APUNTES DE PUENTES Ing. José Villacreces
Colaboradores: Diab, Liliana Golindano, Valentina Guzmán, Carla López, Abraham Ramírez, Diana Rodríguez, Ángel
Febrero, 2016
CONTENIDO
UNIDAD I. PUENTES. INTRODUCCION – GENERALIDADES 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.
(pag.03)
Características de los puentes. Tipos de puentes Datos necesarios para el proyecto de puentes Sistemas constructivos y su influencia en el proyecto convencional, prefabricados, voladizos sucesivos, autocimbra, lanzados, colgantes, atirantados.
UNIDAD II. NORMAS PARA EL PROYECTO DE PUENTES. (AASHTO) (pag.13) 2.1. 2.2.
2.3.
2.4. 2.5 2.6
Cargas en Puentes. Cargas Muertas. Cargas Vivas. 2.2.1 Tren Rodante. Camión HS-20-44. 2.2.2 Sobrecarga Equivalente. 2.2.3 Carga Alternativa. 2.2.4 Cargas P. 2.2.5 Impacto. 2.2.6 Fuerzas Sísmicas. 2.2.7 Fuerzas Centrifuga, de Viento y Longitudinales. Distribución de cargas. 2.3.1 En Vigas Principales. 2.3.2 En Vigas Transversales. Diseño de Losa de Calzada. Caso A: Refuerzo Principal Perpendicular al Tráfico. Líneas de Influencia. Criterio-para los valores máximos.
UNIDAD III. TABLEROS DE PUENTES 3.1. 3.2. 3.3. 3.4.
Métodos de diseño AASHTO. Diseño losa de calzada. Caso B: Refuerzo Principal Paralelo al Tráfico. Diseñar tableros sobre vigas T de concreto armado y pretensado. Análisis y Diseño de separadores flexibles y rígidos.
UNIDAD IV. ESTRIBOS DE PUENTES 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.
(pag.30)
Tipos de Estribos usuales. Características. Pre-dimensionado. Solicitaciones. Casos de cargas. Análisis y Diseño de Estribos de Gravedad. Análisis y Diseño do Estribos de Cantiléver. Análisis y Diseño de Estribos de Tierra Armada.
(pag.42)
UNIDAD V. PILAS DE PUENTES 5.1 5.2. 5.3. 5.4.
Análisis de los fondones y condiciones que deben llenar las pilas de puentes. Diferenciar los tipos de pilas. Solicitaciones. Casos de Carga. Estabilidad de Pilas.
UNIDAD VI. DISPOSITIVOS DE APOYOS 6.1. 6.2.
(pag.59)
Tipos de aparatos. Características. Análisis y Diseño de dispositivos de apoyo del tablero en pilas y estribos.
UNIDAD VII. ALCANTARILLADO 7.1. 7.2.
(pag.52)
Tipos usuales. Características. Proyecto y Construcción.
BIBLIOGRAFÍA Arnal, Eduardo. Lecciones de Puentes. Maal J. Amoldo. Manual de Puentes. París, Henry. Puentes. Roig, Joan. Nuevos Puentes. Fernández, Casado. Puentes de Hormigón Armado Pretensado. Yuan Yu Hsieh. Teoría Elemental de Estructuras
(pag.72)
UNIDAD I. PUENTES. INTRODUCCION - GENERALIDADES
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UNIDAD I. PUENTES. INTRODUCCION - GENERALIDADES Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como un río, un cañón, un valle, una carretera, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o cualquier otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y de la naturaleza del terreno sobre el que se construye.
CARACTERÍSTICAS DE LOS PUENTES
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Sistema de Superestructura.
Comprende todos los elementos del puente que están por encima de los apoyos.
1.- Losa de Calzada. Son de concreto armado, pueden ser también de planchas de acero o de entablado de madera. 2.- Miembros Principales. Distribuyen longitudinalmente las cargas rodantes a los apoyos a través de la losa de calzada, pueden ser de vigas de acero, de concreto normal o pre/pos-tensadas, cerchas, etc. 3.- Miembros Secundarios. Son los separadores o arriostramientos de los miembros principales, evitan las deformaciones transversales y contribuyen en la distribución de las cargas a los miembros principales. 4.- Carpeta de rodamiento. Pueden ser de asfalto o de concreto. 5.- Iluminación y Señalamiento, Defensas y Sistema de Drenaje.
-
Sistema de Infraestructura.
Elementos del puente requeridos para apoyar la superestructura y trasmitir sus cargas al suelo.
1.- Estribos. Apoyos extremos del puente. Son los elementos que soportan verticalmente las reacciones de la superestructura y horizontalmente el empuje de tierra proveniente del terraplén de acceso. 2.- Pilas. Son las estructuras que sirven de apoyos intermedios del puente cuando este es continuo o tiene varias luces.
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3.- Aparatos de Apoyo. Sistemas mecánicos que trasmiten las cargas de la superestructura a la infraestructura. Pueden ser fijos o móviles según su función. 4.- Muros Laterales. Tienen la función de proteger los terraplenes en los accesos. 5.- Losas de Acceso. Sirven de transición entre el puente y el terraplén de la vía y tienen la función de suavizar los posibles asentamientos diferenciales originados en el relleno del acceso.
DATOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO DE PUENTES
Datos Funcionales. Información que se relaciona con el futuro funcionamiento de la estructura a proyectarse.
1.- Tipo de Obstáculo a salvar: Curso de agua Paso vial a dos niveles Paso a dos niveles ferroviarios Distribuidor de tránsito Estructura elevada sobre depresión
2.- Planta de Ubicación mostrando: Geometría del eje vial Coordenadas de puntos característicos Representación del río o vía inferior Situación geográfica Edificaciones existentes
3.- Perfil Longitudinal del terreno indicando: Progresivas cotas de terreno cotas de rasante Cotas de río o de la vía inferior Obstáculos o restricciones topográficas
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4.- Perfil Transversal indicando: Número y ancho de trochas Número y ancho de aceras Ancho y tipo de isla central Ancho de barandas ó defensas Trocha peatonal
Datos Naturales. Son los provenientes de la naturaleza física del puente.
1.
Información hidráulica:
Topografía del lecho. Luz mínima hidráulica. Nivel de aguas de estiaje. Nivel de aguas normales. Nivel de aguas máximas. Tirante de aire. Niveles de socavación. Acción abrasiva de la corriente.
2.
Información geotécnica:
Reconocimiento visual del sitio Profundidad del nivel freático Parámetros mecánicos de resistencia Parámetros para asentamiento y fluencia Densidad y permeabilidad Inestabilidad, fallas
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3.
Información climática: Viento y su velocidad Temperaturas y sus efectos Oxidación por proximidad al mar
4.
Información sismológicas: Coeficiente de aceleración Clasificación e importancia Categoría de comportamiento sísmico Factores de modificación de respuesta Espectros de frecuencia
TIPOS DE PUENTES
-
Puentes Isostáticos.
Son aquellos donde se aplican las condiciones de equilibrio (FH, FV, M) para calcular las solicitaciones internas y externas.
Ventajas: •
Gran simplicidad de cálculo estructural
•
Métodos de construcción más sencillos.
•
Mejor adaptabilidad a suelos de mala calidad.
Desventajas: •
Su gran peso propio.
•
Salvan Heces considerablemente menores.
•
Comportamiento no tan adecuado ante eventos sísmicos.
1.- De un solo tramo: Es el tipo de puente más elemental y de construcción más sencilla. Construcción en concreto armado vaciado en sitio, concreto pretensado, vigas de alma de acero. Luces entre 15 - 30 m.
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2.- De varios tramos simples: Son los obtenidos uniendo varios tramos de vigas en una sola luz sin continuidad y con apoyos intermedios. Inconveniente de tener muchas juntas de dilatación. Son aptos para asentamientos diferenciales en terrenos de poca capacidad portante.
3.- De vigas articuladas o Gerber: Están compuestos de vigas simples, en cuyos extremos se articulan y apoyan tramos simples, resultando un sistema estáticamente determinado. Aptos para terreno de mala calidad. Requieren de mayor mantenimiento debido a las juntas de dilatación y las articulaciones indispensables.
4.- Con pilas tipo Consolas. Aptos para puentes en curva, debido a que la consola puede tener un ancho radial, permitiendo construir puentes en curva con tramos rectos.
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-
Puentes Hiperestáticos.
Son aquellos donde para determinar las solicitaciones internas y externas se deben aplicar métodos de estructuras hiperestáticas. Diseños más elaborados y más complejos. Aptos en suelos de buena capacidad portante.
Ventajas: •
Posibilidad
•
Comportamiento estructural más efectivo.
•
Su uso permite un mayor aprovechamiento del material.
•
Disminución del peso propio en la sección central de las luces. (Secciones no uniformes)
de
salvar
luces considerablemente grandes.
• Mayor seguridad ante fallas de un elemento portante por la colaboración de los elementos adyacentes. •
Mayor esbeltez y mayor elegancia de formas.
• Mejor comportamiento y seguridad ante las acciones sísmicas (mayor amortiguación dinámica)
Desventajas: •
Procedimiento de diseño más laborioso.
•
Métodos de construcción más sofisticados.
•
Influencia destructiva de los asentamientos diferenciales.
• Pueden presentar problemas ante descensos diferenciales de los apoyos, (por asentamientos desiguales en las fundaciones) •
Dilatación por temperatura en luces muy grandes.
1.- Continuos: Pueden ser de losas macizas, vigas cajón celular de concreto, vigas palastro de acero, vigas cajón de acero. L = 35 m.
(Sección uniforme)
L > 35 m. (Sección longitudinal variable)
2.- Aporticados: Superestructura e infraestructura unidas rígidamente en los nodos. Pueden ser de acero, Concreto Armado, Pretensado. Aptos para paso a dos niveles.
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L = 30 m.
(Sección, uniforme)
L > 30 m. (Sección longitudinal variable, pos tensados)
2.1 Doblemente Articulado. Generalmente de sección variable. No trasmiten momentos flectores a las fundaciones. 2.2 Pórticos con soportes inclinados. Variedad de pórticos de 3 luces, soportes centrales inclinados. Mayor luz central. Fundados sobre sitios rocosos o en su defecto un buen sistema de fundación.
3.- En Arco. Aptos en suelos rocosos y muy estables. Las secciones trabajan a compresión.
4.- Colgantes. El tablero se sustenta por medio de tirantes verticales los cuales a su vez están unidos a los cables principales. Los cables principales tienen forma de catenaria y están apoyados en torres altas y atirantadas en los extremos por medio de macizos de anclajes (sometidos a tensión)
5.- Atirantados: Los cables tienen la misma función que los puentes colgantes. Anclados en puntos de apoyo en la losa de calzada a distancias de 10 y 20 m.
ETAPAS PARA LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO
1.- Inspección Ocular. Es la visita al sitio de la obra con especialistas en vialidad, geotecnia e hidráulica para así obtener una imagen visual del sitio y sus características. Esta visita permitirá tomar las primeras decisiones sobre el tipo de puente más conveniente a ante-proyectar. El informe se debe acompañar de un reporte fotográfico de la zona.
2.- Anteproyecto. Para la elaboración del anteproyecto se debe tener:
El Estudio Preliminar tanta de geotecnia para poder tomar la decisión sobre el tipo de fundaciones, como Hidráulico para establecer luz mínima, niveles de socavación, etc.
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Una investigación de tipo económico, para establecer los costos primarios de las alternativas propuestas, así como la comparación económica de los mismos
Basado en estas premisas es posible seleccionar los tipos de estructuras posibles que deberán ante proyectarse,
Ello implica paralelamente la realización del pre-cálculo estructural de las alternativas.
3.- Proyecto Definitivo. A partir de la etapa anterior la cual ha permitido la selección final de la estructura que en definitiva se realizará, se puede proceder a la elaboración de los cálculos definitivos y sus correspondientes planos de detalles. Los cómputos métricos servirán para la evaluación final del costo del puente. El método de Construcción y Erección servirá de guía al constructor y al inspector de la obra para una mejor ejecución de la misma.
MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN
Puentes construidos con encofrados deslizantes
Los puentes de concreto armado se construyen utilizando encofrados ó formaletas de madera ó metálicas, las cuales son las que le dan la forma al concreto al endurecerse. Los encofrados se apoyan en cimbras que también pueden ser de madera ó metálicas, las cuales son estructuras provisionales que servirán para trasmitir el peso del concreto aún no portante al suelo. A medida que vá fraguándose el hormigón, la obra adopta su propia capacidad de soporte y puede ser retirada la cimbra. Cuando las luces son razonablemente grandes y el terreno lo permite, resulta económica y rápida la ejecución del puente utilizando las cimbras y encofrados deslizantes. Estas cimbras resultan ventajosas cuando hay que vaciar un puente de varios tramos, sobre un suelo plano donde pueda desplazarse sin dificultad la cimbra y el encofrado que soporta. También es factible en el caso de viaductos con pilas de gran altura, el utilizar el procedimiento de desplazar los encofrados verticalmente, a medida que se van ejecutando etapas parciales de vaciado. El desplazamiento de las cimbras se hace usando carros de avance sobre rieles los cuales soportan el encofrado y se deslizan a la siguiente sección, una vez que el concreto a adquirido su resistencia calculada. Otra modalidad constructiva utilizada en Europa desde 1.950 en la ejecución de puentes de grandes luces centrales y sobre topografías difíciles, consiste en proceder a la erección del puente por segmentos utilizando dovelas prefabricadas.
