Puentes y Obras de Arte

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE


ALUMNOS: RUIZ FERNANDEZ, Deisy Maricela CALUA RAMOS, Eric JULCA CHUGNAS, Romaldo DOCENTE: Ing. VÁSQUEZ SEVILLANO JOSÉ MIGUEL ÁNGEL CURSO: DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE ARTE

CAJAMARCA – PERÚ 2015

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DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE ARTE


INTRODUCCION A través de la historia los puentes son elementos principales en las carreteras y sus funciones son distintas desde unir grandes tramos por la separación de un río, o los viaductos que sirven para unir caminos separados por terrenos profundos, hasta los que se utilizan en los pasos a desnivel. Estos además se deben construir de una manera funcional y segura para facilitar el desplazamiento de la población y realizar real izar labores económicas y sociales. En nuestro país son muchas las condiciones que se deben tomar al momento de analizar y diseñar puentes, la peligrosidad y la vulnerabilidad sísmica, las cargas que soportan estas estructuras como: originan los camiones H y HS de la norma AASHTO cargas vivas equivalentes, cargas que actúan en los puentes: Impacto, sismo, viento, frenado, fricción, cargas en veredas y barandas, Cargas hidrostáticas, Empuje de tierras, etc. El mal diseño de estas cargas producirá daños en el concreto y el acero. ,

El tipo de cimentaciones también es importante ya que este conforma la raíz del puente sosteniendo en el suelo toda la estructura, y un mal diseño podría ocasionar daños como la socavación. Los puentes de la red vial de nuestro país en su mayoría fueron construidos hace más de cincuenta años, con especificaciones y condiciones de cargas muy distintas a las de hoy en día. Las normas y especificaciones internacionales son herramientas que ayudan al análisis y diseño de puentes en nuestro país.

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OBJETIVOS:   

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Conocer el origen de los camiones H y HS de la norma AASHTO. Definir la carga viva equivalente. Analizar las cargas que actúan en los puentes: Impacto, sismo, viento, frenado, fricción, cargas en veredas y barandas, Cargas hidrostáticas, Empuje de tierras, etc.



ANTECEDENTES Los puentes son considerados elementos importantes de las carreteras, estos se diseñan de manera funcional, de modo que ofrezcan a los usuarios seguridad y facilidad en su desplazamiento. Es muy importante que los puentes carreteros se rijan por normas que establezcan los parámetros de seguridad y utilidad. Gran parte de ellos se diseñan según las normas de la American Association of State Higway and Transportation Officcials (AASHTO). Este documento contiene las especificaciones necesarias y son muy conocidas a nivel mundial especialmente en aquellos países que no cuentan con normativa de diseño. Un puente se divide en dos partes: La superestructura y la subestructura. Cada una de ellas formada de elementos que tienen sus métodos de diseño y se rigen por las Normas AASTHO. En la Ingeniería de Puentes, el estudio de la subestructura es importante ya que se encarga de soportar todas las cargas a las que está sometida la superestructura del puente, desde los apoyos hasta la fundación donde esta cimentado el puente. En nuestro país se han realizado estudios para conocer de la Ingeniería de puentes ya que desde hace más de cincuenta años se han construido puentes en las carreteras y caminos por todo el país. Estos puentes en su momento fueron diseñados con materiales y normas distintas a los que existen hoy en día, durante estos años han evolucionado, los materiales y las normas.

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CAMIONES H Y HS DE LA NORMA AASHTO Los ingenieros de puentes usan las cargas indicadas por la AASHTO en las especificaciones para puentes publicadas para el diseño de los mismos. Las cargas discutidas a continuación se especifican en (Especificaciones estándar de la AASHTO para puentes de autopistas, 2002, edición 17). Se denominan cargas "teóricas" ya que representan camiones “hipotéticos”. Por

ende, la "H" es para el camión básico de dos ejes y "HS" es para los tracto camiones. Se basan en el análisis estadístico de tráfico de camiones del mundo real. A continuación se proporciona una breve lista de algunas designaciones comunes: 

Camión H15-44 (2 ejes) Peso bruto del vehículo = 13.608 kg (30.000 lb)



Camión HS15-44 (3 ejes) Peso bruto del vehículo = 24.494 kg (54.000 lb)



Camión H20-44 (2 ejes) Peso bruto del vehículo = 18.144 kg (40.000 lb)



Camión HS20-44 (3 ejes) Peso bruto del vehículo = 32.659 kg (72.000 lb)

La carga del camión HS25 es otra carga de camión especificada por muchos departamentos estatales de transporte para aumentar su carga especificada, a fin de reconocer el hecho de que muchos camiones hoy día viajan por las autopistas con cargas más pesadas que cuando se especificaron las series de camión H y HS. Esto permite que circulen más vehículos con permiso de sobrecarga en el Sistema de autopistas estadounidense) y en otras rutas del sistema estatal con tráfico pesado. El camión HS25 es 25% más pesado que el camión HS20-44. 

