Manual Simplificado de Diseño de Puentes SAP2000

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados.

Basado en las políticas y practicas de la norma americana AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials); y los criterios de diseño emitidos por la Secretaria de Comunicaciones y Transportes, de México, donde se hace hincapie en el manual de diseño de obras civiles para sismo y para viento editado por la Comisión Federal de Electricidad.


CONTENIDO SECCION 1 – INFORMACION GENERAL 1.0 INTRODUCCION 1.1 CONSIDERACIONES GENERALES 1.2 DEMANDAS DEL DISEÑO, REVISION Y APROBACION

SECCION 2 – PRELIMINARES DEL DISEÑO 2.0 TIPO DE PUENTES 2.1 ESTUDIOS PRELIMINARES DEL SITIO 2.1.1 ANALISIS DE COSTOS 2.2 ANALISIS DE ESTUDIO DE CIMENTACION 2.2.1 ZAPATAS (SPREAD FOOTINGS) 2.2.2 PILOTES (PILE FOUNDATIONS) 2.2.3 PILASTRONES (DRILLED SHAFTS) 2.3 ANALISIS DE ESTUDIO TOPOHIDRAULICO 2.4. TIPOS DE SUBESTRUCTURA 2.4.1 ESTRIBOS 2.4.2 PILAS 2.5 TIPOS DE SUPERESTRUCTURA 2.5.1 LOSAS DE CONCRETO REFORZADO 2.5.2 TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO TIPO CAJON 2.5.3 TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO TIPO AASHTO 2.5.4 VIGAS DE ACERO

SECCION 3 – EJEMPLOS DE APLICACION 3.0 CARACTERISTICAS DEL PUENTE 3.1 SUPERETRUCTURA 3.1.1 MOMENTOS Y CORTANTES POR CARGA VIVA MOVIL 3.1.2 DISEÑO DE TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO AASHTO TIPO IV 3.1.3 DISEÑO DE VIGAS DE ACERO Y CONECTORES DE CORTANTE 3.2 SUBESTRUCTURA 3.2.1 DISEÑO DE ESTRIBOS TIPO CABALLETE 3.2.1 DISEÑO DE PILAS RECTANGULARES HUECAS 3.3 CIMENTACION 3.3.1 DISEÑO DE ZAPATA ANEXO A. MODELO CON SÓLIDOS Y PRESFUERZO DE TRABE AASHTO TIPO IV VARIOS ANEXO B. MODELOS VARIOS

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. SECCION 1 – INFORMACION GENERAL 1.0 INTRODUCCION En la mayoría de los códigos los principios de diseño están claramente definidos, ya que al definir los requisitos y principios de diseño los códigos tratan estructuras enteras y no sólo secciones. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los principios, los procedimientos de dimensionamiento y los procedimientos de verificación se concentran en secciones, y se realizan diferentes verificaciones para las diferentes acciones, tales como los momentos y las fuerzas de cortante. Además, las reglas de detallado incluidas en los códigos pretenden garantizar la seguridad global de las estructuras. Los programas de análisis estructural son una herramienta importante hoy día, ya que se pueden modelar estructuras completas o elementos medulares para el buen funcionamiento de dichas estructuras; los programas de análisis se deben tomar como una ayuda para la rapidez de la obtención de los elementos mecánicos para el diseño de las estructuras, aunque el ingeniero esta obligado a manejar dichos elementos con el criterio de optimizar el diseño y consciente de que los resultados son aproximadamente los esperados.

1.1 CONSIDERACIONES GENERALES Los valores de diseño y prácticas incluidas en este manual deberán considerarse una ayuda para el diseño de puentes; pero de ninguna manera pretenden ser una norma o las directrices para el diseño completo de una estructura de este tipo. El usuario de este manual deberá estar familiarizado con las normas AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) y tener conocimiento básico en el manejo del programa de análisis estructural SAP 2000; así como conocer los criterios de diseño aplicados en la Republica Mexicana.

1.2 DEMANDAS DEL DISEÑO, REVISION Y APROBACION El ingeniero deberá conocer los diferentes tipos de materiales y sus características mecánicas, con el fin de proponer la solución óptima para el obstáculo o las condicionantes del proyecto. Deberá cumplir con los dimensionamientos mínimos, armados mínimos, solicitaciones de carga máximas, solicitaciones por sismo u otras cargas accidentales, solicitaciones por cargas extraordinarias o especiales; así como conocer los tipos de estructuración posibles. El ingeniero deberá asegurarse de que lo que proyecte pueda ser construible, es decir, certificar que existe el equipo necesario para las maniobras, que la obtención y manufactura de los materiales de construcción sea costeable, realizar incluso planos para el procedimiento constructivo de cimentaciones, subestructuras y superestructuras.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. SECCION 2 – PRELIMINARES DEL DISEÑO 2.0 TIPO DE PUENTES El puente es una estructura que salva un obstáculo, sea río, foso, barranco o vía de comunicación natural o artificial, y que permite el paso de peatones, animales o vehículos. Todos los puentes se basan en modelos naturales, a los que, conforme la tecnología ha ido avanzando, se han incorporado nuevas formas de resolver los mismos problemas. Su proyecto y su cálculo han sido numerosos a lo largo de la historia, influidos por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores. Los puentes pueden clasificarse en tres tipos fundamentales, de vigas rectas, de arco o colgantes, si se atiende exclusivamente a la acción que ejercen sobre el terreno en que se apoyan, que es consecuencia de la forma de trabajo de las estructuras que lo componen. En el primer caso, puentes de vigas rectas, los elementos estructurales resistentes, las vigas, transmiten su carga a los apoyos ejerciendo acciones verticales, normalmente descendentes. El ejemplo natural es el tronco de árbol o la losa de piedra tendidos a través de un arroyo, apoyados en ambas orillas. A partir de este ejemplo, los progresos en la técnica de los materiales y su conocimiento han ido dando lugar a otras formas más complejas, pero que responden a una misma idea: los tramos en voladizo, los puentes basculantes, los levadizos o los tendidos sobre apoyos flotantes.

2.1 ESTUDIOS PRELIMINARES DEL SITIO El sitio para el proyecto deberá ser estudiado en detalle y evaluado para determinar la mejor alternativa para la estructura; los estudios del sitio deberán incluir: -

Perfil del terreno natural sobre el eje de trazo.

-

Planta topográfica del sitio.

-

Estudio Hidrológico del cruce.

-

Análisis de Costos de la región.

-

Estudio de Geotecnia (Recomendaciones de Cimentación).

Todos estos estudios determinarán en primera instancia la generación de alternativas de proyecto, una vez estudiadas estas alternativas y en función de su economía, vida útil, costos de mantenimiento y métodos constructivos se elegirá la alternativa mas completa.

2.1.1 ANALISIS DE COSTOS De las alternativas generadas en la etapa de conceptualización del proyecto, se determinan los volúmenes de obra aproximados; así se obtienen las estimaciones de costos de la construcción para cada alternativa, el presupuesto entonces se diseña para estimar los costos con considerable nivel de detalle a partir de los requerimientos de mano de obra, materiales y equipo que se estimaron para cada componente importante de construcción de la alternativa seleccionada.

2.2 ANALISIS DE ESTUDIO DE CIMENTACION Para poder llegar a una solución de cimentación, es necesario en cada caso, un reconocimiento detallado del terreno, que se realiza mediante sondeos y otras técnicas de tipo geofísico. Entre las obras de ingeniería, los puentes junto con las represas son las obras que transmiten cargas más importantes al terreno. Los apoyos y

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. pilares de los puentes, transmiten al terreno cargas que normalmente son de miles o centenares de toneladas. Pero los puentes muchas veces están construidos en puntos complicados -precisamente por eso se construyen allí- con suelos blandos, en la orilla y en el interior de ríos, en el mar, embalses y otros lugares en que no es fácil construir. Es decir, son cimentaciones grandes y pesadas, apoyadas en terrenos difíciles. Las cimentaciones de los puentes pueden ser superficiales o profundas. Las superficiales mediante zapatas, están limitadas al caso de suelos suficientemente compactos y resistentes o de rocas, fuera del alcance de la socavación del río. Lo más usual, en el caso de puentes, es que las capas superiores del terreno no sean capaces de soportar las cargas, y que el peligro de socavación sea alto, recurriéndose entonces a cimentaciones profundas, que suelen ser pilotes.

2.2.1 ZAPATAS (SPREAD FOOTINGS) El Código establece que las zapatas se deben dimensionar para resistir las cargas mayores y reacciones inducidas de acuerdo con los requisitos de diseño del Código que correspondan. Las zapatas se deben diseñar para resistir los efectos de las cargas axiales, cortes y momentos maximizados. El tamaño (área de la base) de una zapata, se determina en base al esfuerzo admisible del suelo, Para las zapatas se especifica el siguiente procedimiento de diseño: 1. El tamaño de la zapata (dimensiones en planta) se determina en base a las cargas (permanentes, sobrecargas, de viento, sísmicas, etc.) no factorizadas (de servicio) y al esfuerzo admisible del suelo. 2. Una vez establecidas las dimensiones en planta, la altura de la zapata; la cantidad de refuerzo requerido se determinan en base a las presiones de servicio y los cortantes y momentos de sismo; estos elementos y presiones de servicio se multiplican por los factores de carga que corresponda. Para fines del análisis, se puede asumir que una zapata es rígida, con lo cual para cargas centradas se obtiene un esfuerzo en el suelo uniforme y para cargas excéntricas se obtiene una distribución triangular o trapezoidal (combinación de carga axial y flexión). A la zapata sólo se debe transmitir el momento flexionante que existe en la base de la columna. El peralte de la zapata lo define la resistencia al esfuerzo cortante ocasionado por los esfuerzos inducidos al terreno. Para determinar el peralte requerido para la zapata se debe verificar tanto el cortante en una dirección, como el corte en dos direcciones. El corte en una dirección supone que la zapata se comporta como una viga ancha, con una sección crítica que atraviesa la totalidad de su ancho. A pesar de que el cortante en una dirección rara vez determina la resistencia al cortante de una zapata, el diseñador debe verificar que no se supere la resistencia al cortante correspondiente a cortante en una dirección. Para el cortante en dos direcciones se debe verificar la resistencia al cortante por punzonado. La sección crítica para el corte por punzonado es un perímetro bo alrededor del elemento apoyado.