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Construcción en voladizo con soporte auxiliar
La sección transversal más utilizada y apropiada es la del cajón hueco pos tensado, utilizando segmentos o dovelas que se ejecutan en taller y se transportan al sitio para su erección final. Este método es apropiado para puentes continuos, arcos, atirantados, etc. El procedimiento de erección generalmente utilizado es el método del cantiléver balanceado, en el cual los segmentos prefabricados o vaciados en sitio van ser unidos progresivamente en el tope de la pila mediante cables que son pos tensados parcialmente, para formar la mitad de la luz a cada lado de la pila. En forma similar, segmentos de concreto pueden ser erigidos en otra pila opuesta a la primera, para de esta forma cerrar y completar el tramo. Este método de erección usado repetitivamente puede servir para crear puentes de muchas luces y de grandes longitudes, lo cual elimina la ejecución de cimbras en valles profundos, canales y ríos navegables, áreas industriales ó densamente pobladas; provocando por lo tanto molestias mínimas durante la construcción. El diseño de este tipo de puentes es complejo y requiere equipos especializados de erección.
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UNIDAD II. NORMAS PARA EL PROYECTO DE PUENTES. (AASHTO).
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UNIDAD II. NORMAS PARA EL PROYECTO DE PUENTES. (AASHTO).
CARGAS EN PUENTES
1.- Cargas Permanentes: Se consideran como peso muerto o cargas permanentes de un puente al peso propio de la estructura más cualquier otra carga sobrepuesta a la estructura que pueda considerarse como fija durante la vida útil del puente. Dentro de esta categoría tenemos: - Losa de concreto. - Vigas. - Carpeta de rodamiento, el mortero utilizado para dar las pendientes aceras, defensas, barandas, sistemas de iluminación.
laterales o bombeos las
Generalmente para proceder al diseño de un puente, es indispensable comenzar por la' superestructura o tablero, el cual deberá pre-dimensionarse debidamente, a fin de poder apreciar la magnitud de las cargas que van a actuar como Peso Muerto. Pesos Unitarios de materiales usualmente usados en el diseño de puentes Acero Estructural
7850 kg/m3
Hierro Colado
7200 kg/m3
Aluminio
2800 kg/m3
Concreto Armado
2500 kg/m3
Concreto Pretensado
2500 kg/m3
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Concreto Ciclópeo
2350 kg/m3
Mortero de Cemento
2150kg/m3
Pavimento Asfáltico
2200 kg/m3
2.- Cargas Vivas: Tipos de Cargas Vivas
2.1.- Camión HS-20-44. Camión de tres ejes
2.2.- Carga Alternativa Consiste en dos ejes con carga del 75% la del eje H-20, o sea, de 10.896 Kg. Con una separación de 1,22 m entre ejes. Es mandatario la verificación de las estructuras con esta carga y su intención fue para el paso de vehículos militares.
3.- Sobrecarga Equivalente Carga equivalente en lugar del tren de cargas, consistente en una carga uniformemente repartida de 952 kg/ml de trocha y una carga concentrada que varía entre 8.172 kg para momento y 11.804 kg para corte.
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4.- Cargas P Se han establecido para garantizar suficiente capacidad de carga viva al transitar cargas pocos usuales. Consisten en una serie de ejes idealizados. El vehículo tiene un eje delantero de 11.804 kg y hasta seis ejes tipo tándem de 21.792 kg.
5.- Impacto Es el efecto dinámico que produce el incremento de esfuerzos de un vehículo en movimiento sobre un puente, término incorrectamente aplicado, ya que no se trata de esfuerzo generado por un golpe, sino por la aplicación de cargas durante un período muy breve de tiempo. Resulta impreciso y complicado analíticamente establecer la magnitud del efecto dinámico en una estructura, por lo cual el procedimiento que se ha adoptado de las normas para tomar en cuenta dicho efecto es por medio de una simple ecuación dada por la AASHTO para la determinación del Factor de Impacto. 1= 15.24/(L +38)
6.- Fuerzas Longitudinales Cuando un vehículo frena o acelera se producen fuerzas longitudinales las cuales son trasmitidas de las ruedas a la losa del tablero del puente, por la fricción existente entre ambos, el coeficiente de fricción en el caso del caucho con el concreto es de 0.75 aprox.. La magnitud de la Fuerza Longitudinal depende de la magnitud aceleración. F- (W/G)(AV/At) W = peso del vehículo g = aceleración de la gravedad AV = cambio de velocidad en el intervalo At Las especificaciones de la AASHTO prevén para tomar en cuenta éste efecto una fuerza longitudinal horizontal con valor del 5% de la carga viva sin impacto, en todas las trochas cargadas andando en una misma dirección. La carga viva especificada es la uniforme de carga de trocha más la carga concentrada por momento. Esta fuerza de frenado tiene poco efecto en los miembros de la superestructura, sin embargo, es importante en el diseño de los aparatos de apoyo y en la infraestructura.
7.- Fuerza Centrifuga Un vehículo en una vía en curva, produce una fuerza perpendicular a la tangente de la curva, que viene dada por la siguiente ecuación: F = (W/G) (v2/r) W = peso del vehículo g = aceleración de la gravedad v = velocidad del vehículo r = radio de la curva
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8.- Fuerzas del viento La fuerza del viento es una fuerza dinámica, la cual por un período de tiempo corto llega a un máximo para luego decaer rápidamente. Si el tiempo para llegar a la presión máxima es igual o mayor que la frecuencia natural de la estructura, la fuerza del viento puede ser tratada a los efectos prácticos, como una carga estática igual a la presión dinámica, es la condición usual en la mayoría de los puentes. La AASHTO especifica una fuerza básica de viento con velocidades de 160 km/h, aplicada a la sumatoria de todas las áreas expuestas con ángulo de 90° con respecto al eje longitudinal de la estructura: Para Cerchas y Arcos 365 kg/m2 Para Vigas Principales y Transversales 245 kg/m2
9.- Fuerzas Sísmicas Las fuerzas sísmicas son fuerzas temporales de corta duración producidas por causas naturales dependiendo fundamentalmente de la ubicación geográfica de la estructura. Hasta hace poco tiempo, los efectos de terremotos en puentes carreteros y urbanos normales fueron ignorados en Venezuela debido a la baja altura de las estructuras y a no existir métodos de evaluación y de diseños precisos y confiables. Sin embargo, después del terremoto de Caracas y a partir de los terremotos ocurridos últimamente en Alaska, California y Guatemala donde varios puentes fueron destruidos, se ha tomado conciencia de ello y se está exigiendo la intervención del efecto sísmico en el cálculo de nuestros puentes. Las fallas ocurridas en general no fueron por fallas de ningún elemento de la superestructura sino por otros dos efectos: Las sacudidas de la superestructura produjeron el desplazamiento del tablero de sus apoyos y su subsiguiente caída. Falla estructural por pérdida de resistencia del suelo bajo la infraestructura. El análisis sísmico para puentes se ha convertido en una tarea complicada debido a la complejidad e incertidumbre de la actividad sísmica y a la falta de metodologías claras de diseño. El efecto de un terremoto en una estructura de puente depende de los siguientes factores:
Peso Muerto de la Estructura
Movimiento del Suelo (aceleración)
Período de Vibración
Tipo de Suelo en el sitio
Un análisis riguroso es complejo y envuelve la aplicación de dinámica estructural implicando además el establecimiento con anterioridad del movimiento esperado del suelo bajo la infraestructura.
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DISTRIBUCIÓN DE CARGAS EN VIGAS PRINCIPALES
Para el cálculo de momentos de flexión en vigas longitudinales no se deberá considerar distribución longitudinal de las cargas de ruedas, pero si se deberá considerar una distribución lateral de la carga viva, la cual puede variar según la viga sea externa o interna, y en las vigas externas si estas a su vez soportan aceras. En la aplicación de las cargas se deben utilizar tanto la rueda delantera como las traseras. En ningún caso las vigas exteriores pueden tener menor capacidad de carga que las interiores. En el caso de losa de concreto apoyada sobre tres o más vigas de acero la fracción de carga viva por trocha no puede ser menor a: S / 3.35 Donde S < 3.00 m
DISTRIBUCIÓN DE CARGAS EN VIGAS TRANSVERSALES
Para el cálculo de momentos de flexión de vigas transversales, no debe asumirse que hay distribución transversal de la carga de trocha y se aplicará la Tabla de la AASHTO.
DISTRIBUCIÓN DE CARGAS Y DISEÑO DE LOSAS DE CONCRETO
Luces. Para luces simples la luz de cálculo deberá ser la distancia centro a centro entre apoyos, sin exceder la luz libre más el espesor de la losa. En tableros continuos con más de dos apoyos la luz efectiva de cálculo será:
En losas monolíticas con vigas sin cartelas, S será la luz libre.
En losas apoyadas sobre vigas de acero, S debe ser la distancia entre los bordes internos de las alas más la mitad del ancho del ala.
Distancia al borde de la carga de rueda. En el diseño de losas, el eje de la rueda debe estar a 30 cms. de la cara del rodapié y en el diseño de aceras una carga de rueda debe ser colocada a 30 cms de la cara de la baranda o defensa. En el diseño por rotura se puede usar 1.00 como factor de J3 en lugar de 1.67 para el cálculo del volado de la losa de calzada.
LOSAS EN VOLADIZO
Caso A: Refuerzo Principal Perpendicular al Tráfico
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E= 0.80 x+ 1.143 (m) Mlosa= (P / E) X Siendo x la distancia en metros de la carga P al punto de apoyo. Caso B: Refuerzo Principal Paralelo al Tráfico E = 0.35x + 0.98 (m) (E no debe exceder 2.13 m) Mlosa= (P / E) X Siendo x la distancia en metros de la carga P al punto de apoyo.
ACEROS DE REPARTICIÓN
Para prever la distribución lateral de las cargas vivas concentradas, debe colocarse un refuerzo transversal el cual será perpendicular al refuerzo principal de la losa.
Será un porcentaje del acero principal requerido para momento positivo: Para refuerzo principal paralelo al tráfico: % = (55 / S) (máx. 50%) Para refuerzo principal perpendicular al tráfico: % = (121 / S) (máx. 67%) S = Luz efectiva en
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DISEÑO DE LOSA DE CALZADA Caso A: Refuerzo Principal Perpendicular Al Tráfico
1. SECCION TRANSVERSAL
Concreto Armado
Concreto Pretensado Scl: (S – bf ) / 2
Scl: S - b
2. DETERMINAR At y S * At: Ancho tributario * S: Luz libre: (At – 2v) / # de espacios
3. ESTIMACION DE CARGAS *Losa: Ancho x Espesor x ∂c
NOTA
∂c: 2500kg/m3
∂a: 2200 kg/m3
*Carpeta: Cantidad x Ancho x Espesor x ∂a *Isla: Cantidad x Ancho x Espesor x ∂c *Acera: Cantidad x Ancho x Espesor x ∂c *Baranda: Cantidad x 600 kg/ml ∑W.tablero: ∑todas las cargas V.Unitario: W.tablero / At
4. CALCULO DE MOMENTOS *Scl: S – b *MP: (V.unitario x Scl2) / 10 *MV: ((Scl + 0.61) / 9.74 ) x Prt x I x 0.80 *I: 15.24 / (S + 38) < 30%
NOTA: De no resultar menor al 30%, se emplea un impacto de 30%
*MU: 1.3 MP + 2.17 MV
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5. CHEQUEO DE LA ALTURA UTIL (h) *h: eLosa – Recubrimiento
*d: √(Mu / Rb x b) ≤ h
*b: 100
*Rb: W.Ju.F’c
6. CALCULO Y DISTRIBUCION DE ACERO DE REFUERZO *As.ppal: Mu / (ᶲ Fy. Ju. d) *As.repart: %As.repar x As.ppal *%As.repart: 121 / √Scl ≤ 67%
7. GRAFICAR DETALLE DE LA DISTRIBUCION DEL ACERO DE REFUERZO
LÍNEAS DE INFLUENCIA
Definiremos como líneas de influencia de una solicitación (o deformación), en la sección AA, a un diagrama tal, que su ordenada en un punto i mida, en una determinada escala, el valor de la solicitación en la sección A-A (o de la deformación), cuando en el punto i de referencia actúa una carga de valor unitario. En el caso de la figura, diremos que ηMf(A) es la Línea de Influencia del momento flector en A, si se cumple que la ordenada δi representa el valor del momento flector en A para una carga P = 1 aplicada en el punto i. Mf (A) = δi * (escala de L. de I.) para P = 1 aplicada en i Si P ≠ 1 se cumplirá: Mf (A) = P * δi * (escala de L. de I.) Esto mismo puede aplicarse para otros estados de carga y otras solicitaciones, reacciones, deformaciones, etc.
UTILIDAD DE LAS LÍNEAS DE INFLUENCIA
Una línea de influencia es una herramienta útil en el análisis de esfuerzos por dos razones: 1. Sirve como un criterio en la determinación de los esfuerzos máximos: una pauta para determinar exactamente que parte de la estructura debe estar cargada para que se produzca el máximo efecto en la sección considerada. 2. Simplifica los cálculos.
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TIPOS DE LINEAS DE INFLUENCIA
-
Línea de influencia para vigas estáticamente determinadas. Línea de influencia por el método del trabajo virtual Línea de influencia para vigas principales con sistemas de vigas transversales Línea de influencia para cerchas de puentes estáticamente determinadas
LÍNEA DE INFLUENCIA PARA VIGAS ESTÁTICAMENTE DETERMINADAS
Ejemplo. Se representa una viga simple. Dibujar las líneas de influencia de: 1. La reacción A (RA) y la reacción B (RB) 2. La fuerza cortante en cualquier sección C (Vc) 3. El momento en cualquier sección C (Mc) Para dibujar la línea de influencia de Ra, se coloca una carga unitaria a una distancia x de A, y se expresa Ra como una función de x; esto es:
La cual representa una línea recta con una ordenada unidad en A y cero en B como se indica. De la misma forma se dibuja la línea de influencia para Rb, como se indica. Basándose en:
Rb = X/1
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Para dibujar la línea de influencia de Vc, se observa que mientras la carga unitaria se aplique en cualquier posición a la izquierda de la sección C, 0 ≤ x < a, Vc resulta ser igual a Rb pero con signo contrario. Cuando la carga unitaria se aplica en cualquier sección a la derecha de C, a < x ≤ 1. Vc resulta ser igual a Ra. En consecuencia, la línea de influencia de Vc en el intervalo AC, es la misma que la de Rb, pero con signo negativo y la línea de influencia Vc en el intervalo CB es la misma que la de Ra. Estas dos líneas son paralelas con pendientes iguales de valor -1/1, y se representa un cambio brusco de una unidad cuando la carga unitaria para de la izquierda a la derecha de C para la línea de influencia Vc. Para dibujar la línea de influencia Mc, se observa que mientras la carga este a la izquierda de C, se puede utilizar el segmente CB como sólido aislado, obteniéndose Mc= Rb. Cuando la carga pasa a la derecha de C, se puede utilizar el segmento AC como sólido aislado obteniéndose asi Mc = Ra. Ambas expresiones representan las líneas rectas pero con diferentes pendientes. En relación con las líneas de influencia mostradas, se observa lo siguiente: 1. La máxima reacción debida a una carga concentrada tiene luegar cuando la carga está en el apoyo. 2. La máxima reacción debida a una carga uniforme tiene lugar cuando la viga está completamente cargada.
