6 Cargas Para Puentes

Universidad Nacional Autónoma de Honduras

IC-960 Puentes de Concreto

Departamento de Ingeniería Civil

Prof. Kristel C. Meza Fajardo

Cargas para Puentes Introducción

La estructura de un puente está sujeta a cargas provenientes de una variedad de fuentes mucho más amplia que la de las cargas que afectan edificios. De hecho, a primera vista, el número y tipos de cargas que se necesita considerar para diseño puede ser abrumador. Las especificaciones de diseño (AASHTO) proveen una clasificación sistemática de las cargas que necesitan ser consideradas: Cargas Permanentes: •

Cargas de gravedad :

DC Componentes estructurales y no estructurales DW Superficie de desgaste y utilidades •

Presiones de tierra:

EV

Presión vertical de tierra debido a relleno

EH Presión lateral de tierra ES

Sobrecarga uniforme de tierra

DD Fricción negativa (causado por el suelo que se asienta alrededor de las pilas) Cargas Transitorias •

Cargas de gravedad - Cargas Vivas

LL

Carga vehicular viva

PL

Carga peatonal viva

Cuota de carga dinámica vehicular : IM Fuerza vehicular centrifuga, CE Fuerza vehicular de freno, BR

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Fuerza vehicular de choque, CT Fuerza de choque de barco, CV •

•

Cargas hidráulicas, WA 

Presión estática



Flotación



Presión de vapor: longitudinal o lateral



Cargas por olas



Cambio en el cimiento debido a erosión

Cargas de viento 

Presión de viento horizontal

WL presión de viento en vehículos WS presión de viento en la estructura (sub- o super-)

•

•



Presión de viento vertical (uplift)



Inestabilidad aeroelástica

Efectos de sismos, EQ Cargas de tierra

LS

Carga viva de sobrecarga

•

Fuerza de fricción, FR

•

Fuerzas resultantes de deformaciones impuestas

TU

Temperatura uniforme en todo el componente estructural

TG

Gradiente de temperatura en todo el componente estructural

SH

Encogimiento

CR

Carga por deformaciones temporales

SE

Asentamientos

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Con esta lista se puede tener una buena apreciación de la variedad de condiciones de carga a las que la subestructura y superestructura de un puente están sometidas. En subsecuentes secciones de estas notas veremos combinaciones de cargas que son consideradas para el diseño. También simplificaremos las cosas un poco al considerar solamente ciertos tipos de cargas para nuestro análisis y diseño de puentes. Estas simplificaciones se derivan naturalmente de considerar el diseño de la superestructura como una actividad separada del diseño de la subestructura. En consecuencia, nuestro análisis será compartamentalizado o empaquetado en varios formatos de conveniencia. Ahora podemos comenzar a estudiar varios de los tipos de cargas más comunes que son considerados en el diseño de estructuras de puentes, y que posteriormente nos ayudarán a considerar otros tipos en nuestro análisis y diseño. Cargas Permanentes

Para poder evaluar las cargas permanentes en superestructuras y subestructuras de puentes, uno necesita cuantificar las densidades de materiales comúnmente utilizados en componentes estructurales de puentes. Afortunadamente, las especificaciones proporcionan información tabulada tabulada al respecto. La tabla 3.5.1-1 (AASHTO) provee pesos unitarios o densidades para materiales comúnmente utilizados en construcción de puentes.

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Los valores encontrados en la tabla son recomendaciones. Si el ingeniero considera que estos valores son muy bajos, entonces es imperativo que el ingeniero cuantifique racionalmente la densidad incrementada y la use en el diseño. Sin embargo, el ingeniero estructural debe tener una muy buena razón para usar valores menores que esos mostrados en la tabla.

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Cargas Transitorias Existe una gran variedad de vehículos que utilizan las carreteras que va desde motocicletas, carros con semi-trailers hasta los muy infrecuentes vehículos de múltiples ejes. Por un lado, sería demasiado costoso diseñar para los muy pesados camiones que viajan infrecuentemente, y por otro, sería demasiado no-conservador diseñar para un simple camión de dos ejes. Por lo tanto, cualquier modelo de carga viva vehicular debe poder capturar la mayoría de efectos críticos (por ejemplo, grandes cortantes, grandes momentos flexionantes) causados por el espectro de vehículos, pero ser lo suficientemente simple para el uso diario. Para poder establecer la carga vehicular esperada en un puente, uno debe definir el número de carriles que el puente debe soportar. Dos términos son utilizados para clasificar los carriles de una estructura de puente: Carriles de tráfico:

