B.
pilares
Son los apoyos intermedios, que normalmente soportan la presión del fluido y los efectos de socavación. Normalmente son de sección circular o poligonal para contrarrestar en mejor forma los efectos de socavación. Los pilares pueden ser: Tipo muro Tipo columna Tipo celosía Tal como se muestra en los gráficos siguientes:
pilar de muro
Pilar de muro
Pilar de columna
pilar de columna
Pilar celosía
3.- cimentación Las cimentaciones en puentes pueden ser de dos tipos: a) Cimentaciones superficiales.- se usan zapatas aisladas normalmente cuando el suelo de cimentación es de buena calidad, es de destacar que de acuerdo a norma para cimentar puentes se exige una capacidad de carga mínima de q a=2kg/cm2. En caso de usarse este tipo de cimentaciones el diseño es similar al de zapatas aisladas para cimentaciones en edificaciones. b) Cimentaciones profundas.- cuando el suelo es de mala calidad lo que es normal en zonas de lecho de rio conviene usar cimentaciones profundas del tipo pilotes o cajones
kaison, siendo más conveniente estos últimos ya que normalmente los puentes son bastante pesados y la solución de cajones distribuye en mejor forma los esfuerzos 4.- dispositivos de apoyo Los dispositivos de apoyo son sumamente importantes en el diseño de puentes, y sirven básicamente para garantizar la seguro y adecuada transferencia del peso de la superestructura hacia la subestructura y luego la cimentación, además su adecuada colocación evita asentamientos a nivel de cimentación. Otro factor importante es el adecuado dimensionamiento de la cajuela que es importante para controlar los efectos de viento y sismo usualmente los apoyos se usaban uno fijo y uno móvil, este último para controlar cambios de T° o efectos de contracción del concreto; sin embargo actualmente ya se viene usando elastómeros que son elementos flexibles normalmente de materiales sintéticos que permiten absorber en mejor forma las deformación en caso de asentamientos incluso sismos. En el grafico siguiente se muestran las características de los elastómeros así como las dimensiones mínimas de la cajuela.
5.- elementos accesorios. Estos elementos son complementarios y no influyen en el diseño estructural del puente, entre estos elementos tenemos: Agrideles Barandas Instalaciones Y la misma carpeta asfáltica que mejor la superficie de rodadura y que normalmente varía entre 2 a 3 pulgadas de espesor.
Criterios para la ubicación y elección del tipo de puente: Más importante aún que el adecuado diseño estructural es la correcta ubicación del puente y el sistema estructural a usar: a) Ubicación del puente. Para ubicar el puente sea cualquiera el partido estructural usado se debe tomar en cuenta fundamentalmente los siguientes aspectos: - Es conveniente la ubicación en zona recta, no utilizar puentes desviados o en curva porque ahí es que generalmente se concentra la presión del fluido y puede fácilmente socavarse o incluso fallar la estructura del puente. - Debe en lo posible respetarse el real cause del rio, normalmente para disminuir la longitud del puente se tiende a usar en el cauce del rio y por tanto economizar la obra lo que normalmente produce problemas de embalsamiento. - Debe tenerse cuidado de cumplir lo que indica la norma, de que la resistencia del suelo en la zona de cimentación sea de por lo menos 2kg/cm 2 evitándose utilizar zonas con resistencia menores y mucho menos zonas de relleno. - Debe buscarse que la ubicación del puente no sea en zonas que permitan grandes avenidas, ya que los caudales se incrementan considerablemente y el puente deberá resistir cargas para las que no fue diseñado. - Además del adecuado diseño de estribos debe preverse obras de defensa bien ubicadas que protejan la subestructura se pudo apreciar que la colocación adecuada de gaviones protegió en muy buena forma la estructura del puente. - Debe en lo posible evitarse la ubicación de pilares intermedios ya que los efectos de la corriente de agua y socavación son potencialmente perjudiciales para la estructura del puente. b) Elección del sistema estructural. Para elegir el sistema estructural de un puente la norma indica tener en cuenta los siguientes aspectos. - Longitud total - Dimensionamiento previo - Altura de la rasante - Tipo de estribos y cimentación - Longitud de accesos - Proceso constructivo - Metrados y costos estimados - Levantamiento topográfico - Criterios de hidrografía, hidráulica y geotecnia
Notesé que si bien todos los parámetros anteriores son importantes estos dependen de cada obra en particular, los parámetros más mesurables capaces de medir (longitud del puente y el pre dimensionamiento) en base a lo cual se da las siguientes recomendaciones. Puentes tipo losa Para luces no mayores a 10mts
L= luz del puente h=peralte de la losa* Puentes tipo viga losa
Notesé que la longitud de h incluye la longitud de t S(m) t(m)
1.8 16
2.1 16.5
2.4 18
2.7 19
3 20
4 22
4.5 25
1.5 ≤ ≤ 4.5 Es de destacar que si se quiere usar concreto armado para luces mayores trabajando con puentes en arco se reduce las secciones y cantidad de refuerzo en un 30% a 50% con lo que se puede llegar a luces de hasta 100 mts.
