DISEÑO DE UN PUENTE TIPO CAJONNOCIONES PRELIMINARES 1. DEFINICION Un puente es una obra que se construye para salvar un obstáculo dando así continuidad a una vía. Suele sustentar un camino, una carretera o una vía férrea, pero también puede transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Los puentes que soportan un canal o conductos de agua se llaman acueductos. Aquellos construidos sobre terreno seco o en un valle, viaductos. Los que cruzan autopistas y vías de tren se llaman pasos elevados. Constan fundamentalmente de dos partes: a) La superestructura conformada por: tablero que soporta directamente las cargas; vigas, armaduras, cables, bóvedas, arcos, quienes transmiten las cargas del tablero a los apoyos. b) La infraestructura conformada por: pilares (apoyos centrales); estribos (apoyos extremos) que soportan directamente la superestructura; y cimientos, encargados de transmitir al terreno los esfuerzos. 2. CLASIFICACION A los puentes podemos clasificarlos: a) Según su función: − Peatonales − Carreteros − Ferroviarios b) Por los materiales de construcción − Madera − Mampostería − Acero Estructural − Sección Compuesta − Concreto Armado − Concreto Presforzado c) Por el tipo de estructura − Simplemente apoyados − − − − − − − − Continuos Simples de tramos múltiples Cantilever (brazos voladizos) En Arco Atirantado (utilizan cables rectos que atirantan el tablero) Colgantes Levadizos (basculantes) Pontones (puentes flotantes permanentes) 3. GEOMETRÍA a) Sección transversal El ancho de la sección transversal de un puente no será menor que el ancho del acceso, y podrá contener: vías de tráfico, vías de seguridad (bermas), veredas, ciclovía, barreras y barandas, elementos de drenaje. b) Ancho de vía (calzada) Siempre que sea posible, los puentes se deben construir de manera de poder acomodar el carril de diseño estándar y las bermas adecuadas. El número de carriles de diseño se determina tomando la parte entera de la relación w/3.6, siendo w el ancho libre de calzada (m). Los anchos de calzada entre 6.00 y 7.20 m tendrán dos carriles de diseño, cada uno de ellos de ancho igual a la mitad del ancho de calzada. c) Bermas Una berma es la porción contigua al carril que sirve de apoyo a los vehículos que se estacionan por emergencias. Su ancho varía desde un mínimo de 0.60 m en carreteras rurales menores, siendo preferible 1.8 a 2.4 m, hasta al menos 3.0 m, y preferentemente 3.6 m, en carreteras mayores. Sin embargo debe tenerse en cuenta que anchos superiores a 3.0 m predisponen a su uso no autorizado como vía de tráfico. d) Veredas Utilizadas con fines de flujo peatonal o mantenimiento. Están separadas de la calzada adyacente mediante un cordón barrera, una barrera (baranda para tráfico vehicular) o una baranda combinada. El ancho mínimo de las veredas es 0.75 m. estas cargas pueden ser divididas en dos grandes grupos: cargas permanentes y cargas transitorias (cargas de vehículos. evento extremo y fatiga con sus correspondientes combinaciones de carga. no Los elementos estructurales son los que son parte del sistema de resistencia. de fluidos. señales. o al movimiento de los apoyos de la estructura.1. En general. . peatonales. CARGAS Y FACTORES DE CARGA Las cargas que presentamos a continuación están basadas en las especificaciones de AASHTO. dependiendo del tipo de estructura pueden presentarse