ANALISIS Y DISEÑO DE PUENTES
MODULO I.- INTRODUCCION AL MODELO, ANALISIS Y DISEÑO DE PUENTES; APLICADO AL PROGRAMA CSiBRIDGE
TEMARIO DEL MODULO I 1.-Introducción: CSiBridge V15 es un nuevo software integral del estado de la técnica para el análisis estructural y sísmico; para el diseño y evaluación de los puentes simples y complejos. Todos los comandos se integran en una única interfaz, que proporciona un entono fácil de usar así como realizar un trabajo intuitivo. Los modelos de Puente son generados a partir de plantillas que el programa trae como predefinidos; permitiendo al participante un gran ahorro de tiempo en la elaboración del modelo del puente a diseñar. Modelo, análisis y diseño de estructuras de puentes se han integrado en CSiBridge V15 para crear lo último en herramientas informáticas a medida para satisfacer las necesidades de los profesionales de ingeniería. La facilidad con que todas estas tareas pueden desarrollarse, hace que CSiBridge sea un programa más versátil y productivo para la industria del análisis y diseño. Usando CSiBridge, los ingenieros pueden definir geometrías complejas de puente, condiciones de contorno y los casos de carga demandadas. Los modelos de puente se definen paramétricamente, el uso de términos que son familiares a los ingenieros de puentes, como: líneas de diseño, estribo, apoyos, pilares, inclinaciones o esviaje, rotula, pos tensado, secciones agrietadas; etc.
2.- UTILIDADES GRAFICAS Definición de los comandos del programa Interface Grafica • Menú “ORB” (Nuevo, Abrir, Salvar y Salvar como, Importar, Exportar, Imprimir, Reporte, Fotos, Control de archivos, Animación, Configuraciones y Lenguaje). •
Menú “HOME” (Usando el Asistente de Puentes “Bridge Wizard”, VistaSnap, Selección, Despliegue y opciones de dibujo rápido).
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Menú “LAYOUT” (Definición de Líneas de Diseño y líneas de vía).
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Menú “COMPONENTS” (Propiedades de Materiales y definición de Pilar, vigas, estribos, fundaciones; Súper estructura “Deck Sections”, Sub estructura conexiones y tipos de apoyos).
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Menú “LOADS” (Vehículos, Patrones de Carga, Funciones de Cargas, Asignación de Cargas).
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Menú “BRIDGE” (Objetos de los Puentes, Cargar datos definidos al puente).
Menú “ANALYSIS” (Casos de Carga, Salvar respuesta, Lock Model, Opciones y Análisis del modelo, Modificar la geometría no deformada).
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Menú “DESIGN/ RATING” (Combinaciones de Carga, Diseño de la Súper estructura, Diseño Sísmico, Capacidad de Carga).
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Menú “ADVANCED” (Edición, Definir, Dibujar, Asignar, Asignar Cargas, Analizar, Herramientas).
Modelo final, con vías de carga móvil asignadas a cada puente
Animación con carga móvil, camión HS44 (HS20)
MODULO II.- DISEÑO DE SUPER ESTRUCTURA EN PUENTES (ACERO Y CONCRETO REFORZADO)
TEMARIO DEL MODULO II 1 Introducción al Diseño de Superestructura 2 Requisitos de Diseño En este capítulo se describen los pasos que son necesarios para definir las cargas y las combinaciones de carga que el usuario tenga previsto utilizar en el diseño de la superestructura del puente. El usuario puede definir las combinaciones predeterminadas que CSiBridge genera automáticamente según el código a usar; el caso del código de diseño se puede seleccionar mediante Design/Rating : Superstructure Design : Code Preferences.
En la actualidad, la norma AASHTO STD 2002 y AASHTO LRFD 2007 son los códigos de diseño usado por el CSiBridge V15. 2.1 Tipo de Patrones de Carga Las tablas 2-1 y 2-2 muestran los tipos de cargas permanentes y los patrones transitorios que se puede definir en CSiBridge. Las tablas también muestran la abreviatura AASHTO y las descripciones de los tipos de carga. Los usuarios pueden elegir cualquier nombre para identificar un patrón de carga tipo.
2.2 Diseño por combinaciones de carga Según el código se generan las combinaciones de carga para ser usadas en el diseño; según el tipo de patrón de carga (tabla 2-1 y 2-2) se genera los factores de carga y sus respectivas combinaciones requeridas (tabla 2-3), de conformidad con a la norma AASHTO LRFD 2007.
La tabla 2-4 muestra el máximo y el mínimo de factores para las cargas permanente de conformidad con la norma AASHTO LRFD 2007.
Se definen dos combinaciones para cada modelo de carga permanente debido al factor de concentración máximo y mínimo. Cuando las combinaciones de carga por defecto son utilizadas, CSiBridge crea automáticamente dos combinaciones de carga (uno para el máximo y uno para el factor mínimo), y luego crea automáticamente una tercera combinación que representa la envolvente del máx. / min. de dichas combinaciones. 2.3 Combinaciones de Carga por Defecto Las combinaciones de carga por defecto se puede activar usando el comando Design/Rating: L oad Combinations: Add Default; los usuarios pueden configurar las combinaciones de carga seleccionando el comando “Bridge Option”.
Los usuarios pueden seleccionar el límite de los estados deseados y los casos de carga usando el código que genera las combinaciones de carga para el diseño del puente como se muestra en la figura 2-1.
3.- Determinación de Factores de Carga viva, concentración para carga móvil 1.Determinar factores de distribución 2. Aplicación de los factores de distribución 3.Generar combinaciones con concentración de carga para chequear esfuerzo por torsión, corte y momento en las vigas (superestructura) 4. Leer resultados directamente desde las vigas (corte, momento y torsor) 5. Ejemplo completo de diseño de superestructura
Distribución de carga para calcular concentración de carga móvil
4.- Determinar los requerimientos de diseño de una superestructura 1. 2. 3. 4. 5.
Tipo de superestructura a diseñar Intervalo de estación Parámetros de diseño Demanda a satisfacer Factores de distribución de carga móvil, viva.
5.- Diseño de puente de concreto armado sección cajón (cerrada, sin alabeo) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Esfuerzos de Diseño según AASHTO-LFRD-2007 Parámetros de capacidad Ejemplo del proceso de diseño Ejemplo de diseño por corte Ejemplo de diseño por flexión; y torsión Diseño de viga exterior y viga interior
6.- Diseño de puente de sección compuesta y sección abierta (usar diafragma) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Esfuerzos de Diseño según AASHTO-LFRD-2007 Parámetros de capacidad Ejemplo del proceso de diseño Ejemplo de diseño por corte Ejemplo de diseño por flexión; y torsión Diseño de viga exterior y viga interior
7.- Resumen 1. 2. 3. 4. 5.
Descripción del modelo Parámetro y preferencias para el diseño (concentración de carga móvil) Combinaciones de carga Requerimiento para el diseño Diseñar según AASHTO-LRFD / chequear superestructura
MODULO III.- DISEÑO DE SUPER ESTRUCTURAEN PUENTES DE CONCRETO PRETENSADO
TEMARIO DEL MODULO III Fundamentos Teóricos (4 Horas) 12 3 4
Introducción Materiales y Sistema de Pretensado. Tipos de Secciones. Losas ahuecadas. Vigas AASHTO. Vigas de Cajón. Perdidas en el Pretensado Perdidas Instantáneas. Pérdidas diferidas con el tiempo. Consideraciones para el Diseño Teoría Básica de Diseño. Limites de Esfuerzo. Disposición de Cables. Momentos secundarios. Resistencia a Flexión. Resistencia al Corte. Deflexiones. Zonas de Anclaje. 5 Ejemplo Manual Diseño de Puente con Viga Cajón Pretensada de dos tramos. 7.- Aplicación usando “CSIBridge” 7.1 Puente con Viga AASHTO Pretensada usando CSIBridge Descripción del Modelo. Iniciando con el “Bridge Wizard”: Líneas de Referencia. Sección de la Losa del Puente. Objetos del Puente. Variación Paramétrica. Abutment, Bents, Diafragma y apoyos. Cargas Sobre el Puente: Líneas. Vehículos. Clases de Vehículo. Patrones de Carga. Casos de Carga (Móvil y otros casos). Cargas adicionales. Análisis de Resultados: Respuesta del Puente. Corriendo el Análisis. Desplegando los resultados (Gráficos y Tablas). Comparación de resultados.
7.2 Puente con Viga de Cajón Pretensada usando CSIBridge. Descripción del Modelo. Iniciando con el “Bridge Wizard”: Líneas de Referencia. Sección de la Losa del Puente. Objetos del Puente. Variación Paramétrica. Abutment, Bents, Diafragma y apoyos. Cargas Sobre el Puente: Líneas. Vehículos. Clases de Vehículo. Patrones de Carga. Casos de Carga (Móvil y otros casos). Cargas adicionales. Análisis de Resultados: Respuesta del Puente. Corriendo el Análisis. Desplegando los resultados (Gráficos y Tablas). Comparación de resultados.
MODULO IV.- DISEÑO SISMICO DE PUENTES (SEGÚN AASHTO – LRFD)
TEMARIO DEL MODULO IV 1.- Creación de un modelo de Puente
2.- Peligro y demanda Sísmica para diseño de puentes 1. Información General 2. Mapas de peligro sísmico AASHTO 3. Requerimiento para diseño sísmico 4. Diseño por desempeño sísmico 5. Patrones de carga y casos automáticos de carga
3.- Propiedades de secciones agrietadas y análisis por carga muerta
4.- Respuesta al espectro de diseño y revisión de desplazamientos 4.1 Respuesta al espectro de los casos de carga
4.2 Resultados debido al espectro aplicado
MODULO V.- ANALISIS NO LINEAL ESTATICO ( PUSHOVER)
TEMARIO DEL MODULO V ANALISISNO LINEAL ESTATICO “ PUSHOVER” 1 Definición de Rotulas y “ Fiber Hinge” Análisis. 2 Curva de Capacidad. 3 Métodos Usado para estimar la máxima respuesta no lineal esperada en la estructura 4.- Análisis no lineal de elementos de borde usando varios tipos de amortiguadores y aisladores basales. 5.- Evaluación del desempeño sísmico (análisis de pushover) utilizando espectros de capacidad. 6.- Preciso análisis sísmico para análisis historia-tiempo inelástico utilizando numerosos modelos de histéresis. 7.- Análisis de daño estructural utilizando modelos de fibra inelásticos. 8.- Definición y asignación de rotulas plásticas a las sub estructuras 1. Longitud de rótulas plásticas 2. Propiedades no lineales de las rotulas 3. Definición de no linealidad de los materiales (concreto y acero) 5.4 Opciones de rotulas plásticas
9.- Análisis por capacidad para desplazamientos 1. Resultados de los desplazamientos 2. Resultados del análisis pushover
10.- Demanda/ Capacidad ratios 11.- Reporte
MODULO VI.- DISEÑO DE PUENTES ATIRANTADOS CON CABLES Y DISEÑO DE PUENTES SUSPENDIDOS.
TEMARIO DEL MODULO VI 1 Introducción 1. Fundamentos teóricos y aplicaciones prácticas 2 Modelo 1.Modelo, asignación de vinculaciones al deck, cables, etiquetado de superestructura para secuencia de construcción. 3 Análisis y Diseño 1.Cálculo de la tensión inicial reflejados en el segmento de cierre para diseño de puentes atirantados.