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3. LA máxima fuerza cortante en cualquier sección C debida a una carga concentrada, tiene lugar cuando la carga esta justamente a la derecha o a la izquierda de la sección, y esta sobre el segmento más largo de los dos en que C divide la vida. 4. La máxima fuerza cortante en la sección C debida a una carga uniformemente repartida tiene lugar cuando la carga se extiende desde C al apoyo más lejano. 5. El máximo momento en cualquier sección C debido a una carga concentrada, tiene lugar cuando la carga esta sobre C. 6. El máximo momento en cualquier sección C debido a una carga uniforme tiene lugar cuando la viga está completamente cargada. Al comparar las líneas de influencia de la misma función en diferentes puntos, se observa lo siguiente: 1. La máxima fuerza cortante en una viga simple, debida a una carga concentrada, tiene lugar en el extremo y es igual a la carga. 2. La máxima fuerza cortante en una viga simple debido a una carga uniforme tiene lugar en el extremo cuando la viga se carga completamente, y es igual a la mitad de la carga total. 3. El momento máximo en una viga simple debido a una carga concentrada Q, tiene lugar en la sección del centro de lal luz y es igual a Ql/4. 4. El momento máximo en una viga simple debido a una carga uniforme de intensidad q tiene lugar en la sección del centro de la luz cuando la viga se carga completamente, y es igual a ql2/8.
SISTEMAS DE LARGUEROS Y VIGAS TRANSVERSALES
Cuando en la construcción de puentes se utilizan vigas de gran longitud, las sobrecargas no se aplican por lo general directamente sobre ellas, sino que les son transmitidas a través de un sistema de largueros y vigas transversales. Un sistema similar se utiliza en puentes con cerchas en los que las cargas móviles de las ruedas son transmitidas a través del piso del puente a los largueros, los cuales están soportados por las vigas transversales. Estas últimas reciben las reacciones de los largueros y las transmiten a los nudos de las cerchas principales. Sin entrar en detalles de construcción, se puede representar de la siguiente manera:
Donde, aquellas porciones de la viga principal entre las vigas de los pisos, tales como: 0-1, 1-0, 2-3, etc.., se llaman paneles, y los puntos extremos de los paneles tales como: 0, 1, 2, etc.., se
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llaman nudos. Se supone que los largueros están simplemente apoyados sobre las vigas transversales. En consecuencia, una carga P aplicada sobre cualquier larguero será transmitida a la viga principal solamente a través de los dos nudos correspondientes. La viga (como la cercha) será entonces cargada en los nudos para cualquier condición de carga sobre el larguero.
CARGAS CONCENTRADAS MÓVILES: CRITERIO PARA LOS VALORES MÁXIMOS
CRITERIO PARA EL VALOR MAXIMO DE UNA FUNCION QUE TIENE COMO DIAGRAMA DE INFLUENCIA
En esta categoría están incluidas las líneas de influencia de las reacciones en el extremo de una viga simple, de una viga principal simplemente apoyada o una cercha. Considérese una viga simple sometida al paso de una serie de ruedas con espaciamiento y magnitud de la carga fija, cuya resultante P está situada a una distancia p del extremo derecho B.
Para obtener la reacción en el extremo A, primero se construye la línea de influencia para Ra, en la forma que se indica en la figura, de la que Donde 1/l es la pendiente de la línea de influencia, que es constante. La reacción en A es, entonces, un valor proporcional a P y p. Si no hay cambio en el valor de P (esto es, no hay ninguna carga que entre o salga de la viga durante el movimiento), entonces la máxima reacción se presentara cuando la rueda 1 este colocada sobre el apoyo, de tal manera que p tenga su mayor valor posible. Si hay varios sistemas de cargas concentradas moviéndose sobre una viga, aquel que tenga el valor mayor de Pp producirá la máxima reacción, y esta siempre ocurrirá cuando una de las cargas este colocada sobre el apoyo.
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Ejemplo. Encontrar la máxima reacción que pueda presentarse en una viga principal de 60pies de longitud cuando se somete al tren de cargas del vehículo que se indica:
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CRITERIO PARA EL VALOR MAXIMO DE UNA FUNCION CUYO DIAGRAMA DE INFLUENCIA SEA DE LA FORMA
La línea de influencia de la fuerza cortante en una sección de una viga simple es de este tipo. Sea la viga simple de la figura mostrada, sometida al paso de un tren de cargas cuya resultante es P. Se desea encontrar el valor máximo de la fuerza cortante en la sección C, cuya línea de influencia se representa en la figura. Si el tren de cargas se mueve hacia la izquierda, se observa que tan pronto como la rueda 1 sobrepasa el punto C, se presenta una caída brusca de Vc igual a P1.
Ejemplo. Considérese el tren de cargas anterior, que pasa sobre una viga simple de 50pies de longitud en la dirección supuesta. Se desea encontrar la máxima fuerza cortante (+) y la mínima fuerza cortante (-) en la sección del centro de la viga.
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((45) (8) ) / 50 = 7.2 > 5 ((45) (5) ) / 50 = 4.5 < 10 ((45) (9.22+10) - 5 ) /50 = 12.3 klb (-(45) (13.78+2) ) /50 = -14.2 klb
CRITERIO PARA EL VALOR MAXIMO DE UNA FUNCION CUYO DIAGRAMA DE INFLUENCIA SEA DE LA FORMA
La línea de influencia del momento flector en una sección de una viga simple, la del momento flector en un nudo de un panel de una viga principal de un puente, y la de la fuerza de una barra del cordón de algunas cerchas de puente son de este tipo. Ejemplo. Para la viga y tren de carga de la figura mostrada encontrar el momento flector máximo en la sección C del punto medio de la viga.
G1 / a = 15 / 25 < G2 / b = 30 / 25 G1 / a = 25 / 25 < G2 / b = 20 / 25 Mc= ((45) (24.22) /50) * (25) – (10) (5) – (5) (8+3) = 429.95 ft.klb
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MOMENTO FLECTOR MAXIMO ABSOLUTO
Bajo la acción de una carga concentrada o una carga uniforme, el momento flector máximo en una viga simple se presenta en la sección del punto medio de la viga. Sin embargo, cuando una viga simple se somete a un tren de cargas concentradas, el momento flector máximo no se presenta generalmente en este punto medio.
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UNIDAD III. TABLEROS DE PUENTES
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UNIDAD III. TABLEROS DE PUENTES TABLEROS
Los tipos más comunes de tableros utilizados actualmente son:
Tableros de losa llena o aligerada de concreto armado.
Tableros de vigas T monolíticas con la losa de calzada.
Tableros de losa de calzada de concreto armado sobre vigas prefabricadas pretensadas o postensadas.
Tableros de losa de calzada de concreto armado sobre vigas de acero o palastro trabajando como estructura mixta o compuesta.
Tableros de losa de concreto sobre vigas cajón de acero.
Tableros de vigas cajón ó celulares de concreto armado o postensado
TABLEROS DE VIGAS T MONOLÍTICAS CON LA LOSA DE CALZADA.
Características Usuales
Se utilizan por economía para luces entre 10 y 30 m. (hasta 20 m. aconsejable)
Están conformados por elementos verticales rectangulares llamados "almas" (simplemente apoyadas sobre las pilas y los Estribos), vaciados conjuntamente y simultáneamente con una losa superior continua a todo lo ancho del tablero llamada "ala superior".
Ventajas e Inconvenientes
El peso propio de los tableros de C.A, es mayor que el de Vigas laminadas de Acero.
Son más rígidos y tiene menos vibraciones.
Se utilizan en mayor uso los materiales locales y no presentan problemas de transporte.
Requieren menos mantenimiento (No se pintan periódicamente)
Requieren una falsa cimbra, que permanece hasta completarse el fraguado.
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Pre-dimensionado
La relación altura/luz en tramos simples varía de 0.07 a 0.09 (0.065 a 0.085 para luces continuas).
La separación entre vigas comúnmente usada varía entre 1.85 y 3.00 m. (La A d . - 443 establece H total = L/22 y e viga = H/2 para vigas entre 1.80 y 2,50 m.)
El espesor del alma varía de 30 a 60 cms. (N° y separación de cabillas requeridas)
Se debe colocar una viga transversal o diafragma en cada apoyo y No. intermedio central cuando la luz de la viga es mayor de 12.00 m. que servirá de arriostramiento y cumple la función de compensar las deflexiones diferenciales entre las vigas.
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FORMULARIO PARA EL CALCULO DE TABLEROS
1. SECCIÓN TRANSVERSAL
𝐴𝑡 = ∑ 𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑧𝑎𝑑𝑎
𝐴𝑢 = 𝐴𝑡 − 2𝑉
𝑆 = 𝐴𝑢⁄#𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠
𝑆𝐶𝐿 = 𝑆 − 𝑏
→ 𝟏, 𝟖𝟓 𝒎 < 𝑆 < 3 𝑚
Calzada Baranda
Acera
Carpeta Asfaltica
Isla
SCL
S AU
V
AT 2. CARGAS PERMANENTES
𝑊𝑙𝑜𝑠𝑎 = 𝐴𝑡 × 𝑒𝐿𝑜𝑠𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑐𝑎𝑟𝑝𝑒𝑡𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 × #𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 × 𝑒𝐶𝑎𝑟𝑝𝑒𝑡𝑎 × 𝛾𝐴𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜
𝑊𝑖𝑠𝑙𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐼𝑠𝑙𝑎 × 𝑒𝐼𝑠𝑙𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑎𝑐𝑒𝑟𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎 × #𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎𝑠 × 𝑒𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑏𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎 = #𝐵𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠 × 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐵𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠
𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒐𝒔𝒂 = ∑ 𝑾
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𝑷𝒆𝒔𝒐 𝑼𝒏𝒊𝒕𝒂𝒓𝒊𝒐 (𝑷𝑼) = 𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍⁄𝑨𝒕
3. IMPACTO
𝐼 = 15,24⁄(38 + 𝐿)
𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 (𝐸 ) = 1,22 + 0,06 (𝐿)
4. PESO EN LOSA Y VIGA
𝑊𝑣𝑖𝑔𝑎 = 𝑏 × 𝑑 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑙𝑜𝑠𝑎 = 𝑃𝑢 × 𝑆𝐶𝐿
5. SOBRECARGAS 𝑊𝑠𝑐 = 𝟗𝟓𝟐, 𝟎𝟎
Carga Viva
Peso Sobrecarga (Momento)
Peso Sobrecarga (Corte)
𝒌𝒈⁄ 𝒎𝒍
(𝑀)𝑃𝑠𝑐 = 𝟖. 𝟏𝟕𝟐, 𝟎𝟎 𝒌𝒈⁄𝒎𝒍 (𝑉 )𝑃𝑠𝑐 = 𝟏𝟏. 𝟖𝟎𝟒, 𝟎𝟎 𝒌𝒈⁄𝒎𝒍
𝑊𝑠𝑐
Peso Sobre Carga
Momento Peso Sobrecarga Equivalente
Corte Peso Sobrecarga Equivalente
Peso Tren Rodante
𝑊𝑠𝑐 = 2×𝐸 × 𝐼
𝑊𝑃𝑟𝑡 =
𝑃𝑟𝑡 𝐸
(𝑀 )𝑃𝑠𝑐 =
(𝑉 )𝑃𝑠𝑐 =
(𝑀)𝑃𝑠𝑐
(𝑉)𝑃𝑠𝑐 2×𝐸
2×𝐸
×𝐼
×𝐼
×𝐼
6. CORTES Y MOMENTOS CORTE
Corte Peso Propio 𝑉𝑝𝑝 =
MOMENTO (𝑃𝑢×𝐿)
(𝑊𝑠𝑐×𝐿)
Corte Peso Sobrecarga 𝑉𝑤𝑠𝑐 =
Corte Sobrecarga Equivalente 𝑉𝑝𝑠𝑐 =
2
2 (𝑉)𝑃𝑠𝑐
Momento Peso Propio 𝑀𝑝𝑝 =
Momento Peso Sobrecarga Momento SC. Equivalente
2
𝑎
Corte Tren Rodante 𝑉𝑃𝑟𝑡 = 𝑃𝑟𝑡 × (1 − 0.2 × 𝑙 )
Momento TR 𝑀𝑃𝑟𝑡 = 𝑎 2 𝑙
7. CASOS DE CARGA
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)
𝑃𝑢×𝐿2 8
𝑀𝑤𝑠𝑐 = 𝑀𝑝𝑠𝑐 =
𝑊𝑃𝑟𝑡×𝐿 4
𝑊𝑠𝑐×𝐿2 8
(𝑀)𝑃𝑠𝑐×𝐿 4
× (1 − 0.2 ×
CASO I
Corte
Momento
CASO II
Corte 𝑉𝑢𝑖 = 1.3𝑉𝑐𝑝𝑡 + 2.17𝑉𝑡𝑟
Momento
𝑉𝑢𝑖 = 1.3𝑉𝑐𝑝 + 2.17𝑉𝑐𝑣 𝑀𝑢𝑖 = 1.3 𝑀𝑐𝑝 + 2.17 𝑀𝑐𝑣
𝑀𝑢𝑖 = 1.3 𝑀𝑐𝑝𝑡 + 2.17 𝑀𝑡𝑟
8. DISEÑO -
𝑅𝑏 = 𝐹´𝑐 × 𝑊 × 𝐽𝑢
-
𝑑 = √𝑀𝑢 × 100⁄𝑅𝑏 × 𝑏
-
𝑀 = 𝐹𝑐̀×𝑏×𝑑2 ≤ 0.53√𝐹´𝑐
𝑀𝑢×100
Se aumenta F´c en caso de no chequear. -
𝐸𝐿𝑜𝑠𝑎 = 𝑑 + 𝑟
9. CHEQUEO DE LÍNEA DE INFLUENCIA -
𝑉𝑢
𝑌 = 0.85×𝑏×𝑑 ≤ 0.53√𝐹´𝑐
10. ACERO 𝐹𝑦 ⁄0.85 × 𝑓𝑐̀
-
𝑀=
-
𝑅𝑢 = 𝑀𝑢 × 100⁄𝑏 × 𝑑 2
-
𝐴𝑠𝑝𝑝𝑎𝑙 = 𝑒 × 𝑏 × 𝑑
-
𝑒 =1−√
-
𝐴𝑠𝑟 = 55⁄ % ≤ 50% √𝐿
-
𝐴𝑠𝑟𝑒𝑝 = 𝐴𝑠𝑟 × 𝐴𝑠𝑝𝑝𝑎𝑙
-
𝐴𝑠𝑙𝑜𝑛𝑔 =
𝑚×𝑟𝑢 0.90×𝑓𝑦
1−2
𝑚
(𝑀𝑢 × 100) ⁄∅ × 𝐹𝑦 × 𝐽𝑢 × 𝑑
11. ACERO EN SECCION
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b TEOREMA DE BARRE EFECTO DE UN TREN DE CARGA SOBRE UNA VIGA SIMPLEMENTE APOYADA.