Puentes tipo cajón Para luces de 10 a 35 mts
Puentes de concreto preesforzado Para luces mayores a 35mts (hasta 200 mts)
h=L/20 --- simplemente apoyadas h=L/30 --- tramos continuos El dimensionamiento dado es para puentes de concreto que son los que diseñaremos en el presente curso, sin embargo para puentes de acero la recomendación es puentes reticulados entre 100 a 1000 mts., siendo uno de los puentes ejecutados en este modo el de Normandía en el Reino Unido con 856 mts puentes colgantes y/o atirantados para luces entre 300 mts a 2000 mts siendo uno de los representativos el puente “Akashi” en Japón con 1990 mts.
FILOSOFÍA DEL DISEÑO: “La ingeniería o tecnología hace cosas que no existían previamente mientras que la ciencia descubre lo que siempre ha existido” MC Cormac
Los puentes son las obras tipo de los ingenieros civiles, mientras que en edificaciones gran parte del diseño es visto por los arquitectos en el caso de puentes el diseño prácticamente en su totalidad es responsabilidad del ingeniero civil.
Para realizar un adecuado diseño de puentes debe cumplirse con las siguientes consideraciones: 1) Debe ser factible de construir en base a los materiales y tecnología disponible. 2) Debe ser seguro para resistir las cargas y acciones actuantes incluso futuras naturales y artificiales e incluso extraordinarias. 3) Debe satisfacer los requisitos de uso y funcionamiento. 4) Debe ser de relativo bajo costo. 5) Debe ser estético. 6) Debe ser una solución ética y honesta. Materiales: Concreto.- el concreto a usar en puentes mínimamente es de 175kg/cm 2 para elementos de la subestructura como los estribos el concreto será como mínimo f c 280kg/cm2 y en puentes esencialmente se recomienda usar como minimo 315kg/cm 2. Es de destacar que debido al uso de concretos de alta resistencia para la superestructura se utilizan los siguientes parámetros de diseño.
