UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO MAESTRÍA EN INGENIERÍA VIAL CON MENCION EN CARRETERAS, PUENTES Y TUNELES
Diseño, Construcción y Mantenimiento de Puentes PUENTES COMPUESTOS
Msc. Ing. Norbertt Luis Quispe Auccapuclla.
PROPIEDADES DEL ACERO DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACION DEL ACERO
SOLDABILIDAD
ACERO ESTRUCTURAL
PERNOS, TUERCAS Y ARANDELAS
CONECTORES DE CORTE
PUENTES DE SECCION COMPUESTA
1.0 GENERALIDADES: Una construcción mixta se caracteriza esencialmente por la presencia en su estructura resistente de piezas que poseen "sección compuesta o mixta", es decir, secciones resistentes en los cuales el acero estructural y el concreto trabajan solidariamente. Las vigas de acero y las losas de concreto reforzado se han utilizado durante muchos años, sin tomar en consideración ningún efecto de colaboración entre ambas. Sin embargo, en los últimos años se ha demostrado que puede lograrse gran resistencia, uniéndolas de modo que actúen como una sola unidad.
2.0
CONCEPTO
Conformado por una losa de concreto y viga de acero, los cuales están unidas mediante conectores de corte para evitar que trabajen por separado. El término "construcción de puentes a base de vigas compuestas" define un sistema en el cual se logra la interacción de una losa de concreto con una viga de acero por medio de un dispositivo mecánico llamado conector de cortante. La losa de concreto se convierte en el patín de compresión de la viga compuesta, mientras que la sección de acero resiste los esfuerzos de tensión, además la parte de la viga en tensión no está ahogada en el concreto. Los conectores de cortante pueden ser de la forma de canales, vástagos, salientes o espirales y sirven para transmitir el cortante longitudinal del concreto al acero, así como también para evitar que el concreto se despegue del perfil.
Las especificaciones AASHTO para puentes incluyen una sección en el diseño compuesto de trabes, y basan su análisis en la teoría elástica como plástica.
Las dimensiones de la viga de acero y de la losa de concreto se establecen sobre la base del momento de inercia de la sección compuesta; el tamaño y el espaciamiento de los conectores de cortante se seleccionan de acuerdo con los principios del comportamiento elástico o plástico y la distribución del cortante longitudinal.
3.0
CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES CONSTRUCCION MIXTA
DE
LA
Una pieza mixta consta esencialmente de tres elementos estructurales fundamentales: -Sección de concreto -Sección metálica - Conectores
Para luces de hasta 40 pies aprox. con frecuencia es económica la construcción no compuesta, en donde las vigas actúan sin tener en cuenta la placa de hormigón. Para luces mayores la acción compuesta es la más económica.
El concreto, además de su posible función como elemento distribuidor de cargas, esta obligado a deformarse en conjunto con el acero, por la acción de ciertos elementos incluidos en el concreto y solidarios con la pieza metálica. La función de estos elementos, denominado Conectores", consiste en evitar o controlar los deslizamientos relativos de ambos materiales. De esta forma, el concreto, independientemente de otras posibles funciones estructurales, colabora con la zona comprimida aumentando la capacidad resistente del conjunto
• Los puentes de losa en sección compuesta con vigas soldadas se considera que se comportan bien en los sismos. • En USA la implicancia es en el sentido de utilizarlos mas frecuentemente en zonas con actividad sísmica importante. • Este argumento reconoce el hecho que muy pocos han colapsado en los sismos en USA en contraste con el comportamiento de los puentes de concreto.
3.1 NOMENCLATURA A USARSE La nomenclatura básica a usarse será como se muestra en la figura be ts Connectors
d a
Donde: ts : be : a : d : h :
a
Espesor de la losa de concreto Ancho efectivo de la losa de concreto Separación de las vigas entre sus ejes Peralte de la viga de acero Peralte de la viga de la sección compuesta.
h
4.0 HIPOTESIS PARA ANALISIS Y DISEÑO La hipótesis básica para el análisis y diseño de una viga compuesta son: a.- La losa de concreto está conectada continuamente a la viga de acero a todo lo largo de ésta. b.- El deslizamiento del conector de cortante es directamente proporcional a la carga en el conector. c. Existe una distribución lineal de las deformaciones unitarias a través del peralte del miembro. d.- La losa y la viga no se separan verticalmente en ningún punto a lo largo de la viga
5.0
DISEÑO.
