UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO: PUENTES Y OBRAS DE ARTE INTEGRANTES: 1. 2. 3.
RODOLFO QUISPE TICONA EDSON CHAYÑA
OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE Un puente debe proporcionar un servicio (que puede ser el tráfico de una carretera o vía férrea, un paso peatonal, servicios públicos, etc.) sobre un obstáculo (que puede ser otra carretera o línea férrea, un río, un valle, etc.) y transferir las cargas del servicio a los cimientos a nivel del suelo.
Las consideraciones funcionales que ejercen una mayor influencia en la elección conceptual son: Los requisitos de espacio libre (tanto vertical como horizontalmente) y la necesidad de evitar impactos. El tipo y magnitud de la carga que se va a soportar. La topografía y geología de la obra
OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE Requisitos de espacio libre Todos los puentes deben diseñarse para garantizar, en la medida de lo posible, que no reciban el impacto de los vehículos, buques o trenes que puedan pasar por debajo. Este requisito se cumple normalmente especificando unos espacios libres mínimos. Es necesario recordar que los valores diseñados deben tener en cuenta las flechas que se producen debido a cualquier carga que pueda ocurrir en la estructura del puente.
OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE • Las autoridades ferroviarias establecen normas estrictas para el espacio libre vertical y lateral sobre los ferrocarriles, normas que deben cumplirse. • Las autoridades de navegación especifican espacios libres sobre los ríos, para tener en cuenta no sólo la altura de los mástiles y la anchura de los barcos que pasan bajo el puente, sino también los requisitos particulares de las pilas en la vía fluvial (o en una planicie de inundación) para evitar una excesiva velocidad de caudal y la socavación de las orillas del río. • Al considerar el espacio libre vertical, un proyectista debe tener en cuenta los problemas de su consecución. La pendiente del acceso del puente de carretera normalmente no debe sobrepasar un 4% aproximadamente y un puente de ferrocarril mucho menos.
OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE Cargas • El tipo y la magnitud de la carga están relacionados de forma significativa con la forma de un puente. • Por razones obvias, un puente de autovía requiere un tablero sobre el que pueda circular el tráfico y (a menos que el tramo sea tan corto que una simple losa sea suficiente para extenderse entre los estribos) el tablero debe ser lo bastante fuerte como para distribuir la carga a las vigas principales. • Las cargas de las vías férreas son más deterministas, puesto que las cargas de los trenes más pesados se conocen razonablemente bien. No obstante, muchos reglamentos sobre cargas de vías férreas requieren un cálculo explícito del efecto del impacto. • Además, las fuerzas que surgen del frenado o la aceleración de los vehículos, los efectos centrífugos sobre los puentes curvos, los efectos de la temperatura y el viento deben tenerse en cuenta cuando sean relevantes.
OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE
La Topografía y Geología de la Obra Algunas veces, este aspecto determina por sí solo la forma estructural. La topografía general de la obra determinará probablemente el trazado de la carretera o vía férrea. Algunas veces la topografía por sí sola indicará una solución en particular; el caso clásico es un cañón profundo y de lados rocosos, que es perfectamente apropiado para un puente en arco fijo
ESTUDIOS BÁSICOS DE INGENIERÍA Conjunto de estudios para obtener los datos necesarios para la elaboración de los anteproyectos y proyectos del puente. Los estudios que pueden ser necesarios dependiendo de la magnitud y complejidad de la obra son: Estudios Topográficos Estudios Hidrológicos e Hidráulicos Estudios Geológicos y Geotécnicos Estudios de Riesgo Sísmico Estudio de Impacto Ambiental Estudios de Tráfico Estudios complementarios Estudios de trazos de vía
PUENTES RETICULADOS • Una estructura reticular o reticulada denominadas también vigas de celosía. (También conocida como estructura de barras) está formada por un conjunto de barras interconectadas y entrecruzadas unidas por medio de nudos articulados o rígidos formando triángulos. Los Puentes reticulados son aquellos que se componen de elementos conectados (generalmente rectos) que soportan esfuerzos de tracción, compresión o ambos para la acción de cargas dinámicas. Para propósitos de análisis, pueden considerarse uniones articuladas para trabajar con fuerzas axiales.
PUENTES RETICULADOS • El ahorro de material en comparación con una viga armada es evidente. En una viga de celosía, las almas son fundamentalmente "aire", por lo tanto, menos peso y menos presión del viento. • Una viga de celosía puede ensamblarse a partir de pequeñas piezas de fácil manejo y transporte y las uniones en la obra pueden atornillarse. Las vigas de celosía pueden presentar una ventaja particular en aquellas regiones donde el acceso a la obra es difícil o el suministro de mano de obra calificada es limitado. Las piezas en buen estado de un puente de celosía pueden reutilizarse fácilmente después de un accidente o de los efectos de una guerra.
