Nociones Basicas Para Puentes

PUENTES

DEFINICIÓN • Puente: Estructura que proporciona una vía de paso sobre el agua, una carretera o un valle. • Los construidos sobre terreno seco se llaman viaductos

LOS PRIMEROS PUENTES • Los primeros puentes fueron simples troncos para cruzar arroyos. • Mediante el uso de cuerdas y maderas se lograron salvar valles estrechos

LOS PRIMEROS PUENTES

PUENTES ROMANOS • Uso de arcos de medio punto y bóvedas. • Rasante casi horizontal • Aberturas pequeñas, no pasaba de 25 metros • Pilas grandes apoyadas directamente sobre el suelo. • Sobriedad

PUENTES ROMANOS • Se construyeron también acueductos, puentes para el paso de canales, haciendo uso del arco

PUENTES ROMANOS • Se perfeccionó la construcción de arcos semicirculares de piedra, generalmente de corta luz

PUENTES MEDIEVALES • Sustituyen a los puentes romanos, generalmente arruinados por la socavación producida por la aceleración de la corriente del río debida a la reducción de la sección hidráulica por las grandes pilas

PUENTES MEDIEVALES • Se sigue usando el arco, se incluyen los arcos rebajados y el ojival • Se usan por primera vez pilotes de madera en las pilas • Se disminuye el tamaño de las mismas • Se incluyen fortificaciones en sus entradas

PUENTES MEDIEVALES • Rasantes inclinadas • Ejes horizontales oblicuos en relación a la corriente de agua

PUENTES DEL RENACIMIENTO • Se da importancia al aspecto estético • Uso de arcos ojivales • Pont des Arts, París

PUENTES DEL SIGLO XVIII • Se combinan los conocimientos empíricos con los de Resistencia de Materiales. • En 1716 se funda la Escuela de Puentes y Calzadas de París •

Puente de Coalbrookdale, Inglaterra. Primer puente de hierro en la historia. Construido entre 1777-1779

PUENTES DE LOS SIGLOS XIX Y XX • Mejoras notables en los conocimientos de Resistencia de Materiales y Teoría de Estructuras así como un impulso en las técnicas de fabricación de materiales (concreto armado , acero, etc.) • A comienzos del siglo XIX se construye con arcos de concreto macizo trabajando únicamente en compresión

PUENTES DE LOS SIGLOS XIX Y XX • Se construyen puentes colgantes gracias al desarrollo de la industria del acero • Se construye el puente de Brooklyng en 1883 con 500 mts de luz

PUENTES ACTUALES • Las soluciones estructurales mejoran con el uso de recursos computacionales en el planteamiento de los modelos matemáticos del puente. • Del mismo modo los materiales han progresado notablemente, tal es el caso del concreto de alto desempeño (HPC)

Selección Datos

PROYECTO

Justificación Cálculos

Experiencia

Planos Normas Exigencias de uso Costos Métodos constructivos

NECESIDADES ESTÉTICAS • Funcionalidad de la obra • Buenas proporciones entre superestructura y subestructura • Concordancia con el paisaje

UBICACION DEL PUENTE -Ubicar el puente tanto en planta como en elevación teniendo en cuenta: -Características geométricas de la vía (ancho, canales etc) -Geometría del eje vial -Niveles de creciente y tirante de aire requerido -Condiciones geotécnicas

UBICACION DEL PUENTE Ubicaciones obligadas: Vías ya construidas Reemplazo de estructuras existentes Estructuras para usos especiales

UBICACION DEL PUENTE Escoger un ponteadero que cumpla con: -Sección de desagüe suficiente -Costo inicial reducido (menor longitud, estructura económica) -Menor costo de conservación -Condiciones estéticas adecuadas

SECCION DE DESAGÜE -Creciente probable para la vida útil del puente -Alteraciones del régimen del río

ELECCION DEL TIPO DE PUENTE -El fin a que se destinara el puente -La magnitud de su abertura -Condiciones de terreno y forma de la depresión -Características del subsuelo -Consideraciones económicas

DESTINO DEL PUENTE -Provisionales -Puentes carreteros -Puentes ferrocarrileros -Puentes urbanos -Viaductos

PUENTES PROVISIONALES

PUENTES CARRETEROS

VIADUCTOS

INFLUENCIA DE LA ABERTURA La abertura depende de : -La sección de desagüe -Del ancho de la depresión

