ANÁLISIS REFINADO DE PUENTES OBLICUOS

ANALYSIS REFINED OF BRIDGED OBLIQUE

René Gonzalo Barañado Quiñones

José Lino Carrasco

Vladimir

RESUMEN

En el presente trabajo se ha utilizado el método de los elementos finitos con el software SAP2000

para el modelado de un puente de 10 m de longitud con un vehículo de diseño de HL-93 para tres

casos de oblicuidad recto (sin oblicuidad), 20º de oblicuidad y 40º de oblicuidad.

Los resultados nos muestran variaciones importantes en los esfuerzos, la aparición de momentos

flectores negativos que debe considerarse en el diseño, como también el cambio de las

direcciones principales que pueden obligar según sea el caso a modificar la disposición de las

armaduras según estas direcciones.

Los esfuerzos resultantes generan en los puentes oblicuos una rotación de la estructura que debe

ser controlada mediante anclajes o cabezales con restricciones laterales.

La aplicación de los elementos finitos en este caso es la mejor (o única) alternativa de solución.

Palabras Claves: oblicuidad, esviaje, puente, tablero, elementos finitos, análisis refinado.

INTRODUCCIÓN

El análisis estructural de puentes está enfocado principalmente en el efecto que generan las

cargas móviles en la estructura, la respuesta que debe tener está cuando soportan tales cargas

debe ser bien conocida para un adecuado diseño.

En el análisis simplificado por fajas no se toma muy en cuenta la oblicuidad de los puentes,

cuándo este es importante debe realizarse un análisis más refinado (análisis bidimensional)

utilizado las herramientas informáticas y el método de elementos finitos para tener una idea clara

del comportamiento de la estructura.

La oblicuidad en los puentes presenta momentos flectores negativos en sus apoyos como también

momentos torsores, y una variación de los cortantes en las esquinas agudas y obtusas, que tan

importantes son, y hasta donde se presentan es el objetivo de esta “investigación” aplicando

elementos finitos con ayuda del software SAP2000

DESARROLLO DEL TRABAJO

GLOSARIO

Ángulo de oblicuidad − Ángulo que forma el eje de un apoyo respecto de una recta normal al eje

de la carretera.

REQUISITOS GENERALES EN EL ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LOS TABLEROS EN PUENTES

Si se utiliza el método de las fajas, el momento extremo positivo de cualquier panel de tablero

entre vigas se considerará actuando en todas las regiones de momento positivo. De manera

similar, el momento extremo negativo de cualquier viga se considerará actuando en todas las

regiones de momento negativo. El modelo aproximado de las fajas se basa en tableros

rectangulares. En la actualidad, a nivel nacional (USA), aproximadamente dos tercios de todos

los puentes son oblicuos. Aunque la oblicuidad en general tiende a disminuir las solicitaciones

extremas, también produce momentos negativos en las esquinas, momentos torsores en las zonas

de los extremos, una considerable redistribución de las reacciones, además de una variedad de

fenómenos estructurales que deberían ser considerados en el diseño. (AASHTO LRFD, 2004)

REDUCCIÓN DE LOS MOMENTOS FLECTORES

Si los apoyos lineales son oblicuos y la diferencia entre los ángulos de oblicuidad de dos líneas de

apoyos adyacentes no es mayor que 10°, el momento flector en las vigas se puede reducir.

(AASHTO LRFD, 2004)

AJUSTE DEL ESFUERZO CORTANTE

Si la línea de apoyo es oblicua se deberá ajustar el corte en la viga exterior en la esquina obtusa

del puente. (AASHTO LRFD, 2004)

TABLEROS OBLICUOS EN LOS PUENTES

Si el ángulo de oblicuidad del tablero es menor o igual que 25° la armadura principal se puede

disponer en la dirección de la oblicuidad; caso contrario, esta armadura se deberá colocar de

forma perpendicular a los elementos de apoyo principales. La intención de este requisito es evitar

que el tablero se fisure excesivamente, lo cual podría ocurrir como resultado de la ausencia de

armadura suficiente actuando en la dirección de las tensiones principales de flexión si la

armadura tiene un fuerte ángulo de inclinación, tal como se ilustra en la Figura C1. El límite algo

arbitrario de 25° podría afectar el área de acero tanto como 10 por ciento. Esto no se tomó en

cuenta ya que no se consideró que el procedimiento de análisis y el uso del momento flector

como base para el diseño tenían una precisión suficiente como para ameritar este ajuste. Los

Propietarios interesados en refinar el diseño de esta manera también deberían considerar uno de

los métodos de análisis refinados identificados (AASHTO LRFD, 2004)

Disposición de las armaduras

ANÁLISIS REFINADO APLICANDO MEF

Con el propósito de mostrar la aplicabilidad de los elementos finitos en el análisis de puentes

oblicuos se modelara un puente losa de 10 m de longitud con 4 m de ancho, no se considera la

capa de rodadura ni la viga de borde ni el barandado. Vehículo de diseño HL-93. Se modelaran

tres tipos de puente variando su oblicuidad.