Este es el número de carriles de tráfico que el ingeniero de tráfico

planea pasar sobre el puente. El carril de tráfico es de 12 pies de ancho. Carriles de diseño: Esta es la designación usada por el ingeniero estructural (de puentes)

para definir la ubicación de la carga viva vehicular en la superestructura del puente. El ancho del carril de diseño puede o no puede ser igual al ancho del carril de tráfico. Las especificaciones de diseño sugieren que el número de carriles de diseño sea tomado como el valor entero obtenido de la expresión:

donde

 12

 es el ancho libre de la carretera en pies (el espacio entre los bordillos o

barreras). En situaciones donde los carriles de tráfico tengan menos de 12 pies de ancho, el número de carriles de diseño debe tomarse igual al número de carriles de tráfico. El Cargas para Puentes

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ancho del carril de diseño debe entonces tomarse como el ancho del carril de tráfico. Usualmente, las carreteras de 20 pies a 24 pies de ancho tienen dos (2) carriles de diseño cada uno igual a la mitad del ancho de la carretera.

En general, los vehículos asumidos por la AASHTO ocupan un ancho de 10 pies. Por tanto, se puede considerar que el ancho del carril de diseño asumido y usado por la AASHTO es de 10 pies. Como ya se había remarcado, hay una larga variedad de vehículos que deben tomarse en cuenta en el diseño de un puente. La Secretaría de Transporte debe tener límites de tamaño y peso para vehículos que pueden viajar en las carreteras nacionales sin permiso especial. Sin embargo, hay vehículos que son bastante pesados y tienen corto espaciado entre ejes (por ejemplo, mezcladoras de concreto, camiones recolectores de basura). La Secretaría de Transporte debe también tener una lista de vehículos “permitidos” que representan los extremos de la carga vehicular permisible en la red de transporte. Los vehículos excluidos son considerados como los que mejor representan las condiciones extremas de carga en puentes que se pueden encontrar ocasionalmente.

Por esta razón,

los modelos de carga viva vehicular de la AASHTO intentan capturar los efectos (por ejemplo, cortante transversal, momento flexionante) que estos vehículos imponen en las estructuras de puentes.

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Cargas Vehiculares de Diseño El modelo de carga vehicular viva de la AASHTO es realmente muy simple y hace un muy buen trabajo en modelar el espectro de efectos de carga causados por vehículos en puentes. Tres (3) cargas vivas vehiculares están definidas: 1. Carga de camión de diseño 2. Carga de carril de diseño 3. Carga de diseño militar La carga de camión de diseño es un vehículo que tiene la apariencia de una semi-tractortrailer. Su configuración en mostrada en la siguiente figura:

El camión de diseño se conocía anteriormente como un vehículo HS20-44 en las especificaciones LFD (Load Factor Design). El acrónimo significa lo siguiente: H:

Highway (carretera)

S:

Semitrailer

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20:

El peso bruto del camión en toneladas (1 ton = 2000 lbs)

44:

El año en que fue aceptado su uso por la AASHTO (1944).


El camión de diseño ha sido renombrado como un vehículo HL-93. El acrónimo ahora proviene de Highway Loading (cargas de carretera) aceptadas en 19 93. El camión de diseño se somete a una amplificación por carga dinámica que se describirá más adelante. El espaciamiento de las llantas para el camión de diseño es de 6 pies. Por lo tanto, si el carril de diseño es tomado como de 10 pies, estos ejes se pueden mover libremente en forma lateral dentro de este carril para crear el efecto máximo. Sin embargo, uno puede asumir que el camión en realidad ocupa enteramente los diez (10) pies del carril de diseño porque los conductores del vehículo tendrán la tendencia de dejar espacio entre ellos y los otros conductores, y por lo tanto, un espacio de dos (2) pies en cada lado del vehículo es mantenido. La carga del tándem de diseño también está sujeta a esta especificación y consiste de dos cargas de eje de 25 klb espaciadas a cuatro (4) pies. El espaciamiento de las llantas transversal es considerado de seis (6) pies como en el camión de diseño. El tándem de diseño es también modificado por un factor de amplificación por carga dinámica. La carga de carril de diseño consiste de una carga de 650 lb/pie uniformemente distribuida y aplicada sobre todos los 10 pies del ancho del carril de diseño. Esto implica que la carga del carril de diseño es una presión uniforme de 65 lbs. por pie cuadrado