INFLUENCIA DE LA ABERTURA -Abertura total -Subdivisión en luces parciales -Magnitud de las luces parciales

INFLUENCIA DE LA ABERTURA La subdivisión en luces parciales toma en cuenta: -Las condiciones locales que determinen la división -Factor económico -Consideraciones estéticas

TIPO DE ESTRUCTURA Vigas presforzadas

Losa maciza Losa aligerada Vigas en T Vigas laterales

Vigas cajón Marcos

•HIPERESTATICOS

Losas continuas Losa aligerada Espesor variable Vigas en T continuas Sección variable En cajón Pórticos llenos Pórticos nervados Arcos Con perfiles laminados

Vigas palastro inferior Vigas palastro lateral Vigas de celosía abierta Vigas de celosía cerrada Vigas poligonales

LOSA MACIZA O ALIGERADA

LOSA SOBRE VIGAS DE CONCRETO

LOSA SOBRE VIGAS PRESFORZADAS

LOSA SOBRE VIGAS METÁLICAS

PUENTES DE CABLES PUENTES COLGANTES •Viga de rigidez

•Torre

•Cables •Pte. Chichuy

PUENTES DE CABLES PUENTES ATIRANTADOS •España

•Puente Rafael Urdaneta

R R e p . C h e c

CARACTERISTICAS DEL TERRENO • • • •

Gargantas estrechas y profundas: Arcos Altura libre apreciable:Puentes de tablero superior Altura libre reducida:Puentes de tablero inferior Cursos torrentosos: Sin pilas ni encofrados apoyados al fondo • Cursos tranquilos y anchos:Varias luces pequeñas con pilas intermedias

ARCOS

Puentes de tablero superior

Puentes de tablero inferior

Puentes sin pilas intermedias Puente pórtico

Puente con pilas intermedias

CARACTERISTICAS DEL SUBSUELO • Capacidad de carga del terreno • Asentamientos • Profundidad del estrato resistente y de la capa freática. • ¿Luces grandes? • Puente de concreto o metálico • Puentes isostáticos o hiperestáticos • Arcos empotrados o arcos atirantados

FACTORES LOCALES •

Facilidad de obtención de materiales:uso de concreto vaciado en sitio

•

•

Facilidad de transporte: uso de puentes metálicos o de concreto prefabricado presforzado Duración del período de estiaje o condiciones de posibles crecientes: uso o no de encofrados basados en el lecho del río

DISEÑO DE PUENTES ELEMENTOS ESTRUCTURALES CARGAS CRITERIOS DE DISEÑO

ELEMENTOS ESTRUCTURALES • Superestructura: Tablero - Estructura principal

• Subestructura: Estribos – Pilas

• Fundaciones Zapatas – Pilotes – Cajones • Elementos de conexión

La superestructura • El tablero Losa de concreto Tablero ortotrópico • La estructura principal Vigas longitudinales Vigas transversales (separadores)

La subestructura • Estribos Apoyo del puente Retención de tierras • Pilas Apoyos intermedios

Las fundaciones • Fundaciones superficiales • Fundaciones profundas (pilotes)

Elementos de conexión • Aparatos diseñados para transmitir cargas a la subestructura • Permitir movimientos para obtener un comportamiento adecuado

CARGAS • Cargas permanentes: Peso propio – Carga muerta – Empuje de tierras

• Cargas permanentes variables: Efecto del presfuerzo, contracción y fluencia del concreto, asentamiento de apoyos, presión hidráulica y subpresión

CARGAS • Cargas transitorias: Carga viva, amplificación dinámica (impacto), fuerzas longitudinales, fuerza centrífuga, viento, efectos de temperatura

• Cargas excepcionales: Sismo • Cargas temporales: Cargas durante la construcción o el mantenimiento

Cargas de diseño • Cargas o acciones: elementos del entorno que causan esfuerzos o deformaciones en la estructura. • Son de naturaleza aleatoria y para su uso en el diseño se usan valores y combinaciones establecidas en códigos

• En Venezuela no hay una Norma Oficial por lo que se usan las Normas AASHTO u otras similares • Las cargas de diseño no son usualmente los valores máximos absolutos que pueden actuar en la estructura

CARGAS PERMANENTES • Peso propio: depende de las dimensiones de los elementos estructurales y del peso específico del material de que están hechos