CAMIÓN HS25 (3 EJES) PESO BRUTO DEL VEHÍCULO = 90,000 LBS.

La carga del camión HL93 es una carga de camión actualizada que se encuentra en la Especificación de diseño de puentes LRFD de la AASHTO, versión actualizada No. 6. Esta carga de camión se rige por el efecto de la fuerza que sea superior entre una de los siguientes: 1) un camión HS20-44 que cumple con la recién definida carga por carril de 9,34 kN/m (0,64 kips/pie.; o 2) un vehículo en tándem con dos ejes de carga de 25k, que cumple con la nueva carga de carril. Las cargas de diseño ideales se basaron en la información descrita en el Artículo C3.6.1.2.1, que contenía datos sobre vehículos de tipo "low boy" con pesos de hasta 490.000 N. Si se considera probable que haya múltiples carriles con versiones más pesadas de este tipo de vehículo, se debería investigar el momento negativo y las reacciones en los apoyos interiores para pares de tandems de diseño separados entre 8000 mm y 12.000 mm, en combinación con la carga del carril de diseño especificada en el Artículo 3.6.1.2.4. Se debería usar el 100 por ciento de la solicitación combinada correspondiente a los tandems de diseño y la carga del carril de diseño. Esto es consistente con el Artículo 3.6.1.2.1 y no se debería considerar como un reemplazo de la Combinación de Cargas para Estado Límite de Resistencia II. Sólo se deberían cargar aquellas áreas o partes de áreas que contribuyen a la mi sma solicitación extrema investigada. La longitud cargada se debería determinar mediante los puntos donde la superficie de influencia se encuentra con el eje del carril de diseño. Si hay una acera que no está separada de la calzada mediante una barrera antichoque, se debería considerar la posibilidad de que los vehículos se puedan montar sobre la acera. pág. 5



CARGA VIVA: Según el reglamento AASHTO , la carga viva a considerar en el diseño de puentes debe ser: 1. 2. 3. 4.

El camión de diseño. La carga equivalente. La carga de ejes tándem Otras cargas mayores (sobrecargas)

Al camión más pesado de las normas AASHTO , se le denomina H20-S16 ó HS20 y tiene un peso total de 36 toneladas americanas que equivale a 32.67 toneladas métricas.

1. CAMIÓN DE DISEÑO (CAMIONES TIPO). Adoptando la nomenclatura del sistema internacional y del AASHTO , se distinguen los tipos M y los MS. Los camiones M están formados por dos ejes de ruedas espaciadas a 4.3 m. (ver figura 4.1) con las ruedas delanteras pesando la cuarta parte de las traseras. Cada eje consta de dos ruedas las que están espaciadas a 1.8 m. Pertenecen a este grupo los camiones M18 y M13.5 cuyos pesos son de 20 y 15 toneladas inglesas respectivamente (cada tonelada inglesa tiene 2000 libras). En unidades del sistema internacional los pesos de los ejes son los que se detallan en la figura 4.1. Los camiones MS están formados por un camión M y su acoplado S, es decir que el M es el detallado anteriormente y su acoplado corresponde a la adición de un eje trasero cuya separación es variable entre 4,3 y 9.0 m. (ver figura 4.2). Pertenecen a este grupo el MS18 y MS13.5 con pesos en toneladas inglesas de 36 y 27 respectivamente. En todos los casos incluida la carga equivalente, el ancho mínimo de cada faja de tráfico para el diseño es de 3 m. pudiendo alcanzar un máximo de 4.5 m.

2. CARGA VIVA EQUIVALENTE O SOBRECARGAS EQUIVALENTES: Se consideran también sobrecargas equivalentes a los diferentes trenes de cargas de camiones, estas consisten de una carga uniformemente repartida y una carga concentrada, son recomendables usarlas en puentes de luces grandes; en todo caso cuando exista duda, deberá analizarse se la sobrecarga equivalente o si, os trenes de carga separados 30’ (9.15m) entre los ejes producen los mayores esfuerzos. Para las vigas simplemente apoyadas, la sobrecarga concentrada de mayores esfuerzos que las repartidas para luces hasta los 18 metros para el tren fijo H, y hasta los 30 metros para el tren fijo HS.

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE La norma americana establece que para el semitrailer HS y el camión H se emplea una sobrecarga uniformemente distribuida a lo largo del puente como una carga tipo cuchilla (no puntual) la cual se aplica transversalmente al puente en la posición que ocasione el mayor efecto.