Tipos principales de vigas de celosía
PARTES DE UN RETICULADO
Líneas claras: Tracción Líneas oscuras: Compresión (en condiciones estáticas)
Las luces que cubren los reticulados van de pequeñas a medianas, pudiendo cubrir luces mayores a 150 m.
Bajo ciertas combinaciones especiales (como en el caso del arco reticulado), las luces pueden ser mayores, sobrepasando los 300 m.
Procesos Constructivos El montaje de la armadura: con maquinaria especializada con la cual se va realizando la construcción del puente por tramos.
Prefabricado por partes
Las piezas prefabricadas se transportan al lugar y se conectan.
Sistemas de Lanzamiento de Puentes Reticulados La topografía de la quebrada y el estado hidrológico del río determina fundamentalmente el sistema de montaje mas apropiado. Entre los sistemas de lanzamiento realizados en el Perú se tiene los siguientes: Usando nariz de lanzamiento Por medio de apoyos intermedios Por medio de cables Lanzamiento y montaje utilizando falso puente colgante.
Lanzamiento con Apoyos Intermedios Consiste en hacer deslizar la estructura metálica completamente montada en un lado del estribo, sobre unos rodillos y auxiliándose con apoyos intermedios ubicados en el cauce.
Este sistema se usa cuando la topografía de la quebrada permite construir en el cauce apoyos temporales.
Asimismo, debe contarse con un área apropiada detrás del estribo a fin de efectuar el montaje de la estructura y el lanzamiento debe efectuarse preferentemente en épocas de estiaje.
DIFERENTES TIPOS DE VIGAS DE CELOSÍA Puentes de celosía para carreteras • Generalmente, se elige la configuración Warren, que se muestra en la figura 2. Cuando la longitud del espacio que se va a cruzar hace inevitable el uso de un puente de tramos múltiples, es más barato y factible elevar el trazado de la carretera y construir otro tipo de puente que requiera un mayor canto bajo el tablero. • Por esta razón, los puentes de celosía para carreteras generalmente tienen sólo un tramo (figura 3). Su aspecto se adapta muy bien desde el punto de vista estético para cruzar canales en paisajes llanos. • Los tramos están, por lo general, entre 60 y 120 m, que es el rango económico normal. El tramo más largo era el del antiguo puente • Francia (figura 2f). Sin embargo, Fowler y Baker introdujeron una importante innovación al adoptar secciones tubulares de acero como las principales piezas comprimidas del puente Forth, que es muy conocido en todo el mundo por su grandiosidad. Los modernos puentes de celosía también emplean perfiles tubulares para las piezas comprimidas. • El arquitecto húngaro Virgil Nagy construyó el muy estético puente de vigas de alma llena de celosía Ferenc Jozsef en Budapest sobre el Danubio en 1892. El puente está sustentado por vigas de celosía tipo Pratt de canto variable (figura 2e). El tramo central tiene una longitud de 175 m, con una parte central isostática de 47 m.
En la mayoría de los puentes, la viga Warren (con sus modificaciones) es quizás el tipo usado con más frecuencia debido a su sencillez. Los actuales costes de mano de obra imponen un mínimo de barras y uniones.
Puente de carretera de vigas de celosía
Elección de configuración de viga de celosía para puentes de ferrocarril • La configuración más económica de puente de celosía, especialmente para puentes de ferrocarriles, es la viga de celosía colgante, en la que la carga no permanente se produce al nivel del cordón superior. El cordón superior entonces ejerce la doble función de apoyo para la carga no permanente (ya que las traviesas se asientan directamente sobre el cordón) y de pieza comprimida principal. • Para tramos más cortos, las opciones son las configuraciones Warren y Pratt. En la viga Warren simple, las diagonales actúan alternativamente a compresión y tracción, mientras que en la viga Pratt, todas las diagonales están a tracción y los montantes adoptan la compresión.
PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO • Intervalo de tramos En tramos de 60 m a 120 m para carreteras y de 30 m a 150 m para ferrocarriles, los tramos simples pueden resultar rentables cuando existen condiciones favorables. Los tramos grandes que utilizan vigas de celosía en voladizo han alcanzado un tramo principal de 550 m. Las vigas de celosía tienen que competir con las vigas armadas en tramos más cortos, con las vigas en cajón en tramos medios y con los puentes atirantados en tramos más largos.