2.2.2 PILOTES (PILE FOUNDATIONS) Cuando el estrato resistente o firme donde debemos cimentar se encuentra muy por debajo del perfil del terreno natural se nos presenta la necesidad de apoyar una carga aislada sobre un terreno firme. En estos casos se recurre a la solución de cimentación profunda; tipos de pilotes utilizados: Según su forma de trabajo: - Pilotes rígidos de primer orden. Aquellos cuya punta llega hasta el firme transmitiéndole la carga aplicada a la cabeza. La acción lateral del terreno elimina el riesgo de pandeo. - Pilotes flotantes. Aquellos cuya punta no llega al firme, quedando hincado en el terreno suelto y resistiendo por adherencia, su valor resistente es función de la profundidad diámetro y naturaleza del terreno. Se sitúan en terrenos de resistencia media baja y transmiten su carga por fricción, a través del fuste. - Pilotes semi-rígidos. Aquellos cuya punta llega hasta el firme, pero este esta tan profundo, o es tan poco firme, que el pilote resiste simultáneamente por punta y por adherencia.


Según el sistema constructivo: - Pilotes prefabricados hincados, ejecutados a base de desplazamiento del terreno. - Pilotes perforados, ejecutados a base de extracción de tierras y relleno de hormigón armado.

Según la sección del pilote: - Micropilotes: Diámetro menor de 200 mm, se emplean en obras de re-cimentación. - Pilotes convencionales: Diámetros de 300 a 600 mm. - Pilotes de gran diámetro: Diámetro mayor de 800 mm. - Pilotes pantalla: De sección pseudo rectangular. - Pilotes de sección en forma de cruz.

PARTES DE UNA CIMENTACIÓN POR PILOTAJE: - Soporte o pilar: Elemento estructural vertical, que arranca de las zapatas. - Fuste del pilote: Cuerpo vertical longitudinal del pilote. Las cargas son transmitidas al terreno a través de las paredes del fuste por efecto de fricción con el terreno colindante. - Punta del pilote: Extremo inferior del pilote. Transmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente. Los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a los 40m, pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2000 t

2.2.3 PILASTRONES (DRILLED SHAFTS) Los pilastrones se diseñan para resistir principalmente los efectos de las cargas axiales que descargan las superestructuras sobre las subestructuras; la distribución y el número de los pilastrones, se determina en base a la capacidad admisible por pilastrón que define el estudio geotécnico. Los pilastrones son utilizados en sistemas de pilas o apoyos del tipo caballete, sistema que utiliza como cimentación y subestructura a los mismos pilastrones; una parte del pilastrón queda enterrado y la que va a la superestructura queda al descubierto. El refuerzo longitudinal mínimo debe ser el 1.0% del área de la sección y el valor máximo que podrá tomarse será del 8.0%; en caso contrario deberá aumentarse el área de la sección; se beberá prever una sección del pilastrón donde el refuerzo transversal debe ir mas cerrado, esta zona es cerca del empotramiento del pilastrón con el terreno, es decir, de 4 a 8 diámetros del pilastrón a partir del terreno natural, dependiendo del tipo de terreno.

2.3 ANALISIS DE ESTUDIO TOPOHIDRAULICO Levantamiento Topográfico.- Se deberá(n) trazar toda(s) la(s) poligonal(es) necesaria(s) para apoyar el trazo de las secciones de topografía espaciadas a ambos lados del eje de proyecto a cada 10 m en los primeros 40 m, a cada 20 m en los 80 m siguientes, a cada 40 m en los siguientes 120 m y a cada 60 m en el resto de la extensión por levantar. Asimismo, se colocarán 2 monumentos de concreto en ambas márgenes del cauce, fuera de la influencia del nivel de aguas máximas extraordinarias (NAME) los cuales deberán estar bien referenciados, y apoyados en un punto en tangente del trazo (PST); dichos monumentos deberán nivelarse al milímetro pues servirán como bancos de nivel auxiliares.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Utilizando los datos del levantamiento topográfico, se deberá dibujar la planta general con curvas de nivel a cada medio metro (0.50 m), cubriendo una extensión tal que permita conocer el funcionamiento hidráulico de la corriente en la zona de cruce y que permita también proyectar las obras auxiliares y/o de protección que sean necesarias. Estudio Hidráulico.- Se realizará por el método de sección y pendiente, levantando en general tres secciones hidráulicas, de ser posible una aguas arriba, otra en el cruce y otra aguas abajo, separadas entre sí al menos 200 m. Se deberá determinar el coeficiente de rugosidad en cada sección hidráulica y obtener la pendiente geométrica del cauce mediante un levantamiento detallado de su fondo en una longitud tal que se extienda al menos 200 m más allá de la sección hidráulica localizada aguas arriba y 100 m más allá de la sección localizada aguas abajo. Se deberán ubicar en el perfil del fondo del cauce los niveles de aguas máximas extraordinarias indicados por personas que tengan bastante tiempo de habitar en las inmediaciones al cruce. El plano de secciones y pendiente hidráulica deberá contener el perfil del fondo del cauce, la línea recta que represente su pendiente media, los puntos que representen el NAME en cada sitio donde éste haya sido investigado, la línea recta que pase entre ellos y que representará la pendiente media de la superficie libre del agua. Estudio Hidrológico.- Se realizará un estudio hidrológico de la corriente utilizando toda la información disponible de la zona, como ubicación y mediciones de estaciones hidrométricas, pluviométricas, etc., así como datos de la operación de presas y otras obras hidráulicas que tengan influencia en la corriente. Cuando esta información así lo permita, se aplicarán métodos estadísticos; en caso contrario deberán utilizarse métodos que relacionen la lluvia con el escurrimiento, ó bien en algunas ocasiones convendrá utilizar métodos de comparación de cuencas. Los métodos hidrológicos que se utilicen serán aquellos que mejor se ajusten a la información hidrológica de la zona y deberán realizarse para un período de retorno de 100 años. El gasto de diseño será elegido por el responsable del estudio, entre el obtenido con el estudio hidráulico o el determinado con el estudio hidrológico, dependiendo de la confianza que se tenga a cada uno de ellos.

2.4. TIPOS DE SUBESTRUCTURA Siendo la finalidad de la subestructura transmitir carga al terreno de modo que no se sobrepase su capacidad de carga, deberá hacerse una estimación de ésta. Comprenden la subestructura de un puente los elementos o sistemas de apoyo que transmiten las cargas de la superestructura a la cimentación, tales como Pilas tipo caballete, pilas rectangulares huecas, Pilas macizas, Pilas tipo muro, Estribos tipo caballete, Estribos tipo muro. Para el diseño de los elementos de la subestructura se deberá considerar el peso propio de los elementos, los pesos y empujes laterales de los rellenos y lastres que graviten sobre los elementos de la subestructura.

2.4.1 ESTRIBOS Se diseñaran principalmente para resistir los empujes del terreno sobre los elementos, tales como muros o columnas, y deberán cumplir con los factores de seguridad al deslizamiento y al volteo (AASHTO 4.4.9), para el deslizamiento se calculan las fuerzas verticales y se multiplican por el coeficiente de fricción entre el concreto y el tipo de terreno, la relación de este resultado entre las fuerzas laterales no deberá sobrepasar los factores de seguridad al deslizamiento; para el volteo se calculan los momentos actuantes y los momentos resistentes y la relación de momentos actuantes entre resistentes no deberá sobrepasar los factores de seguridad al volteo. La condición de empuje de tierras es la que en la mayoría de los casos rige, pero también se deberán revisar los efectos de sismo y las descargas al terreno por carga muerta mas carga viva.

2.4.2 PILAS Se diseñaran principalmente para resistir la condición de cargas muertas mas sismo, que es la que rige en la mayoría de los caso, cuando se trata de puentes continuos se deberá revisar las condiciones que involucren a la temperatura, los efectos térmicos en pilas con inercias grandes es un factor importante para revisar tales efectos.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Las pilas tipo columna se revisan a flexocompresión, y si es posible la revisión deberá hacerse biaxial; en puentes de gran altura deberán tomarse en cuenta los efectos de esbeltez (AASHTO 8.16.5.2); otro factor que debe tomarse en cuenta en las pilas es el cortante, además se deberán tomar las medidas (AASHTO 7.6 División I-A) para garantizar la articulación plástica en la unión Pila-Zapata y Pila-Cabezal.

2.5 TIPOS DE SUPERESTRUCTURA La superestructura comprende todos los componentes del puente que están sobre los apoyos; superficie de rodamiento: es la porción de área de la losa que recibe el tráfico directamente, en la mayoría de los casos se separa de la losa y esta constituida por materiales bituminosos, suele variar de 4 a 10cms; losa: la losa es físicamente la zona de rodamiento, puede ser de concreto reforzado o presforzado, y en los casos de puentes ortotropicos esta conformada por una placa de acero con atiezadores, la función de las losas es distribuir las cargas a lo largo de la sección transversal del puente; miembros principales: distribuidos longitudinalmente son diseñados principalmente para resistir los momentos flexionantes, pueden ser trabes de concreto reforzado o presforzado, y también de perfiles laminados en el caso de viguetas de acero; miembros secundarios: se utilizan para unir transversalmente los miembros principales para dar rigidez al conjunto, son diafragmas o piezas de puente. La clasificación de las superestructuras se puede dividir en dos conjuntos: Superestructuras de concreto y de acero.