2.Generación automática de fuerzas de tensión simulada durante la etapa constructiva; disposición de la superestructura para secuencia de construcción. 3.Un método preciso implementado para la configuración del análisis inicial en el diseño de puentes suspendidos. 4.Análisis de construcción secuencial reflejando las no linealidades geométricas de cada etapa en desmantelamiento o desmontaje. 5. Ingeniería dinámica de vientos para puentes de largos vanos. 4.- Reporte 4.1 Hoja de Reporte y diagrama gant
MODULO VII.- EVALUACION DE PUENTES EXISTENTES (Rating)
TEMARIO DEL MODULO VII 1.- Introducción
1.1 Recomendaciones para realizar una evaluación eficiente a un puente existente. 2.- Evaluación de un puente de concreto armado 1. Evaluación por flexión 2. Factor de evaluación 3. Resistencia a la flexión 4. Mínimo refuerzo por flexión 3.- Evaluación de un puente multicelular de concreto sección cerrada 1. Evaluación por flexión 2. Factor de evaluación por flexión 3. Resistencia a la flexión 4. Distribución de carga viva en las vigas 5. Mínimo refuerzo por flexión 6. Evaluación por corte según AASHTO-LRFD 2007 7. Factor de evaluación por corte 8. Distribución de carga viva para corte 9. Resistencia al Corte 4.- Evaluación de un puente prefabricado de sección compuesta 1. Evaluación por flexión 2. Mínimo refuerzo por flexión 3. Evaluación por corte según AASHTO-LRFD 2007 5 .-Análisis de Capacidad de Carga en Puentes Existentes “Bridge Rating” 1.Introducción. Tipos de Rating (Inventario y Operacional). Método ASR, LFR y LRFR. 2.Proceso Analítico y Algoritmo para un Puente de Concreto tipo “Box Girder”. 5.3Proceso Analítico y Algoritmo para un Puente de Concreto prefabricado con losa compuesta. 5.4 Proceso Analítico y Algoritmo para un Puente de Concreto con vigas AASHTO.
DESCRIBIENDO EL MENU “Orb”. Este menú está localizado en la parte superior izquierda del programa. Este menú está relacionado a todo lo que es el mantenimiento de los archivos “Files” (Crear Nuevo Archivo, Abrir un Archivo existente, Salvar un Archivo), Producir salidas de resultados (Gráficos, Reportes, Videos de Animación), y para establecer unos rangos de parámetros usados por el programa (Unidades, Tolerancias, Despliegue de Colores, Sonido, Información de Proyecto y Comentarios). El botón “Recent Models” despliega los últimos archivos de modelos que hemos abierto o usado, el botón “Resources está relacionado a la ayuda que tiene el programa”. Secuencia de Pasos para Iniciar un Nuevo Modelo Usando “Quick Bridge” (Opción de Modelo Rápido).
Figura 1
1. Orb
> New
Este comando es para desplegar un nuevo modelo figura 1. Esta forma tiene distintas opciones para iniciar desde unos modelos predefinidos con propiedades por defecto que luego el usuario debe modificar. Note que también se pueden definir las unidades que se van a usar. Las unidades seleccionadas en este paso serán las unidades de “base” que el programa va a usar en dicho modelo. Si en el transcurso de nuestro trabajo estas unidades son cambiadas el programa internamente la convierte a la unidad de “base” y cada vez que abrimos el modelo se abre en estas unidades. También observe que es posible iniciar un modelo desde un archivo existente “Initialize Model from an Existing File” en este caso podemos traer un archivo de un modelo existente e iniciar un nuevo modelo sin alterar el archivo que seleccionamos ya existente. Esta opción se puede usar si el modelo existente tiene propiedades en común con el nuevo modelo que vamos a generar. La opción “Quick Bridge” típicamente produce estructuras con espaciamientos uniformes, aunque este se puede modificar luego. Podríamos describir algunas opciones dentro del recuadro “New Model”: Templates “Blank”: Esta opción permite abrir el programa en blanco si ningún modelo. Esta opción puede ser útil cuando Importamos algún modelo para iniciar nuestro trabajo. También si queremos generar el modelo desde cero usando las pestañas (Ribbon) o mejor aun si queremos usar el “Bridge Wizard” (Definido más adelante). Templates “Quick Bridge”: Esta opción es para generar un modelo rápidamente, solo hay que especificar al programa la longitud y el tipo de sección que compone al puente en la Súper Estructura. Una vez generado el modelo es posible también usar el “Bridge Wizard” o las pestañas para hacer modificaciones o introducir información. Templates “Cable Bridge”: Esta opción es usada para crear un puente en suspensión con cables, basado en el ancho de la losa, pandeo mínimo de cables, y el número de divisiones que contiene un tramo (Span). Templates “Caltrans BAG”: Este es el generador de Análisis de Puente, el cual genera un modelo para desarrollar un análisis dinámico de respuesta espectral y un análisis estático para un puente de concreto armado. Es una opción que normalmente se usa para cumplir con los requerimientos del departamento de transportación y Obras Públicas de California. Templates “Beam”: Usado para crear un modelo simple de viga, solo hay que especificar el número de tramos (spans), su respectiva longitud y la propiedad de la sección a usar. Templates “2D Frame”: Para usar un modelo de pórtico en dos dimensiones basado en los parámetros especificados.
2. Orb > Open Luego que el modelo es creado y salvado, este puede abrirse usando el comando “Open”. 3. Orb > Save Este comando es para guardar y almacenar el archivo en uso. La extensión de los archivos es .BDB 4. Orb > Import Este comando es usado para traer datos de un modelo en varios formatos. Entre los formatos que se pueden importar están: -
.XLS (Excel) .mdb (Acces) .b2k (Text) .STP (CIS/2) .dxf (Auto Cat) .ifc (IFC) .jgs (IGES) .dat (Nastran) .std/.gti (STAAD/GTSTRUDL) StruCAD*3D
5. Orb > Export Este comando es usado para exportar el modelo generado en CSIBridge a una variedad de formatos (todos los anteriores, incluyendo el Perform 3D y Perform 3D Structure. 6. Orb > Print Este comando está compuesto por tres subcomandos: 1- Print Graphis: La grafica que se despliega en la ventana activa es enviada a imprimir en una impresora. 2- Print Tables: Para especificar e imprimir datos en el programa. 3- Print Setup: Este comando es usado para especificar la impresora que se usara por defecto, orientación del papel y otras opciones. 7- Orb > Report Comando “Create Report”: Genera un reporte para el file, usando la fuente de datos, el formato de salida y los tipos de datos seleccionados usando el “Report Setup”. Comando “Report Setup”: Este comando no es para generar un reporte sino mas bien cuál será el contenido del reporte, formato, tipo de salida, grupos, orientación de la página, componentes del reporte, datos de entrada, parámetros de salida y si se requiere incluir los nombres de todos los objetos en la salida de resultados. Comando “Advanced Report Writer”: Este comando permite que el usuario seleccione desde cero el contenido y el formato que tendrá el reporte, y entonces crea el reporte en función de lo especificado.
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Orb > Pictures
Este comando despliega un menú de sub comandos que permiten capturar la imagen en la pantalla del programa que esta activa, también es posible crear videos de animación múltiple o cíclica. 9
Orb > Setting
Este comando despliega un menú de sub comandos que puede ser usado para especificar las unidades de salida y de entrada de datos, tolerancias, la tabla de base de datos, colores entre otras cosas. 10
Orb > Language
Las lenguas validas en CSIBridge son el Ingles y el chino. DESCRIBIENDO EL “HOME”. Ir a Home > Bridge Wizard. Esta opción guiara al usuario a través de los pasos necesarios para crear un nuevo modelo. Para que este comando sea activo al igual que todos los TAB primero se debe haber seleccionado la pantalla en blanco en la opción nuevo modelo o crear un nuevo modelo con propiedades por defecto usando el comando “Quick Bridge”. El Bridge Wizard se ha diseñado para trabajar con la pantalla en blanco.
El recuadro desplegado mostrara cada paso que usted debe seguir en el proceso de crear su nuevo modelo. Si usted selecciona un paso determinado en la tabla de sumario “Summary Table” La descripción pertinente aparecerá en el recuadro localizado en la parte superior. A mano izquierda están las opciones para comenzar a trabajar con la definición del modelo. Al seleccionar cualquier opción en el recuadro de definición también aparece la definición del mismo en el recuadro derecho. Puede ir deslizándose a través de cada paso con las flechas que se encuentran en la parte inferior en “Step”. También puede visualizar todo el contenido en la tabla de sumario deslizando las flechas en “Form Layout”. La columna “Note” en la tabla de sumario presenta la palabra “Required” y “Component….”, lo requerido siempre deberá definirse para poder crear el modelo, mientras que los otros parámetros son avanzados poco usuales. Cuando usted usa la opción “Quick Bridge” para iniciar su nuevo modelo el programa asigna propiedades por defecto a todo el puente. Estas propiedades pueden revisarse y modificarse a través del “Bridge Wizard”. También otra forma de interactuar con las propiedades del puente es navegando a través de cada TAB. PASO S A SE G UIR C UANDO US A M O S E L “ BRIDG E WIZ ARD” 2. 3. 4. 5. 8. 9.
Definir la Alineación Horizontal y Vertical del Puente “LAYOUT LINE”. Definir las Propiedades Básicas de los Materiales, Secciones y Link (Cuando Aplique). Definir las características Especificas del Puente (Sección de la Losa, Diafragmas, Restricciones, Asientos, Esprines usados en las Fundaciones entre otras cosas). Desde los pasos 5 hasta el 7 definir los objetos del puente, esto después de haber definido la geometría en los pasos anteriores. Dibujar y asignar las propiedades a los objetos del puente. Desde los pasos 9 hasta el 13 definir los parámetros básicos del análisis (Lineas, vehículos, casos de carga y opciones de salida).
Observe que hay pasos que no pueden ser definidos hasta que un paso previo este definido por ejemplo no es posible definir los objetos del puente hasta que el “Layout” y las propiedades del “Deck” no estén definidos. La asignación a los objetos del puente no se puede completar hasta que los objetos no sean definidos. Para definir “Lanes” es necesario primero haber definido el “Layout” y deben existir los objetos “Frame” en el puente. DEFINICION DE LAYOUT LINE. Las líneas de Layout son líneas de referencia usadas para definir la longitud de los tramos del puente, como también su alineación, el cual puede ser curvo o recto. En el caso de haber iniciado el modelo con el “Quick Bridge” el programa crea automáticamente las líneas de “Layout” y algunas Definiciones del “Lane”. Estas definiciones pueden ser vistas desde la pestaña (Tab) “Layout”. En el casos de haber iniciado el modelo usando el “Bridge Wizard” es posible seleccionar (Highlighting) el Item “Layout Line” y el “Lane” en la tabla de sumario y entonces hacer click en “Define/Show Layout Lines y Define/Show Lanes, otra alternativa es usar la pestaña. Los comando de Layout, también pueden ser usados si se inicia desde un modelo en blanco desde cero. Esta opción es para generar básicamente las líneas de referencia usadas para definir la alineación vertical y horizontal del puente. También se usan para especificar las líneas vehiculares. Las líneas de trazos pueden ser rectas, con dobles, con curvas tanto verticales como horizontales. Si hacemos doble Click en “Layout Line” que se encuentra en la tabla de sumario podremos entrar al recuadro “Define Bridge Layout Line”. Al presionar “Set Preferences….” En esta opción usted puede modificar la orientación de la flecha Norte, la cual dependerá del ángulo que usted introduzca medido en dirección contraria a las manecillas del reloj. Si
colocamos 0 gados el norte estará en la dirección global X y si colocamos 90 gados el norte estará en la dirección global Y. También usted puede refinar la curva del puente colocando el ángulo en grados, mientras más pequeño más discreta será la curva del puente.
Si presionamos “Add New Line…” se desplegara el recuadro “Bridge Layout Line Data” mostrado a continuación. Note que también usted puede acceder a estos mismos recuadros a través del Tab “Layout” en la barra de herramientas.
Modify Layout Line Station: Esta opción es usada para mover las líneas de trazado, de dos formas: Shift Distance: Para mover la estación inicial del “Layout” seleccionado, especificar la distancia a partir de eje global longitudinal. Todas las demás estaciones serán referenciadas según esta nueva estación inicial.
