INTRODUCCIÓN Durante años, los ingenieros desarrollaron procedimientos de diseño para proveer un satisfactorio margen de seguridad a los puentes. Estos procedimientos de diseño fueron basados en los análisis de los efectos de las cargas y la resistencia de los materiales. Los procedimientos de diseño se plasmaron en especificaciones de diseño para puentes. Los primeros métodos de diseño se encuentran en las Especificaciones Estándar Para Puentes Carreteros AASHTO, luego fue sustituido por las Especificaciones LRFD Para el Diseño de Puentes Carreteros AASHTO en el año 1994, las Especificaciones LRFD fueron desarrollados en el período 1988 a 1993 cuando estaban disponibles métodos probabilísticos basados en estadísticas, y que se convirtió en la base para cuantificar la seguridad. Mucho del capítulo se ocupará primordialmente de las Especificaciones LRFD porque esta es una filosofía actual más que el método de diseño por factores de carga (LFD) o el método de diseño por esfuerzos admisibles (ASD), ambos métodos están disponibles en las Especificaciones Estándar, pero ninguno tiene una base matemática para establecer seguridad. Hay muchos asuntos que hacen una filosofía de diseño – por ejemplo, la vida de servicio esperada de una estructura, el grado para el cual el mantenimiento futuro debería ser asumido para conservar la resistencia original de la estructura, las formas de comportamiento frágil pueden ser evitadas, en qué medidas son necesitadas la redundancia redundancia y la ductilidad, el grado para el cual se espera que el análisis represente exactamente los efectos de fuerza experimentados realmente por la estructura, la magnitud para el cual se piensa que cargas son comprendidas y previsibles, el grado para el cual el Objetivo de los diseñadores será ayudado por rigurosos requisitos en los ensayos de los materiales e inspección minuciosa durante la construcción, el balance entre la necesidad de una alta precisión durante la construcción en términos de alineación y el posicionamiento comparado comparado con tener prevista la desalineación y compensarlos en el diseño, y, quizá fundamentalmente, las bases para introducir seguridad en las especificaciones de diseño. Es este último asunto, la forma en que las especificaciones especificaciones buscan establecer seguridad, eso es tratado t ratado dentro este capítulo. c apítulo.
ESTADO LÍMITE
Todas las especificaciones de diseño son escritas para establecer un nivel aceptable de seguridad. Hay muchos métodos para intentar proveer seguridad y el método inherente en muchas especificaciones modernas de diseño de puentes es el análisis de confiabilidad basado en probabilidades, este método inherente se encuentra en las Especificaciones LRFD, OHBDC, y CHBDC. El método para tratar asuntos de seguridad en especificaciones modernas es el establecimiento de estados límite para definir grupos de eventos o circunstancias que podrían causar que una estructura sea inservible para su objetivo original.
Diseño Del Estado Del Límite
El Diseño del estado del límite (LSD) se refiere a un método de diseño utilizado en la ingeniería estructural. El método es en realidad una modernización y racionalización de los conocimientos de la ingeniería, que se encontraba bien establecido antes de la adopción del LSD. Más allá del concepto de un estado límite, el LSD simplemente implica la aplicación de la estadística para determinar el nivel de seguridad requerido por o durante el proceso de diseño.
El diseño límite del estado requiere de una estructura para satisfacer dos criterios principales: el último límite de estado (ULS) y el estado límite de servicio (SLS). Un estado límite es un conjunto de criterios de desempeño (por ejemplo, los niveles de vibración, deformación, resistencia resistencia,, estabilidad, pandeo, torsión, el colapso) colap so) que deben cumplirse cuando la estructura estru ctura está sometida a cargas. ca rgas. Cualquier proceso de diseño consiste en una serie de supuestos. Las cargas en las que una estructura se verá sometida debe ser estimada, los tamaños de los miembros de cheque debe ser elegido y los criterios de diseño deben ser seleccionados. Todos los criterios de diseño de ingeniería tienen un objetivo común: el de garantizar una estructura segura y garantizar la funcionalidad de la misma
El diseño por estado límite trata de lograr que las características acción-respuesta de un elemento estructural o de una estructura estén dentro de límites aceptables. Según este método, una estructura o un elemento estructural deja de ser útil cuando alcanza un estado límite en el que deja de realizar la función para el cual fue diseñada.