Un tren es un sistemas de cargas concentradas que pueden desplazarse en su conjunto, permaneciendo invariables las distancias entre las diversas cargas durante su desplazamiento. Los valores máximos de los esfuerzos cortantes se obtienen en la perpendicular de los apoyos. Su resolución no presenta ninguna dificultad particular.
Por el contrario, cuando se busca el valor máximo del momento flector en el centro de las líneas de influencia no es posible determinar con precisión la posición de la sección más solicitada. Sin embargo la solución de ello se encuentra en el teorema de Barre, que dicta que el máximo momento flexionante en una viga cargada con una serie de cargas concentradas en movimientos ocurrirá en la carga más cercana al centro de gravedad de las cargas sobre la viga, cuando el centro de gravedad este a un lado del centro de la viga igual a la carga más cercana al centro de gravedad de las cargas con respecto a dicho centro. “La posición del tren de cargas que produce el máximo momento es aquella en la cual la carga más pesada y la resultante de todas las cargas aplicadas equidistan del centro de la luz” (Carlos Ramiro Vallecilla Bahena)
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FORMULARIO PARA CALCULO DE TABLERO (BARRE)
1. PREDIMENSINADO
eLosa
a. 𝐻 = (0,07 𝑎 0,09) × 𝐿 b. 𝑑 = 𝐻 − 𝑒𝐿𝑜𝑠𝑎 c.
𝑏 = 0,30 𝑚 𝑎 0,60 𝑚
H
d
2. SECCIÓN TRANSVERSAL
𝐴𝑡 = ∑ 𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑧𝑎𝑑𝑎
𝐴𝑢 = 𝐴𝑡 − 2𝑉
𝑆 = 𝐴𝑢⁄#𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠
𝑆𝐶𝐿 = 𝑆 − 𝑏
b
→ 𝟏, 𝟖𝟓 𝒎 < 𝑆 < 3 𝑚
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3. CARGAS
-
PERMANENTES
𝑊𝑙𝑜𝑠𝑎 = 𝐴𝑡 × 𝑒𝐿𝑜𝑠𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑐𝑎𝑟𝑝𝑒𝑡𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 × #𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 × 𝑒𝐶𝑎𝑟𝑝𝑒𝑡𝑎 × 𝛾𝐴𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜
𝑊𝑖𝑠𝑙𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐼𝑠𝑙𝑎 × 𝑒𝐼𝑠𝑙𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑎𝑐𝑒𝑟𝑎 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎 × #𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎𝑠 × 𝑒𝐴𝑐𝑒𝑟𝑎 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑏𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎 = #𝐵𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠 × 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐵𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠
𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒐𝒔𝒂 = ∑ 𝑾
𝑷𝒆𝒔𝒐 𝑼𝒏𝒊𝒕𝒂𝒓𝒊𝒐 (𝑷𝑼) = 𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍⁄𝑨𝒕
4. IMPACTO
𝐼 = 15,24⁄(38 + 𝐿)
𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 (𝐸 ) = 1,22 + 0,06 (𝐿)
5. PESO EN LOSA Y VIGA
𝑊𝑣𝑖𝑔𝑎 = 𝑏 × 𝑑 × 𝛾𝐶𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜
𝑊𝑙𝑜𝑠𝑎 = 𝑃𝑢 × 𝑆𝐶𝐿
6. SOBRECARGAS
Carga Viva 𝑊𝑠𝑐 = 𝟗𝟓𝟐, 𝟎𝟎
𝒌𝒈⁄ 𝒎𝒍
Peso Sobrecarga (Momento)
(𝑀)𝑃𝑠𝑐 = 𝟖. 𝟏𝟕𝟐, 𝟎𝟎 𝒌𝒈⁄𝒎𝒍 Peso Sobrecarga (Corte) (𝑉 )𝑃𝑠𝑐 = 𝟏𝟏. 𝟖𝟎𝟒, 𝟎𝟎 𝒌𝒈⁄𝒎𝒍
Peso Sobre Carga
Momento Peso Sobrecarga Equivalente
Corte Peso Sobrecarga Equivalente
𝑊𝑠𝑐 =
𝑊𝑠𝑐×𝑆𝐶𝐿 2×𝐸
×𝐼 (𝑀)𝑃𝑠𝑐 =
(𝑉 )𝑃𝑠𝑐 =
38
(𝑀)𝑃𝑠𝑐×𝑆𝐶𝐿 2×𝐸
(𝑉)𝑃𝑠𝑐×𝑆𝑐𝑙 2×𝐸
×𝐼
×𝐼
7. CORTES Y MOMENTOS CORTE
MOMENTO (𝑊𝑡×𝐿)
Corte Peso Propio
Corte Peso Sobrecarga 𝑉𝑤𝑠𝑐 =
Corte Sobrecarga Equivalente 𝑉𝑝𝑠𝑐 =
𝑉𝑝𝑝 =
2 (𝑊𝑠𝑐×𝐿) 2
(𝑉)𝑃𝑠𝑐 2
𝑊𝑡×𝐿2
Momento Peso Propio
Momento Peso Sobrecarga 𝑀𝑤𝑠𝑐 =
Corte SC. Equivalente 𝑉𝑝𝑠𝑐 =
𝑀𝑝𝑝 =
8 𝑊𝑠𝑐×𝐿2 8
(𝑀)𝑃𝑠𝑐×𝐿 4
8. CASOS DE CARGA
CASO I
Corte 𝑉𝑢𝑖 = 1.3𝑉𝑐𝑝 + 2.17𝑉𝑐𝑣
Momento 𝑀𝑢𝑖 = 1.3 𝑀𝑐𝑝 + 2.17 𝑀𝑐𝑣
CASO II 𝐹𝑐𝑣 = 𝑆𝐶𝐿⁄3,685
𝐶𝐺 =
∑ 𝐹𝑛 × 𝑑𝑛 ⁄∑ 𝐹𝑛 × 𝐹𝑐𝑣
F4 F4xFcv
F3 F3xFcv
F2 F2xFcv
F1 F1xFcv
4
3
2
1
Distancia entre ruedas
39
Kg
( Kg )=
ƩFnxFcv
Aplicación del Teorema de Barre
RESULTANTE
CG
X X/2
4
3 Distancia entre ruedas CG de Viga
Nota: Con el centro de gravedad se puede ubicar el punto donde se produce el Máximo Momento Flector, aplicando el teorema de Barre, conociendo la distancia que existe desde la última rueda, que es la que posee el mayor peso, hasta la rueda anterior, si se le resta el CG, se obtiene una distancia X, que dividida en dos estará situada en el centro de gravedad de la viga. Previo a ello se determinan las reacciones actuantes siguiendo el concepto de líneas de influencia. Posteriormente se aplican la factorización en el momento y corte, con ello se verifica cual sea el mayor y con ese se realiza el diseño del tablero.
Momento 𝑀𝑢𝑖 = 1.3𝑀𝑐𝑝 + 2.17𝑀𝑡𝑟
Corte 𝑉𝑢𝑖 = 1.3𝑀𝑐𝑝 + 2.17𝑉𝑡𝑟
9. DISEÑO -
𝑅𝑏 = 𝐹´𝑐 × 𝑊 × 𝐽𝑢
-
𝑑 = √𝑀𝑢 × 100⁄𝑅𝑏 × 𝑏
-
Corte 𝑌 = 0.85×𝑏×𝑑 ≤ 0.53√𝐹´𝑐
𝑉𝑢
Se aumenta F´c en caso de no chequear.
10. ACERO
𝐴𝑠𝑙𝑜𝑛𝑔 =
(𝑀𝑢 × 100) ⁄∅ × 𝐹𝑦 × 𝐽𝑢 × 𝑑
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As Transversal 𝑆1 = 𝑑⁄4
𝐴𝑠𝑚𝑖𝑛 = 3.5 × 𝑆 × 𝑏 × 𝐹𝑦
𝐴𝑣 = 2 × 𝑑𝑏
𝑉𝑠𝑚𝑎𝑥 = 2.1√𝐹𝑦
𝑉𝑠𝑚𝑖𝑛 = 3.5
𝑉𝑠𝑝𝑟𝑜𝑚 =
𝑆=
𝑆2 = 𝑑⁄2
𝑆=
𝑆1+𝑆2 2
(𝑉𝑠𝑚𝑎𝑥 + 𝑉𝑠𝑚𝑖𝑛)⁄ 2
𝐴𝑣 × 𝐹𝑦 ⁄𝑏 × 𝑉𝑠𝑝𝑟𝑜𝑚
11. ACERO EN TABLERO
eLosa
H
d
b
41
UNIDAD IV. ESTRIBOS DE PUENTES
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UNIDAD IV. ESTRIBOS DE PUENTES Se conoce con el nombre de estribo a aquella parte de la subestructura de un puente situada en los extremos del mismo, usada con el doble propósito de transferir las cargas de un tramo de la superestructura al terreno, y el de soportar el empuje lateral del terraplén situado en su parte posterior, y el de soportar el empuje lateral del terraplén situado en su parte posterior. Los estribos son por lo tanto, una combinación de pila y muro de retención. Las dimensiones de los estribos dependen de los mismos factores que en el caso de las pilas, más el empuje activo de las tierras. Así pues, las cargas que se tendrán que considerar para su estabilidad son: cargas de superestructura; incluyendo cargas muertas y móviles, fuerzas de frenaje, viento normal y transversal tanto sobre las superestructura como sobre la carga móvil y empuje empleados en la construcción de estribos de puente son el concreto y la mampostería. Un estribo o contrafuerte es la parte de un puente destinada a soportar el peso del tablero. Los estribos de puentes sirven para transmitir la carga desde la subestructura hasta la cimentación y actúan como muros de contención para retener la tierra de relleno por detrás de ellos.
Sus objetivos son los siguientes:
Transmitir el peso a los cimientos.
Mantener la disposición de la tierra.
Unir la estructura a las vías de acceso.
Servir de apoyo a un arco dentro de una estructura.
La necesidad de colocar estribos está justificada para:
Conseguir una superficie de apoyo al nivel que se proyecta ejecutar la obra.
Contener el relleno de tierra de manera que el de ella no rodee el apoyo interrumpiendo el paso de la vía inferior en el caso de un puente sobre un curso de agua.
Obtener un apoyo que permanezca una costa fija de tratamiento al terreno presiones susceptibles de ser soportadas por este.
TIPO DE ESTRIBOS
Estribos por gravedad Son estribos con gran masa que resisten el empuje mediante su propio peso y con el peso del suelo que se apoya en ellos. Estos estribos suelen ser económicos para alturas moderadas, menores a 5m. Son muros con dimensiones generosas, que no requieren de refuerzo. Los estribos de gravedad pueden ser de concreto ciclópeo, mampostería, piedra o gaviones. En este Tipo de
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estribo influye mucho la calidad de la roca. Se construyen de concreto simple o con mampostería. Depende de su peso propio de cualquier suelo que descanse sobre la mampostería, para su estabilidad apenas se coloca cuantía nominal de acero cerca de las comas expuestas para evitar fisuración superficial provocada por los cambios de temperatura. Los estribos de gravedad construidos con concreto simple, son macizos que utilizan su propio peso para resistir las fuerzas laterales debido al empuje del terreno y otras cargas. No necesitan refuerzo y son adecuados cuando el terreno es de buena capacidad portante y la altura a cubrir no es superior a los 6 metros. No son admitidas tracciones en cualquier sección del estribo, son aquellos cuya estabilidad y resistencia dependen básicamente de su propio peso. Su fama es la del clásico muro de contención, con una cajuela para recibir el nombre de puente. Deben proporcionarse para que resistan las cargas verticales y horizontales a las cuales van a estar sometidos. Predimensionamiento Estribos de Gravedad La base B varía según:
la calidad del terreno de cimentación.