New Starting Station: Mover la estación inicial especificando una nueva estación.
Coordinates of Initial Station: Esta opción es usada para mover el punto donde comienza el “Layout”. Por defecto este punto está en el origen de los ejes globales de referencia. Initial Station (m): Aquí usted puede introducir una nueva estación inicial, sin embargo solo se modificara dicha estación las demás se quedaran igual. Initial Grade Percent: Representa el porciento de inclinación del puente. End Station: Modifica la estación final sin alterar las demás estaciones. Horizontal Layout Data: Esta opción despliega un recuadro que puede ser usado para definir el alineamiento horizontal del puente. Es posible definir una combinación de layout usando ya sea múltiples líneas rectas o curvas, a partir de una estación previa de asientos (bearing), o de una nueva estación. Las curvas pueden ser tanto a la derecha como a la izquierda. Las estaciones se especifican como longitud medida desde la izquierda a la derecha, desde la estación inicia.
Si seleccionamos “Quick Start” aparece el siguiente recuadro para hacer una definición rápida del alineamiento horizontal.
Vertical Layout Data: Esta opción despliega un recuadro que puede ser usado para definir el alineamiento vertical del puente. Es posible definir una combinación de layout vertical con múltiples alturas, ya sea constante desde una estación previa con su respectivo grado o elevación, o desde una nueva elevación. La localización de las estaciones se miden en longitud de derecha a izquierda desde la localización de la estación inicial.
DEFINICION DE CARRILES (Layout > Lanes). Los carriles se definen para el análisis del modelo bajo la carga viva. Esta definición se usa cuando agregamos los casos de carga móvil y en la definición de los patrones de carga viva los cuales que a la vez se usan en los casos de carga estático y dinámico con múltiples pasos. La carga viva vehicular pasa directamente sobre el “Lane” (Carril) definido, puede definirse uno o más carriles. Estos carriles pueden satisfacer los requerimientos del código. Los carriles no necesariamente tienen que ser paralelos o tener la misma longitud. En puentes simples con una carretera, los carriles usualmente son paralelos y con espaciamiento uniforme, recorriendo toda la longitud del puente. También es posible definir múltiples patrones de carriles para estudiar el efecto de diferentes posiciones vehiculares paralelas. Para propósitos de diseño se debe definir y cargas un solo carril. El factor de distribución de la carga viva se debe definir usando las opciones disponibles cuando definimos la súper estructura. En la siguiente figura se ilustran los comandos para definir los carriles.
Ver Siguiente página para descripción de una nueva línea.
Con este comando es posible alinear la geometría del puente definida a través del “Layout” con el “Lane” que se está definiendo. Note que los cuadros de edición pueden usarse para especificar la localización de la estación medida de izquierda a derecha en relación al inicio del puente, la distancia de separación referente al “Layout” y el ancho del “Lane”. La separación entre el “Lane” y el “Layout” puede variar por estación. La línea completa puede ser movida usando botón “Move Lane”, el cual se puede usar para cambiar la separación entre el “Layout” o moviendo el inicio de la línea a otra posición deseada. Note que para definir un simple “Lanes” se requiere como mínimo dos datos correspondientes al inicio y al final.
Este recuadro es usado para referenciar el “Lane” a un elemento “Frame” el cual se especifica con el label correspondiente al elemento. Es posible utilizar, múltiples elementos como referencia para definir el “Lane” en caso de que el “Lane” sea mayor que uno de los elementos de referencia, en este caso hacemos referencia a otro elemento.
DE SC RIBIE NDO L A PE STAÑ A “ C O M PO NE NTS” . En la pestaña “Component” se encuentra el “Properties Panel” usado para agregar, copiar o modificar definiciones de materiales, elementos, cables, tendones, link. Esta el “Superstructure Panel” usado para secciones de losas, diafragmas, variaciones paramétricas. Esta el “Substructure Panel” usado para bearing, restricciones, esprines de fundaciones, abutment y columnas. También existe un comando en “Properties Panel” usado para especificar el tamaño de las barras, como también un comando para borrar una definición existente. Si el usuario ha usado el “Quick Bridge” para iniciar el modelo el programa deberá crear automáticamente definiciones por defecto para los materiales, propiedades de elementos, sección de la losa, bearing, abutment y columnas. Todas estas definiciones por defecto pueden visualizarse a través de la pestaña “Components”. También se puede tener acceso a toda esta información a través de las opciones del “Bridge Wizart”. Los comandos de la pestaña “Components” también pueden usarse si se a usado la opción “Blank” para iniciar un nuevo modelo y todavía no se ha usado el “Bridge Wizart”.
COMPONENTS > MATERIALES
Al seleccionar “Type” se despliega una lista de propiedades y el nombre del panel cambiara en función de la propiedad seleccionada en la lista. Si hacemos click en expandir se desplegaran una de los siguientes recuadros.
Recuadros que Corresponden a la Definición de los Materiales.
Si seleccionamos esta opción y presionamos “Add New Material”
Recuadros que Corresponden a la Definición d e lo s E lemen to s “FR AME S” .
EL SECTION DESIGNER
Caltrans Section Properties
El “Section Designer” provee una poderosa medida para definir secciones con geometrías complejas, incluyendo la disposición irregular de las barras y tomando en cuenta tanto las barras longitudinales como también las transversales.
Recuadro que Corresponde a la Definición de los Cables.
Recuadro que Corresponde a la Definición de los Tendones.
Recuadro que Corresponde a la Definición de los Link.
Recuadro que Corresponde a las Propiedades de Barras.
COMPONENTS > SUPER ESTRUCTURA La Super Estructura del Modelo de un puente consiste en la Sección del Deck, Diafragmas y es soportada por la Sub Estructura. Las dimensiones de la Sección del Deck pueden varias de acuerdo con la definición de variación paramétrica.
A continuación se muestran los recuadros relacionados a cada Item. Recuadro para Definir la Sección del Deck o Sección Transversal de la Losa del Puente.
Usando este recuadro es posible la definición de secciones tales como: secciones de concreto que incluyen cajones (Box), Cajones con múltiples celdas, Vigas T, Losa Plana, Vigas AASHTO pretensadas y otros tipos de vigas pretensadas y Secciones con Vigas de Acero. Entre los parámetros que debes especificar podemos mencionar: Dimensiones del Deck, Localizacion de parapetos (Esto es usado por el programa para determinar la extensión de la carga vehicular a través de la sección del Deck, para determinar los factores de distribución de la carga viva LLDF).
Al presiona “Add New Section” aparecerá el siguiente recuadro.
Recuadro para Definir los Diafragmas del Puente.
Los tipos de diafragma pueden ser: Sólidos (únicamente para puentes de concreto), con diagonales (únicamente para puentes de acero), o vigas simples (únicamente en puentes de acero). Para Puentes de Concreto: Se usan diafragmas sólidos y su definición es basada en el ancho del diafragma y su altura. Para Puentes de Acero: En el caso de un diafragma con diagonales, la definición debe incluir las propiedades de la sección a usarse en la parte en la cuerda superior e inferior y en los elementos de brazos (estos pueden ser V, V invertida, X), como también especificar los puntos de trabajo en función del cambio en elevación. También en puentes de acero se pueden usar diafragmas como viga simple, la definición incluye las propiedades de la sección y la especificación en el cambio de elevación en sus extremos.
Recuadro para Definir la Variación Paramétrica del Puente.
La variación paramétrica se refiere a como varia la sección del Deck en su vista lateral a lo largo del puente. La variación puede ser: Lineal, Parabólica o Circular. El botón “Quick Start” puede ser usado para agilizar el proceso. El recuadro para especificar la variación paramétrica es el siguiente.
COMPONENTS > SUB ESTRUCTURA La Sub Estructura del Modelo de un puente consiste en los Asientos (Bearing), restricciones, esprines de fundaciones, estribos (Abutment) y Viga transversal para apoyar la Super a través de los asientos (BENT).
Una vez hemos seleccionado el Item desde el listado podemos seleccionar el despliegue de Items para ver el recuadro que corresponde al Item seleccionado. A continuación se ilustran los recuadros que corresponden a cada Item.
Recuadro que Corresponde a la Definición de los “Bearing”. Las propiedades del Bearing son usadas en el Abutment, en el Bent y asignación de Hinge a los objetos del puente. Por ejemplo en los Abutment los Bearing son usados en la conexión entre los girders y la Sub Estructura, en el Bent los Bearing son usados en la conexión entre los girders y el Bent Cap Beam, en el Hinge los Bearing son usados en la conexión entre los girders y las dos caras del Hinge. Las propiedades de los Bearing pueden ser especificadas como “Soportes Link” o pueden definirse por el usuario que es mas recomendado. Cuando el usuario define el Bearing debe especificar las condiciones de restricción en los seis grados de libertad (Fijo, libre o parcialmente restringido) con una constante específica de resorte.
Recuadro que Corresponde a la D efinic ió n d e “ Cable de Restricción”. Las restricciones básicamente son usadas donde hay discontinuidad, por ejemplo cuando la super estructura es discontinua sobre el abutment o el bent. Esta opción permite conectar la super estructura con la sub estructura en la localización del Bearing a través de un cable de restricción o inmovilización (Cable Restrainers). El usuario puede definir las propiedades especificando un Link o definiendo las propiedades directamente lo cual es recomendado, en tal caso el programa calcula automáticamente las propiedades del Link desde las características de cable especificadas por el usuario. El Link de restricción se localizara en el mismo lugar donde se localiza el Link del Bearing, aunque en realidad lo que estamos haciendo es conectar el Link de restricción a la super y al Bearing, mientras que el Link del bearing se conecta al Bent Cap. En resumen definimos: Restricción definida por un Link: Se genera un simple Link que conecta el Bent Cap con el Bearing. Restricción definida por el usuario a través de las características de un Cable para que el programa calcule automáticamente las propiedades del Link: Se generan dos Links conectando el Bent Cap con el Bearing. Un Link tiene propiedades de Gap y el otro Link tiene propiedades de Hook. Esto es para simular que el cable es únicamente efectivo cuando la super estructura se mueve en sentido opuesto a la sub estructura.
Recuadro que Corresponde a la Definición de “Esprines para las Fundaciones”. Los esprines para las fundaciones son usados para conectar la Sub Estructura al suelo. Estas propiedades pueden usarse en el Abutment y en el Bent. En el Bent los esprines para las fundaciones son usados en la base de cada columna como esprines puntuales al igual que el Abutment. La propiedad de estos esprines en por unidad de longitud. Las propiedades de un esprín pueden especificarse como Link o definidas por el usuario lo cual es recomendado. En tal caso las propiedades pueden darse en los seis grados de libertad (Fijo, libre y parcialmente restringido) con una constante de esprín específica. Esta definición de esprín también puede usarse para apoyar vigas continuas se debe especificar un factor indicando la longitud sobre la cual dichas propiedades deben aplicar.
Rigidez (ejemplo KN/m) / 1 m
Rigidez (ejemplo KN/m) / 1 m^2
Recuadro que Corresponde a la Definición del Estribo “Ab utmen t” . Este recuadro es para especificar las condiciones de soporte en los extremos del puente. Permite especificar la conexión entre el abutment y los girders ya sea como integral o conectado a la base del girder únicamente, permitiendo la conexión a través de una serie de esprines puntuales (uno en casa girder) o sobre una viga continua transversal.
Recuadro que Corresponde a la D efinic ió n d el “Be nt” . Este recuadro es para especificar la geometría y las propiedades de la sección del “Bent Cap” y del “Bent Columns”. También se especifica las condiciones de soporte en la base de las columnas, la conexión entre abutment y girders ya sea integral o conectada en la base de los girders únicamente, una simple línea de bearing continua o una línea de bearing doble. La super estructura del puente deberá tomarse como continua o discontinua basado en el tipo de Bent a usarse. El botón “Modify/Show Columns Data”, desplegara los datos para las columnas del Bent (Localización, altura y condición de soporte en la base).
