DISEÑO DE UN PUENTE TIPO CAJON

NOCIONES PRELIMINARES1. DEFINICIONUn puente es una obra que se construye para salvar un obstáculo dando así continuidad a una vía. Suele sustentar un camino, una carretera o una vía férrea, pero también puede transportar tuberías y líneas de distribución de energía.

Los puentes que soportan un canal o conductos de agua se llaman acueductos.Aquellos construidos sobre terreno seco o en un valle, viaductos. Los que cruzan autopistas y vías de tren se llaman pasos elevados.Constan fundamentalmente de dos partes:

a) La superestructura conformada por: tablero que soporta directamente las cargas; vigas, armaduras, cables, bóvedas, arcos, quienes transmiten las cargas del tablero a los apoyos.

b) La infraestructura conformada por: pilares (apoyos centrales); estribos (apoyos extremos) que soportan directamente la superestructura; y cimientos, encargados de transmitir al terreno los esfuerzos.

2. CLASIFICACIONA los puentes podemos clasificarlos:

a) Según su función:− Peatonales− Carreteros− Ferroviarios

b) Por los materiales de construcción− Madera− Mampostería− Acero Estructural− Sección Compuesta− Concreto Armado− Concreto Presforzado

c) Por el tipo de estructura− Simplemente apoyados− Continuos− Simples de tramos múltiples− Cantilever (brazos voladizos)− En Arco− Atirantado (utilizan cables rectos que atirantan el tablero)

− Colgantes− Levadizos (basculantes)− Pontones (puentes flotantes permanentes)

3. GEOMETRÍAa) Sección transversal El ancho de la sección transversal de un puente no será menor que el ancho del acceso, y podrá contener: vías de tráfico, vías de seguridad (bermas), veredas, ciclovía, barreras y barandas, elementos de drenaje.

b) Ancho de vía (calzada) Siempre que sea posible, los puentes se deben construir de manera de poder acomodar el carril de diseño estándar y las bermas adecuadas.El número de carriles de diseño se determina tomando la parte entera de la relación w/3.6, siendo w el ancho libre de calzada (m).Los anchos de calzada entre 6.00 y 7.20 m tendrán dos carriles de diseño, cada uno de ellos de ancho igual a la mitad del ancho de calzada.

c) Bermas Una berma es la porción contigua al carril que sirve de apoyo a los vehículos que se estacionan por emergencias. Su ancho varía desde un mínimo de 0.60 m en carreteras rurales menores, siendo preferible 1.8 a 2.4 m, hasta al menos 3.0 m, y preferentemente 3.6 m, en carreteras mayores. Sin embargo debe tenerse en cuenta que anchos superiores a 3.0 m predisponen a su uso no autorizado como vía de tráfico.

d) Veredas Utilizadas con fines de flujo peatonal o mantenimiento. Están separadas de la calzada adyacente mediante un cordón barrera, una barrera (baranda para tráfico vehicular) o una baranda combinada. El ancho mínimo de las veredas es 0.75 m.

4. CARGAS Y FACTORES DE CARGA

Las cargas que presentamos a continuación están basadas en las especificaciones de AASHTO. En general, estas cargas pueden ser divididas en dos grandes grupos: cargas permanentes y cargas transitorias (cargas de vehículos, peatonales, de fluidos, de sismo, de hielo y de colisiones). Adicionalmente, dependiendo del tipo de estructura pueden presentarse otras fuerzas como las debidas al creep, a shrinkage, o al movimiento de los apoyos de la estructura.Igualmente, en este capítulo se presentan los estados límites de diseño de resistencia, servicio, evento extremo y fatiga con sus

correspondientes combinaciones de carga. Las abreviaciones utilizadas en este capítulo son las empleadas por AASHTO.

Carga permanente

Las cargas permanentes incluyen:• Carga muerta de elementos estructurales y elementos no estructurales unidos (DC).• Carga muerta de superficie de revestimiento y accesorios (DW).

Los elementos estructurales son los que son parte del sistema de resistencia. Los elementos no estructurales unidos se refieren a parapetos, barreras, señales, etc. En caso de no contar con las especificaciones técnicas o manuales que den información precisa del peso, se pueden usar los pesos unitarios de AASHTO presentados en la tabla 2.1. La carga muerta de la superficie de revestimiento (DW) puede ser estimada tomando el peso unitario para un espesor de superficie.