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aplicada al carril de diseño. Los efectos de carga la carga de diseño de carril NO ESTÁN sometidos a una cuota por carga dinámica. Para el diseño de los componentes de puentes, la aplicación del camión de diseño, el tándem de diseño y la carga de carril de diseño es un poco complicada. Los efectos extremos causados por la carga vehicular deben ser tan grandes como las siguientes condiciones de carga viva vehicular: 

El efecto de el tándem de diseño combinado con el efecto de la carga de carril de diseño



El efecto del camión de diseño con espaciado de ejes variable combinado con el efecto de de las cargas de carril de diseño.

Cuando las reacciones máximas de las pilas interiores y los momentos negativos máximos entre puntos de inflexión son considerados, los efectos de carga del camión de diseño y las cargas de carril de diseño pueden ser reducidos. La condición de carga correspondiente a esta situación es mostrada en forma esquemática en la siguiente figura para una viga continua de dos claros:

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Cuando se espera que vehículos grandes viajen en múltiples carriles, las especificaciones sugieren que la configuración de carga que se muestra en la siguiente figura sea investigada:

Debe quedar claro que el efecto máximo o extremo es deseado en todos los análisis. Por lo tanto, los vehículos deben ser posicionados dentro de los diferentes carriles de tráfico para crear el efecto máximo y la carga de carril debe comenzar y terminar a lo largo de todo el claro para crear el efecto máximo. Se debe considerar que los carriles de diseño se mueven durante el periodo de servicio de la estructura de puente y que la creación del máximo efecto requerirá que los carriles de diseño (y los vehículos) sean ubicados muy cerca de las barreras o bordillos. La AASHTO proporciona algunas guías concernientes a cuán cerca los vehículos se aproximarán a los bordillos y barreras para el análisis de los vuelos de la cubierta.

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Debe considerarse la posibilidad que los vehículos se suban a las aceras de los puentes si no hay barreras entre los carriles de tráfico y la acera para peatones. El esquema del vuelo mostrado en la figura anterior derecha sería un candidato para esta consideración.

Vehículo de Fatiga La carga de fatiga es muy importante en el diseño de puentes porque las cargas aplicadas son aplicadas repetidamente muchas, muchas veces durante el periodo de servicio de la estructura del puente. Millones de ciclos de carga son aplicados a un puente y sus componentes. Por lo tanto, el material se puede “cansar”, “desgastar” y consecuentemente, fisuras de fatiga se pueden desarrollar y propagar. Debido a que el límite de resistencia de diseño es una entidad realmente separada del estado limite de diseño por fatiga, el camión para el que la condición de carga que causa el momento o cortante máximo en las vigas del puente no ocurrirá muy frecuentemente durante el periodo de servicio. Los camiones más dañinos (esto es, que causan más Cargas para Puentes

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fatiga) pesarán menos que los “vehículos excluidos”, pero impondrán cargas al puente muchas más veces y por tanto, desde un punto de vista de fatiga, son mucho más críticos para propósitos de diseño. Por lo tanto, las especificaciones definieron un camión de fatiga y una frecuencia en la que este camión cargará al puente. El camión de fatiga es un camión de diseño como los discutidos previamente con los ejes traseros espaciados a 30 pies. El modificador dinámico debe ser aplicado a la carga del camión de fatiga. La evaluación por fatiga requiere que un número esperado de ciclos de esfuerzos sean calculados para diferentes detalles y componentes del puente. Por lo tanto, el ingeniero estructural debe saber cuán frecuentemente un camión de fatiga pasará por el puente. Afortunadamente, las especificaciones proveen guías en este sentido. Los datos de tráfico son siempre apropiados, pero en ausencia de esta información, el camión de tráfico diario promedio por carril puede ser calculado utilizando la siguiente expresión:

   ·  donde:

 = es la fracción de camiones esperada en un solo carril  = es el número de camiones por día en una dirección, promediado sobre el período de diseño.