otras fuerzas como las debidas al creep. se pueden usar los pesos unitarios de AASHTO presentados en la tabla 2. La carga muerta de la superficie de revestimiento (DW) puede ser estimada tomando el peso unitario para un espesor de superficie. en este capítulo se presentan los estados límites de diseño de resistencia. de hielo y de colisiones). de sismo. Igualmente. En caso de no contar con las especificaciones técnicas o manuales que den información precisa del peso.4. Carga permanente Las cargas permanentes incluyen: • Carga muerta de elementos estructurales y elementos estructurales unidos (DC). servicio. Los elementos no estructurales unidos se refieren a parapetos. • Carga muerta de superficie de revestimiento y accesorios (DW). Las abreviaciones utilizadas en este capítulo son las empleadas por AASHTO. a shrinkage. barreras. Adicionalmente. etc. . de deformaciones y las causadas por colisiones. 1990) a las cargas de camiones presentes y desarrolló un nuevo modelo. de fluidos. Este modelo consiste en tres cargas diferentes: • Camión de diseño. • Camión tándem de diseño. del tráfico peatonal.Cargas transitorias Las cargas que estudiaremos a continuación comprenden las cargas del tráfico vehicular. y pueden ser combinados con otras cargas de camiones. y efectos de otros camiones simultáneos. fuerzas centrífugas. Kulicki ajustó un estudio de Transportation Research Board (TRB. de sismo. a) Cargas de vehículos Los efectos del tráfico vehicular comparados con los efectos del tráfico de camiones son despreciables. dinámicos. En 1992. • Línea de diseño. fuerzas de frenos. Debido a esto el diseño de cargas de AASHTO ha desarrollado modelos de tráficos de camiones que son muy variables. Esos efectos incluyen fuerzas de impacto (efectos dinámicos). de hielo. . también se señalara las unidades en las cuales se trabajara.Cargas de diseño de AASHTO DISEÑO DEL PUENTE Lo primero que hacemos es iniciar al programa es seleccionar el tipo de modelo que se va a realizar en nuestro caso utilizaremos será el de un puente tipo cajón por lo cual iniciaremos con la opción marcada en la figura mostrada en la parte inferior. Ahora nos dirigimos a las propiedades de los ejes para definirlos. el cual consta de tres tramos de 30 metros cada uno. En este menú también se editaran la sección del puente el tipo de carga vehicular.Seleccionamos esta opción para iniciar el modelo Seguidamente pasamos a definir el número de tramos que tendrá nuestro modelo. . tanto el eje maestro como los ejes de los carriles. . Las propiedades del material serán introducidos en la siguiente opción. Lc vereda Losa superior (ts) h Alma (bw) Losa inferior (ti) . para puentes consideraremos propiedades: - las siguientes Resistencia del concreto a los 28 días F’c : 280 kg/cm2 - Módulo de elasticidad del concreto E=15100 √ f ´ c E: 252000 kg/cm2 - Peso específico concreto del = 2500kg/m3 PREDIMENCIONAMIENTO DE LA LOSA Ahora pasaremos a definir las dimensiones en la sección del tablero la cual contara con las siguientes características geométricas. .5 LT = 21.15)+0. y la losa inferior sera restandole el volado que representara quitandole a la losa superior la longitud de las bermas y resulta Li =14.80 m /berma : 1. entonces la longitud interior de las celdas sera: Primero definamos la losa superior la cual sera una longotud restandole las veredas y