2.5.1 LOSAS DE CONCRETO REFORZADO Generalmente se utilizan en claros pequeños hasta de 10m, aunque requiere mas concreto y acero de refuerzo que las trabes de para el mismo claro, su procedimiento constructivo es mucho mas simple y por eso es mas económico y se sigue usando para estos casos; generalmente son de concreto reforzado, su diseño es muy simple, se calculan los momentos flexionantes por separado para carga muerta y carga viva, la suma factorizada de estos momentos para los máximos positivos y negativos rigen el espesor de la losa y la cuantía del acero de refuerzo.

2.5.2 TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO TIPO CAJON Aplicables en general en estructuras de gran tamaño, son elementos de concreto presforzado que puede fabricarse en peralte constante o en peralte variable y que presenta un aspecto muy agradable a la vista. Puede fabricarse en planta o bien, colarse directamente en la obra. En éste último caso, cuando se trata de puentes de grandes claros, suele procederse a colar las dovelas simultáneamente en ambos extremos en voladizo con respecto a la pila, generalmente se utilizan moldes de metal aunque se tienen ciertas secciones tipificadas. De hecho pueden fabricarse éstos elementos conforme a un proyecto específico. Entre las ventajas principales de éstos elementos, podemos citar su ligereza. Volumen total de concreto, dada la eficiencia de la sección y su buena capacidad para resistir las torsiones provocadas por la asimetría en la aplicación de la carga viva. Se aplican en la construcción de puentes carreteros y de pasos peatonales, debido a su gran capacidad de carga. Características de estos elementos estructurales: son de concreto presforzado elaborado con concreto f’c=350 kg/cm2, acero de presfuerzo fsp=19,000 kg/cm2 en torón de ½" y acero de refuerzo fy=4,200 kg/cm2

2.5.3 TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO TIPO AASHTO Para puentes de caminos, viaductos y pasos a desnivel. Son elementos estructurales de concreto presforzado; Ideales para soportar cargas para puentes en claros hasta de 30m. Su longitud es variable de acuerdo a las necesidades del proyecto. Las trabes AASHTO pueden ser pretensadas, postensadas o combinadas. Se recomienda utilizar el pretensado en trabes no mayores de 30m., ya que su fabricación se realizara en planta industrial, donde se fabrica en moldes metálicos y se cura el concreto a base de vapor, lo

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. que permite ciclos de colado diario; su producción se realiza bajo un estricto control de calidad. Las trabes AASHTO se utilizan comúnmente en puentes de caminos y pasos a desnivel, salvando vías de ferrocarril, barrancas, ríos, etc. Debido a sus dimensiones se pueden transportar prácticamente a cualquier sitio, una de sus ventajas es el ahorro del tiempo total de ejecución de la obra. Características de estos elementos estructurales: son de concreto presforzado elaborado con concreto f’c=350 kg/cm2, acero de presfuerzo fsp=19,000 kg/cm2 en torón de ½" y acero de refuerzo fy=4,200 kg/cm2 Dimensiones y características de uso de las trabes AASHTO:

2.5.4 VIGAS DE ACERO Vigas de perfiles laminados: se utilizan para tramos de poca longitud. Provienen de las plantas de laminado integral. Regularmente se utilizan los perfiles “IR” compuestos de dos patines y un alma. Los patines resisten el momento flector y el alma los esfuerzos de cortante. Vigas compuestas por placas: estos tipos se emplean en tramos de longitud intermedia, donde no se justifique una armadura, pero si se requiere un elemento de mayor sección que la de una viga de perfiles laminados.


Los elementos constituyentes de una viga compuesta son: 1- Ángulos: son los elementos soldados o remachados en los bordes superior e inferior del alma, estos conforman los patines de la viga y soportan los esfuerzos de tensión y compresión producidos por la flexión. 2- Cubreplacas: son las placas de acero que se remachan o sueldan sobre los patines superiores e inferiores de la viga compuesta y sirven para aumentar la capacidad de carga de la misma. 3- Rigidizadores de apoyo: están constituidos por placas o ángulos que se sueldan o remachan en posición vertical al alma de la viga, en los sitios de apoyo. Su función principal es transmitir los esfuerzos de cortante del alma de la viga al dispositivo de apoyo elegido, lo cual evita el pandeo o aplastamiento de la misma. 4- Rigidizadores intermedios: este tipo de rigidizadores se utilizan en los puntos de aplicación de cargas concentradas o en las vigas compuestas de mucha altura para evitar el aplastamiento o el pandeo del alma. Regularmente se utilizan aceros de Grado A-36 y A-50, los esfuerzos permisibles y parámetros en el acero se pueden consultar la sección 10 de las normas AASHTO, referente al acero estructural.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.1 SUPERETRUCTURA 3.1.1 MOMENTOS Y CORTANTES POR CARGA VIVA MOVIL (Ver Archivo 311CV.SDB) En el siguiente ejemplo se determinarán los momentos flexionantes y los cortantes en una viga simplemente apoyada, utilizando diferentes tipos de cargas móviles; las cargas a utilizar son las de mayor circulación por los caminos y carreteras de la republica mexicana, T3-S2-R4 (72.5ton), T3-S3 (48.5ton) y HS-20 (32.67ton), el arreglo de los ejes para cada tipo de carga se muestra a continuación:

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. La longitud del claro de la trabe es de 28.0m, a continuación se describe la metodología a utilizar para definir las cargas móviles en el programa de análisis SAP2000:

Fig. 1 Modelo de análisis de la viga con L=28.0m

Fig. 2 Definición de Lane (Línea de Circulación de la Carga Viva Móvil) En el menú Define/Bridge Loads/Lanes, en Add new lane se definen los parámetros de la lane, las barras por donde pasara la carga móvil, la excentricidad y el ancho de la misma.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Una vez especificados los parámetros de la lane, en el menú Define/Bridge Loads/Vehicles, en Add General vehicle se van definiendo distancias entre ejes de carga y peso por eje, la siguiente figura muestra el ejemplo de la carga T3-S2-R4:

Fig. 3 Definición de vehículos General (T3-S2-R4)

Fig. 4 Definición de tipos de vehículos (T3-S2-R4) En el menú Define/Bridge Loads/Vehicle Classes, se definen los tipos de cargas que pasaran sobre la viga, en este existe un parámetro, que es un factor de escala, útil para aplicar el Impacto (AASHTO 3.8.2.1) a las cargas; Si el impacto se quiere aplicar por fuera o mas adelante el factor de escala será 1.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Por ultimo para definir nuestros casos de carga moviles, en el menú Define/Analysis Cases, definimos los parámetros de factores de escala (aquí se puede tomar también el valor del Impacto), factores de reducción dependiendo del numero de carriles a utilizar (AASHTO 3.12.1) y el numero de lanes por las que se quiere circulen las cargas. En nuestro ejemplo dejamos el factor de escala igual a 1, el factor de reducción también igual a 1 por tratarse de un solo carril y damos de alta la lane 1; ver figura siguiente:

Fig. 5 Parámetros de definición de carga móvil (T3-S2-R4) Los elementos mecánicos para las cargas móviles T3-S2-R4 (72.5ton), T3-S3 (48.5ton) y HS-20 (32.67ton), que se desprenden de este modelo de análisis se muestran en las figuras 6 y 7 de este ejemplo:

Fig. 6 Diagrama de momentos para cada caso de carga móvil


Fig. 7 Diagrama de cortantes para cada caso de carga móvil

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.1.2 DISEÑO DE TRABES DE CONCRETO PRESFORZADO AASHTO TIPO IV (Ver Archivo 312AASHTOIV.SDB) En este ejemplo se determinará el presfuerzo necesario para las solicitaciones por cargas permanentes y carga viva de una viga AASHTO Tipo IV con L=28.0m, separación de vigas de eje a eje de 1.80m, espesor de losa de 0.20m, espesor de carpeta asfáltica de 0.12m (para diseño) y carga viva de diseño T3-S2-R4 (72.5ton). Además diseñar el refuerzo por cortante.

Características de la viga AASHTO Tipo IV: Sección Básica: Area "Ab" Inercia "Ib" Centroide "yb" Modulo de seccion inf "Sib" Modulo de seccion sup "Ssb"

0.497 0.103 0.615 0.167 0.140

m2 m4 m m3 m3

El concreto de la viga f’c=350 Kg/cm2; concreto de la losa f’c=250 Kg/cm2; por lo tanto la relación modular es: n=

Elosa Eviga

E= Módulo de Elasticidad = 14000(f’c)1/2 (AASHTO 8.7.1) Elosa= 140000(250)1/2 = 221359.4 Kg/cm2 Eviga= 140000(350)1/2 = 261916.0 Kg/cm2 n=

221359.4 = 0.85 261916.0

El ancho de patín efectivo (AASHTO 8.10) para la sección compuesta se determina de la siguiente manera:

La que resulte menor de las siguientes expresiones: 1) ¼ L donde: L= Longitud del Claro..... ¼ L = ¼ (28m) = 7.0m 2) 12 t

donde: t= Espesor de alma de viga..... 12 t = 12 (0.20) = 2.40m

3) “S”

donde: S= Separación entre vigas..... S = 1.80m - RIGE

Por lo tanto el ancho de patín efectivo será: 1.80n = 1.80 (0.85) = 1.53m Sección Compuesta: Area "Ac" Inercia "Ic" Centroide "yc" Modulo de seccion inf "Sic" Modulo de seccion sup "Ssc"

0.803 0.236 0.933 0.253 0.566

m2 m4 m m3 m3


Calculo las “w” (cargas uniformes) para las cargas de diseño: W PoPo = 0.497 x 2.40 = 1.19 t/m2 (Peso Propio) W Losa = (1.80 x 0.20 x 2.4) = 0.86 t/m2 (Losa) P Diafragma = (1.70 x 0.30 x 2.4) = 1.22 t (Diaragma) W CMS = (1.80 x 0.12 x 2.2) = 0.48 t/m2 (CMS) M CV = 315.12 t-m (Del ejemplo anterior). De la expresión para calcular el momento isostático para una carga repartida: M =

w x l2 8

Despejamos w, y tenemos: W CV =

8 x 315.12 (28)2

= 3.215 t/m2

(CV)

El Impacto (AASHTO 3.8.2.1) para un claro de 28.0m es: I=

15.24 38.1 + L

Máximo 30%

donde: L= Longitud del Claro (m) I=

15.24 38.1 + 28

= 0.23

I = 1.23%

El Factor de Distribución (AASHTO Tabla 3.23.1) para una separación entre vigas de 1.80m y para dos carriles o mas con trabes tipo “Ι” es: Fc =

S 5.5’

=

1.80 = 1.07 1.68

donde: S= Separación entre vigas Para AASHTO el Fc esta dado por línea de ruedas así que por camión seria: Fc =

1.07 = 0.535 2

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. A continuación se muestra del análisis en SAP2000 de la viga AASHTO Tipo IV con L=28.0m, las cargas del modelo y los resultados obtendos:

Fig. 1 Modelo de análisis de la viga AASHTO Tipo IV con L=28.0m La herramienta incluida en el SAP2000, Section Designer, nos permite trazar las secciones reales de los elementos a diseñar, y automáticamente calcula todas sus propiedades geométricas.

