Libro-Texto-Puentes 3, Notas de estudo de Engenharia Civil

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serie normativas

Manual de aplicación

de las Recomendaciones

RPM - RPX / 95

SECRETARIA DE INFRAESTRUCTVRAS DE ESTAW

DlRECClONGENERALDE CARRETERAS

MINISTERIO DE FOMENTO

M A N U A L R P M - R P X l 9 5 3

O. PREÁMBULO AL MANUAL 0.1 INTRODUCCI~N .......................................................................................

IDEAS DIRECTRICES DE LAS RECOMENDACIONES....................................... CONTENIDO Y ORGANIZACIÓN DEL MANUAL .............................................

i. INTRODUCCI~N

1.1 CAMPO DE APLICACIÓN DE LAS RECOMENDACIONES................................. 1.2 CONDICIONES GENERALES........................................................................ 1.3 UNIDADES ...............................................................................................

2. BASES DE PROYECTO

2.1 REQUISITOS FUNDAMENTALES ................................................................. 2.2 CRITERIO DE CUMPLIMIENTO ....................................................................

2.3 SITUACIONES DE CÁLCULO ......................................................................

2.4 ESTADOS LíMlTE ...................................................................................... 2.5 PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO ................................................................ 2.6 ACCIONES ...............................................................................................

2.7 CRITERIOS DE SEGURIDAD ........................................................................

2.8 CRITERIOS DE DURABILIDAD 2.8.1 GENERALIDADES .............................................................................

2.8.2 SOBREESPESORES EN SUPERFICIES INACCESIBLES .................................

2.8.3 ACEROS CON RESISTENCIA MEJORADA A LA CORROSIÓN .......................

2.9 DOCUMENTOS DEL PROYECTO 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9.

GENERALIDADES .............................................................................

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ....................................................... ANEJO DE CÁLCULO ........................................................................ CALCULOS DE ORDENADOR .............................................................. PROTECCI~NY CONSERVACI~N......................................................... PLIEGO DE PRESCRIPCIONESTÉCNICAS PARTICULARES ...........................

VERIFICACIÓN DE LA CALIDAD DEL PROYECTO......................................

PUENTES SINGULARES O DE LUCES SUPERIORES A 100 M ......................

2.10 CRITERIOS CONSTRUCTIVOS DE PUENTES MIXTOS ARMADOS ....................

3. MATERIALES

3.1 GENERALIDADES...................................................................................... 3.2 ACERO ESTRUCTURAL.............................................................................. 3.2.1 VALORES NOMINALES ...................................................................... 3.2.2 CONDICIONES DE DUCTILIDAD ........................................................... 3.2.3 TENACIDAD DE FRACTURA ...............................................................

3.2.4 CARACTERíSTICAS COMUNES A TODOS LOS ACEROS ESTRUCTURALES .....

3.3 ACEROS PARA ARMAR Y PRETENSAR ........................................................ 3.4 ACEROS FORJADOS Y COLADOS PARA PIEZAS ESPECIALES ........................ 3.5 CABLES PARA TIRANTES .......................................................................... 3.6 H O R M I G ~ N..............................................................................................

11 12 14

19 19 20

25 26 26 28 30 31 34

36 41 43

47 50 50 51 51 51 52 53

54

59 59 59 62 62 71

72 72 72 72

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3.7 ELEMENTOS DE UNIÓN 3.7.1 TORNILLOS. TUERCAS Y ARANDELAS ................................................. 3.7.2 ELECTRODOS PARA SOLDADURAS ......................................................

73 73

3.8 PERNOS CONECTADORES ......................................................................... 3.9 ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES ...................................................

73 75

4. ANÁLISISESTRUCTURAL

4.1 GENERALIDADES ......................................................................................

4.2 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO

81

4.2.1 MÉTODOS DE CÁLCULO ................................................................... 4.2.2 (^) EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS DE SEGUNDO ORDEN ..............................

83 87

4.3 IMPERFECCIONES GEOMÉTRICAS EQUIVALENTES ....................................... 4.4 CARACTERíSTlCAS MECÁNICAS DE UNA SECCIÓN

90

4.4. 4.4.

ANCHURA EFICAZ DE LAS ALAS DE UNA SECCIÓN ................................. HOMOGENEIZACIÓN DE SECCIONES MIXTAS......................................... 4.4.3 FISURACIÓN DEL HORMIGÓN .............................................................