La altura del estribo
La carga que recibe ≈ 0.45 en terrenos rocosos, ≈ 0.5 a 0.6 en terrenos conglomerados, ≈ 0.65 a 0.75 en terrenos blandos H = 0.45 a 0.7
Estribos Cantilever Este tipo de estribo resiste el empuje de tierra por medio de la acción de un voladizo de una pantalla vertical empotrada en una losa horizontal o zapata, ambos adecuadamente reforzados para resistir los momentos y esfuerzos cortantes a los que están sujetos. Estos estribos por lo general son económicos para alturas menores de 10 metros, para alturas mayores, los muros contrafuerte suelen ser más económicos. Tienen especial aplicación en tramos muy largos. Reciben su nombre de los brazos voladizos (cantiléver) que se proyectan desde las pilas. Los brazos voladizos también pueden proyectarse hacia las orillas para sustentar los extremos de dos tramos suspendidos. Es posible realizar combinaciones variadas como las que incorpora el puente del Forth, ya que pueden utilizarse todos los sistemas de armaduras a excepción de la Howe. El principio del puente cantiléver puede aplicarse
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fácilmente a los puentes de armadura de acero y tablero superior. Existen viaductos de hormigón armado o de vigas armadas metálicas en cantiléver; puentes de armadura de hierro que combinan el principio cantiléver con el arco para formar el sistema conocido con el nombre de puente de arco cantiléver. El arco puede estar articulado en las pilas; en tal caso se asemeja a un puente de doble articulación, que puede convertirse en triple añadiendo otra articulación a la clave.
Tierra Armada Los Muros y Estribos Prefabricados de Tierra Armada tienen su ámbito de aplicación en todos aquellos terrenos con una capacidad portante suficiente para la ejecución de una cimentación directa. Los muros de contención de tierras están compuestos por un paramento de hormigón al que se le adosan dos contrafuertes. Una vez ejecutada la cimentación, el muro queda empotrado en la zapata, consiguiendo alturas de terraplén de hasta 15 m. Los estribos de puente prefabricados tienen como misión el soportar los esfuerzos, tanto verticales como horizontales, del tablero de una estructura de puente. Además de su cimentación, van acompañados de la ejecución "in situ" de una viga cargadero, donde descansa el tablero de la estructura. Con la altura máxima alcanzada de 13,50 m, es una solución muy usual en pasos superiores e inferiores, tanto de carreteras como de ferrocarril. Para adaptarse mejor al resultado requerido, se fabrica con modulación estándar de 2,40 m o de 1,20 m, siendo posibles otras medidas donde se necesiten. Como consecuencia de este producto proyectamos los "cajones". Partiendo de la base de los estribos prefabricados, apoyamos en la parte superior de los contrafuertes una vigas armadas de sección rectangular (no es necesaria la realización de la viga cargadero). Encima de las vigas se colocan unas losas de 15 cm de espesor, también prefabricadas, haciendo las veces de losa de compresión. El aspecto final es una estructura porticada en la que el único trabajo a realizar "in situ" es el ferrallado y hormigonado de las zapatas de los estribos, ya que el resto es absolutamente prefabricado y ensamblado en obra. Los estribos de puentes ferroviarios de Tierra Armada se diseñan de modo que sus dimensiones soporten las fuertes fuerzas de apoyo y los esfuerzos de frenado que se transmiten al tablero. El tablero se sustenta directamente en los macizos de Tierra Armada cuidadosamente compactados y realizados como continuación de los terraplenes de acceso. La regularidad del perfil a lo largo de la vía queda garantizada incluso en el caso de terrenos con una cimentación mediocre. Ventajas con respecto a los materiales tradicionales utilizados en la Ingeniería Civil, especialmente:
Flexibilidad, que permite realizar obras levantadas directamente sobre terrenos de cimentación compresibles o sobre pendientes poco estables.
Gran resistencia a los esfuerzos estáticos y dinámicos.
Rapidez de ejecución, merced al empleo de elementos totalmente prefabricados.
Estética de las obras cuyo paramento se presta a tratamientos arquitectónicos diversos.
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Economía considerable.
Capacidad de reacción ante situaciones complejas de la ingeniería.
Evidentemente, estas ventajas han facilitado mucho el desarrollo de esta tecnología, pero no son suficientes para explicar la rápida difusión de este material, la cual es esencialmente resultado de la combinación equilibrada de varios factores favorables:
-
Invención de un material bien adaptado a las condiciones de la construcción moderna.
Desarrollo y utilización de este material a través de una red multinacional que simultáneamente está muy descentralizada a nivel operativo y muy centralizada a nivel de investigación, de inspección de obras y de difusión de informaciones técnicas. Actualmente goza de gran aceptación porque su comportamiento y sus mecanismos de funcionamiento son bien conocidos. Para llegar a este punto ha sido preciso realizar numerosas investigaciones, examinar, inspeccionar o analizar centenares de obras, lo que constituye un esfuerzo considerable, pero indispensable, para dimensionar con toda seguridad, elegir los materiales y las disposiciones constructivas más adecuadas y optimizar los costos
Principio de la tierra armada
La fricción generada entre el suelo y los elementos de refuerzo es el fenómeno fundamental de la Tierra Armada: las fuerzas de tensión desarrolladas dentro de la masa se transmiten a los refuerzos por medio de la fricción producida en las interfases. Los refuerzos son puestos a trabajar por las fuerzas de tensión y la masa en conjunto se comporta como si tuviera a lo largo de la dirección de los refuerzos una cohesión proporcional a la resistencia a la tensión de dichos refuerzos. El principio de operación de la Tierra Armada es lograr que una masa granular que no puede soportar fuerzas de tensión forme un medio coherente debido a la flexibilidad de los refuerzos que si pueden trabajar a tensión.
-
Métodos De Diseño De Estructuras De Tierra Armada
Como resultado de las investigaciones realizadas en modelos a diferentes escalas a lo largo de más de 10 años, se propusieron nuevos métodos de diseño para estructuras de este tipo, se proponen dos métodos y son los siguientes:-“Método de esfuerzos de trabajo” basado esencialmente en los resultados de experimentos a escala natural en estructuras reales bajo condiciones alejadas de la falla. Con este método se pueden determinar separadamente las fuerzas máximas de tensión en las tiras de refuerzo y la longitud necesaria de adherencia para los refuerzos. El diseño preliminar involucra una masa de geometría rectangular con un ancho B igual a 0.7H, siendo H la altura total de la estructura. Análisis preliminar de una Estructura de Tierra Armada Calculo de las fuerzas máximas de tensión en los refuerzos. El valor de Tmáx se calcula considerando el equilibrio de un prisma de altura ∆H(considerando la separación vertical entre dos lechos de refuerzos) formado por la capa reforzada y limitado en un extremo por el paramento exterior y en el otro por el punto M localizado sobre el lugar geométrico de las fuerzas máximas de tensión. En el punto M no existen esfuerzos cortantes aplicados sobre el refuerzo por el suelo.
( τ= dT/dl=0 ) y los refuerzos verticales en este punto resultan verticales (σv) y los horizontales (σh).
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Además por razones de simetría, se puede suponer que no hay esfuerzos cortantes actuando sobre las caras horizontales del prisma. El equilibrio del prisma (1 m de ancho) muestra que los esfuerzos σh aplicados en la superficie del respaldo están balanceados por las fuerzas máximas de tensión (Tmáx) actuando en las n tiras de refuerzo por metro lineal. De ahí se obtiene que: Tmáx= 1/n (∆H• σh) (1). La determinación del valor del esfuerzo horizontal σh es semi empírica. El esfuerzo vertical σv según la siguiente ecuación:σh= Kσv(2) K es un coeficiente experimental deducido a partir de ensayes a escala natural y se puede expresar como sigue: Para z ≤ zoK = K0(1 – z/zo) + Kaz/zo(3) Para z > zo K = K a Donde: Ko= 1 – senφ y Ka= tan2(π/4 -φ/ 2)z = profundidad abajo del borde superior del para mentozo= profundidad crítica = 6.0 m. σv= esfuerzo vertical total. El esfuerzo vertical σv se calcula con la distribución de Meyerhof, suponiendo en equilibrio los momentos de las fuerzas aplicadas en la porción de la masa de tierra reforzada arriba de las tiras de refuerzo. Por tanto, resulta mayor que la presión por sobrecarga γ z + q. En consecuencia, para el caso de un muro de contención con superficie libre horizontal, el valor de σv esta dado por la expresión: σv=γ z [1 + Ka(z/L)2] (4) Donde: L = Longitud de los refuerzos.
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ESTABILIDAD DE LOS ESTRIBOS
El estribo soporta además presiones laterales ejercidas por el relleno. Por lo tanto el estribo reacciona con una fuerza en sentido opuesto, la que es igual a su peso, mas el del relleno multiplicado por un coeficiente de fricción; por lo tanto, un estribo estará en estado de equilibrio cuando la presión lateral ejercida por el relleno sea igual a la fuerza de fricción, lo cual constituye un peligro inminente de deslizamiento. Para evitar este deslizamiento, el reglamento AASHTO, considera un factor de seguridad en condiciones normales de 1.50 El empuje ejercido por el relleno genera un momento, que tiende a voltear el estribo voltear el estribo, por otro lado el peso del estribo sumado al peso del relleno, generan un momento estabilizador que impiden el volteo del estribo; por lo tanto, un estribo estará en estado de equilibrio cuando el momento ejercido por la fuerza del relleno sea igual al momento estabilizador, lo cual constituye un peligro inminente de Volteo. Para evitar el volteo, el reglamento AASHTO, considera un factor de seguridad en condiciones normales de 2.00. Por lo Tanto, antes de empezar el diseño de los estribos se deberá determinar su estabilidad (por deslizamiento y volteo). Además se debe verificar que las presiones transmitidas al terreno no sobrepasen la capacidad de soporte del suelo. Estribo con Puente Sismo, En el caso de un evento sísmico el empuje del terreno sobre el estribo se ve incrementado y con la adición de las fuerzas inerciales tanto de la superestructura como de la infraestructura hacen que la estabilidad del estribo sea mas critica. Por tratarse de un evento súbito, el código permite una reducción de los factores de seguridad a 1.50 en volteo y 1.125 al deslizamiento.
APLICACIONES DE LOS ESTRIBOS.
El estribo con aleros en línea recta, se aplica en forma usual para cruzar una calle, carretera o ferrocarril, pero no es adecuado para el cruce de un río debido al peligro de que el agua fluya detrás del muro. Tales estribos suelen ser macizos y deben resistir grandes momentos de vuelco. Por lo tanto pueden usarse en terrenos firmes y arena. Los estribos con aleros en ángulos se usan para el cruce de ríos, generalmente las alas no se extienden hasta el pie del talud del relleno de acceso sino que se las corta a cierta altura dependiendo del ángulo de deflexión α del ala. Las aletas oblicuas se emplean en el cruce sobre una corriente cuando esta sirva para desviar la corriente tomando en cuenta la socavación. Se emplean Estribos en “U” si las orillas del río son escarpadas, en este caso las bases de los muros pueden ir escalonados adaptándose al terreno. Estribos en “T” requiere una gran cantidad de mampostería, se recomienda su uso para estribos altos, especialmente cuando se apoya en un talud de roca.
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CALCULO DE ESTRIBOS
Para el cálculo de un estribo se debe tomar en cuenta varios factores entre los cuales tenemos la fuerza sísmica, el empuje del suelo, la sobrecarga, los momentos estabilizadores y de volteo, entre otros.
Condiciones Básicas del Diseño de los Estribos. El cuerpo del estribo esta sometido a las siguientes cargas verticales y horizontales. a) Cargas verticales debidas a las reacciones de la superestructura, que se calculan sin tomar en cuenta el efecto del impacto sobre las sobrecargas móviles. b) El peso propio del estribo. c) El peso del relleno que actúa sobre la base del estribo y contribuye así a su estabilidad. d) El empuje de tierra para cuya determinación se debe tomar en cuenta el efecto de las sobrecargas de transito que actúan sobre el relleno. Según las normas AASHTO, la sobrecarga de transito equivale a una altura adicional de relleno de 0.90 m. Las acciones sísmicas que actúan sobre el material de relleno, cuyas propiedades estáticas se modifican por el efecto dinámico del sismo. e) Los empujes de la superestructura, se calculan, al igual que las reacciones verticales, sin tomar en cuenta el efecto del impacto sobre la sobrecarga. f) Presiones del viento y agua, que en la mayor parte de los casos resulta despreciable en comparación con la magnitud de otras cargas que actúan sobre los estribos. g) Las fuerzas de tracción y frenado, cuya influencia en los puentes carreteros puede despreciarse. Son más importantes en los puentes ferrocarrileros. El proyecto de diseño de los estribos de un puente, se hace bajo las combinaciones más desfavorables de cargas, a fin de satisfacer algunas condiciones, las cuales también se establecen para el caso de muros de sostenimiento. Dichas condiciones, son las siguientes:
Estabilidad al volcamiento.
Estabilidad al deslizamiento.
Presión aceptable sobre el terreno de fundación.
Resistencia de sus elementos a las fuerzas a que están sometidos.
En los muros de sostenimiento, se admite que la resultante de las cargas actuantes, ocupe cualquier punto del núcleo de la base; sin embargo, en los estribos es conveniente conservar la resultante, lo mas cerca posible del centro de gravedad de la base, ya que, dada la mayor magnitud de las cargas que actúan sobre el estribo, su comportamiento en condiciones de excentricidad producirían una concentración de presiones en el borde de la base, capaz de originar asentamientos desiguales considerables y grietas probables en el cuerpo del estribo.
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DISEÑO DE LOS ESTRIBOS.
