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PUENTES VIGA, PUENTES LOSA Y PUENTES COMPUESTOS INTERPRETACION SEGÚN EL MANUAL DE PUENTES 2016 1. PUENTES Los puentes viene hacer aquella Estructura requerida para atravesar un accidente geográfico o un obstáculo natural o artificial, permitiendo el desarrollo económico y social de un país. El manual de puentes 2016, define a este como una estructura cuya luz, entre ejes de apoyo es igual o mayor que 6.00 m (20 ft) y que forma parte de una carretera o está localizado sobre o por debajo de ella; pues bien teniendo en cuenta esto, se entiende entonces que al momento de construir un puente entran a tallar estudios multidisciplinario (ingeniería básica y elementos básicos), los cuales son necesarios para tener criterio al momento de iniciar la construcción. 1.1. PUENTES TIPO VIGA. En los puentes viga los tramos pueden ser simplemente apoyados, isostáticos tipo gerber o cantiléver o tramos hiperestáticos o continuos; esto va a depender del diseño y estudio que se realizara en un anteproyecto. En los puentes tipo viga, se tiene

en cuenta

que el

elemento

portante

principal está sometido

fundamentalmente a esfuerzo de flexión, en donde la viga hacer sometida a una carga cualquiera los planos superiores de esta se comprimen y los inferiores se estiran o traccionan y esfuerzo cortante que es la suma algebraica de todas las fuerzas externas perpendiculares al eje de la viga, esta es positiva cuando la parte situada a la izquierda de la viga tiende a subir con respecto a la parte derecha. Tomando como referencia el manual de puentes se dice, que para el adecuado análisis del puente tipo viga, se utiliza usualmente la “teoría de las pequeñas deflexiones”, ya que esta estructura principalmente resisten cargas a través de un par de fuerzas (tensión y compresión), y permanecen en posiciones relativas fijas unas a otras mientras el puente se deflecta, como las armaduras reticuladas y arcos empotrados que son generalmente insensibles a deformaciones. Los principales elementos en este tipo de puentes están conformados por: losa, vigas, estribos y pilares, cimentación, sistemas de apoyos y juntas, y obras complementarias (barandas, separadores, drenaje, etc.). Para las losas de transición se tendrá en cuenta espesor mínimo de 0.20 m y una longitud límite justificado dentro de la geometría del puente y los accesos. Estarán ligadas a la estructura o al estribo mediante articulaciones de concreto, sin conectores, y apoyadas en el terraplén de acceso. Las características del 1

terraplén en las inmediaciones de las losas de transición deberán ser indicadas en el proyecto. En el caso de los estribos serán dimensionados considerando la función de servir como transición entre el puente y la vía de tránsito principal, además de servir como apoyos de los extremos de la superestructura y como elementos de contención y estabilización de los terraplenes de acceso. En el caso de los estribos ligeros serán usados en puentes de dimensiones comunes, existiendo tres situaciones posibles en que pueden ser empleados: 

En puentes a ser construidos antes del coronamiento de los terraplenes.



En puentes a ser construidos antes del coronamiento de los rellenos en los cortes.



Cuando los terraplenes de acceso son construidos antes del puente.

