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CIV-219 Apuntes de Puentes Ing. Adolfo Castro

UMSA

CAPÍTULO I HISTORIA Y DEFINICIONES 1.1. Historia

El tronco de un árbol sobre una corriente de agua es una pasarela de las más primitivas.

Pasarela con lianas. Antecesores de los puentes colgantes y atirantados. Los cables se fabricaban de lianas, enredaderas, cuero, bambú, mimbre y materiales similares. Las cuerdas se han utilizado para hacer puentes colgantes en muchas culturas primitivas, desde el Himalaya a los Andes, y desde África a las islas de Oceanía.

Puente Sharistan (Irán)

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Puente Turco (Frontera Albano - Turco)

Acueducto (Alemania)

Viaducto (Suiza)

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Puente (Australia). Puente en arco de Hormigón armado. L=304[m]

Puente Garabito (Francia). Puente en arco de Hormigón armado. L=304[m]

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Puente Broklyn (Estados Unidos)

Puente colgante entre Honshu y Shikoku (Japón) - Puente SetoOhashi (Gran Puente de Seto), es una serie de puentes que conecta la ciudad de Kurashiki, en la isla de Honshu, con Sakaide, en la isla de Shikoku. Constituye la primera de las 3 vias de unión entre las islas japonesas de Honshu y Shikoku. Tiene 2 pisos. 13,1 km de longitud. El tablero superior es una autopista de peaje y el inferior es usado para el tráfico de trenes. Puede soportar vientos de 150 km/h y terremotos de 8,5 grados.

Puente en acero Rheinbrucke (Alemania). L=

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Puente de Normandia (Francia). Puente Atirantado

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CLASIFICACIÓN. Existen diversos y numerosos criterios: - Sección transversal, materiales de construcción, etc. De acuerdo al Sistema Portante. a) Puentes en arco b) Puentes pórticos c) Puentes con cables De acuerdo a las partes constitutivas de un puente a) Superestructura b) Infraestructura

Sección Longitudinal a) SUPERESTRUCTURA Barandado

Bordillo

Tablero o losa de calzada

Capa de rodadura

Acera

1% a 2%

Viga principal o longitudinal Diafragma (Separación máxima 12,5[m])

Sección Transversal Superestructura Losa A-A Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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El parapeto es utilizado como protección de los peatones cuando exista un riesgo de caída en puentes y viaductos.

Detalle de Drenaje

Detalle de Acera

10cm

Lagrimal

5cm Detalle de Junta de Dilatación

b) INFRAESTRUCTURA ▪ ▪

Estribo Pila

DATOS PARA EL DISEÑO DE UN PUENTE a) Topografía - Planimetría con curvas de nivel cada metro (si la quebrada es profunda se recomienda cada metro, si el terreno es poco pronunciado preferiblemente menos juntas). - Secciones transversales del río aguas arriba y aguas abajo a 500m (situadas entre 10 y 20m). - Perfil longitudinal en el eje del Puente (con NAM, NAO, NAME, NAm). - Material de arrastre del río. - Velocidad de la corriente. Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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b) Hidrología - Media Anual (50 años). - Nivel máxima extraordinarias. c) Geotecnia Estudio Geotécnico, Propiedades físico mecánicas del puente d) Geología - Perfil geológico - Datos físico mecánicos del suelo.  Capacidad de soporte del suelo  Angulo de fricción interno  Cohesión  Peso unitario natural  Nivel freático  Consolidación e) Características de los ríos -

Ríos de caudal bruscamente variables o torrenciales   

-

Variabilidad del lecho Inundaciones Socavaciones

Ríos de caudal relativamente constantes  

Socavación General. Depende del tipo de terreno Socavación Local. Depende:  Forma de la pila  Ángulo de inclinación  Velocidad de la corriente.

ELECCIÓN DEL TIPO DE PUENTE Plantear por lo menos tres alternativas de anteproyectos. - Económico - Constructivo - Estético Si el suelo es granular o roca se utiliza una estructura HIPERESTATICA Si el suelo es cohesivo o compresible se utiliza una estructura ISOSTATICA PLANOS CONSTRUCTIVOS -

Plano general Plano de la superestructura Plano de la infraestructura Plano de detalles (Barandas, parapeto, junta de dilatación, aparatos de apoyo, drenaje, etc.).