las barands y resulta Ls = 18.055 L Tramo simple h1 0. y que tendra la seccion tendra 4 celdas.80 m h2= 1. entonces el ancho de la seccion tranversal estara dado por las siguientes dimensiones: - 4 Carriles 2 bermas 2 veredas Barandas metalicas Muro newyersey : 3.15 m /lado : 0.06*30 h 2=0.20 m /vereda : 0.El puente a diseñar es de 4 carriles entonces 2 carriles seran usados para un sentido y los otros dos para el sentido contrario.17 L 18 h1 : 0.50 m Por lo tanto el ancho de la seccion transversal es: LT = 4(3.60 m /carril : 1.9−0.2)+2(0.6)+2(1.3∗5−2∗1.30 m.Predimencionamiento del peralte de la seccion h1 0.8)+2(1.2 m Si asumimos un espesor de alma bw = 0.68 m .017+ 30/18 h1= 1.5 m.8)/4 Lc =3.9 m Lc=(14.35 m Para el predimencionamiento de la seccion del puente usaremos los siguientes criterios 1.06 L (Tramo continuo ) h2 0. 05 asi que las dimensiones asignadas seran: ts = 0. 2.20 m las dimenciones antes calculadas se representan en plano siguiente . tambien se a podido escoger el promedio de los dos valores hallados.80 m por razones de seguridad.83 mm ti=217.escogemos el valor de h1= 1..2mm Entonce daremos valores para los espesores hallados multiplos de 0.30 m y ti = 0.Predimencionamiento de losas Pr e dim ensionamie nto Losas Lc 3000 175mm Superior t S 30 Lc Inferior t I 175mm 16 Losa superior ts= Losa inferior 3475+3000 30 ti=3475 /16 ts=215. En la imagen siguiente se muestra la definición de los carriles interiores. .Las dimenciones de la seccion halladas seran colocadas en el programa para su posterior calculo Como se puede observar se ha cambiado para que sea de cuatro cajones Luego pasamos a definir las líneas por donde pasaran los vehículos. o sea el número de carriles del puente. las cuales seran las lineas 3 y 4 respectivamente.En la imagen siguiente se muestra la definicion de los carriles exteriores. Hasta ahora el modelo del puente va quedando de la siguiente manera: . ya sea la carga permanente como la carga móvil.La imagen muestra el puente con sus cuatro carriles Definiremos los diferentes tipos de carga. 1. Cargas móviles CAMION + CD (HL-93K) Leading Load Trailing Load TANDEM + CD (HL-93M) . Leading load fixed Trailing Load HL-93S Para definir las cargas mencionadas anteriormente seguimos la siguiente ruta en el programa como lo muestra la figura siguiente. Primero ingresaremos las cargas del Tándem HL-93M . Ahora ingresamos las cargas Camión HL-93K Por último el tren de cargas final que se debe de introducir es: . baranda.- También se pasara a definir las cargas de vereda. HL-93K. y la carga muerta de los elementos estructurales y no estructurales (DC). peatonal (PL). - También creamos la clase de vehículo con las cargas móviles ya antes designadas (HL-93M. HL-93S) . carga de la superficie de rodadura (DW). - Definimos la carga lineal distribuida de las barandas tanto izquierdas como derechas - Definición de la carga de asfalto . 36 tn/m2 - . la cual será de 0.3 tn/m3 para este caso - Definición de la carga peatonal.