Pontificia Universidad Católica de Valparaíso - Facultad de Ingeniería – Carrera de Ingeniería Civil – Diseño en Acero
DISEÑO VIGAS DE PUENTE
DISEÑO DE ACERO CIV - 535 DICIEMBRE 2010
JOHANN FIERRO P. DIEGO ZÁRATE N.
ÍNDICE RESUMEN .......................................................................................... Error! Bookmark not defined. ABSTRACT .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................ ...... Error! Bookmark not defined. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................5 ALCANCE Y DESCRIPCION ESTRUCTURAL .................. ............................ ................... .................. .................. .................. .................. .................. ..........6 .6 CODIGOS Y CRITERIOS DE DISEÑO EMPLEADOS .......... .................... ................... .................. .................. .................. .................. ................6 .......6 MATERIALES ......................................................................................................................................6 CARGAS CONSIDERADAS ................................................................................................................6 CALCULO DE CARGAS ......................................................................................................................7 ENVOLVENTE DE MOMENTO Y CORTE PARA CARGAS DE TRÁNSITO T RÁNSITO DE VIGA ................. ..................7 .7 MOMENTOS TRANSITO .....................................................................................................................8 MOMENTO PARA TÁNDEM + FAJA ...............................................................................................8 CORTE PARA TÁNDEM + FAJA .................................................................................................. 10 MOMENTO PARA CAMIÓN + FAJA............................................................................................. 12 CORTE PARA CAMIÓN + FAJA .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 15 FACTORES DE DISTRIBUCIÓN DE CARGA .............. ....................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. ............. .... 19 CÁLCULO DE LOS FACTORES DE DISTRIBUCIÓN ....................... ................................ .................. .................. .................. .................. ........... 21 MOMENTO EN VIGAS VIGAS INTERIORES INTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.2.B-1 DE AASHTO) .................. ........................... ........... 21
MOMENTO EN VIGAS VIGAS EXTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.3.A-1 4.6.2.2.3.A-1 DE AASHTO) ................. .......................... ........... 23
CORTE EN VIGAS INTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.2.D-1 DE D E AASHTO) ................ ......................... .................. ........... 23
CORTE EN VIGAS EXTERIORES (TABLA 4.6.2.2.3.B-1 DE AASHTO) ............... ........................ .................. ........... 24 CARGAS PERMANENTES EN VIGAS EXTERIORES E INTERIORES ....................... ................................. .................. ........ 25 ESFUERZOS PARA CARGAS VEHICULARES VEHICULAR ES EN VIGAS INTERIORES Y EXTERIORES.......... 26 MOMENTO Y CORTE DE DISEÑO PARA P ARA VIGAS ................... ............................ .................. .................. .................. .................. .................. ........... 28
2
ÍNDICE RESUMEN .......................................................................................... Error! Bookmark not defined. ABSTRACT .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................ ...... Error! Bookmark not defined. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................5 ALCANCE Y DESCRIPCION ESTRUCTURAL .................. ............................ ................... .................. .................. .................. .................. .................. ..........6 .6 CODIGOS Y CRITERIOS DE DISEÑO EMPLEADOS .......... .................... ................... .................. .................. .................. .................. ................6 .......6 MATERIALES ......................................................................................................................................6 CARGAS CONSIDERADAS ................................................................................................................6 CALCULO DE CARGAS ......................................................................................................................7 ENVOLVENTE DE MOMENTO Y CORTE PARA CARGAS DE TRÁNSITO T RÁNSITO DE VIGA ................. ..................7 .7 MOMENTOS TRANSITO .....................................................................................................................8 MOMENTO PARA TÁNDEM + FAJA ...............................................................................................8 CORTE PARA TÁNDEM + FAJA .................................................................................................. 10 MOMENTO PARA CAMIÓN + FAJA............................................................................................. 12 CORTE PARA CAMIÓN + FAJA .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 15 FACTORES DE DISTRIBUCIÓN DE CARGA .............. ....................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. ............. .... 19 CÁLCULO DE LOS FACTORES DE DISTRIBUCIÓN ....................... ................................ .................. .................. .................. .................. ........... 21 MOMENTO EN VIGAS VIGAS INTERIORES INTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.2.B-1 DE AASHTO) .................. ........................... ........... 21