Fig. 2 Modelo de cargas de la viga AASHTO Tipo IV con L=28.0m En la figura anterior se muestran las condiciones de cargas permanentes y carga viva que actuaran sobre la viga AASHTO Tipo IV.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Los elementos mecánicos (momentos flexionantes) para las cargas permanentes (PoPo, Losa+Diafr y CMS) y carga viva (T3-S2-R4 (72.5ton)), resultado de este modelo de análisis se muestran en la figura 3; y nos servirán de base para proponer el numero de torones de φ=1/2” del presfuerzo necesario para cumplir con las solicitaciones de la viga.

Fig. 3 Diagrama de momentos flexionantes para cada caso de carga Proponiendo 38 torones de φ=1/2” At=0.987cm2 Para las trabes pretensadas los torones de baja relajación se tensarán al 0.75f’s, (AASHTO 9.15.1) donde: f’s = Esfuerzo de fluencia del acero de presfuerzo (19,000 Kg/cm2) Por lo tanto al momento de la transferencia cada toron desarrolla una fuerza de 0.75f’s x At, es decir: 0.75(19,000) x 0.987 = 14,065 Kg y un esfuerzo de 0.75(19,000) = 14,250 Kg/cm2 Pérdidas del Presfuerzo: Existen diferentes tipos de perdidas, algunas son instantáneas (Etapa de transferencia) y otras más son diferidas (Etapa de Servicio); todas deben ser calculadas, sin embargo el total de las pérdidas se puede estimarse en 3,165 Kg/cm2 (AASHTO 9.16.2.2); así tenemos que cada toron después de perdidas desarrolla un esfuerzo de: 14,250 – 3,169 = 11,085 Kg/cm2 y una fuerza de servicio de 11,085 x 0.987 = 10,940 Kg = 10.94 ton. Y 11.0 ton. El momento de carga viva deberá multiplicarse por los factores de Impacto y Concentración: 315.07 x 1.23 x 0.535 = 207.33 ton-m

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. HOJA DE CÁLCULOS PROYECTO :

CLASIFICACION :

CALCULÓ : J.F.S.

PUENTES REVISÓ : J.F.S. DESCRIPCIÓN :

TRABE AASHTO TIPO IV L=28m

APROBÓ :

REFERENCIA : HOJA DE

FECHA :

ÁREA :

CIVIL/ESTR.

T R A B E : REVISION DE TRABE AASHTO TIPO IV - 38 CABLES φ1/2"

ETAPA

M Ton-m

σi

Si 3 m

ACUM. 2 Ton/m

2

Ton/m

PRESFUERZO

σs

Ss 3 m

ACUM. 2 Ton/m

2

Ton/m

-2116.82

680.77

PESO PROPIO

116.62

0.167

698.32

-1418.50

0.14

-833.00

-152.23

LOSA

93.21

0.167

558.14

-860.36

0.14

-665.79

-818.01

C.M.S.

47.04

0.253

185.93

-674.43

0.566

-83.11

-901.12

C.V.

207.33

0.253

819.49

145.06

0.566

-366.31

-1267.43

Σ=

Ton/m

2261.88

145.0597600150 Ton/m

2

Σ=

2

-1948.20

-1267.43038 -1400 Ton/m

Ton/m

2

2

FUERZA POR TORON = 11.0 Ton DESPUES DE PERDIDAS

SECCION SIMPLE Centroide del Presfuerzo = 0.1053 m 2 0.497 m A trabe = 0.615 m y trabe = 4 0.103 m I trabe = 3 Si = 0.167 m 3 Ss = 0.140 m

SECCION COMPUESTA 0.8033 m A trabe = 0.933 m y trabe = 4 0.236 m I trabe = 3 Si = 0.253 m 3 Ss = 0.566 m

2

ESFUERZOS PERMISIBLES (ASSHTO 9.15.2)

A) TRANSFERENCIA

f'c = 350 Kg/cm

2

f'ci = 0.85f'c = 298 Kg/cm 2

Compresion =0.60 f'ci

=

-178.80

Kg / cm2

=

-1788.00

Ton / m

Tension = 1.60

=

27.62

Kg / cm2

=

276.20

Ton / m

-140.00

Kg / cm2

=

-1400.00

Ton / m

14.97

Kg / cm2

=

149.67

Ton / m

f'ci

2

B) SERVICIO Compresión = 0.40 fć Tensión = 0.80

f'c

=

2

2

2

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Los elementos mecánicos (cortantes) para las cargas permanentes (PoPo, Losa+Diafr y CMS) y carga viva (T3-S2-R4 (72.5ton)), resultado de este modelo de análisis se muestran en la figura 4; y nos servirán de base para calcular el refuerzo necesario para tomar los cortantes para cumplir con las solicitaciones de la viga.

Fig. 4 Diagrama de cortante para cada caso de carga

DISEÑO POR CORTANTE EN TRABES a) Cortante de carga muerta

V viga = 16.7 Ton V Losa + Diafragma= 12.7 Ton V cms =

6.7

Ton

Vcm = 36.1 Ton

Factorizando x 1.3 Vcm =

(AASHTO Tabla 3.22.1A)

46.92

Ton

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. b) Cortante de carga viva El cortante de carga viva deberá multiplicarse por los factores de Impacto y Concentración: Utilizando 1 camión tipo Vcv + I =

45.0

Vcv + I =

x

T3-S2 R4 1.23

x

0.535

=

29.6 Ton

Ton / trabe

29.62

Factorizando x 2.17 (AASHTO Tabla 3.22.1A) Vcv + I

=

64.27

Vcm+Vcv + I = Vu/φ =

Ton

138.99

φ = 0.80

donde:

Ton

El cortante que toma el concreto se calculara de la siguiente manera: Vcr=

fć

0.53

bd

fć = b= d=

350 Kg/cm 20 cm 135 cm

2

c) Refuerzo necesario para tomar Cortante excedente

Vc=

9.9

Kg/cm

2

(AASHTO 9.20)

Por lo tanto, Vcr=

VD =

VD

9.9

2700

x

138.99

=

=

S=

112.22

Ton

=

26.77

Ton

Ton

Proponiendo Estribos de

S=

=

26.77

-

112.22

26771.5586 Kg

4C

en

2

ramas

as x fs x d VD

1.27

x

2

x 4200 112215.77

x

135

=

12.3 cm

Se colocarán: ESTRIBOS DEL

4C

DE

2

RAMAS @

10.0 cm

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.1.3 DISEÑO DE VIGAS DE ACERO Y CONECTORES DE CORTANTE (Ver Archivos 313PPLOSA.SDB, 313CMS.SDB y 313Viva.SDB)

El siguiente ejemplo consiste de una superestructura formada por un tramo de losa plana de concreto reforzado sobre trabes metálicas, con un claro de 34.0m, el ancho total del puente es de 7.01m, con un ancho de calzada de 6.21m y con parapetos laterales de 0.40m; la carga viva de proyecto será la T3-S2-R4 en dos bandas de circulación. Se revisarán los esfuerzos en las trabes y se diseñaran los conectores de cortante para carga viva.

Se calculan las propiedades geométricas de la sección básica de las trabes, estas propiedades nos serviran para los modelos de PoPo (Peso Propio) y Colado de Losa; las propiedades geométricas con la relación modular n=24 se utilizaran en el modelo de CMS (Carga Muerta de Servicio); y las propiedades geométricas con la relación modular n=8 en el modelo de CV (Carga Viva), las propiedades se muestran a continuación: Sección Básica: Area "Ab" Inercia "Ib" Centroide "yb" Modulo de seccion inf "Sib" Modulo de seccion sup "Ssb"

0.0735 0.0207 0.4161 0.0497 0.0230

m2 m4 m m3 m3

Sección n=24: Area "An24" Inercia "I n24" Centroide "y n24" Modulo de seccion inf "Si n24" Modulo de seccion sup "Ss n24"

0.1027 0.0416 0.6995 0.0595 0.0676

m2 m4 m m3 m3

Sección n=8: Area "An8" Inercia "I n8" Centroide "y n8" Modulo de seccion inf "Si n8"

0.1610 0.0608 0.9585 0.0634

m2 m4 m m3

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Modulo de seccion sup "Ss n8"

0.1708 m3

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. A continuación en las figuras siguientes se presenta el modelo de análisis y los resultados obtenidos:

Fig. 1 Modelo de análisis de las trabes metálicas y la losa de concreto

Fig. 2 Resultados de la corrida de PoPo+Losa


Fig. 2 Resultados de la corrida de CMS

Fig. 2 Resultados de la corrida de CV

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Revisión de esfuerzos en el patín inferior y patín superior al centro del claro, desde el montaje de la trabe hasta la etapa de servicio de la superestructura: Momentos obtenidos del modelo de análisis: MPoPo+losa = 303.85 ton-m MCMS = 167.00 ton-m MCV+I = 406.92x 1.25 x 1.21 = 615.47 ton-m .........(MCV+I = MCV x Fc x I) Patín Inferior:

