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PUENTES

Ing. Henry Pari Pariss CIV 1833

CAPITULO 1 - 1

INDICE

Puente sobre el Rio Caroní - Venezuela

BASES DE PROYECTO - NORMAS

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1 - COMPONENTES DE UN PUENTE Para una mejor comprensión de los elementos que conforman un puente podemos dividirlos en dos sistemas principales que agrupan sus diferentes componentes y los cuales según su ubicación los designaremos como Sistema de Superestructura y Sistema de Infraestructura.

1.1 Sistema de Superestructura La Superestructura del puente comprende todos los elementos del puente que se encuentran por encima de los apoyos. Los elementos básicos en orden descendente serían los siguientes: • Iluminación y Señalamiento son instalaciones adicionales específicas para ciertos puentes que sirven para ofrecer mayor protección y seguridad al tráfico. • Defensas son elementos de protección que tienen por objeto reducir la severidad de los accidentes cuando un vehículo pierde control. En muchos casos actúa como baranda peatonal. • Sistema de Drenaje se utiliza para escurrir la superestructura de las aguas pluviales, impidiendo la acumulación de agua en el tablero.

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• Carpeta de Rodamiento la cual se aplica sobre la calzada y debe resistir y suavizar el tráfico. Puede ser asfáltica o de concreto. • Losa de Calzada generalmente de concreto armado, pero en algunos puentes puede ser de planchas de acero o de entablado de madera. • Miembros Principales son que distribuyen longitudinalmente las cargas rodantes a los apoyos a través de la losa de calzada, pudiendo estar constituídos por vigas de acero, de concreto normal ó pre/postensadas, cerchas, etc. • Miembros Secundarios consistentes en separadores ó arriostramientos de los miembros principales, los cuales sirven para evitar deformaciones transversales y contribuyen en la distribución de las cargas a los miembros principales.

1.2 Sistema de Infraestructura La Infraestructura del puente comprende todos los elementos requeridos para apoyar la superestructura y trasmitir sus cargas al suelo. Sus principales componentes son los siguientes: • Estribos o apoyos extremos del puente, consisten en elementos que soportan verticalmente verticalment e las reacciones de la superestructura superestruct ura y horizontalmente horizonta lmente el empuje de tierra proveniente del terraplen de acceso. Pueden tener variadas formas y estar a su vez apoyados sobre sistemas de pilotaje ó de tierra reforzada.

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• Pilas son las estructuras que sirven de apoyos intermedios del puente cuando este es continuo ó tiene varias luces. Son elementos muy importantes desde el punto de vista estético. • Aparatos de Apoyo son sistemas mecánicos que sirven para trasmisión de las cargas de la superestructura a la infraestructura. Pueden ser fijos ó móviles según su función. • Aletas ó Muros Laterales en los accesos tienen por función la protección de terraplenes en los accesos, pudiendo ser en forma de aletas paralelas ó inclinadas a la vía. • Losas de Acceso sirven de transición entre el puente y el terraplen de la vía y tienen la función de suavizar los posibles asientos diferenciales originados en el relleno del acceso.

2 - BASES DE PROYECTO Al acometer la tarea de realizar el diseño de un puente es indispensable recabar una gran variedad de datos los cuales permitirán fijar cuales serán los criterios de diseño del puente. Es de suponer que previamente se ha evaluado el tipo de vía que se vá a construir, el grado de importancia de la vía, problemas de los accesos, luz mínima y alturas requeridas si hay tráfico inferior, necesidades comerciales y técnicas actuales y futuras, normativas a emplear, consideraciones de orden estético en ciertos casos y su impacto visual.