= √ ′ = . √ ′ = . Acero.- el acero en puentes puede ser utilizado hasta en 3 tramos. a) acero en varillas.- también se utiliza el acero grado 60 como en las edificaciones de 4200 kgf/cm2 con la única variante que en puentes sobre todo en los que tienen luces considerables como las secciones de las vigas son grandes se requieren aceros de diámetros mayores tal como se muestra en la tabla siguiente:
#
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
diámetro pulgadas 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/4
centímetros 0.635 0.933 1.27 1.587 1.905 2.223 2.54 2.858 3.175 3.493
perímetro peso área cm cm cm 2 0.248 0.32 2.99 0.56 0.71 3.99 0.994 1.27 4.99 1.552 2 5.96 2.235 2.84 6.98 3.042 3.87 7.98 3.973 5.1 9 5.06 6.45 10.14 6.404 8.19 11.25 7.907 10.06
Acero estructural.- constituido por perfiles de acero, y se usa para las placas de costado en los puentes reticulares, en este caso no se usa el acero grado 60 sino que existe diversos grados de fluencia como se muestra en la tabla siguiente, sin embargo en nuestro medio se usa el acero grado 250 que aparece al final de la siguiente taba en mención -
-Sinopsis histórica: Los primero puentes que se construyeron datan de tiempos muy antiguos, siendo los primeros en utilizar el concepto de puente como tal os egipcios, los primeros puentes que se construyeron fueron la base a los materiales que se encuentran en la naturaleza como son: La madera La piedra Y sogas trenzadas Estos puentes con sogas trenzadas precursores de los puentes co lgantes fueron usados en el Asia, China, Nepal, Tíbet y también por los antiguos peruanos como es el caso del puente de Queswachaca en el valle del Apurímac. Quienes manejaron una técnica bastante refinada de puentes fueron los romanos, que realizaron básicamente puentes de madera, donde i ncluso las cimentaciones eran cajones de madera con material gravoso interiormente. Según Herodoto el rey Nabucodonosor construyo puentes de piedra hacia el año 2500 a.C. y si bien en varios tramos alcanzaros longitudes hasta de 900 mts.. Estas técnicas desarrolladas por los pueblos antiguos y fundamentalmente por los romanos no avanzaron hasta la edad media en que hay algunos nuevos intentos de técnicas para puentes mayormente en base a piedra y morteros. En la edad media se trabaja todavía con piedra, y básicamente en arco; así tenemos que en Francia se realiza el puente Dugand de 25 mts. de largo hacia el año de 1350 una obra emblemática de esa época es el puente Alcantara en España formado por tramos circulares en piedra de 30 mts de luz cada arco por el año 1400 se construye en Francia el puente Vieilie de 54 mts de luz y que perduró hasta el año de 1822 como el puente abovedado más grande del mundo. Posteriormente se deja de trabajar en piedra aún que manteniendo la forma abovedada pero con mampostería que es una técnica que perduró hasta mediados del siglo XIX y con esta nueva tecnología se logra longitudes mayores. Ejemplo de estos tipos de puentes son: El puente Adolph – Luxemburgo - 85 mts de lago El puente Plaven – Alemania – 95 mts de luz libre Lo que constituyó un record para la época En el caso de los puentes metálicos este material se usó desde fines del siglo XVIII pero utilizando fierro de fundición como el puente “Serrer de Inglaterra” que en 1779 alcanzó una
longitud de 80 mts dando la idea de que eran los puentes del futuro sin embargo muy pronto dejaron de usarse por que el hierro de fundición es un material frágil y con poca resistencia a la tracción y es así que a partir del siglo XIX empieza a usarse puentes metálicos de hierro mayormente de tipo colgante como el puente “Menai en Inglaterra” que en 1825 alcanzó una
longitud de 177 mts y estuvo en pie hasta 1940 con la misma técnica se realizó el puente Ohio que en 1849 alcanza una longitud de 308 mts y finalmente también con esta técnica se realiza el primer puente colgante para ferrocarriles que fue el puente Niágara con 250 mts de luz hecho en 1884 como anécdota fue hecho por Gustavo Eiffel el mismo que hizo la torre Eiffel, finalmente a partir de 1860 aprox. aparece una nueva técnica en puentes metálicos con la aparición del acero que era altamente resistente a la tracción y que no es otra cosa que el hierro con alto contenido de carbono, esta técnica funcionó a partir de la segunda mitad del siglo XIX se realizan básicamente puentes colgantes de gran longitud pudiendo destacarse 3 puentes fundamentales con esta técnica el puente Eads – Inglaterra que fue el arco más grande de su tiempo y fue la primera vez que se utilizó cajones de aire comprimido en la cimentación, este puente realizado en 1860 fue considerado en Europa como obra cumbre de