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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
APOYO DIDACTICO EN LA ASIGNATURA DE PUENTES CIV 312
TEXTO ESTUDIANTE
Trabajo Dirigido, por Adscripción, Presentado Para Optar al Diploma Académico de Licenciatura en Ingeniería Civil.
Presentado por: PAOLA ELIZABETH RAMIREZ CORIA
NIKHY JEAHSON LEON AVILA
Tutor: Msc. Ing. Oscar Florero Ortuño
COCHABAMBA – BOLIVIA
Julio, 2010
ii
DEDICATORIA
A nuestros Papás:
Iván y Maria
Eufronio y Olga
iv
FICHA RESUMEN
Este documento ofrece una explicación detallada del análisis y diseño de puentes por el método LRFD, el cual contempla los siguientes capítulos:
En el Capitulo 1 se hace una descripción de los tipos de puentes, desde los puentes alcantarilla hasta los puente colgantes. En el Capitulo 2 se explica la filosofía de diseño por el método LRFD, así también antiguas filosofías de diseño como ASD y LFD, esta ultima también conocida como Standard. El Capitulo 4 contempla las Líneas de Influencia con bastantes ejercicios los cuales servirán de apoyo para los posteriores ejercicios del capítulo 6. En el Capitulo 5 se explica las cargas que actúan en un puente, tanto en la superestructura como en la subestructura, así también la distribución de estas cargas para el diseño de la superestructura. El Capitulo 6 contempla los ejemplos de aplicación: Diseño de puente alcantarilla, Diseño de puente losa, Diseño del tablero, Diseño de puente continuo de vigas Te, Comparación de métodos de diseño LRFD vs Standard en un puente de vigas postensadas. Este es sin duda uno de los capítulos más importantes de este documento debido a que todos los ejemplos se realizaron interpretando las “ESPECIFICACIONES AASHTO PARA EL DISEÑO DE PUENTES POR EL METODO LRFD” Interino 2002-2007. El capitulo 7 contempla la definición de los estribos y pilas, contempla los ejemplos de: Diseño de estribo tipo pantalla, Diseño de pila interpretando las “ESPECIFICACIONES AASHTO PARA EL DISEÑO DE PUENTES POR EL METODO LRFD” Interino 2002-2007.
INDICE
v
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ii AGRADECIMIENTOS iii FICHA RESUMEN iv ÍNDICE GENERAL v ÍNDICE DE FIGURAS x ÍNDICE DE TABLAS xvi
Capítulo 1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PUENTES 1 1.1. INTRODUCCIÓN 1 1.2. DEFINICIÓN 1 1.3. PARTES DE LA ESTRUCTURA 1 1.3.1. Superestructura 3 1.3.2. Subestructura 4 1.4. TIPOS DE PUENTES 7 1.4.1. Puente losa alcantarilla (00mm-9000mm) 8 1.4.2. Puente losa (00mm-12000mm) 10 1.4.3. Puente viga- losa (12000mm-18000mm) 12
INDICE
INDICE
INDICE DE FIGURAS
x
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.3. Índices de Confiabilidad inherentes en las Especificaciones AASHTO Standard 1989.