• Carga permanente o carga muerta: peso de las partes superpuestas que no forman parte de la estructura tales como: pavimento, aceras, barandas, islas, postes de iluminación, tuberías de diversos servicios y otros elementos de carácter permanente

CARGA VIVA • Está constituida por el peso de los vehículos más los efectos derivados de su naturaleza dinámica y móvil

• Cargas reales • Cargas máximas legales • Cargas de diseño • Carga viva de inventario y operación

Cargas vivas reales • Son las cargas que realmente circulan por un puente y que son de magnitud y distribución muy variada

Las cargas máximas legales • Son las cargas máximas que están autorizadas para circular por las carreteras y puentes de la red vial

Cargas legales 1

Cargas legales 2

Carga viva de diseño • La carga viva de diseño es la que se utiliza para el diseño estructural. Consiste en un sistema hipotético de cargas que trata de simular las condiciones más desfavorables que causan los vehículos reales. En Venezuela se usa la carga viva AASHTO incrementada en un 20 % HS-20

P/4

P a

4,27 m

L

P

Carga viva de diseño • • • • •

Las cargas vivas de diseño pueden ser: Carga de camión Carga equivalente a una serie de camiones Carga de ejes tandem Otras cargas mayores

Carga de camión • Los camiones idealizados de la AASHTO: • Camión H20-44: Camión de dos ejes peso total de: 18145 kg. • Camión H15-44: Camión de dos ejes peso total de: 13609 kg.

Carga de camión • Los camiones idealizados de la AASHTO: • Camión HS20 ó H20-S16-44: Camión de tres ejes, camión con remolque peso total de: 32661 kg. • Camión HS15 ó H15-S12-44 Camión de tres ejes, camión con remolque peso total de: 24496 kg.

Camión H-20 •H-20 •H-15

Camión HS-20

hs20.jpg

Carga equivalente • Se usa para simular el tránsito de varios vehículos simultáneamente sobre el puente • Está constituida de una carga uniformemente distribuida más una o dos cargas concentradas aplicadas sobre una vía de 3 m. de ancho • Si el puente tiene más de dos trochas se puede aplicar un factor de reducción: Para la 1ª y 2ª vías 100% Para la 3ª vía 90% Para las demás 75% de la carga viva

Carga equivalente

•Aplicadas en un ancho de 3 metros dentro de un canal de 3.60 m

El eje tandem • Vehículo de dos ejes con un peso de 12 ton cada uno separados 1.20 m. • La separación entre líneas de ruedas es de 1.80 m. 12t

12t

1.20m

1.80m

Cargas mayores • En algunos casos y de acuerdo a estudios de tráfico y de cargas es necesario diseñar para vehículos de mayor peso y/o dimensiones que los señalados por la norma

Cargas mayores

Aplicación de la carga viva •Carga de camión: Se coloca un solo camión HS por vía en la posición más desfavorable o un tren de camiones H de acuerdo al vehículo de diseño •Carga equivalente: Se aplica en forma continua o discontinua, de acuerdo a las líneas de influencia, junto a una o dos cargas concentradas para obtener los máximos momentos. En sentido transversal se aplica en un ancho de 3m •Si se usa el LRFD las cargas son una combinación de cargas de camión o tándem y franjas de carga siendo diferentes para momentos negativos y positivos

Aplicación de la carga viva

Aplicación de la carga viva

Aplicación de la carga viva

Aplicación de la carga viva

Aplicación de la carga viva

Camión •Carga equivalente

L=44.14m

Aplicación de la carga viva

Camión •Carga equivalente

L=38.79m

Aplicación de la carga viva

Factor de rueda Material Madera

Concreto

Rejilla de acero

Tipo de piso

Puente de una trocha

Puente de más de una trocha

Tablones

S/1.22

S/1.14

Listones de más de 10 cm o planchas de mas de 12 cm Listones de 15 cm ó más

S/1.37

S/1.22

S<= 1.52m S/1.52

S<= 1.98m S/1.30

Sobre vigas I de acero o vigas presforzadas de concreto

S<=3.05m S/2.13

S<=4.27m S/1.68

Sobre vigas T de concreto

S<=1.83m S/1.98

S<=3.05m S/1.83

Sobre vigas de madera

S<=1.83m S/1.83

S<=3.05m S/1.52

Sobre vigas en cajón de concreto

S<=3.66m S/2.44

S<=4.88m S/2.13

Espesor menor de 10 cm Espesor mayor de 10 cm

S/1.37

S/1.22

S/1.83

S/1.52 S<= 3.20m

S<= 1.83m

Factor de amplificación dinámica • Conocido como impacto, se usa para representar de manera simplificada el carácter dinámico de la carga viva • Se aplica a los elementos de la superestructura y a las pilas exceptuando la parte de ellas que está dentro del terreno • No se aplica a fundaciones • Se cuantifica como I = 15.24 / (L + 38)