MOMENTO EN VIGAS VIGAS EXTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.3.A-1 4.6.2.2.3.A-1 DE AASHTO) ................. .......................... ........... 23
CORTE EN VIGAS INTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.2.D-1 DE D E AASHTO) ................ ......................... .................. ........... 23
CORTE EN VIGAS EXTERIORES (TABLA 4.6.2.2.3.B-1 DE AASHTO) ............... ........................ .................. ........... 24 CARGAS PERMANENTES EN VIGAS EXTERIORES E INTERIORES ....................... ................................. .................. ........ 25 ESFUERZOS PARA CARGAS VEHICULARES VEHICULAR ES EN VIGAS INTERIORES Y EXTERIORES.......... 26 MOMENTO Y CORTE DE DISEÑO PARA P ARA VIGAS ................... ............................ .................. .................. .................. .................. .................. ........... 28
2
TABLA DE FIGURAS Figura 1: Diagrama tándem en viga. ....................................................................................................8 Figura 2: Diagrama Momento tándem .................................................................................................8 Figura 3: diagrama método sección, momento faja. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. .................. .............9 ....9 Figura 4: diagrama tándem en viga. ................................................................................................. 10 Figura 5: diagrama método sección, corte faja. .................. ............................ ................... .................. .................. .................. .................. ................ ....... 11 Figura 6: diagrama camión en viga. .................................................................................................. 12 Figura 7: Envolvente de Momentos Máximos Camión 4.3[m] + Faja. ........... .................... .................. .................. ................ ....... 13 Figura 8: Envolvente de Momentos Máximos Camión 9[m] + Faja ................. .......................... ................... ................... .............. ..... 14 Figura 9 Envolvente de corte para Camión de diseño caso 4.3[m] ................. .......................... ................... ................... .............. ..... 16 Figura 10: Envolvente de corte para Camión de diseño caso 9[m] ................. .......................... ................... ................... .............. ..... 16 Figura 11: Envolvente de d e corte para Camión(4.3) + Faja ................... ............................ .................. .................. .................. .................. ........... 17 Figura 12: Envolvente de d e corte para Camión(9) + Faja ................... ............................ .................. .................. .................. .................. ............. .... 18 Figura 13: Esquema de la viga de puente en etapa constructiva. .................. ........................... .................. .................. ................ ....... 30 Figura 14: Distribución de tensiones en el sistema viga-losa ................... ............................ .................. .................. .................. ............. .... 35
3
4
INTRODUCCIÓN El presente informe tiene como objetivo llevar a cabo el análisis de un puente, para poder diseñar las vigas de acero soportantes en conjunto a la losa colaborante de hormigón armado. Para ello se definen previamente las condiciones deseadas para el dimensionamiento de las distintas componentes del puente, así como los materiales a utilizar para llevar a cabo su construcción. El informe se divide en capítulos sucesivos, de manera tal que cada uno determine y analice un aspecto distinto de las problemáticas de carga a las que es sometida la estructura. Para determinar de manera más precisa y eficaz los estados de carga del puente se presentara el análisis según el Manual de Carreteras Volumen 3 capítulo 3.1000, y la “Standart Specificatios for Highway Bridges” 17th edición 2002 de AASHTO, que considera los factores de distribución para
modelar correctamente las condiciones de transito existentes en la realidad para vigas interiores y exteriores. Para el diseño de las vigas de soporte de acero estructural se utilizará la normativa AISC-LRFD 93 y el manual de Diseño de estructuras de acero ICHA.
5
ALCANCE Y DESCRIPCION ESTRUCTURAL La presente memoria contiene el diseño estructural a nivel de ingeniería del Puente las cuyas características son las siguientes:
Luz Libre: Ancho calzada: Ancho tablero: Numero de vanos: Numero de Vigas de acero: Tablero Losa de hormigón Armado Barandas Metálicas.
22m 8m 8m 2 3
CODIGOS Y CRITERIOS DE DISEÑO EMPLEADOS Para el diseño del puente se han tenido en cuenta las siguientes antecedentes:
Manual de carreteras Vol. 3, Edición 2001 AISC-LRFD 93 AASHTO 2002
MATERIALES Las propiedades de los materiales se presentan en las Tablas 1.1 y 1.2 respectivamente: Acero f y [Tonf/cm2] f u [Tonf/cm2] Es [Tonf/cm2] Ε (%)
A270ES 2.7 4.2 2100 1.29
ASTM A325 8.4 2100 -
A63-42H 4.2 6.3 2100 2
Tabla 1: Propiedades de los Materiales de acero Hormigón f c [Tonf/cm2] Ec [Tonf/cm2] ’
H30 0.25 238.75
Tabla 2: Propiedades del Hormigón
CARGAS CONSIDERADAS Para el cálculo de los esfuerzos últimos se consideraron las siguientes solicitaciones:
Peso propio Viga, Hormigones, etc.