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Los estribos de gran magnitud serán usados en puentes de luces relativamente grandes, que transmiten grandes fuerzas horizontales o con terraplenes altos, ejecutados posteriormente a la construcción del puente. Los estribos podrán ser de concreto ciclópeo, concreto simple y de concreto armado. También se deberá tomar en cuenta las juntas de dilatación, las cuales deberán ser limitadas a lo estrictamente necesario, por estar constituidas por dispositivos con una vida útil limitada. Las juntas de dilatación intermedias y aquellas situadas en los estribos deben ser escogidas en función del desplazamiento previsto después de su colocación; en conjunto este diseño deberá garantizar la impermeabilidad del tablero, incluyendo los extremos laterales del puente. Por otro lado la pavimentación de la superficie del puente y accesos deberá ser realizada mediante el uso de pavimentos rígidos o flexibles; ello se considerará en la elección del tipo de pavimento aspectos tales como la facilidad de obtención de los materiales, disponibilidad de equipos adecuados y la continuidad con el pavimento de la carretera. El espesor del pavimento será definido en función al tráfico esperado en la vía. En general, la ubicación de las juntas del pavimento estará alineada con la ubicación de las juntas de dilatación de la superestructura.  Calculo de las Fuerzas de Corte Factoradas para el Interface, 𝐕𝐮𝐢, para Puentes vigas. Para el caculo de las fuerzas de corte facturadas para el interface (Vui), nos basamos en las consideraciones del diagrama de cuerpo libre y utilizando el valor envolvente de Vu1, el factorado esfuerzo de corte en la interface para un concreto de puentes viga puede ser determinado como:

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Donde: dv= la distancia entre el centroide del acero en tracción y el punto medio del espesor de la losa para calcular un esfuerzo de corte factorado en el interfase. Dicho esfuerzo en kips/ft para una viga/puente losa, puede ser determinado como sigue:

Si la fuerza neta, 𝑃𝑐, que atraviesa el plano de corte de la interfase es tracción, se colocará refuerzo adicional, 𝐴𝑣𝑝𝑐:

Para vigas o viguetas se tendrá en cuenta que la longitudinal de separación centro a centro de los conectores de corte en la superficie de contacto no soldados no soldados no excederá 48.0 in. o la profundidad del miembro, h. Para vigas cajón vaciadas en sitio, la longitudinal separación centro a centro de los conectores de corte en la superficie de contacto no soldados no soldados no excederá 24.0 in. Las cargas Finalmente se deberá tener claro las cargas al momento de diseñar, pudiendo se permanentes o transitorias, esta ultimas tomara en cuenta las cargas de los vehículos en donde los efectos del tráfico vehicular comparados con los efectos del tráfico de camiones son despreciables. Debido a esto el diseño de cargas de AASHTO ha desarrollado modelos de tráficos de camiones y peatones que son muy variables, dinámicos, y pueden ser combinados con otras Cargas de camiones. En el caso de las cargas peatonales es 3.6x10-3MPa, la cual es aplicada a los lados que integran el puente. En el caso de puentes peatonales que permitan el tráfico de bicicletas, la carga viva será 5.0x10-3MPa.

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1.2. PUENTES LOSA Los puentes losa se clasifican dentro de los puentes tipo viga, sin embargo el comportamiento de una losa es diferente al de una viga o conjunto de vigas. Como la ubicación de los vehículos en un puente es muy variable, tanto longitudinalmente como transversalmente, el cálculo de los esfuerzos máximos por carga viva, con fines prácticos, puede ser aproximado. El procedimiento clásico consiste en realizar un análisis longitudinal y un análisis transversal. El análisis transversal distribuye los esfuerzos totales en cada sección entre los elementos de la sección transversal mediante el denominado Factor de Distribución, los puentes de tipo losa pueden ser puentes simples, continuos o aporticados. Son puentes que por lo general requieren más concreto y acero que otros puentes, pero su encofrado es más económico debido a su fácil ejecución. La losa es uno de los elementos estructurales de un puente que sirve para soportar el tránsito vehicular y peatonal para luego transmitir sus cargas al sistema de vigas. En estos casos la losa es cargada principalmente en la dirección transversal al tráfico.