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2.1 Datos Funcionales Estos datos corresponden a la información que atañe al futuro funcionamiento de la estructura a proyectarse, la cual podemos resumirla como sigue: • Tipo de Obstáculo a salvar: curso de agua paso vial vial a dos dos niveles niveles paso a dos niveles ferroviario distribuidor distribuidor de tránsito tránsito estructura elevada sobre depresión bahías marítimas • Planta de Ubicación mostrando: geometría del eje vial, coordenadas de puntos característicos representación del río ó vía inferior situación geográfica edificaciones existentes • Perfil Longitudinal del terreno indicando: progresivas cotas de terreno cotas de rasante cotas de río, de la vía inferior ó ferrocarril según el caso obstáculos ó restricciones topográficas

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• Perfil Transversal indicando: número y ancho de trochas número y ancho de aceras ancho y tipo de isla central ancho de barandas ó defensas trocha peatonal ó ciclista gabaritos ó gálibos (alturas libres mínimas)

2.2 Datos Naturales Se entienden como datos naturales los provenientes de la naturaleza física del sitio de puente, pudiendo resumirse como sigue: • Información Hidráulica indicando: topografía del lecho luz mínima hidráulica (gasto) nivel de aguas de estiaje nivel de aguas normales nivel de aguas máximas tirante de aire niveles de socavación velocidad del agua navegabilidad (altura de embarcaciones) acarreos probables presión hidrostática empuje hidrodinámico de la corriente acción abrasiva de la corriente

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• Información Geotécnica conteniendo: reconocimiento visual del terreno profundidad del nivel freático parámetros mecánicos de resistencia parámetros reológicos para asentamientos y fluencia densidad y permeabilidad inestabilidad, fallas y diaclasas • Información climática viento y su velocidad (pilas altas y esbeltas) temperatura y sus posibles variaciones y efectos oxidación por proximidad del mar (recubrimientos) • Información sismológica coeficiente de aceleración clasificación de importancia categoría de comportamiento sísmico efecto de condiciones de sitio factores de modificación de respuesta espectros de frecuencia

2.3 Etapas para la elaboracion del Proyecto En la elaboración de un proyecto de puente en Venezuela, se deben cubrir tres etapas especificas las cuales pueden describirse como tecno-administrativas, pues es indispensable establecer con suficientes exactitud no solo la calificación técnica del

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proyecto estructural propuesto, sino su mejor escogencia desde el punto de vista económico. A tal efecto se han establecido tres etapas las cuales pasamos a describir a continuación:

2.3.1 Inspección Ocular. Ubicación. Elección Elec ción de Tipo e Informe Prel Prelimi iminar nar.. En ésta etapa el ingeniero responsable del proyecto debe acudir acompañado de sus colaboradores especialistas en disciplinas como vialidad, geotecnia e hidráulica, al sitio de puente a fin de obtener una imagen visual y fidedigna del sitio y sus características. Esta visita le permitirá tomar las primeras decisiones sobre el tipo de puente mas conveniente a ante-proyectar. El Informe Preliminar debe ir acompañado de un reporte fotográfico del sitio y de la zona.

2.3.2 Anteproyectos. Elección de Dimensiones. Cálculos Estructurales. Para proceder a la elaboración de los anteproyectos anteproyect os a proponer, propone r, el Proyectista Proyec tista debe contar con un Estudio Preliminar tanto de geotecnia para poder tomar la decisión sobre tipo de fundaciones, como hidráulico el cual establezca luz mínima, niveles de socavación, socavación, etc. Basado en lo anterior, es posible seleccionar los tipos de estructura posibles que deberán anteproyectarse, debiendo en esta etapa realizar también una investigación de tipo económico, para establecer los costos primarios de las alternativas propuestas, así como la comparación económica de los mismos. Ello implica paralelamente la

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realización del pre-cálculo estructural de las alternativas, a fin de corroborar sus bondades.

2.3.3 Proyecto Definitivo. Planos de Detalle. Especificaciones Técnicas. Métodos de Construcción. Cómputos Métricos A partir de la etapa anterior la cual ha permitido la selección final de la estructura que en definitiva se realizará, se puede proceder a la elaboración de los cálculos definitivos y sus correspondiente planos de detalles. Los cómputos métricos servirán para la evaluación final del costo del puente. El Método de Construcción y Erección servirá de guía al constructor y al inspector de la obra para una mejor ejecución de la misma.