la ingeniería su largo total con los tres arcos empotrados fue de 450 mts sin embargo en EU en 1869 con esta misma técnica se construye el puente de Brooklin – N. York con una longitud de 487 mts y que fue denominado por los norteamericanos como la octava maravilla del mundo. Sin embargo para el siglo XIX estos fueron los puentes más grandes del mundo no obstante con esta misma técnica entre 1930 y 1937 se construye en la bahía de San Francisco el puente del Golde Gate que con su kilometro trecientos de longitud fue el puente más grande del mundo hasta fines del siglo XX en esta época también ocurre uno de los desastres más grandes en ingeniería de puentes, cuando el 1940 el puente Tacoma de 850 mts de longitud se desplomo solo con la acción de vientos moderados, posterior al Golden Gate se ha logrado mejorar las luces y utilizar una variante de estos como son los puentes atirantados sin embargo no ha habido mayores variaciones salvo que se han logrado luces considerables bajo las mismas técnicas como el puente Akashi en Japón en 1999 alcanzó una longitud record de 1990 mts en la actualidad los países asiáticos vienen liderando la construcción de los puentes colgantes. En cuanto a los puentes en concreto armado estos empezaron a usarse a fines del siglo XIX y al igual que con la piedra los primero intentos fueron de puentes en arco, así tenemos que en 1901 Mayllard construye el primer puente en arco tri-articulado en Suiza con una longitud total de 150 Y este fue el prototipo de puentes en arco hasta 1940 aprox, en 1943 se hizo el puente Sando en Suecia con 264 mts de luz y fue el record mundial de puentes en concreto hasta los años 60 aprox, en 1964 se construye el puente Gladesville en Sidney Australia con 304 mts de longitud y finalmente en 1978 se construyó en Yogoeslavia un puente en arco en concreto armado con una luz de390 mts. A la actualidad no se utiliza puentes de concreto armado para luces mayores a 100 o 150 mts considerándose que resulta de mejor comportamiento estructural y ec onomía el uso de puentes colgantes o atirantados en material acero para puentes de gran longitud. Tren de cargas.- son los vehículos típicos que se consideran para el diseño de puentes tanto en el modelo AASHTO tradicional como en el modelo AASTHO RD que es el que también emplea la norma peruana en puentes. Estos vehículos de diseño son los siguientes Camión de diseño HS – 20 (AASTHO)
Camion de diseño HL – 93 (AASHTO – LRFD) También aplica para la norma peruana
CAPÍTULO 2: TREN DE CARGAS Y LÍNEAS DE INFLUENCIA INTRODUCCIÓN: Habiéndose calculado los trenes de carga a considerar, en este caopitulo analizaremos como calcular los momentos y cortes de diseño producidos por el peso propio del puente y fundamentalmente por el paso de vehículos o tren de cargas.
Es de destacar que por ser cargas móviles para el cálculo de los momentos y cortes de diseño no es conveniente utilizar los diagramas clásicos calculados en estática sino que habrá que aplicar métodos que consideren cargas moviles. Los métodos tradicionales para el cálculo de cargas móviles son el método de tren de cargas y el método de las líneas de influencia. El método del tren de cargas resulta más simple pero no nos dá diagramas sino tan solo los momentos y cortes máximos en cambio el método de líneas de influencia es algo más laborioso pero nos permite graficar estos diagramas por lo que resulta un método más complejo.
1) Método del tren de carga: Cuando el vehículo camión, o cualquier tren de cargas en general atraviesa una estructura como es el caso de un puente este conjunto de cargas separadas a distancias fijas se denomina tren de cargas, la metodología de diseño consiste en determinar para que posición de cargas se obtienen los máximos momentos y los máximos cortes. a) Determinación del máximo momento.-
1 =
( − − )
= () − () Reemplazando R1 en (2) Para que el momento sea máximo:
= − 2 2 La expresión anterior nos da el valor de “x” para que el momento sea máximo con respecto al
eje 2 en forma literal se puede decir lo siguiente “el momento flexionante bajo una carga determinada es máximo cuando el punto medio entre la referida cargar y la resultante de todas las cargas coincide con el punto medio de la luz del puente.
Es de destacar que este proceso debe realizarse con todos los ejes y se escoge al final el eje que mayor momento produzca. b) Cálculo del cortante máximo: el cortante máximo siempre ocurrirá en el apoyo haciendo coincidir la máxima carga con dicho apoyo.
Problema: Un camión con tráiler semirremolque atraviesa un puente de 12 mts de longitud, determinar el máximo momento y el máximo corte para el problema que se indica a continuación.