Dentro del manual de puentes se especifican factores de distribución por carga viva para momentos y cortes de acuerdo al tipo de superestructura. Los requisitos de este artículo pueden ser aplicados a puentes de vigas rectas y a puentes de concreto curvos horizontalmente, también a puentes de vigas metálicas curvos horizontalmente cumpliendo con los requisitos del Artículo 2.6.4.1.2.4, el cual especifica que las Superestructuras horizontalmente curvas, pueden ser analizados como emparrillados o como continuos en el cual los tramos de las vigas longitudinales se suponen rectas entre sus nudos. La excentricidad real del tramo entre los nudos no excederán a 2.5% de la longitud del tramo. Los requisitos de este artículo también 5

pueden ser usados para determinar el punto de partida para algunos métodos de análisis para determinar los efectos de las fuerzas en vigas curvas de cualquier grado de curvatura en planta. A excepción de lo especificado en el Artículo 2.6.4.2.2.5, donde se dice que las cargas especiales actuando junto con otro tipo de tráfico no deberán de aplicarse: 

Si se ha especificado la ley de momentos tanto para carga en un solo carril como para carga en múltiples carriles, o



requisitos especiales para vigas exteriores de puentes tipo viga-losa con diafragmas han sido utilizados para análisis simplificado.

Los requisitos se deberán aplicar a puentes que se analizan para: 

un único carril de carga



Múltiples carriles de carga viva que produce aproximadamente la misma solicitación por carril.

A diferencia de los puentes viga, estos puentes se diseñan cuando la longitud del puente varía entre los 10 a 25 metros. Para el diseño de las losas, la línea de acción de la carga de la rueda se asume a 0.30 m. de la cara del guardarruedas o bordillo, si la losa no tiene bordillo la carga se localiza a 0.30 m. de la cara de la baranda. En el diseño de andenes, losas y elementos de soporte, la carga de la rueda se localiza sobre el andén, a 0.30 m, de la cara de la baranda. Otro punto importante es que si existen pequeñas desviaciones respecto del ancho constante del tablero o el paralelismo entre las vigas, se pueden utilizar las ecuaciones que aparecen en las tablas de factores de distribución juntamente con un valor adecuado de la separación de las vigas. Los tipos de puentes con vigas cajón de múltiples células concretadas in situ se pueden diseñar como estructuras que abarcan la totalidad del ancho. Estos tipos de secciones transversales se deberán diseñar para los factores de distribución de sobrecarga, para vigas interiores, multiplicando por el número de vigas, es decir por el número de almas. Si un puente satisface las condiciones aquí especificadas, las cargas permanentes del tablero y las que actúan sobre el mismo se pueden distribuir uniformemente entre las vigas, la losa y/o largueros.

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Los factores de distribución de sobrecarga especificados se pueden utilizar para vehículos de circulación restringida cuyo ancho total sea comparable con el ancho del camión de diseño. A menos que se indique lo contrario, los parámetros de rigidez para área, momentos de inercia y rigidez torsional se deberán tomar como los correspondientes a la sección transversal a la cual se aplicará el tráfico, es decir, generalmente a la sección compuesta. El término L (longitud) se determinará por el uso de las ecuaciones del factor de distribución de carga viva. El parámetro de rigidez longitudinal, 𝐾𝑔, se deberá tomar como:

En el cual:

Donde: 𝐸𝐵 = módulo de elasticidad del material de la viga (ksi). 𝐸𝐷 = módulo de elasticidad del material del tablero (ksi). 𝐼 = momento de inercia de la viga (in4). 𝑒𝑔 = distancia entre los centros de gravedad de la viga de base y el tablero (in). Los tipos de puentes indicados en las tablas de los Artículos 2.6.4.2.2.2 y 2.6.4.2.2.3, con referencia a la Tabla 2.6.4.2.2.1-1 (4.6.2.2.1-1 AASHTO), se pueden considerar representativos del tipo de puente al cual se aplica cada una de las ecuaciones aproximadas. Independientemente del método de análisis utilizado, es decir, aproximada o refinados, las vigas exteriores de puentes con sistema de vigas no podrán tener menos resistencia que las vigas interiores. 7