1) Conocida la ubicación y las condiciones de relleno de acceso, se procede a dimensionar, de manera aproximada, los elementos que conforman el estribo. En los estribos de mampostería o concreto simple, se hace el espesor de la cabeza igual al espesor del parapeto, más el ancho de los aparatos de apoyo, con un margen de seguridad de 20 cm. aproximadamente. El parapeto se considera como un pequeño muro de sostenimiento apoyado al nivel de asiento de las vigas. Su espesor debe ser el menor posible, por ello se le diseña a veces, como una pantalla de concreto armado empotrada en la caña. Se diseña el asiento de las vigas de manera tal que posea un ancho suficiente para los aparatos de apoyo, más el margen de seguridad. Cuando no se utilizan aparatos de apoyo exigen las normas AASHTO dejar para el asentamiento de las vigas un ancho igual a los 3/8 de su altura. El ancho de la base se determina en función de la altura del relleno, se puede utilizar como primera aproximación un espesor igual a 0.40h. En los estribos de concreto armado es necesario dimensionar aproximadamente las patas anteriores y posteriores de la base, cuyo ancho total puede estimarse en 0.40h.
2) Se establecen las hipótesis de carga más desfavorables. Se verifican las condiciones del estribo, por lo menos para los siguientes casos:
Estribo solo, sin relleno y sin la reacción del puente.
Estribo y puente descargado, sin la acción del relleno.
Estribo y puente descargado, con acción del relleno sobrecargado.
Estribo y puente cargado, con la acción del relleno sin sobrecarga.
Puente descargado y relleno activado por el sismo (solo en las zonas sísmicas)
Puente cargado y relleno activado por el sismo (solo en las zonas sísmicas)
Para cada uno de estos casos, se deben calcular los valores de los empujes de la tierra y de las reacciones de la superestructura, combinándolos con el peso propio del estribo, para obtener la resultante de todas las acciones.
3) Con los valores anteriores se verifica:
La estabilidad del estribo al volcamiento, comparando el punto de pase de la resultante con el centro de gravedad de la base, esta excentricidad debe ser la menor posible.
La estabilidad al deslizamiento, comparando el empuje total horizontal, con la fricción P.tanφ desarrollada por el peso P del estribo en la superficie de contacto entre la base y el suelo. El factor de seguridad al deslizamiento debe ser igual a 2.
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Mampostería o concreto s/concreto 0,60 Mampostería o concreto s/arena o grava 0,50 Mampostería o concreto s/arcilla 0,40 Cuando el factor de seguridad al deslizamiento no resulte aceptable, puede mejorarse la condición del estribo proporcionándole un dentellón debajo de su base, sin modificar las dimensiones del mismo. En los estribos apoyados sobre pilotes, se puede tomar en cuenta la resistencia horizontal de estos, para compensar el efecto del deslizamiento.
4) Una vez que se cumplan las condiciones de estabilidad y de presión admisible sobre el terreno se diseña la caña del estribo, esta debe resistir las fuerzas a la que esta sometida. Se dimensionan en detalle el parapeto, el cual generalmente se construye de concreto armado, considerándolo como empotrado en la caña del estribo, a fin de reducir al mínimo su espesor.
5) Se colocan los aparatos de apoyo, se comprueban los esfuerzos localizados de compresión que estos producen sobre la cabeza del estribo y se diseñan los detalles constructivos, tales como barbacanas para garantizar el drenaje del relleno contenido por el estribo, refuerzos para temperatura y contracción de fraguado, etc. Es recomendable que el refuerzo de repartición de los estribos consista, al menos, en cabillas de 3/8”, colocadas a 25 cm. centro a centro, en ambos sentidos, cerca del paramento exterior del estribo. El diseño de los estribos se realiza por medio de tanteos, por lo que, se recomienda realizar un programa computarizado para su solución. En el caso de los estribos muy altos ó que estén ubicados en terrenos débiles ó de elevada inclinación, es necesario un análisis completo del comportamiento del terraplén. En los estribos usuales, se acostumbra a utilizar la teoría simplificada de Rankine para calcular el empuje estático de tierra.
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UNIDAD V. PILAS
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UNIDAD V. PILAS
Son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, etc.). Parte de la estructura de un puente que provee un apoyo intermedio para la superestructura. Las pilas se proyectaran para resistir las cargas muertas y vivas superpuestas; las presiones del viento que actúen sobre la pila y la superestructura; las fuerzas debidas a la corriente del agua, al hielo y a cuerpos flotantes; así como las fuerzas longitudinales. En los apoyos; fijos de los claros. Donde sea necesario, las pilas se protegerán contra los efectos de la abrasión recubriéndolas con granito, ladrillos vitrificados, madera u otros materiales de protección adecuados, hasta una altura y límites donde no puedan causar daño los hielos o cuerpos flotantes. Las pilas de puente se deberán diseñar de manera que transmitan a las fundaciones las cargas de la superestructura y las cargas que actúan sobre la propia pila. -
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Según los materiales que las conforman, son de uso común las pilas:
De mampostería o concreto ciclopeo.
De concreto armado, aporticadas o monocolumnares.
Metálicas, tubulares o formando torres de celosía.
Según su ubicación, es preciso distinguir entre las pilas situadas en:
Los cursos de agua, en las cuales es preciso reducir el disturbio que ocasionaran a las crecientes o a la navegación.
En las zonas urbanas, con requerimientos especiales y de seguridad para el transito bajo el puente.
Estas diferencias de tipo y forma inciden en la recopilación de los datos que se requerirían para proyectarlas, los cuales, en general, incluyen:
Información geotécnica, con datos sobre granulometría y capacidad resistente del suelo.
Información hidráulica, con niveles de creciente, velocidad y poder erosivo del río, presiones hidrostáticas e hidrodinámica sobre sus parámetros.
Definición de la geometría vial, en planta y perfil.
Casos de carga a considerar, tanto por cargas permanentes como por sobrecargas de transito, presión del viento y acciones sísmicas.
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PARTES QUE CONFORMAN UNA PILA
En general, se considera que las pilas están formadas por los siguientes elementos: Base Donde se apoya directamente en la fundación y queda generalmente sumergida por debajo del nivel de aguas máximas normales, por lo cual esta dotado generalmente de rompientes que aminoran el efecto de las corrientes.
Coronamiento Es aquel en el cual remata el fuste y recibe los aparatos de apoyo de la superestructura.
Fustes o cuerpos de pilas Las dimensiones de la parte superior del cuerpo de una pila para un puente están determinadas por consideraciones prácticas, como la magnitud de las reacciones en los apoyos, la distancia necesaria para la dilatación de la superestructura y la distancia entre armaduras o trabes. Frecuentemente, las pilas llevan en la parte superior, una corona que sobresale 15 cm de las aristas del cuerpo. Si la pila atraviesa una masa de agua, su forma debe hacerse aerodinámica abajo del nivel de las aguas máximas para evitar la formación de remolinos y la socavación.
En las grandes latitudes, el tajamar de aguas arriba puede estar provisto de una arista inclinada para levantar y romper los bloques de hielo. Por cuestión de apariencia, algunas veces se da al cuerpo de las pilas un ligero escarpio.
Las pilas llenas, (fig. a), se usan comúnmente en los puentes para ferrocarriles. Las dobles (fig. b y c) se adoptan para los puentes de las carreteras, aunque las del tipo b se usan también para ferrocarriles. Las pilas en T, (fig. d) son uno de los varios tipos que se usan para evitar los claros esviajados al pasar sobre vías de ferrocarril o carreteras.
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La mayor parte de los puentes modernos son de concreto reforzado. Como protección contra los elementos, algunas veces se usa un recubrimiento de mampostería, especialmente cerca de la superficie del agua. Aunque las pilas de subestructura comúnmente se consideran como parte de la misma, no son parte de la cimentación en el sentido de que su proyecto requiera considerar las propiedades de los materiales del subsuelo. La disposición y proyecto de las pilas se realiza de manera de trasmitir las cargas de la superestructura a la fundación, causando, al mismo tiempo, el mínimo disturbio posible al régimen del río que se pontea. En general, las pilas están sometidas a solicitaciones de cargas verticales y horizontales, cuya magnitud varía según el caso y se deben a: Reacciones verticales: originadas por el peso propio de la superestructura y por el efecto de las cargas móviles. Reacciones horizontales: debidas a la acción del freno y los empujes horizontales ocasionados por la presión del viento y por la velocidad del agua, a las cuales hay que adicionar las acciones sísmicas, si las hubiere. La presencia de las pilas, que necesariamente ocupan posiciones intermedias en el cauce del río, ocasionan un disturbio en el régimen normal del mismo, el cual se manifiesta con una sobre elevación o remanso del nivel del río, aguas arriba del sitio del puente y por un aumento de la velocidad de la corriente y ocurrencia de remolinos, en la sección estrechada por la presencia de la estructura y por consiguiente, deben disponerse las pilas de tal manera que se les reduzca lo mas posible. Para reducir el disturbio ocasionado por las pilas, se acostumbra perfilar la base de las mismas, dándoles una sección aerodinámica, o similar, que reduzca la contracción de la sección de desagüe.
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Las pilas generalmente se dividen en pilas bajas y altas. Las pilas bajas generalmente se consideran aquellas con una altura comprendida entre los cinco y los veinte metros y se suelen situar en cruces viarios entre dos vías de comunicación, como pueden ser cruces entre carreteras o carreteras y ferrocarriles. Para la ejecución de estas pilas bajas generalmente se utilizan encofrados metálicos y la dificultad mayor consiste en integrar las pilas en el medio más que su propia ejecución. En pilas de gran altura no se puede realizar un encofrado de toda la altura de golpe ya que no resultaría económico, además generalmente se requieren formas más específicas dado que aguantan generalmente solicitaciones mucho mayores. Así pues, a continuación, veremos de manera rápida los diferentes métodos constructivos que se emplean para la construcción de pilas de gran altura.
TIPOS DE PILAS
Pilas de Concreto. Las pilas de mampostería o de concreto, debido a la permanencia y estabilidad que ofrecen estos materiales, son las más utilizadas en su construcción. De acuerdo a su altura, se pueden utilizar uno de estos tipos: • Pilas llenas o macizas: cuando no salvan grandes alturas, sus secciones son prácticamente constantes. Cuando la altura es considerable pueden construirse con un perfil de igual resistencia. • Pilas aligeradas: se utilizan para reducir el peso propio de las mismas. • Pilastras: están formadas por columnas independientes o ligadas entre sí por medio de diafragmas. En ellas se incluyen las monocolumnas, muy usadas en los cruces urbanos, para disminuir la interferencia con el tránsito.
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Características estáticas
Las pilas de concreto se proyectaran para satisfacer las condiciones básicas siguientes:
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Estabilidad al volcamiento y al deslizamiento: bajo las condiciones más desfavorables de carga. Resistencia de los elementos: que la componen a la acción de las cargas que están sometidas. En las zonas sísmicas, deben considerarse, igualmente, las acciones debidas al sismo de diseño. En los cauces de agua profunda, la sub-presión que actúan sobre la base de la pila puede llegar a tener magnitud suficiente para influir en su estabilidad y debe también considerarse, al analizar el efecto de las cargas. Las dimensiones de las pilas macizas dependen principalmente del ancho de la superestructura y del tamaño de los aparatos de apoyos, los cuales determinan las condiciones del coronamiento de la pila y por consiguiente del fuste de las mismas, ya que, en general, la compresión producida por las cargas es muy pequeña y sus valores no influyen en la determinación de la sección de la pila, excepto cuando estas tienen una altura considerable.
Pilas metálicas Cuando la altura de la pila es considerable y se desea reducir el peso propio de la infraestructura, lo cual ocurre especialmente en el caso en que los suelos de fundación tengan bajo poder de soporte, se emplean pilas metálicas. Estas pilas metálicas son especialmente aplicables para los puentes cuya superestructura sea también metálica y se les utiliza principalmente en el caso de os viaductos, ya que no es recomendable utilizar las pilas metálicas por debajo del nivel de aguas máximas del río, en cuyo régimen producen considerables disturbios, inconvenientes que se suman al peligro de oxidación de las piezas y uniones metálicas que quedan sometidas a la acción del agua, razones por las cuales se especifica, generalmente, que la base de las pilas metálicas se construya de mampostería, circunstancial que, naturalmente, disminuye las ventajas de las pilas metálicas en el caso de los puentes sobre cursos de aguas normales. De acuerdo con la altura y las condiciones de la estructura se pueden usar los siguientes tipos de pilas metálicas: Pilas de columnas metálicas: formadas por perfiles laminados (generalmente de sección en H) o por formas tubulares, cilíndricas o rectangulares, las cuales se aplican en los casos en que la altura de la pila no es muy grande y la magnitud de las reacciones de la superestructura no es excesiva, a la vez que no existen empujes horizontales de valor apreciable. Torres de celosía: formadas por montantes fabricados con perfiles laminados en C o en H, ligados por medo de diagonales formadas con angulares laminados. Estas torres se utilizan cuando la altura de la pila es considerable, cuando las reacciones de la estructura tienen magnitudes muy grandes y especialmente, cuando las acciones horizontales adquieren mayor importancia. En algunos casos se han usado torres de celosía del tipo Vierendeel, en las cuales se sustituyen la restricción de las diagonales, por la rigidez de los nodos, que se suponen capaces de absorber los momentos y oponerse a la rotación de los diafragmas. Estos tipos resultan económicos para cargas y alturas considerables y son más agradables a la vista, a la vez que presentan menor superficie a la acción del viento.
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Características estáticas
Las pilas metálicas se proyectan para satisfacer las mismas condiciones establecidas antes para las pilas de concreto o sea: Estabilidad al volcamiento y al deslizamiento: la cual se logra mediante la forma adecuada de la pila, siendo de advertir que en estructuras se tolera la aparición de tracción en algunos de sus elementos, siempre que estos se anclen firmemente al macizo de la fundación, la cual debe tener dimensiones suficientes para garantizar la estabilidad del conjunto. Resistencia de los elementos: que la componen, a las fuerzas derivadas de las hipótesis mas desfavorables de carga, tomando en cuenta todas las combinaciones posibles de fuerzas horizontales debidas al viento, al sismo y al frenado, junto con las reacciones verticales correspondientes a los casos de puente cargado y descargado. Es de advertir que, en algunos casos, el cambio de sentido de las fuerzas horizontales implica una inversión de las fuerzas en las componentes de la pila, circunstancia que debe tomarse, muy en cuenta para su verificación.
