• Author / Uploaded
• Oscar Leon Vallejo

Citation preview

Diseño de Puentes y Obras de Arte Unidad 1: CONCEPTOS GENERALES Semana 1: Tema : Cargas y combinaciones de cargas Docente: César Leónidas Cancino Rodas

Contenido 1. Cargas permanentes 2. Cargas transitorias 3. Combinación de cargas

Carga permanente En la sección 3 de las especificaciones AASHTO LRFD ,se indican las diversas cargas que deben ser consideradas en el diseño de un puente, se agrupan en dos clases : cargas permanente y cargas transitorias: Son aquellas que actúan durante toda la vida útil de la estructura sin variar significativamente, o que varían en un solo sentido hasta alcanzar un valor límite. Corresponden a este grupo el peso propio de los elementos estructurales y las cargas muertas adicionales tales como las debidas al peso de la superficie de rodadura o al balasto, los rieles y durmientes de ferrocarriles. También se consideran cargas permanentes el empuje de tierra, sobrecarga de tierra, la fricción superficial negativa, y otros que figuran en artículo 2.4.5.2 (3.3.2 AASHTO):

Carga permanente

CR = fluencia lenta DD = fricción negativa (downdrag) DC = peso propio de los componentes estructurales y accesorios no estructurales DW = peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones para servicios públicos EH = empuje horizontal del suelo EL = tensiones residuales acumuladas resultantes del proceso constructivo, incluyendo el izaje de voladizos en construcciones segmentadas ES = sobrecarga de suelo EV = presión vertical del peso propio del suelo de relleno PS= Fuerzas secundarias de post-tensado para el estado limite de resistencia y fuerza total de pretensado para el estado limite de servicio SH = contracción

Carga transitoria Son aquellas para las que se observan variaciones frecuentes y significativas en términos relativos a su valor medio. Las cargas variables incluyen los pesos de los vehículos y personas, así como los correspondientes efectos dinámicos, las fuerzas de frenado y aceleración, las fuerzas centrífugas, las fuerzas laterales sobre rieles. También corresponden a este grupo las fuerzas aplicadas durante la construcción, las fuerzas debidas a empuje de agua y sub presiones, los efectos de variaciones de temperatura, las acciones de sismo y las acciones de viento.

Carga transitoria BL: Carga de explosivos BR = fuerza de frenado de los vehículos CE = fuerza centrífuga de los vehículos CT = fuerza de colisión de un vehículo CV = fuerza de colisión de una embarcación EQ = sismo FR = fricción IC = carga de hielo IM = incremento por carga vehicular dinámica LL = sobrecarga vehicular LS = sobrecarga viva

Carga transitoria PL = sobrecarga peatonal SE = asentamiento TG = gradiente de temperatura TU = temperatura uniforme WA = carga hidráulica y presión del flujo de agua WL = viento sobre la sobrecarga WS = viento sobre la estructura

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular • • • • •

Sobrecargas Gravitatorias: LL y PL Incremento por Carga Dinámica: IM Fuerzas Centrífugas: CE Fuerza de Frenado: BR Fuerza de Colisión de un Vehículo: CT

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Número de Carriles de Diseño: En general, el número de carriles de diseño se debería determinar tomando la parte entera de la relación w/12.0 (w/3.60 en m.), siendo w el ancho libre de calzada entre sardineles, cordones y/o barreras. Los anchos de calzada comprendidos entre 6 y 7.2 m deberán tener dos carriles de diseño, cada uno de ellos de ancho igual a la mitad del ancho de calzada.

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Presencia de Múltiples Sobrecargas (m): Los requisitos de este artículo no se aplicarán al estado límite de fatiga para el cual se utiliza un camión de diseño, independientemente del número de carriles de diseño. La solicitación extrema correspondiente a sobrecarga se deberá determinar considerando cada una de las posibles combinaciones de número de carriles cargados, multiplicando por un factor de presencia múltiple correspondiente para tomar en cuenta la probabilidad de que los carriles estén ocupados simultáneamente por la totalidad de la sobrecarga de diseño HL93

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Presencia de Múltiples Sobrecargas (m):

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Camión de Diseño

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Tándem de diseño

Carga del Carril de Diseño

0.952 ton/m

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Aplicación de Sobrecargas Vehiculares de Diseño: Longitudinal a) Caso general La solicitación extrema se deberá tomar como el mayor de los siguientes 3.63 ton 14.52 ton 14.52 ton valores: 4.3 m 4.3 m – 9m ➢La solicitación debida al tándem de 0.952 ton/m diseño combinada con la solicitación debida a la carga del carril de diseño, 11.3 5 ton 11.35 ton 1.2m