• Relación entre tramo y canto El valor óptimo de esta relación depende de la magnitud de la carga no permanente que debe soportarse. Debería ser de alrededor de 10, siendo mayor para el tráfico de carreteras que para el tráfico de ferrocarriles. Para una carga de dos raíles la relación puede descender hasta aproximadamente 7,5. Siempre se debería hacer una comprobación del canto económico de un puente determinado. • Geometría Para tramos cortos y medios, generalmente se considerará rentable utilizar cordones paralelos para no aumentar los costes de trabajo de taller y montaje. Sin embargo, para tramos continuos largos, a menudo se requiere una mayor altura en las pilas,
• Calidad del acero • Se debe utilizar acero de calidad Fe 510 para las barras principales, usándose calidad Fe 430 o 360 únicamente para las barras que soportan una carga insignificante, a menos que la viga de celosía tenga que fabricarse en un país donde no exista un suministro disponible de mejor calidad. Para una viga de celosía diseñada mediante el uso de acero de calidad Fe 510, la cantidad de acero de calidad Fe 430 o 360 usada sería normalmente de un 7% mayor aproximadamente. Para tramos muy largos, las calidades superiores serán rentables, p. ej., el acero calmado y templado o el acero procesado termomecánicamente, con un límite elástico de 500 - 600 MPa, siempre que no predomine la fatiga.
• Elementos de los cordones comprimidos Estas barras deben ser tan cortas como sea posible y se debe tener en cuenta un arriostramiento adicional si es rentable. Para vigas de celosía con tramos superiores a unos 100 m, los cordones generalmente serán elementos cerrados en cajón, permitiendo así obtener un buen rendimiento del material desde los puntos de vista económico y de conservación. Para tramos más cortos, se pueden usar ocasionalmente perfiles laminados o perfiles laminados huecos.
• Elementos de cordón a tracción Las barras traccionadas deben ser tan compactas como sea posible, pero los cantos tienen que ser lo bastante grandes como para proporcionar un espacio adecuado a los tornillos en las posiciones de las cartelas. La anchura fuera del plano de la viga de celosía debe ser la misma que la de los montantes y las diagonales, de forma que se puedan suministrar cartelas de recubrimiento simple sin necesidad de relleno. • Elementos verticales y diagonales Estas barras deben tener todas la misma anchura normal al plano de la viga de celosía, para permitir que se adapten al ras de, o se acanalen dentro, del cordón superior (donde se utiliza la sección en forma de omega) y que se adapten al ras del cordón inferior.
• Conservación • Al igual que en cualquier diseño estructural, los problemas que puede afrontar el equipo de mantenimiento deben valorarse completamente. Los problemas pueden ser numerosos, pero un buen diseño evitará la mayoría de las dificultades frecuentes.
• ARRIOSTRAMIENTO LATERAL A menos que se proporcione un tablero ortotrópico o de hormigón, el arriostramiento de los largueros, las jácenas de frenado y el arriostramiento lateral de los cordones son necesarios para transmitir las cargas no permanentes longitudinales y las cargas del viento y/o los terremotos a las estructuras de apoyo y también para impedir el pandeo de los cordones comprimidos. Cuando se utiliza un tablero macizo, se debe tener en cuenta la interacción entre el tablero y las vigas de celosía.
• Uniones de vigas de celosía En los nudos de una viga de celosía, donde las barras de alma están conectadas a los cordones, existe un cambio de carga en el cordón que requiere un cambio en el área de su sección-transversal. El nudo es, por consiguiente, el punto en el que existe una unión en el cordón, además de ser el punto de unión de las barras de alma. Las barras de alma están conectadas a los cordones por medio de chapas de unión verticales. Generalmente, se atornillan a las almas • Uniones de los travesaños Son bastante sencillas. Las 2 o 4 filas de tornillos en la placa del extremo de los travesaños se hacen de tal forma que se correspondan con las filas centrales equivalentes de tornillos de la cartela. Se requieren forros de chapas de relleno que tengan en cuenta la diferencia de canto de las cartelas y los travesaños
CARGAS • Definición y Clasificación de Las Cargas • Las cargas se definen como todas las fuerzas que actúan tanto sobre la superestructura como la infraestructura. Estas se subdividen en : a) Permanentes b) Variables c) Excepcionales a) Cargas Permanentes: Son aquellas que actúan durante la vida útil de la estructura, sin mayor variación. a.1) Peso propio: Se consideran como cargas de “peso propio” las cargas de todos los elementos propios del conjunto estructural portante. Ejemplos de pesos unitarios en la siguiente tabla.
