diseÑo puente con cepas_rev.c

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES

TALLER DE ESTRUCTURAS

MEMORIA DE CÁLCULO

DISEÑO DE PUENTE CON CEPAS

REVISOR:

Igor Reyes Tapia

INGENIEROS:

Manuel Alfaro Guerra

Alejandro Bezmalinovic Colleoni

Enrique Fuentes Arriagada

César López Sabelle

Javier Valenzuela Álvarez

ENERO 2014-REV.C



DISEÑO PUENTE CON CEPAS REV.C

2

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3

1.1 ALCANCES .................................................................................................................. 3

1.2 OBJETIVOS .................................................................................................................. 3

2. ESTRUCTURACIÓN .......................................................................................................... 3

3. BASES DE DISEÑO ............................................................................................................. 4

3.1 MATERIALIDAD ........................................................................................................ 4

3.1.1 VIGAS ................................................................................................................... 4

3.1.2 LOSAS, CEPAS Y ESTRIBOS .............................................................................. 4

3.1.3 PAVIMENTO ....................................................................................................... 5

3.1.4 PLACA ELASTOMÉRICA .................................................................................. 5

3.2 NORMATIVA .............................................................................................................. 5

3.3 COMBINACIONES DE CARGA Y FACTORES DE CARGA .................................. 6

3.4 CARGA MÓVIL ........................................................................................................... 8

3.5 SISMO ......................................................................................................................... 10

3.6 ESTABILIDAD DE FUNDACIONES ....................................................................... 13

3.6.1 CARGA ÚLTIMA DE PILOTES ........................................................................ 13

3.6.2 COEFICIENTE DE BALASTO HORIZONTAL PARA PILOTES ................... 14

4. ANÁLISIS MODAL........................................................................................................... 17

ANEXOS

ANEXO 1 - DISEÑO PLACA ELASTOMÉRICA

ANEXO 2 – PLANOS




3

1. INTRODUCCIÓN

1.1 ALCANCES

El presente informe detalla el cálculo estructural de un puente emplazado sobre un

río. Este puente tiene como función principal dar conectividad vial a ambas riberas del

cauce.

1.2 OBJETIVOS

Para la presente revisión se establecen los siguientes objetivos:

Realizar modelo estructural del puente en SAP2000 para análisis modal.

Analizar modelo estructural mediante el método modal espectral para diseño de

placa elastomérica.

Verificar diseño de placa elastomérica mediante método del coeficiente sísmico

modificado por la respuesta estructural.

Predimensionar geometría de cepas.

Verificar que la fuerza cortante elástica sea mayor o igual al corte basal mínimo

exigido, obteniendo finalmente el factor de respuesta estructural del puente.

2. ESTRUCTURACIÓN

El puente proyectado, catalogado como puente recto con cepas, posee un largo

total de 74 m, dispuesto en 4 tramos: el tramo inicial y final con un largo de 17 m,

mientras que los dos centrales de 20 m cada uno. Los tramos se encuentran soportados

por 5 vigas de hormigón pretensado de altura 123 cm, separadas transversalmente a 2,7 m

entre sí.

El tablero, de 15 cm de espesor y ancho total de 13,80 m, contempla una calzada de

7 m y pasadas peatonales de 1,2 m. Ambos lados se encuentran restringidos mediante

defensa tipo F alta y baranda peatonal externa respectivamente.




4

La superestructura descansa sobre apoyos elastoméricos, los cuales permiten el

traspaso de las cargas a la infraestructura, consistente en estribos tradicionales rígidos con

muros ala en 90° con respecto al muro frontal y en tres cepas intermedias del tipo pila-

pilote. Ambos elementos se encuentran fundados mediante pilotes preexcavados de

hormigón armado.

En relación a la infraestructura, las cepas se componen de un cabezal de

dimensiones 1,5 x 1,5 x 12,80 m y un sistema de 3 pila-pilotes, de 1,2 m de diámetro con

una longitud de 4m y 9,5 m respectivamente.

3. BASES DE DISEÑO

3.1 MATERIALIDAD

3.1.1 VIGAS

3.1.1.1 Hormigón

Hormigón : H55

Peso unitario : 2500 kg/m3

3.1.1.2 Cables de Pretensado

Acero : f´s = 18600 kg/cm2

E del acero : 2100000 kg/cm2

3.1.2 LOSAS, CEPAS Y ESTRIBOS

3.1.2.1 Hormigón

Hormigón : H30

Espesor : 20 cm

Densidad : 2500 kg/m3

3.1.2.2 Acero de refuerzo

Acero : A630-420H

Es : 2100000 kg/cm2




5

3.1.3 PAVIMENTO

Espesor : 5 cm

Peso unitario : 2400 kg/m3

3.1.4 PLACA ELASTOMÉRICA

Dureza : 60 Shore A ± 5

G estático : 10 kg/cm2

G sísmico : 13 kg/cm2

3.2 NORMATIVA

Para el presente proyecto se considera la siguiente normativa:

- Manual de Carreteras. Volumen 3, “Instrucciones y Criterios de Diseño”.