- Definición de la carga de vereda. la cual resulta de multiplicar la sección de la vereda con el peso específico del concreto el cual será 2. La primera combinación será la mostrada en la figura. para lo cual creamos una carga llamada LL que representara nuestra carga móvil. la cual será el estado último de las cargas .Ahora pasaremos a definir las combinaciones de carga para nuestro modelo. La ultima combinación será él se la resistencia I la cual representa al estado ultimo multiplicado por un factor. Luego de definir las cargas podemos mostrarla como por ejemplo la carga distribuida de la vereda . Los momentos obtenidos producto de la combinación de carga resistencia ultima se muestran a continuación. los valores eran mostrados en una tabla. la imagen siguiente muestra la deformada del puente debido al peso propio. .RESULTADOS Luego de analizar el puente en el programa los resultados obtenidos son los siguientes. Se observa que los momentos en los extremos del puente son cero debido a que se le asignó un apoyo simple eso quiere decir que se ha asignado de forma correcta esta suposición que se ha realizado. 23 15 Max 286.6E+03 4.3E+02 -663.4E+02 97.54E-08 4.9E+03 5.6E+03 4.9E08 3.8E+03 2.9E06 Tonf-m 0 Max -502.0E+02 -7.82E-08 5.2E07 1.9E+02 -124.3E+02 -51.5E+02 12 Max 116.6E07 1.6E+02 -229.4E07 1.76E-08 4.1E07 4.80E-08 5.1E07 4.62E-08 4.2E+03 1.22 -7.09 -3.0E07 1.2E06 1.2E+02 -640.8E+02 -292.8E+02 -312.78 -7.57E-08 4.9E+02 -486.7E+02 2.55E-08 4.9E+03 2.67 15 Min 22.7E08 9.4E08 3.8E+03 4.1E+02 -7.2E06 1.80E-08 5.6E+02 15 Max 266.94 -3.93 -3.79E-08 4.8E+02 -819.34 -7.2E+03 4.75 -7.4E+02 -214.98 -7.8E+02 -143.8E+03 2.78E-08 4.58E-08 4.1E+02 0 Min 3 Max 3 Min 3 Max 3 Min 6 Max 6 Min 6 Max 6 Min 9 Max 9 Min 9 Max 9 Min 12 Max 12 Min -3.6E06 1.44 -7.7E+02 -368.9E+03 4.62E-08 4.0E-07 1.2E+03 .82 -3.1E+03 2.68 -3.27 -3.19 -3.0E07 9.2E+02 -377.9E+03 2.78E-08 4.3E+03 3.7E+03 2.5E-07 2.7E08 6.6E06 1.8E+02 -464.2E+03 1.8E+03 5.53E-08 4.90 15 Min 39.7E+03 2.79E-08 4.1E+03 2.18 -3.1E07 7.92 -3.91 12 Min -3.53 -7.60E-08 4.8E+02 18 Max 437.55E-08 4.60E-08 4.3E+03 2.76E-08 4.1E07 7.Layout ItemTy Line pe Distance m V2 V3 T M2 M3 Tonf Tonf Tonf-m Tonf-m 1.4E08 1.9E08 6.4E+02 -70.01 -3.59 -7.6E07 1.52E-08 5.75E-08 5.4E07 1.74E-08 5.2E+03 3.75E-08 5.43 -7.2E07 1. 92 24 Max 778.5E06 2.0E+03 2.55 0.84E-08 5.6E+02 773.82E-08 5.6E+03 -5.8E+03 9.5E+03 -1.6E+03 -1.49 27 Min 635.7E07 1.2E+02 33 Max -491.2E+03 2.6E+03 -3.4E+02 1.8E06 2.6E+02 -3.2E07 2.5E06 2.6E+03 -5.5E+02 30 Min -976.84E-08 5.4E+0 0 1.1E+03 1.2E+03 -2.0E+02 -1.9E07 2.53 0.9E+02 -7.69E-08 5.27 21 Max 628.3E+02 -7.72E-08 5.0E+02 33 36 Min Max -804.0E+03 -5.29 27 Min 646.8E07 1.41 21 Min 354.9E06 1.4E+0 0 1.50 18 Max 457.2E06 1.1E+02 33 Min -825.3E+02 -7.02 21 Min 340.65E-08 5.2E+03 -2.84E-08 5.2E06 1.5E+02 -7.0922 5.7E+02 -7.7E+02 5.1E06 2.69E-08 5.65 24 Min 491.7E+02 -3.2E+02 -3.52 0.9E07 2.0922 6.99 -7.23 -357.2E+0 0 1.7E07 2.1E- 2.85 24 Min 503.84E-08 5.8E+02 33 Max -483.65E-08 5.2E07 2.1E+02 -7.93 -3.0922 0.2E+0 0 9.58 18 Min 199.85E-08 6.0E+02 18 Min 183.0E+03 4.2E+0 0 1.4E+02 -7.1E+03 -1.75E-08 6.0922 6.5E+03 -3.6E+03 -3.74E-08 6.86E-08 6.73 21 Max 608.29 -0.0E+03 -5.42 -0.8E+02 .8E+03 9.86 27 Max 968.74E-08 6.4E+02 2.6E+03 -3.23 27 Max 948.65 -0.7E+02 30 Max -616.4E+02 1.0922 6.0922 6.5E07 3.72E-08 5.76 30 Max 30 Min 1116.-7.3E+02 -3.8E06 2.1E+02 -3.5E07 2.9E+02 -3.85E-08 6.0E+02 1.0922 5.5E+02 -3.2E+0 0 1.13 24 Max 798. 