TABLA DE PESOS UNITARIOS POR MATERIAL
Materiales Aluminio Hierro Asfalto Madera fuerte Acero Concreto Densidad Normal (f'c<35MPa) Concreto Densidad Normal (35
Kg/m3 2,800 7,200 2,250 960 7,850 2,320 2,240+2.29 f'c f'c en Mpa 1,925 1,600 1,000
a.2) Peso muerto: Se considera como “peso muerto” a todas las cargas que actúan en la estructura de manera permanente, pero no cumplen la función de elemento portante; por lo tanto, son las cargas de los elementos que ayudan en el cumplimiento de la función de la estructura en el servicio que presta. Algunos ejemplos: Peso del asfalto Peso de las barandas Peso de los postes Peso de las veredas Elementos Arquitectónicos Peso del balasto Peso de los durmientes Peso de los rieles a.3) Empuje de tierras: Para el caso de la infraestructura.
b) Cargas Variables : Son aquellas que tienen variación frecuente y significativa en relación a su valor medio. Aquí se incluyen las sobrecargas según el uso, así como los efectos dinámicos, frenado, fuerza centrífuga y otros. Además se incluyen en este grupo de cargas, las fuerzas aplicadas durante la construcción, las fuerzas de empuje de agua, sub-presión, así como sismo, viento y las ocasionadas por la variación de temperatura. c) Cargas Excepcionales.Son aquellas acciones cuya probabilidad de ocurrencia es muy baja, pero en determinadas condiciones deben ser consideradas por el proyectista, como por ejemplo las debidas a colisiones, explosiones o incendios, o cargas excepcionales.
Ejemplos de cargas Variables – Variación Térmica – Contracción y creep del concreto – Empuje de la corriente (en caso de ríos, o del mar) – Sub-presión (caso de estructuras sumergidas o semi-sumergidas) – Viento – Sismo – Impacto – Centrífuga (producidas por los vehículos en curva) – Frenado (producida por los vehículos) – Sobrecargas de diseño
Sobrecargas de diseño En función del servicio que presta, la estructura debería pesar lo menos posible y ser capaz de soportar más carga adicional, estas condiciones nos indican que tenemos un diseño adecuado, al contar con una estructura liviana capaz de resistir grandes cargas de La sobrecarga de diseño, para el caso de puentes en vías, está regida por reglamentos establecidos bajo estudios realizados a lo largo de muchos años, en los cuales los elementos de hipótesis de carga son camiones estándares y trenes de carga. En el caso de puentes carreteros, se tienen cargas puntuales que varían en su posición longitudinal y/o transversal, según sea el caso. En el Perú, recientemente contamos con un Manual de Diseño de Puentes, basado fundamentalmente en el Reglamento Americano AASHTO y servicio. su propuesta LRFD con la S/C HL-93.
Criterios de Diseño ASD ALLOWABLE STRESS DESIGN LRFD LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN En un estado simple ( ASD ) la seguridad en un diseño ingenieril es asumido por la sección transversal y los materiales que suministran en exceso la demanda por la aplicación de las cargas. Suministro = Demanda ó dicho de otra de otra forma Resistencia = Efectos de las cargas. (1)
REG. AMERICANO - ESPECIFICACIONES ESTANDAR AASHTO: S/C HS-20 Y S/C HS-25
Sección Transversal
DIMENSIONES DE LLANTAS:
Posteriores Delanteras - Ancho de Repartición de Llanta (A) 0.50 m 0.25 m - Longitud de Repartición de Llanta (B) 0.10 m 0.10 m (A) El ancho de repartición de llanta se considera en sentido transversal al del sentido del tráfico vehicular. (B) La longitud de repartición de llanta se considera en el sentido del tráfico vehicular.
REGLAMENTO ASSHTO (STANDARD) Impacto
I = 50/(L + 125) I = Fracción del impacto (30% como máximo) L = Longitud en pies de la porción de la luz que está cargada para producir el máximo esfuerzo en un miembro. La longitud deberá ser considerada como sigue, en los diferentes casos: – Para piso de caminos carreteros, usar la longitud de la luz de diseño. – Para miembros transversales, tales como vigas de piso, usar la longitud de la luz centro a centro de los soportes.