Cargas

transitorias

Las cargas que estudiaremos a continuación comprenden las cargas del tráfico vehicular, del tráfico peatonal, de fluidos, de sismo, de hielo, de deformaciones y las causadas por colisiones.

a) Cargas de vehículos

Los efectos del tráfico vehicular comparados con los efectos del tráfico de camiones son despreciables. Debido a esto el diseño de cargas de AASHTO ha desarrollado modelos de tráficos de camiones que son muy variables, dinámicos, y pueden ser combinados con otras cargas de camiones.

Esos efectos incluyen fuerzas de impacto (efectos dinámicos), fuerzas de frenos, fuerzas centrífugas, y efectos de otros camiones simultáneos.

En 1992, Kulicki ajustó un estudio de Transportation Research Board (TRB, 1990) a las cargas de camiones presentes y desarrolló un nuevo modelo. Este modelo consiste en tres cargas diferentes:

• Camión de diseño.• Camión tándem de diseño.• Línea de diseño.

Cargas de diseño de AASHTO

DISEÑO DEL PUENTELo primero que hacemos es iniciar al programa es seleccionar el tipo de modelo que se va a realizar en nuestro caso utilizaremos será el de un puente tipo cajón por lo cual iniciaremos con la opción marcada en la figura mostrada en la parte inferior, también se señalara las unidades en las cuales se trabajara.

Seguidamente pasamos a definir el número de tramos que tendrá nuestro modelo, el cual consta de tres tramos de 30 metros cada uno.

Ahora nos dirigimos a las propiedades de los ejes para definirlos, tanto el eje maestro como los ejes de los carriles. En este menú también se editaran la sección del puente el tipo de carga vehicular.

Seleccionamos esta opción para iniciar el

modelo

Las propiedades del material serán introducidos en la siguiente opción, para puentes consideraremos las siguientes propiedades:

- Resistencia del concreto a los 28 días F’c : 280 kg/cm2

- Módulo de elasticidad del concreto

Losa superior (ts)

Losa inferior (ti)

Alma (bw)

E=15100√ f ´ cE: 252000 kg/cm2

- Peso específico del concreto

= 2500kg/m3

PREDIMENCIONAMIENTO DE LA LOSAAhora pasaremos a definir las dimensiones en la sección del tablero la cual contara con las siguientes características geométricas.

El puente a diseñar es de 4 carriles entonces 2 carriles seran usados para un sentido y los otros dos para el sentido contrario, entonces el ancho de la seccion tranversal estara dado por las siguientes dimensiones:

- 4 Carriles : 3.60 m /carril- 2 bermas : 1.80 m /berma- 2 veredas : 1.20 m /vereda- Barandas metalicas : 0.15 m /lado- Muro newyersey : 0.50 m Por lo tanto el ancho de la seccion transversal es:

LT = 4(3.6)+2(1.8)+2(1.2)+2(0.15)+0.5LT = 21.2 m

Si asumimos un espesor de alma bw = 0.30 m, y que tendra la seccion tendra 4 celdas, entonces la longitud interior de las celdas sera:Primero definamos la losa superior la cual sera una longotud restandole las veredas y las barands y resulta Ls = 18.5 m, y la losa inferior sera

Lc

vereda

h

restandole el volado que representara quitandole a la losa superior la longitud de las bermas y resulta Li =14.9 m

Lc=(14.9−0.3∗5−2∗1.8)/4

Lc =3.35 mPara el predimencionamiento de la seccion del puente usaremos los siguientes criterios1.- Predimencionamiento del peralte de la seccion

h1 : 0.06*30 h1= 1.80 mh2=0.017+30/18 h2= 1.68 mescogemos el valor de h1= 1.80 m por razones de seguridad, tambien se a podido escoger el promedio de los dos valores hallados.

2.- Predimencionamiento de losas

Losa superior Losa inferior

ts=3475+300030 ti=3475/16

ts=215.83mm ti=217.2mm

Entonce daremos valores para los espesores hallados multiplos de 0.05 asi que las dimensiones asignadas seran:

ts = 0.30 m y ti = 0.20 mlas dimenciones antes calculadas se representan en plano siguiente

h1=0 .055⋅L (Tramo simple )h1=0 .06⋅L (Tramo continuo )

h2=0 .17+L18

Pr edim ensionamiento Losas

Superior tS=(Lc+3000 )30

≥175mm

Inferior t I=Lc16

≥175mm

Las dimenciones de la seccion halladas seran colocadas en el programa para su posterior calculo

Luego pasamos a definir las líneas por donde pasaran los vehículos, o sea el número de carriles del puente.En la imagen siguiente se muestra la definición de los carriles interiores.

Como se puede observar se ha cambiado para que sea de

cuatro cajones

En la imagen siguiente se muestra la definicion de los carriles exteriores, las cuales seran las lineas 3 y 4 respectivamente.