100 108 112

4.5 ANÁLISIS DIFERIDO .................................................................................. 118

5. COMPROBACIONES RELATIVAS A LOS ESTADOS LíMlTE DE SERVICIO

5.1 GENERALIDADES ...................................................................................... 5.2 ESTADO LíMlTE DE DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA ......................... 5.3 ESTADO LíMITE DE DEFORMACIONES DEL ALMA ........................................ 5.4 ESTADO LíMlTE DE VIBRACIONES .............................................................. 5.5 ESTADO LíMITE DE PLASTIFICACIONES LOCALES ....................................... 5.6 ESTADO LíMITE DE FISURACIÓN ................................................................

127 127 132 141 149 153

6. COMPROBACIONES RELATIVAS A LOS ESTADOS LíMITE ÚLTIMOS

6.1 GENERALIDADES ......................................................................................

6.3 ESTADO LiMlTE DE ROTURA

ESTADO LíMITE DE EQUILIBRIO .................................................................

167 167

6.3.1 GENERALIDADES .......................................................................... 6.3.2 SECCIONES REDUCIDAS DE CALCULO ...............................................

170 171 6.3.2. 6.3.2.

Alas unidas a la losa de hormigón ...................................... Perfiles rellenos y embebidos con conexión por adherencia .........................................................................

189

191

6.3.3 CAPACIDAD RESISTENTE DE LA SECCIÓN 6.3.3.1 Momento flector Último ....................................................... 6.3.3.2 Esfuerzo cortante último ...................................................... 6.3.3.3 Esfuerzo de compresión último

193 213

6.3.3.3. 6.3.3.3.

En secciones y elementos metálicos ...................... En seccimes y elementos mixtos ..........................

228 233

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6.7. SOPORTES COMPUESTOS 6.7.1 INTRODUCCI~N.............................................................................. 6.7.2 MÉTODO DE CALCULO .....................................................................

6.8 VIGAS TRIANGULADAS .............................................................................

7. DIMENSIONAMIENTO DE LA CONEXIÓN ACERO-HORMIGÓN 7.1 INTRODUCCI~N .......................................................................................

7.2 EXIGENCIAS CONSTRUCTIVAS PARA PERNOS CONECTADORES...................

7.3 RESISTENCIA ÚLTIMA DE UN PERNO CONECTADOR .................................... 7.4 OTROS TIPOS DE CONECTADORES ............................................................

7.5 DIMENSIONAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE CONECTADORES ..........................

7.6 ARMADURAS TRANSVERSALES.................................................................

8. UNIONES 8.1 INTRODUCCI~N....................................................................................... 8.2 UNIONES ATORNILLADAS 8.2. 8.2.

EXIGENCIAS GEOMÉTRICAS Y CONSTRUCTIVAS .................................... UNIONES CON TORNILLOS NO PRETENSAOOS 8.2.2.1 Esfuerzos perpendiculares al vástago del tornillo .................. 8.2.2.2 Esfuerzo que solicitan en tracción a los tornillos .................. 8.2.2.3 Esfuerzos combinados .........................................................

8.2.3 UNIONES CON TORNILLOS PRETENSADOS ............................................

8.3 UNIONES SOLDADAS

8.3.1 INTRODUCCI~N..............................................................................

8.3. 8.3.

TIPOS DE UNIONES SOLDADAS .......................................................... CÁLCULODE LAS UNIONES SOLDADAS ............................................... 8.3.4 VERIFICACI~N DE SOLDADURAS SOLICITADAS POR ESFUERZOS COMBINADOS ................................................................................

9. FATIGA 9.1 INTRODUCCI~N ....................................................................................... 9. 9.

CRITERIOS PARA LA VERIFICACIÓN DEL E.L.U. DE FATIGA .......................... VERIFICACIÓN DEL E.L.U. DE FATIGA .........................................................

364 364 372

379 380 382 385 385 397

405

406

407 411 412 413

417 418 419

422

427 430 433

ANEJO No 1. EJEMPLOS DE APLICACIÓN PRÁCTICA

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O. PREÁMBULO AL MANUAL

M A N U A L R P M - R P X / 9 5 1 1

O. PREÁMBULO AL MANUAL

0.1 INTRODUCCI~N

A principios de los años 70 comenzó a extenderse por España el uso de las estructuras mixtas de puentes, y desde entonces se ha construido un gran número de ellos con tipologías muy variadas, siendo habitual, por ejemplo, la utilización de secciones en cajón y el recurso de la doble acción mixta.