W

800 lb/pie

Pm

Pv

22.5 Klb

32.5K lb

1,190 Kg/m 10,207 Kg

14,743 Kg

640 lb/pie

18 Klb

26K lb

952 Kg/m

8,165 Kg

11,794 Kg

480 lb/pie

13.5 Klb

19.5K lb

714 Kg/m

6,124Kg

8,845 Kg

320 lb/pie

9 Klb

13K lb

476Kg/m

4,082 Kg

5,897Kg

Tipo de Vehiculo

HS 25-44 ò H25-44 HS 20-44 ò H20-44 H 15-44 ò Hs15-44 H10-44

W representa el valor de la carga uniformemente que se aplicara a todo el largo del puente, en un ancho de 10pies (3.00m) que corresponde a un carril. Pm es el valor de la carga tipo cuchilla que se usa para el cálculo de los momentos. Pm=0.25 Wveh PV es el valor de la carga tipo cuchilla a emplear cuando se calcule el corte PV=0.361W veh

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE Uno de estos valores se aplicara al elemento, de acuerdo a si está analizando corte o el momento, no se aplicaran ambos a la vez.

NOTA:

La carga equivalente que se utiliza en forma práctica para simular el tránsito de varios vehículos simultáneamente sobre el puente; para los vehículos H20-44 y HS20-44 en nuestra zona; está constituido por una carga uniformemente distribuida más una o dos cargas concentradas .Longitudinalmente la carga distribuida es de 1.00tn/m y la carga concentrada es de 9 Tn , para cálculo de los momentos o de 13 Tn para el cálculo de cortante. Estas cargas son por una vía de tráfico de 3.00m .de ancho.

OTRAS CARGAS QUE ACTÚAN EN LOS PUENTES

1. CARGA DE IMPACTO : Impacto es el término utilizada para especificar y considerar el efecto dinámico que sobre los puentes puede ocasionar la carga viva vehicular. Así por ejemplo, el movimiento de un vehículo a través de un puente en un rango normal de velocidad, produce mayores esfuerzos que aquéllos que produce el vehículo en posición estática: El efecto dinámico total (impacto) sobre puentes se debe, entre otras, a tres situaciones específicas:  



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El golpe de las llantas del vehículo en las imperfecciones del piso. La aplicación de la carga en un corto periodo de tiempo. Este efecto es variable para todos los elementos estructurales del puente. La vibración del vehículo, debido a un cambio brusco de velocidad.Una superficie de rodamiento irregular contribuye a este efecto. DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE ARTE


La vibración del vehículo induce también vibraciones en la estructura. La magnitud de los esfuerzos depende de la relación de masas del vehículo y del puente, de la frecuencia natural de la estructura y las características del amortiguamiento del puente.

Los efectos dinámicos se consideran en el análisis y diseño de las estructuras de puentes. Grupo A – Se considera el efecto del impacto de la carga viva vehicular cuando se diseñen.  



Elementos de la superestructura, incluyendo las columnas de pórticos rígidos. Pilares (con apoyos o sin ellos, sin hacer caso del tipo) excluyendo fundaciones y aquellas porciones bajo la línea del terreno. Las porciones de pilotes de acero o concreto que están sobre la línea del terreno, que soportan la superestructura.

Grupo B – No se considera el efecto del impacto de la carga vehicular en el diseño de: 

   

Estribos, muros de retención, pilotes (exceptuando lo especificado en el párrafo anterior literal. Cimentaciones y zapatas. Estructuras de madera. Acera. Alcantarillas que están a 3 pies o más de profundidad.

El fenómeno de impacto se relaciona a la interacción del vehículo con el puente. La AASHTO específica que los efectos dinámicos de las cargas móviles se expresen como una fracción del efecto de la carga viva vehicular según la expresión 2.2:

Para la uniformidad en la aplicación de la fórmula de impacto, la carga de, L, es definida según los siguientes parámetros:  





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Para el piso de la calle: la longitud del claro de diseño. Para miembros transversales, como las vigas de piso, el claro del miembro se toma centro a centro de los apoyos. Para calcular los momentos por carga de camión: la longitud del claro, o para los brazos en voladizo, la longitud es desde centro del momento al eje más lejano. Para cortante debido a las cargas de camión: la longitud de la porción cargada del claro del punto en consideración a la reacción más lejana; para los brazos en voladizo se usara un factor de DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE ARTE


 

impacto del 30%. Para claros continuos: la longitud del claro en consideración para el momento positivo, y el promedio de dos claros cargados adyacentes para el momento negativo.

2. CARGAS SÍSMICAS : Las fuerzas sísmicas serán evaluadas por cualquier procedimiento racional de análisis. Se supondrá que las acciones sísmicas horizontales actúan en cualquier dirección. Cuando sólo se analiza en dos direcciones ortogonales, los efectos máximos serán estimados como la suma de los valores absolutos obtenidos para el 100% de la fuerza sísmica en una dirección y 30% de la fuerza sísmica en dirección perpendicular. Coeficiente de Aceleración.- El coeficiente A se determina en base a los mapas de ISO -aceleración con un 10% de nivel de excedencia para 50 años de vida útil.

CATEGORIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Los puentes se clasifican en tres categorías de importancia: 

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PUENTES CRÍTICOS: deben quedar operativos después de la ocurrencia de un gran sismo DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE

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PUENTES ESENCIALES: deben quedar operativos después de la ocurrencia de unSismo

OTROS PUENTES 

ZONAS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO



SUELO PERFIL TIPO I.- Roca de cualquier característica, o arcilla esquistosa o cristalizada en estado natural. Condiciones de suelo rígido donde la profundidad del suelo es menor a 60 m y los tipos de suelos sobre la roca son depósitos estables de arenas, gravas o arcillas rígidas.



SUELO PERFIL TIPO II.- Es un perfil compuesto de arcilla rígida o estratos profundos de suelos no cohesivos donde la altura del suelo excede los 60 m, y los suelos sobre las rocas son depósitos estables de arenas, gravas o arcillas rígidas.



SUELO PERFIL TIPO III.- Es un perfil con arcillas blandas a medianamente rígidas y arenas, caracterizado por 9 m o más de arcillas blandas o medianamente rígidas con o sin capas intermedias de arena u otros suelos cohesivos. SUELO PERFIL TIPO IV.- Es un perfil con arcillas blandas o limos cuya profundidad es mayor a los 12 m.



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DISEÑO DE PUENTES Y OBRAS DE


COEFICIENTE DE RESPUESTA SÍSMICA ELÁSTICA:

 =  1.2 ^ 2 3 ≤ 2.5 Tn = periodo de vibración del enésimo modo A = coeficiente de aceleración S = coeficiente de sitio Para puentes sobre perfiles de suelo tipo III o IV y en áreas donde el coeficiente A es mayor o igual a 0.30, Csn debe ser menor o igual a 2.0A.

Para suelos tipo III y IV, y para otros modos distintos al modo fundamental el cual tenga periodos menores a 0.3s, Csn deberá tomarse como: Si el periodo de vibración para cualquier modo excede 4.0s, el valor de Csn para ese modo deberá tomarse como:

3. VARIACIONES DE TEMPERATURA: TU, TG (ART. 2.4.3.9 MANUAL DE DISEÑO DE PUENTES - PERÚ) TU: temperatura uniforme TG: gradiente de temperatura

La temperatura de referencia será la temperatura ambiente promedio durante las 48 horas antes del vaciado del concreto o antes de la colocación de aquellos elementos que determinan la hiperestaticidad de la estructura. GRADIENTE DE TEMPERATURA: En superestructuras de concreto o de acero con tablero de concreto, se supondrá un gradiente de temperatura, adicionalmente a los cambios de temperatura especificados.

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE Las diferencias de temperatura T1 y T2 corresponderán a los valores positivos dados en la tabla, o a valores negativos obtenidos multiplicando aquellos de la Tabla por –0.5.

Las cargas sísmicas constituyen otro componente de las fuerzas Medio Ambientales que todas las estructuras deben resistir, llamándose en la actualidad a las mismas estructuras sismo resistentes. Las cargas sísmicas son cargas inerciales causadas por movimientos sísmicos, estas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez), y las aceleraciones esperadas. Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargas estáticas equivalentes. Los edificios pueden utilizar este procedimiento estático, pero también se puede utilizar un análisis modal o dinámico. Los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de la estructura. Esas cargas resultan de la distorsión en la estructura causada por el movimiento del suelo y la resistencia lateral de ésta. Sus magnitudes dependen de la velocidad y tipo de aceleraciones del suelo, así como de la masa y rigidez de la estructura. El sismo es una liberación súbita de energía en las capas interiores de la corteza terrestre que produce un movimiento ondulatorio del terreno. Los puentes constituyen uno de los eslabones más importantes para tener una vida plena en este mundo moderno, es por eso sumamente importante que estos puentes se construyan bajo normas de seguridad con respecto a los sismos, de manera que pueda ser seguro ante un posible terremoto y estar en condiciones de servir en todo momento bajo estas circunstancias. Un sismo ejerce fuerzas en un puente y su función está referida en base a factores como el peso muerto en la estructura, los grandes movimientos, el periodo de vibración y el tipo desuelo existente. En las regiones donde los terremotos pueden ser anticipados, las estructuras deben estar diseñadas para resistir movimientos sísmicos, considerando la relación del siti o, las fallas activas, la respuesta sísmica de los suelos en el lugar, y las características de respuesta dinámica de la estructura en su totalidad de acuerdo con las Especificaciones AASHTO Estándar. La fuerza sísmica lateral que actúa sobre la estructura, en cualquier dirección se puede calcular usando una modificación de la expresión 2.18:

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El periodo de vibración de la estructura puede ser calculado también utilizando técnicas de análisis dinámicos.