De acuerdo con las especificaciones de AISC, se pueden diseñar las vigas compuestas con los métodos de esfuerzos permisibles o por diseño plástico. En lo fundamental son principalmente miembros a flexión
5.1
TEORIA ELASTICA
Los esfuerzos son proporcionales a la deformación y el momento limite se alcanza cuando el esfuerzo en la fibra inferior del acero alcanza el esfuerzo permisible Fb, o el esfuerzo en la fibra superior de la viga de concreto alcance el esfuerzo permisible Fc. En este análisis el ancho efectivo de la losa se transforma en una sección equivalente de acero igual a (be/n), donde “n” es la relación de módulos de elasticidad
5.4 ANCHOS EFECTIVOS (be) La "viga compuesta", con el patín de concreto en comprensión se comporta como una viga T. De este modo el ancho teórico efectivo del patín es una función del claro de la viga, del coeficiente de Poisson y de la forma del diagrama de momentos. Las distintas especificaciones que permiten el diseño de vigas compuestas establecen la forma en la cual debe determinarse el ancho efectivo La distribución real de esfuerzos en la viga no es uniforme debido a la concentración de cortante. El esfuerzo es más alto sobre las vigas de acero y es más bajo entre las vigas. Para evitar cálculos complicados, se utiliza un esfuerzo uniforme equivalente en el ancho efectivo “be”
ANCHO EFECTIVO
El más pequeño de Para viga interior -¼ L -12 ts -S
= = =
La luz efectiva. Doce veces el espesor de la losa más máximo). Espaciamiento promedio de centro a centro entre vigas.
Para viga exterior ½ Ancho efectivo viga interior + el menor de - 1/12 L - 6 ts - S/2
= = =
La luz efectiva. Doce veces el espesor de la losa más máximo). Distancia de extremo de losa al eje de la viga exterior.
LA SECCION TRANSFORMADA
n = Es/Ec Es : Módulo de elasticidad de acero Ec : Módulo de elasticidad de concreto
btr
btr = beff/(k.n) btr : Ancho de losa transformad de concreto. k : Coef. Efectos de creep. beff : Ancho efectivo.
Creep es la deformación del concreto causado por cargas a lo largo del tiempo. K: 1 Cuando se use para carga viva y muerta que actúan unicamente sobre la viga solamente. K:3 Cuando se realiza la superposión de carga muerta en secciones compuestas.
Esfuerzos elásticos en vigas compuestas Aunque la resistencia de diseño de vigas compuestas se basa, por lo regular en las condiciones de falla, es importante entender el comportamiento bajo cargas de servicio por varias razones. Las deflexiones siempre son investigadas bajo cargas de servicio y en algunos casos, la resistencia de diseño se basa en el estado límite de la primera fluencia. Los esfuerzos de flexión y cortante en vigas de materiales homogéneos pueden calcularse con las fo´rmulas:
Deformación elástica y distribución de esfuerzos La deformación de la sección compuesta es lineal, variando directamente con la distancia desde el eje neutro. Son posibles dos casos de distribución de esfuerzos. A).- El eje neutro se encuentra en la viga de acero be/n ts
f= Ɛ Ec
Ɛ
Eje Neutro d y
f= Ɛ Es
Ɛ Deformación
FIGURA 5.1(a)
Esfuerzo
B).- El eje neutro se encuentra en la losa de concreto
be/n Eje Neutro
d + ts - y
y
Deformación
FIGURA 5.1(b)
Esfuerzo
5.2 TEORIA PLASTICA Se sabe que las vigas compuestas muestran que la teoría elástica predice en forma muy conservadora la capacidad del momento. Se puede aproximar más la verdadera capacidad en momento suponiendo que la sección de acero fluye por completo y la parte en comprensión de la losa de concreto tiene un esfuerzo de 0.85f'c en todos los lados. La sección transversal efectiva para el análisis plástico consiste en la viga de acero y la losa efectiva.
Distribución de esfuerzos totalmente plásticos Es posible tres distribuciones de esfuerzos totalmente plásticos:
A).- El EJE NEUTRO se encuentra en CONCRETO
0.85 f'c 0.85 f'c be*a ts
a
Eje Neutro d/2 ts-a/2
d
Mp Fy*As
Fy
FIGURA 5.2 (a)
Quiere decir que el acero fluye por completo en tensión y la fuerza resultante del esfuerzo en el concreto es 0.85*f'c*be*a y actúa a una distancia a/2 de la parte superior de la losa. La fuerza resultante del esfuerzo en el acero es Fy*As y actúa en el centroide de la viga de acero. Por equilibrio se requiere que estas dos fuerzas sean iguales, esto es:
Fy*As = 0.85*f'c*be*a
============
a = Fy*As/(0.85*f'c*be)
El eje neutro se encontrará en el concreto si: Fy*As < 0.85* f'c *be*ts ó a
φ Mp < Mu, donde φ = 0.85
B).- El EJE NEUTRO se encuentra en el PATIN SUPERIOR Fy 0.85 f'c 0.85 f'c be ts
ts/2 ts
yp
E.N.
bf * yp * Fy d/2-yp
d
Mp Fy*As
Fy
FIGURA 5.2 (b)
yp/2
La fuerza resultante en el concreto es .85*f'c*be*ts y la cantidad correspondiente en la viga de acero es Fy*As - 2*Fy*bf*yp, en donde yp es la distancia de la parte superior del patín hasta el eje neutro. Por equilibrio de fuerzas
0.85*f'c*be*ts = Fy*As - 2*Fy*bf*yp De donde: yp = (Fy*As - 0.85*f'c*be*ts)/(2*Fy*bf) El eje neutro permanecerá en el patín de acero si 0
C).- El EJE NEUTRO se encuentra en el ALMA Fy 0.85 f'c 0.85 f'c be ts
ts/2 ts tf
bf * tf * Fy
yp E.N.