La fracción de camiones esperada en un solo carril depende del número de carriles disponibles para tráfico de camiones y las especificaciones proveen guías en este sentido también: Cargas para Puentes

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A medida que el número de carriles aumenta, la tendencia de los camiones a esparcirse por los carriles de tráfico es tomada en cuenta en los valores de la tabla de arriba. Si el número de camiones promedio por día en una dirección (ADTT) no está disponible, pero el tráfico promedio diario si lo está, las especificaciones proveen factores que son porcentajes esperados de camiones que estarían presentes en datos de tráfico promedio diario. Estos porcentajes son mostrados en la siguiente tabla:

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Cargas de Peatones Según las especificaciones LRFD de la AASHTO, una carga viva de peatón de 3.6x10 -3 MPa debe ser considerada para todas las aceras de ancho mayor que 0.6 metros. Debe considerarse que esta carga para acera actúa simultáneamente con la carga viva vehicular de diseño. Cuando un puente se usará solo para tráfico peatonal o de bicicletas, deberá ser diseñado con una carga viva de 4.1x10 -3 MPa. En situaciones donde vehículos de mantenimiento o incidentales operarán en puentes peatonales o para bicicletas, sus cargas vivas deben ser consideradas en el diseño. Sin embargo, por su baja velocidad, la cuota de carga

dinámica no necesita ser considerada para estos vehículos. Factor por Carga Dinámica (Impacto) Los vehículos que operan en una superestructura de puente no lo hacen de manera estática. Son cargas móviles y la superficie por la que viajan no es perfectamente lisa. La suspensión del vehículo es forzada a reaccionar a la variación de la superficie de la carretera y por tanto, el peso estático del vehículo es amplificado cuando viaja sobre el puente. Un esquema de la respuesta típica de una superestructura de puente a la carga viva vehicular se muestra en la siguiente figura (Hwang and Nowak 1991):

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La máxima deflexión del vehículo en movimiento es significativamente mayor que la deflexión que ocurriría si el vehículo se moviera lentamente al cruzar el puente. Sin embargo, debe reconocerse que es mucho más conveniente posicionar un vehículo y calcular la respuesta estática que realizar un análisis de carga dinámica. La respuesta mostrada en la figura anterior indica que hay una amplificación de la carga estática cuando el vehículo es dinámico. Por lo tanto, las especificaciones AASHTO 2006 definen un factor de amplificación para muchas de las condiciones de carga vehicular a ser consideradas. La cuota de carga dinámica es no más que una aproximación de los efectos de carga dinámica sobre los efectos de la carga estática. Esto puede ser simplemente expresado como:

          Cargas para Puentes

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

donde: es el desplazamiento respuesta,

 es el momento respuesta, y  es el cortante

respuesta. Por lo tanto, si podemos calcular la respuesta estática del puente a la carga viva vehicular, podemos usar la cuota de carga dinámica (también llamada Factor de Impacto) para amplificar los efectos estáticos para tomar en cuenta los efectos dinámicos. El factor que debe aplicarse al efecto estático es:

 1  100

donde el factor de impacto (IM) es definido de la siguiente manera:

El factor que debe aplicarse al efecto estático es calculado usando el valor correspondiente dado por esta tabla y es entonces aplicado a la respuesta de la carga viva vehicular (momentos flexionantes, cortantes) como un simple factor.

Carga Especial para Vuelo de Tablero La posición del vehículo en la porción en voladizo del tablero del puente (esta es, la porción más allá de la viga externa) puede ser un poco difícil de implementar en la práctica porque determinar como el tablero del puente resistirá la carga de las llantas puede ser un poco complicado de calcular y, si uno no es cuidadoso, fácilmente se puede

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escoger una dimensión muy penalizadora (muy pequeña o muy conservadora). La dimensión en discusión es la que se muestra en la siguiente figura:

Determinar el ancho del tablero que resiste las cargas es aun más complicado por el hecho que las barreras (si son continuas – como es usualmente el caso para puentes de claros cortos) tienden a ayudar a distribuir las cargas de las llantas a lo largo del claro porque la barrera o parapeto también puede trabajar como una viga. Por lo tanto, las especificaciones tienen una condición opcional de carga para vuelo de tablero que puede ser usada. Si la porción en voladizo del tablero del puente tiene menos de 6 pies desde la línea central de la viga exterior a la cara de la barrera de concreto o parapeto, la línea exterior de llantas del vehículo puede ser reemplazada con una línea de carga uniformemente distribuida de 1 klb por pie lineal localizada a un pie de la cara de la barrera como se muestra en la siguiente figura:

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La tendencia actual en estructuras de puente pone mucho énfasis en la estética. Cubiertas de concreto o mampostería a veces son usadas en las barandas. El ingeniero estructural debe ser cuidadoso para reconocer que estas cubiertas pueden ser bastante pesadas y que son ubicadas en la punta extrema del voladizo. Dependiendo de su tamaño y espaciamiento, estas cubiertas pueden ser una consideración significativa para el cálculo de deflexiones y la resistencia de diseño. Existirán situaciones donde la barrera o barandal no son estructuralmente continuos con el tablero. En estas situaciones, la carga de 1000 libras por pie lineal NO debe ser usada porque la carga de llantas no puede distribuirse en un ancho mayor de tablero. Por lo tanto, se obtendrán mayores fuerzas en el tablero.