Diciembre 2012. Ministerio de Obras Públicas.

- AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. 2007.




6

3.3 COMBINACIONES DE CARGA Y FACTORES DE CARGA

Se utilizan las combinaciones de cargas especificadas por la norma AASHTO LRFD

2007 de acuerdo a lo indicado en la Tabla 3.4.1-1 y Tabla 3.4.1-2 de la sección 3:




7

Para el diseño del puente se utilizan, específicamente, las siguientes combinaciones

de carga:

Diseño de Superestructura

�� (��á�� )

�� (��á�� )

Diseño de Infraestructura

��

Diseño de Viga Pretensada

��




8

Verificación Viga Pretensada

��

3.4 CARGA MÓVIL

Para la carga móvil solicitante se utiliza el Camión HL-93 de la norma AASHTO

LRFD 2007.

La carga móvil se encuentra afectada por los siguientes factores de corrección:

Coeficiente de Incremento por Carga Dinámica (IM):

Se define el Coeficiente de Incremento por Carga Dinámica (IM) según la norma

AASHTO LRFD 2007 en la Tabla 3.6.2.1-1 en la sección 3:




9

Coeficiente de Distribución

Se define el Coeficiente de Distribución para el cálculo del momento flector, según

la norma AASHTO LRFD 2007, a través de los siguientes casos:

a) Para vigas interiores según Tabla 4.6.2.2.2b-1

- Una pista de diseño:

�� = 0,06 + ��

4300�

�,�

∙ ��

��

�,�

∙ ��

� ∙ ��

�,�

- Dos pistas de diseño o más:

�� = 0,075 + ��

2900�

�,�

∙ ��

��

�,�

∙ ��

� ∙ ��

�,�

Donde,

S : Separación entre vigas (mm) ; 1100 < � < 4900

L : Longitud de cálculo (mm) ; 7000 < � < 73000

ts : Espesor de losa de Ho (mm) ; 110 < �� < 300

Kg : Rigidez longitudinal (mm⁴) ; 4 ∙ 10� < �� < 3 ∙ 10��

�� = � ∙ (� + � ∙ ��)

Donde,

n : Factor modular de homogeneización ; � = �� ⁄

I : Inercia viga (sin losa colaborante)

A : Área viga (sin losa colaborante)

eg : Distancia entre centros de gravedad de viga y tablero

b) Para vigas exteriores, se obtiene de la ley de momentos.




10

3.5 SISMO

Para el análisis sísmico de la estructura se considera el Método Modal Espectral

incluido en el numeral 3.1004.309(3) del Manual de Carreteras Volumen 3. Posteriormente

se verifica el análisis mediante el Método del Coeficiente Sísmico Modificado por la

Respuesta Estructural incluido en el numeral 3.1004.309(2) del Manual de Carreteras

Volumen 3.

Método Modal Espectral

El valor espectral de aceleración absoluta correspondiente el modo “m”, se obtiene

del siguiente espectro de aceleración de diseño:

Método del Coeficiente Sísmico modificado por la Respuesta Estructural

El valor del coeficiente sísmico horizontal se obtiene de la siguiente expresión:




11

Los respectivos valores para las constantes de ambos métodos se indican en las

siguientes tablas:




12

Se evalúa el corte basal elástico obtenido según lo exigido en el Manual de

Carretera en el numeral 3.1004.311 Volumen 3.




13

3.6 ESTABILIDAD DE FUNDACIONES

Se analiza la estabilidad de la fundación tanto en condición de servicio como en

condición sísmica, verificando que no se sobrepasen las cargas últimas de los pilotes

entregadas por el geotécnico.

3.6.1 CARGA ÚLTIMA DE PILOTES

La carga estática última de compresión para pilotes está dada por la siguiente

ecuación:

�Ú�� = 170 ∙ �� + 9 ∙ � ∙ � ��

La capacidad admisible al arranque para solicitaciones estáticas axiales de los

pilotes está determinada por la siguiente ecuación:

�� = 9 ∙ � ∙ � + ��

Donde,

D : Diámetro de pilote (m)

L : Longitud de pilote (m)

PPP : Peso propio del pilote (Ton), calculado con su peso buoyante.

Para solicitaciones estáticas más sísmicas, los valores de CÚLTIMO y TADM se obtienen

multiplicando por 1,5 las expresiones de cada capacidad, salvo el sumando PPP.