Cargas de peatones.
Peso propio barreras y pavimento.
L-HS20-44 Carga móvil camión de diseño AASHTO.
6
CALCULO DE CARGAS ENVOLVENTE DE MOMENTO Y CORTE PARA CARGAS DE TRÁNSITO DE VIGA Para obtener la envolvente de momentos, se realizaron los diagramas de momento y corte para una viga simplemente apoyada en 2 extremos, de largo 22 [m], realizando la línea de influencia para las cargas de tránsito y combinaciones que establece AASHTO LRFD: Camión de diseño: de 325 [KN] considerado como 3 cargas puntuales: 35 [KN] (3.6 [ton]),
145 [KN] (14.8 [ton]) y 145 [KN] (14.8 [ton]), la primera y segunda carga espaciadas 4.3 [m], la segunda y tercera carga con espaciamiento variable d e 4.3 [m] a 9 [m]. Tándem de diseño: par de ejes de 110 [KN] (11.2 [ton]) con una separación de 1.2 [m]. La
separación transversal de las ruedas se deberá tomar 1.8 [m]. Carga del carril de diseño, carga uniformemente distribuida de 9.3 [KN/m] (0.95 [ton/m]).
Donde la solicitación extrema se deberá tomar como el mayor valor entre:
La solicitación debida al tándem de diseño combinada con la solicitación debida a la carga del carril de diseño
La solicitación debida a un camión de diseño con la separación variable entre ejes como se especificó anteriormente, combinada con la solicitación debida a la carga del carril de diseño.
A continuación se procede a calcular las solicitaciones y líneas de influencia para los casos mencionados.
7
MOMENTOS TRANSITO MOMENTO PARA TÁNDEM + FAJA Las cargas producidas por el eje tándem se pueden apreciar en la figura a continuación.
Figura 1: Diagrama tándem en viga.
Aplicando sumatoria de momentos en el punto “ B”, se obtiene.
M
B
0 22 R A 11.2(22 x) 11.2(22 1.2 x) 0
R A ( x)
21.789 1.018 x
Se puede predecir que le diagrama de momentos para el caso anterior es de la siguiente manera.
Figura 2: Diagrama Momento tándem
Por lo tanto el momento máximo en función del desplazamiento debe ser de la siguiente manera. M ( x)
R A
( x) x M ( x) 21 .789 x 1.018 x 2
8
Las cargas de faja son de la forma distribuida uniforme en todo el largo de la viga. El momento en función del desplazamiento se obtiene de la siguiente manera.
Figura 3: diagrama método sección, momento faja. M ( x)
10.45 x 0.95
x
2
2
Acorde al manual AASHTO LRFD las cargas dinámicas deben ampliarse con un factor de 1.33. Obteniéndose la combinación de momentos de Tándem + Faja siguiente. 1.33 M Tandem M carril M ( x) M ( x)
39.429 x 1.829 x 2
Luego derivando esta función e igualando a cero se obtiene el valor de desplazamiento que produce el máximo momento. dM ( x) dx M Máx
0 x 10.77[m]
212 .5[Ton m]
9
CORTE PARA TÁNDEM + FAJA Para llevar a cabo el análisis del tándem se consideraran las siguientes cargas que actúan en los puntos de la viga especificados a continuación.
Figura 4: diagrama tándem en viga.
Donde: R A 21 .789 1.018 x Se procede a analizar por tramos. Tramo AC V ( x) R A V ( x) 1.018 x 21.789
Tramo CD V ( x ) R A 11.2 V ( x ) 1.08 x 10.589
Tramo BD V ( x ) R A 22.4 V ( x ) 1.018 x 0.611
Para producir los mayores esfuerzos de corte se considerará la última ecuación en la combinación final, ya que es la que entrega mayores esfuerzos de corte.
10
Para cuantificar el corte producido por las cargas de faja se considera la carga como se puede ver a continuación.
Figura 5: diagrama método sección, corte faja.
