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Diseño y Cálculo de Puentes 2013-01

Acciones


1.- Cuadro Cuadro general general de accion acciones es Acciones

Directas (Fuerzas)

Planos de acción Vertical

Horizontal Longitudinal Horizontal Transversal

Indirectas (Movimientos impuestos)

Gravitacional: • Peso Peso propi propio o (g1) (g1) • Permanent Permanente e super. super. (g2) (g2) • Sobrec Sobrecarg arga a (q, (q, Q) Sismo vertical Frenado (Fx) Sismo Longitudinal (Eqx)

Def. lineal dintel εci, εcγ, εcs, εct

Viento (Fyw) F. Centrífuga (Fyc) Sismo Transversal (Eqy)

Def. transversal dintel εcs, εct (εci, εcγ)

Asiento diferencial ∆T


1.- Cuadro Cuadro general general de accion acciones es Acciones

Directas (Fuerzas)

Planos de acción Vertical

Horizontal Longitudinal Horizontal Transversal

Indirectas (Movimientos impuestos)

Gravitacional: • Peso Peso propi propio o (g1) (g1) • Permanent Permanente e super. super. (g2) (g2) • Sobrec Sobrecarg arga a (q, (q, Q) Sismo vertical Frenado (Fx) Sismo Longitudinal (Eqx)

Def. lineal dintel εci, εcγ, εcs, εct

Viento (Fyw) F. Centrífuga (Fyc) Sismo Transversal (Eqy)

Def. transversal dintel εcs, εct (εci, εcγ)

Asiento diferencial ∆T


1.- Acciones Acciones Directa Directass Verticales Verticales •

Gravitacional

a) Peso Propio:

Depende del diseño Importante en luces medias MUY importante en grandes luces

En puente carretero:

g1 = g * Ai con g = 2,5 t/m3 (hormigón)

Orden de magnitud, según espesor medio:


Para puente vigas: em = 0,28 0,28 + 0,012 0,012 (L-20); 20 <= L <= 45 metros metros Para puente losa: em = 0,016 (L + 10) em = 0,036 L Para puente cajón: em = 0,45 0,45 + 7,5 7,5 / 1000 (L – 30); H = Cte, L <= 50 metros metros em = 0,60 0,60 + 5 / 1000 (L (L – 85); H = Variable, Variable, L >= 85 metros metros Para puente de Ferrocarril, Magnitud 50% superior


1.- Acciones Acciones Directa Directass Verticales Verticales •

Gravitacional

b) Perm ermanent nente: e:

Peso eso de equip quipa amien miento to

En puente carretero:

Pavimento Aceras y pasillos (bordillos) Barreras y barandas Servicios Moldaje o encofrado perdido

Orden de magnitud: g2 = 250 a 300 kg/m2 En puente ferrocarril:

Balasto (h>= 45 cm) Vía (carriles + atravieso) Hormigón = 450 kg/m Madera = 270 kg/m Andenes + barandillas Postes catenaria

Carga que actúa en estructura Definitiva


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional a) Carga móvil Considera las carga que se desplazan sobre el puente: vehículos, automóviles, peatones, otros. Para representar las cargas de diseño a lo largo de la vida útil del puente se define: Camión de diseño. • Camión estándar •

Carga de faja (controla en puentes de simple apoyo y con luz mayor a 35 metros). Representa un atasco vehicular.

Según AASHTO son aplicables dos sistemas: • H (2 ejes de carga) • HS (3 ejes de cargas, y aplicados hoy)


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Camión Estándar:

Ancho de tránsito: Ancho vía de diseño:

3,05 metros 3,66 metros

Posicionar el camión en cada vía de diseño, tantas veces como vías de diseño se puedan incorporar en la calzada: N° entero.


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Carga de Faja:

Carga uniforme por metro lineal de faja de tránsito. Combinada con carga concentrada (dos en el caso de tramos continuo), colocada sobre la viga para generar máxima tensión en la estructura. Carga concentrada y uniforme se distribuyen uniformemente en un ancho de 3,05 metros. Se aplica sobre la línea normal a la línea central de la faja. En puentes de simple apoyo L < 35 metros, diseño con carga estándar y verificación con carga de faja.


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Tipo de carga:

AASHTO define cuatro cargas o camiones estándar: • • • •

H 20 – 44 H 15 – 44 HS 20 – 44 HS 15 – 44

Las cargas 15, corresponden a un 75% de las 20. Para utilizar otras cargas, deben actualizarse de manera proporcional de los pesos asignados para camión y carga de faja. La extensión 44 hace referencia al año en que fue instruido este tipo de carga (Edición 1944 de la AASHTO).