Fuerzas longitudinales por carga viva • Corresponde a las fuerzas originadas por el frenado de los vehículos sobre el puente. • Su valor es del 5% de la carga viva • Se aplica a una altura de 1.80 m sobre la losa del tablero

Fuerza centrífuga • En los puentes curvos se considera una fuerza centrifuga (radial y horizontal) de valor a: CF(%)= 7.9V2/R donde: V = velocidad de diseño ( km/h) R = radio de curvatura en m.

Fuerzas de empuje de tierras • Sobre las estructuras de retención de tierras tales como estribos y aletas se produce empuje de tierras que debe ser evaluado mediante expresiones como la de Rankine y para el caso de sismos la teoría de Mononobe-Okabe

Fuerzas de viento • En puentes regulares convencionales se aplicará la fuerza de viento de acuerdo a los registros locales. • Si la acción del viento puede originar fenómenos vibratorios como en algunos puentes colgantes, deben hacerse estudios especiales

Otras fuerzas • En puentes hiperestáticos o cuando su efecto sea importante se deben considerar: Efecto de temperatura Efecto de presforzado Efectos de retracción y fluencia de concreto Efecto del movimiento de apoyos

Fuerzas por acción del agua • Presión hidrostática p=γ*h • Presión por corrientes de agua P = k*V2*A (P = fuerza sobre la pila) • Presión hidrodinámica durante sismos P=7/12*kh* γ*b*h2 para muros P= k1 *kh* γ*b*h2 para pilas • Subpresión

ACCIONES SÍSMICAS • De acuerdo a su ubicación los puentes pueden esta sometidos a la acción de sismos, deben por lo tanto ser capaces de resistirlos sin colapsar. • Los criterios de diseño se recogen en cuerpos de normas especializadas y tienen una filosofía que define cual es el comportamiento esperado en cada caso

COMBINACIONES DE CARGA • El puente puede estar sometido a la acción simultánea de varios tipos de carga pero la posibilidad de que todas las consideradas actúen a la vez es muy remota por lo que se proponen ciertas combinaciones posibles afectadas por diversos factores y coeficientes

COMBINACIONES DE CARGA • AASHTO propone diferentes combinaciones de acuerdo a método de diseño aplicado. • El puente debe resistir todas las combinaciones • Son de la forma: Grupo (N) = γ*[Σβi*C i] donde: N = número del grupo de carga

γ

= Factor de carga

βi = coeficiente Ci = denominación de la carga i

FILOSOFÍA DEL DISEÑO • • • • •

Métodos usuales: Diseño para esfuerzos admisibles (servicio) Diseño para resistencia última (rotura) Diseño para estados límites Diseño plástico

TABLA DE COEFICIENTES γ Y β

βE ,βD = VARIABLE

Combinaciones y factores de carga LRFD

DISEÑO SÍSMICO • Los puentes deben soportar: 1. Sismos menores sin daños que interrumpan su servicio 2. Sismos moderados con daños reparables y permitiendo el tráfico de emergencia 3. Sismos intensos con daños estructurales pero sin colapsar

DISEÑO SÍSMICO • • 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Acciones con probabilidad de excedencia de entre el 5 y el 15% en una vida útil de 65 años Se diseñan con base a: Zonificación símica Clasificación de importancia Categorías de comportamiento sísmico Perfiles típicos del subsuelo Tipificación estructural Regularidad estructural

DISEÑO SÍSMICO • Modelo matemático: representación adecuada de masas y rigideces y de la interacción suelo estructura • Combinación de fuerzas sísmicas ortogonales: Estado 1 = 100% longitudinal + 30% transversal Estado 2 = 100% transversal + 30% longitudinal • Requerimientos mínimos de diseño

REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DE DISEÑO •Se intenta evitar el colapso del puente por fallas de diseño como apoyos de longitud insuficiente y otras

GRACIAS