Donde: R A 10 .45[Ton] V ( x)
0.95x 10.45
Por último se obtiene el total de la combinación tándem + faja, para ello se amplifican las cargas dinámicas, obteniéndose: V ( x) 1.33V Tandem V carril V ( x)
2.304 x 9.637
11
MOMENTO PARA CAMIÓN + FAJA Las cargas producidas por el camión de diseño se pueden apreciar en la figura a continuación. Notar que acorde al manual AASHTO deben considerarse dos casos extremos para este análisis, el primero en el cual las cargas producidas por los ejes traseros están a una distancia de 4.3 metros, y el segundo en el cual las cargas están a una distancia de 9.0 metros.
Figura 6: diagrama camión en viga.
Dado que la línea de influencia para el camión considera 3 cargas puntuales en movimiento, se realizó el cálculo de envolvente de momentos mediante un programa en Matlab con variación del camión para obtener la solicitación máxima en cada punto de la viga. La tabla a continuación resume los valores máximos producidos en la viga para ambos casos. Desplazamiento
Momento [Ton m]
Desplazamiento Momento [Ton m]
[m]
Caso 1
Caso 2
[m]
Caso 1
Caso 2
0
0,00
0,00
13
166,42
130,25
1
24,24
21,45
14
162,87
124,83
2
45,81
40,25
15
161,21
126,69
3
65,89
57,54
16
156,89
125,90
4
87,85
76,72
17
149,92
122,45
5
107,54
93,62
18
140,29
116,35
6
124,14
107,44
19
128,00
107,59
7
138,08
118,60
20
113,06
96,18
8
149,37
127,11
21
95,62
82,11
9
158,00
132,96
22
75,70
65,38
10
163,97
136,15
11
167,29
136,68
12
12
168,08
134,69
Tabla 3: Valores de Envolvente de Momento para camión de diseño
Luego al igual que en el caso de Tándem +
Faja se debe calcular el momento máximo
amplificando los momentos dinámicos, en este caso los producidos por el camión de diseño. M ( x) 1.33 M Camión
M carril
Caso 1 Ejes a 4.3 metros Desplazamiento [m]
Momento [Ton m]
Desplazamiento [m]
Momento [Ton m]
0
0,00
13
295,50
1
43,64
14
289,84
2
82,79
15
285,73
3
119,00
16
277,14
4
156,76
17
264,08
5
190,55
18
246,53
6
219,29
19
224,49
7
243,53
20
197,97
8
263,30
21
167,18
9
278,59
22
132,14
10
289,38
23
92,62
11
295,70
24
48,61
12
297,71
25
0,13
Tabla 4: Valores Máximos de la Envolvente de Momento Camión 4.3[m] + faja
Figura 7: Envolvente de Momentos Máximos Camión 4.3[m] + Faja.
13
Caso 2 Ejes a 9.0 metros Desplazamiento [m]
Momento [Ton m]
Desplazamiento [m]
Momento [Ton m]
0
0,00
13
247,40
1
39,94
14
239,24
2
75,39
15
239,82
3
107,90
16
235,93
4
141,96
17
227,54
5
172,04
18
214,69
6
197,08
19
197,34
7
217,62
20
175,51
8
233,70
21
149,20
9
245,28
22
118,41
10
252,38
11
254,99
12
253,30 Tabla 5: valores Máximos de la Envolvente de Momento Camión 9[m] + Faja
Figura 8: Envolvente de Momentos Máximos Camión 9[m] + Faja
14
CORTE PARA CAMIÓN + FAJA En este caso se procedió de la misma manera que el anterior de tándem + faja, pero para simplificar el análisis se utilizó el programa en Matlab antes mencionado. De este programa se extraen los valores máximos de la envolvente de corte. Los cuales se expresan en forma resumida a continuación. Nótese que caso 1 hace referencia al camión de diseño con sus ejes traseros a 4.3 metros de distancia, mientras que en el caso 2 los ejes están a 9.0 metros.
Desplazamiento
Corte [m]
Desplazamiento
Corte [m]
[m]
Caso 1
Caso 2
[m]
Caso 1
Caso 2
0
25,56
22,78
13
10,34
7,56
1
24,24
21,45
14
9,02
6,23
2
22,91
20,13
15
7,69
4,90
3
21,96
19,18
16
6,36
3,58
4
21,96
19,18
17
5,03
2,25
5
20,97
18,19
18
3,70
0,92
6
19,64
16,86
19
2,38
-0,41
7
18,31
15,53
20
1,05
-1,74
8
16,98
14,20
21
-7,64
-5,91
9
15,66
12,87
22
-7,64
-7,24
10
14,33
11,55
11
13,00
10,22
12
11,67
8,89
Tabla 6:Valores máximos de las envolventes de Corte para Camión de diseño.
