ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES PROGRAMA PROGR AMA DE INGEN INGENIERÍ IERÍA A CIVIL PUEN PU ENTE TESS II - 20 2016 16
CORTE :
PRIMER CORTE
CONTENIDO TEMÁTICO :
UNIDAD 1: INFRAESTRUC INFRAESTRUCTURA TURA (Parte (Parte 1)
SUBTEMAS :
Diseño de Pilas Requisitos de pilares tipo columna y tipo muro
OBJETIVO GENERAL :
Diseñar elementos pilas Identificar los diferentes requerimientos de cargas, diseño y métodos
OBJETIVOS ESPECIFICOS :
constructivos de los elementos pila, que componen la infraestructura de un puente, de tal manera que pueda determinar la mejor opción en un proyecto vial.
ATRAER LA ATENCIÓN
MOTIVACIÓN
Los puentes se consideran como una de las
El diseño de puentes es una de las actividades de
mayores representaciones de progreso y avance
la ingeniería estructural que abarca una gran
de infraestructura en la sociedad actual, razón por
cantidad de conocimientos de la Ingeniería Civil y
la cual el diseño de puentes hace parte
que trabaja interdisciplinariamente en todas las
fundamental de la la formación del ingeniero civil.
ramas de especialización de esta.
El diseño de puentes culmina la línea de
Esto se hace evidente ya que los componentes de
aprendizaje de las estructuras mediante la
construcción, geotecnia, hidráulica e hidrología
aplicación de todos los conceptos previamente
son fundamentales para complementar y definir
adquiridos en ella.
el diseño estructural de un puente, haciendo de la actividad de diseño una de las más completas de la profesión.
ENLACE: Para el adecuado desarrollo del curso, curso, el estudiante deberá haber cursado cursado y aprobado las asignaturas de la línea de estructura donde desarrollo los conocimientos de análisis estructural y diseño de elementos de concreto reforzado, así como la asignatura Puentes I , donde aprendió a identificar los diferentes tipos de puentes, a determinar cargas sobre la superestructura del mismo y el diseño estructural del sistema de superestructura usado.
Ing. Ana Milena Olarte A.
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DESARROLLO DEL TEMA El diseño de un puente se compone de dos unidades principales, el diseño de superestructura y el diseño de la infraestructura o subestructura, la primera se encuentra compuesta por la losa, la viga, la capa de rodadura y obras complementarias como barandas, sardineles entre otros; la infraestructura se compone de los apoyos, estribos (bastiones), las pilas y la cimentación; la siguiente imagen ilustra estas diferentes partes de un puente.
slideplayer.es Como consideraciones iniciales se debe realizar un análisis de cargas, y el diseño de la superestructura. Una vez determinadas las cargas y requerimientos estructurales de la superestructura de un puente, es necesario evaluar la manera en que dichas cargas se transmitirán al terreno. En puentes simples de una sola luz esta transferencia de carga será responsabilidad de los estribos del puente, sin embargo cuando la longitud del puente requiere que este se divida en dos o más luces se hace necesario el uso de elementos pilas, que se encargaran de dar soporte al puente en los tramos intermedios. Las pilas se definen en diferentes formas o tipos y su elección dependerá de las condiciones del lugar, el cual a su vez determinará el diseño de la misma. En la selección del tipo a usar influyen algunos factores como los siguientes: Ing. Ana Milena Olarte A.
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Espacios requeridos: cuando se tienen apoyos intermedios de un puente se debe tener en consideración de que clase de cruce se trata, es decir si estamos salvando un obstáculo de un cauce de rio se deberá tener en cuenta la navegabilidad de mismo la velocidad del cauce entre otros, si se trata de un tramo de vía de trafico mixto, se deberán respetar las alturas mínimas para el paso de vehículos de gran tamaño, así como el diseño geométrico de la vía, en cruces férreos se debe tener en cuenta el espacio requerido para el paso del tren e incluso imprevistos como un choque o descarrilamiento del mismo.
•
Topografía del lugar: las variaciones del terreno son determinantes en la escogencia del tipo de pila para un proyecto, ya que las condiciones que tengamos de apoyo determinaran la localización de nuestros apoyos intermedios con lo cual variarán las condiciones de carga que estos tengan y los elementos a los que estén expuestos.
•
Riesgo sísmico: Las cargas sísmicas son determinantes en el diseño de una pila de un puente, ya que estas se comportan como una columna en un edificio, estando sometidas no solo a cargas axiales por el peso transmitido de la superestructura, si no que adicionalmente tendrá unos momentos importantes debido a desplazamientos horizontales causados por efectos sísmicos. Por tal razón es importante determinar que conformación de pila se encuentra en mejores condiciones de soportar dichas solicitaciones.
Dentro de algunos tipos de pilas encontramos pilas solidas (a), de marco o aporticadas (b), columnas con diafragma (c) y columnas en voladizo (d). www.ingenierocivilinfo.com
Ing. Ana Milena Olarte A.
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ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL PUENTES II - 2016 Estos tipos de pilas son las mas utilizadas en la actualidad, aun así surgen algunas variaciones de estas en función de necesidades particulares del proyecto. Una vez determinado el tipo de pila a utilizar será necesario dimensionarla, para lo cual es preciso tener en cuenta factores como la clase de superestructura que soportara, el tipo y magnitud de cargas a las que se someterá, la clase de suelo y el tipo de cruce que este salvando. Una vez escogido y predimensionado el tipo de pila a usar, se deberán tener en cuenta las cargas a las que esta se verá sometida, debido a diferentes factores, estas son: •
Cargas verticales debidas al peso de la super estructura y la carga transmitida por ella.