Las recomendaciones planteadas en dimensionamiento no representan un

el

manual

de

puentes,

para el

reglamento a cumplir y deben considerarse

como una guía la cual puede modificarse (aumentar o disminuir) en el diseño definitivo, de forma tal que se logre el diseño más racional posible y que sea posible construirlo con los medios disponibles. Éstas deben ser aplicadas con cautela para no hacer un sobredimensionamiento, sobre todo en los casos donde se plantean intervalos; en los cuales se deben calcular el valor máximo, en el mínimo y uno intermedio. Se tendrá en cuenta Para las vigas cajón de múltiples células vaciadas in-situ, con el nombre de sección transversal tipo "d," se deberá asumir que los factores de distribución de los Artículos 2.6.4.2.2.2 y 2.6.4.2.2.3 del manual de puentes, y se aplican a una forma ideal que consiste en un alma, los voladizos de un alma exterior, y las medias alas asociadas entre un alma considerada y la siguiente alma o almas adyacentes.

Tabla 2.6.4.2.2.1-1 Superestructura de Tablero común referidos en los Artículos 2.6.4.2.2.2 y 2.6.4.2.2.3

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L para uso en carga viva en ecuaciones Factor de Distribución Tabla 2.6.4.2.2.1-2-L Para uso en Ecuaciones de Factor de Distribución de Carga Viva.

Cuando la losa del tablero es de concreto armado el peralte mínimo de un tablero excluyendo ranuras o desgastes no deberá ser menor que 7.0 in y los conectores de corte se deberán diseñar de acuerdo con los requisitos establecidos para las vigas de concreto así como para las vigas metálicas

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Pues bien analizando todo lo anterior mencionado y tratando de entender de manera detallada el proceso de diseño del puente viga losa de acuerdo a la normativa del manual de puentes vigente, se entiende entonces que expone algunas de las consideraciones preliminares necesarias para el estudio del proyecto del puente. Se debe señalar asimismo que un diseño de puentes debe garantizar un correcto funcionamiento y para ello necesita el estudio de diversos campos como hidrología, hidráulica, topografía, geología, estudio de tránsito, sismo, etc. Muchas veces, la incertidumbre en estos campos de estudio influye negativamente en el impacto psicológico de la población. 1.3. PUENTE SECCIÓN COMPUESTA Los puentes de sección compuesta, consisten en un tablero de concreto que provee acción compuesta comprobada y apoyo lateral conectado a una sección de acero mediante conectores de corte diseñados de acuerdo con los requisitos del Artículo 2.9.5.10, el cual detalla que las secciones compuestas se deberán proveer conectores de corte tipo perno o tipo canal en la interfaz entre el tablero de concreto y la sección de acero para resistir el corte en la interface, por lo que normalmente se deberán proveer conectores de corte en la totalidad de la longitud de los puentes compuestos de un solo tramo. En las regiones de flexión negativa se deberán proveer conectores de corte si se considera que la armadura longitudinal forma parte de la sección compuesta. Caso contrario no será necesario proveer conectores de corte en las regiones de flexión negativa, pero se deberán colocar conectores adicionales en la región donde se encuentran los puntos de contraflexión bajo carga permanente. En el caso de que las regiones de flexión negativa no se coloquen conectores de corte, la armadura longitudinal se deberá prolongar hacia la región de flexión positiva. Los conectores de corte deberían ser de un tipo tal que permita compactar adecuadamente el concreto para garantizar que la totalidad de sus superficies estén en contacto con el concreto. Los conectores deberán ser capaces de resistir movimientos tanto verticales como horizontales entre el concreto y el acero. La relación entre la altura y el diámetro de un conector de corte tipo perno no deberá ser menor que 4.0. Los conectores de corte tipo canal deberán tener soldaduras de filetes de un tamaño no menor que 0.1875 in. (5 mm) a lo largo de las aristas del canal.