Las envolventes de momentos máximos para ambos casos se grafican a continuación. En verde los valores arrojados por Matlab, en azul una curva ajustada que representa de mejor manera la envolvente de corte.
15
Figura 9 Envolvente de corte para Camión de diseño caso 4.3[m]
Figura 10: Envolvente de corte para Camión de diseño caso 9[m]
Luego aplicando el factor de amplificación para cargas dinámicas, la combinación para el corte total queda expresada como: V ( x ) 1.33V Camión
V carril
Luego analizando para cada caso se obtienen los siguientes valores.
16
Para Caso 1 espaciamiento 4.3[m]
Desplazamiento [m]
Corte [Ton]
Desplazamiento [m]
Corte [Ton]
0
45,88
13
13,29
1
43,16
14
10,57
2
40,45
15
7,85
3
38,24
16
5,14
4
37,29
17
2,42
5
35,02
18
-0,29
6
32,30
19
-3,01
7
29,58
20
-5,73
8
26,87
21
-18,23
9
24,15
22
-19,18
10
21,43
11
18,72
12
16,00 Tabla 7 : Valores máximos de la envolvente de corte para Camión(4.3) +Faja.
Figura 11: Envolvente de corte para Camión(4.3) + Faja
17
Para Caso 2 espaciamiento 9[m]
Desplazamiento [m]
Corte [Ton]
Desplazamiento [m]
Corte [Ton]
0
42,18
13
9,59
1
39,46
14
6,87
2
36,75
15
4,15
3
34,54
16
1,44
4
33,59
17
-1,28
5
31,32
18
-4,00
6
28,60
19
-6,71
7
25,88
20
-9,43
8
23,17
21
-15,93
9
20,45
22
-18,65
10
17,73
11
15,02
12
12,30 Tabla 8: Valores máximos de la envolvente de corte para Camión(9) +Faja.
Figura 12: Envolvente de corte para Camión(9) + Faja
18
FACTORES DE DISTRIBUCIÓN DE CARGA Para el cálculo de los factores de distribución, se utilizó la metodología AASHTO LRFD aplicable sólo si: Ancho Constante Mínimo 3 Vigas Vigas paralelas y con rigidez similar Volado de las pistas de no más de 91 [cm] Condiciones que se cumplen para el puente en análisis.
Número de vías
Para determinar los factores, debemos conocer primero el número de vías, con la siguiente expresión:
Por lo tanto, en número de vías es 2.
Factores de presencia múltiple
Los factores de presencia múltiple se utilizan para considerar la probabilidad de que los carriles estén ocupados simultáneamente, y se presentan en la siguiente tabla.
Número de Carriles Cargados
Factores de presencia múltiple
1
1.2
2
1.00
3
0.85
>3
0.65
Tabla 9: factores de presencia múltiple
19
Propiedades del diseño
Se define:
Para las condiciones de nuestro diseño
8.8
20
CÁLCULO DE LOS FACTORES DE DISTRIBUCIÓN Para determinar los factores de distribución, se utilizó las tablas de especificaciones AASHTO, con tipo de viga de acero. MOMENTO EN VIGAS INTERIORES (TABLA 4.6.2.2.2.B-1 DE AASHTO) En el caso en que el número de vigas es igual a 3, se debe considerar el menor factor usando la ley de momentos y los indicados:
1 carril de diseño cargado
2 carriles de diseño cargado
Notar que para un prediseño se puede aproximar Estas expresiones son aplicables sólo si: Condiciones
Diseño
Por lo tanto podemos utilizar las expresiones anteriores 21
.