4. CARGAS DE VIENTO : El viento es un fenómeno natural al que la gran mayoría de estructuras están expuestas. En ingeniería resulta práctico considerar que el viento produce una presión cuya magnitud es proporcional a su velocidad, que es uniforme en todas las áreas expuestas a su acción y que dicho efecto puede provenir de cualquier dirección. En nuestro país las velocidades del viento durante el año son relativamente bajas en comparación a otras regiones, situación por la cual se desprecia su efecto sobre estructuras de pág. 14 ARTE


UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE gran masa y rigidez, no así en estructuras de gran área expuesta al efecto (en relación a su rigidez y masa), en las cuales las presiones ejercidas por el viento son de suma importancia, tal como es el caso, por ejemplo de los rótulos publicitarios, naves industriales, entre otros. El efecto del viento en los puentes, por su carácter dinámico, (una velocidad puede ser alcanzada en un corto periodo y permanecer por un intervalo de tiempo o decaer rápidamente), es muy complejo, debido a que son muchas las variables que intervienen, entre las cuales pueden mencionarse.    

Tamaño y forma del puente. Ángulos probables de incidencia Efectos de pantalla del terreno aledaño (esto se refiere al grado de protección que tienen por ejemplo los soportes extremos en relación a los intermedios). Relación velocidad-tiempo del viento.

Las cargas de viento se las asume como cargas estáticas uniformemente distribuidas aplicadas sobre el área expuesta de la estructura. El área expuesta consiste en la suma de todas las áreas de los elementos estructurales, inclusive el sistema de piso y las barandas vistos en elevación, haciendo un ángulo de 90º con el eje longitudinal de la estructura.

Estas fuerzas se suponen para una velocidad de viento de 160 km/h, y pueden modificarse en proporción al cuadrado de la velocidad del viento si las condiciones respaldan el cambio. Estos valores para algunos grupos de combinación de cargas pueden reducirse o aumentarse en la razón del cuadrado de la velocidad de diseño (máxima velocidad del viento en la región), al cuadrado de la velocidad base del mismo (160 km/h) para algunas combinaciones de cargas, siempre que la velocidad de diseño del viento pueda ser estimada con una precisión razonable.

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I.

Diseño de la Superestructura :

Para el diseño del puente la aplicación de la carga de viento se la analizara por separado para la superestructura y subestructura, ya que se consideran distintos parámetros en su aplicación. En el diseño de la superestructura, se considera que la carga de viento esta aplicada horizontalmente en ángulo recto al eje longitudinal de la estructura con las siguientes intensidades:



Para armaduras y arcos: 366,2 kg/m2 pero no menos de 446,5 kg/m lineal en el plano de la cuerda cargada, y de 223,2 kg/m lineal en el plano de la cuerda no cargada.



Para vigas y vigas principales: 244,1 kg/m2 pero no menos de 446,5 kg/m lineal en la luz de las vigas principales.

II.

DISEÑO DE LA INFRAESTRUCTURA :

Al igual que para la superestructura, se realiza un análisis de la carga de viento por separado solo para la subestructura, es por esto que las Especificaciones AASHTO [2] hacen una división entre fuerzas de viento provenientes desde la superestructura y las fuerzas de viento aplicadas directamente a la subestructura. a) Fuerzas de viento provenientes de la superestructura: Para el cálculo de las fuerzas de viento provenientes de la superestructura, se toma en cuenta toda el área expuesta de la misma, incluyendo vigas, sistemas de piso, barandales, entre otros. Se establecen dos tipos de cargas en el cálculo provenientes de la superestructura: 

Carga de viento aplicada directamente a la superestructura :

Las Especificaciones AASHTO Estándar en el artículo 3.15 proporcionan valores para las fuerzas de viento transversales y longitudinales transmitidas por la superestructura a la subestructura para diferentes ángulos de dirección del viento. El ángulo anterior (ángulo de esviaje del viento) es medido desde la perpendicular al eje longitudinal del puente y la dirección asumida del mismo es la que produce el esfuerzo máximo en la subestructura. Las fuerzas longitudinal y transversal, son aplicadas simultáneamente en la Elevación del centroide de la superestructura.

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DÓNDE: Wi = Carga de viento aplicada directamente a la superestructura. Wit= Fuerza de viento transversal. Wil= Fuerza de viento longitudinal. CG= Centro de gravedad de la superestructura. T= Angulo de esviaje del viento. 

Carga de viento aplicada a la carga viva

Carga de viento actuando sobre la carga viva móvil, considerada como una c arga distribuida para la cual las Especificaciones AASHTO Estándar establecen en el artículo 3.15.2.1.2 [2] los valores de las fuerzas longitudinales y transversales. Estas fuerzas son aplicadas a 1,83 m de la capa de rodadura del puente.