σi = +

MCMS MCV+I MPoPo+losa + + Sib Si n24 Si n8

303.85

167.00

615.47

2 σi = + 0.0497 + 0.0595 + 0.0634 = 18,628 ton/m

Patín Superior:

σs = +

σs = -

MCMS MCV MPoPo+losa + + Ss n8 Ssb Ss n24

303.85 0.0230

-

167.00 615.47 = -19,285 ton/m2 0.0676 0.1708

EL ACERO DE LAS TRABES METALICAS ES GRADO 50, es decir: Esfuerzo de Fluencia Fy= 50,000 lb/in2 = 50,000 x 14.22 = 3516 Kg/cm2 El esfuerzo permisible es 0.55Fy = 0.55(3516) = 1,933.8 Kg/cm2 (AASHTO Tabla 10.32.1A)

σPERM = 19,338 ton/m2 > 19,285 ton/m2 Se observa que el esfuerzo permisible es mayor a los esfuerzos actuantes, por lo tanto la sección se adoptara para proyecto. En el siguiente grafico se muestran los esfuerzos totales en el patín inferior y patín superior a lo largo de las trabes, se indican también los límites permisibles:


Grafico de esfuerzos actuantes a lo largo de la viga

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. El diseño de conectores se basa en el modelo para la carga viva, los conectores tienen la finalidad de garantizar la sección compuesta, es decir, asegurar la unión entre el concreto de la losa y las trabes; los conectores se diseñan para el cortante rasante o cortante horizontal que produce la carga viva, se trata de cubrir el diagrama de cortante con la separación entre conectores, conforme a la siguiente metodología:

En la sección de AASHTO 10.38.2 se citan los parámetros para el cálculo de conectores, el primer paso es calcular el Cortante Horizontal (Sr).

Sr =

Vr Q Ix

Donde: Vr = Cortante en Trabe - Solo por Carga Viva (kips) Q = Momento estático (in3) Ix = Momento de Inercia centroidal (in4) Sr = Cortante Horizontal (kips/in)

Existen otros parámetros que hay que tomar en cuenta antes de calcular la separación necesaria entre conectores que cubran el diagrama de cortante, tenemos que proponer el tipo de conectores a utilizar, los tipo Nelson o los de Canal, con eso se puede determinar la constante Zr Basada en el # Ciclos, para conectores tipo Nelson podemos utilizar los siguientes valores:

Zr en Lbs Tipo 5/8 in 3/4 in 7/8 in

Ciclos 100,000 500,000 2,000,000 > 2,000,000 5,078 4,141 3,066 2,148 7,312 5,962 4,416 3,094 9,953 8,116 6,010 4,211

Para conectores tipo Canal: Zr = B x w…. (Lbs) w = Longitud del conector (in) Para los valores de B podemos utilizar la siguiente tabla: Ciclos 100,000 500,000 2,000,000 > 2,000,000

B 4,000 3,000 2,400 2,100

Zr = En ambos casos significa la resistencia al cortante por conector (lbs)

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Así la separación para los conectores tipo Nelson esta dada por la siguiente expresión:

s=

n

Zr Sr

Donde: n = Numero de conectores por linea. Zr = Constante basada en el # Ciclos (lbs) Sr = Cortante Horizontal (kips/in) s = Separación de Conectores (in)

Y para conectores de Canal:

s=

Zr Sr

Donde: Zr = Constante basada en el # Ciclos (lbs) Sr = Cortante Horizontal (kips/in) s = Separación de Conectores (in)

Utilizando conectores de canal: El cortante máximo se encuentra cerca de los apoyos y tiene un valor de: Vr= 55.1 t ; Factorizando por el Impacto 55.1 x 1.21 = 66.7 t = 146.67 kips Q = 1458.5 in3 Ix = 71594.8 in4 (Sección del apoyo – Sin Cubreplaca)

Calculo del Cortante Horizontal: Sr =

146.67 x 1458.5 71594.8

= 2.988 kips/in

Calculo de Zr: B=4000 w = 7.87 in Zr = 4000 x 7.87 = 31,480 lbs = 31.5 kips

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Por lo tanto la separación entre conectores de canal en la zona de apoyos será:

s=

31.5 2.988

= 10.54 in = 26.8 cm

Se colocaran conectores de Canal @ 25cm cerca del apoyo; en el siguiente gráfico se muestra el diagrama de cortante de las trabes y la distribución de conectores calculada para cubrir dicho diagrama:

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.2 SUBESTRUCTURA 3.2.1 DISEÑO DE ESTRIBOS TIPO CABALLETE (Ver Archivo 321Cab-1.SDB) El siguiente ejemplo es un estribo tipo caballete, este estribo a base de pilastrones de 1.20m y cabezal de 1.28m x 1.20m se diseñara para soportar media superestructura de 5 trabes tipo cajón de concreto presforzado de 28.0m de claro, con losa de concreto reforzado de 10.50m de ancho total, que permite el paso de 2 carriles de circulación de camión T3-S3. Datos: Ancho de Calzada = 7.0m Espesor de Pavimento = 0.12m Espesor de Losa = 0.15m Area de la trabe tipo cajón = 0.61m2 Peso del parapeto y banqueta = 1.0 t/m Vcv (1 T3-S3) = 39.65 ton Carga Viva Peatonal = 0.15 t/m2 Ancho de banquetas = 1.50m

Dimensiones del estibo tipo caballete:

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Es necesario para realizar el modelo de análisis calcular las descargas de la superestructura a la subestructura, descargas por apoyo de cargas permanentes y carga viva. Carpeta Asfáltica = 7.0 x 0.12 x 2.20 x 14.0 = 25.9 ton Losa de Concreto = 10.5 x 0.15 x 2.40 x 14.0 = 52.9 ton Trabes tipo Cajón = 0.61 x 5 x 2.40 x 14.0 = 102.5 ton Parapeto y banquetas = 1.0 x 2 x 14.0 = 28.0 ton Carga Viva + Impacto = 39.65 x 1.23 x 2 = 97.5 ton Carga Viva Peatonal = 0.15 x 1.50 x 2 x 14.0 = 6.30 ton

Por lo tanto la descarga de Cargas Muertas por apoyo es: 25.9 + 52.9 + 102.5 + 28.0 = 209.3 ton – entre 5 trabes = 41.86 ton/trabe

Y la descarga de Cargas Vivas por apoyo es: 97.5 + 6.3 = 103.8 ton – entre 5 trabes = 20.76 ton/trabe El modelo de análisis se muestra en la siguiente figura, el peso propio de los elementos se incluye en el modelo:

Fig. 1 Modelo de análisis de estribo tipo caballete

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. En las siguientes figuras se muestran las condiciones de carga muerta y carga viva, las cargas se aplican en cada apoyo de trabe:

Fig. 2 Condición de carga muerta – Descargas por apoyo

Fig. 3 Condición de carga viva - Descargas por apoyo

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Se realiza un análisis sísmico estático. Para calcular la fuerza sísmica del análisis estático necesitamos los siguientes parámetros que obtenemos del manual de CFE diseño por Sismo, suponiendo que la estructura esta en la zona sísmica “C” cimentado sobre terreno Tipo “I”; entonces: Coeficiente Sísmico = 0.36

Factor de Importancia = 1.5

Fuerza sísmica = 0.36 x 1.5 x 209.3 = 113.0 ton En las siguientes figuras se muestran las condiciones de sismo longitudinal y sismo transversal; para el sismo longitudinal la fuerza sísmica se divide entre tres pilastrones 113.0/3 = 37.70 ton.

Fig. 4 Sismo Longitudinal

Fig. 5 Sismo Transversal

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Los resultados (diagramas de carga axial, momentos flexionantes y cortante) del análisis se muestran en las figuras siguientes:

Fig. 6 Diagrama de momentos por carga muerta

Fig. 7 Diagrama de cortantes por carga muerta


Fig. 8 Diagrama de momentos por carga viva

Fig. 9 Diagrama de cortantes por carga viva


Fig. 10 Diagrama de momentos por sismo longitudinal

Fig. 11 Diagrama de momentos por sismo transversal

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Diseño a flexión del cabezal del caballete, la condición que rige para el diseño es la de: PoPo+CM+CV Para Momento Negativo (Refuerzo de Parrilla Superior) Md = 28.89 + 11.96 = 40.85 t-m As =

Md fs x J x d

Donde: Md = Momento de diseño (Kg-cm) fs = Esfuerzo de Trabajo del acero de refuerzo (2000 Kg/cm2) J = Constante del concreto (0.9) – adimensional b = Ancho del cabezal (cm) d = Peralte efectivo del cabezal (cm) As = Area de acero requerida (cm2) As =

40.85 x 105 2000 x 0.9 x 92

= 24.67 cm2

Para Momento Positivo (Refuerzo de Parrilla Inferior) Md = 29.12 + 13.00 = 42.12 t-m As =

42.12x 105 2000 x 0.9 x 92

= 25.43 cm2

El acero mínimo por flexión es: As min = 0.0033 bd As min = 0.0033 x 128 x 92 = 38.86 cm2 38.86 > 24.67 cm2 – Parrilla Superior 38.86 > 25.43 cm2 – Parrilla Inferior Rige Acero mínimo por flexión 38.86 cm2 Proponiendo Vars 8C – as = 5.07 cm2 No Vars =

38.86 5.07

= 7.66 Vars 8C

Se proponen: 8 Vars #8C para refuerzo de Parrilla Superior Y 8 Vars #8C para refuerzo de Parrilla Inferior