1 carril de diseño cargado
2 carriles de diseño cargado
Ley de momentos
Obteniendo el momento con respecto a la viga interior
∑
22
MOMENTO EN VIGAS EXTERIORES (TABLA 4.6.2.2.3.A-1 DE AASHTO) Las condiciones de rango de aplicabilidad para este caso son iguales a las anteriores, por lo que se puede utilizar las expresiones
1 carril de diseño cargado Ley de momentos
2 carriles de diseño cargado
CORTE EN VIGAS INTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.2.D-1 DE AASHTO)
1 carril de diseño cargado
Ley de Momentos
23
2 carriles de diseño cargados
Ley de Momentos
CORTE EN VIGAS EXTERIORES
(TABLA 4.6.2.2.3.B-1 DE AASHTO)
1 carril de diseño cargado Ley de Momentos
2 carriles de diseño cargados Ley de Momentos
Por lo que se obtuvieron los factores de distribución para momento y corte en vigas exteriores e interiores, que se resumen en la siguiente tabla
24
Viga interior
Viga exterior
Momento
Corte
Momento
Corte
1 Carril
0.6220
0.6579
0.6579
0.6579
2 Carriles
0.6579
0.6579
0.5540
0.6579
Tabla 2.2 factores de distribución
CARGAS PERMANENTES EN VIGAS EXTERIORES E INTERIORES Las cargas Permanentes consideradas en este análisis son dos. La primera es el peso propio de los componentes estructurales y accesorios no estructurales (DC). La segunda es el peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para servicios públicos (DW). El primer paso para la obtención de las cargas anteriores será encontrar el área tributaria que aguanta cada viga. Para un mejor entendimiento del cálculo del área se presentan las figuras a continuación.
Componentes del Puente
Luego con las dimensiones anteriormente especificadas y los pesos específicos de los materiales constituyentes de cada componente del puente se puede calcular la carga distribuida total sobre cada una de las vigas. Como no sabemos el diseño de las vigas, despreciaremos la carga muerta producto del peso propio de la viga de acero.
25
Componente
DC DW
del Peso Especifico 3
rea Tributaria [m²]
Puente
[Ton/m ]
Viga Exterior
Viga Interior
Viga
--
--
--
Losa
2.5
0.525
0.95
Carpeta hormigon
2.5
0.105
0.19
Acera
2.5
0.627
-
Tabla 4.1: Propiedades del Puente
Componente del
Carga Permanentes [Ton/m]
Puente
Viga Exterior
Viga Interior
Viga
--
--
Losa
1.3125
2.375
Carpeta Asfáltica
0.2625
0.475
Acera
1.5675
-
Q Total [Ton/m]
3.1425
2.85
M. Máx. [Ton·m]
190.12
172.43
Corte Máx. [Ton]
34.57
31.35
Tabla 4.2: Cargas Totales, Momentos y cortes máximos en las vigas.
ESFUERZOS PARA CARGAS VEHICULARES EN VIGAS INTERIORES Y EXTERIORES Para determinar los valores de momentos y cortes máximos, extraemos de las tablas los momentos máximos, y los cortes máximos, para las distintas combinaciones vehiculares, que se presentan en la siguiente tabla:
Momento Máximo [ton*m]
Corte Máximo [ton]
Camión (4.3) + Faja
295.5
45.88
Camión (9)
+ Faja
253.3
42.18
Tándem
+ Faja
212.5
41.05
Tabla 10: Valores de solicitaciones máximas para cargas vehiculares
26
Y determinados los factores de distribución (tabla 2.2) se multiplican los valores máximos por los factores “g” correspondientes para obtener la solicitación máxima vehicular en cada viga (exterior e
interior). 5.1 Viga interior 1 carril factor de reducción 0.622
2 carriles 0.6579
0.6579
0.6579
Momento [ton*m]
Corte [ton]
Momento [ton*m]
Corte [ton]
Faja
183.8
31.01
194.4
30.18
Camión (9) + Faja
157.55
28.51
166.9
27.75
Tándem + faja
132.18
28.78
140.3
27.01
Camión
(4.3)
+
Tabla 11: Distribución de solicitaciones para Viga Interior
De esta tabla, extraemos los valores máximos de m omento y corte para la viga interior
Momento máximo:
194.4 [ton*m]
Corte máximo:
30.18 [ton]
Viga exterior 1 carril factor de reducción 0.6579
2 carriles 0.6579
0.554
0.6579
Momento [ton*m]
Corte [ton]
Momento [ton*m]
Corte [ton]
Faja
194.41
30.18
163.71
30.18
Camión (9) + Faja
166.64
27.75
140.32
27.75
Tándem + faja
140.03
27.01
117.73
27.01
Camión
(4.3)
+
Tabla 12: Distribución de solicitaciones para Viga Exterior
De esta tabla, extraemos los valores máximos de m omento y corte para la viga exterior
Momento máximo:
194.41 [ton*m]
Corte máximo:
30.18 [ton]
27
MOMENTO Y CORTE DE DISEÑO PARA VIGAS Para obtener el corte y momento de diseño en vigas de puentes se utiliza la recomendación del Manual AASHTO LRFD, el cual entrega combinaciones en función de los parámetros “Dead” y “Live”, en este caso concreto se utilizará la combinación “Resistencia I” la cual está definida como: U 1.25 D 1.75 L
Donde: U : Combinación “Resistencia I”. D: Viga + Losa + Carpeta Asfáltica + Acera. L: Sobrecarga Vehicular.