DESCRIBIENDO LA PESTAÑA LOAD “ C ARGAS” La pestaña “Cargas” (Load), permite el acceso eficiente a los datos necesarios para agregar, copiar o modificar definiciones de vehículos y clases de vehículos, patrones de carga, espectros de respuesta, funciones de carga en el tiempo, cargas puntuales, lineales y cargas de áreas. Esta también disponible un comando para borrar una definición especifica. Si se usó el “Quick Bridge” para iniciar el modelo, el programa deberá tener creado definiciones de vehículos por defecto, clases de vehículos, patrones de carga, ect. Todas estas definiciones pueden visualizarse usando los comandos de la pestaña “Loads” o también usando el “Wizard”. Los comandos de esta pestaña también pueden ser usados si se usa la opción en blanco para iniciar el nuevo modelo. Los vehículos deben ser definidos para analizar el modelo de un puente bajo carga viva vehicular. En el programa CsiBridge la carga vehicular son aplicadas a la estructura a través de los “Lanes”. Cada definición de los vehículos consiste de una o más cargas concentradas o cargas uniformes.
Luego de haber seleccionado una opción del listado de Item para los vehículos (Vehicles, Vehicles Classes) podemos hacer click en la flecha “expandir” para tener acceso a los siguientes recuadros de definición.
Define Vehicles: Hay un gran número de vehículos estándares definidos en el programa, este recuadro es usado para añadir cualquiera de estos vehículos. Define Vehicles Classes: Esto es simplemente un grupo de uno o más vehículos que son usados en un análisis con carga móvil (Un vehículo a la vez). Esta definición por clase permite evaluar la máxima y mínima respuesta del puente de la más extrema de varios tipos de vehículos. La opción para definir clases de vehículos no está habilitada hasta que no se haya definido un vehículo estándar.
Si hacemos Click en “Add Vehicle” en el recuadro “Define Vehicles”, tendremos acceso al recuadro “Standart Vehicle Data”. En este recuadro tenemos una gran variedad de tipos de vehículos que representan la carga viva, en base a varios códigos de diseño. El factor de escala que se introduce en algunos vehículos es para especificar el peso nominal en las unidades en cuestión, por ejemplo para un H o HS las unidades son en Toneladas, para vehículos UIC las unidades son en kN/m y así por el estilo. En la carga dinámica permisible se especifica la adición al porcentaje para incrementar las cargas concentradas y de ejes, la carga uniforme no se afecta, si este número es 33 todas las cargas concentradas de ejes serán multiplicadas por 1.33.
Si del recuadro “Define Vehicles”, seleccionamos “Add General Vehicle”, y luego hacemos click en “Add Vehicle” tendremos el siguiente recuadro para agregar un vehículo general:
Un vehículo general consiste en “n” ejes con una distancia especifica entre uno y otro. Cargas concentradas en los ejes. Carga uniforme entre pares de ejes. Rango de variación en la distancia entre ejes y distancia fija. Si en el recuadro “Define Vehicles Clases” hacemos Click en “Add New Class…..” tendremos el recuadro:
LOADS > LOAD PATTERNS Los patrones de carga se componen por un nombre, tipo de carga y distribución espacial de fuerzas, desplazamientos, temperatura, entre otros efectos que actúan sobre la estructura. Estos patrones de carga una vez se definen deben ser aplicados a la estructura. También es posible generar un patrón con múltiples pasos de carga viva el cual es usado en un análisis estático de pasos múltiples o en un análisis dinámico de pasos en el tiempo. Si hacemos click en la pestaña “DL Load Patterns” se despilega el siguiente recuadro:
Cada patrón de carga debe tener un nombre único. Los tipos de carga que se despliegan en este recuadro están definidos en el Código AASHTO LRFD. Los tipos de carga son usados para determinar las combinaciones automáticas de carga. Note que en el caso de carga “Bridge Live” podemos tener acceso al recuadro “Multi Step Bridge……..”, en este recuadro se pueden especificar uno o más vehículos para que transiten por un carril (Lane) especifico a una cierta velocidad, dirección y un determinado tiempo de inicio. El multiplicado de peso propio es un factor de escala que multiplica el peso de la estructura y aplica esta fuerza en dirección de la gravedad (-Z). El peso propio de la estructura es determinado al multiplicar el peso específico del material por el volumen de cada objeto con propiedades estructurales. El patrón automático de carga lateral se aplica en los casos de terremotos, olas y vientos. Con esta opción el usuario puede especificar los códigos para que el programa haga los cómputos internamente. Otra alternativa es aplicar manualmente estas cargas usando la pestaña “Advanced” esto se explicara más adelante.
LOADS > FUNCTIONS
En referencia a la función espectral podemos decir que es una función que relaciona el periodo versus la aceleración espectral. Los valores de la aceleración son normalizados o sea sin unidades de esta forma las unidades son asociadas al factor de escala que es el multiplicador de la función el cual se debe especificar cuando se define la función. Existen muchas opciones para definir la función espectral, principalmente AASHTO 2006 y AASHTO 2007. En el caso de AASHTO 2006, hay que especificar en los valores el coeficiente de amortiguamiento y el tipo de suelo, los valores de periodo y aceleración están por defecto, podemos también convertir dicha función a definida por el usuario y entonces modificar valores de periodos y aceleraciones. En el caso de AASHTO 2007, el programa CSIBridge se basa en los procesos descritos en “AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design”, Seccion 3.4.1. Los valores de Ss, S1 y PGA deben tomarse de los mapas USGS y AASHTO los cuales están internamente incluidos en CSIBridge, también el usuario puede especificar directamente estos valores.
En referencia a la función “Time History” podemos decir que consiste en un listado de valores de tiempo y de la función que ocurren en intervalos igualmente espaciados. Los valores de la función representan la aceleración del terreno y están normalizados.
Nota: Una vez hemos definido la función espectral y de aceleraciones en el tiempo, se pueden usar en la definición de los casos de carga.
LOADS > DISTRIBUTIONS
Recuadro para Definición de Carga Puntual:
Esta opción permite definir una carga puntual única en una dirección, localización e intensidad específica. Esta carga puede ser un momento o una fuerza y el sistema de coordenada puede ser local o global. La localización de la carga puntual en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck. Recuadro para Definición de Carga Lineal:
Esta opción permite definir una única carga lineal, en dirección y localización especifica. Puede ser una fuerza o un momento. El sistema de coordenadas pude ser local o global. La localización de la carga lineal en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck.
Recuadro para Definir una Carga por unidad de Área:
Esta opción permite definir una única carga por unidad de área, en dirección y localización especifica. Puede ser una fuerza o un momento. El sistema de coordenadas pude ser local o global. La localización de la carga en la dirección transversal se hace en referencia al extremo derecho o izquierdo del deck. Ambas distancias son requeridas para definir las condiciones de borde en los extremos de la carga por unidad de área. Recuadro para Definir el Gradiente de Temperatura:
El gradiente de temperatura esta creado para el cumplimiento con los requerimientos del código AASHTO o el Código Chino JTG D60 o también puede ser definido por el usuario.
DESCRIBIENDO LA PESTAÑA “ BRI DG E ”
La pestaña “Bridge” se compone de comandos para agregar, copiar o modificar definiciones de objetos, como también borrar y actualizar definiciones previas. Otros comando permiten acceder a formas de datos para la revisión de tramos (Diafragmas, rotulas y discretización), soportes (Abutmen y Bent), súper elevación, tendones de pretensado y cargas. También hay otros comandos para agregar barras a las vigas y para definir los grupos que componen la secuencia de construcción. Si para iniciar el modelo se usa el “Quick Bridge” el programa habrá generado automáticamente los objetos del puente usando las definiciones por defecto, las cuales pueden visualizarse a través de la pestaña “Bridge”. Si se ha usado el “Bridge Wizard” para iniciar el modelo, podemos acceder a todos los comando que están en la pestaña “Bridge”, a través de “Bridge Object Asignments”. Todos los comando de la pestaña “Bridge” también pueden usarse si se inicia el modelo con la opción “Blank” El modelo de un puente está representado paramétricamente por una serie de objetos. Al usar la pestaña “Bridge” lo que hacemos es reunir todos estos objetos en un mismo modelo llamado “Bridge Object”, ya sea como sólido, línea o área. En otras palabras el “Bridge Object” representa toda la estructura del puente. Al hacer click en “New” aparece el siguiente recuadro:
Todas las asignaciones que se pueden hacer al “Bridge Object” aparecen en la lista ubicada a mano derecha de este recuadro. Si seleccionamos un “Item” y presionamos “Modify……” aparecen los mismo recuadros disponibles en la pestaña “Bridge”.
Asignando el Span al “Bridge Object”
El comando Span despliega el recuadro usado para poder asignar la sección del “Deck” previamente definida a través de la pestaña “Components’. A través de este recuadro se puede aplicar la variación paramétrica a través de “Section Varies” o “Modify/Show……….”
Asignando Diafragmas al “Bridge Object” La asignación del diafragma debe incluir la selección del tramo o span, en donde se ubicara el diafragma (a lo largo de la longitud), la identificación de las propiedades del diafragma, la localización medida desde el comienzo del tramo y la indicación de asientos.
Asignando Junta de Expansión “Hinge” Esta opción es usada para especificar zonas de expansión (Discontinuidad). Para asignar una discontinuidad, junta, rotula o expansión es necesario especificar su localización y orientación, propiedades de asiento, elevación, y ángulo de rotación, propiedades de restricciones, propiedades de diafragma antes y después de la discontinuidad, la abertura inicial (Gap) arriba y debajo de la súper estructura.
Asignando Puntos de Discretización En la gran mayoría de modelos no es necesario discretizar, debido a que el programa discretiza cuando actualizamos el modelo. Sin embargo al usar esta opción reemplazamos lo que hace el programa controlando la división del tramo a lo largo del puente. Este recuadro permite especificar los puntos donde el tramo será discretizado. Esta opción también es usada cuándo requerimos la salida de resultados en un punto específico. También se puede especificar un Skew asociado a un punto de discretización.
Asignando los Soportes Abutment: Permite la asignación en el inicio y en el final del puente de: Inclinaciones (Skew), Propiedades de Diafragma en los extremos, sub estructura en el abutment, propiedades, elevación vertical y localización horizontal de la sub estructura, propiedades de los asientos ect. La elevación de los asientos se refiere a los puntos de acción o punto en el cual ocurren todas las traslaciones y rotaciones.
Bent: Permite la asignación de la súper estructura incluyendo propiedades de diafragmas (En el caso de súper estructura discontinua una propiedad de diafragma se puede especificar en cada extremo, también como propiedades de restricciones, abertura arriba y abajo), propiedades del Bent y orientación, elevación vertical y localización horizontal, propiedades de asientos, elevación y ángulo de rotación. Para bent con súper estructura discontinua se debe especificar un asiento en los dos extremos de la discontinuidad.
Asignando la Super Elevación. La súper elevación indica la rotación de la súper estructura a lo largo de su eje longitudinal y está se referenciada a la línea de “Layout”. La súper elevación se especifica en porcentaje.
Asignando los Tendones de Pretensado. Para asignar los tendones de pretensado debemos especificar la localización del inicio y el final del tendón, la configuración (geometría) vertical y horizontal, propiedades de la sección transversal del tendón, parámetros para las perdidas y opciones para el “Jacking” o dispositivo que se usa para tensar los cables, fuerza o esfuerzo a aplicarse en el cable y modelamiento del tendón como carga o como elemento.
Asignando Barras de Acero a la Viga. Es posible a través de este comando asignar el acero longitudinal y transversal a cada viga. Este acero es usado en el cálculo del “Load Rating”. El refuerzo transversal se especifica en términos del área, espaciamiento, número de espacios y localización de inicio y final. Similarmente el refuerzo longitudinal se especifica por el área de la barra, y la distancia desde el tope o el inferior de la viga con una localización inicial y final a lo largo de la longitud de la viga.