INDICE DE FIGURAS
xiii
Figura 4.1. Convención de signos 73
Figura 4.2. (a) Carga concentrada sobre el segmento (b) Línea de influencia para los efectos de carga A 74
Figura 4.3. (a) Viga simplemente apoyada, (b) Carga unitaria móvil, (c) Línea de influencia RA, (d) Diagrama de cuerpo libre AB con carga unitaria en x < 0.5 l , y diagrama de cuerpo libre AB con carga unitaria en x >0.5 l (e) Diagrama de influencia VB y, (f) Diagrama de influencia MB. 76
Figura 4.4. (a) Viga simplemente apoyada, (b) Línea de influencia MB, (c) Carga distribuida mas una carga puntual 79
Figura 4.5. (a) Viga simplemente apoyada, (b) Línea de influencia RA, (c) Línea de influencia cortante VB, (d) Línea cortante MB 82
Figura 4.6. (a) Desplazamiento de viga debido a la carga P (b) Desplazamiento de viga debido a la carga Q 84
Figura 4.7. (a) Viga indeterminada abc, (b) Estructura primaria sometida a efectos de carga unitaria en i y Rb , (c) Desplazamiento Rb debido a la carga unitaria, (d) aplicación de carga unitaria en dirección Rb , (e) Línea de influencia Rb. 86
Figura 4.9a. Viga continua de 2 tramos 88
Figura 4.9b. Aplicación de la carga unitaria 88
Figura 4.9c. Aplicación de la viga conjugada 88
Figura 4.9d. Carga unitaria aplicada en el tramo izquierdo 85
Figura 4.9e. Ordenadas de influencia de momento en el apoyo B 90
Figura 4.10a. Viga continua de tres tramos con una carga unitaria que atraviesa de izquierda a derecha 91
Figura 4.10b. Línea de influencia de momentos para la viga continúa de tres tramos 91
Figura 4.11. Graficas de HANGH para infinitos tramos de la misma longitud 97
Figura 4.12a. Carga vehicular sobre viga simplemente apoyada 98
Figura 4.12b. Reacción R100 Camión de diseño 98
Figura 4.12c. Momento 105 Camión de diseño 99
Figura 4.12d. Reacción R100 Tandem de diseño 99
INDICE DE FIGURAS
INDICE DE TABLAS
xvi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Longitudes de tramo para diferentes tipos de superestructura 7
Tabla 1.2. Constante k 27
Tabla 2.1. Parámetros de Componentes de Carga Puentes 45
Tabla 2.2. Factores de resistencia considerados 46
Tabla 2.3. Combinaciones de carga y factores de carga, en LRFD 54
Tabla 2.4. Factores de carga para cargas permanentes, yp en LRFD 56
Tabla 4.1. Notación de Puntos de Tramo 90
Tabla 4.2. Ordenadas y Áreas de Influencia 92
Tabla 4.3. Normalización de Líneas de Influencia (Relación de tramo=1.2, Vigas continuas de Tres tramos) 93
Tabla 4.4. Nivel de servicio, Diseño de cargas vehiculares 104
Tabla 4.5. Acción Envolvente para vigas continúas de tres tramos 30480,36576 y 30480 mm 108
INDICE DE TABLAS
- 1.4.4. Puente de viga (12m-300m) vi
- 1.4.5. Puentes de hormigón pretensado
- 1.4.6. Puentes aporticados
- 1.4.7. Puentes arco (90m -550m)
- 1.4.8. Puentes atirantado (90m -1100m)
- 1.4.9. Puentes colgantes (300 m -2000 m)
- 1.5. ASPECTOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE UN PUENTE
- 1.5.1. Planificación
- 1.5.2. Selección del sitio
- 1.5.3. Morfología del río
- 1.5.4. Posición del puente
- 1.6. CONDICIONES DEL SITIO - 1.6.1.Área de captación - 1.6.2. Niveles de agua
- 1.6.3. Estudios de exploración de suelos
- 1.7. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO PARA LA VIDA DEL PUENTE
- Capítulo 2. FILOSOFÍA DE DISEÑO PARA PUENTES CARRETEROS
- 2.1. INTRODUCCIÓN
- 2.2. ESTADOS LIMITE
- 2.3. FILOSOFÍA DE SEGURIDAD
- 2.3.1. Introducción
- 2.3.2. Diseño por esfuerzos admisible (ASD)
- 2.3.3. Diseño por factores de carga (LFD)
- 2.3.4. Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD)
- 2.3.5. La base probabilística de las especificaciones LRFD
- 2.4. OBJETIVOS DE DISEÑO
- 2.4.1. Seguridad
- 2.4.2. Serviciabilidad
- 2.4.3. Constructibilidad