0.952 ton/m

➢La solicitación debida a un camión de diseño con la separación variable entre ejes como se especifica en el combinada con la solicitación debida a la carga del carril de diseño

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Aplicación de Sobrecargas Vehiculares de Diseño: Longitudinal b) Caso Especial Tanto para momento negativo entre puntos de inflexión bajo una carga uniforme en todos los tramos como para reacción en pilas interiores solamente, 90 por ciento de la solicitación debida a dos camiones de diseño separados como mínimo 15.000 mm entre el eje delantero de un camión y el eje trasero del otro, combinada con 90 por ciento de la solicitación debida a la carga del carril de diseño. La distancia entre los ejes de 14.52 ton cada camión se deberá tomar como 4.30 m. 0.952 ton/m 3.63 ton 14.52 ton 14.52 ton 4.3 m

4.3 m

3.63 ton 14.52 ton 14.52 ton 15 m mínimo

4.3 m

4.3 m

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Aplicación de Sobrecargas Vehiculares de Diseño: Transversal

En la dirección transversal, el camión de diseño y el tándem de diseño deben ubicarse de tal manera que se maximice el efecto que se está considerando . . El camión o tándem de diseño se deberá ubicar transversalmente de manera que ninguno de los centros de las cargas de rueda esté a menos de: • Para el diseño del vuelo del tablero − 0.30 m a partir de la cara del cordón o baranda, y • Para el diseño de todos los demás componentes − 0.60 m a partir del borde del carril de diseño

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Aplicación de Sobrecargas Vehiculares de Diseño: Transversal Nota A: coloque los ejes de ruedas dentro del carril de diseño de modo tal que se maximice el efecto considerado; mínimo = 0.60m. Nota B: coloque los carriles de diseño en la calzada de manera que se maximice el efecto considerado.

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Aplicación de Sobrecargas Vehiculares de Diseño: Transversal Nota A: Coloque el carril cargado dentro del carril de diseño de manera tal que se maximice el efecto considerado. Nota B: coloque los carriles de diseño en la calzada de manera tal que se maximice el efecto considerado.

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular Incremento por Carga Dinámica: IM El incremento por carga dinámica (IM) de la Tabla es un incremento que se aplica a la carga de rueda estática para considerar el impacto provocado por las cargas de las ruedas de los vehículos en movimiento Los efectos estáticos del camión o tándem de diseño, a excepción de las fuerzas centrífugas y de frenado, se deberán incrementar aplicando los porcentajes indicados en la Tabla, incremento por carga dinámica. No es necesario aplicar el incremento por carga dinámica a: • Muros de sostenimiento no solicitados por reacciones verticales de la superestructura, y • Componentes de las fundaciones que están completamente por debajo del nivel del terreno.

Carga transitoria Sobrecargas vivas: sobre carga vehicular

Combinaciones de cargas A menos que se especifique lo contrario, cada uno de los elementos y conexiones debe satisfacer la Ecuación ΣηiγiQi ≤ φRn = Rr

La solicitación de diseño se tomará como Q = Σηi γiQi donde: ηi = modificador de las cargas especificado en el Artículo 1.3.2 Qi = solicitaciones de las cargas aquí especificadas γi = factores de carga especificados en las Tablas 1 y 2

Combinaciones de cargas

Combinaciones de cargas Combinaciones de cargas

Combinaciones de cargas

Las reacciones en el apoyo A del puente que se muestra en la figura son: RDC=30 ton, RDW=20 ton, RLL=40 ton, RIM=10 ton, RLL=-50 ton, RIM=-20 ton, determine la solicitación de diseñó para el estado límite de resistencia I. RLL y RIM son producidas por el HL-93. Considere ni=1.07. RDC= 30 RDW=20 RLL= 40 RIM= 10 RLL= -50 RIM= -20

Máxima reacción de compresión: = 1.07[1.25x30+1.5x20+1.75(40+10)]=165.85 ton Máxima reacción de tracción: =1.07{0.90x30+0.65x20+1.75[ (-50) +(-20)]} =-88.28 ton

Ton Ton Ton Ton Ton Ton

COMBINACIONES DEL ESTADO LIMITE DE RESISTENCIA combinaciones de estado límite de resistencia están destinadas