Carga Puntual. Este comando es para aplicar cargas puntuales que se han definido previamente a un patrón de carga determinado como parte de la definición del “Bridge Object”. La carga puntual y los patrones de carga pueden definirse usando los comandos apropiados sobre la pestaña “Load”. Los patrones de carga pueden ser usados en los casos de carga.
Carga de Linea. Este comando es para aplicar cargas uniformes o lineales que se han definido previamente a un patrón de carga determinado como parte de la definición del “Bridge Object”. Los patrones de carga pueden ser usados en las combinaciones de carga.
Carga por Unidad de Área. Este comando es para aplicar cargas en un área.
Carga por Temperatura. La asignación del cambio de temperatura puede ser uniforme o como gradiente sobre la altura de la súper estructura.
Grupos (Usados para la Secuencia de Construcción) Este comando es usado para agregar nuevos grupos al modelo. Los grupos se pueden usar en la definición de los casos de carga por secuencia de construcción.
COMANDO “ACTUALIZACION” (UPDATE). Una vez hemos definido todos los objetos del puente estos no son ensamblados hasta que no actualicemos el modelo.
Cada vez que se actualiza el modelo la condición de definiciones previa a la actualización se reemplazan por la nueva actualización. Por otro lado si efectuamos cambios de edición fuera de la pestaña “Bridge” estos cambios pueden perderse si actualizamos nuevamente el modelo. En la actualización automática el programa hará actualizaciones automáticamente cada vez que se realicen cambios al modelo.
DESCRIBIENDO LA PESTAÑA “ AN AL YSIS” La pestaña “Analysis” nos permite el acceso a los comandos necesarios para la definición de los casos de carga, programa de construcción (Schedule) el cual es usado cuando desarrollamos un análisis de secuencia de construcción, conversión de combinaciones de carga a casos no lineal, especificación de los resultados a salvarse para todos los casos de carga móvil y la ejecución del análisis. Esta pestaña también tiene comandos para bloquear y desbloquear el modelo, ver deformada y colocar la condición no deformada del modelo.
Los casos de carga definen como las cargas serán aplicadas a la estructura (Eje. Estáticamente o Dinámicamente), como la estructura responde (Eje. Lineal o No lineal) y como será ejecutado (Eje. Integración Directa o Modal).
Para el análisis sísmico los casos usados son el estático, respuesta espectral y historial de tiempo. El casos pushover puede emplearse para el análisis estático no lineal, como también el análisis de secuencia constructiva se desarrolla usando casos estáticos no lineales. Hay algunas opciones disponibles para analizar con carga viva vehicular, para computar las líneas de influencia a fin de obtener los valores máximos y mínimos de la respuesta. Para el análisis de la respuesta en el tiempo de la estructura mediante integración directa es posible definir un caso de carga dinámico de pasos múltiples (Multi – Step Dynamic) a fin de obtener la respuesta de uno o mas vehículos moviéndose a través del puente, también se puede definir un casos estático de pasos múltiples para estos fines (Multi – Step Static). Estos casos de pasos múltiples usan patrones de carga viva que están en función de la dirección, tiempo de inicio y velocidad del vehículo que se mueve a través del puente. Definición de los Tipos de Carga. “ALL” > New Este recuadro es general para definir todos los casos de carga.
CASOS ESTATICOS “STATICS” Lineal: Para definir casos los casos de carga más usuales estáticos (Lineal o No lineal).
Nonlinear: Usado para el Análisis Pushover.
Nonlinear Staged Construction: En este análisis las ecuaciones de toda la estructura son resueltas mediante un análisis de integración directa “Time Hystory” en cada paso de tiempo a diferencia de un análisis modal “Time History” que usa el método de súper posición modal.
CASO ESTATICO LINEAL DE MULTIPLES PASOS “LINEAR MULTI STEP STATIC” Un caso de múltiples pasos de carga estática desarrolla un análisis lineal estático en distintas posiciones vehiculares, tomando en cuenta el efecto de varios vehículos a la vez sobre el puente. En este caso de carga no es posible la consideración del efecto dinámico, de ser necesario la evaluación del efecto dinámico hay que efectuar un análisis dinámico “time history”.
CASO “MODAL” Un análisis modal es un análisis dinámico para calcular los modos de deformación usando los métodos “Eigenvector” y Ritz Vector”. Un análisis modal siempre es lineal. El análisis usando el método “Eigenvector” determina la vibración libre no amortiguada de la estructura determinando las deformaciones y las frecuencias de cada modo. El método “Ritz Vector” es usado para determinar los modos que son excitados baja cargas particulares y es recomendado cuando usamos espectros de respuesta o time history, que son basados en superposición modal.
CASO DE RESPUESTA ESPECTRAL “RESPONSE SPECTRUM” Un análisis de respuesta espectral es usado para en función de una demanda estadística de aceleraciones calcular la respuesta de la estructura. Antes de definir este caso de carga es necesario haber definido la función espectral.
CASO DE RESPUESTA HISTORIAL EN EL TIEMPO “TIME HISTORY” En este caso de carga se aplica a la estructura cargas que varían con el tiempo. Antes de definir este caso de carga es necesario definir la función de carga en el tiempo. La solución puede ser por los métodos de súper posición modal o por integración directa y puede ser lineal o no lineal. En la aplicación a puentes se puede usar este análisis para determinar la respuesta dinámica producto de una determinada carga viva vehicular.
CASO DE CARGA MOVIL “MOVING LOAD” Antes de proceder con la definición del caso de carga móvil es necesario haber definido los vehículos, carriles y clases de vehículos. El caso de carga móvil es para calcular la respuesta mas severa que puede resultar del movimiento de vehículos a lo largo de los carriles del puente. Los vehículos son movidos en ambas direcciones a lo largo de cada carril. Usando la superficie de influencia los vehículos son ubicados automáticamente en distintas posiciones a lo largo del ancho y longitud del carril a fin de producir la respuesta máxima y mínima sobre la estructura. Se puede permitir que un vehículo actué en un solo carril o que se mueva en varios carriles.
CASO DE PANDEO “BUCKLING” Este caso de carga es para calcular el modo de pandeo bajo aplicación de cargas. El análisis lineal de pandeo busca la los modos de inestabilidad de una estructura, como resultado del efecto P-delta en un determinado conjunto de cargas. El termino λ es llamado factor de pandeo. Este es el factor de escala que debe multiplicarse por las cargas aplicadas para causar el modo de pandeo. Se recomienda un mínimo de 6 modos de pandeo. Es importante entender que el modo de pandeo va a depender de las cargas.
CASO DE CARGA “STEADY STATE” Este caso de carga es usado para evaluar la respuesta de una estructura bajo cargas cíclicas en una o más frecuencias de interés. Luego que el análisis es ejecutado es posible visualizar la deformada de la estructura y las fuerzas y esfuerzos en la frecuencia deseada y en algún ángulo de fase o sea si usamos un ángulo de fase de 0 grados obtendremos el comportamiento dado a la carga horizontal más un componente de amortiguamiento dado a la carga vertical. La magnitud de la respuesta en una frecuencia determinada es dada por la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la respuesta de los componentes en 0 grados y 90 grados (imaginarios).
CASO DE CARGA “POWER SPECTRAL DENSITY” Al igual que el “Steady State” este análisis es para obtener la respuesta de la estructura resultante de cargas cíclicas, sobre un rango de frecuencias a diferencia de que se obtiene un espectro resultante en el rango de frecuencia.
CASO DE CARGA “HIPERSTATIC” Este caso es para calcular la respuesta lineal de la estructura asumiendo que todos los soportes se han removido y se han reemplazado por una reacción que proviene del análisis de otro caso de carga. Este análisis es usado para calcular las fuerzas secundarias bajo cargas de pretensado.
COMANDO CALENDARIO DE FASE CONSTRUCTIVA “SCHEDULE STAGES”.
Este comando es usado para identificar las actividades de construcción según su programación, duración, tareas a completarse antes de que se pueda completar otra tarea y la operación que especifica como la tarea afecta el desarrollo de la construcción. Una etapa (stage) es una colección de operaciones que deben ejecutarse en un momento dado. Cada etapa debe tener definido su duración en días (Un número entero igual o mayor a cero). Cada etapa inicia con una condición inicial igual al final de la etapa previa.
COMANDO PARA COMBERTIR COMBOS A UN CASO NO LINEAL “NL CONVERT COMBOS”.
Use esta opción para especificar que combinación de carga deberá usarse en el análisis no lineal estático. Este comando es conveniente para crear una carga no lineal mientras se hace uso de una combinación de carga. Para usar este comando primero debemos definir las combinaciones de carga a usarse en el modelo.
COMANDO “SHOW TREE”. Este comando es para desplegar y visualizar los casos de carga que hemos definido con los comando anteriores en forma diagrama de flujo (árbol)
COMANDO “BRIDGE RESPONSE BRIDGE”
Este comando despliega los resultados correspondientes al caso de carga viva móvil que se desea salvar o guardar. En otras palabras es posible especificar al programa que información nosotros necesitamos calcular en las juntas y elementos “frame” dado al movimiento de la carga viva. Los cálculos se pueden limitar a resultados específicos como también a resultados solo en grupos de objetos en el modelo. También hay una opción para usar los valores Máximos y Mínimos en el diseño de elementos “frame”. El método para el cálculo de la respuesta puede ser exacto o con un grado especifico de refinamiento la cual provee rápidos resultados para verificaciones preliminares.
COMANDO PARA BLOQUEAR EL MODELO “MODEL LOCK LOCK”
Es un comando usado para el bloqueo y desbloqueo del modelo. El bloqueo puede evitar que se hagan cambios al modelo.
DESCRIBIENDO LOS COMANDOS PARA ANALIZAR LA ESTRUCTURA
OPCIONES DE ANALISIS “ANALYSIS OPTIONS” Son opciones usadas para especificar los grados de libertad a tomar en cuenta en el análisis, opciones para solución de ecuaciones y para salvar resultados en Microsoft acces o Excel.
CORRIENDO EL ANALISIS “RUN ANALYSIS” Es usado para seleccionar los casos de carga que queremos correr en el análisis.
DESPLEGANDO LA ÚLTIMA CORRIDA “LAST ANALYSIS” Esta opción es para el despliegue de resultados del análisis mas reciente que se haya ejecutado.
DESCRIBIENDO LOS COMANDOS PARA FUNCIONES DE FORMA
La opción “Modify Geometry Shape” es usada para mostrar la configuración deformada de la estructura. La opción “Reset Geometry” es usada para regresar la estructura a su condición original no deformada.
DESCRIBIENDO LA PESTAÑA “ DESIGN/RATING”
Esta pestaña permite acceder a comandos usados para agregar, copiar, modificar o borrar combinaciones de carga; establecer preferencias y crear los requerimientos del diseño de la súper estructura; establecer preferencias para el diseño sísmico; establecer preferencias y generar el “Load Rating”. Entre las preferencias se encuentra el código AASHTO LRFD 2007 y STD 2002. COMBINACIONES DE CARGA Las combinaciones de carga pueden ser agregadas por el usuario o pueden ser generadas por el programa dependiendo del código seleccionado. Las combinaciones que se basan en los códigos también pueden modificarse según deseado. Las combinaciones son usadas en el proceso de diseño y pueden definirse antes o después del análisis. Al hacer Click en la flecha expandir aparece el siguiente recuadro:
Todos los casos previamente definidos aparecen listados en este recuadro, al hacer click en “Add New Combo…” es posible definir un nuevo caso de carga usando el siguiente recuadro:
TIPOS DE COMBINACIONES:
Linear: En este tipo todos los casos de carga se multiplican por su factor de escala y se aplican en conjunto. Este tipo de combinación puede usarse en cargas estáticas. Envelope: Se evalúa una envolvente de valores máximos y mínimos de los casos de carga en dicha combinación, para cada elemento y junta. El caso de carga que arroja el máximo y mínimo es el que se usa para esta combinación. Por lo tanto la combinación de carga tendrá dos valores en la salida. Este tipo de combinación puede ser usada para cargas móviles y algún otro caso donde la carga produce valores de fuerza o esfuerzo máximo y mínimo. Absolute Add: Los valores absolutos de cada caso de carga se suman. Se obtienen valores positivos y negativos en la salida de resultados. Esta combinación se puede usar para cargas laterales. SRSS: Se obtiene la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados en los casos de carga para obtener valores positivos y negativos. Este combo también se puede usar para carga lateral. Range: Es un rango de Combinación Máxima y Mínima, donde el máximo es la suma de los valores máximos positivos de la contribución de cada caso de carga (excluyendo valores negativos), y el mínimos de los valores mínimos negativos de la contribución de cada caso de carga (excluyendo valores positivos). Este tipo de combinación es usado en patrones de carga donde usted debe considerar todas las permutaciones en la contribución de los casos de carga.