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Diseño de Pilastrones, la condición que rige para el diseño es la de: PoPo+CM±SISMO FUERZA VERTICAL PoPo+CM = 83.5 ton Resumen de elementos por sismo: MOMENTO TRANSVERSAL = 113.39 t-m MOMENTO LONGITUDINAL = 207.35 t-m FUERZA VERTICAL TRANSV.= 33.32 t FUERZA VERTICAL LONG. = 10.0 t Factores de Ductilidad: (AASHTO 3.7 División I-A) QL = 2 QT = 2 COMBINACIONES DE CARGA SL = 100% SL ± 30% ST ST = 30% SL ± 100% ST DIVIDIENDO ENTRE LOS ACTORES DE DUCTILIDAD M Transv. =

113.39 2

=

56.70 Ton-m

M long. =

207.35 2

=

103.68 Ton-m

RESULTANTE PARA SECCIONES CIRCULARES SL = ( (100% SL)2 + (30% ST)2)1/2 ST = ( (30% SL)2 + (100% ST)2)1/2 64.67 Ton-m

P = 33.32 Ton

M Long. Diseño = 105.06 Ton-m

P = 10.00 Ton

M Transv. Diseño =

SISMO TRANSVERSAL a) Condicion No. 1 (+) 64.67 Ton-m M= P = 83.50 + 33.32

=

116.82 Ton

b) Condicion No. 2 (-) 64.67 Ton-m M= 83.50 - 33.32 P=

=

50.18 Ton

SISMO LONGITUDINAL a) Condicion No. 1 (+) M = 105.06 Ton-m 83.50 + 10.00 P=

=

93.50 Ton

b) Condicion No. 2 (-) M = 105.06 Ton-m P= 83.50 - 10.00

=

73.50 Ton

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Revisando la sección propuesta con el programa para columnas PCA-col, y convirtiendo las cargas al sistema internacional tenemos:

ELEMENTOS DE DISEÑO fć = 24.51 Mpa fy = 411.76 Mpa Diametro col.= 1200 mm 2 Cuantía mínima 1% es decir 24 Vars 8C = 121.68 cm ELEMENTO

TRANSVERSAL 1a. 2a.

MOMENTO 634.37 FUERZA 1146.00

634.37 492.27

LONGITUDINAL 1a. 2a. 1030.65 1030.65 KN-m 917.24 721.04 KN

El programa nos proporciona el diagrama de interacción del pilastrón, graficando las cuatro condiciones de carga que tenemos, podemos observar que la sección propuesta del pilastrón es adecuada.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.2.2 DISEÑO DE PILAS RECTANGULARES HUECAS (Ver Archivo 322EstadiaV9.SDB) Superestructura formada por tres tramos continuos de losa de concreto reforzado, trabajando en colaboración con 10 trabes tipo Nebraska "NU-200/20" pretensadas, para carga viva T3-S2-R4 Tipo I de 72.50 ton, en todos los carriles de circulación. Ancho total del Puente 22.56m, tres carriles de circulación por cada sentido, espesor de losa 0.18m, el puente se encuentra en el estado de San Luis Potosí francamente en la zona “B” de la regionalización sísmica (ver mapa), su cimentación será del tipo superficial a base de zapatas, por lo que podemos decir que el tipo de Terreno es firme (Terreno Tipo I), por lo tanto los parámetros para estructurar el espectro de diseño para el análisis dinámico por sismo se obtienen de la tabla 1:


TABLA 1 ESPECTROS DE DISEÑO ZONA SÍSMICA A

B

C

D E (Zona metropolitana Ciudad de México)

TIPO DE SUELO I II III I II III I II III I II III I II III

aO

c

0.02 0.04 0.05 0.04 0.08 0.10 0.09 0.13 0.16 0.13 0.17 0.21 0.04 0.08 0.10

0.08 0.16 0.20 0.14 0.30 0.36 0.36 0.50 0.64 0.50 0.68 0.86 0.16 0.32 0.40

donde : I CORRESPONDE A TERRENO II CORRESPONDE A TERRENO III CORRESPONDE A TERRENO

Ta (seg) 0.2 0.3 0.6 0.2 0.3 0.6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.2 0.3 0.6

Tb (seg) 0.6 1.5 2.9 0.6 1.5 2.9 0.6 1.4 1.9 0.6 1.2 1.7 0.6 1.5 3.9

FIRME INTERMEDIO BLANDO

Por lo tanto los valores y la grafica del espectro resultante se muestran a continuación:

B T-I

r 1/2

T 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.70 0.90 1.00 3.00 5.00 7.00 10.00 15.00

a 0.040 0.110 0.210 0.210 0.210 0.210 0.210 0.210 0.210 0.210 0.210 0.194 0.171 0.163 0.094 0.073 0.061 0.051 0.042

F.I. C Ta Tb a0 1.50 0.14 0.20 0.60 0.04

r ½ 2/3

1 ½ 2/3

1 ½ 2/3

1 ½ 2/3

1 ½ 2/3

1

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Presentación del Modelo:

Fig. 1 Modelo de análisis del puente con pilas rectangulares huecas

Fig. 2 Modelo de análisis Vista 3D y Longitudinal

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Definición de los casos de carga. En el menú Define/Load Cases, se muestra un cuadro donde se define el nombre de la carga (Load Name), el Tipo (Type) el multiplicado de pesos propio (Self Weight Multiplier) y Cargas Laterales Automáticas (Auto Lateral Load); con el valor de 1 en la casilla de multiplicador de peso propio el programa tomara en cuenta para ese caso de carga el peso propio de la estructura, en la casilla de Cargas Laterales Automáticas se elige la función que se quiera evaluar, esta herramienta se utiliza para los efectos de sismo y oleaje sobre la estructura.

Fig. 3 Definición de casos de carga Una vez definidos los casos de carga se procede a calcular los pesos y las masas de la estructura: La Pila se diseñara para soportar una superestructura de 10 trabes de concreto presforzado tipo Nebraska "NU-200/20" de 40.50m de claro.

1) Carga muerta claro 1 Losa =

0.18

x

22.56

x

20.55

x

2.40

=

200.28

Ton

Trabes =

0.720

x

10.00

x

20.55

x

2.40

=

355.10

Ton

Carp. Asfaltica =

0.12

x

21.50

x

20.55

x

2.20

=

116.64

Ton

Par. y Banq. Ext. =

0.60

x

2.00

x

20.55

=

24.66

Ton

Diafragmas =

1.08

x

9.00

x

1.50

=

34.99

Ton

Rcm = 731.67

Ton

x

2.40

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 2) Carga muerta claro 2 Losa =

0.18

x

22.56

x

20.55

x

2.40

=

200.28

Ton

Trabes =

0.720

x

10.00

x

20.55

x

2.40

=

355.10

Ton

Carp. Asfaltica =

0.12

x

21.50

x

20.55

x

2.20

=

116.64

Ton

Par. y Banq. Ext. =

0.60

x

2.00

x

20.55

=

24.66

Ton

Diafragmas =

1.08

x

9.00

x

1.50

=

34.99

Ton

Rcm = 731.67

Ton

x

2.40

RcmTOTAL = 1463.34 ton

3) Carga viva + Impacto El cortante de carga viva deberá multiplicarse por los factores de reducción por No de carriles (AASHTO 3.12) e Impacto, Vcv=56.19 t/carril Considerando un camión T3-S2-R4 en cada uno de los 6 de carriles de circulación Rcv = 56.19 x

6

x 0.75 x 1.19 = 300.90 Ton

4) Peso propio de cabezal Area del Cabezal =20.43m2 Ancho del Cabezal = 1.80m Peso cabezal =

20.43 x 1.80 x 2.40 = 88.26 Ton

Así con estos datos podemos calcular las “w” (cargas uniformes) para las cargas de diseño:

W CMS = (116.64+24.66) / 20.55 = 0.60 t/m (CMS) W CV = 300.90 / 20.55 = 14.40 t/m (CV)

El peso de Trabes, Losa Diafragmas y Cabezal de pila, se toma en cuenta para ese caso de carga el peso propio de la estructura, con el valor de 1 en la casilla de multiplicador de peso propio.

Ahora con los valores de nuestro espectro sísmico de diseño, procedemos a definir nuestra función para nuestros casos de sismo longitudinal y sismo transversal. En el menú Define/Functions/Response Spectrum, (fig. 4), podemos definir en una casilla los periodos y en otra la aceleración correspondiente (fig. 5), y en una casilla superior el porcentaje de amortiguamiento.


Fig. 4 Definición de Especto sísmico de diseño (1/2)

Fig. 5 Definición de Especto sísmico de diseño (2/2)


Una vez definida nuestra función del espectro de diseño, procedemos a definir nuestros casos de análisis para el sismo longitudinal y sismo transversal, En el menú Define/Análisis Cases, Adicionamos un nuevo caso (Add New Case) y en la casilla de tipo de análisis del caso (Análisis Case Type), elegimos Respuesta Espectral (Response Spectrum), así se despliega otra ventana donde podemos elegir nuestra función y la dirección del análisis, Para sismo longitudinal elegimos U1 y para sismo transversal U2 (Ver Figs. 6 y 7),

Fig. 6 Definición de Casos de Análisis por Sismo (1/2)

Fig. 7 Definición de Casos de Análisis por Sismo (2/2)


Nuestro modelo esta casi listo, las masas para el sismo se toman directamente de los elementos modelados, los resultados del análisis se muestran en las figuras siguientes:

Fig. 8 Fuerzas Axiales en Pilas por PoPo+CMS y CV

Fig. 9 Momentos en Pilas por Sismo Longitudinal y Transversal


HOJA DE CÁLCULOS PROYECTO :

CALCULÓ : J.F.S.

CLASIFICACION :

REVISÓ : J.F.S.