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Carga de Barandas La baranda es el término usado por la AASHTO para describir un componente estructural que “… contiene y redirige los vehículos que usan la estructura”. En realidad, barandas, barreras, parapetos, etc., son a veces usados para denotar el mismo componente del puente. La importancia de las demandas de tráfico en barandas de puente es debido a que puede ser uno de los pocos componentes estructurales que requieren “pruebas de choque” previamente a su uso en la estructura. En consecuencia, existe un inventario de barandas probadas para choques que son la base de todos los diseños de riele usados por la Secretaria de Transporte para sus puentes. Las pruebas de choque que son hechas están basadas en niveles de desempeño. Existen seis niveles de prueba o desempeño que son considerados:

TL -1: zonas de trabajo con rótulos de baja velocidad y con volumen muy bajo de calles locales de baja velocidad.

TL-2: zonas de trabajo y la mayoría de caminos locales y colectores con condiciones de sitio favorables así como también donde un numero bajo de vehículos pesados se espera y los rótulos de velocidad son reducidos.

TL-3: amplio rango de arteria de alta velocidad con mezclas muy bajas de vehículos pesados y con condiciones de sitio favorables

TL-4: mayoría de aplicaciones en carreteras de alta velocidad, autopistas y carreteras con una mezcla de camiones y vehículos pesados.

TL-5: las mismas aplicaciones de la TL-4 y donde camiones grandes constituyen una porción importante del tráfico medio diario, o cuando condiciones de sitio no favorables justifiquen un nivel mayor de resistencia de la baranda. Cargas para Puentes

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TL-6: aplicaciones donde camiones de tipo tanque o cisterna u otros vehículos similares de centro de gravedad elevado, particularmente con condiciones de sitio no favorables. La agencia de transporte es la que toma la decisión concerniente al nivel apropiado para la baranda del puente en consideración. Aunque el diseño de barreras o barandas no es parte de este curso (ya que se usan barandas que ya han sido probadas contra choques), necesitaremos entender como los impactos en las barandas afectan el diseño del tablero y el vuelo. Por lo tanto, es prudente examinar algunos de los tipos de fuerzas, sus magnitudes y distribuciones usadas para diseñar o evaluar barandas. La siguiente tabla provee las velocidades de prueba, tipos de vehículos y pesos usados para definir los niveles de pruebas:

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Debe aclararse que un nuevo diseño de baranda es solamente requerido si NO se usan sistemas resistentes a choques (cuya resistencia ha sido demostrada a través de pruebas). Por lo tanto, si el ingeniero usa un sistema previamente probado, no es necesario realizar cómputos de diseño para la barrera. Sin embargo, la tendencia a mejorar la estética en diseño de puentes ha creado una demanda por sistemas que ahora son más agradables visualmente y por tanto, estos nuevos sistemas pueden requerir pruebas de choque y cálculos de diseño en el futuro. El vuelo del tablero del puente es susceptible a fallar debido al impacto de un vehículo contra la barrera o baranda. Por lo tanto, aunque se use una baranda probada para choques, el ingeniero debe considerar los efectos de choques en el vuelo del tablero. Las especificaciones requieren los siguientes espesores mínimos para vuelos de tableros que se usen con nuevos sistemas: Para vuelos de tablero de concreto que soportan un sistema de postes montados en el tablero: 200 mm Para sistemas de postes montados lateralmente: 300 mm Para vuelos de tablero de concreto que soportan parapetos o barreras de concreto: 200 mm La altura de la baranda o barrera es muy importante para alcanzar el objetivo de redirigir el vehículo y mantenerlo sobre la estructura. En general, las barandas o barreras deben ser de al menos: 685 mm Cargas para Puentes

para barandas TL-3 21





810 mm

para barandas TL-4

2290 mm

para barandas TL-6

En general, la altura mínima para barandas es de 27 pulgadas. Las fuerzas de diseño para barandas debido a colisión de vehículos o impacto son sorprendentemente grandes. La tabla y figuras siguientes dan una indicación de las magnitudes y distribución para una barrera:

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Aunque lo que se muestra es una barrera de concreto, la distribución y magnitud de las fuerzas es recomendada para todos los tipos de barandas.