3 - MATERIALES 3.1 Concreto 3.1.1 Resistencia a Compresión La resistencia a compresión del concreto depende de la cantidad de cemento, agregados, agua y los aditivos que puedan contener la mezcla. Sin embargo, el principal factor que incide en la determinación de la resistencia del concreto es la relación aguacemento.

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La resistencia del concreto es designada en términos de f c' y está representada por la resistencia a compresión a los 28 días, determinada a través de la rotura de cilindros que normalmente son de 6 pulgadas de diámetro (15 cms) y 12 pulgadas (30 cms) de altura. La resistencia a compresión, respuesta esfuerzo-deformación de los cilindros depende de la resistencia del concreto f c'. En general la deformación máxima a compresión utilizable utilizable es de 0.003 cm/c cm/cm. m. La resistencia específica del concreto pued pu edee variar de 210 a 750 kg/cm2 de acuerdo a las exigencias del diseño. En estructuras de concreto corriente se usa f c' = 210 a 280 kg/cm2, en estructuras de concreto pretensadas se usa f c' = 350 a 450 kg/cm 2 y en estructuras especiales se puede llegar de f c' = 450 a f c' = 750 kg/cm2.

3.1.2 Resistencia a Tensión La resistencia del concreto a tensión es importante porque afecta la cantidad e importancia de las grietas. La resistencia del concreto a tensión es determinada por la rotura de cilindros los cuales son soportados lateralmente. De acuerdo al código de la AASHTO, el esfuerzo permisible a tensión del concreto se calcula por: f t =< 0.21 f r

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donde:

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para concreto normal:

f r

= 1. 9 9

' f c

para concreto ligero arenoso:

f r

= 1. 6677

' f c

para todos los concretos ligeros:

f r

= 1. 4 6

' f c

3.1.3 Módulo de Elasticidad El módulo de elasticidad de concreto varía de acuerdo a su resistencia fc y ha sido determinado aproximadamente del estudio de la curva esfuerzo-deformación. De acuerdo al código de la AASHTO, Ec es calculado para un peso normal del concreto de 2.400 kg/m3 por la ecuación: Ec

= 15.11 5.114

' f c

así tenemos:

f c

Ec

210 250 280 350

219.022 238.973 252.906 282.757

El módulo de elasticidad para el acero de refuerzo no pretensado se asume en: Ec = 2.039.000 kg/cm

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3.1.4 Modulo Torsional El módulo torsional ó módulo al corte del concreto es importante en el cálculo de estructuras en el espacio, siendo la relación del esfuerzo cortante a la deformación unitaria por corte dentro del rango elástico y puede ser calculado por la formula: Gc =

Ec 2.3 2. 3

donde: Gc = Módulo Torsional del concreto (kg/cm2) Ec = Módulo de Young del concreto (kg/cm2) para aceros estructurales Gc es aproximadamente 845.000 kg/cm 2

3.1.5 Coeficiente de Poisson El coeficiente de Poisson es la relación entre la deformación relativa transversal Dd/d y la deformación relativa longitudinal DL/L, siendo un factor básico en el análisis y diseño por elementos finitos y en el diseño pretensado de losas y conchas. donde: donde:

Defo Deform rmac ació ión n rela relati tiva va tra trans nsve vers rsal al:: Deformación relativa longitudinal:

Dd/d DL/L

m = 0,20 en el caso elástico m = 0,00 en el caso de rotura m = 0,30 para el acero estructural

(sección no fisurada) (sección fisurada)

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Dd/2

d

Dd/2

DL/L

m = D d /d D L /L

L

Coeficiente de Poisson Fig. 1-1

3.1.6 Fluencia y Retracción del Concreto La fluencia y la retracción del concreto son deformaciones dependientes del tiempo y deben ser incluidas en el diseño de estructuras de puente. Las cargas de corta duración (cargas vivas) en puentes de concreto inducen deformaciones elásticas. Las cargas muertas y superpuestas sin embargo tienen efecto a largo plazo y deben también ser consideradas.

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La fluencia y la retracción tienen un efecto simultáneo y requieren usualmente añadir un refuerzo perpendicular al refuerzo principal para absorver los esfuerzos de tensión inducidos por estos efectos.