- Capítulo 3. MODELACION ESTRUCTURAL
- 3.1. INTRODUCCIÓN
- 3.2. ANTECEDENTES TEÓRICOS
- 3.3. MODELACIÓN
- 3.3.1. Selección de la metodología de modelación
- 3.3.2. Geometría vii
- 3.3.3. Propiedades de los materiales y secciones
- 3.3.4. Condiciones de contorno
- 3.3.5. Cargas
- Capítulo 4. LINEAS DE INFLUENCIA
- 4.1. INTRODUCCIÓN
- 4.2. DEFINICION
- 4.3. LINEAS DE INFLUENCIA PARA VIGAS ESTATICAMENTE DETERMINADAS
- 4.3.1. Carga concentrada - Ejemplo 4.1
- 4.4. LINEAS DE INFLUENCIA POR EL METODO DEL TRABAJO VIRTUAL
- 4.4.1. Aplicación de los trabajos virtuales - Ejemplo 4.3
- 4.5. VIGAS ESTATICAMENTE INDETERMINADAS - Ejemplo 4.4 - Ejemplo 4.5 - Ejemplo 4.6
- 4.6. MOMENTO FLECTOR MAXIMO - Ejemplo 4.7 - Ejemplo 4.8
- Capítulo 5. CARGAS EN PUENTES CARRETEROS Y DISTRIBUCION DE CARGAS …
- 5.1. INTRODUCCIÓN
- 5.2. DENOMINACION DE LAS CARGAS
- 5.2.1. Cargas permanentes
- 5.2.2. Cargas transitorias
- 5.3. CARGA VIVA VEHICULAR
- 5.3.1. Carga viva vehicular de diseño
- 5.3.2. Cargas de fatiga
- 5.3.3. Cargas peatonales
- 5.3.4. Presencia múltiple
- 5.3.5. Efectos dinámicos (Impacto)
- 5.3.6. Fuerza de frenado
- 5.4. CARGAS LATERALES viii
- 5.4.1. Presión de flujo
- 5.4.2. Cargas de viento
- 5.5. EMPUJE DEL SUELO
- 5.5.1. Empuje de suelo: EH
- 5.5.2. Sobrecargas: ES y LS
- 5.6. DISTRIBUCION DE CARGAS PARA EL DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA
- 5.6.1. Tableros
- 5.6.2. Puentes tipo losa
- 5.6.3. Puentes tipo viga-losa
- Distribución de cargas según la AASTHO ESTANDAR
- Distribución de cargas según la AASHTO LRFD
- Capítulo 6. PUENTES DE HORMIGON ARMADO
- 6.1. INTRODUCCIÓN
- 6.2. MATERIALES
- 6.6.1. Concreto
- 6.6.2. Refuerzo de acero
- 6.3. TIPOS DE PUENTES
- 6.3.1. Puentes alcantarilla
- 6.3.2. Puentes tipo losa
- 6.3.3. Puentes vigas Te
- 6.3.4. Puentes cajón
- 6.4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
- 6.4.1. Teoría básica de diseño
- 6.4.2. Estados limites de diseño
- 6.5. RESISTENCIA A FLEXION
- 6.5.1. Distancia al eje neutro para elementos con tendones adheridos
- 6.5.2. Distancia al eje neutro para elementos con tendones no adheridos
- 6.5.3. Resistencia a la flexión nominal - Ejemplo 6.1
- 6.5.4. Armadura máxima por tracción - Ejemplo 6.2
- 6.5.5. Armadura mínima por tracción
- 6.6. ESFUERZO DE CORTE - Ejemplo 6.3 ix
- 6.7. LIMITES PARA LA TENSION DEL HORMIGON
- 6.7.1. Etapas de cargas
- 6.7.2. Perdidas del pretensado
- 6.8. EJEMPLOS DE APLICACION - Ejemplo 6.4 Diseño de Puente Alcantarilla - Ejemplo 6.5 Diseño de Puente losa - Ejemplo 6.6 Diseño de Tablero - Ejemplo 6.7 Diseño de puente continuo vigas T - Ejemplo 6.8 Comparación de métodos de diseño LRFD vs ESTÁNDAR
- Capítulo 7. DISEÑO DE PILAS Y ESTRIBOS
- 7.1. ESTRIBOS
- 7.1.1. Definición
- 7.1.2. Tipos de estribos
- 7.1.3. Estados limites
- 7.1.4 Factores de carga y resistencia
- 7.1.5. Fuerzas en un estribo
- 7.1.6. Requisitos de diseño para estribos
- Ejemplo 7.1 Diseño de estribo tipo pantalla
- 7.2. PILAS
- REFERENCIAS BIBLIGRÁFICAS
- Figura 1.1. Componentes de un puente, vista longitudinal ÍNDICE DE FIGURAS
- Figura 1.2. Componentes de un puente, corte A-A’
- Figura 1.3. Tablero y estructura portante, puente Viga-Losa
- Figura 1.4. Accesorios de un tablero
- Figura 1.5. Formas de secciones transversales de pilares-pared
- Figura 1.6. Algunos tipos de sección trasversal de columnas en puentes
- Figura 1.7. Componentes de un estribo
- Figura 1.8. Fundación profunda sobre a) pilotes, b) cajón de cimentación
- Figura 1.9. Alcantarillas cajón de hormigón armado
- Figura 1.10. Instalación bajo terraplén
- Figura 1.11. Instalación en zanja
- Figura 1.12. Coeficiente Cd para instalación en zanja xi
- Figura 1.13. Puente Losa, vista transversal