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-

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Arquitectónico Estratos geológicos

DEFENSIVOS. Estos se utilizan cuando el puente es de menor longitud que el ancho hidráulico o en ríos meandricos que se originan cuando el terreno es llano

Río Meándrico

Reducción del área hidráulica

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CAPÍTULO 3 SOLICITACIONES EN PUENTES 1. INTRODUCCIÓN Diseño en puentes carreteros (AASTHO 96) 2. CARGAS - Peso propio o carga muerta. - Carga viva. - Impacto o efecto dinámico de la carga viva. - Carga de viento. - Fuerza longitudinal (frenado o acelerado). - Fuerza centrífuga (Puentes curvos). - Fuerzas térmicas. - Presión de la tierra. - Subpresión. - Tensiones de retracción. - Acortamiento. - Tensiones de lanzamiento. - Hielo o presión de la corriente. - Sismo. - Palizada (Zona del oriente de Bolivia). 3. PESO PROPIO -

Material Pesos unitarios Acero 77.00 [kN / m 3 ] Aluminio 28.00 [kN / m 3 ] Madera (Tratada o no tratada) 9.00 [kN / m 3 ] Hormigón (Simple o armado) 24.00 [kN / m 3 ] Arena, tierra, grava o balasto compactado 19.00 [kN / m 3 ] Arena, tierra y grava suelta 19.00 [kN / m 3 ] Mampostería de piedra 27.00 [kN / m 3 ] Pavimento 24.00 [kN / m 3 ] Rieles, guardarrieles 32.00 [ kN / m] Carpeta asfáltica de 2.54 [cm] de espesor 0.50 [kN / m 2 ]

4. CARGA VIVA Tren de cargas: M-13.50; M-18; MS-13.50; MS-18 Carga equivalente: Considera carga distribuida en un ancho de de 3.0 [m] Sistemas de protección: Peatonal, ciclístico, parapeto. Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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A N CH O D E LIN EA D E CA RG A 3,0m

Bordillo

0,6

1,8

0 ,0

VISTA LATERAL

142,4 [KN] 106,8 [KN]

4,27 [m] W =Total weight of truck and load

0,8W

35,6 [KN] 26,7 [KN]

0,2W

M-18 H 20-44 M-13,5 H 15-44

0,1 W

0,4 W

0,1 W

0,4 W

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142,4 [KN] 106,8 [KN]

4,27-9,14[m]

0,8W

4,27[m]

0,8W

142,4 [KN] 106,8 [KN]

0,2W

MS-18 HS 20-44 35,6 [KN] MS-13,5 HS 15-44 26,7 [KN]

0,1 W

0,4 W

0,4 W

0,1 W

0,4 W

0,4 W

5.1. CARGA EQUIVALENTE

9,34[Kn/m]

80,06[Kn] 115,65[Kn]

Momento Cortante

7,0 [Kn/m]

MS 18 MS 13,5

60,05[Kn] 86,74[Kn]

Momento Cortante

M 13,5 M 18

5. IMPACTO Efecto debido a fuerzas dinámicas, vibratorias e impacto. Grupo A: Se incluye el impacto. 1) Superestructura 2) Pilas, excluyendo la fundación y porción que este bajo el lecho del río. 3) La porción de pilotes de hormigón y acero que estén por encima del lecho del río. Grupo B: No se incluye el impacto. 1) Estribos, muros de contención, pilotes excepto lo indicado en el grupo A-3. 2) Presión en las cimentaciones. 3) Estructuras de madera. 4) Carga peatonal. 5) Alcantarillas y estructuras que tengan un relleno de 0.90 [m] o mas de altura. I =

15.24 ≤ 0.30 L + 38.1

L = [m]

a) Para pisos de rodadura: longitud del tramo de diseño. Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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b) Para elementos transversales, como vigas de piso, la longitud del tramo del elemento, centro a centro de apoyos. c) Para el cálculo de momentos con el tren de carga: longitud del tramo o para vigas en voladizo desde la sección donde se quiere determinar el momento hasta el eje más alejado del tren de cargas. S S

L

d) Para cortante debido al tren de carga: La longitud de la porción cargada del tramo desde el punto bajo consideración a la reacción alejada, excepto, para vigas en voladizo usar 0.30. e) Para tramos continuos: La longitud del tramo en consideración para momentos positivos, y el promedio de los dos tramos adyacentes para momentos negativos. f) Para alcantarillas con alturas de relleno: 0 - 0.30 [m] I = 0.30 0.33 – 0.61 [m] I = 0.20 0.64 – 0.89 [m] I = 0.10 6. FUERZA LONGITUDINAL

FL

FL=0.05 ⋅ (q ⋅ L + Cm) ⋅ n

1,80[m]

Se utiliza la carga equivalente sin impacto para momentos. 7. FUERZA CENTRÍFUGA Porcentaje de la reacción en cada rueda sin impacto. S = Velocidad de diseño de la carretera S2 [km/h] C = 0.79 ⋅ R R = Radio de curvatura [m] -

No se debe usar la carga equivalente para determinar la fuerza centrifuga. Se aplica a 1.80 [m] de la superficie de rodadura.