Carga de Viento Como ya se ha mencionado, la carga de viento es una de las cargas transitorias que necesitamos considerar en el diseño de superestructuras y subestructuras. Las Especificaciones AASHTO-LRFD son un poco menos rigurosas en su aplicación de la teoría de ingeniería de viento porque los claros y configuraciones de puentes considerados por las Especificaciones no son de gran complicación. De la misma manera que en el documento ASCE 7 (ASCE: American Society of Civil Engineers), el cómputo de cargas de viento comienza decidiendo qué velocidad de viento básica será considerada adecuada. Las velocidades de viento son medidas usando un anemómetro estándar ubicado a 33 pies sobre la superficie de la tierra, en una ubicación donde la velocidad del viento no sea afectada por la turbulencia creada por las obstrucciones corriente-arriba de Cargas para Puentes

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la unidad de medición. Las mediciones de velocidad de viento tomadas varían considerablemente con el tiempo y un proceso estadístico es realizado. Los nuevos Estándares ASCE 7-05 utilizan un promedio de velocidad de ráfaga de viento reportado después de promediar las mediciones por 3 segundos. En la siguiente figura se muestra variación típica de velocidad de viento por 5 segundos (Ginal, 2003):

Estándares previos (por ejemplo, ASCE 7-88) utiliza el parámetro llamado milla de viento más rápida. La milla de viento más

rápida V fm , tiene un tiempo promedio igual a:

1 hora Por lo tanto, si el mapa del ASCE 7-88 indica que V fm=75 mph, el tiempo de promedio para la velocidad del viento, el cual es el tiempo que le toma a una milla de viento pasar por el anemómetro es:

3,600   75  48 

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En consecuencia, cada velocidad de viento tiene su propio tiempo de promedio, y como no hay consistencia entre las mediciones de velocidad de viento, el concepto de velocidad de milla de viento más rápida ya no está más en uso. El Estándar ASCE 7 cambió a un método más consistente en reportar velocidades de viento y de ahí es de donde proviene el tiempo de promedio de ráfaga de 3 segundos. Lo más importante que uno debe preguntarse cuando velocidades de viento son reportadas (según el punto de de vista del ingeniero estructural es: ¿ cuál es el tiempo de promedio? Las Especificaciones AASHTO-LRFD todavía se basan en el documento ASCE 7-88 y por lo tanto, las expresiones contenidas en las procedimientos de la AASHTO implementan la milla de viento más rápida. Las Especificaciones AASHTO-LRFD establecen una velocidad de diseño básica de: 160 km/h. Este es un estimado conservador para velocidad de viento en muchas áreas (de Estados Unidos). Sin embargo, la localización particular siempre debe ser considerada. Por ejemplo, si fuéramos a construir un puente en una zona frecuentemente afectada por huracanes, las velocidades de vientos huracanados obviamente excederían los 160 km/h. De manera similar, si fuéramos a diseñar puentes en un alti-plano, la velocidad de 160 km/h también sería no conservadora. Nuestro conocimiento de mecánica de fluidos debe guardar memorias de la teoría de las capas de frontera y del hecho que a medida que un fluido fluye cerca de una frontera, turbulencia es creada. Uno debe considerar a la tierra como una frontera y al viento como un fluido que pasa sobre su superficie. El aire cerca del suelo no fluye con la misma Cargas para Puentes

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velocidad del aire que fluye a una distancia significativa sobre la capa de frontera. Las velocidades de viento varían con la altura y con la “textura” de la superficie como lo muestra la siguiente figura:

Las Especificaciones AASHTO-LRFD utilizan el siguiente modelo para la variación de la velocidad de viento de diseño con la altura:

     2.5   ln donde:

 = velocidad de diseño en la elevación de diseño (km/h);  = velocidad de viento a 10,000 mm pies sobre la superficie del suelo o sobre el nivel de agua de diseño (km/h).