La ausencia de normativa española específica no ha impedido el desarrollo de la técnica, pero la importancia y notoriedad de las obras construidas a finales de los

80 y comienzos de los 9 0 y el retraso en las expectativas de disponer de los

Eurocódigos estructurales, pusieron de manifiesto la necesidad de colmar el vacío existente.

Por ello, la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento, que es desde donde se ha promovido el proyecto y la construcción de la mayor parte de puentes mixtos, decidió redactar las Recomendaciones para el Proyecto de Puentes Metálicos (RPM-95) y de Puentes Mixtos (RPX-951, a las que hace referencia este texto.

Los objetivos perseguidos eran:

a) Disponer de unas Recomendaciones que fuesen de obligada consideración para los proyectos promovidos por la Dirección General de Carreteras, aunque no de obligado cumplimiento.

b) Promover la calidad de los proyectos^ y^ obras de puentes mixtos.

c) Difundir conocimientos actualizados entre el amplio colectivo de profesionales que se relacionan con los puentes.

La redacción del documento se encargó a u n equipo de ingenieros que elaboró diferentes borradores, los cuales fueron intensamente debatidos por un amplio colectivo de ingenieros de la administración, universidades, consultorías, empresas constructoras, siderúrgicas y organismos de control. El proceso de elaboración y debate de los diferentes borradores comenzó en 1990' y, con intensidad variable, se extendió hasta 1995, en que fueron finalmente editadas por el Ministerio de Fomento.

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0.2 IDEAS DIRECTRICES DE LAS RECOMENDACIONES

Es conveniente, en el preámbulo de este Manual, sintetizar las ideas en las que están cimentados los textos de las Recomendaciones RPM-95 y RPX-95, y destacar aquellos aspectos más novedosos para facilitar su comprensión y correcta aplicación. Son los siguientes:

1") Las bases de cálculo^ son^ análogas a las establecidas en los Eurocódigos estructurales. Los criterios de verificación se basan en el método de los estados límite y los diferentes coeficientes que intervienen coinciden con los definidos en los Eurocódigos.

2") La filosofía de^ los^ estados límite hay que establecerla con toda claridad en los códigos estructurales y mantenerla claramente explícita en todo su desarrollo. Los controles en E.L.S. y en E.L.U. persiguen objetivos diferentes y complementarios.

3") No^ se puede conocer el estado tensional de una estructura. Recordar, por

ejemplo, la importancia de las tensiones residuales en las metálicas, evita la necesidad d e más comentarios. La determinación de estados tensionales provocados por las cargas de cálculo no es un fin en sí mismo, sino un medio para alcanzar unos objetivos determinados.

4") Aceptar comportamientos puramente elásticos de nuestras estructuras es, implícitamente, aceptar que el acero con el que construimos nuestros puentes se comporta como el vidrio, y admitir, por ello, estructuras potencialmente frágiles en las que no se ha planteado ninguna exigencia d e ductilidad. La ductilidad es una cualidad esencial en nuestros materiales y en nuestras estructuras, que permite la imprecisión en la

evaluación de los efectos de algunas acciones (retracción, fluencia,

temperatura, asientos diferenciales del terreno) o incluso la no consideración d e algunos de ellos.

5") El concepto de clases de sección, tal como está concebido en los Eurocódigos, no es muy afortunado por ocultar el concepto esencial de ductilidad. E n la figura 0.1, se representa la capacidad rotacional x de una viga flectada, a medida que aumenta la esbeltez del alma. El cambio brusco en la capacidad rotacional, en la frontera entre las clases 1 y 2, implica la aceptación de la fragilidad de la estructura. Nos interesa conocer no solamente la capacidad resistente de una sección sino, además, su capacidad rotacional, que no se puede abordar con un análisis

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investigación, enseñanza y práctica profesional. La investigación debe estar orientada a precisar y calibrar los valores y las expresiones de los códigos. Si los códigos van a ser libros de uso cotidiano de los profesionales, también deben ser la base de la enseñanza en las Escuelas y Universidades, explicando la razón de ser de las especificaciones, sus limitaciones y la forma de aplicarlos.