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DÓNDE: WL1= Carga de viento aplicada directamente a la superestructura. WL1t= Fuerza de viento transversal. WL1I= Fuerza de viento longitudinal. CG= Centro de gravedad de la superestructura. T= Angulo de esviaje del viento.

b) Fuerzas de viento aplicadas directamente a la subestructura Las fuerzas longitudinales y transversales que se aplicaran directamente a la subestructura se calculan en base a una carga de viento de 195 kg/m. Paravientos con dirección desviada a la subestructura, la fuerza se descompone en componentes perpendiculares a la elevación frontal y lateral. Ambas componente actuaran en la elevación del centro de gravedad de las respectivas áreas y son aplicadas simultáneamente con las cargas de viento de la superestructura.

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DÓNDE: 1A= Área transversal expuesta al viento. 2A= Área longitudinal expuesta al viento. 2W= Carga de viento aplicada directamente a la subestructura. 2W L= Fuerza de viento longitudinal. 2W T= Fuerza de viento transversal. T= Angulo de esviaje del viento.

5. FUERZA LONGITUDINAL FUERZA DE FRENADO :

Las fuerzas longitudinales son transmitidas por las ruedas del vehículo a la carpeta de rodadura cuando un vehículo frena o acelera. Su magnitud depende del peso del vehículo, de la velocidad del mismo en el instante de frenar o acelerar y del intervalo de tiempo que transcurre hasta adquirir la velocidad esperada. Se transmiten como cortantes horizontales a la subestructura a través de los apoyos, sin considerar que produzcan algún efecto en la superestructura.

Las especificaciones estándar de la AASHTO designan una fuerza longitudinal o fuerza de frenado de diseño de 5% de la carga viva sin tomar en cuenta el factor de impacto, es decir en este caso la carga viva es la carga equivalente uniformemente distribuida combinada con la carga concentrada o dos en el caso de claros continuos. Ambas cargas se consideran uniformemente distribuidas en un ancho de 3,05 m.

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La fuerza longitudinal se reparte por igual en todos los apoyos fijos de las vigas de un puente. Para la aplicación de esta fuerza el código realiza las siguientes suposiciones: 

Deben ser cargadas todas las vías de tráfico, suponiendo que todas ellas son unidireccionales, es decir para el cálculo de la fuerza longitudinal se considera a todo el puente con una sola dirección, cuando se carguen tres o más vías deben aplicarse los coeficientes de intensidad de cargas respectivos.



Se considera que la fuerza de frenada se encuentra aplicada a 1,83 m por encima de la capa de rodadura.

Se toma como el mayor valor de:  

25 por ciento de los pesos por eje del camión o tandem de diseño 5 por ciento del camión o tandem de diseño más la carga de carril

La fuerza de frenado se debe ubicar en todos los carriles de diseño que se consideren cargados y que transporten tráfico en la misma dirección. Se aplicarán los factores de presencia múltiple. Se asumirá que estas fuerzas actúan horizontalmente a una distancia de 1.80 m sobre la superficie de la calzada.

6. FUERZA DE FRICCIÓN O ROZAMIENTO (FR) : Las fuerzas debidas a la fricción se establecen en base a los valores extremos del coeficiente de fricción entre las superficies deslizantes. Cuando corresponda, se debe considerar la influencia sobre el coeficiente de fricción de la humedad y la posible degradación o contaminación de las superficies de deslizamiento rotación.

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La carga de viento se asume está uniformemente distribuida sobre el área expuesta al viento. Para puentes a más de 10 m sobre el nivel del terreno o del agua, la velocidad de viento de diseño se deberá ajustar con:

 Presión Horizontal del Viento .-

 = 2.5 ( )ln

DONDE:

VDZ = velocidad del viento de diseño a la altura de diseño Z (km/h) V0 = velocidad friccional (km/h) V10 = velocidad del viento a 10 m sobre el nivel del terreno o agua de diseño (km/h). En ausencia de datos V10 = VB =160 km/h VB = velocidad básica del viento igual a 160 km/h a una altura de 10 m Z0 = longitud de fricción del fetch o campo de viento aguas arriba (m) Z = altura de la estructura > 10 m



PRESIÓN DE VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS: WS

       =  (  ) = 25600 PD = presión del viento de diseño PB = presión básica del viento

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La carga de viento total no se deberá tomar menor que 449 kg/m en el plano de un cordón a barlovento ni 224 kg/m en el plano de un cordón a sotavento de un componente reticulado o en arco, ni se deberá tomar menor que 449 kg/m en componentes de vigas o vigas cajón. Cargas de las Superestructuras.- Si el viento no se considera normal a la estructura, la presión básica del viento PB para diferentes ángulos de dirección del viento se puede tomar según la Tabla. El ángulo de oblicuidad se deberá medir a partir de una perpendicular al eje longitudinal. Las presiones transversal y longitudinal se deberán aplicar simultáneamente.