8. CARGA PEATONAL 4.07 [kN/m2] para la acera. En el caso de vigas, reticulares, arcos y otros elementos la carga peatonal se calcula: Tramos:

0 – 7.62 [m] 7.92 – 30.48 [m]

4.07 [kN/m2] 2.87 [kN/m2]

Mayor a 30.48 [m] Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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43.78   16.76 − W   2 P = 1.44 + ⋅  ≤ 2.87[ kN / m ] L 15 . 24    

Donde:

L = Longitud cargada de la acera [m] W = Ancho de la acera [m]

Para pasarelas peatonales o ciclísticas 4.07 [kN/m2] 9. CARGA EN EL BORDILLO 7,30 [kN/m] 0,25 [m]

10.

CARGAS DE VIENTO

Velocidad de l viento VIENTO

160.90[km/h]

EN LA SUPERESTRUCTURA.

Viento en la Superestructura Ángu lo del vient o

Reticulares

Viento en la Carga Viva

Vigas Ángul o del viento

Carga Later al

Carga Longit .

[kN/m2]

Grados

[kN/m2 ]

[kN/m2 ]

0 0.29 0.58 0.77 0.91

0 15 30 45 60

1.46 1.28 1.20 0.96 0.50

0 0.18 0.35 0.47 0.56

Carga Later al

Carga Longitudi nal

Carga Later al

Carga Longitudi nal

Grado s

[kN/m2 ]

[kN/m2]

[kN/m2 ]

0 15 30 45 60

3.59 3.35 1.44 2.15 2.87

0 0.57 1.34 1.96 2.40

2.40 2.11 1.96 1.58 0.81

CUANDO

LA LUZ ES MENOR O IGUAL A

Viento en la Superestructura Transversal 2.39 [kN/m2] Longitudinal 0.57 [kN/m2] Estas fuerzas se aplican en el baricentro del área expuesta al efecto del viento

38.10[M]: Viento en la Carga Viva Transversal 1.46 [kN/m2] Longitudinal 0.58 [kN/m2] La fuerza se aplica a 1.80[m] sobre la losa de calzada.

VIENTO EN LA INFRAESTRUCTURA. Velocidad del viento de 160.90 [km/h]. Presión de 1.92 [kN/m2] Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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L Pila

Cuerpo de Pila β β

 L + L2 + D 2   L2 + D 2   1.92  D ⋅ L + B ⋅ L2 + D 2  VTI =  2  L2 + D 2  VLI =

11.

1.92 ⋅ L ⋅ D ⋅ H 2

   

H = Altura libre del cuerpo de pila entre el nivel de aguas y su coronamiento [m]

FUERZA DE LA CORRIENTE  KN  p = kv 2  2  m 

V= velocidad de la corriente [ m/seg] K= 0.72 K=0.36 β =30º β = 45º β =90º

)β

2P

NA

FC LINEAL

2 3h

k =0.26 k =0.3 k =0.44

VELOCIDAD MAXIMA

1 2 ρhB 2 FC = ρhB FC =

h

LECHO DE RIO

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12.

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EMPUJE DE TIERRAS Por RANKINE

q h`

Minimo 60 cm entonces 10 KN/m2

MATERIAL DRENANTE

19 KN/m3para RELLENO COMPACTADO

E b h´=

h

MEMBRANA GEOTEXTIL

RELLENO

TUBERÍA PERFORADA Ø0.5m pte. 2%

q

γ

1 − senφ 1 + senφ γh E= ( h + 2h´)Ka 2 h(h + 3h´) b= ( h + 2h´) h´min = 0.60m Ka =

γ =peso unitario del relleno [KN/m3] φ =ángulo de fricción interna del relleno Q= carga viva VIGAS PREFABRICADAS DE HORMIGON UTILIZADAS EN PISOS MULTIVIGAS.