Para agregar las combinaciones por defecto hacer click en “Add Default Design Combos”:
DISEÑO DE LA SUPER ESTRUCTURA El diseño en CSIBridge se basa en los patrones de carga, casos de carga, combinaciones de carga y requerimientos de diseño. Cabe señalar que el diseño de la súper estructura de un puente es un tema complejo y que los códigos cubren muchos aspectos de este proceso. CSIBridge es una herramienta que nos ayuda con este proceso. Únicamente los aspectos descritos en el documente de diseño “CSI’s Design Manual” son automatizados en CSIBridge. “Por lo anterior el usuario debe verificar los resultados y cubrir otros aspectos que no son cubiertos por el programa”.
Estos comandos nos permiten el acceso a los recuadros necesarios para seleccionar los códigos de diseño y otros parámetros como: agregar, copiar modificar, o borrar requerimientos de diseño y seleccionar los requerimientos a tomar en cuenta para la corrida.
Comando “Code Preferences”
Este recuadro es para especificar el código de diseño que vamos a usar y algunos otros parámetros de diseño si aplica. Hay otras pestañas que permiten seleccionar el código, solo aplica un código a la vez, cualquiera que sea la vía para seleccionarlo.
Comando “Design Requests”
En este comando se requiere especificar los requerimientos para el diseño con un único nombre para el “Bridge Object” (Se refiere a todo el puente previamente definido), selección del objeto del puente para el cual se establecen los requerimientos, la acción que se va a verificar (Flexión, esfuerzo de corte, ect.), rango de estaciones (porción del puente a ser diseñada), parámetros de diseño (ejemplo factor de esfuerzo), y demanda (Combinaciones de carga).
Tipo de Chequeo (Check Type): Determina cual es el chequeo a completarse cuando se corren los requerimientos para el diseño. Esta lista refleja los tipos de Deck a ser usados en el puente. Rango de Estaciones (Station Ranges): Define el inicio y el final de la localización a considerarse en el diseño de la súper estructura. Se pueden especificar múltiples zonas con un simple requerimiento de diseño. Set de Demanda (Demand Set): Es para identificar la combinación de carga a usarse en el diseño. Se pueden definir múltiples combinaciones de demanda en un mismo requerimiento de diseño. Las combinaciones típicamente usadas para el diseño del puente típicamente son de tipo “envolvente” de otras combinaciones y el diseño se desarrolla para cada combinación dentro de la combinación envolvente seleccionada. Comando “Run Super”
En este comando seleccionamos el requerimiento de diseño que vamos a correr. El análisis debe ejecutarse primero antes de efectuar la corrida de diseño.
Comando “Optimize”
Después de haber completado el análisis y diseño de una viga de acero, se puede usar esta opción para de manera iterativa optimizar el diseño.
DISEÑO SISMICO CSIBridge permite al ingeniero definir parámetros específicos para el diseño sísmico que deberán aplicarse al modelo del puente durante ciclos automatizados de análisis a través del diseño. Si el ingeniero lo especifica el programa puede determinar automáticamente las propiedades agrietadas de la sección, la demanda espectral para el análisis, como también en el análisis no lineal estático pushover. El programa también determina la relación Demanda/Capacidad para Sistemas Resistentes a Terremotos (ERS).
Comando “Preferences” Con este comando también es posible especificar el código de diseño y es similar al mostrado en las opciones de diseño para súper estructura, pero solo un código puede aplicar a la vez.
Comando “Design Request” Esta opción es para especificar los requerimientos para el diseño sísmico. A través de esta opción podemos seleccionar la función espectral a usar en un diseño particular como también la categoría para el diseño sísmico, entre otros parámetros para el diseño sísmico. Si la fundación ha sido incluida en el modelo del puente, los elementos de la fundación deben asignarse a un grupo.
Comando “Run Seismic” Es el comando usado para correr el análisis sísmico.
LOAD RATING (EVALUACION DE LA CAPACIDAD PARA RESISTIR CARGA VIVA) En CSIBridge podemos determinar el Load Rating, en puentes de concreto. Se pueden evaluar tres diferentes puentes: Concrete Box Girder, Multicell Concrete Box Girder y Precast Concrete Girder with Composite Slabs.
Comando “Preferences” Esta opción es para establecer el código de diseño y otros parámetros de diseño si aplican. Comando “Rating Requests Load Rating” Este comando requiere especificar un nombre para los requerimientos usados en el rating, la selección del “Bridge Object” al cual se le efectuara el rating, el tipo de rating (Flexión, acero mínimo, cortante), rango de estaciones (porción del puente a hacerse el rating), parámetros para el rating y combinaciones para la demanda.
Tipo de Rating (Tipo de Rating): Determina cual es el chequeo a completarse cuando se corren los requerimientos para el rating. Esta lista refleja los tipos de Deck a ser usados en el puente. Rango de Estaciones (Station Ranges): Define el inicio y el final de la localización a considerarse en el rating de la súper estructura. Se pueden especificar múltiples zonas con un simple requerimiento de diseño. Parámetros para el Rating (Design Rating Parameters): Es usado para especificar varios parámetros tales como: Factor Phi para flexión, barras mínimas para la rotura y momento, phi para cortante ect. Demand Set: Usado para identificar las combinaciones de carga a usarse en el rating.
Comando “Run Rating”
En este comando seleccionamos el requerimiento para el rating que vamos a correr. El análisis debe ejecutarse primero antes de efectuar la corrida de diseño. DESCRIBIENDO LA PESTAÑA “ ADVANCED ” Esta pestaña consiste en una serie de comandos que pueden usarse para: editar objetos seleccionados; agregar definiciones; dibujar objetos (áreas, juntas especiales, líneas, cables y tendones); asignar definiciones a juntas, líneas, áreas, cables, tendones, sólidos, link; asignar cargas a juntas seleccionadas, líneas, áreas, cables, tendones, sólidos, link; completar el diseño de acero y concreto, sobre escribir el diseño de elementos, especificar brazos laterales ect. La mayoría de estos comandos pueden ser usados cuando el modelo no está bloqueado. Estos comandos pueden usarse sin importar cómo fue iniciado el modelo. Es posible generar el modelo de un puente, analizarlo y diseñarlo si necesidad de usar esta pestaña. Esta pestaña tiene ocho paneles: Editar, Definir, Asignar, Asignar Cargas, Analizar, Diseñar elementos y herramientas.
Describiendo los Comandos de Edición
Puntos:
Add Grid at Selected Points: Es usado para agregar líneas de referencia en una determinada coordenada. Merge Joints: Usado para unir automáticamente puntos seleccionados con una tolerancia. Align Points: Usado para alinear puntos seleccionados con una coordenada específica X, Y, Z o a la línea más cercana. Disconnect: Usado para desconectar todos los objetos que comparten una junta en común e independizarlos añadiendo una junta independiente a cada uno. Connect: Para reconectar objetos desconectados con juntas independientes. Líneas: Divide Frames: Usar para dividir un elemento “frame” seleccionado, en los segmentos deseados o en un tamaño especificado, también dividir partiendo el elementos donde exista una intersección con una línea seleccionada o una junta. Joint Frames: Une los objetos “frame” seleccionados en un solo objeto removiendo juntas no usadas después de efectuar la unión. Trim/Extend Frames: Se utiliza para alargar elementos muy cortos o para acortar elementos muy largos. Edit Curved Frame Geometry: Usado para editar objetos curvos seleccionados. Únicamente se puede editar un objeto a la vez. Edit Cable Geometry: Usado para editar un objeto cable seleccionado. Edit Tendón Profile: Usado para la edición de un objeto línea dibujado como tendón.
Áreas: Mas:
Divide Areas: Para dividir áreas en pequeños objetos, y efectuar un mallado. Merge Areas: Unir objetos áreas seleccionados que estén en el mismo plano y tengan extremos en común. Expand/Shrink Areas: Usado para hacer una área más pequeña o más grande. Add Point to Area Edge: Para agregar puntos colineales en los extremos de los objetos áreas. Remove Points from Area: Remover puntos seleccionados de los extremos de las áreas.
Undo/Redo: Usado para revertir una acción realizada. Cut, Copy, Paste: Trabaja similar a los comandos estándares de copia, pegar y cortar. Delete: Borra los objetos seleccionados. Add to Model From Template: Agrega objetos al modelo usando una plantilla predeterminada. Interactive Database Editing: Usado para crear o editar un modelo creado en formato tabular. Replicate: Para replicar un modelo. Extrude: Para crear nuevos objetos a partir de un objeto seleccionado. Por ejemplo es posible crear una línea a partir de un punto, o un área a partir de una línea. Move: Usado para mover una parte seleccionada de la estructura a una nueva localización. Divide Solids: Usado para dividir un objeto solido seleccionado en todas las caras. Show Duplicates: Usado para verificar que duplicados son incluidos en el modelo y donde están localizados. Merge Duplicates: Combina objetos duplicados en un solo objeto. Change Labels: Los nombres de los elementos estan establecidos por defecto, este comando es para cambiar dichos nombres. Describiendo los Comandos de Definición Section Properties: Este comando es para agregar el área de una sección, propiedades a los sólidos, propiedades de rotulas y dependencia de Link. Mass Source: Para especificar como el programa va a calcular las masas en el modelo. La masa es usada para la inercia en el análisis dinámico y para calcular las cargas de aceleración. Coordinate Systems/Grids: Comando usado para especificar la localización y la orientación del sistema de referencia (Grid). Joint Constrainsts: Agregar, modificar o borrar restricciones definidas. Las restricciones rígidas se usan cuando todos los nudos se mueven juntos como un cuerpo rígido en rotación o traslación. Los tipos de restricciones iguales se dan cuando los grados de libertad individuales de diferentes juntas son iguales, generalmente usados en conexiones o condiciones de simetría. Las restricciones de interpolación se dan cuando los grados de libertad en una junta se interpola según los grados de libertad de otras juntas, lo cual se puede usar para la conexión de mallas discontinuas. Joint Patterns: Esta opción permite la descripción de distribuciones de presión y temperatura más complejas sobre la estructura. Group: Un grupo es una colección de objetos agrupados bajo un mismo nombre. Section Cuts: Este comando es usado para obtener resultados (Fuerzas) actuando sobre la zona donde se efectúa el corte. El corte puede definirse antes o después del análisis. Se recomienda la aplicación de esta opción luego que todas las mallas sean correctamente generadas en el modelo, de lo contrario los resultados en la zona cortada no serán reales. Generalized Displacements: Un desplazamiento generalizado simplemente es una combinación de desplazamientos de uno o más nudos en cierto grado de libertad. Por ejemplo la diferencia de desplazamientos entre dos juntas puede representar el “Drift”. El desplazamiento generalizado también puede usarse para monitorear una junta en análisis no lineal “pushover”.