- Figura 1.14. Puente Losa, vista en planta
- Figura 1.15. Puente Viga-Losa, vista transversal
- Figura 1.16. Puente Viga-Losa, vista en planta
- Figura 1.17. Puentes de vigas
- Figura 1.18a. Fabricación de un elemento postensado
- Figura 1.18b. Campo de tesado – Sistema pretensado
- Figura 1.19. Puentes Aporticados
- Figura 1.20. Nomenclatura de un arco
- Figura 1.21. Puentes Arco, a) Tablero superior, b) Tablero inferior, c) Tablero intermedio
- Figura 1.22. Componentes de un puente atirantado
- Figura 1.23. Concepto de funcionamiento de un puente atirantado
- Figura 1.24. Cable inclinado
- Figura 1.25. Configuración de tirantes
- Figura 1.26. Tres posibilidades para torres en puentes atirantados
- Figura 1.27. Componentes de un Puente Colgante
- Figura 1.28. Tipos de torres, a) Reticulada, b) Pórtico, c) Combinación reticulado-pórtico
- Figura 1.29. Alambres paralelos que forman un cable
- aerodinámicos Figura 1.30. Tableros de puentes colgantes, a) Viga reticulada, b) Vigas I con estabilizadores
- Figura 1.31. Anclaje externo en puentes colgantes
- Figura 2.1. Separación de cargas y resistencias
- Figura 2.2. Definición del índice de confiabilidad .
- Figura 4.12e. Momento M105 Tándem de diseño xiv
- Figura 4.13a. (a) Carga vehicular sobre viga simplemente apoyada
- Figura 4.13b. (a) Distancia x a la resultante R, (b) Posición de cargas respecto al CL
- Figura 4.14. (a) Distancia x a la resultante R, (b) Posición de cargas respecto al CL
- Figura 4.15. (a) Distancia x a la resultante (b) Posición de cargas respecto al CL
- Figura 4.16. Carga vehicular AASTHO sobre viga continua
- Figura 4.17. Carga vehicular, posición eje izquierdo sobre punto
- Figura 5.1. Camión de diseño
- Figura 5.2 Tándem de diseño
- Figura 5.3. Carga de carril de diseño
- Figura 5.4. Camión de diseño combinado con la carga del carril de diseño
- Figura 5.5. Tándem de diseño combinada con la carga del carril de diseño
- Figura 5.6. Dos camiones de diseño combinado con la carga del carril de diseño
- Figura 5.7. Vista en planta de una pila con indicación de la presión de flujo del curso de agua
- Figura 5.8. Simbología para el empuje activo
- relleno de superficie horizontal, [A3.11.5.4-1] Figura 5.9. Procedimiento de cálculo de empujes pasivos para muros verticales e inclinados con
- relleno de superficie inclinada, [A3.11.5.4-2] Figura 5.10. Procedimiento de cálculo de empujes pasivos para muros verticales e inclinados con
- Figura 6.1. Curva esfuerzo-deformación del concreto bajo compresión de carga uniaxial
- Figura 6.2. Curva esfuerzo -deformación del acero de refuerzo
- Figura 6.3. Curva esfuerzo – deformación para los aceros del pretensado
- Figura 6.4. Secciones típicas de hormigón armado en superestructuras de puentes
- Figura 6.5. Distribución rectangular de tensiones en un elemento pretensado
- Figura 6.6. Distribución de deformaciones en un elemento pretensado
- Figura 6.7. Sección transversal de la viga del ejemplo 6.1 xv
- Figura 6.8. Ejemplo 6.3 determinación de la separación de estribos
- Figura 6.4-1:6.4-22. Diseño de puente alcantarilla 191-
- Figura 6.5-1:6.5-9. Diseño de puente losa 228-
- Figura 6.6-1:6.6-10. Diseño de tablero 247-
- Figura 6.7-1:6.7-28. Diseño de puente continuo vigas T 263-
- ESTÁNDAR para un puente vehicular de hormigón armado sobre vigas postensadas 302- Figura 6.8:1-26. Comparación entre los métodos de diseño AASHTO LRFD vs. AASHTO
- Figura 7.1. Componentes de un estribo
- Figura 7.2. Estribo tipo gravedad
- Figura 7.3. Estribo tipo semigravedad en voladizo
- Figura 7.4. Estribo con contrafuertes
- Figura 7.5. Estribo de caballete sobre pilotes con aleros cortos
- Figura 7.6. Tipicas aplicaciones de factores de carga.