Se propone que la estructura se diseñe con referencia a varios estados límite. Los estados limite mas importante son: resistencia bajo carga máxima, deflexiones y ancho de grietas bajo carga de servicio. En consecuencia la teoría de la resistencia máxima se enfoca para el dimensionamiento de la secciones utilizando la teoría elástica solamente para asegurar el comportamiento bajo cargas de servicio. Para revisar de una estructura, se debe verificar que la resistencia de cada elemento estructural y de la estructura en conjunto sea mayor que las acciones que actúa sobre los elementos o la estructura. La resistencia para la seguridad estructural de acuerdo ACI, la cual se divide en factores de carga y factores de reducción de capacidad Factores de carga Los factores de carga tienen el propósito de dar seguridad adecuada contra un aumento en las cargas de servicio mas allá de las especificaciones en el diseño, para que sea sumamente improbable la falla. Los factores de carga también ayudan a asegurar que las deformaciones bajo cargas de servicio no sean excesivas. El código ACI 318-05 recomienda que la resistencia requerida U para resistir las cargas sean: a) Para combinaciones de carga muerta y carga viva U = 1.2D + 1.6 L Donde D es el valor de carga muerta y L el valor de carga viva b) Para combinaciones de carga muerta, carga viva y carga accidental U = 1.2D + 1.0L + 1.8W ó
U = 1.2D + 1.0L + 1.8E Donde W es el valor de la carga de viento y E el de la carga de sismo. Cuando la carga viva sea favorable, se deberá revisar las combinaciones de carga muerta y carga accidental con los siguientes factores de carga U = 0.9D + 1.6L + 1.8W ó U = 0.9D + 1.0L + 1.8E Los Factores de reducción de Capacidad Los factores de reducción de capacidad , toman en cuenta las inexactitudes en los cálculos y fluctuaciones en la resistencia del material, en la mano de obra y en las dimensiones. En las vigas se considera el mas alto valor de debido a que estandiseñadas para fallar por flexion de manera ductil con fluencia del acero en tracción. En las columnas tienen el valor más bajo de , puesto que pueden fallar en modo frágil cuando la resistencia del concreto es el factor critico; adicionalmente la falla de una columna puede significar el desplome de toda la estructura y es difícil realizar la reparación Para flexión: Para cortante: Para flexo-compresión: ( ) ( )
CLASICIFICACION DE LOS ESTADOS LIMITES POR CATEGORIA
Las Especificaciones LRFD están escritas con un formato de Estados Limite basado en probabilidades requiriendo el análisis de algunos, o todos, de los cuatro Estados Límite definidos abajo para cada componente de diseño en un puente.
El estado límite de servicio. Trata con las restricciones impuestas a las tensiones, deformación, y anchos de fisura bajo condiciones de servicio regular. Estos requisitos están dirigidos a asegurar un funcionamiento aceptable del puente durante el periodo de diseño.
El estado limite de fatiga y fractura. El estado límite de fatiga se debe considerar como restricciones impuestas al rango de tensiones que se da como resultado de un único camión de diseño ocurriendo el número anticipado de ciclos del rango de tensión. La intención del estado límite de fatiga es limitar el crecimiento de fisuras bajo cargas repetitivas, a fin de impedir la fractura durante el periodo de diseño del puente. El estado límite de fractura se debe considerar como un conjunto de requisitos sobre resistencia de materiales de las Especificaciones sobre Materiales de AAHSTO .
El estado del límite de resistencia. Está dirigido a garantizar resistencia y estabilidad, tanto local como global, para resistir combinaciones de carga estadísticamente significativas que se anticipa que un puente experimentara durante su periodo de diseño. Bajo el estado límite de resistencia se pueden producir tenciones muy elevadas y daños estructurales, pero se espera que la integridad estructural global se mantenga.
Los estados límites correspondientes a eventos extremos. Están dirigidos a garantizar la supervivencia estructural del puente durante una inundación, un terremoto principal, cuando es embestido por una embarcación, o vehículo o el flujo de hielo, posiblemente donde la fundación esté en condiciones socavadas. Se considera que los estados límites extremos son ocurrencias únicas cuyo periodo de recurrencia puede ser significativamente mayor al periodo de diseño del puente. La probabilidad unida de estos acontecimientos es sumamente baja, y, por consiguiente, se especifica que son aplicadas separadamente. Bajo de estas condiciones extremas, se espera que la estructura experimentara considerables deformaciones inelásticas.