Functions: Comando usado para definir las funciones “Steady State” y “Power Spectral Density”. Named Property: Esta opción puede usarse para modificar la rigidez de elementos “frame” o áreas durante el análisis por secuencia de construcción. Pushover Parameters Sets: Para especificar los parámetros que definen el despliegue de la curva “Pushover”. Name Sets: Para seleccionar varias formas usadas para generar la salida (tablas, curvas ect). La pestaña “Advanced” contiene muchos otros comandos que pueden ser usados para asignar propiedades, cargas, analizar, diseñar, entre otras herramientas que se describen en detalle usando las opciones de ayuda provistas por el programa.
INTRODUCCIÓN.
INTRODUCCIÓN.
Este proyecto consiste en el diseño estructural de un puente de cincuenta y siete (57) metros de longitud. En esta memoria de cálculo se presentan los procedimientos que se utilizaron en el diseño estructural del puente, con ayuda del programa de análisis y diseño CSI Bridge, de las cuales las pautas a seguir en este proyecto que son:
1. Características del Puente; 2. Materiales; 3. Cuantificación de Cargas sobre el Puente; Cuantificación de Cargas de Viento; Cuantificación de Cargas Sísmicas; Cuantificación de Cargas sobre Estribos; Secciones de la Superestructura; 4. Diseño del Puente – Vigas Cajón; 5. Diseño del Puente – Vigas Postensadas; Diseño del Puente – Vigas Metálicas; Conclusiones. 1. CARACTERÍSTICAS DEL PUENTE. El puente a construir será en una carretera interurbana para unir dos comunidades en el interior. La concepción del puente consiste en tres propuestas que van a ser presentadas para su análisis y diseño. El puente consta de una capa de rodadura de 7 metros de ancho de la cual tendrá 2 carriles, cada carril tendrá 3.5 metros, un ancho de 5 metros destinados para acera (aceras laterales de 2.5 metros cada una), y un ancho de 1.00 metro para las barreras laterales de 50 cm cada una. La sección en total tendrá 13 metros de ancho.
Sección transversal indicativa del puente.
En perfil, el puente tendrá 3 vanos de 15, 25 y 12 metros de longitud respectivamente para un total de 57 metros, teniendo 2 apoyos intermedios que constan de una viga travessa apoyada a su vez en 2 pilares.
25.00
15.00
12.00
Perfil Longitudinal indicativo del puente.
Este sistema lateral formado por los pilares y vigas forma marcos sismo‐resistente con capacidad de disipar la energía sísmica mediante deformaciones inelásticas en las vigas y en los pilares. Estos pórticos están conectados monolíticamente al diafragma del tablero del puente, para así absorber de manera íntegra la fuerza sísmica. Las propuestas de diseño de la superestructura para este puente son: a. Sección 1 – Vigas Cajón, b. Sección 2 – Vigas Postensadas; c. Sección 3 – Vigas Metálicas. 2. MATERIALES Para el diseño del puente, se escogieron los materiales siguientes: Hormigón: El hormigón tendrá las siguientes resistencias: f’c= 350 kg/cm2 (Vigas y Pilares); f’c= 280 kg/cm2 (Losa de tablero, Pilotes y Zapatas). El módulo de elasticidad del hormigón será calculado por la siguiente especificada en la AASHTO‐LRFD, 2007: ܧ ൌ 0.043 ଵ.ହඥ݂ ´݂ , Donde: ݂ ݂ ݂ܲܽ γc ‐ Densidad del hormigón (kg/m3); f´c – Resistencia especificada del concreto (MPa).
ܧ ൌ
0.043 ൈ 2,320ଵ.ହ√35 ൈ 10 ൌ
284,272.2 ݂ ݂ ⁄݂ ݂ ଶ , ݂ ܽ ݂ ´݂ 350 ݂ ݂ ⁄݂ ݂ ଶ
ܧ ൌ 0.043 ൈ 2,320ଵ.ହ√28 ൈ 10 ൌ 254,260.8 ݂ ݂ ⁄݂ ݂ ଶ , ݂ ܽ ݂ ´݂ 280 ݂ ݂ ⁄݂ ݂ ଶ El módulo de Poisson se puede asumir como 0.20
relación
3.
Acero de Refuerzo: El acero de refuerzo deberá cumplir con la norma ASTM A615 Gr 60 para obtener el esfuerzo de fluencia siguiente: fy= 4,200 kg/cm2. Acero de Pre‐esfuerzo: El acero de pre‐esfuerzo deberá cumplir con la norma ASTM A416 Gr 270 de baja relajación para el postensado de las vigas, con un esfuerzo de fluencia siguiente: fu=18,983 kg/cm2 (270 ksi).
Acero Estructural: El acero estructural deberá cumplir con la norma ASTM A588 Gr 50 para obtener el esfuerzo de fluencia siguiente: fy= 3,520 kg/cm2; fu=4,930 kg/cm2. CUANTIFICACIÓN DE CARGAS SOBRE EL PUENTE.
Para las cargas sobre el puente, se cuantificaron y dividieron todas las cargas según su naturaleza: Cargas Muertas. Conformadas por todos los elementos estructurales de la estructura. Se calcula multiplicando el peso específico del material por su espesor o longitud, dependiendo del tipo de carga. Las densidades de los elementos fueron tomadas de la AASHTO‐LRFD, 2007:
o Asfalto: Con espesor de 7cm y peso especifico de 2,250 kg/m3: ݍ௦௧ ൌ 157.5 ݂ ݂ /݂ ଶ
Cargas del Asfalto sobre el puente.
2,250 ൈ 0.07 ൌ
o
Baranda: Compuesta por un pequeño muro de New Metálica encima, tenemos:
ݍௗ o
ൌ
Jersey
y una Baranda
295 ݂ ݂ /݂
Acera: Con un espesor de 20cm:
ݍ ൌ
2,320 ൈ 0.20 ൌ
464 ݂ ݂ /݂ ଶ
Carga de Barandas y Aceras sobre el puente.
Cargas Vivas. Esta carga viva se obtiene de las Especificaciones para el AASHTO LRFD, 2007 (AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2007): o Número de líneas de diseño: El número de carriles de diseño se toma de la relación siguiente:
Diseño de
Puentes
w 3600 , w ancho libre del calzada en mm w 7,000 ൌ ൌ 1.944 3600 3600
Por consiguiente se utilizarán 2 líneas de diseño de 3.50 metros de ancho.
o
o
Ilustración de los carriles sobre el puente.
Carga en la línea de diseño: La línea de diseño consistirá de una carga uniformemente distribuida en la dirección longitudinal. Transversalmente la carga será asumida como distribuida sobre un ancho de 3 metros. Esta carga no estará sujeta efectos dinámicos. Peatonal:
q ୧୬ୣୟ ୢ୧ୱୣfi ൌ
970 kg/m
ൌ
360 kg/mଶ
q
ୣୟ ୬ୟ
Carga Peatonal sobre el puente.
a
o
Vehículo de diseño: Los vehículos de diseño se definieron de acuerdo a las especificaciones del AASHTO LRFD 2007. a. El efecto del tándem diseño combinado con el efecto de la línea de carga consiste en dos ejes de 11,000 kg espaciados a 1.20m (tándem) y una carga uniforme de 970 kg/m distribuida sobre los tramos del puente (línea de diseño). identificada por el Vehículo HL‐93M.
b.
El efecto de un camión de diseño con espaciamiento variable entre ejes, combinado con el efecto de la línea de diseño es identificada por el vehículo HL‐93K.
Esta
combinación
está
De acuerdo a lo indicado se ha cargado el modelo con los 2 tipos de vehículos (camiones de diseño) HL‐93M y HL‐93K. Cuando los vehículos pasan a su velocidad de diseño producen vibraciones sobre la estructura y dicha vibración amplifica la carga estática de los vehículos. Para considerar el efecto se utilizaran factores de amplificación de carga dinámica, como lo indica las Especificaciones de la AASHTO‐LRFD 2007:
Para nuestro caso, el incremento por Carga Dinámica es de un 33%. o
Fuerza de Frenado: Para la fuerza de frenado, consideraremos toda la longitud del puente, L=57 metros. Se tomará como el mayor de los siguientes valores: a. 25% del camión de diseño: ݂ܴௌௗ ൌ 0.25ሺ3,500 14,500 14,500ሻ ൌ 8,125 ݂
b.
25% del tándem de diseño: ݂ܴௌௗ ൌ 0.25ሺ11,000 11,000ሻ ൌ
5,500 ݂
c.
5% del camión de diseño del carril de carga: ݂ܴௌௗ ൌ 0.05ሾሺ3,500 14,500 14,500ሻ ሺ57 ൈ 970ሻሿ ݂ܴௌௗ ൌ 4,390 ݂ d. 5% del tándem de diseño del carril de carga: ݂ܴௌௗ ൌ 0.05ሾሺ11,000 11,000ሻ ሺ57 ൈ 970ሻሿ 3,865 ݂ La fuerza del caso A se utilizará para los cálculos.݂ܴௌௗ ൌ ݂ܴ௧ ݂ܴ௧
ൌ ൌ
ሺ݂ܴௌௗ
ሻሺ#݂ݏݎݎݎሻሺ݂ܲܲܽሻ
ሺ8,125ሻሺ2ሻሺ2ሻ ൌ
16,250 ݂
Se asumirá que esta fuerza actúa horizontal a una distancia de 1.80 metros por encima de la superficie de rodadura en la dirección longitudinal para causar los efectos de fuerza extrema.
Carga de Frenado sobre el puente.
4. CUANTIFICACIÓN DE CARGAS DE VIENTO. Presión Horizontal del viento: La velocidad de diseño que generará las presiones correspondientes es de VB=160 km/h, especificadas en el AASHTO‐LRFD, 2007. Asumiendo que la carga esta uniformemente distribuida sobre el área expuesta, se sumará el área de todos los componentes vistos en elevación y perpendiculares a la dirección del viento. Como nuestro puente está a menos de 10 metros de altura con respecto al nivel del agua, la velocidad de diseño no deberá de ajustarse. Para el cálculo de las presiones producidas por el viento está dada por la siguiente relación: ݂ ଶ ݂ ݂ܲܽ ݂ ൌ ݂ 25,600 Donde: PB – Presión básica del viento especificada en la siguiente tabla:
Como la velocidad de diseño es igual a 160 km/h, las presiones de diseño en la zona de barlovento y Sotavento serán las mismas indicadas en la tabla anterior.
Carga de Viento Horizontal de Barlovento sobre el puente.
Carga de Viento Horizontal de Sotavento sobre el puente.
Presión Vertical del viento: Se considerará una fuerza vertical hacia arriba uniformemente distribuida por unidad de longitud del puente, con una magnitud de 96 kg/m2, multiplicada por el ancho del tablero. Esta carga lineal longitudinal se aplicará en el punto correspondiente a un cuarto del ancho del tablero a barlovento, juntamente con la carga horizontal calculada anteriormente. será:
Como el tablero tiene un ancho total de 13 metros, entonces el valor de la fuerza ݂
ൌ ݂ ൈ ݓൌ ݂ ݂ /݂
96 ൈ 13 ൌ
Carga de Viento Vertical sobre el puente.
1,248
5. CUANTIFICACIÓN DE CARGAS SÍSMICAS. Para el cálculo de las fuerzas sísmicas, se escogió un espectro generado por programa CSI Bridge, correspondiente a las especificaciones de la AASHTO LRFD, 2007.
6.
el
CUANTIFICACIÓN DE CARGAS SOBRE ESTRIBOS.