Por lo tanto, los resultados para la combinación son los siguientes.
Viga Exterior Factor
Viga Interior
Momento
Corte
Momento
Corte
[Ton m]
[Ton]
[Ton m]
[Ton]
Dead
1.25
190.12
34.57
172.43
31.35
Live
1.75
194.14
29.82
194.14
31.77
“Resistencia I”
-
577.4
95.4
555.2
94.8
Tabla 13: Combinación Resistencia 1 según AASHTO LRFD
28
CÁLCULO DE VIGAS La memoria de cálculo comprenderá el diseño de la viga interior del puente, entendiéndose esta como la más solicitada. Las vigas exteriores por una condición lógica de servicio deben replicarse a la viga interior. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN Para el diseño se consideró un perfil H soldado con las siguientes propiedades:
Se procedió a clasificar la sección según tabla de esbelteces límites según AISC-LRFD(edición 2005): CLASIFICACIÓN DE LA SECCIÓN Caso B Alas de perfiles I soldados en flexión:
Por lo que el perfil posee alas compactas
Caso H alma de perfiles en flexión:
29
Por lo que el perfil posee alma compacta
Por lo tanto sección compacta
Estabilidad del alma Según manual de diseño para estructuras de acero ICHA, para secciones donde se cumpla lo siguiente condición no se necesitan atiesadores en el alma
Por lo tanto no se requieren atiesadores.
Condición de construcción En esta etapa se considera si la viga es capaz de soportar las cargas de construcción, equivalentes al peso del hormigón y las sobrecargas consideradas, en este caso puntual la de los trabajadores. Se considerará el uso de alzaprimas en el proceso constructivo, proporcionando de esta manera un apoyo extra en el medio de la viga como se ve en la siguie nte Figura:
Figura 13: Esquema de la viga de puente en etapa constructiva.
Definiendo las cargas a las que estará sometida la viga: qlosa
=ɣ ho∙ beff ∙elosa = 2.4 [Tonf/m³ ]∙3.8[m]∙0.30[m]=2736 [Kgf/m]
qperfil
= 507 [Kgf/m]
SC
= 100 [Kgf/m] (trabajadores)
30
qtotal
= 3343 [Kgf/m]
Considerando el diagrama de la Figura 2.1 el momento nominal máximo está definido por:
[ ]
La operación de construcción debe realizarse en rango elástico es por ello que se considera una tensión admisible que cumpla este supuesto:
≥
Por lo tanto se cumple la condición de elasticidad en construcción.
CONDICIÓN DE SERVICIABILIDAD Propiedades del sistema losa-viga en rango elástico. Para estimar las propiedades del sistema con losa colaborante, es necesario conocer las propiedades de viga y losa, para determinar las propiedades de la sección transformada, llevando todos los elementos a un material equivalente como se ve en la Figura 2.2, para este caso acero, por lo que:
Figura 14: Sección transformada de la viga de puente en etapa constructiva.
Para conocer la inercia de la sección transformada, se consideró el teorema de Steiner, el cual establece que el momento de inercia con respecto a cualquier eje paralelo al eje del centro de
31
masa, es igual al momento de inercia con respecto al eje que pasa por el centro de masa más el producto de la masa por el cuadrado de la distancia entre los dos ejes.