3.1.6.1 Fluencia del Concreto La fluencia del concreto es un fenómeno en el cual la deformación del concreto es causada por cargas sostenidas durante un per íodo de tiempo. Tiene particular importancia en el cálculo de las contraflechas de puentes, teniendo magnitudes de 1.5 a 3 veces la la magnitud de la deformación instantanea, por lo cual dederán multiplicars multiplicarsee las flechas normalmente obtenidas por el coeficiente de fluencia para obtener el valor final de la contraflecha a usar. La fluencia puede causar cambios en la longitud fisica de los miembros de concreto. De la correcta escogencia del coeficiente de fluencia depende que las rasantes de las estructuras continuas cumplan las deformaciones calculadas al cabo del tiempo. Esta respuesta puede ser relacionada con la deformación inicial inicial elástica por la siguiente ecuación: Ct

=

deformación por fluencia deformación elástica inicial

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Ct

æ t 0 . 60 ö =ç C u 0 . 60 ÷ è 10 + t ø

Ct = 0.90 Cu en 5 años En general la AASHTO incorpora el efecto de fluencia como un factor multiplicador

é æ As ö ù ³ 0. 60 2 - 1. 2 êë è A' s ø úû donde:

As' = área de refuerzo a compresión As = área de refuerzo a tensión COEFICIE COEF ICIENTES NTES DE FLU FLUENC ENCIA IA DEL CON CONCRET CRETO O

Edad del concreto cuando la carga sostenida es aplicada (día) Para concreto de Coeficiente alta resistencia de Fluencia Para concreto ordinario Tabla

1-1

44 -7

14

28

90

365

2 .6

2 .3

2

1 .7

1 .2

2 .8

2 .5

2 .2

1 .9

1 .4

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3.1.6.2 Retracción del Concreto La retracción se define como el cambio de volumen del concreto concre to co n respecto al tiempo, no teniendo ninguna relación con las cargas. Cuando el concreto se retrae decrece su volumen encojiéndose, lo cual es causado por perdida de humedad durante el proceso de secado del concreto. Su efecto puede ser minimizado durante el proceso de curado. Si no es debidamente controlado puede producir agrietamientos y aun perdidas de pretensión en tal tipo de estructuras. Los esfuerzos asociados al concreto por retracción pueden ser calculados por: E retrac

t ö E =æ è 35 + t ø ( rectrac )u

De acuerdo al código de la AASHTO la deformación por retracción del concreto será de 200 x 10-6 Para el concreto armado usa un coeficiente de expansión térmica de: 10 x 10-6 (por grado centígrado)

Para el acero se usa un coeficiente de expansión térmica de: 12 x 10-6 (por grado centígrado)

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3.2 ACERO 3.2.1 Especificaciones y Normas El acero utilizado en el pais proveniente de la Siderurgica del Orinoco sigue los lineamientos generales establecidos por el Instituto Americano de Construcciones de Acero AISC, a cuyo efecto se utiliza en el país el Manual de Estructuras de Acero SIDO SIDOR, R, el cual contiene detalladamente detalladame nte todas la Especificaiones Especificaione s y Normas Normas tanto para estructuras de edificios como para estructuras de puentes. El formulario de utilización para evaluar esfuerzos de flexión, corte y tracción, aplastamiento, etc. se encuentran en el Manual antes mencionado, sin embargo a través de los ejemplos numéricos se irán aplicando en cada caso las formulas y limitaciones correspondientes.

4 - METODOS DE DISEÑO 4.1 General Desde 1.920 se comenzó en los Estados Unidos a elaborar unas Normas para Diseño de Puentes, derivadas en su origen de la experiencia adquirida en ése país pionero de grandes estructuras de puentes, agrupadas y codificadas en lo que actualmente se conoce como: las Especificaciones Estandard para Puentes Carreteros de la AASHTO .