Las a recrear condiciones de carga máxima que se pueden presentar sobre la estructura de un puente. En estas combinaciones se obtienen cargas con intensidades considerables que pueden causar grandes esfuerzos y deformaciones en la estructura de los puentes. El estado límite de resistencia asegura que los requisitos de resistencia y estabilidad, tanto locales como globales, se satisfagan para resistir las combinaciones de carga que se espera que experimente un puente durante su vida útil de diseño. Estas combinaciones de carga generalmente no ocurrirían durante el funcionamiento normal de la estructura, pero podrían ocurrir durante la vida de diseño de la estructura. La integridad estructural general está asegurada para las combinaciones de carga de resistencia. No todas las combinaciones de cargas de resistencia se aplican a todas las estructuras de puentes, y el diseñador debe usar el criterio de ingeniería para decidir qué combinaciones de cargas deben incluirse para su

Combinaciones del estado limite de resistencia a) Resistencia I Es una combinación de carga primaria que se usa para evaluar la resistencia de los miembros estructurales considerando la carga viva completa sin efectos del viento. El factor de carga para la carga viva es de 1.75, no se considera el viento actuando sobre la carga viva o sobre la estructura. La verificación de capacidad de carga se efectúa con esta combinación de carga. La combinación de carga de Resistencia I se aplica en el diseños de todos los puentes.

Combinaciones del estado limite de resistencia b) Resistencia II Esta combinación de carga se puede adaptar a cada proyecto de puente específico para permitir a los Propietarios especificar vehículos de diseño especial, vehículos de circulación restringida o ambos. Los vehículos de circulación restringida son vehículos de gran tamaño o con sobrepeso que se permiten en el puente solo bajo circunstancias específicas. Las cargas de viento no están incluidas en esta combinación, similar a la combinación de carga de Resistencia I.

Combinaciones del estado limite de resistencia c) Resistencia III

Esta combinación de carga refleja una condición de viento fuerte (velocidad superior a 90 Km/hora). Esto normalmente evitaría la presencia de una carga viva significativa sobre el puente. Si bien puede haber algo de carga viva, esta se consideraría estadísticamente como despreciable y, por lo tanto, el factor de carga para la carga viva es cero para esta combinación de carga. Las cargas de viento en la estructura se incrementan a través de factores de carga más altos para tener en cuenta el enfoque de esta combinación de carga.

Combinaciones del estado limite de resistencia d) Resistencia IV

La combinación de Resistencia IV enfatiza los efectos de la carga permanente en las superestructuras de los puentes. También produce una confiabilidad más uniforme en toda la gama de tramos y relaciones de carga muerta a carga viva. El nivel de confiabilidad producido por esta combinación de carga es similar al producido por otras combinaciones del estado limite de resistencia. El factor de carga permanente DC para estado limite de Resistencia IV es mayor que para los otros estados limites de resistencia.

Combinaciones del estado limite de resistencia e) Resistencia V

La combinación de Resistencia V es una combinación de las condiciones Resistencia I y resistencia III, en las cuales los vientos fuertes y la carga viva significativa afectan el puente. Las cargas vivas se reducen algo en combinación de Resistencia I para reflejar el hecho de que los vientos fuertes desalientan algo de carga viva, y las cargas de viento no aumentan tanto como en la combinación de Resistencia III. Para el estado límite de resistencia, el viento sobre la carga viva se aplica solo a esta combinación de carga.

Combinaciones del estado limite de resistencia Combinaciones de cargas del estado limite de Resistencia

Aplicaciones de diseño

Resistencia I

• Combinación de carga básica • Uso vehicular normal del puente. • Sin carga de viento

Resistencia II

• Relacionado con vehículos de diseño especial especificados por el propietario, vehículos de circulación restringida o ambos • sin carga de viento

Resistencia III

• El puente está expuesto a una velocidad del viento superior a 90 km/hora • Sin carga viva o viento en carga viva

Resistencia IV

• • • • •

Resistencia V

• Uso vehicular normal del puente. • Incluye carga de viento • Combinación de carga con el viento actuando sobre la carga viva

Destaca los efectos de la carga permanente en las superestructuras de los puentes. Mayor factor de carga máximo para las cargas permanente de CC Sin carga de viento Generalmente se aplica a puentes largos No aplicable a la investigación de etapas de construcción.