0E+02 5.0922 5.1E+02 5.9E01 -3.8E01 -4.8E+02 1.2E+02 1.4E+03 .1E+02 5.4E+02 36 Min -652.2E+02 01 -9.0E+02 5.9E01 -3.6E01 4.9E01 6.0922 42 Min -307.4E+03 1.0922 51 Min 206.8E01 -4.0E+02 5.3E+02 5.6E+03 -4.3E- -1.0E+02 5.6E01 3.6E+03 -4.0922 36 Min -631.9E01 9.0922 42 Min -287.30 -0.54 -0.0922 -0.4E+03 1.0922 45 Max 138.8E+02 2.20 346.54 0.8E+02 2.0922 42 Max -27.8E01 -6.54 0.2E+02 1.7E+03 3.5E+02 5.0E+02 5.0E+02 5.0E+02 5.0E+02 5.8E01 -6.3E+02 - 5.8E01 -6.1E01 -9.8E01 -4.9E01 3.96 -0.7E+03 3.6E+03 -4.69 -0.0E+02 5.1E+02 5.8E01 -4.20 -0.8E+02 2.54 -0.74 -0.0922 48 Min 27.9E01 4.2E+02 2.74 0.9E01 6.0922 45 Min -138.3E+02 54 54 Max Min 631.1E+02 5.69 0.0922 48 Max 307.26 0.0922 51 Min 190.4E+03 1.0922 51 Max 479.1E+02 5.6E+03 -4.0922 39 Max -206.74 -0.01 0.8E+02 2.0922 45 Max 119.0922 48 Max 287.0922 36 Max -346.0922 39 Min -458.69 0.2E+02 1.69 -0.0922 45 Min -119.74 0.30 0.4E+03 1.01 -0.8E+02 2.0922 39 Max -190.3E+02 5.2E+02 5.9E01 4.5.8E+02 -1.1E01 -9.0922 51 Max 458.0922 5.34 -0.3E01 6.1E+02 5.8E+02 -1.9E01 6.0922 48 Min 45.0922 42 Max -45.9E01 4.58 0.4E+03 1.0E+02 5.3E01 9.8E01 -6.0922 39 Min -479.58 -0.96 0.26 0.4E+03 1. 69E-07 60 Min -773.0922 6.6E+03 -5.8E+02 57 Min 491.37E-08 69 Max -340.85 4.6E+02 6.42 -0.2E+0 0 1.1E+03 -1.6E+02 57 Max 804.4E+0 0 5.3E+02 6.2E+03 .65 0.39E-08 63 Max -635.41 4.8E06 2.2E06 2.2E06 2.4E+02 5.29 0.6E+03 -5.1E+03 -3.52 -0.7E07 3.0922 5.27 1.0E06 1.69E-07 63 Min -948.8E+03 9.38E-08 66 Max -491.7E+02 6.37E-08 5.3E07 5.0E+02 1.86 1.0E+03 -5.76 1.39E-08 66 Max -503.0E+03 -5.4E+03 -1.4E+02 6.69E-07 69 Min -608.0E06 1.0922 5.7E+02 57 Min 483.0922 54 Min 357.0922 6.5E+02 54 Max 652.5.1E+02 4.2E+02 60 Min 616.3E01 1.6E06 1.9E07 4.5E+02 60 Max 1.13 1.29 4.5E+02 5.1E+02 60 Max 976.2E+0 0 1.69E-07 69 Min -628.4E+02 72 Max -199.7E+02 5.1E01 -9.02 4.53 -0.40E-08 6.23 0.69E-07 66 Min -778.4E+02 2.0E+02 57 Max 825.6E+03 -3.7E07 4.4E+0 0 1.4E+02 4.7E07 5.2E+02 6.8E+03 9.1E+02 5.9E+02 5.55 -0.9E07 4.69E-07 63 Min -968.2E+0 0 1.4E06 1.0922 5.9E+02 5.3E+02 5.3E07 4.92 1.7E+02 5.6E+03 1.93 63 Max -646.49 4.2E+03 -2.0922 6.5E+03 -3.0E+02 2.23 1.73 1.2E+0 0 1.6E06 1.69E-07 5.69E-07 66 Min -798.65 4.0922 6.2E+03 -2.5E+03 -1.5E+02 01 9.6E+03 -1.8E+02 -1.39E-08 69 Max -354.6E+03 -3.34 0.99 1116. 9E+03 4.9E+03 5.67E-07 90 Min 502.0E+03 4.68E-07 81 Min 51.72 Min -457.68E-07 75 Min -266.8E+02 4.35E-08 75 Max -22.30E-08 90 Max 819.68 4.8E08 1.30E-08 87 Max 663.8E+02 4.67 4.8E+03 2.32E-08 81 Max 312.3E+02 5.98 1.3E+02 4.94 1.9E+03 2.3E07 3.1E07 2.09 4.1E+03 2.27 4.8E08 2.23 1.91 4.3E07 2.8E+03 3.18 4.2E+03 2.4E+02 4.8E+02 1.2E+03 1.59 1.9E+03 2.7E-08 .3E09 1.33E-08 81 Max 292.6E+03 4.1E06 -9.8E+02 4.68E-07 84 Min 229.68E-07 78 Min -97.1E+02 5.9E+02 4.8E06 1.67E-07 87 Min 377.67E-07 87 Min 368.43 1.6E+02 5.31E-08 87 Max 640.01 4.44 1.0E07 2.8E06 1.35E-08 78 Max 124.8E07 -6.5E+02 4.6E08 1.3E+02 5.6E06 3.36E-08 75 Max -39.4E+02 4.68E-07 84 Min 214.7E08 -1.4E06 1.58 4.19 4.50 1.4E+02 4.8E07 -6.3E+03 2.2E+03 2.2E+03 3.6E06 3.3E09 4.53 1.7E+02 5.8E+03 4.74 1.3E+03 7.6E+02 4.2E06 6.6E+03 5.82 4.4E08 4.78 1.90 4.0E+02 4.0E07 2.29E-08 5.68E-07 75 Min -286.8E+02 5.7E+02 5.8E+02 4.2E+02 4.2E06 6.31E-08 84 Max 486.2E+03 1.2E+02 4.7E+03 2.34 1.4E08 -7.68E-07 81 Min 70.6E-08 6.1E06 -9.69E-07 72 Min -437.6E08 1.1E+03 2.68E-07 78 Min -116.9E+02 4.92 4.93 4.0E+03 4.8E+03 2.1E+02 4.36E-08 72 Max -183.7E+03 2.22 1.32E-08 84 Max 464.33E-08 78 Max 143.0E+02 5. Envolvente de esfuerzo debido a la combinación RESISTENCIA I Envolvente de esfuerzo debido a la combinación ÚLTIMA . Las líneas de influencia generadas por las cargas vehiculares se muestran a continuación Distribución de acero en la losa del puente .