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Proyecto Final Puentes – CSi Bridge

Instituto Tecnológico de Santo Domingo |INTEC 1

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; 4. Cuantificación de Cargas de Viento; 5. Cuantificación de Cargas Sísmicas; 6. Cuantificación de Cargas sobre Estribos; 7. Secciones de la Superestructura; 8. Diseño del Puente – Vigas Cajón; 9. Diseño del Puente – Vigas Postensadas; 10. Diseño del Puente – Vigas Metálicas; 11. 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.



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 relación especificada en la AASHTO‐LRFD, 2007:

0.043 . ´ ,

Donde: γc ‐ Densidad del hormigón (kg/m3); f´c – Resistencia especificada del concreto (MPa).

0.043 2,320 . √35 10 284,272.2 ⁄ , ´ 350 ⁄

0.043 2,320 . √28 10 254,260.8 ⁄ , ´ 280 ⁄

El módulo de Poisson se puede asumir como 0.20

15.00 25.00 12.00



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.

3. 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:

2,250 0.07 157.5 /

Cargas del Asfalto sobre el puente.



o Baranda:

Compuesta por un pequeño muro de New Jersey y una Baranda Metálica encima, tenemos:

295 /

o Acera:

Con un espesor de 20cm:

2,320 0.20 464 /

Carga de Barandas y Aceras sobre el puente.

Cargas Vivas. Esta carga viva se obtiene de las Especificaciones para el Diseño de Puentes

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:



w

3600,wancholibredelcalzadaenmm

w3600

7,0003600

1.944

Por consiguiente se utilizarán 2 líneas de diseño de 3.50 metros de ancho.

Ilustración de los carriles sobre el puente.

o 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 a efectos dinámicos.

q ñ 970kg/m

o Peatonal: q 360kg/m

Carga Peatonal sobre el puente.



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). Esta combinación está 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.



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: 0.25 3,500 14,500 14,500 8,125



b. 25% del tándem de diseño:

0.25 11,000 11,000 5,500

c. 5% del camión de diseño del carril de carga: 0.05 3,500 14,500 14,500 57 970

4,390

d. 5% del tándem de diseño del carril de carga: 0.05 11,000 11,000 57 970

3,865 La fuerza del caso A se utilizará para los cálculos.

#

8,125 2 2 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:

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.

Como el tablero tiene un ancho total de 13 metros, entonces el valor de la fuerza

será:

96 13 1,248 /

Carga de Viento Vertical sobre el puente.



5. CUANTIFICACIÓN DE CARGAS SÍSMICAS. Para el cálculo de las fuerzas sísmicas, se escogió un espectro generado por el

programa CSI Bridge, correspondiente a las especificaciones de la AASHTO LRFD, 2007.

6. 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°

45 2⁄ 45 25 2 0.4059⁄ Como el muro esta dividido en 3 (mesh) se procedió a colocar una carga uniforme en cada bloque. Bloque 1

1.08 1,600 0.4059 701.40 / Bloque 2



2.17 1,600 0.4059 1,409.29 / Bloque 3

3.25 1,600 0.4059 2,110.46 / 7. 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:

1,00030,0001,000

30

La estructura esta dentro de los límites de deflexión.

Diseño de la Losa El acero en X superior en la losa es:

ó 1/2"@15



ó 1"@12.5 El acero en X inferior en la losa es:

ó 1/2"@15 ó 3/4"@25

El acero en Y superior en la losa es:

ó 1/2"@15

ó 1"@14 El acero en Y inferior en la losa es:

ó 1/2"@12



ó 3/4"@25

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





Viga de Apoyo





Pilares

Los pilares contienen los siguientes parámetros:




Con unas vigas postensadas con las siguientes secciones:



Deformaciones



1,00030,0001,000

30



ó 1/2"@15

ó 3/4"@10



El acero en X inferior en la losa es:

ó 1/2"@15 ó 3/4"@25

El acero en Y superior en la losa es:

ó 1/2"@15

ó 3/4"@10 El acero en Y inferior en la losa es:

ó 1/2"@12

ó 3/4"@10

Diseño de los Diafragmas



Para los diafragmas, el acero necesitado es de:

Diseño de las vigas Postensadas


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:




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





Viga de Apoyo





Pilares Los pilares contienen los siguientes parámetros:




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:



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.




Deformaciones



1,00030,0001,000

30



ó 1/2"@15

ó 3/4"@10



El acero en X inferior en la losa es:

ó 1/2"@15

ó 3/4"@25 El acero en Y superior en la losa es:

ó 1/2"@15

ó 3/4"@10 El acero en Y inferior en la losa es:

ó 1/2"@12

ó 3/4"@10



Diseño de los Diafragmas Para los diafragmas, la sección utilizada fue:

Diseño de las vigas Metálicas




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.

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