Hasta ahora el modelo del puente va quedando de la siguiente manera:

La imagen muestra el puente con sus cuatro carriles

Definiremos los diferentes tipos de carga, ya sea la carga permanente como la carga móvil.1. Cargas móviles

CAMION + CD (HL-93K)

TANDEM + CD (HL-93M)

Leading LoadTrailing Load

HL-93S

Para definir las cargas mencionadas anteriormente seguimos la siguiente ruta en el programa como lo muestra la figura siguiente.

Primero ingresaremos las cargas del Tándem HL-93M

Leading load fixed Trailing Load

Ahora ingresamos las cargas Camión HL-93K

Por último el tren de cargas final que se debe de introducir es:

- También se pasara a definir las cargas de vereda, baranda, peatonal (PL), carga de la superficie de rodadura (DW), y la carga muerta de los elementos estructurales y no estructurales (DC).

- También creamos la clase de vehículo con las cargas móviles ya antes designadas (HL-93M, HL-93K, HL-93S)

- Definimos la carga lineal distribuida de las barandas tanto izquierdas como derechas

- Definición de la carga de asfalto

- Definición de la carga de vereda, la cual resulta de multiplicar la sección de la vereda con el peso específico del concreto el cual será 2.3 tn/m3 para este caso

- Definición de la carga peatonal, la cual será de 0.36 tn/m2-

Ahora pasaremos a definir las combinaciones de carga para nuestro modelo, para lo cual creamos una carga llamada LL que representara nuestra carga móvil.

La primera combinación será la mostrada en la figura, la cual será el estado último de las cargas

La ultima combinación será él se la resistencia I la cual representa al estado ultimo multiplicado por un factor.

Luego de definir las cargas podemos mostrarla como por ejemplo la carga distribuida de la vereda

RESULTADOSLuego de analizar el puente en el programa los resultados obtenidos son los siguientes, la imagen siguiente muestra la deformada del puente debido al peso propio.

Los momentos obtenidos producto de la combinación de carga resistencia ultima se muestran a continuación, los valores eran mostrados en una tabla.

Se observa que los momentos en los extremos del puente son cero debido a que se le asignó un apoyo simple eso quiere decir que se ha asignado de forma correcta esta suposición que se ha realizado.

Layout Line Distance ItemType V2 V3 T M2 M3

m Tonf Tonf Tonf-m Tonf-m Tonf-m0 Max -502.19 -3.74E-08 5.8E+02 1.4E-08 2.0E-070 Min -819.78 -7.52E-08 -5.1E+02 1.4E-08 1.5E-073 Max -377.09 -3.75E-08 5.3E+02 3.1E-07 2.2E+033 Min -663.43 -7.53E-08 -4.7E+02 4.9E-08 1.3E+033 Max -368.93 -3.75E-08 5.2E+02 3.1E-07 2.2E+033 Min -640.59 -7.54E-08 -4.6E+02 4.9E-08 1.3E+036 Max -229.82 -3.76E-08 4.9E+02 6.1E-07 3.8E+036 Min -486.44 -7.55E-08 -4.4E+02 7.7E-08 2.2E+036 Max -214.27 -3.76E-08 4.8E+02 6.1E-07 3.8E+036 Min -464.75 -7.55E-08 -4.4E+02 7.7E-08 2.2E+039 Max -70.68 -3.78E-08 4.8E+02 9.2E-07 4.7E+039 Min -312.98 -7.58E-08 -4.3E+02 1.0E-07 2.8E+039 Max -51.92 -3.78E-08 4.8E+02 9.2E-07 4.7E+039 Min -292.53 -7.57E-08 -4.4E+02 1.0E-07 2.8E+03