Combinaciones del estado limite de servicio En el estado límite de servicio se establecen diversas combinaciones de carga que permiten efectuar el control de los esfuerzos, deformaciones y anchos de grietas en elementos estructurales que se pueden presentar en “condiciones de servicio regular”. La mayoría de los factores de carga de servicio son iguales o cercanos a 1.00. A diferencia de las combinaciones de carga del estado limite de resistencia, las combinaciones de carga de servicio están relacionadas con material. EL termino “condiciones de servicio regular” representan condiciones de carga nominal que se pueden presentar durante el periodo de diseño del puente.

Combinaciones del estado limite de servicio a) Servicio I Esta combinación incluye cargas que podrían presentarse en condiciones normales de operación del puente con un viento de 90 km/hora. A la mayoría de las cargas se les asigna un factor de carga de 1.00, aunque para algunas cargas de viento y temperatura tienen otros valores. Los resultados de esta combinación de carga pueden usarse para controlar las deformaciones de la superestructura y los anchos de grietas de los elementos de concreto reforzado. Servicio I se usa para verificar por compresión los miembros de concreto pretensado, la verificación por tracción de los elementos de concreto pretensado se efectúa el estado limite de Servicio III.

Combinaciones del estado limite de servicio b) Servicio II La combinación de carga del Servicio II se aplica solo a estructuras de acero. Bajo la acción de esta combinación de cargas no debe producirse la fluencia del acero y el deslizamiento de las conexiones de deslizamiento critico. La carga viva vehicular es el foco de esta combinación correspondiéndole un factor de carga de 1.30 en lugar de 1.00. c) Servicio III Dentro de la combinación de carga del Servicio III, las cargas se factorizan y combinan para producir el mayor efecto sobre los elementos de concreto pretensado de la de superestructura. Investigar los esfuerzos de tracción y el control de grietas son los objetivos principales de esta combinación de carga, y utiliza un factor de carga para carga viva de 0.80 en lugar de 1.00. Esta combinación de carga también se aplica para calcular los esfuerzo principales en las almas de las vigas de concreto segmentado.

Combinaciones del estado limite de servicio d) Servicio IV La combinación de carga de Servicio IV está destinada a controlar el agrietamiento de las columnas de concreto pretensado producidas por esfuerzo de tensión. En esta combinación de carga se aplica un factor de carga de 0.70 a la carga del viento, y no se aplica carga viva. Esta combinación de carga se basa en una velocidad del viento de 135 km/hora. Esta combinación de carga generalmente se aplica solo a subestructuras

Combinaciones del estado limite de servicio Combinaciones de cargas del estado limite de Servicio

Aplicaciones de diseño

Servicio I

• • •

Control de deflexiones de la superestructura Control ancho de grietas en los elementos de concreto reforzado Investigar la compresión en los elementos de concreto pretensado.

Servicio II

• • •

Se aplica solo a estructuras de acero. Controlar fluencia de las estructuras de acero. Control del deslizamiento de conexiones de deslizamiento critico.

Servicio III

• Control de esfuerzos de tracción y agrietamiento de los elementos de concreto pretensado • Investigar los esfuerzos principales en las vigas segmentadas. • vigas de hormigón

Servicio IV

• No aplica a superestructuras

Combinaciones del estado limite de evento extremo El estado límite de evento extremo analiza la capacidad del puente para resistir un evento de carga extrema con un período de recurrencia que es mayor que la vida de diseño de la estructura. Tales eventos incluyen terremotos, carga explosiva, impacto del flujo de hielo, colisiones de vehículos o colisiones de embarcaciones. El ingeniero debe elegir qué combinaciones de eventos extremos aplica al diseño de un puente. Los cinco tipos de carga que se incluyen como eventos extremos se analizan por separado. Los efectos de una combinación de carga de eventos extremos puede causar daños. Los esfuerzos y deformaciones en el rango inelástico están permitidas y, en algunos casos, esperadas. Se debe evitar la pérdida total de integridad estructural o el colapso. Existen dos combinaciones de carga de eventos extremos, estas combinaciones de carga diferencian entre las cargas vivas que probablemente estarían presentes durante los diferentes eventos extremos, así como el evento extremo que se está considerando en cada combinación de carga.

Combinaciones del estado limite de evento extremo a) Evento extremo I La combinación de carga Evento extremo I se utiliza para analizar un puente en busca de terremoto. Para esta combinación de carga, el valor del factor de carga para la carga viva aún no se ha resuelto por completo. Las especificaciones anteriores de AASHTO han establecido este valor, γEQ igual a cero. Sin embargo, de acuerdo con el Artículo C3.4.1 de AASHTO LRFD, la investigación actual muestra que establecer este valor en γEQ