseo de estructuras de puentes se han integrado en CsiBridge
2014 para crear lo ltimo en herramientas informticas a medida para satisfacer las
necesidades de los profesionales de ingeniera. La facilidad con que todas estas
tareas pueden desarrollarse, hace que CsiB