0.3 CONTENIDO Y ORGANIZACIÓN DEL MANUAL

Este Manual tiene por finalidad facilitar la utilización de las Recomendaciones en la práctica profesional. Para ello, el Manual incluye, por una parte, comentarios al articulado de las Recomendaciones, con los que se pretende informar sobre las bases teóricas y prácticas que justifican el mismo: por otra, incluye en ocasiones

tablas o expone métodos coherentes con el articulado, que pueden facilitar los

cálculos. También se incluyen ejemplos de cálculo de algunos aspectos característicos del proyecto de un puente, entresacados de lo que podría ser un puente real. A lo largo del desarrollo de los cálculos de los ejemplos se incorporan, también, comentarios que refuerzan o completan los incluidos en el texto del Manual y que pueden contribuir a la comprensión del concepto que se está analizando o a la forma de llevar a cabo la verificación numérica correspondiente.

A lo largo del texto del Manual, se apuntan también aspectos que no están suficientemente resueltos, y que deben ser objeto en el futuro de mayor precisión o que requerirán nuevos enfoques, en base a los trabajos y estudios teóricos y experimentales que se están abordando en la comunidad nacional e internacional interesada en estas cuestiones.

En general, el Manual se desarrolla siguiendo el mismo formato de las Recomendaciones y la numeración de los comentarios se corresponde, en la mayoría de los casos, con la del articulado. Sin embargo, se han obviado comentarios en artículos suficientemente claros o en los que no se iba a aportar nada sustantivo. Por otra parte, muchos aspectos coinciden en las

Recomendaciones RPM-95 y en las RPX-95 y los comentarios que figuran en el

Manual son, por tanto, aplicables a los puentes metálicos y a los mixtos. En éstos Últimos, en la parte correspondiente de hormigón estructural, se hace lógicamente referencia a la Instrucción española en vigor. Hay apartados y artículos que son, sin embargo, exclusivos de los puentes metálicos (losas ortótropas, por ejemplo), y otros de los puentes mixtos (pernos de conexión, por ejemplo). Los comentarios y ejemplos de aplicación son entonces específicos para cada tipo de puente, aunque vayan incluidos en capítulos comunes a ambos.

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I INTRODUCCI~N

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1.1 CAMPO DE APLICACIÓN DE LAS RECOMENDACIONES

Estas Recomendaciones han sido promovidas por la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento, por lo que están orientadas al proyecto de puentes de carretera, así como de pasarelas peatonales.

No son específicamente aplicables a puentes de ferrocarril construidos con estructura metálica o mixta, aunque lógicamente la mayor parte de los conceptos y formulaciones de seguridad son válidos cualquiera que sea el tipo de estructura. Sin embargo, hay otras que sí están relacionadas con el tipo de puente, como son, por ejemplo, las limitaciones en flechas, los criterios para evaluar el comportamiento dinámico del puente o las cargas a considerar para la evaluación del estado límite de fatiga.

Por otra parte, ningún documento de esta naturaleza puede abarcar todas las tipologías de puentes. Por ello, el ingeniero usuario de las Recomendaciones debe identificar aquellos aspectos en la verificación de un puente determinado que no están especialmente recogidos en el texto o cuyo tratamiento n o es suficientemente preciso, teniendo en cuenta la naturaleza del problema que se trata de evaluar. Ello sucede, en particular, en el caso d e puentes de grandes luces, puentes colgantes, atirantados, móviles, etc., en los que la envergadura y trascendencia de la obra exige una mayor y particular atención a la verificación de sus dimensiones y comportamiento. Pero también sucede en el caso de obras con luces menores, en las que, por la complejidad de su geometría o de las soluciones adoptadas, se generan singularidades estructurales que difícilmente corresponden a los modelos de cálculo más convencionales recogidos en las Recomendaciones. Es el caso, por ejemplo, de puentes con sección en cajón de gran esbeltez transversal, o con marcados esviajes, o con diafragmas complejos en apoyos.

1.2 CONDICIONES GENERALES

Como es bien sabido, la garantía de que una obra cumpla durante toda su vida útil las funciones para las que ha sido construida, con unos niveles de seguridad aceptables, depende esencialmente de la competencia y profesionalidad de todos los que intervienen en la concepción, proyecto, ejecución y conservación de la obra. Los cálculos justificativos son un instrumento esencial pero ni pueden abarcar la totalidad de los aspectos que afectan al comportamiento y seguridad de la obra ni pueden suplir la falta de experiencia o atención d e los participantes en

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un proceso que se inicia con la concepción del puente y que se prolonga a lo largo de su vida útil.

Por ello, en el texto de las Recomendaciones se recuerda explícitamente que el proyecto debe estar concebido y desarrollado por profesionales experimentados. Se dice también que tienen que existir controles de calidad que permitan identificar defectos o carencias, tanto en fase de proyecto como durante la ejecución de la obra, y se destaca además la necesidad de una adecuada conservación de la obra.