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UNIDAD VI. DISPOSITIVOS DE APOYO
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UNIDAD VI. DISPOSITIVOS DE APOYO Son los elementos que van entre la viga del puente y el asiento del estribo. Los aparatos de apoyo se utilizan para: • Localizar el punto de apoyo de cada viga y por ende, el punto de aplicación de las reacciones del puente. • Absorber los movimientos de apoyo de la estructura, debidos a la acción de las cargas o de los cambios de temperatura. • Distribuir las reacciones del puente en áreas suficientes para tener presiones aceptables, en la cabeza de los estribos o pilas. • Absorber, parcialmente, las acciones dinámicas del sismo permitiendo una reducción en las solicitaciones determinantes del diseño de las pilas muy altas.
Según permitan, o no, los movimientos longitudinales de las vigas, se dividen los aparatos de apoyo en tipos principales
Aparatos de apoyo fijo.
Aparatos de apoyo móviles.
El uso de aparatos de apoyo móviles se justifica por la necesidad de permitir a las vigas, los cambios de longitud que le ocasionan las variaciones de temperatura y, en las estructuras de concreto, la contracción de fraguado. En efecto, si las vigas tuvieran ambos extremos fijos, un cambio At de temperatura producirá esfuerzos unitarios S, cuyo valor seria:
Este empuje H= S.A sobre la cabeza de las pilas y estribos llega a tener valores considerables, suficientes para fracturar la caña de estos elementos.
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Igual razonamiento puede aplicarse a la combinación de fraguado del concreto, que en el trópico equivale en su efecto a una baja de temperatura de 9ºC, la cual producirá esfuerzos de tracción de 13 Kg/cm², casi igual a la mitad de la resistencia del concreto a la ruptura por tracción.
Los aparatos de apoyo pueden ser solucionados en formas diversas y ello es función de la longitud de los puentes o mas propiamente de la magnitud de las reacciones transmitidas así como del material de la parte de la superestructura que transmite la carga a los aparatos de apoyo. Lo propio en cuanto a la definición de apoyo fijo o móvil que en el caso de tramos simplemente apoyados resulta sencilla su definición porque a un lado va el fijo y al otro extremo el móvil, sin embargo en correspondencia con la pila o el estribo habrá que analizarse la influencia de la componente horizontal que transmite el apoyo fijo, por ello en tramos simplemente apoyados conviene introducir apoyos mixtos que prorratean la componente horizontal entre sus dos extremos.
Cargas exteriores, permanentes o variables.
Variaciones de temperatura y humedad.
Fluencia y retracción.
Fatiga.
Efectos dinámicos: Frenado, cabeceo, fuerza centrífuga, choques, etc.
Otras causas exteriores de movimiento deben eventualmente tenerse en cuenta tales como:
Asentamiento del suelo de fundación.
Sismos.
Movilidad de determinados elementos de estructuras como por ejemplo en los puentes que giran o levadizos. Salvo que se introduzcan en las estructuras esfuerzos cuyas consecuencias podrían ser dañinas, los desplazamientos y rotaciones que resultan de solicitaciones deben posibilitarse con un mínimo de sujeciones.
El rol de un aparato de apoyo, colocado en la unión entre una estructura y su soporte, es permitir dentro de ciertos límites y bajo ciertas condiciones:
La transmisión de esfuerzos.
La libertad de los desplazamientos y rotaciones al mismo tiempo que garantizar la estabilidad de conjunto.
También nos sirven para transmitir a la infraestructura las reacciones verticales y horizontales producidas por las diferentes acciones y solicitaciones. Debiendo responder lo más fielmente posible a las condiciones de vinculación establecidas en las hipótesis de cálculo. En función de la magnitud de las luces de los vanos y de los materiales se emplean apoyos desde simples chapa sobre chapa metálica hasta complicados y sofisticados aparatos de apoyo.
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La unión de la base de un pilar a la cimentación se materializa mediante las placas de anclaje (basas de soportes en CTE). Dependiendo de la configuración del detalle constructivo la base del pilar puede comportarse como rígida, articulada o semirrígida al igual que el resto de uniones entre elementos de la estructura. Las funciones básicas son:
Permitir la distribución de los esfuerzos de la base del pilar sobre la zapata.
Para esfuerzos pequeños es posible empotrar directamente el pilar en la zapata.
Para esfuerzos medios y altos se interpone una placa de acero montada sobre una capa de mortero, para su correcto nivelado, que se solidariza a la zapata mediante los denominados pernos de anclaje que pueden ir atornillados o soldados a la placa.
Cuando los esfuerzos de tracción derivados del momento flector en la base son muy elevados es posible disponer durmientes metálicos embebidos en la zapata que ayudan a los pernos de anclaje a soportar tales solicitaciones.
Una base de pilar empotrada presenta frente a una base articulada las siguientes: Ventajas:
Las secciones de los nudos adyacentes y en general de la estructura serán menores.
Los aparatos de apoyo resultan más sencillos y por tanto más baratos.
Los aparatos de apoyo requieren menor mantenimiento.
Inconvenientes:
La base del pilar empotrada se encuentra más solicitada al aparecer el momento. Esto conduce a cimentaciones de mayor volumen y por tanto más costosas. Por este motivo resulta indicado recurrir a bases articuladas cuando el terreno es deficiente.
TIPOS DE APARATOS DE APOYOS
Aparatos de apoyo fijos Son necesarios para repartir las reacciones de las vigas en un área suficiente para obtener presiones aceptables sobre los estribos y al mismo tiempo, para permitir la libre giracion de la elástica de la viga en sus apoyos.
Aparatos de apoyos fijos, para puentes de concreto: en los puentes de concreto, de luces moderadas, no se utilizan aparatos especiales en los apoyos fijos, soportando directamente, el estribo o pila, las reacciones de las vigas (dándoles una longitud mínima de apoyo igual a ⅜ de su altura). Si el estribo o pila fuera de un material menos resistente que la estructura, debe coronárselo con una losa armada de repartición de la misma calidad del concreto.
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Para luces grandes, debe intercalarse algún elemento que permita la rotación de la elástica en el apoyo, habiendo utilizado, a tal fin, desde simples planchas de plomo, o de neopreno, hasta balancines similares a los usados en los puentes metálicos. Especialmente estos balancines se componen de un sector de cilindro, en contacto con una superficie plana y sus dimensiones se determinan a base de la relación:
Aparatos de apoyo fijos, para puentes metálicos: En los puentes de luces pequeñas (menores de 15cm) puede prescindirse, también, de los aparatos de apoyos en los apoyos fijos, siempre que la presión de las vigas sobre el estribo no sobrepase de 45 Kg/cm². Para presiones mayores, es necesario intercalar entre la viga y el coronamiento, planchas o pedestales de repartición, que aumenten el área de apoyo de las vigas. Para luces mayores de 15m y en especial en los puentes de celosía, es indispensable permitir el libre giro de la elástica. En algunos casos ha bastado usar simples planchas de plomo, intercaladas entre dos planchas de acero de repartición, pero en los puentes de celosía de luces medianas (20 40m) se acostumbra usar balancines de pasador, que pueden obtenerse prefabricados, en tipos normales, para diferentes magnitudes de las reacciones, o bien construirse de acuerdo con un proyecto especial, para lo cual deben verificarse sus dimensiones, a fin de satisfacer sus condiciones de presión sobre el estribo, y de resistencia a la flexión, esfuerzo cortante y aplastamiento. Los pasadores se consideran como vigas cortas cilíndricas, cuyo diámetro mínimo Ø para resistir el momento M producido por las cargas será:
Aparatos de apoyos móviles Aparato de apoyo móviles, para puentes de concreto: Los aparatos móviles deben llenar la condición de permitir libremente el desplazamiento longitudinal del extremo de la viga, a la vez que la giracion de la elástica, sin que por ello corra la estructura el riesgo de salirse de sus apoyos y sin rebasar las presiones permisibles sobre los estribos. Entre los puentes de concreto de luces muy pequeñas, hasta intercalar dos capas de papel asfaltado entre las vigas y el tope de los estribos o pilas, en tanto que para luces medianas (menores de 20m)
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es conveniente usar dos planchas metálicas lisas, entre las cuales se intercala una lamina de plomo de ⅛” de espesor. Según la AASHTO, se deben usar planchas para luces hasta de 15m, para luces mayores se deben usar rodillo. Se utilizan también láminas de neopreno, intercaladas con planchas metálicas, citadas antes. El área de las planchas se determina para lograr una presión menor de 45 kg/cm². Sobre el concreto. Para luces muy grandes, en concreto, pueden usarse dos tipos de aparatos de apoyo a saber:
Balancines de concreto armado, prefabricados, con planchas de plomo intercaladas o vestidos con laminas de acero, las cuales tienen sus extremidades cortadas según cilindro de gran radio
Según su esfuerzo se clasifica en los tres tipos industriales siguiente: Tipo Considere, con esfuerzo espiral; tipo Pendular, con superficie plana y tipo Pendular, con plancha de rodadura.
El tipo más usado es el tipo Considere, estudiado experimentalmente por W.L Scott, que puede proyectarse para ser construido en la obra, cuidando al dimensionarlos de llenar las condiciones
Rodillos y balancín de hierro fundido, de tipo similar usado en los puentes metálicos.
Estos aparatos se consiguen en medidas normalizadas, industriales, para diferentes magnitudes de las reacciones de las vigas. Son necesarios para luces grandes y puentes muy esbeltos, siendo su peso y su costo bastante elevados. Aparatos de apoyo móviles, para puentes metálicos: en los puentes metálicos, aun en el caso de luces pequeñas (hasta 20m), deben colocarse planchas deslizantes en los apoyos móviles, intercalándose láminas de plomo de ⅛” de espesor. Pueden utilizarse, también, las planchas de neopreno, combinadas con láminas metálicas. Para luces medianas (20 a 45m) pueden usarse simples balancines o mecedores. Al dimensionarlos, debe cuidarse que la presión sobre el estribo sea menos de 45 kg/cm² y que la presión entre el balancín y la plancha no sobrepase 45. r Kg/cm lineal, es decir, que su longitud L sea tal que:
Rotulas y articulaciones Se denominan rotulas y articulaciones, aquellos aparatos de apoyo que son capaces de transmitir fuerzas axiales y transversales, pero no momentos. Por tanto, se las emplea cuando es necesario fijar puntos de paso de la elástica de las estructuras y a fin de eliminar grados de indeterminación en el proyecto de estas. Es condición indispensable de una articulación permitir rotaciones, pero no desplazamientos.
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En los puentes metálicos es fácil realizar esta condición utilizando pernos o pasadores, cuyo diámetro se proyecta para resistir los esfuerzos contantes y de desplazamiento. En los puentes de concreto se pueden usar rotulas prefabricadas, metálicas o de concreto armado, formadas por dos superficies concéntricas, una cóncava y otra convexa, las cuales se fijan a los extremos de los elementos estructurales.
Aparatos de apoyo puentes. El elastómero: El elastómero usado para la fabricación de los aparatos de apoyo estándar FREYSSINET es el policloropreno, caucho sintético principalmente comercializado bajo el nombre de neopreno por la Du Pont de Nemours que lo fabrica y distribuye desde 1931. Este producto ha sido escogido en razón de su remarcable resistencia al envejecimiento y sus excelentes perfomances en relación a los agentes agresivos como el ozono, los aceites minerales, la gasolina, los solventes, los rayos ultravioleta. Sin embargo en caso de exigencia particular, el caucho natural puede sustituir al policloropreno y la adición antes de la vulcanización, de aditivos tales como los antioxidantes o los antiozonantes mejora sus performances en relación al envejecimiento. Debe notarse que numerosos reglamentos nacionales preconizan indiferentemente el empleo del uno o del otro de estos dos elastómeros, como compuesto de base de la mezcla usada para la fabricación de los aparatos de apoyo. La puesta a punto y la realización de mezclas especiales de elastómeros permite igualmente satisfacer las exigencias particulares de ciertas especificaciones de cargas: resistencia aumentada al frío y/o a los hidrocarburos, características mecánicas mejoradas, etc. Los zunchos: Las placas de zunchado son de acero dulce, conforme a los reglamentos y normas francesas o extranjeros en vigor. En caso de necesidad específica los espesores de los zunchos pueden adaptarse a los valores deseados. En el caso de uso en medio muy agresivo, zona marítima, ambiente químico corrosivo, se recomienda encarecidamente usar, ya sea aparatos de apoyo recubiertos, ya sea aparatos de apoyo semirrecubiertos con zunchos de acero inoxidable.
DISEÑO DE LOS APOYOS EN PUENTES
El procedimiento de diseño está basado en la ASSHTO-LRFD. Para su mayor comprensión se desarrollara paso por paso mediante la solución de un ejemplo posterior. Los pasos a seguir para el cálculo del elastómero son los siguientes. 1.- Determinar el movimiento de la viga maestra debido a la temperatura. 2.- Determinar el acortamiento de la viga maestra debido al post tensado y a la contracción del concreto. 3.- Escoger el espesor del apoyo basándonos en el movimiento total requerido del apoyo. 4.- Calcular el tamaño del apoyo basado en el esfuerzo de compresión para el mismo.
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5.- Calcular la compresión instantánea por deflexión. 6.- Combinar la rotación máxima del apoyo. 7.- Comprobar la compresión y rotación del apoyo. 8.- Comprobar la estabilidad del apoyo. 9.- Comprobar el acero reforzado del apoyo.
APOYOS DE NEOPRENO Características del apoyo Características del material:
Elastómero de caucho sintético, zunchado por separadores metálicos, que presenta buena resistencia al envejecimiento y la corrosión.
Poco adecuado en climas muy fríos por la pérdida de elasticidad
Dispositivos especiales para apoyos en elastómeros zunchados. En caso de necesidades particulares F.I. puede estudiar a pedido todo dispositivo especial asociado a los aparatos de apoyo.