Dado que se analizan las propiedades en el plano de la sección transformada, para el cálculo del momento de inercia de áreas compuestas se infiere la ecuación:
∑ La siguiente tabla muestra el procedimiento de cálculo de la inercia de la sección transformada: Losa Viga
A (cm2) 1140,00 645,76
∑
1785,76
Z (cm) 165,00 75,00
Z x A (cm3) 188100,00 48432,00
Z - Z* (cm) (Z - Z*)² (cm2) A x (Z - Z*)² (cm4) Inercia CM (cm4) Inercia Z* (cm4) 32,55 1059,21 1207496,75 85500,00 1292996,75 -57,45 3301,02 2131668,56 2202333,86 4334002,42
236532,00
5626999,17
Tabla 2.1 Inercia sección transformada Con Z*
: 132.45 (cm)
: 5626999.17 (cm4)
Para la distribución de tensiones se consideró la ecuación de la elástica para elementos en flexión
Donde M
: momento en la sección.
I
: inercia de la sección transformada.
y
: distancia vertical desde eje neutro.
El momento se calculó utilizando la combinación de solicitación elastica
( ) 32
Y
:
Por lo que el sistema tiene la siguiente distribución de tensiones:
Para los extremos:
( ) Por lo que el diseño cumple tensiones admisibles 33
CONDICIÓN DE RESISTENCIA ÚLTIMA Para la condición de resistencia se considera la contribución de la losa colaborante utilizando el siguiente criterio para determinar su ancho efectivo:
Dónde : Longitud máxima de luz
L
:
(Ver Figura 2.4)
Separación entre vigas exteriores y viga interior
Luego:
De esta manera, en vista que se trabaja en condición última, el acero está en fluencia y el hormigón trabajando a su máxima capacidad, por lo tanto se pueden hacer simplificaciones que simplificaran el trabajo, como se ve en la Figura siguiente:
34
Figura 14: Distribución de tensiones en el sistema viga-losa
Suponiendo que el eje neutro se encuentra en el hormigón y aplicando sumatoria de fuerzas en el eje horizontal, se obtiene:
∑ Dónde: f y : Tensión de fluencia del acero ’
f c : Resistencia a la compresión del hormigón e: Espesor de la carpeta de hormigón c : Distancia desde el plano superior al eje neutro
: Área del acero
Ahora que se ha obtenido c, se procede a calcular M n.
El diseño a la rotura establece:
Dónde:
(Flexión)
35
( ) se extrae del planteamiento inicial del problema:
Por lo tanto el diseño cumple con la condición de resistencia. Verificación por corte Para que el perfil resista las solicitaciones de corte se debe cumplir:
Donde
( ) : Área del alma del perfil
=0.75
se extrae del planteamiento inicial del problema
Por lo tanto el perfil resiste las solicitaciones por esfuerzos cortantes
36
VERIFICACIÓN POR FLECHA DE LA VIGA Conocidas las propiedades de la sección, se consideró la deformada de una viga simplemente apoyada con 22 (m) de luz y carga uniformemente distribuida, cuya deformación máxima se da en medio de la viga y equivale a:
Dónde q
: carga distribuida sobre la viga (Tonf/m)
L
: largo de la viga (m)
E
: módulo de elasticidad de la viga (Tonf/m2)
I
: inercia de la sección transformada (m4)
Para la curva de envolvente en condición de servicio se consideró que responde a una distribución de carga lineal sobre una viga simplemente apoyada, por lo que se obtuvo :
Con peso propio:
Por lo que según diseño por servicio U = D +L
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Conociendo los parámetros y la carga se procedió a calcular la deformación: q [Tonf/m] 11.25 L [m] 20.00 E [Tonf/cm 2] 2100 I [cm ] 5626999.17 Tabla 2.2 Resumen de parámetros
La deformación admisible se determinó con α = 1000 para flecha en puentes.
Por lo que el diseño cumple con serviciabilidad.
CONECTORES DE CORTE DE CIZALLE Los conectores de corte embebidos en concretos permiten asumir una distribución última de esfuerzos tanto en el concreto como en el acero, de allí que su inclusión en el diseño es de suma importancia. De esta manera los conectores deben transmitir la tens ión de compresión en el concreto, de manera tal que el número requerido en el diseño se obtenga en función de la siguiente relación:
Donde
: Pernos requeridos entre sección con V=Vmáx o Vmín y sección con V=0 : Tensión de compresión en el concreto
: Resistencia a la tracción mínima especificada de un perno de corte
E c
: Área de la sección transversal del perno de corte : Modulo de elasticidad del concreto
Se utilizarán pernos A325 de 7/8 in ( A p = 3.88 cm2) Por lo tanto
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{ √ } Se dispondrán los pernos en hileras de a dos separados cada 15 cm.
39