PUENTES

APROBÓ :

ÁREA :

DESCRIPCIÓN :

REVISION DE PILAS PILA 3

REFERENCIA : HOJA DE

PILA

PCM

3

-2615

(ton)

MSL

CIVIL/ESTR. FECHA :

MST PCM = DESCARGA AXIAL POR CARGAS PERMANENTES MSL = MOMENTO DE SISMO LONGITUDINAL

(ton-m) (ton-m) 8398

7503

MST = MOMENTO DE SISMO TRANSVERSAL Q L=

QT=

3

2

CONSIDERANDO LOS FACTORES DE DUCTILDAD PILA 3

PCM (ton) -2615

MSL MST (ton-m) (ton-m) 2799.3 3751.5

COMBINACIONES DE CARGA PARA LA REVISION BIAXIAL DE PILAS P = 100%PCM MSL = 100%MSL ± 30%MST MST = 30%MSL ± 100%MST CASO 1 DE COMBINACIONES P= -2615 ton MSL = 2799.3 + MST = 839.8 + CASO 2 DE COMBINACIONES P= -2615 ton MSL = 2799.3 MST = 839.8 -

1125.5

=

3751.5

=

1125.5

=

3751.5

=

3924.783 ton-m 4591.3

ton-m

1673.883 ton-m -2912

ton-m

LOS DATOS PARA PCACOLUMN SERAN:

CONSIDERANDO EFECTOS DE ESBELTEZ

CASO 1 DE COMBINACIONES P= 25653 kN MSL = 38502 kN-m MST = 45041 kN-m

CASO 1 DE COMBINACIONES P= 25653.15 kN MSL = 42352.34 kN-m MST = 45040.653 kN-m

CASO 2 DE COMBINACIONES P= 25653 kN MSL = 16421 kN-m MST = -28564 kN-m

CASO 2 DE COMBINACIONES P= 25653.15 kN MSL = 18062.88 kN-m MST = -28563.777 kN-m

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. A continuación se muestra la sección de la pila y el refuerzo propuesto, que cumple con la cuantía mínima del 1.0% (AASHTO 7.6.2 División I-A)

Resultados del Análisis revisando la sección propuesta:

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. 3.3 CIMENTACION 3.2.1 DISEÑO DE ZAPATA Método general de diseño de cimentaciones: -

Calculo de solicitaciones en el arranque de la pila Definición de las dimensiones de la zapata utilizando el criterio de los esfuerzos de servicio resistidos por el terreno (esfuerzos permisibles) Una vez definidas las dimensiones de la zapata, y conocidos los esfuerzos máximos del terreno, se procede al diseño del cuerpo de la zapata El peralte de la zapata lo define resistencia al esfuerzo cortante ocasionado por los esfuerzos inducidos al terreno Con el peralte de la zapata establecido se procede al diseño por flexión de la misma, bajo la solicitación de los esfuerzos máximos del terreno.

El diseño de la zapata se hace utilizando el criterio de resistencias últimas (factores de carga), Se considera concreto con f’c=250 Kg/cm2 El factor de carga utilizado para la combinación de cargas permanentes + sismo es igual a 1.0 (AASHTO 7.2.1 División I-A) Para las combinaciones de carga con sismo los factores de modificación de respuesta se consideran iguales a 1.0 para todos los elementos mecánicos de la solicitación (momentos y fuerzas cortantes) en el arranque de la pila (AASTHO Tabla 3.7 División I-A) No se considera material de relleno sobre las zapatas.

Combinaciones de carga de diseño (esfuerzos permisibles) N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Grup. I I IV IV IV IV VII’ VII’ VII’ VII’ II’ II’

Tipo PoPo+CVmax PoPo-CVmin PoPo+CVmax+T PoPo+CVmin+T PoPo+CVmax-T PoPo+CVmin-T PoPo+Sismo Long. PoPo-Sismo Long. PoPo+Sismo Trans. PoPo-Sismo Long. PoPo+Viento PoPo-Viento

γ 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

PoPo 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

CV 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

T 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

β Sismo L 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Sismo T 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 0.0

Viento 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0

Para cada tipo de elemento mecánico (momentos, cortantes, etc.) los valores de diseño de cada combinación de carga se definen como:

Fcomb = γ comb ⋅ (β PoPo FPoPo + β CV FCV + β T FT + β Sismo FSismo + β Viento FViento )


Fig. 1 Presentación del Modelo – Puente Atirantado

Metodología para la verificación de esfuerzos en las zapatas 1) Primeramente se calcula la carga axial total al nivel de desplante de la zapata (Descarga de la pila debida a la combinación de carga correspondiente + Peso Propio de la zapata) 2) Posteriormente se calculan las excentricidades producidas por los momentos en las dos direcciones perpendiculares consideradas, Se calculan los esfuerzos medios, (AASHTO 4.4.7.1.1.1) 3) Se calcula la proporción del área total de la zapata que permanece cargada. Esta área no debe de ser menor al 50 % del total de la zapata (AASHTO 7.4.4(b) División I-A), para el caso de las solicitaciones sísmicas. Para el caso de las solicitaciones dinámicas debidas al viento se verifica esta misma regla. 4) Se calculan los esfuerzos máximos extremos correspondientes a cada combinación de carga.. Estos esfuerzos se evalúan mediante el empleo de la tabla de la figura 4.4.7.1.1.C del código AASHTO, 5) Finalmente se comparan los esfuerzos máximos con los esfuerzos permisibles reportados por el estudio de mecánica de suelos.

En la tabla siguiente se muestra la verificación de los esfuerzos transmitidos al terreno para las 12 condiciones de carga estudiadas:


Pila No.5 Verificación de esfuerzos en el terreno Características de la zapata

Lt= 30 Ll= 18 Area Zapata= 540 Wzapata = 4725

m m m**2 ton Esfuerzos Medios

No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Combinación PoPo+CVmax PoPo+CVmin PoPo+Cvmax+T PoPo+Cvmin+T PoPo+Cvmax-T PoPo+Cvmin-T PoPo+Sismo Long. PoPo-Sismo Long. PoPo+Sismo Trans. PoPo-Sismo Trans. PoPo+Viento PoPo-Viento

P M2 (t) (t*m) -24105 2924 -26162 -1626 -23969 2915 -26026 -1636 -24242 2933 -26299 -1617 -23963 5903 -24276 -5903 -24071 19672 -24168 -19672 -22475 70632 -26121 3681

M3 (t*m) 37265 30344 7695 774 66836 59914 48438 20692 38726 30404 34410 33718

Ptotal (t) 19380 21437 19244 21301 19517 21574 19238 19551 19346 19443 17750 21396

Lt (m) 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0

Ll (m) 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0

et (m) 0.15 0.08 0.15 0.08 0.15 0.07 0.31 0.30 1.02 1.01 3.98 0.17

el (m) 1.92 1.42 0.40 0.04 3.42 2.78 2.52 1.06 2.00 1.56 1.94 1.58

Lt' (m) 29.70 29.85 29.70 29.85 29.70 29.85 29.39 29.40 27.97 27.98 22.04 29.66

Ll' Atot Sigma (m) (m**2) (ton/m**2) 14.15 420.36 46.1 15.17 452.77 47.3 17.20 510.80 37.7 17.93 535.07 39.8 11.15 331.18 58.9 12.45 371.51 58.1 12.96 380.98 50.5 15.88 466.91 41.9 14.00 391.43 49.4 14.87 416.08 46.7 14.12 311.29 57.0 14.85 440.34 48.6

% Area 78 84 95 99 61 69 71 86 72 77 58 82

Esfuerzos Extremos No. 1 2 3 4 5 6 5 6 7 8 9 10

Combinación PoPo+CVmax PoPo+CVmin PoPo+Cvmax+T PoPo+Cvmin+T PoPo+Cvmax-T PoPo+Cvmin-T PoPo+Sismo Long. PoPo-Sismo Long. PoPo+Sismo Trans. PoPo-Sismo Trans. PoPo+Viento PoPo-Viento

et/Lt

el/Ll

0.005 0.003 0.005 0.003 0.005 0.002 0.010 0.010 0.034 0.034 0.133 0.006

0.107 0.079 0.022 0.002 0.190 0.154 0.140 0.059 0.111 0.087 0.108 0.088

K 1.67 1.49 1.16 1.03 2.17 1.94 1.90 1.41 1.87 1.72 2.44 1.56

Sigma (ton/m**2) 60.0 59.0 41.5 40.5 78.5 77.5 67.7 51.2 67.0 62.1 80.3 61.8

Con las dimensiones propuestas de la zapata se tiene que para todas las combinaciones de carga los esfuerzos inducidos al terreno (tanto los esfuerzos medios como los extremos) son siempre inferiores a los permisibles. El criterio del porcentaje mínimo del área cargada de la zapata se cumple para todas las condiciones de carga dinámicas (sismo y viento) Las dimensiones propuestas de la zapata (18 m en es sentido longitudinal y 30 m en el sentido transversal) se consideran adecuadas.

Dimensiones propuestas de las zapatas La figura siguiente muestra las dimensiones propuestas para la zapata. Se propone una zapata de 30x18.0 m con un peralte de 4.0 m.


Fig. 9 Dimensiones de la zapata Verificación por cortante La resistencia de la zapata debe de verificarse respecto a dos mecanismos de falla (AASHTO 8.15.5.6.1) posibles: a) Falla como viga; se revisa la resistencia de una sección ubicada a una distancia d del paño de la columna, b) Falla por penetración; se revisa la resistencia para evitar la penetración de una sección rectangular ubicada a una distancia d/2 del paño de la columna. Revisión del mecanismo de falla como viga: El esfuerzo medio máximo del terreno bajo la combinación de carga más crítica es:

Sigma = 58.9 t/m2 El volado máximo de la zapata es de:

Lvolado=(30-18)/2=6 m. El peso promedio del volado de la zapata es de:

Wzapata= 3.25x2.5=8.13 t/m2 El cortante de último de la zapata vale entonces:

Vu=1.3[(58.9-8.13)x(6.0-3.9)] = 106.6 t/m

Nota: Se aplica un factor de carga γ=1.3 puesto que el esfuerzo máximo del terreno proviene de la combinación de carga Peso Propio + CV + Temperatura (grupo IV de AASHTO)

La carga resistente de la zapata (por metro) esta definida por (AASHTO 8.16.6.2):

φVn = 2 f ' c ⋅ d (en unidades inglesas) Donde:

φ = 0.85 d = Peralte efectivo de la zapata.