Dispositivo antiresbalamiento
Si la relación del esfuerzo tangencial aplicado a un aparato de poyo al esfuerzo normal concomitante es inferior al coeficiente de fricción entre apoyo y soporte, es necesario precaver todo resbalamiento posible. Pueden adoptarse diversas disposiciones, y su selección depende de las condiciones reales de uso. El aparato de apoyo puede ser: - Sea pegado al soporte con ayuda de un adhesivo-resina epóxico por ejemplo, cuando el esfuerzo tangencial es débil. - Sea empotrado en el concreto de la obra. - Sea provisto de anclajes soldados o atornillados. - Sea provisto de zunchos externos en láminas estriadas. - Sea sujeto lateralmente por tacos, sellados (soporte concreto), o soldados (soporte metálicos). En los últimos cuatro casos, los zunchos externos del aparato de apoyo son gruesos.
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Dispositivos de distorsión limitada o bloqueada.
El aparato de apoyo esta montado en una caja metálica mecano soldada provista de y tacos que según su posición respectiva limitan o bloquean la distorsión al mismo tiempo que permiten la rotación. La caja presenta nervios o anclajes que permiten su fijación al soporte.
Dispositivos anti-levantamiento.
Si debido a ciertas combinaciones de cargas, el esfuerzo normal aplicado al aparato de apoyo puede volverse negativo (Tracción), es necesario prever un dispositivo que impida el levantamiento.
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DIFERENTES TIPOS DE APARATOS DE APOYO
En los casos en los que las rotaciones sean muy importantes se da a los apoyos la forma de lentes biconvexas de concreto ubicadas entre placas de elastómero zunchados. Estas rotulas pueden combinarse con apoyos planos que aumentan al mismo tiempo su movilidad en el sentido horizontal. Pero ahora se las considera obsoletas y caras y en algunos casos insatisfactorias. La forma Standard plana de los apoyos es cuadrada o rectangular y para la mayoría de las aplicaciones es la forma más satisfactoria. Sin embargo se han desarrollado apoyos de planta circular siendo su mayor ventaja el no tener dirección preferida ni esquinas, y en estructuras complejas pueden acomodar combinaciones de fuerzas de corte sin el peligro de concentraciones de esfuerzos en el caucho. Sin embargo el rectangular es el más simple de fabricar y es probablemente el que permanezca como el tipo Standard.
Aparatos de apoyo en elastómeros zunchados (Neopreno). Los aparatos de apoyo en elastómeros zunchado realizan una unión de tipo elástico entre una estructura y su soporte. Son capaces de soportar las diferentes solicitaciones:
Esfuerzo normal.
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Esfuerzo y desplazamiento en el plano medio tangente.
El funcionamiento de puentes con apoyo en elastómeros zunchados (Neopreno).
Sometido a esfuerzos y/o desplazamientos, una lámina elemental de elastómero se deforma. Esfuerzos unitarios tangenciales de cizallamiento aparecen en el plano de contacto de la lámina con su soporte, esfuerzos que dependen no solamente de la magnitud de las solicitaciones impuestas sino igualmente de la forma de la superficie de la lámina en planta y superficie lateral, de la naturaleza de! elastómero, de la rapidez de aplicación de los esfuerzos y de la temperatura. Estos esfuerzos unitarios tangenciales se traducen por una tendencia al deslizamiento, que está contrarrestando gracias a la adherencia a la lámina del elastómero de las placas metálicas llamadas zunchos. A espesor igual de elastómero, estos zunchos tienen además la ventaja de permitir, sea la disminución del asentamiento bajo el esfuerzo normal, sea el aumento de la carga admisible.
En la mayor parte de los países los reglamentos permiten calcular esfuerzos unitarios y deformaciones de los aparatos de apoyo en elastómero zunchado, y fijan valores límites admisibles que no se deben sobrepasar.
Aparatos de apoyo de neoflón. La introducción de una superficie de deslizamiento constituida por una lámina de teflón permite obtener mayores desplazamientos horizontales.
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Además la presión de contacto máxima que proporciona llega a ser el doble que el de un apoyo de Neopreno, pero en contraparte la capacidad de rotación es muy reducida. Cuando el contenedor es de tipo rectangular, el teflón requiere de guías en la dirección del deslizamiento. Con estas soluciones se pueden alcanzar cargas verticales importantes del orden de 50 MN. El coeficiente de fricción depende de la presión ejercida.
En ciertos casos, un engrasado previo de las superficies de fricción permite aún disminuir los valores de μ, por lo menos en los primeros años de funcionamiento del aparato. En los aparatos de neoflón se debe controlar que la presión de contacto de la superficie exterior con el pedestal de apoyo, no sobrepase los límites admisibles de este.
Ventajas de puentes con apoyo en elastómeros zunchados. El principio: Un aparato de apoyo FREYSSINET en elastómero zunchado está constituido de una pila de un cierto número de láminas elementales de elastómero (caucho natural o sintético) entre los cuales están intercaladas placas metálicas llamadas zunchos, adheridos al elastómero al momento de su vulcanización en calor y bajo presión. La gama Standard: FREYSSINET INTERNATIONAL (F.I.) produce y distribuye una gama de aparatos de apoyo STANDARD cuyas características se indican más adelante.
Estos aparatos de apoyo se realizan:
Por cortes de "Placas madres" de grandes dimensiones que son los apoyos estándar "Semirecubiertos".
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Las capas externas están constituidas por láminas de elastómero cuyo espesor es igual a la mitad de la de las capas internas. Los cantos de los zunchos son aparentes en las caras laterales y están protegidos contra la corrosión con la ayuda de un revestimiento especial a base de resinas epóxicas.
Por moldeado individual: estos son los apoyos estándar “recubiertos”
Las capas externas están constituidas por láminas de elastómeros cuyo espesor es igual a la mitad de la de las capas internas. Los cantos no aparentes de los zunchos están protegidos contra la corrosión por una capa de elastómero de 5mm. De espesor medio, vulcanizada en la fabricación. En función de las exigencias del proyecto, pueden también realizarse a pedido, aparatos de apoyo semi-recubiertos de dimensiones en planta diferentes de las dimensiones estándar. Así mismo las caras externas de los aparatos de apoyo pueden estar constituidos de zunchos metálicos en lugar de láminas de elastómeros. la superficie exterior de estos aparatos de apoyo llamados "de zunchos externos" está entonces protegida contra la corrosión por un revestimiento especial a base de resina epóxica. En todos los casos, todas las combinaciones de número, de repartición y de espesor de láminas de elastómero y de zunchos se pueden realizar, bajo reserva de respetar las prescripciones de los reglamentos, principalmente en materia de estabilidad. Las ventajas: Además de la economía que aportan a los proyectos, los aparatos de apoyo FREYSSINET en elastómero zunchado presentan múltiples ventajas técnicas: - Ligeros y de poco bulto, son fáciles de colocar en obra. - Protegidos contra la corrosión no necesitan ningún mantenimiento. - De funcionamiento seguro, no tienen ni desgaste, ni bloqueo. - Deformables, permiten los movimientos de la estructura y pueden además jugar el rol de amortiguadores dinámicos.
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UNIDAD VII. ALCANTARILLAS DE CONCRETO ARMADO O PRETENSADO
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UNIDAD VII. ALCANTARILLAS DE CONCRETO ARMADO O PRETENSADO
Las alcantarillas para el drenaje transversal de carreteras, s on estructuras menores, aunque pueden llegar a ser obras de cierta importancia, de acuerdo a circunstancias específicas.
Generalmente se utilizan como pasos a través de terraplenes, por lo cual quedan muchas veces enterradas, detectándose su presencia por (cabezales que asoman en cada extremo por una cierta prolongación de la misma alcantarilla), La dimensión de sus aberturas son definidas en función del caudal de las aguas que atravesaran.
TIPOS DE ALCANTARILLAS
De acuerdo a la altura del relleno y desde el punto de vista económico, para aberturas inferiores a los 8 metros las mejores soluciones pueden ser de los siguientes cuatro tipos:
1. Alcantarillas en bóveda maciza o de concreto armado.
Son estructuras que resisten grandes rellenos encima de su techo. Casi siempre formadas por secciones de espesores variables y con geometría de arcos circulares o parabólicos, en la fotografía se puede observar este tipo de alcantarillas.
Batería de alcantarillas abovedadas
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2. Alcantarillas metálicas.
Especialmente utilizadas cuando el relleno es de mediana altura y de solución muy interesante cuando el terreno de fundación es malo, están formadas por tubos metálicos prefabricados o chapas acanaladas de acero galvanizado, pre moldeado para formar tubos de diámetros previstos. Funcionan como estructuras elásticas ó flexibles, por lo cual se adaptan a las presiones del relleno que soportan.
Batería de alcantarillas Metálicas circulares con protección de colchonetas
Se recomienda que el relleno mínimo sobre las alcantarillas metálicas sea de 60 cm. y pueden soportar el paso de grandes cargas rodantes sobre la calzada. Este tipo se puede apreciar en la fotografía.
3. Alcantarillas circulares o Tubos de hormigón simple y armado.
Generalmente cuando las corrientes de agua son reducidas, se les da paso mediante alcantarillas formadas por tubos. Para pequeños diámetros es suficiente fabricarlos con mezcla húmeda de cemento y arena. Son tubos enterrados, generalmente de diámetros no menores de 90 cm, para facilitar su limpieza y la economía, cuidando también que no sean tubos de diámetros grandes ya que son muy costosos. Para terraplenes destinados a vías férreas se aceptan tubos en hormigón simple hasta 0.8 metros. de diámetro, siempre que sobre el tubo el relleno sea superior a 3 m. y si el terreno es malo se debe colocar una capa de hormigón y a veces inclusive revestir el tubo con ella.
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Batería de alcantarillas circulares de hormigón Armado
Pasados los 0.8 m. de diámetro se debe emplear tubos de hormigón armado, porque aparecen tensiones de tracción tanto en la fibra interior como en la exterior, por lo que se dispone armadura anular en ambas caras de la pared del tubo con armadura de distribución longitudinal, ver figura.
Tubo en hormigón armado
Pruebas realizadas para las mismas condiciones de carga y diámetro de tubo sobre alcantarillas rígidas que corresponden al caso anterior y alcantarillas flexibles que son fabricadas con plancha metálica muestran las presiones de la figura, es decir que al parecer las flexibles son las que mejor se acomodan al terraplén, sin embargo para la elección final se debe relacionar costos.
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Presiones comparativas vertical y horizontal en tubos
4. Alcantarillas cajón.
Cuando la altura del relleno es pequeña o nula la solución normal puede ser un sistema aporticado o el uso de secciones cajón ,ver fotografía.
Alcantarillas Cajón de hormigón Armado
Son empleadas frecuentemente para luces que no llegan a los 10 metros, pero si el terreno de fundación es de mala capacidad puede alcanzar luces hasta de 12 metros, están formadas por dos paredes laterales, una tapa y fondo, generalmente de sección constante y a veces presentan unas cartelas en las esquinas.
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Alcantarillas Cajón bajo un fuerte relleno Algunas veces no tienen relleno encima por lo cual las cargas rodantes estarán encontacto con la losa de tapa; otras veces tienen relleno encima.
ESTRATEGIAS PROPUESTAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES Y OBRAS MENORES DE DRENAJE
De observaciones y/o experiencias que fueron hechas, realizadas y obtenidas, al comportamiento hidráulico de los puentes y obras menores de drenaje ante avenidas extraordinarias, a causa de la ocurrencia de crecientes extremas de ríos y arroyos, permiten plantear las siguientes situaciones y recomendaciones desde el punto de vista de drenaje para puentes y alcantarillas. Las estructuras que drenan corrientes con cauces de avenidas muy amplios generalmente estrechan la sección de dichos cauces, por lo que durante las crecientes importantes trabajan forzadamente, lo que propicia en gran número de casos el colapso de la estructura debido al fenómeno de la socavación.
Considerando lo anterior, conviene que los puentes existentes que produzcan tal estrechamiento del escurrimiento en cauces amplios, cuenten con terraplenes "fusibles" que puedan ser cortados fácilmente por la corriente cuando ésta alcance un tirante 50 cm menor que el de diseño y evitar así que el puente trabaje forzadamente desde el punto de vista hidráulico, con la posible consecuencia de su colapso. Dichos terraplenes "fusibles" consisten en terracerías con altura igual a dicho tirante de diseño, para que el agua sobrepase el nivel de rasante de la carretera y la erosione, con su consecuente corte; además, los terraplenes fusibles se construyen con material puramente friccionante sin protección contra tal erosión.
Los puentes que drenan corrientes con cauces encajonados -bien definidos- llegan a fallar por socavación cuando este fenómeno no fue debidamente analizado en los estudios básicos para el proyecto de las estructuras, o cuando el caudal de las avenidas máximas fue subestimado.
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En otras ocasiones, cuando existe estrechamiento y los apoyos extremos están ubicados dentro del cauce, éstos pueden ser flanqueados por la corriente, y ser afectados por la socavación, a tal grado que pudiera colapsarse la estructura.
Se deberá tener especial cuidado en proyectar de forma adecuada la estructura, considerando un gasto de diseño debidamente analizado y una profundidad de desplante suficiente de su cimentación para evitar la falla por socavación. De esta forma también se minimizará la probabilidad de que el puente sea flanqueado por la corriente al sufrir la erosión y corte de los terraplenes de acceso.
Finalmente, se recomienda eliminar el uso de tubos metálicos para construir o reconstruir alcantarillas, en todas las regiones costeras o en aquéllas en que exista la posibilidad de que ocurra el fenómeno de corrosión.
DISEÑO DEL PUENTE CAJÓN.
El procedimiento de cálculo y el dimensionamiento de fierros se lo realizan con las especificaciones que se indica en el reglamento AASHTO para puentes de hormigón armado, realizando su análisis como un pórtico para facilitar su cálculo manual, también cabe recalcar que este análisis puede ser realizado en un simulador estructural.
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