– Para calcular los momentos de la carga de camión usar la longitud de la luz, excepto para brazos en cantilever en donde deberá usarse la longitud desde el centro de momentos al eje más lejano del voladizo. – Para corte, debido a cargas de camión, usar la longitud de la porción de luz cargada desde el punto en consideración hasta la reacción más alejada, excepto para brazos en cantilever en donde deberá usarse una fracción del impacto de 30%. – Para luces continuas, usar la longitud de la luz en consideración para momento positivo, y usar un promedio de dos luces adyacentes cargadas para momento negativo. – Para alcantarillas con relleno de: 0´ a 1´- 0´ inclusive, I = 30% 1´-1”a 2´-0´ inclusive, I = 20% 2´- 1” a 2´- 11“ inclusive, I = 10 %
Fuerza de Frenado Igual al 5% de la carga viva en todas las líneas de tráfico en la misma dirección. El centro de gravedad de esta fuerza longitudinal será ubicado 1.83m. sobre el piso de la losa y transmitida a la subestructura a través de la superestructura. Fuerza Centrífuga Será determinada como un porcentaje de la carga viva de diseño sin impacto y en todas las líneas de tráfico.
C = ( 6.68 S ² / R) = 0.79 S ²/R Donde: S = velocidad de diseño en km/hora (millas/hora) R = radio de la curva en metros (pies) La fuerza centrífuga se aplica a 1.83m. Sobre la superficie de rodadura .
Presión de Agua en movimiento Para porciones de estructuras que están sujetas a la fuerza del agua, hielo y que deben ser diseñadas para resistir estas fuerzas. La presión de flujo de agua en pilares esta dado por: P= 52.5 K V Donde : P = presión de agua (Kg/m) V = velocidad del agua (m/seg) K = constante de forma que tiene los siguientes valores: 1 3/8 para extremos de pilares cuadrados 2/3 para extremos de pilares circulares 1/2 para extremos de pilares con ángulos
COMBINACIONES DE CARGA (AASTHO STANDARD)
TABLA DE COEFICIENTE
Consideraciones para diseño en Cargas de Servicio
• Los Esfuerzos Permisibles podrán incrementarse en porcentajes indicados en la columna 14 (ver tabla). • No se permite el incremento de Esfuerzos Unitarios para miembros o conexiones cargados solamente con cargas de viento. βE= 1.00 Para todas las cargas verticales y laterales.
Para Diseño en Factores de Carga βE = 1.3 Para presión de tierra horizontal en muros y 0.5 para el chequeo de momentos positivos en pórticos rígidos
βE = 1.0 Para presión vertical de tierra.
Para Diseño en Factores de Carga
Diseño de Cargas y Resistencia Factoradas Load and Resistance Factor Design (LRFD) De la ecuación (1) se tiene que cuando las condiciones de carga alcanzan su límite se presenta la falla. Esto es una condición referida como un estado límite y se define así: Un estado límite es una condición en la que mas allá de la cual un componente estructural, tal como una fundación u otro elemento del puente deja de cumplir la función para la cual fue diseñado. El estado límite de esfuerzos involucra el total o parcial colapso de la estructura. El LRFD fue introducido por el ACI en el código de 1956, pero inicialmente no incluyo ningún factor en la resistencia y solo se factoraron las cargas y el código fue conocido como diseño de cargas factoradas (LFD).
COMBINACIONES DE CARGA (AASTHO LRFD)
nombre ASTORIA BRIDGE, COLUMBIA RIVER BRIDGE, ASTORIA-MEGLER BRIDGE • fecha de construcción 1966 (SIGLO XX) • personas involucradas en diseño y construcción WILLIAM A. BUGEE • ubicación RÍO COLUMBIA, ASTORIA, OREGON; MEGLER, WASHINGTON, EEUU • tipología PUENTE VIGA, PUENTE DE CELOSÍA • estado EN USO
nombre BIETSCHTALVIADUKT • fecha de construcción 1913 (SIGLO XX) • ubicación RÍO BIETSCH, LÖTSCHBERG-SÜDRAMPEAL, RAROÑA, SUIZA • tipología PUENTE VIGA, PUENTE DE CELOSÍA, PUENTE PÓRTICO • estado EN USO
El Puente Hawthorne es un puente de armadura de elevación vertical que atraviesa el río Willamette en Portland, Oregón, y une el bulevar Hawthorne y la calle Madison de esa ciudad. Es el puente más antiguo de elevación vertical en funcionamiento en los Estados Unidos
Puente Commodore Barry. Nueva Jersey, Estados Unidos.
Puente Stoney Creek. Beaver Valley, Canadá. Reticulado en arco
Forth Bridge - Escocia
Puente Sidney - Australia
Puente De Dinosaur - Amsterdam
Puente I-95, Philadelphia, Pennsylvania
Puente Pacífico Meridional Del Ferrocarril Tempe - Arizona (1912)
Puente Reque Chiclayo
Puente Huaytara Ica
Shacsha - Huaraz
Villa Rica