NORMAS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL 1. CARGAS PERMANENTES (DC, DW y EV)
DC= Peso propio de los componentes estructurales y accesorios noestructurales DW= Peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para serviciospúblicos EV= Presión vertical del peso propio del suelo de relleno
2. SOBRECARGAS VIVAS (LL y PL) LL= sobrecarga vehicular PL= sobrecarga peatonal
Carga HL-93: 1.-Camión de diseño:
2.-Tandem de diseño:
3.-Carga de carril de diseño:
Presencia de Múltiples Sobrecargas
La solicitación extrema correspondiente a sobrecargas se determinaráconsiderando las posibles combinaciones de carriles cargados, multiplicando porun factor de presencia múltiple. No es aplicable al estado límite de fatiga.
Factor de Presencia Múltiple
Incremento por Carga Dinámica Los efectos estáticos del camión o tandem de diseño, a excepción delas fuerzas centrífugas y de frenado, se deberán mayorar en los siguientesporcentajes:
Incremento por Carga Dinámica, IM
En caso de componentes enterrados como en el caso de alcantarillas, elporcentaje se deberá tomar como: IM = 33(1.0 – 4.1DE) _ 0% Siendo DE = profundidad mínima de la cubierta de tierra sobre la estructura (m).
3. FUERZAS CENTRÍFUGAS: CE (Art. 3.6.3)
Se toman como el producto entre los pesos por eje del camión o tandem dediseño y el factor C, dado por:
Siendo: V = velocidad de diseño de la carretera (km/h) R = radio de curvatura del carril de circulación (m) Las fuerzas centrífugas se aplican horizontalmente a una distancia de 1.80 m sobre la calzada. Se deben aplicar además los factores de presenciamúltiple.
4. FUERZA DE FRENADO: BR Se toma como el mayor valor de: • 25 por ciento de los pesos por eje del camión o tandem de diseño • 5 por ciento del camión o tandem de diseño más la carga de carril La fuerza de frenado se debe ubicar en todos los carriles de diseño que seconsideren cargados y que transporten tráfico en la misma dirección. Se aplicaránlos factores de presencia múltiple. Se asumirá que estas fuerzas actúanhorizontalmente a una distancia de 1.80 m sobre la superficie de la calzada.
5. CARGA SOBRE VEREDAS, BARANDAS Y SARDINELES Sobrecargas en Veredas Se deberá aplicar una carga peatonal de 367 kg/m2 en todas las aceras de más de0.60m de ancho, y esta carga se deberá considerar simultáneamente con lasobrecarga vehicular de diseño. Cuando la condición de carga incluya cargaspeatonales combinadas con uno o más carriles con sobrecarga vehicular, las cargaspeatonales se pueden considerar como un carril cargado. Los puentes peatonales se diseñarán para una sobrecarga de 418 kg/m2.
Nota.- El Manual de Diseño de Puentes – Perú (Art. 2.4.3.7), señala al respectoque los puentes para uso peatonal y para el tráfico de bicicletas se diseñan parauna carga viva de 510 kg/m². Así mismo, refiere:
Fuerzas sobre Sardineles Los sardineles se diseñarán para resistir una fuerza lateral no menor que 760 kgpor metro de sardinel, aplicada en el tope del sardinel o a una elevación de 0.25 msobre el tablero si el sardinel tuviera mayor altura.
Fuerza sobre Barandas PL-1 Primer nivel de importancia Usado en estructuras cortas y de bajo nivel sobre puentes rurales y áreasdonde el número de vehículos pesados es pequeño y las velocidades sonreducidas.
PL-2 Segundos niveles de importancia Usado en estructuras grandes y velocidades importantes en puentes urbanosy en áreas donde hay variedad de vehículos pesados y las velocidades son lasmáximas tolerables.
PL-3 Terceros niveles de importancia Usado para autopistas con radios de curvatura reducidos, pendientesvariables fuertes, un volumen alto de vehículos pesados y con velocidadesmáximas tolerables. Justificación específica de este tipo de lugar será hechopara usar este nivel de importancia. Fuerzas de Diseño para Barandas (Manual de Diseño de Puentes- Perú)
6. FUERZA DE COLISIÓN DE UN VEHÍCULO: CT Los estribos y pilas de puentes ubicados a 9.0 m o menos del borde de lacalzada, o a 15.0 m o menos de la línea de centro de una vía ferroviaria, sedeberán diseñar para una fuerza estática equivalente de 183.5 t, la cual se asumeactúa en cualquier dirección en un plano horizontal, a una altura de 1.2 m sobre elnivel del terreno. No es necesario aplicar esta fuerza, en el caso de estructuras protegidas porterraplenes o barreras antichoques.