14

3.6.2 COEFICIENTE DE BALASTO HORIZONTAL PARA PILOTES

Se considera el coeficiente de balasto horizontal bajo el nivel de socavación máxima

en las cepas según la siguiente formulación:

Desde superficie de terreno a 5 m bajo nivel de terreno:

�� = 2,5 ∙ ��

��

��

De 5 m de profundidad hacia abajo:

�� = 3,5 ∙ ��

��

��

Donde,

Z : Profundidad bajo nivel de terreno (m)

D : Diámetro de pilote (m)

Los balastos se corrigen por efecto de grupo según el Manual de Carretera por la

siguiente gráfica expuesta.




15




16




17

4. ANÁLISIS MODAL

Se realiza la modelación del puente con el objetivo de determinar sus períodos

naturales y modos de vibración, inherentes a la distribución másica de los elementos

estructurales, principalmente aquellos pertenecientes a la superestructura.

Se busca determinar un número mínimo de modos, de tal forma que la masa

movilizada (acumulada) corresponda como mínimo al 90% de la masa total del puente

modelo, según indicaciones de la normativa indicada. Las fuentes de masa son los

elementos estructurales y las cargas permanentes.

El tablero comprende el uso de un elemento Shell delgado (thin) continuo y de

20cm de espesor. Lo anterior, para prescindir de transmisión de corte a través del

diafragma. Éste se conecta al sistema de vigas a través de las posiciones centroidales de

cada elemento. Por razones de estabilidad, los voladizos presentes en los extremos de la

vista transversal se consideran como una carga equivalente distribuida sobre cada tramo

del tablero y superpuesta a la carga permanente de elementos no estructurales presentes

en dicho lugar.

Debido a que la rigidez de cada estribo involucra valores muy elevados con

respecto a los dados por otros elementos, se prefiere sólo considerar la modelación de las

placas elastoméricas presentes en dicho lugar. Ésta se realiza en base a elementos de

conexión (Link Elements), que permiten relacionar de diversas maneras las

compatibilidades entre los grados de libertad extremos de los nodos a los que se asocia. En

este caso, se elije una conexión Lineal, de rigidez tentativa dada por el prediseño de la

placa elastomérica.

Similarmente, las cepas se modelan considerando su tipología de Pila-Pilote y

usando ídem conexión para representar la presencia de placas en los lugares de apoyo de

los tramos intermedios. Las vigas Dintel se sitúan a la distancia correspondiente entre los

centroides de dichos elementos y las vigas principales.




18

Los pilotes comparten sección y materialidad con los pilares de las cepas, mas

despreciando su aporte másico por encontrarse bajo el nivel de terreno. El aporte en

rigidez del suelo de fundación se realiza mediante resortes cada medio metro por bajo el

nivel máximo de socavación, cuya rigidez corresponde al Módulo de Balasto horizontal

(variable con la profundidad) ponderado por el área de influencia del resorte, 0,5D (D:

diámetro del pilote). Debido a que sólo se considera un pilote por cepa (en el sentido

longitudinal), no se considera corrección por grupo de pilotes (Cr).

Finalmente, reconociendo que dichos resortes son los que aportan restricción al

movimiento sólo en las direcciones longitudinal y transversal de los pilotes, a nivel de su

sello de fundación, se incorpora un apoyo tipo carro para simular una resistencia

(perfecta) de punta en la dirección faltante.

Como resultado del presente análisis, en relación a las características del suelo de

fundación y de la zona sísmica en la cual se emplaza el presente proyecto se obtienen los

períodos naturales de la estructura. Además se verifica que el porcentaje de participación

de masas es mayor al 90%.

TABLE: Modal Participating Mass Ratios

OutputCase StepType StepNum Period SumUX SumUY SumUZ

Text Text Unitless Sec Unitless Unitless Unitless

MODAL Mode 1 1,25947 0 0,953042 0

MODAL Mode 2 1,189686 0,95607 0,953042 0

MODAL Mode 3 0,687052 0,95607 0,953042 3,17E-20

MODAL Mode 4 0,351361 0,95607 0,953042 5,156E-17

MODAL Mode 5 0,334807 0,95607 0,953042 0,001354

MODAL Mode 6 0,32365 0,95607 0,953429 0,001354

MODAL Mode 7 0,293416 0,95607 0,953429 0,001354

MODAL Mode 8 0,291349 0,956519 0,953429 0,001354

MODAL Mode 9 0,28369 0,956519 0,954399 0,001354

MODAL Mode 10 0,253607 0,956524 0,954399 0,001354

MODAL Mode 11 0,243082 0,956524 0,954399 0,001354

MODAL Mode 12 0,242477 0,956524 0,954488 0,001354




ANEXOS




ANEXO 1 - DISEÑO PLACA ELASTOMÉRICA




ANEXO 2 – PLANOS

diseÑo puente con cepas_rev.c

Documents