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Carga de Faja HS:


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Camión H:

El número que acompaña a la letra indica el peso en toneladas inglesas.

El área de rueda corresponde a 50 x 20 cm.


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional Camión HS:

Camión Semi-Trailer

La separación entre ejes del camión se consideran variables para puente continuos. Pues al colocar el eje pesado en tramos adyacentes generando máximo momento negativo. Puentes de simple apoyo, v = 4,2 metros.


1.- Acciones Directas Verticales •

Gravitacional

Coeficiente de Impacto:



Gravitacional

Coeficiente de Reducción:



Gravitacional

Coeficiente de Distribución:

Coeficiente de Mayoración:




Momento Absoluto

Mayor momento que genera el paso de un camión. Se plantean tres problemas: • • •

Momento Absoluto por camión HS 20 – 44 Momento Absoluto por carga de faja Longitud límite de un tramo simplemente apoyado

Teorema para grupos de cargas en movimiento: “El momento absoluto normalmente se ubica bajo la rueda más próxima a la resultante de todas las cargas de rueda cuando el eje de simetría del tramo libre equidistante entre la posición de la resultante y la rueda más cercana.”


1.- Acciones Directas Verticales a) Para HS 20 – 44, aplicado en tramo simple apoyo y luz L.

Para una línea de rueda, distribución de carga. Se escoge el M = 0 con la última rueda:


1.- Acciones Directas Verticales Al aplicar el teorema se obtiene:

Si se considera el impacto y la distribución por desplazamiento lateral, el Momento Absoluto se define:


1.- Acciones Directas Verticales b) Momento Absoluto por carga de faja:


1.- Acciones Directas Verticales c) Longitud límite: Se define la longitud en que la carga de faja toma predominancia. Para ello debe cumplirse que:


1.- Acciones Directas Verticales d) Área de Influencia de rueda Método práctico para determinar el momento máximo en distintos puntos.

Momento en punto Z:


1.- Acciones Directas Verticales d) Área de Influencia de rueda Valor que debe tomar Z para que M1z <= M2z.

Por lo tanto:

Momento mayor lo entrega la rueda central del camión HS 20 – 44 En tanto que el Momento Absoluto lo entrega el punto Z:


1.- Acciones Directas Verticales • Gravitacional La carga de diseño se define como:

Donde P: Rueda estática según diseño, = 7,26 T Este P se define para un plano de carga en un camión/2. Aplicado Mmáximo en viga simple apoyo.



Gravitacional

b) Sobrepesos y sobredimensiones



Gravitacional

•

Carga peatonal (P)

Para pasillos se debe considerar un P = 415 kg/m2 Para vigas que soportan el pasillo se determina según la tabla:

Para puentes con luces superiores a 30,5 metros la carga lo define, sin que exceda los 293 kg/m2


2.- Acciones Directas Horizontales a) Frenado: AASHTO define la carga como el 5% de la carga viva que solicita el puente aplicadas a 1,83 metros de la rasante. En Chile ésta es cubierta por el sismo longitudinal. b) Centrifuga: Aplicable en puentes curvos.


2.- Acciones Directas Horizontales c) Asientos diferenciales • • • • •

Estructuras hiperestáticas Análisis de informes geotécnicos Factores de la construcción Considerar la reología del hormigón ELS y ELU

d) Esfuerzo térmico El esfuerzo genera dilataciones. El rango de temperatura se debe ajustar al emplazamiento. Lo habitual en juntas de dilatación alcanza los 3 cm. Se analizan dos casos de Gradiente Térmico: • •

Lineal equivalente Variación uniforme


2.- Acciones Directas Horizontales • Lineal equivalente Los valores de DT depende del emplazamiento. No considerar si hay capa de rodadura.

Valores de combinación: Servicio en vacío: ∆T: valor máximo Servicio en carga: ∆T = ∆Tmax/2 ó 0


2.- Acciones Directas Horizontales • Lineal equivalente (vertical positivo) ∆T > 0 Función de: • Material (acero u hormigón) • Sección transversal

Factores de corrección Ki: canto del tablero, espesor pavimento, distancia entre vigas aligeramiento ∆Tref,si: se determinar según mapas. Caso de Chile por el

de la zona.

estudio de Temperatura


2.- Acciones Directas Horizontales • Lineal equivalente (vertical negativo) ∆T < 0 Pav. bituminoso

Sin pavimento

Hormigón

0

-3 °C

Acero

-3

-1 °C

• Lineal equivalente (transversal)