•
El peso propio del elemento.
•
Cargas de viento aplicadas directamente al cuerpo de la pila.
•
Cargas ejercidas por el empuje del agua en caso de tratarse de cruce de cauces, o cuando la pila se encuentra enterrada y existe un nivel freático generando este empuje.
•
Cargas laterales debido al frenado de los vehículos que cruzan por el puente, las cuales se transmiten por los apoyos a la pila.
•
Fuerzas centrifugas cuando los puentes tiene alguna curva.
•
Cargas y fuerzas sísmicas.
•
Cargas por temperaturas.
Estas cargas se deberán aplicar a la pila en función del tipo de pila usada, ya que estas tienen un comportamiento estructural diferente: •
Pilas solidas o de muro, estas se componen de un eje débil y un eje fuerte los cuales determinaran la clase de diseño que aplicaremos a cada uno de estos, las pilas tendrán un comportamiento de muro cuando las cargas son aplicadas sobre su eje fuerte y de columnas cuando estas se aplican sobre el eje débil de la misma. Estos elementos adicionalmente se deben considerar libres en la base, ya que muchos de estos funcionan por gravedad es decir por el gran peso propio que poseen al ser estructuras masivas de concreto.
•
Pilas aporticadas, se deben diseñar tal como su nombre lo indica, bajo la suposición que funcionan como un pórtico armado y empotrado en la base, teniendo en cuenta el elemento de unión o viga que transmite las cargas desde la superestructura.
•
Las pilas conformadas por columnas con diafragma constituyen básicamente un pórtico al igual que la anterior, con la diferencia que este se encuentra arriostrado debido al efecto del diafragma entre las dos columnas, se puede decir que tienen un funcionamiento similar al de una pantalla en un edificio, la cual posee elementos de borde.
•
Las pilas columnas en voladizo, se comportan según su nombre lo dice como columnas libres en el extremo en contacto con la superestructura y empotradas en la base, por efecto de la cimentación.
Ing. Ana Milena Olarte A.
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Diseño de pilas. Todos los componentes de un puente incluidos las pilas deben diseñarse para satisfacer la siguiente ecuación, en cada uno de sus estados límites de servicio.
∑
≤
=
Ecuación 1
Para cargas de menor influencia
=
≤ 1.0.
Para cargas de mayor influencia en el diseño
=
≥ 0.95
Donde: = Factor de carga aplicado a las solicitaciones. = Factor de resistencia. = Factor de modificación de cargas, que relaciona la ductilidad, redundancia de la estructura e importancia operativa. = Factor de modificación debido a la ductilidad. = Factor de modificación relacionado con la redundancia. = Factor de modificación por importancia. = Solicitación. = Resistencia Nominal. = Resistencia Mayorada.
Los diferentes estados de servicio para los cuales se debe satisfacer la Ecuación 1 son:
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Estado límite de servicio: El cual regula las condiciones normales de servicio.
•
Estado límite de fatiga y fractura: Este estado restringe el rango de tensiones ocurridas por el paso de un camión de diseño un determinado número de ciclos. Este estado límite se relaciona con la tenacidad de los materiales.
•
Estado límite de resistencia. Este límite garantiza resistencia y estabilidad global y localmente de todos los componentes, de tal manera que se garantiza que pueden resistir las combinaciones de carga significativas que se espera que sucedan durante su ciclo de vida.
•
Estado límite de eventos extremos. Este garantiza la supervivencia estructural de un puente durante un evento extremo como un sismo, inundación, choque de vehículo o de tren, choque con alguna embarcación, entre otros.
Los valores de los coeficientes a usar en la Ecuación 1 están dados por los numerales 1.3.3, 1.3.4 y 1.3.5 del Código Colombiano de Diseño de Puentes 2014 (CCP-14) de la siguiente manera. •
Ductilidad
Para el estado límite de resistencia
≥ 1.05 Para componentes y conexiones no dúctiles
= 1.00 para diseños convencionales
≥ 0.95 Para componentes y conexiones para las cuales se especificaron medidas adicionales de ductilidad.
Para todos los otros estados limites
= 1.00
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Redundancia
Para el estado límite de resistencia
≥ 1.05 Para componentes no redundantes.
= 1.00 para niveles convencionales de redundancia.
= 0.95 Para niveles excepcionales de redundancia, más allá de vigas continuas y una sección transversal protegida contra la torsión.
Para todos los otros estados limites •
= 1.00
Importancia operacional
Para el estado límite de resistencia
≥ 1.05 Para puentes críticos o esenciales.
= 1.00 para puentes típicos.
= 0.95 Para puentes de baja o poca importancia.
Para todos los otros estados limites
= 1.00
Bibliografía. INVIAS, 2014, Norma Colombiana de Diseño de Puentes - LRFD – CCP14 TRUJILLO, J.E. 2009. Diseño de Puentes. Universidad Industrial de Santander HERRERA, G.H. , Puentes, Universidad Católica de Colombia
Ing. Ana Milena Olarte A.
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