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. La resistencia a cortante como viva vale por lo tanto:

φVn=0.85(83.9)x3.9= 278.1 ton > Vu Revisión del mecanismo de penetración El esfuerzo medio máximo del terreno bajo la combinación de carga más crítica es:

Sigma = 58.9 t/m2 El peralte efectivo de la zapata es:

d= 3.9 m. El peso promedio de zapata que opone al esfuerzo del terreno vale:

Wzapata=8.13 t/m2 Por lo que el esfuerzo restante, que debe de ser resistido por la zapata vale:

Sigma efectivo = 58.9-8.13 = 50.8 t/m2 El área de la zapata exterior al perímetro de falla es de:

Aexterior = 18.0x30.0-21.9x12.46= 267.2 m2 En consecuencia la carga última es:

Vu=1.30(50.8x267.2) = 17645 ton La carga resistente de la zapata (por metro) esta definida por (AASHTO 8.16.6.2):

φVn = 2 f ' c ⋅ d ⋅ ( L perimetro )

(en unidades inglesas)

Donde:

φ = 0.85 Lperimetro = Perímetro de falla. La resistencia por penetración de la zapata vale entonces:

φVn=0.85(83.9)x3.9x(21.9+12.46)x2= 19112 ton > Vu Por lo tanto, el peralte propuesto para la zapata es adecuado.

Diseño del refuerzo de flexión de la zapata. En la figura siguiente se muestran las secciones críticas para la definición del armado de las parrillas superior e inferior de la zapata.


Momento Positivo

Dirección paralela al eje del puente El momento positivo máximo vale:

Mu(+) = 1.3x(58.9-8.13)x62/2.=1188.0 t-m/m Con base en el Art. 8.16.3.2.1 de AASHTO-96 se tiene que el área de acero necesaria (por metro de ancho) para resistir ese momento es:

Asmin= 82 cm2/m

Dirección perpendicular al eje del puente El momento positivo máximo vale:

Mu(+) = 1.3x(58.9-8.13)x4.722/2.=735.2 t-m/m Con base en el Art. 8.16.3.2.1 de AASHTO-96 se tiene que el área de acero necesaria (por metro de ancho) para resistir ese momento es:

Asmin= 51 cm2/m

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Refuerzo mínimo Para toda sección sometida a solicitaciones de flexión la norma AASHTO-96 obliga a proveer un armado mínimo tal que el momento resistente de la sección sea por lo menos:

1.2Mcr (AASHTO 8.17.1.1) donde: Mcr es el momento de agrietamiento de la sección, definido a su vez como:

σ cr ⋅ h 2 ⋅ b M cr = 6 donde:

σ cr es el esfuerzo de agrietamiento del concreto h es el peralte de la sección. Por lo tanto:

1.2*Mcr =1.2x314.6x42x1.0/6=1006.7 t-m Con base en el Art. 8.16.3.2.1 de AASHTO-96 se tiene que el área de acero necesaria (por metro de ancho) para resistir ese momento es:

Asmin= 72 cm2/m Se usará el refuerzo mínimo para el refuerzo perpendicular al eje del puente.

Momento Negativo El momento negativo mínimo de la zapata, está definido por las combinaciones de carga que ocasionan un despegue parcial de la misma, y en consecuencia el volado de la zapata debe soportar su peso propio. El momento negativo mínimo vale:

Mu(-) = -1.3x8.13x62/2=-190.0 t-m Con base en el Art. 8.16.3.2.1 de AASHTO-96 se tiene que el área de acero necesaria (por metro de ancho) para resistir ese momento es:

Asmin= 14 cm2/m Este refuerzo es inferior el refuerzo mínimo, con base en el artículo 8.17.1.2 de AASHTO-96 se propone armar esta sección con un refuerzo 30 % superior al requerido:

Asmin= 1.3x14=18.2 cm2/m


ANEXO A. MODELO CON SÓLIDOS Y PRESFUERZO DE TRABE AASHTO TIPO IV VARIOS (Ver Archivo AASHTOIV_SOL.SDB)

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Con este ejemplo se pretende mostrar la utilización de varias herramientas del SAP2000, primero la división de elementos, segundo la extrusión de elementos y tercero la utilización de los tendones de presfuerzo; este ejemplo es el mismo del punto 3.1.2 con elementos volumicos y la utilización del presfuerzo (tendones), en este ejemplo se demostrará el estado de esfuerzos al que es sometida la trabe. Primeramente realizamos el mallado de la geometría de la trabe con elementos placa (shell), como se muestra en las figura 1,

Fig. 1 Geometría de trabe AASHTO Tipo IV Para que nuestro análisis sea mas fino, debemos dividir nuestros elementos, a elementos más pequeños, en el menú Edit/Mesh Areas se dan los parámetros numero de aberturas en cada sentido, división en intersección con nodos o líneas de la grid, ver figura 2,

Fig. 2 División de las áreas (shells)

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Ya que tenemos nuestro mallado mas fino procedemos a crear los sólidos de nuestra trabe con las herramientas de extrusión del SAP2000, en el menú Edit/Extrude existen varias opciones de extrusión, en nuestro ejemplo utilizaremos la de Extrude Areas to Solids, como se muestra en la figura 3, se muestra un cuadro donde se adicionan los parámetros correspondientes a la extrusión, en nuestro ejemplo para la L=28.0m crearemos solidos @ 0.2m.

Fig. 3 Parámetros de extrusión para sólidos a partir de áreas

Fig. 4 Trabe AASHTO Tipo IV con elementos volumicos (sólidos)

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Igualmente hacemos el mallado de la trabe cuando forma sección compuesta con la trabe, en esta se aplicaran la carga muerta de servicio y la carga viva, y se sigue el mismo procedimiento para la extrusión de elementos, ver figura 5,

Fig. 5 Geometría de trabe AASHTO Tipo IV con losa de concreto Una vez lista la geometría de nuestro modelo definimos las características de nuestro presfuerzo, en el menú Define/Tendon Sections, proponemos el nombre de la sección, después de pueden modelar los tendones como cargas o como elementos, después se especiita el material y por ultimo el diámetro del tendón ó el área del tendón, en nuestro caso le asignamos el área que corresponde a 38 cables de 13mm de diámetro.

Fig. 6 Datos para definir tendones de presfuerzo

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Para dibujar nuestro tendón, hacemos clic en el icono dibujar barra, así aparece un submenu donde seleccionamos de la casilla Line Object Type la opción de Tendon, dibujamos el tendon como cualquier barra seleccionando el nodo inicial y el nodo final, ver figura 7,

Fig. 7 Dibujando el tendón Terminando de dibujar el tendón aparecerá un cuadro que contiene los datos del tendón, geometría, cargas, incidencias, discretización, etc,; en la casilla Tendon Loads asignamos la fuerza que desarrollarán los tendones después de perdidas, es por eso que los parámetros para las perdidas en este caso tienen el valor de cero, ver figura 8,

Fig. 8 Carga del Tendón 418 ton, después de perdidas

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Para la localización precisa del tendón en el centro de gravedad del presfuerzo, en la casilla Move Tendon, podemos dar la distancia en las tres direcciones, ver figura 9, el centroide del presfuerzo para 3 camas de 12 torones y una de 2 es de 0.1053m, como el tendón lo dibujamos a una altura de 0.10m nos resta posicionarlo a 0.0053m.

Fig. 9 Localización del Presfuerzo en el centroide

Fig. 10 Vista General de la localización del presfuerzo en la trabe

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. Después de cargar los sólidos para las diferentes condiciones de carga que tenemos, de cargas permanentes (PoPo, Losa+Diafr y CMS) y carga viva (T3-S2-R4 (72.5ton) y la carga del presfuerzo, obtenemos las distribuciones de esfuerzos en la trabe, a continuación se presentan los esfuerzos en el centro del claro, siguiendo la misma analogía de la tabla de revisión de esfuerzos del ejemplo 3.1.2

Fig. 11 Distribución de esfuerzos por presfuerzo

Fig. 12 Distribución de esfuerzos por PoPo


Fig. 13 Distribución de esfuerzos por Losa+Diafragma

Fig. 14 Distribución de esfuerzos por la carga muerta de servicio (CMS)


Fig. 15 Distribución de esfuerzos por la carga viva (CV)

Como se puede observar los valores obtenidos de las graficas de esfuerzos sobre los bulbos superior e inferior, son iguales a las presentadas en la tabla de revisión de esfuerzos del ejemplo 3.1.2.


ANEXO B. MODELOS VARIOS

Manual de Diseño de Puentes por www.ssingenieria.com Todos los Derechos Reservados. El modelado de estructuras hoy en día, con la ayuda de programas de análisis como el SAP2000 es muy sencillo, es por eso que los modelos deben de hacerse lo mas pegado a la realidad, hasta en el ultimo detalle, ya los modelos invariablemente deben de hacerse en 3D para tener una mejor visión del comportamiento de las estructuras, claro esto no trata de demeritar a los modelos sencillos de barras, estos podrían servir para dar una idea general del comportamiento. A continuación se presentan ejemplos de modelos de puentes varios:

Fig. 1 Puente Atirantado


Fig. 2 Puente Apostillado

Fig. 3 Puente con Columnas Circulares Huecas


Fig. 4 Puente En Arco

Fig. 5a Puente de Flat Slab con Sólidos

Fig. 5b Puente de Flat Slab con Sólidos


Fig. 6 Puente Colgante

Fig. 7 Puente con Superestructura de Tridilosa ó Armaduras Espaciales


Fig. 8 Pilón de Anclajes de un Puente Atirantado con Sólidos

Manual Simplificado de Diseño de Puentes SAP2000

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