Hormigón: 2,5 – 3 °C Acero: 6 – 8 °C


2.- Acciones Directas Horizontales • Variación uniforme Acero y hormigón

Z: N° zona, h: canto (m), S: separación vigas (m), K – a – b – C: secc. transv y material Mixto Hormigón

Acero

Calentamiento

20 – 0,75 RAIZ(e)

35 °C

Enfriamiento

-20 + 0,75 RAIZ(e)

-35 °C

e: espesor ficticio (m); B: área transversal (m2); p: perímetro transversal (m)


2.- Acciones Directas Horizontales e) Deformación lineal del dintel

(++) Fluencia y retracción depende del esquema estático final (distinto por construcción)


2.- Acciones Directas Horizontales f) Sismo: no afecta a la superestructura, pero si como masa aplicada a la infraestructura El objetivo presente del Manual de Carreteras en cuanto a las características obtenidas del diseño sísmico establece que las estructuras deben resistir sin daño, en el rango elástico, movimientos sísmicos de intensidad moderada. Además deben limitar los daños en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad. Aunque presenten daños se debe evitar su colapso total o parcial durante sismos de intensidad excepcionalmente severa. Dentro de lo posible, el daño que ocurriera debería presentarse en zonas en que pueda ser detectado rápidamente y de fácil acceso para su inspección y reparación. El riesgo de vida humana debe ser mínimo, no aceptándose como principio general. La sección de diseño sísmico para puentes es válido para luces libres que no superen los 70 metros y su alcance no hace referencia a puentes con luces mayores, ni con tipologías especiales, como puentes colgantes, atirantados, en arco, entre otros.


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: Para el diseño sísmico se consideran como requerimientos generales los siguientes: • Coeficiente de aceleración (Ao) y zonificación sísmica. Este coeficiente de aceleración máxima efectiva del suelo va en relación con la ubicación geográfica en Chile, asociada a la zonificación sísmica tal cual lo muestra la tabla siguiente. Dicha zonificación sísmica se representa en un mapa, donde la zona 3 corresponde al sector costa, y zona 1al sector cordillera. Para las regiones de la IV a la IX existen tablas comunales con la zonificación sísmica. Tienen una probabilidad de excedencia de 10% en 50 año, equivalente a un periodo de retorno de 475 años. Ao’ corresponde al Coeficiente de Aceleración Efectiva Máxima = Ao / g


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: • Aceleración máxima del suelo (ao) Corresponde al valor promedio que miden los acelerógrafos en suelo duro con un periodo de retorno de 475 años.

• Clasificación por importancia (CI). Esta clasificación se aplica a los puentes ubicados en las zonas sísmicas 2 y 3 y es llevada a cabo por la Dirección de Vialidad de acuerdo con el siguiente criterio: Puentes y Estructuras Esenciales Otros Puentes y Estructuras

CI=I CI = II


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales:


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: • Peligro de socavación sísmica (PSS). Esta clasificación corresponde al nivel de socavación remanente después de ocurrida la socavación máxima y se expresa como porcentaje de ella.

El nivel de socavación remanente es importante en sistemas hidráulicos de torrente. La Socavación Total corresponde a la socavación general más local para los periodos de retorno especificados.


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: • Categoría de comportamiento sísmico (CCS). De acuerdo a los coeficientes de aceleración, a la clasificación por importancia y al peligro de socavación sísmica, los puentes se clasifican en cuatro categorías de comportamiento sísmico desde la ‘a’ hasta la ‘d’. Esta calificación permite estimar los requerimientos mínimos de diseño y análisis.


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: • Coeficiente del suelo (S). Los coeficientes de suelo dependen del perfil de suelo definido y permiten incorporar el efecto de él en los coeficientes sísmicos y espectros de diseño, según la tabla siguiente.


2.- Acciones Directas Horizontales Requerimientos generales: • Coeficiente del suelo (S).


2.- Acciones Directas Horizontales Métodos de Análisis Para determinar las cargas sísmicas se consideran 5 métodos: • Método del Coeficiente Sísmico. • Método del Coeficiente Sísmico Modificado por la respuesta Estructural. • Método Modal Espectral. Estos son aplicables en puentes tradicionales y estructuras afines, constituidas por superestructura e infraestructura, sin incluir estribos (solo como apoyos). • Método Modal Espectral con Estudio de Riesgo Sísmico. • Método de Análisis Lineal o no-Lineal en el Tiempo. Son análisis rigurosos a petición de la Dirección de Vialidad para puente considerados críticos, singulares (geometría compleja) o próxima a fallas geológicas activas superficiales.