12 Max 97.01 -3.79E-08 4.8E+02 1.2E-06 5.1E+0312 Min -143.34 -7.60E-08 -4.5E+02 1.4E-07 2.9E+0312 Max 116.91 -3.79E-08 4.9E+02 1.2E-06 5.1E+0312 Min -124.22 -7.60E-08 -4.6E+02 1.4E-07 2.9E+0315 Max 266.67 -3.80E-08 5.0E+02 1.6E-06 4.9E+0315 Min 22.23 -7.62E-08 -4.7E+02 1.6E-07 2.6E+0315 Max 286.90 -3.80E-08 5.1E+02 1.6E-06 4.9E+0315 Min 39.94 -7.62E-08 -4.8E+02 1.6E-07 2.6E+0318 Max 437.18 -3.82E-08 5.2E+02 1.9E-06 4.2E+0318 Min 183.50 -7.65E-08 -5.0E+02 1.7E-07 2.0E+0318 Max 457.58 -3.82E-08 5.3E+02 1.9E-06 4.2E+0318 Min 199.73 -7.65E-08 -5.1E+02 1.7E-07 2.0E+0321 Max 608.02 -3.84E-08 5.4E+02 2.2E-06 2.8E+0321 Min 340.27 -7.69E-08 -5.3E+02 1.9E-07 9.4E+0221 Max 628.41 -3.84E-08 5.5E+02 2.2E-06 2.8E+0321 Min 354.92 -7.69E-08 -5.5E+02 1.9E-07 9.4E+0224 Max 778.65 -3.84E-08 5.7E+02 2.5E-06 1.0E+0324 Min 491.13 -7.72E-08 -5.7E+02 2.2E-07 -5.0E+0224 Max 798.85 -3.84E-08 5.9E+02 2.5E-06 1.0E+0324 Min 503.23 -7.72E-08 -5.9E+02 2.2E-07 -5.0E+0227 Max 948.49 -3.85E-08 6.1E+02 2.8E-06 -1.2E+0327 Min 635.86 -7.74E-08 -6.2E+02 2.5E-07 -2.6E+0327 Max 968.29 -3.85E-08 6.3E+02 2.8E-06 -1.2E+0327 Min 646.76 -7.74E-08 -6.4E+02 2.5E-07 -2.6E+0330 Max 1116.93 -3.86E-08 6.6E+02 3.1E-06 -3.6E+0330 Min 773.99 -7.75E-08 -6.7E+02 2.8E-07 -5.5E+03

30 Max -616.53 0.0922 6.5E+02 1.4E+00 -3.6E+0330 Min -976.65 -0.0922 -6.2E+02 -1.4E+00 -5.5E+0333 Max -491.52 0.0922 6.1E+02 1.2E+00 -1.6E+0333 Min -825.29 -0.0922 -5.8E+02 -1.2E+00 -3.1E+0333 Max -483.55 0.0922 6.0E+02 1.2E+00 -1.6E+0333 Min -804.23 -0.0922 -5.7E+02 -1.2E+00 -3.1E+0336 Max -357.42 0.0922 5.6E+02 9.1E-01 1.8E+0236 Min -652.34 -0.0922 -5.4E+02 -9.3E-01 -1.4E+0336 Max -346.26 0.0922 5.5E+02 9.1E-01 1.8E+0236 Min -631.20 -0.0922 -5.3E+02 -9.3E-01 -1.4E+0339 Max -206.54 0.0922 5.3E+02 6.8E-01 1.6E+0339 Min -479.54 -0.0922 -5.1E+02 -6.9E-01 -4.2E+0239 Max -190.01 0.0922 5.2E+02 6.8E-01 1.6E+0339 Min -458.69 -0.0922 -5.1E+02 -6.9E-01 -4.2E+0242 Max -45.74 0.0922 5.1E+02 4.8E-01 2.4E+0342 Min -307.96 -0.0922 -5.0E+02 -4.9E-01 1.8E+0242 Max -27.69 0.0922 5.0E+02 4.8E-01 2.4E+0342 Min -287.74 -0.0922 -5.0E+02 -4.9E-01 1.8E+0245 Max 119.30 0.0922 5.0E+02 3.9E-01 2.7E+0345 Min -138.58 -0.0922 -5.0E+02 -3.6E-01 3.8E+0245 Max 138.58 0.0922 5.0E+02 3.9E-01 2.7E+0345 Min -119.30 -0.0922 -5.0E+02 -3.6E-01 3.8E+0248 Max 287.74 0.0922 5.0E+02 4.8E-01 2.4E+0348 Min 27.69 -0.0922 -5.0E+02 -4.9E-01 1.8E+0248 Max 307.96 0.0922 5.0E+02 4.8E-01 2.4E+0348 Min 45.74 -0.0922 -5.1E+02 -4.9E-01 1.8E+0251 Max 458.69 0.0922 5.1E+02 6.8E-01 1.6E+0351 Min 190.01 -0.0922 -5.2E+02 -6.9E-01 -4.2E+0251 Max 479.54 0.0922 5.1E+02 6.8E-01 1.6E+0351 Min 206.54 -0.0922 -5.3E+02 -6.9E-01 -4.2E+0254 Max 631.20 0.0922 5.3E+02 9.1E-01 1.8E+0254 Min 346.26 -0.0922 -5.5E+02 -9.3E-01 -1.4E+0354 Max 652.34 0.0922 5.4E+02 9.1E-01 1.8E+0254 Min 357.42 -0.0922 -5.6E+02 -9.3E-01 -1.4E+0357 Max 804.23 0.0922 5.7E+02 1.2E+00 -1.6E+0357 Min 483.55 -0.0922 -6.0E+02 -1.2E+00 -3.1E+0357 Max 825.29 0.0922 5.8E+02 1.2E+00 -1.6E+0357 Min 491.52 -0.0922 -6.1E+02 -1.2E+00 -3.1E+0360 Max 976.65 0.0922 6.2E+02 1.4E+00 -3.6E+0360 Min 616.53 -0.0922 -6.5E+02 -1.4E+00 -5.5E+0360 Max -773.99 1.69E-07 6.7E+02 5.8E-06 -3.6E+0360 Min -1116.93 4.40E-08 -6.6E+02 2.7E-07 -5.5E+0363 Max -646.76 1.69E-07 6.4E+02 5.2E-06 -1.2E+03