- Figura 7.7. Modos de falla.
- Figura 7.8. Dimensiones preliminares de un estribo
- Figura 7.9. Criterios para determinar la presión de contacto en fundaciones en suelo y roca
- Figura 7.1-10:7.1-17. Diseño de estribo tipo pantalla 387-
- Figura 7.2-1. Geometría del puente
- Figura 7.2-2. a) vista frontal, b) vista lateral
- Figura 7.2-3. Carga viva en la pila
- Figura 7.2-4 Longitud tributaria
- Figura 7.2-5 Área proyectada a 0`
- Figura 7.2-6 Area proyectada 1 de 60`
- Figura 7.2-7 Area proyectada 2 de 60`
- Tabla 4.6. Acción Envolvente para vigas continuas de tres tramos 10668,12802 y 30480 mm xvii
- Tabla 5.1. Densidades
- Tabla 5.2. Fracción de tráfico de camiones en un único carril, p
- Tabla 5.3. Fracción de camiones en el tráfico
- Tabla 5.4. Factor de presencia múltiple (m)
- Tabla 5.5. Incremento por Carga Dinámica, IM
- Tabla 5.6. Coeficientes de arrastre
- Tabla 5.7. Coeficiente de arrastre lateral
- Tabla 5.8. Valores de V 0 y Z 0 para diferentes condiciones de la superficie contra el viento
- de empuje activo o pasivo del suelo Tabla 5.9. Valores aproximados de los movimientos relativos requeridos para llegar a condiciones
- Tabla 5.10. Angulo de fricción entre diferentes materiales
- tráfico. Tabla 5.11. Altura de suelo equivalente para carga vehicular sobre estribos perpendiculares al
- al tráfico. Tabla 5.12. Altura de suelo equivalente para carga vehicular sobre muros de sostenimiento paralelos
- Tabla 5.13. Fajas equivalentes
- Tabla 5.14. Esquema de secciones transversales típicas
- Tabla 5.15. Superestructuras habituales
- Tabla 5.16. Distribución de las sobrecargas por carril para momento en vigas interiores
- Tabla 5.17.Distribución de sobrecargas por carril para momento en vigas longitudinales exterior
- longitudinales sobre puentes oblicuos. Tabla 5.18. Reducción de los factores de distribución de carga para momento en vigas
- Tabla 5.19. Distribución de sobrecargas por carril para corte en vigas longitudinales interiores
- Tabla 5.20. Distribución de la sobrecargas por carril para corte en vigas exteriores
CAPÍTULO 1- INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PUENTES
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN AL
DISEÑO DE PUENTES
1.1 INTRODUCCIÓN
En la construcción de una carretera o de una vía férrea se presentan ciertos obstáculos que han de ser salvados por una estructura segura y económica denominado puente, el cual debe soportar el transito de vehículos o de otro tipo sobre el cruce. Estas deben diseñarse estéticamente, de modo que armonicen y enriquezcan la belleza de sus alrededores. Los obstáculos pueden ser variados y presentan condiciones que obligan a usar diferentes tipos de estructura. El mas fuerte obstáculo lo constituyen las corrientes de agua que atraviesan el trazado de una vía, en donde se necesita una estructura tal, que la abertura que ella deja sea suficiente para permitir el cruce del agua en una crecida, sin que afecte la propia estructura ni sobrepase la altura de la rasante obstruyendo la circulación por la vía. A lo largo de este capitulo haremos un énfasis en los aspectos para determinar el tipo de puente, los procesos de construcción y los aspectos generales para la elección y diseño de un puente.
1.2 DEFINICIÓN
La AASHTO define a un puente como cualquier estructura que tiene una abertura no menor a 6100 mm y que forma parte de una carretera o está ubicada sobre o debajo de una carretera.
1.3 PARTES DE LA ESTRUCTURA
Los componentes principales de una estructura de puente son:
CAPÍTULO 1- INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PUENTES
Superestructura Subestructura
Plataforma del puente
Apoyos Pilares (Subestructura)
Fundaciones
Estribo (Subestructura) Superestructura A
A' FIGURA 1.1 Componentes de un puente, vista longitudinal
Aparatos de Apoyo
Superestructura
Pilotes
Cabezal de pilotes
Linea del terreno
Fundacion profunda
Subestructura
Barrera vehicular
Tablero
Pila
FIGURA 1.2 Componentes de un puente, corte transversal A-A’