7. CARGAS HIDRÁULICAS: WA Presión Hidrostática.- Actúa de forma perpendicular a la superficie, y se calculacomo el producto entre la altura de la columna de agua sobre el punto considerado,la densidad del agua y g (aceleración de la gravedad).
Flotabilidad.- Fuerza de levantamiento tomada como la sumatoria de lascomponentes verticales de las presiones hidrostáticas. Actúa sobre todos loscomponentes debajo del nivel de agua.
Presión de Flujo.- La presión de flujo de agua, actuando en la dirección longitudinalde las subestructuras, se tomará como:
Donde: p = presión del agua (kg/m2) v = velocidad del agua para la inundación de diseño (resistencia y servicio) ypara la inundación de control (evento extremo), en m/s CD = coeficiente de arrastre para pilas Coeficiente de Arrastre
La fuerza de arrastre longitudinal será el producto entre la presión de flujolongitudinal y la proyección de la superficie expuesta a dicha presión.
Carga Lateral.- La presión lateral uniformemente distribuida que actúa sobre unasubestructura debido a un caudal de agua que fluye formando un ángulo respectodel eje longitudinal de la pila será:
Donde: p = presión lateral (kg/m2) CL = coeficiente de arrastre lateral Coeficiente de Arrastre Lateral
Carga del Oleaje.- Se deberá considerar si se anticipa que se pueden desarrollarfuerzas de oleaje significativas.
Socavación.- Se deberá considerar en los estados límites de resistencia y servicio. 8. CARGA DE VIENTO: WL y WS Presión Horizontal del Viento.- La carga de viento se asume está uniformementedistribuida sobre el área expuesta al viento. Para puentes a más de 10 m sobre elnivel del terreno o del agua, la velocidad de viento de diseño se deberá ajustarcon:
Donde: VDZ = velocidad del viento de diseño a la altura de diseño Z (km/h) V0 = velocidad friccional (km/h) V10 = velocidad del viento a 10 m sobre el nivel del terreno o agua de diseño(km/h). En ausencia de datos V10 = VB =160 km/h VB = velocidad básica del viento igual a 160 km/h a una altura de 10 m Z0 = longitud de fricción del fetch o campo de viento aguas arriba (m) Z = altura de la estructura > 10 m Valores de V0 y Z0
Presión de Viento sobre las Estructuras: WS
PD = presión del viento de diseño PB = presión básica del viento Presiones básicas PB correspondientes a VB = 160 km/h
La carga de viento total no se deberá tomar menor que 449 kg/m en el plano de uncordón a barlovento ni 224 kg/m en el plano de un cordón a sotavento de uncomponente reticulado o en arco, ni se deberá tomar menor que 449 kg/m encomponentes de vigas o vigas cajón.
Cargas de las Superestructuras.- Si el viento no se considera normal a laestructura, la presión básica del viento PB para diferentes ángulos de dirección delviento se puede tomar según la Tabla. El ángulo de oblicuidad se deberá medir apartir de una perpendicular al eje longitudinal. Las presiones transversal ylongitudinal se deberán aplicar simultáneamente. PB para diferentes ángulos de ataque (VB = 160 km/h)
Fuerzas Aplicadas Directamente a la Subestructura.Las fuerzas transversales y longitudinales a aplicar directamente a la subestructura se deberán calcular en basea una presión básica del viento supuesta de 194 Kg/m2. Para direcciones del vientooblicuas respecto de la estructura, esta fuerza se deberá resolver en componentesperpendiculares a las elevaciones posterior y frontal de la subestructura.
Presión de Viento sobre los Vehículos: WL Si hay vehículos presentes, la presión del viento de diseño se aplicará tanto a laestructura como a los vehículos. La presión del viento sobre los vehículos se deberepresentar como una fuerza interrumpible y móvil de 150 kg/m actuando normal a lacalzada y 1.80m sobre la misma, y se deberá transmitir a la estructura.Si el viento sobre los vehículos no es normal a la estructura, las componentes defuerza normal y paralela aplicadas a la sobrecarga viva se pueden tomar como: Componentes del viento sobre la sobrecarga viva
Presión Vertical del Viento.En el diseño de puentes y componentes estructuralesque pueden ser sensibles al viento, se debe considerar una fuerza de viento verticalascendente de 100 kg/m2 por el ancho del tablero, incluyendo los parapetos yaceras, como una carga lineal longitudinal. Se debe aplicar sólo para los estadoslímites que no involucran viento actuando sobre la sobrecarga, y sólo cuando ladirección del viento se toma perpendicular al eje longitudinal del puente. Se aplicaráen el punto correspondiente a un cuarto del ancho de tablero horizontal especificadas.