2.- Acciones Directas Horizontales • Método del Coeficiente Sísmico Aplicable a pasarelas, pasos desnivelados y puentes simplemente apoyados de hasta dos tramos, con luces que no superen los 70 metros, con diferencias de cota entre la mesa de apoyo y nivel de socavación no supere los 12 metros. El coeficiente sísmico horizontal de diseño, Kh, se obtiene como:

Se deben considerar los factores de modificación de respuesta (R) = 1 en todos los casos. Análisis independiente en dos direcciones longitudinal y transversal.


2.- Acciones Directas Horizontales • Método del Coeficiente Sísmico Modificado por la Respuesta Estructural Aplicado a puentes simplemente apoyados de más de dos tramos y puentes continuos, con luces libres que no superen los 70 metros, en que la diferencia de cotas entre la mesa de apoyo y el nivel de socavación no supere los 25 metros.

Las fuerzas sísmicas de cada miembro individual del puente y sus conexiones se obtienen dividiendo por los factores R de respuesta del Numeral 3.1004.310.


2.- Acciones Directas Horizontales • Método del Coeficiente Sísmico Modificado por la Respuesta Estructural El periodo fundamental Tn se determina de acuerdo al Método de Rayleigh o según la tabla:


2.- Acciones Directas Horizontales • Método del Coeficiente Sísmico Modificado por la Respuesta Estructural

El esfuerzo de corte basal mínimo total del puente. Si el corte es inferior a ese límite mínimo, las solicitaciones de los elementos estructurales deberán amplificarse por un factor tal, que dicho esfuerzo de corte alcance el valor mínimo señalado.


2.- Acciones Directas Horizontales • Método Modal Espectral Aplicado a puentes simplemente apoyados de más de dos tramos y puentes continuos, con luces libres que no superen los 70 metros, en que la diferencia de cotas entre la mesa de apoyo y el nivel de socavación no supere los 50 metros. Se puede aplicar a los otros dos métodos. El valor espectral de aceleración absoluta correspondiente al modo m, Sa(Tm), se obtiene del siguiente espectro.

La superposición de los valores máximos modales Si, deben hacerse según:


2.- Acciones Directas Horizontales • Método Modal Espectral Los coeficientes de acoplamiento modal ρij se determina según:

Incluye todos los modos normales ordenados según valores crecientes de las frecuencias propias, tal que se alcance la suma de masa equivalente para cada dirección de un 90% de la masa total. El corte basal mínimo corresponde a:


2.- Acciones Directas Horizontales • Método Modal Espectral Refleja la absorción y disipación de energía de la estructura resistente. Aplicado a los comportamiento de estructuras en Chile. El uso de R es un detalle del diseño sísmico para incursionar en comportamientos cíclicos no lineales y la formación de rótulas plásticas.


2.- Acciones Directas Horizontales • Método Modal Espectral


2.- Acciones Directas Horizontales • Método Modal Espectral Criterios de combinación para la fuerza sísmica ortogonal. Esto permite controlar la incertidumbre en la dirección del movimiento sísmico y la ocurrencia simultánea de valores máximos en las dos direcciones. Estado de Carga I: Eqx + 0,3 Eqy Estado de Carga II: Eqy + 0,3 Eqx. En Europa se incorpora a ello la componente vertical para un análisis completo frente a puentes singulares. Eqi + 0,33 Eqj + 0,33 Eqk


2.- Acciones Directas Horizontales • Viento: La norma AASHTO establece dos tipos de cargas de viento, a saber: -Carga uniformemente distribuida se aplica perpendicular a las caras expuestas. -Aplica longitudinalmente al eje del puente. -Carga de diseño según combinación: - II y V, utilizar fuerza generada por velocidad de diseño. - III y VI, la velocidad puede aumentar o disminuir. La fuerzas aplicadas en superestructura, corresponden según tipo de elemento:


2.- Acciones Directas Horizontales • Viento: a)Aerodinámica: geometría del puente en estado no deformado. b)Aeroelástica: interacción entre movimiento de la estructura y fuerzas actuantes Fuerzas estáticas: a)Arrastre: Desplazamiento horizontal

b) Levantamiento: Desplazamiento vertical


2.- Acciones Directas Horizontales • Viento: c) Momento de Torsión:

-Los coeficientes se obtienen mediante Túnel de Viento o coeficientes adimensionales. -El análisis debe contemplar etapas de servicio y construcción (lanzamiento de vigas). La aeroelásticidad se analizan las ecuaciones de Scalan con análisis por: Flameo. Además de Vortex Shedding (N° Strouhal) y Buffeting (N° Scruton)


3.- Combinación de cargas


3.- Combinación de cargas AASHTO 2002

3. Acciones.pdf

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