63 Min -968.29 4.39E-08 -6.3E+02 2.3E-07 -2.6E+0363 Max -635.86 1.69E-07 6.2E+02 5.2E-06 -1.2E+0363 Min -948.49 4.39E-08 -6.1E+02 2.3E-07 -2.6E+0366 Max -503.23 1.69E-07 5.9E+02 4.6E-06 1.0E+0366 Min -798.85 4.38E-08 -5.9E+02 1.9E-07 -5.0E+0266 Max -491.13 1.69E-07 5.7E+02 4.6E-06 1.0E+0366 Min -778.65 4.39E-08 -5.7E+02 1.9E-07 -5.0E+0269 Max -354.92 1.69E-07 5.5E+02 4.0E-06 2.8E+0369 Min -628.41 4.37E-08 -5.5E+02 1.7E-07 9.4E+0269 Max -340.27 1.69E-07 5.3E+02 4.0E-06 2.8E+0369 Min -608.02 4.37E-08 -5.4E+02 1.7E-07 9.4E+0272 Max -199.73 1.69E-07 5.1E+02 3.4E-06 4.2E+0372 Min -457.58 4.36E-08 -5.3E+02 1.3E-07 2.0E+0372 Max -183.50 1.69E-07 5.0E+02 3.4E-06 4.2E+0372 Min -437.18 4.36E-08 -5.2E+02 1.3E-07 2.0E+0375 Max -39.94 1.68E-07 4.8E+02 2.8E-06 4.9E+0375 Min -286.90 4.35E-08 -5.1E+02 1.0E-07 2.6E+0375 Max -22.23 1.68E-07 4.7E+02 2.8E-06 4.9E+0375 Min -266.67 4.35E-08 -5.0E+02 1.0E-07 2.6E+0378 Max 124.22 1.68E-07 4.6E+02 2.2E-06 5.1E+0378 Min -116.91 4.33E-08 -4.9E+02 6.8E-08 2.9E+0378 Max 143.34 1.68E-07 4.5E+02 2.2E-06 5.1E+0378 Min -97.01 4.33E-08 -4.8E+02 6.8E-08 2.9E+0381 Max 292.53 1.68E-07 4.4E+02 1.6E-06 4.7E+0381 Min 51.92 4.32E-08 -4.8E+02 3.6E-08 2.8E+0381 Max 312.98 1.68E-07 4.3E+02 1.6E-06 4.7E+0381 Min 70.68 4.32E-08 -4.8E+02 3.6E-08 2.8E+0384 Max 464.74 1.68E-07 4.4E+02 1.1E-06 3.8E+0384 Min 214.27 4.31E-08 -4.8E+02 -9.3E-09 2.2E+0384 Max 486.44 1.68E-07 4.4E+02 1.1E-06 3.8E+0384 Min 229.82 4.31E-08 -4.9E+02 -9.3E-09 2.2E+0387 Max 640.59 1.67E-07 4.6E+02 4.8E-07 2.2E+0387 Min 368.93 4.30E-08 -5.2E+02 -6.4E-08 1.3E+0387 Max 663.43 1.67E-07 4.7E+02 4.8E-07 2.2E+0387 Min 377.09 4.30E-08 -5.3E+02 -6.4E-08 1.3E+0390 Max 819.78 1.67E-07 5.1E+02 -7.7E-08 7.6E-0890 Min 502.19 4.29E-08 -5.8E+02 -1.1E-07 6.7E-08

Envolvente de esfuerzo debido a la combinación RESISTENCIA I

Envolvente de esfuerzo debido a la combinación ÚLTIMA

Las líneas de influencia generadas por las cargas vehiculares se muestran a continuación

Distribución de acero en la losa del puente