Inestabilidad Aeroelástica.Todos los puentes y componentes estructurales deello, cuya relación longitud de tramo / ancho o profundidad sea superior a 30, sedeberán considerar sensibles al viento, y por lo tanto deberán considerar en sudiseño, solicitaciones aeroelásticas. Nota.- El Manual de Diseño de Puentes – Perú (Art. 2.4.3.10), refiere que parapuentes con una altura de 10m o menos, medida desde el nivel del agua o desdela parte más baja del terreno, se supondrá velocidad del viento constante. Paraalturas mayores se determina con:
Donde:
VZ = velocidad del viento a la altura z (km/h) V10 = velocidad de referencia, correspondiente a z=10m. z = altura por encima del nivel del terreno o del agua (m). C, z0= constantes dadas en la Tabla Valores de las constantes C, z0
FACTORES DE CARGA Y COMBINACIONES DECARGAS
Estados Límites: • RESISTENCIA I – Combinación básica de cargas que representa el uso vehicularnormal del puente, sin viento. • RESISTENCIA II – Combinación de cargas que representa el uso del puente porparte de vehículos de diseño especiales especificados por el propietario, vehículosde circulación restringida, o ambos, sin viento. • RESISTENCIA III – Combinación de cargas que representa el puente expuesto avientos de velocidades superiores a 90 km/h. • RESISTENCIA IV – Combinación de cargas que representa relaciones muy elevadasentre las solicitaciones provocadas por las cargas permanentes y las provocadaspor las sobrecargas.
• RESISTENCIA V – Combinación de cargas que representa el uso del puente porparte de vehículos normales con una velocidad del viento de 90 km/h. • EVENTO EXTREMO I – Combinación de cargas que incluye sismos. • EVENTO EXTREMO II – Combinación de cargas que incluye carga de hielo, colisiónde embarcaciones y vehículos, y ciertos eventos hidráulicos con una sobrecargareducida diferente a la que forma parte de la carga de colisión de vehículos, CT. • SERVICIO I – Combinación de cargas que representa la operación normal del puentecon un viento de 90 km/h, tomando todas las cargas a sus valores normales. • SERVICIO II – Combinación de cargas cuya intención es controlar la fluencia de lasestructuras de acero y el resbalamiento que provoca la sobrecarga vehicular en lasconexiones de resbalamiento crítico. • SERVICIO III – Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tracción ensuperestructuras de hormigón pretensado, cuyo objetivo es controlar la fisuración. • SERVICIO IV – Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tracción ensubestructuras de hormigón pretensado, cuyo objetivo es controlar la fisuración. • FATIGA – Combinación de cargas de fatiga y fractura que se relacionan con lasobrecarga gravitatoria vehicular respectiva y las respuestas dinámicas bajo unúnico camión de diseño. El Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD) requiere satisfacer la siguienteecuación:
Siendo: gi = factor de carga f = factor de resistencia h = factor de modificación de las cargas hD = factor relacionado con la ductilidad hR = factor relacionado con la redundancia hI = factor relacionado con la importancia operativa Qi = solicitación Rn = resistencia nominal Rr = resistencia mayorada = fRn
MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE PUENTES 1. Para las fundaciones. Se pueden emplear: 1. Hormigón Simple: 2. Hormigón Armado 3. Hormigón Ciclópeo
4. Mampostería de piedra 5. Mampostería de ladrillo Es muy común que estos elementos sean ejecutados sobre pilotes debido a los grandes pesos que estos soportan y teniendo en cuenta que no siempre las condiciones del terreno serán las más optimas.
2. Para las pilas y estribos. Se pueden emplear: 1. Hormigón Ciclópeo. 2. Mampostería de Piedra. 3. Mampostería de Ladrillo. Estos tres primeros pueden ser usados en casos en los cuales las alturas no sean grandes, de no ser así se podrán usar: 1. Hormigón Armado. 2. Estructuras Metálicas. 3. En caso de tener obras temporales estas se podrán construir con madera y / o placas metálicas.
3. Para la superestructura. Se pueden emplear: 1. Hormigón Armado. 2. Hormigón Pretensado o Postensado. 3. Acero 4. Madera También se puede usar las combinaciones de estos y otros materiales.
4. Para los elementos intermedios. Se pueden emplear: 1. Cartón asfáltico 2. Plomo 3. Acero 4. Neopreno 5. Neoflón