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La separación de los conectores de corte en la dirección de la carga se deberá determinar de manera de satisfacer el Estado Límite de Fatiga; y el número de conectores de corte resultante no deberá ser menor que el número requerido para satisfacer el Estado Límite de Resistencia. La separación transversal de conectores, Se deberán colocar conectores de corte transversalmente en el ala superior de la sección de acero; la separación entre dichos conectores de corte podrá ser constante o variable; y la separación entre centros de los conectores de corte tipo perno no deberá ser menor que 4.0 diámetros del perno medidos en forma transversal al eje longitudinal del elemento; por último la distancia libre entre el borde del ala superior y el borde del conector de corte más próximo no deberá ser menor que 1.0 in. (25 mm.) Los esfuerzos en las secciones compuestas se dan por una secuencia de cargas, en donde la ubicación de la sección compuesta el esfuerzo elástico debido a las cargas aplicadas deberá ser igual a la sumatoria de las tensiones provocadas por las cargas aplicadas separadamente a: 

La sección de acero.



La sección compuesta a largo plazo.



La sección compuesta a largo plazo.

En el caso de las construcciones no apuntaladas, se deberá asumir que la carga permanente aplicada antes que el tablero de concreto se haya endurecido o se haya vuelto compuesto es soportada exclusivamente por la sección de acero; también se deberá asumir que la carga permanente y sobrecarga aplicadas luego de esta etapa serán soportadas por la sección compuesta. En el caso de las construcciones apuntaladas, se deberá asumir que toda la carga permanente se aplica después que el tablero de concreto se ha endurecido o se ha vuelto compuesto y la documentación técnica así lo deberá especificar. Por otro lado entre los esfuerzos a tener en cuenta en las secciones compuestas, están los esfuerzos para secciones en flexión pasiva, en el cual se dice que para calcular las tensiones de flexión en las secciones sujetas a flexión positiva, la sección compuesta deberá consistir en la sección de acero y el área transformada del ancho efectivo del tablero de concreto. Para las cargas temporarias que se suponen aplicadas a la sección compuesta a corto plazo, el área del tablero de concreto se deberá transformar utilizando la 12

relación de módulos a corto plazo, n. Para las cargas permanentes que se suponen aplicadas a la sección compuesta a largo plazo, el área del tablero de concreto se deberá transformar usando la relación de módulos a largo plazo, 3n. Cuando en el Estado Límite de Resistencia los momentos debidos a las cargas temporarias y permanentes sean de signo opuesto, la sección compuesta asociada se podrá utilizar con cada uno de estos momentos si el esfuerzo neto resultante en el tablero de concreto debido a la sumatoria de los momentos factorados es de compresión.

La relación de módulos se debería tomar como:

Donde: 𝐸𝑐 = módulo de elasticidad del concreto. En el caso de los esfuerzos para secciones en flexión negativa, para calcular los esfuerzos la sección compuesta tanto para los momentos a corto plazo como para los momentos a largo plazo deberá consistir en la sección de acero más la armadura longitudinal que se encuentra dentro del ancho efectivo del tablero de concreto.

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Los esfuerzos en el tablero de concreto, Para calcular los esfuerzos de flexión longitudinales en el tablero debidas a todas las cargas permanentes y transitorias se deberá utilizar la relación de módulos a corto plazo, n. Para el análisis de los elementos flexionales se deberán utilizar las siguientes propiedades: 

Para cargas permanentes aplicadas en secciones compuestas: propiedades de rigidez de la sección compuesta a largo plazo, suponiendo que el tablero de concreto es efectivo sobre la totalidad de la longitud del tramo.



Para cargas transitorias aplicadas a secciones compuestas: propiedades de rigidez de la sección compuesta a corto plazo, suponiendo que el tablero de concreto es efectivo sobre la totalidad de la longitud del tramo.

Los esfuerzos en la losa o tablero de transito se diseñarán por el método de la resistencia última verificando el peralte útil por carga de servicio. Teniendo en cuenta lo detallado en el manual se entiende entonces que actualmente la construcción de Puentes de Sección Compuesta con Vigas de Acero resultan tan competitivas con las de Concreto Armado empleándose cada vez más y con mayor frecuencia en nuestro medio, considerando que se vienen produciendo acero de mayor resistencia y de mejor comportamiento contra la corrosión.

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