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Dichas Normas han ido evolucionando a través de los años y enriqueciendo con el aporte de universidades e instituciones técnicas como el Instituto Americano del Concreto ACI, el Instituto Americano de Construcciones de Acero AISC, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles ASCE, de la Asociación de Cemento Portland, etc. Nuestro país, por la cercanía y comunicación con los Estados Unidos, por la profusa utilización de vehículos y tecnología norteamericana, y por nuestra propia carencia de los organismos adecuados para establecer normativas en tales disciplinas, ha adoptado como propia las Especificaciones y Normas vigentes establecidas por la AASHTO, las cuales hoy en día y debido a circunstancias particulares nuestras, deberán en un próximo futuro ser exhaustivamente revisadas y modificadas. La AASHTO provee dos métodos aceptables de diseño para puentes: • Diseño por Cargas de Servicio (Metodo Elástico) • Diseño por Factores de Carga (Metodo de Rotura)

Hasta años recientes, el Método Elástico era el fundamentalmente adoptado ado ptado por la mayoría de los organismos en Venezuela, siendo su objetivo principal igualar los efectos de cargas con los esfuerzos admisibles. siendo éstos una fracción específica del punto de cedencia del acero ó de la resistencia última del concreto. Su coeficiente de seguridad está implícito en ésta fracción y no considera comportamiento estructural mas allá del rango elástico.

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Desde 1974 se ha venido utilizando progresivamente el Método de Rotura. siendo su objetivo principal igualar la capacidad de carga última con las cargas aplicadas, después de afectar ambos por factores de seguridad. La capacidad teórica última, con esfuerzos esfuerzos en el límite de la falla, son reducidos reducidos por factores de confiabilidad. Las cargas aplicadas son afectadas por factores multiplicadores. En 1.986 el Instituto Americano de Construcciones de Acero AISC introdujo en norteamerica su Manual para Construcciones de Acero con la versión del Metodo Metod o d e Diseño por Factores de Carga y Resistencia LRFD, el cual no es otra cosa que el diseño por estados límites para las estructuras de acero, y el cual no ha sido todavía totalmente aceptado para puentes de acero.

4.2 Diseño por Cargas de Servicio 4.2.1 Basamento Teórico En la investigación de los esfuerzos por cargas de servicio se aplica la teoría de la linea recta en la relación de esfuerzos-deformaciones a flexión, asumiendo lo siguiente: 1.- Las deformaciones varían linealmente con la distancia del eje neutro. 2.- La relación esfuerzo-deformación del concreto es una linea recta bajo cargas de servicio dentro de los esfuerzos permisibles por cargas de servicio.

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3.- Se asume que el concreto armado no resiste tensión. 4.- La relación modular n = Es/Ec Es/Ec puede ser aproximada al número entero enter o más cercano pero no menor a 6. Excepto en cálculos por deflección, el valor n para concretos livianos debe ser el mismo que para concretos de peso normal de la misma resistencia. 5.- En miembros a flexión doblemente armados se debe usar una relación modular de 2 Es/Ec para transformar el acero a compresión en los cálculos de resistencia. El esfuerzo a compresión en tales miembros no debe ser mayor a el esfuerzo permisible a tensión.

4.2.2 Concreto En el diseño por cargas de servicio ó elástico de acuerdo al Código AASHTO, los esfuerzos en el concreto no deben exceder los siguientes valores: a) Flexión

Fibra extrema en tensión:

= 0 . 4 0 f ' c f t = 0. 21 f r

Módulo de Rotura: concreto peso normal concreto ligero arenoso otros concretos ligeros

f r = 1.99 f c' f r = 1.67 f c' f r = 1.46 f c'

Fibra extrema en compresión

f c

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b) Corte

Vigas, losas armadas en una dirección y fundaciones: vc = 0.239

f c'

Corte máximo absorbido por el concreto más refuerzo: v = v c + 1.06

f c'

c) Punzonado

Punzonado en el área cargada: f b = 0.0795

f c'