L L AV E

P E RNO DE

DE

I NY E CCI ON S I N RET RACCI ON

CORT E

P RE S I ON

S

La inyección tiene lechada + expansor Factor de carga = S/D 0.80

M s −s = 3.4 * R1 +1.30 * R 2 −100(α −0.80 ) α = 2 S = 4.2

M s −s = 3.4 * 0.6 +1.30 * 0.4 −100( 4.20 −0.80 )

M s −s = −0.84 α = S = 2.10

M s −s = 3.4 * 0.4 +1.30 * 0.3 −100( 2.10 −0.80 ) = 0.45 Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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α ≤ 0.80 M s −s = 3.4 * R1 + 1.30 * R 2

Pero antes: 0.60 y = → y = 0.276 2.10 * 3 0.80 + 2.10 0.40 y´ = → y´= 0.238 2.10 * 4 0.8 + 2 * 2.10

α = 0.80 →M s −s = 3.4 * 0.276 +1.30 * 0.238 =1.249 α = 0.00 →M s −s = 3.4 * 0.20 +1.30 * 0.20 = 0.940 α = −S →M s −s = 3.4 * 0.00 +1.30 * 0.10 = 0.130 α = 0 − 2 S →M s −s = 3.4 * ( −0.20) +1.30 * 0.00 = −0.68

1.80

0.2

1.2

1.8

0.94

1.2

1.249 0.512 0.45

0.557 0.096

0.68

1.8

0.130

0.595

0.603

2.10

2.10

2.10

2.10

0.84

Entre los diafragmas la losa actúa como simplemente apoyada.

0.20

7.73 4.27 4.27 7.73

12.00

12.00

12.00

Rcv

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I =

15.24 0.38 < 0.30 2.10 + 38.10 27

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Rcv =

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P * p / 4 * 7.73 + P * 7.73 = 1.805 * P 12.00 1.80

Para el tren de cargas:

1.2

1.8

1.2

1.8

Entonces:

R

CV + I

= 1.805 * 71.20 *1.30 = 167.071[ KN ] →

Lo que pesa una rueda

Entonces lo cargamos al diafragma Según el reglamento, lo más probable que circulen los camiones en:

 1.2 → 100%  fajas _ de _ trafico 3 → 90%  ≥ 4 → 75% 

M S −S = ( − 0.603 + 0.092 + 0.557 +1.249 + 0.504 − 0.595) * 167.09 * 0.90 M S −S =180.61[ Kn − m]

Si tuviéramos que diseñar , faltaría el peso propio( solo actúa en la viga longitudinal)

10.00

0.6

1.8

0.5

1.60

1.40

1.56

capa de rodadura

bw 8.4

g´= 0.2 * 1.4 * 24.00 = 6.72[ Kn / m] 1 1 1 A = − * 0.68 * 1.76 + * 1.249 * 5.27 − * 0.840 * 1.37 = 2.12[ m 2 ] 2 2 2 S −S M g = 2.12 * 6.72 = 14.25[ KN − m] Mu = 1.30 * (14.25 + 1.67 * 180.61) = 410.63[ KN − m]

2 y 1 Faja de tráfico 

adoptamos el > y con el cual diseñamos. Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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Para continuar con el ejemplo asumiremos que MU=410.63 es el > Como datos requerimos: fc´= 25.00[ MPa ] fy = 500.00`[ MPa ]

φ min

Recubrimiento = 3.00 [cm]

En puentes utilizar=10.00 mm

2.10  1 / 4 = = 0.52  4  b =  bw + 12t = 0.2 + 12 * 0.16 = 2.12[m]  S = 2.10   Elegimos el menor Utilizamos la norma americana para obtener la armadura por flexión µ=

Mu φ * 0.85 * fc´*b * d 2

a / d =1 − 1 − 2 µ As =

a 0.85 * fc´ *b * d * d fy

φfriccion : 0.90 →

Para que no colapse las estructuras Permite tener tolerancia, en el que se pueda tener un Hº en obra Es decir H-25 Lo que se requiere H-24 Lo que se obtiene en obra Entonces: 0.9*25=22.5  es la resistencia a la que puedo llegar, es decir, hasta lo que puedo llegar  H-24 si me sirve. Cubre ciertos aspectos en obra, para poder ser aceptada la estructura y asi no ser rechazada. Entonces 410.63[ KN − m] +10 −3 = 0.0179 0.9 * 0.85 * 25.00 * 0.52 * 1.52 2 a / d = 1 − 1 − 2 * 0.0179 = 0.0181

µ=

As = 0.0181 * 52 * 152 *

0.85 * 25.00 = 6.07[cm 2 ] 500.00

2φ20 → Ar = 6.28[cm 2 ] Univ. Vladimir Ulaque Zeballos

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Calculamos la separación máxima

3.6

4.8

4.1

3.6

4.8

10.4 20.00

 1.5 * T .M .N .(3 / 4) = 1.5 *1.9 = 2.85(cm)  elegimosel >  1.5φ borre = 1.5 *1.6 = 2.40[cm]  4.00[cm] 

1.8 cm

d ´=1.56 − ( 4.8 + 4.1 / 2) =1.4915

4.10 2.50

4.00

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