FUERZAS APLICADAS DIRECTAMENTE A LA SUBESTRUCTURA.- Las fuerzas transversales y longitudinales a aplicar directamente a la subestructura se deberán calcular en base a una presión básica del viento supuesta de 194 Kg/m2. Para direcciones del viento oblicuas respecto de la estructura, esta fuerza se deberá resolver en componentes perpendiculares a las elevaciones posterior y frontal de la subestructura.

PRESIÓN DE VIENTO SOBRE LOS VEHÍCULOS: Si hay vehículos presentes, la presión del viento de diseño se aplicará tanto a la estructura como a los vehículos. La presión del viento sobre los vehículos se debe representar como una fuerza interrumpible y móvil de 149 kg/m actuando normal a la calzada y 1.80m sobre la misma, y se deberá transmitir a la estructura. Si el viento sobre los vehículos no es normal a la estructura, las componentes de fuerza normal y paralela aplicadas a la sobrecarga viva se pueden tomar como: 

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



PRESIÓN VERTICAL DEL VIENTO: En el diseño de puentes y componentes estructurales que pueden ser sensibles al viento, se debe considerar una fuerza de viento vertical ascendente de 100 kg/m2 por el ancho del tablero, incluyendo los parapetos y aceras, como una carga lineal longitudinal. Se debe aplicar sólo para los estados límites que no involucran viento actuando sobre la sobrecarga, y sólo cuando la dirección del viento se toma perpendicular al eje longitudinal del puente. Se aplicará en el punto correspondiente a un cuarto del ancho del tablero horizontal especificada. INESTABILIDAD AEROELÁSTICA: Todos los puentes y componentes estructurales de ello, cuya relación longitud de tramo / ancho o profundidad sea superior a 30, se deberán considerar sensibles al viento, y por lo tanto deberán considerar en su diseño, solicitaciones aeroelásticas.

NOTA.El Manual de Diseño de Puentes – Perú (Art. 2.4.3.10), refiere que para puentes con una altura de 10m o menos, medida desde el nivel del agua o desde la parte más baja del terreno, se supondrá velocidad del viento constante. Para alturas mayores se determina con:

 =  ≥  DONDE: VZ = velocidad del viento a la altura z (km/h) V10 = velocidad de referencia, correspondiente a z=10m. z = altura por encima del nivel del terreno o del agua (m). C, z0= constantes dadas en la Tabla 2.4.3.10.1

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE La presión de viento se calcula con:

    =  (100) DONDE: P = presión del viento (kg/m²) Vz = velocidad de viento (km/h) a la altura z PB = presión básica correspondiente a una velocidad de 100 km/h, dada en la Tabla 2.4.3.10.2-1

7.

CARGA SOBRE VEREDAS, BARANDAS Y SARDINELES:



Sobrecargas en Veredas: Se deberá aplicar una carga peatonal de 367 kg/m2 en todas las aceras de más de 0.60m de ancho, y esta carga se deberá considerar simultáneamente con la sobrecarga vehicular de diseño. Cuando la condición de carga incluya cargas peatonales combinadas con uno o más carriles con sobrecarga vehicular, las cargas peatonales se pueden considerar como un carril cargado.

Los puentes peatonales se diseñarán para una sobrecarga de 418 kg/m2.

NOTA: El Manual de Diseño de Puentes – Perú (Art. 2.4.3.7), señala al respecto que los puentes para uso peatonal y para el tráfico de bicicletas se diseñan para una carga viva de 510 kg/m². Así mismo, refiere: 

FUERZAS SOBRE SARDINELES: Los sardineles se diseñarán para resistir una fuerza lateral no menor que 760 kg por metro de sardinel, aplicada en el tope del sardinel o a una elevación de 0.25 m sobre el tablero si el sardinel tuviera mayor altura.

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FUERZA SOBRE BARANDAS

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PL-1 Primer nivel de importancia.- Usado en estructuras cortas y de bajo nivel sobre puentes rurales y áreas donde el número de vehículos pesados es pequeño y las velocidades es reducido.

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE 

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PL-2 Segundo nivel de importancia.- Usado en estructuras grandes y velocidades importantes en puentes urbanos y en áreas donde hay variedad de vehículos pesados y las velocidades son las máximas tolerables. PL-3 Tercer nivel de importancia.- Usado para autopistas con radios de curvatura reducidos, pendientes variables fuertes, un volumen alto de vehículos pesados y con velocidades máximas tolerables. Justificación específica de este tipo de lugar será hecho para usar este nivel de importancia.