Estos supuestos son similares a los que están recogidos en los textos de los Eurocódigos estructurales.

1.3 UNIDADES

Es exigible la utilización del Sistema Internacional de unidades de medida, SI, y, en particular, es recomendable el uso de las siguientes:

. fuerzas y cargas ........... kN, kN/m, kN/m masa (^) kg . longitud ....................... m, mm

• tensiones ..................... N/mm2 = MN/m2 = MPa . .......................... . momentos ................... kN - m

Dado que aún no ha desaparecido el uso en la práctica de otras unidades, se recuerdan aquí sus equivalencias aproximadas (tomando g = 1 O m/sg2):

1 kN E 0,l toneladas 1 N/mm2 =

1 kN-m E 0,l t m

1 MPa = 10 k g f/cm2 = 700 toneladas/m

íNDlCE

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Pág.

2. BASES DE PROYECTO

2.1 REQUISITOS F U N D A M E N T A L E S .................................................................

2.2 CRITERIO DE CUMPLIMIENTO .................................................................... 2.3 SITUACIONES DE CÁLCULO ......................................................................

2.4 E S T A D O S LíMiTE ......................................................................................

2.5 PROCEDIMIENTOS D E CÁLCULO ................................................................

2.6 ACCIONES ...............................................................................................

2.7 CRITERIOS DE SEGURIDAD ........................................................................ 2.8 CRITERIOS DE DURABILIDAD

2.8.1 GENERALIDADES .............................................................................

2.8.2 SOBREESPESORES EN SUPERFICIES INACCESIBLES ................................. 2.8.3 (^) ACEROS CON RESISTENCIA MEJORADA A LA C O R R O S I ~ N.......................

2.9 D O C U M E N T O S DEL PROYECTO 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9. 2.9.

GENERALIDADES............................................................................. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ....................................................... ANEJO DE CALCULO........................................................................ CÁLCULOS DE ORDENADOR .............................................................. PROTECCIÓN Y CONSERVACi6N ......................................................... PLIEGO DE PRESCRIPCIONES TÉCNICAS PARTICULARES ........................... PUENTES SINGULARES O DE LUCES SUPERIORES A 100 M ...................... VERIFICACIÓN DE LA CALIDAD DEL PROYECTO ......................................

25 26 26 28 30 31 34

36 41 43

47 50 50 51 51 51 52 53

2.10 CRITERIOS C O N S T R U C T I V O S DE PUENTES MIXTOS A R M A D O S .................... 54

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2. BASES DE PROYECTO

2.1 REQUISITOS FUNDAMENTALES

Las bases de las Recomendaciones RPM-95 y RPX-95 son análogas a las que soportan todos los Eurocódigos estructurales, y que han quedado recogidas en el

Eurocódigo O: "Basis of design". Las Recomendaciones son, por otra parte,

coherentes con lo establecido en la "Instrucción sobre las Acciones a considerar

en el Proyecto de Puentes de Carretera (IAP)" y, por tanto, son documentos complementarios que se deben utilizar simultáneamente.

Una estructura debe cumplir los objetivos para los que ha sido proyectada y construida. Por ello, se recuerda al comienzo de las Recomendaciones cuáles son dichos objetivos:

• cumplir su función, esto es, dar un servicio adecuado durante toda su vida útil
• tener la capacidad para soportar, con una probabilidad aceptable y determinada, todas las acciones que puedan producirse.

Implícitamente estos objetivos exigen prestar una atención específica al concepto de durabilidad, lo que a su vez lleva consigo que la concepción del puente, los materiales empleados, el dimensionamiento y las diferentes medidas de protección faciliten las operaciones imprescindibles de conservación y minimicen su coste.

La robustez debe ser también un atributo del puente. La exigencia de robustez

persigue evitar estructuras hipersensibles a los efectos de un fuego, explosión,

impacto o ciertos errores humanos que se puedan producir, durante la fase de proyecto, durante la construcción o durante la utilización de la estructura, de manera que no exista una desproporción entre la importancia de la causa que

origina los daños y la importancia de éstos. Conviene recordar que, entre los

caminos para alcanzar el objetivo de robustez, están los siguientes:

• reducir los riesgos de errores humanos, por medio de adecuados procesos de aseguramiento de la calidad
• evitar o minimizar los riesgos potenciales disponiendo, por ejemplo, barreras para proteger las pilas de un puente del posible impacto de vehículos o alejando la estructura de depósitos de combustibles