4.2.3 Acero de Refuerzo En el diseño por cargas de servicio los esfuerzos en el acero no deben exceder los siguientes valores: Acero A-36 : Acero A-588 :

f y = 2.530 kg/cm2 f y = 3.520 kg/cm2

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4.3 Diseño por Factores de Carga El criterio básico para diseño por factores de carga ó por rotura como dijimos anteriormente, implica factorar ó incrementar las cargas de diseño por los factores g y b La resistencia del material es disminuida por un factor de reducción especifico Ø. Estos tres tipos de factores de seguridad pueden variar según su aplicación, siendo independientes entre sí, por lo cual pueden ser redefinidos separadamente. En general, esta relación la cual veremos en detalle en el Capítulo de Cargas, toma la forma siguiente:

g [ b D ( DL ) + b LL ( L + I ) ] < = P u

donde:

g = factor de carga b = coeficiente

DL, L +I = solicitaciones solicitacio nes por peso muerto, carga viva e impacto (M,V,P) Pu = resistencia última de la sección

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Factor


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g

El factor gamma g es el más importante de de los tres. Varía en magnitud magnitud y considera consi dera incertidumbres debidas a magnitud de cargas, arreglo y posición de cargas y posibles combinaciones de carga, pero se aplica siempre a todas las cargas de una misma combinación. Su principal efecto es el control de esfuerzos, siendo su magnitud usual de 1.30. Las cargas de terremoto no son factoradas por encima de 1.00 por aceptarse esfuerzos en el rango plástico, siempre que no ocurra colapso. Como ejemplo vamos a justificar el uso de gamma g = 1.30 para cargas muertas. El valor probable superior de carga muerta puede tener un mínimo de 30% al calculado. Este porcentaje se discrimina como sigue: 10% 5% 5% 10% 30%

debido al exceso de peso debido a desplazamiento en la colocación del acero aproximación en el comportamiento de la estructura incremento de esfuerzos actuales con los calculados Variación Total

Factor b El segundo factor b es la medida de exactitud con la cual se pueden pue den predecir las diferentes clases de cargas. También refleja la probabilidad de simultaneidad en su aplicación. Aplica separadamente y con magnitudes diferentes a otras carga en una misma combinación. Por ejemplo: es usual utilizar 1.00 para la carga car ga muerta, en cambio cam bio la carga viva impactada varía hasta 1.67.

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Factor Ø El tercer factor Ø se refiere al material y es usualmente llamado factor de resistencia y trata de la reducción de capacidad ó de esfuerzo. Su propósito es tomar en cuenta las variaciones adversas en la resistencia del material, mano de obra, dimensiones, control de calidad, etc. Generalmente se usa 1.0 para el acero estructural, variando en el concreto entre 0.7 y 1.0. De acuerdo a la AASHTO estos factores de reducción de esfuerzos deben tener los siguientes valores: a) Flexión…………… Flexión……………………….. ………….. Ø = 0.90 b) Corte………………………..… Ø = 0.85 c) Compresión axial: con espirales.…… Ø = 0.75 con ligaduras…… Ø = 0.70 d) Punzonado del concreto….... Ø = 0.70

5.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO GEOMETRICO El ingeniero proyetista de un puente cuando este se encuentra ubicado sobre un río o depresión geográfica no encuentra mayores restr icciones o limitaciones en la parte geométrica del diseño del puente, pero en el caso de pasos a dos niveles, intersecciones, distribuidores de tránsito tránsito y similares, el diseño geométrico determinará la longitud de luces y la selección del tipo de puente

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En esta etapa el ingeniero de puentes debe consider ar los elementos de diseño que pueden incidir en la apariencia, seguridad, costo y condiciones de sitio. Además debe preocuparse por el movimiento eficiente del tráfico de las vias en sus diferentes niveles, para lo cual requiere un conocimiento del caracter y composición del tráfico, velocidad de diseño, visibilidad de las estructuras, curvas horizontales y verticales, hombrillos, anchos de vias, etc.

5.1 Anchos de Vias Al transitar sobre un puente, el usuario no debe tener la sensación de restricción, por lo cual es indispensable que el ancho de la vía en el puente sea el mismo que el de la vía de acceso al puente.

Distribuidor Baralt - Caracas

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