tw(yp-tf)Fy d/2-yp
d
Mp Fy*As
Fy
FIGURA 5.2 (c)
yp/2
Por equilibrio de fuerzas tenemos que: 0.85*f'c*be*ts + 2*Fy*bf*tf + 2Fy*tw*(yp - tf) = Fy*As de donde: yp =tf + As/(2*tw) - bf*tf/tw - 0.85f'c*be*ts/(2*Fy*tw)
Momento de equilibrio con respecto al punto A: Mp = 0.85*f'c*be*ts*(yp+ts/2)+2*Fy*bf*tf*(yp-tf/2)+Fy*tw*(yptf)2+Fy*As*(d/2-yp)
5.3 APUNTALAMIENTO Durante la construcción (después de haber montado las vigas de acero, se cuela sobre ellas la losa de concreto), la viga de acero debe soportar por si misma el peso de concreto fresco, el personal y el equipo de construcción así como su propio peso. Para resistir esas cargas se apuntalan temporalmente. La mayoría de las especificaciones indica que después de que el concreto ha adquirido el 75% de su resistencia a los 28 días, la sección ya trabaja como compuesta y todas las cargas aplicables de este momento en adelante pueden considerarse como resistidas por tal sección. Cuando se usa apuntalamiento, éste soporta el concreto fresco y las otras cargas de construcción
Wd=Concreto fresco + cimbras + acero
Puntales temporales
L/4
L/4
L/4
L
L/4
5.6 TRANSMISOR DE FUERZAS CORTANTES Para que se pueda producir una acción compuesta es esencial la existencia de conectores. Esos conectores deben transmitir el esfuerzo cortante horizontal de manera que las deformaciones que se produzcan sean extremadamente pequeñas, haciendo que la estructura se comporte monolíticamente. También deben ser capaces de resistir cualquier tendencia de la losa a separarse verticalmente del acero debido al pandeo o cualquier otra causa. De acuerdo con las normas AASHTO, el recubrimiento de concreto por encima de la parte superior de los conectores no debe ser inferior a 2pulg. Los conectores deben tener una altura mínima desde el fondo de la losa de 2pulg. y distancia libre entre el borde del ala de la vigueta y borde del conector no debe ser inferior a 1pulg Existe una diversidad de formas de conectores tales como: canales, vástagos, barras, espirales, zetas, ángulos, etc
5.7 CONECTORES El número requerido de conectores se basa en el comportamiento de la viga bajo momento último. Conforme se incrementa la carga en la viga, algunos de los conectores de cortante comienza a fluir plásticamente, y se origina una redistribución de la carga entre los conectores, antes de que sobrevenga la falla bajo momento último. La fuerza horizontal última que deberá ser transmitida del concreto al acero, o viceversa, es la menor de las cargas últimas de compresión en el concreto y de tensión en el acero. Esta carga cortante última deberá resistirse por medio de los conectores colocados en la distancia comprendida entre el extremo de la viga, o sea el punto de momento nulo, y el punto de momento máximo en esta distancia los conectores pueden quedar uniformemente espaciados. El número requerido de conectores n se determina dividiendo la carga cortante nominal Vh por la carga cortante permisible q del conector que se va a utilizar, expresado como: n = Vh/q. Vh es igual a C(compresión) o T(tracción) nida mediante la ecuación
LOSA DE CONCRETO
Fc = 0.85 f'c be ts
CONECTORES Fs = Fy*As VIGA METALICA
TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTO TRANSVERSAL
REQUERIMIENTOS GENERALES DE DIMENCIONAMIENTO Y DETALLADO
Requerimientos para la longitud de tramos en puentes
Requerimientos de contraflechas por carga permanente
Requerimientos para espesores mínimos de acero
Requerimientos para diafragmas y marcos de cruces
Requerimientos para arriostramiento lateral
PANDEO LOCAL
MIEMBROS A FLEXION Y CORTE
VIGAS I NO COMPUESTAS SOMETIDAS A FLEXION
Consideraciones geométricas de la sección I
Generalidades para secciones no compuestas
Aspectos básicos para diseño de secciones a flexión
a) Comportamiento plástico de secciones compactas:
b) Soporte lateral
Diseño por corte de vigas I no compuestas
ARRIOSTRAMIENTO LATERAL
A) ARIOSTRAMIENTO EN PUENTES CON VIGAS DE SECCIÓN i
Requerimientos geométricos
Estabilidad de vigas I
SECCION COMPUESTA
CONECTORES DE CORTE
CONEXIONES SOLDADAS
American Welding Society
CONEXIONES EMPERNADAS