 = velocidad de viento base de 160 km/h a 10,000 mm de altura Cargas para Puentes

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Z =


la altura de la estructura para la que las presiones de viento serán calculadas (debe

ser mayor de 10,000 mm).

 = velocidad friccional (incorpora los efectos de turbulencia en la capa frontera)  = longitud friccional (también debido a la turbulencia en la capa frontera). La relación

⁄ permite un sencillo cambio de escala de velocidades de viento base

en la altura de referencia por encima y por debajo de los 160 km/h asumidos en las Especificaciones. La velocidad friccional y la longitud friccional se obtienen de la siguiente tabla:

Las categorías de exposición se describen de la siguiente manera: Terreno abierto: Campo abierto con obstrucciones dispersas, teniendo alturas generalmente menores a 30 pies, incluyendo campos abiertos y praderas. Área Suburbana Para áreas urbanas y suburbanas, áreas de arboles u otros terrenos con numerosas obstrucciones espaciadas con cercanía, teniendo el tamaño de grandes viviendas para una familia. Este terreno debe existir por al menos 1500 pies corriente arriba. Cargas para Puentes

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Ciudad: Estos son grandes centros de ciudades con al menos un 50% de los edificios con una altura mayor a 70 pies. Este terreno debe existir por al menos media milla corriente arriba. Deben considerarse posibles efectos de canalización y de velocidad amplificada por la presencia de otras estructuras.

Presión de Viento en Estructuras, WS Cuando una obstrucción está ubicada en la corriente de viento fluyendo, existe una presión sobre el objeto a veces llamada presión de estancamiento. El ASCE 7 utiliza una relación un poco complicada para calcular esta presión de estancamiento. Las Especificaciones de la AASHTO adoptan una ruta un poco más directa y simple. La presión de diseño se calcula de la siguiente manera:

              25,600 donde:

 = es la presión de viento base dada en la siguiente tabla:

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 = velocidad de viento de diseño en la elevación de diseño (km/h)  = velocidad de viento base de 160 km/h a 10,000 mm de altura. La presión de viento de diseño según ASSHTO es considerablemente más alta que la calculada para edificios con alturas y velocidades de viento comparables. Sin embargo, los comentarios de la AASHTO admiten que estas presiones son altas, pero han sido usadas por un largo periodo de tiempo. Uno podría argumentar que la importancia de los puentes en la red de transporte justificaría presiones de viento más altas que las usadas para edificios. Existe una restricción que establece que la carga de viento en claros de vigas no debe ser tomada menor que 4.4 N/mm. Habrán situaciones en las que la superestructura se vuelve una gran “vela” y la subestructura debe tener carga aplicada para poder resistir las presiones creadas. Para considerar correctamente este efecto de carga en el sistema estructural varios ángulos de oblicuidad deben ser considerados. Las Especificaciones han facilitado estos cálculos al proporcionar la siguiente tabla:

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Estas presiones serán aplicadas a la superestructura y entonces transferidas a la subestructura para el diseño de sus elementos. La subestructura puede también ser considerada como un obstáculo en la corriente libre de aire. En consecuencia, habrá presiones de viento aplicadas a los componentes de la subestructura directamente. La presión de diseño base asumida para las cargas aplicadas a la subestructura es de 0.0019 MPa. Los ángulos oblicuos de ataque pueden ser considerados simplemente resolviendo las cargas (esto es, presiones) en componentes perpendiculares a las elevaciones posterior y frontal de los componentes de la subestructura. Cargas de viento desde la superestructura deberán ser asumidas que actúan simultáneamente con los componentes de carga de viento en la subestructura perpendicular a la elevación frontal. Este proceso es mostrado esquemáticamente para un ángulo de ataque de 0 grados: Cargas para Puentes

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Presión de Viento en los Vehículos, WL No es difícil apreciar que los vehículos sobre la superestructura del puente pueden sin duda ser cuerpos susceptibles a la corriente de viento. Por lo tanto, la presión de viento ejercida sobre ellos debe ser considerada al determinar las cargas de viento que la superestructura y la subestructura deben resistir. Las Especificaciones AASHTO-LRFD se enfocan en carga uniforme que puede ser interrumpida periódicamente a lo largo de la dimensión longitudinal de la superestructura del puente para crear el máximo efecto. Un esquema de la condición de presión de viento sobre los vehículos es mostrado en la siguiente figura:

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Cuando los ángulos de ataque varían, la siguiente tabla puede ser usada:

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El tablero del puente puede de hecho actuar como un ala y el viento que se precipite por encima y por debajo del el tablero del puente puede crear diferenciales de presión y levantamiento. Esto es considerado en las Especificaciones a través de una presión de levantamiento por viento (AASHTO – 3.8.2). La aplicación de esta carga al tablero se muestra en la siguiente figura:

Combinaciones de Carga El método de diseño AASHTO-LRFD no difiere tanto de las implementaciones del AISC o del ACI. Sin embargo, las fuentes de las cargas son considerablemente más numerosas y el número de combinaciones a considerar se eleva necesariamente. La fuerza factorada total es expresada de la siguiente manera (AASHTO – 3.4.1):

   ·  ·  donde:

 son los modificadores de carga discutidos previamente Cargas para Puentes

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 son los efectos de una carga dada.  es el factor de carga Las especificaciones consideran 12 combinaciones de carga para el diseño de puentes. Estas combinaciones de carga conciernen a los siguientes estados límites básicos: •

Estado límite de Resistencia

•

Estado límite de Eventos Extremos

•

Estado límite de Servicio

•

Estado limite de Fatiga

Dentro de cada uno de estos estados límites hay estados límites adicionales a considerar y cada combinación de carga LRFD es descrita a continuación:

RESISTENCIA I: Esta es la combinación de cargas básica relacionada con el uso vehicular normal de un puente sin carga de viento. RESISTENCIA II: Esta es una combinación de cargas relacionada con el uso del puente por vehículos especiales de diseño especificados por el dueño del puente, vehículos de evaluación o permiso, o ambos, sin carga de viento. Otro vehículo posiblemente necesitará considerarse sobre el puente simultáneamente. Esto es discutido en la sección AASHTO 4.6.2.2.4.

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RESISTENCIA III: Esta es una combinación de carga relacionada con la exposición del puente a velocidades de viento mayores a los 55 MPH. RESITENCIA IV: Esta es una combinación de carga relacionada con efectos de altas razones de carga muerta a carga viva. Este efecto de carga debe ser considerado cuando

 ⁄  6.

RESITENCIA V: Esta es una combinación de cargas relacionada al uso vehicular normal del puente con velocidades de viento de 55 MPH. Esta es una situación en que la carga de viento en los vehículos debe ser considerada.

EVENTO EXTREMO I: Esta combinación de cargas incluye el efecto de sismos. EVENTO EXTREMO II: Esta combinación de cargas está relacionada con carga de hielo, colisiones de barcos y vehículos, y ciertos eventos hidráulicos con una carga viva reducida diferente de la carga vehicular de colisión.

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SERVICIO I: Esta combinación de cargas se relaciona con el uso operacional de un puente con una velocidad de viento de 55 MPH y con todas las cargas tomadas en su magnitud normal (sin factorar). Esta combinación de cargas es usada para control de deflexiones. SERVICIO II: Esta combinación de cargas es para ser usada para controlar la fluencia en estructuras de acero y deslizamientos en conexiones críticas debido a cargas vivas vehiculares.

SERVICIO III: Esta combinación de cargas es usada para evaluar el desarrollo de esfuerzos de tensión en superestructuras de concreto presforzado con el objetivo de controlar el fisuramiento. SERVICIO IV: Esta combinación de cargas concierne la tensión en subestructuras de concreto presforzado con el objetivo de controlar el fisuramiento.

FATIGA: Esta combinación de cargas se relaciona con la fatiga y el control de fracturas que resultan de la repetitiva aplicación de la carga viva vehicular gravitacional y de la respuesta dinámica bajo el camión de fatiga.

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En este curso sólo consideraremos las combinaciones de carga en NEGRITA. Las combinaciones de carga y factores de carga usados en las Especificaciones se muestran a continuación:

Los factores de carga para efectos de carga permanente se muestran en la siguiente tabla:

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Estas provisiones AASHTO-LRFD sugieren que uno realice un análisis para cada fuente de carga separadamente y haga las combinaciones al final. Análisis de Cargas El análisis de los componentes del puente, requiere que incorporemos las cargas previamente discutidas en nuestro análisis. Adicionalmente, estas cargas se moverán a lo largo del claro de las vigas, y por lo tanto, el concepto de líneas de influencia se vuelve muy importante. Revisaremos la generación y uso de las líneas de influencia para vigas estáticamente determinadas (de un solo claro) así como también para sistemas estructurales

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