Figura 1. Puente recto

Figura 2. Puente oblicuo 20º

Figura 3. Puente Oblicuo 40º

Un procedimiento bien aceptado en el análisis estructural de puentes es linealizar todas las cargas

y modelarlo, el resultado se divide entre el ancho de franja y se diseñan con este valor.

Figura 4. Momentos flectores máximos (modelo unidimensional)

La oblicuidad del puente puede considerarse haciendo una reducción del momento flector y

ajustado el esfuerzo de corte como indica la norma, pero solo en aquellos casos donde esta

oblicuidad es menor a 10º, es de esta manera que se debe realizar un análisis más refinado

A continuación se presenta los modelados correspondientes para los tres casos de oblicuidad

Modelado bidimensional con Bridge de SAP2000

MOMENTOS FLECTORES MÁXIMOS M33 (UNIDIMENSIONAL)

Figura 5. M33 (β=0°)

Figura 6. M33 (β=20°)

Figura 7. M33 (β=40°)

MOMENTOS FLECTORES MÁXIMOS EN LA DIRECCIÓN 1 M11 (MODELO BIDIMENSIONAL)

Figura 8. M11 (β=0°)

Figura 9. M11 (β=20°)

Figura 10. M11 (β=40°)

MOMENTOS FLECTORES MÁXIMOS EN LA DIRECCIÓN 2 M22 (MODELO BIDIMENSIONAL)

Figura 11. M22 (β=0°)

Figura 12. M22 (β=20°)

Figura 13. M22 (β=40°)

VECTOR DE ESFUERZOS MÁXIMOS Y MÍNIMOS SMÁX Y SMÍN (DIRECCIÓN Y MAGNITUD)

Figura 14. Smáx y Smín (β=0°)

Figura 15. Smáx y Smín (β=20°)

Figura 16. Smáx y Smín (β=40°)

REFUERZO DE ACERO INFERIOR EN LA DIRECCIÓN 1

Figura 17. Ast1 bot face (β=0°)

Figura 18. Ast1 bot face (β=20°)

Figura 19. Ast1 bot face (β=40°)

REFUERZO DE ACERO INFERIOR EN LA DIRECCIÓN 2

Figura 20. Ast2 bot face (β=0°)

Figura 21. Ast2 bot face (β=20°)

Figura 22. Ast2 bot face (β=40°)

REFUERZO DE ACERO SUPERIOR EN LA DIRECCIÓN 1

Figura 23. Ast1 top face (β=0°)

Figura 24. Ast1 top face (β=20°)

Figura 25. Ast1 top face (β=40°)

REFUERZO DE ACERO SUPERIOR EN LA DIRECCIÓN 2

Figura 26. Ast2 top face (β=0°)

Figura 27. Ast2 top face (β=20°)

Figura 28. Ast2 top face (β=40°)

CONCLUSIONES

Figura 29. Malla de elementos finitos utilizado

Al acero positivo principal (paralela al tráfico) disminuye con la oblicuidad y el acero

positivo secundario (perpendicular al tráfico) aumenta

Los aceros negativos principales y secundarios en la esquina aguda disminuyen

Los aceros negativos principales y secundarios en la esquina obtusa aumentan

REFERENCIAS

AASHTO LRFD. (2004).

Elemento

475-4

Ast1

[cm2/cm]

Ast2

[cm2/cm]

β=0° 0.739425 0.143366

β=20° 0.792203 0.286273

β=40° 0.65435 0.367911

Botton Face

Elemento

529-1

Ast1

[cm2/cm]

Ast2

[cm2/cm]

β=0° 0.312735 0.313170

β=20° 0.241965 0.250336

β=40° 0.244705 0.211112

Top Face

Elemento

530-4

Ast1

[cm2/cm]

Ast2

[cm2/cm]

β=0° 0.312735 0.313170

β=20° 0.658476 0.419958

β=40° 0.985112 0.511708

Top Face