8. FUERZA DE COLISIÓN DE UN VEHÍCULO: Los estribos y pilas de puentes ubicados a 9.0 m o menos del borde de la calzada, o a 15.0 m o menos de la línea de centro de una vía ferroviaria, se deberán diseñar para una fuerza estática equivalente de 183.5 t, la cual se asume actúa en cualquier dirección en un plano horizontal, a una altura de 1.2 m sobre el nivel del terreno. No es necesario aplicar esta fuerza, en el caso de estructuras protegidas por terraplenes o barreras antichoques.

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE 9.

CARGAS HIDRÁULICAS:

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PRESIÓN HIDROSTÁTICA: Actúa de forma perpendicular a la superficie, y se calcula como el producto entre la altura de la columna de agua sobre el punto considerado, la densidad del agua y g (aceleración de la gravedad).

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FLOTABILIDAD: Fuerza de levantamiento tomada como la sumatoria de las componentes verticales de las presiones hidrostáticas. Actúa sobre todos los componentes debajo del nivel de agua.

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PRESIÓN DE FLUJO: La presión de flujo de agua, actuando en la dirección longitudinal de las subestructuras, se tomará como:

 = 52.4  DÓNDE: p = presión del agua (kg/m2) v = velocidad del agua para la inundación de diseño (resistencia y servicio) y para la inundación de control (evento extremo), en m/s CD = coeficiente de arrastre para pilas.

La fuerza de arrastre longitudinal será el producto entre la presión de flujo longitudinal y la proyección de la superficie expuesta a dicha presión. 

CARGA LATERAL.- La presión lateral uniformemente distribuida que actúa sobre una subestructura debido a un caudal de agua que fluye formando un ángulo _ respecto del eje longitudinal de la pila será:

 = 52.4   DONDE:

p = presión lateral (kg/m2) pág. 26 ARTE



CL = coeficiente de arrastre lateral.

CARGA DEL OLEAJE: Se deberá considerar si se anticipa que se pueden desarrollar fuerzas de oleaje significativas. SOCAVACIÓN: Se deberá considerar en los estados límites de resistencia y servicio. 10. EMPUJE DEL SUELO: EH, ES, LS, y DD (Art. 3.11 )

EH: Empuje horizontal del suelo ES: sobrecarga de suelo LS: sobrecarga viva DD: fricción negativa (Se trata con más detalle en el CAPV: ESTRIBOS). El empuje del suelo se deberá considerar en función de los siguientes factores: tipo y densidad del suelo, contenido de agua, características de fluencia lenta del suelo, grado de compactación, ubicación del nivel freático, interacción sueloestructura, cantidad de sobrecarga, efectos sísmicos, pendiente del relleno, e inclinación del muro. Empuje lateral del suelo: Se asumirá como:

DONDE: p = empuje lateral del suelo (MPa) k = coeficiente de empuje lateral, tomado como ko para muros que no se deforman ni se mueven, ka para muros que se deforman o mueven lo suficiente para alcanzar la condición mínima activa, o kp para muros que se deforman o mueven lo suficiente para alcanzar una condición pasiva.

gs = densidad del suelo (kg/m3) z = profundidad del suelo debajo de la superficie (m) g = aceleración de la gravedad (m/s2)

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE Se asumirá que la carga del suelo lateral resultante debida al peso del relleno actúa a una altura igual a H/3 desde la base del muro, siendo H la altura total del muro. 

SOBRECARGA VIVA (LS):

Se deberá aplicar una sobrecarga viva si se anticipa que habrá cargas vehiculares actuando sobre la superficie del relleno en una distancia igual a la mitad de la altura del muro detrás del paramento posterior del muro.

11. CARGAS DE HIELO: IC Las fuerzas de hielo que actúan sobre las pilas se deberán determinar de la siguiente manera, considerando las condiciones del sitio de emplazamiento y los modos de acción del hielo anticipados:    

Presión dinámica provocada por capas o témpanos de hielo transportados por el curso de agua, el viento o las corrientes; Presión estática provocada por movimientos térmicos de las capas de hielo; Presión debida a la presencia de presas colgantes obarreras de hielo; y Fuerza de levantamiento o carga vertical provocada por la adherencia de hielo en aguas de nivel fluctuante.

El espesor de hielo anticipado, su dirección de movimiento y la altura en la cual actúa se deberán determinar mediante investigaciones in situ, estudio de registros públicos, relevamientos aéreos u otros medios adecuados.

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CONCLUSIONES: Se conoció el origen de los camiones H y HS de la norma AASHTO. Definimos la carga viva equivalente. Se logró analizar las cargas que actúan en los puentes: Impacto, sismo, viento, frenado, fricción, cargas en veredas y barandas, Cargas hidrostáticas, Empuje de tierras, etc.

BOBLIOGRAFIA:   

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Universidad central del Ecuador (Dra. Ing. TERESA AYABACA CAZAR, Ph.D) Norma aashto AASHTO-LRFD 2010 (Fifth Edition) Por MC Ing. Arturo Rodríguez Serquén


Puentes y Obras de Arte

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