Para el cálculo de las fuerzas de empuje de tierra en los estribos, se eligió un suelo de relleno con las siguientes características: Tipo: Caliche Densidad: 1,600 kg/m3 Angulo de Fricción Interna: 25° ݂ൌ
݂ ݂ݐଶ ሺ45 ൌ ⁄2ሻ ൌ
݂ ݂ݐଶሺ45 ൌ 25⁄2ሻ ൌ
0.4059
Como el muro esta dividido en 3 (mesh) se procedió a colocar una carga uniforme en cada bloque. Bloque 1 Bloque 2
ܧଵ ൌ
݂ ଵ ݂ ൌ
1.08 ൈ 1,600 ൈ 0.4059 ൌ
701.40 ݂ ݂ /݂
Bloque 3 7.
ܧଵ ൌ
݂ ଵ ݂ ൌ
2.17 ൈ 1,600 ൈ 0.4059 ൌ
1,409.29 ݂ ݂ /݂
ܧଵ ൌ
݂ ଵ ݂ ൌ
3.25 ൈ 1,600 ൈ 0.4059 ൌ
2,110.46 ݂ ݂ /݂
SECCIONES DE LA SUPERESTRUCTURAS.
Las secciones elegidas, como alternativas para las propuestas, son las siguientes:
Sección 1 – Vigas Cajón.
Esquema del Puente con Vigas Cajón.
Sección 2 – Vigas Postensadas.
Esquema del Puente con Vigas Postensadas.
Sección 3 – Vigas metálicas.
Esquema del Puente con Vigas Metálicas.
8. DISEÑO DE PUENTE – VIGAS CAJÓN. El diseño del puente con las vigas Cajón, fue regido bajo los siguientes valores para los elementos:
Viga Travessa
Las vigas Travessa o Cabezales se tomaron las siguientes características para su diseño:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Travessa :
Viga de Apoyo Para la viga de apoyo en los Estribos se tomaron las siguientes características:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Apoyo es:
Pilares
Los pilares contienen los siguientes parámetros:
El acero de refuerzo que necesita el elemento es:
Dimensiones de la Superestructura Los principales datos de la sección introducidos al programa son:
Los apoyos definidos son:
Para el suelo, se seleccionó un Suelo Rígido:
Los estribos constan de una Viga de Apoyo, fundada en el Suelo Rígido definido anteriormente:
Para los Apoyos intermedios, se colocaron las vigas Travessa que a su vez son apoyadas en 2 Pilares:
El Puente de 57 metros consta de 3 tramos, discontinuos, con los siguientes parámetros:
Con las características de los estribos (Abutments):
Y para los apoyos intermedios (Bents):
Las combinaciones de cargas seleccionadas para el análisis y diseño del puente, como indica el capitulo 3.4.1 del AASHTO‐LRFD, 2007 con esta sección fueron:
• Deformaciones Las deformaciones obtenidas fueron:
La máxima deformación se produce en el vano central, con un desplazamiento de 12.54 milímetros. Para los criterios de control de deflexiones la norma AASHTO 2007 nos proporciona la siguiente tabla:
ܮ 1,000
30,000 ൌ 1,000
La estructura esta dentro de los límites de deflexión.
Diseño de la Losa
El acero en X superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂
ൌ
30݂
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1" @ 12.5݂
ൌ
݀݅ܿ݅ ݂ ݂
݂݅
݂ ݅ ݂ ݕ݅
El acero en X inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 25݂
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ൌ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ܽݔݐ݅ ݂݀݅ܿ
El acero en Y superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݂ ݏݏ݂ ݅ ó݂ 1" @ 14݂ ൌ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݕ݅
El acero en Y inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 12݂
݂ ݅ ݂ܽݐ݅
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 25݂
ൌ
݀݅ܿ݅ ݂ ݂
݂݅
݂ ݅ ݂ ݕ݅
Diseño de los Diafragmas
Para los diafragmas, el acero necesitado es de:
Diseño de las vigas Cajón
Para el diseño a flexión de la superestructura, se creó un pedido de diseño, tomando en cuenta los siguientes parámetros:
Después de un primer análisis, se verificaron los momentos y con los valores preliminares se procedió a colocar un acero a las vigas:
El acero colocado fue: o 7 #10, a 7cm de la cara inferior; o 7 #10, a 10cm de la cara inferior; o 7 #10, a 7cm de la cara Superior; o 7 #10, a 7cm de la cara Superior; o 2 # 6, espaciados a 20cm. Los datos recibidos fueron:
Las solicitaciones debido a las cargas están dentro de los admisibles para las vigas, como se muestra a continuación. Son visibles los límites superior e inferior, donde las solicitaciones están dentro del rango permisible
9. DISEÑO DE PUENTE – VIGAS POSTENSADAS. El diseño del puente con las vigas Postensadas, fue regido bajo los siguientes valores para los elementos:
Viga Travessa
Las vigas Travessa o Cabezales se tomaron las siguientes características para su diseño:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Travessa :
Viga de Apoyo Para la viga de apoyo en los Estribos se tomaron las siguientes características:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Apoyo es:
Pilares Los pilares contienen los siguientes parámetros:
El acero de refuerzo que necesita el elemento es:
Dimensiones de la Superestructura
Los principales datos de la sección introducidos al programa son:
Con unas vigas postensadas con las siguientes secciones:
Los apoyos definidos son:
Para el suelo, se seleccionó un Suelo Rígido:
Los estribos constan de una Viga de Apoyo, fundada en el Suelo Rígido definido anteriormente:
Para los Apoyos intermedios, se colocaron las vigas Travessa que a su vez son apoyadas en 2 Pilares:
El Puente de 57 metros consta de 3 tramos, discontinuos, con los siguientes parámetros:
Con las características de los estribos (Abutments):
Y para los apoyos intermedios (Bents):
Las combinaciones de cargas seleccionadas para el análisis y diseño del puente, como indica el capitulo 3.4.1 del AASHTO‐LRFD, 2007 con esta sección fueron:
Deformaciones
Las deformaciones obtenidas fueron:
La máxima deformación se produce en el vano central, con un desplazamiento de 26.06 milímetros. Para los criterios de control de deflexiones la norma AASHTO 2007 nos proporciona la siguiente tabla:
ܮ 1,000
30,000 ൌ 1,000
ൌ
30݂
La estructura esta dentro de los límites de deflexión.
Diseño de la Losa
El acero en X superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 10݂
ൌ
݀݅ܿ݅ ݂ ݂
݂݅
݂ ݅ ݂ ݂ܽݔݐ݅ ݂݀݅ܿ
݂ ݅ ݂ܽݐ݅
El acero en X inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 25݂
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ൌ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ܽݔݐ݅ ݂݀݅ܿ
El acero en Y superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 10݂
ൌ
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ܽ ݂ݐ ݂ ݀݅ܿ ݂݀݅ܿ
݂ݒ ݂
݂ܽݐ
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 12݂ ݂݀݅ܿ݅ ݂ ݅ ݂ ݂ ܽ ݂ݐ ݂ ݀݅ܿ ݂݀݅ܿ
݂ݒ ݂
݂ܽݐ
El acero en Y inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 10݂
ൌ
Diseño de los Diafragmas
݂ ݅ ݂ܽݐ݅
Para los diafragmas, el acero necesitado es de:
Diseño de las vigas Postensadas
Para el diseño a flexión de la superestructura, se creó un pedido de diseño, tomando en cuenta los siguientes parámetros:
Se colocaron 2 tendones a las vigas de 12 y 15 metros y 4 a la viga central de 30 metros. Los tendones constan de 9 cables de 15.2mm de diámetro, con una fuerza inicial de pretensado de 180 ton.
La distribución de los cables en las vigas de 12 y 15 metros fue la siguiente:
Distribución de los tendones en los extremos.
Distribución de los tendones en el centro.
Para la distribución de los cables en la viga de 30 metros fue:
Distribución de los tendones en el centro.
Distribución de los tendones en el centro.
Las solicitaciones debido a las cargas están dentro de los admisibles para las vigas, como se muestra a continuación. Son visibles los límites superior e inferior, donde las solicitaciones están dentro del rango permisible.
10. DISEÑO DE PUENTE – VIGAS METÁLICAS. El diseño del puente con las vigas Metálicas, fue regido bajo los siguientes valores para los elementos:
Viga Travessa
Las vigas Travessa o Cabezales se tomaron las siguientes características para su diseño:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Travessa :
Viga de Apoyo Para la viga de apoyo en los Estribos se tomaron las siguientes características:
El acero de refuerzo que necesita la viga de Apoyo es:
Pilares Los pilares contienen los siguientes parámetros:
El acero de refuerzo que necesita el elemento es:
Dimensiones de la Superestructura
Los principales datos de la sección introducidos al programa son:
Para la selección del perfil, como primera opción, se escogió una sección que transmitiera satisfactoriamente lo momentos aproximados generados por los tipos de puentes anteriores. Las dimensiones del perfil W44x3353 (viga Metálica) son las siguientes:
Los apoyos definidos son:
Para el suelo, se seleccionó un Suelo Rígido:
Los estribos constan de una Viga de Apoyo, fundada en el Suelo Rígido definido anteriormente:
Para los Apoyos intermedios, se colocaron las vigas Travessa que a su vez son apoyadas en 2 Pilares:
El Puente de 57 metros consta de 3 tramos, discontinuos, con los siguientes parámetros:
Con las características de los estribos (Abutments):
Y para los apoyos intermedios (Bents):
A diferencia del diseño anterior, se escogió que el puente sea continuo, teniendo así momentos negativos en los apoyos intermedios, pero reduciendo significativamente las deformaciones en el medio. Las combinaciones de cargas seleccionadas para el análisis y diseño del puente, como indica el capitulo 3.4.1 del AASHTO‐LRFD, 2007 con esta sección fueron:
Deformaciones
Las deformaciones obtenidas fueron:
La máxima deformación se produce en el vano central, con un desplazamiento de 30.08 milímetros.
Para los criterios de control de deflexiones la norma AASHTO 2007 nos proporciona la siguiente tabla:
ܮ 1,000
30,000 ൌ 1,000
ൌ
30݂
La estructura esta dentro de los límites de deflexión.
Diseño de la Losa
El acero en X superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݂ ݏݏ݂ ݅ ó݂ 3/4" @ 10݂ ൌ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݕ݅
El acero en X inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݂ ݏݏ݂ ݅ ó݂ 3/4" @ 25݂ ൌ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݕ݅
El acero en Y superior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 10݂
ൌ
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 15݂ ݂݀݅ܿ݅ ݂ ݅ ݂ ݂ ܽ ݂ݐ ݂ ݀݅ܿ ݂݀݅ܿ
݂ݒ ݂
݂ܽݐ
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 1/2" @ 12݂ ݀݅ܿ݅ ݂ ݂ ݅ ݂ ݂ ܽ ݂ݐ ݂ ݀݅ܿ ݂݀݅ܿ
݂ݒ ݂
݂ܽݐ
El acero en Y inferior en la losa es:
݂ݏݏ݂݅ ó݂ 3/4" @ 10݂
ൌ
Diseño de los Diafragmas
Para los diafragmas, la sección utilizada fue:
Diseño de las vigas Metálicas
Para el diseño a flexión de la superestructura, se creó un pedido de diseño, tomando en cuenta los siguientes parámetros:
Las solicitaciones debido a las cargas están dentro de los admisibles para las vigas, como se muestra a continuación.
11. CONCLUSIONES. Después de diseñar los tres puentes y estudiar sus dimensiones, sus deflexiones, sus refuerzos y pensar también en el proceso constructivo, así como también en el tiempo de ejecución de los trabajos, se puede concluir que
una la mejor opción es la de vigas postensadas. Esto es porque el puente de viga cajón tomaría un prudente tiempo de ejecución, considerando que deben colocarse cimbras y encofrados. También es el puente más robusto y pesado. En cuanto al puente con Vigas metálicas, este es el más liviano, pero sus elementos están sobrediseñados ya que debido a la luz de 30 metros, su deformación pasa de los valores admisibles. Para contrarrestar esto, además de tener la viga sobrediseñada, se colocó mayor cantidad de vigas.
