CAPÍTULO 4 REQUISITOS Y RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO
4.1 FILOSOFÍA DE DISEÑO LRFD
Los requisitos que se muestran en este capítulo son tomados de la norma AASHTO LRFD 2005 (Interim), a menos que se indique lo contrario.
La norma en la sección 1.3 muestra la filosofía de diseño LRFD indicando que los puentes deben ser diseñados para Estados Límites específicos, con el fin de alcanzar los objetivos de constructibilidad, seguridad y serviciabilidad. Además, se deben considerar aspectos relacionados con el proceso de inspección, economía y estética. Independientemente del tipo de análisis usado, se debe satisfacer la expresión básica de diseño mostrada en la ecuación 4.1.
i iQi R =Rn r
(Ec. 4.1)En donde:
γi: Factor de carga. Multiplicador de base estadística que se
aplica a la fuerzas Qi: Efectos de las fuerzas
φ: Factor de resistencia. Multiplicador de base estadística que se aplica a la resistencia nominal.
Rr: Resistencia factorizada o φRn
Rn: Resistencia nominal
ηi: Factor de modificación de cargas. Relacionado con la
ductilidad, redundancia e importancia del puente, determinado como se muestra en la tabla 4.1
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Tabla 4.1 Valores factor de modificación de cargas. [Adaptado de AASHTO LRFD 2005:p.1-3]
Para cargas en las cuales un valor MÁXIMO de γi es apropiado
= 0.95
i D R I
Para cargas en las cuales un valor MÍNIMO de γi es apropiado 1 = 1.0 i D R I Donde:
ηD: Factor relacionado con la ductilidad.
ηR: Factor relacionado con la redundancia.
ηI: Factor relacionado con la importancia operativa.
La ductilidad, la redundancia y la importancia operativa son aspectos muy importantes que afectan el margen de seguridad de los puentes. Las dos primeras se relacionan directamente con la resistencia física y la última tiene que ver con las consecuencias que implicaría que el puente quede fuera de servicio. Por lo tanto, la agrupación de estos aspectos del lado izquierdo de la ecuación 4.1 es arbitraria. Estos valores dependen del estado límite que se esté analizando, un resumen se muestra en la tabla 4.2.
ESTADOS LÍMITES.
Los estados límites se encuentran en la sección 1.3.2 de la norma, indicando que para todos los elementos y conexiones se debe cumplir con la ecuación 4.1, para todos los estados.
Estados Límites de Servicio.
En estos Estados Límites se imponen restricciones a esfuerzos, deformaciones y anchos de grietas bajo condiciones de servicio regulares.
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Servicio I: Combinación de cargas que representa la operación normal del puente con un viento de 90 km/h, tomando todas las cargas a sus valores nominales. También se relaciona con el control de deflexiones de las estructuras enterradas, revestimientos de túneles y tuberías termoplásticas y, con el control del ancho de grietas en estructuras de concreto reforzado. Se debe utilizar para investigar la estabilidad de taludes.
Servicio II: Combinación de cargas cuya intención es controlar la fluencia de estructuras de acero y el deslizamiento que provoca la carga viva vehicular en las conexiones críticas.
Servicio III: Combinación de cargas relacionada exclusivamente con la tensión en superestructuras de concreto presforzado, cuyo objetivo es controlar la fisuración.
Servicio IV: Combinación de cargas relacionada con la tensión en subestructuras de concreto presforzado, cuyo objetivo es controlar la fisuración.
Estado Límite de Fatiga y Fractura.
En el Estado Límite de Fatiga se imponen restricciones al rango de esfuerzos que vienen como resultado de un solo camión de diseño. El Estado Límite de Fractura se considera como un conjunto de requisitos sobre resistencia de materiales de las especificaciones sobre materiales de la norma. La combinación de cargas de fatiga y fractura se relacionan con la carga viva vehicular gravitatoria repetitiva y con la respuesta
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dinámica bajo un sólo camión de diseño. Este factor refleja un nivel de carga que se toma como representativo del universo de camiones, relacionado con la variación de ciclos de esfuerzos y sus efectos acumulados sobre los elementos, componentes y conexiones de acero.
Estados Límites de Resistencia.
Se debe considerar este estado para garantizar que se provee resistencia y estabilidad local y global, para resistir las combinaciones de cargas que se anticipan que el puente experimentará durante su vida de diseño.
Resistencia I: Combinación de carga básica que representa el uso normal del puente, sin viento.
Resistencia II: Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos de diseño especial especificados por el Propietario, vehículos de circulación restringida o ambos, sin viento.
Resistencia III: Combinación de cargas que representa el puente expuesto a vientos con velocidades superiores a 90 km/h.
Resistencia IV: Combinación de cargas que representa relaciones muy elevadas entre cargas muertas y cargas vivas.
Resistencia V: Combinación de cargas que representa el uso del puente por parte de vehículos normales con viento teniendo una velocidad de 90 km/h.
Estados Límites Correspondientes a Eventos Extremos. Se considera estos estados para garantizar la supervivencia estructural de un puente durante una
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inundación o un sismo significativo, choque con embarcaciones o vehículos y condiciones que lleven a una posible socavación.
Evento extremo I: Combinación de cargas que incluye sismos.
Evento extremo II: Combinación de cargas que incluye cargas de hielo, colisión con embarcaciones y vehículos, ciertos eventos hidráulicos con una carga viva reducida diferente a la que forma parte de la carga de colisión de vehículos.
Factor relacionado con la ductilidad.
En la sección 1.3.3 de la norma, se indica como considerar este factor y los requerimientos. El sistema estructural de un puente debe ser dimensionado y detallado de tal forma que pueda asegurar el desarrollo de deformaciones visibles en los Estados Límites de Resistencia y Correspondientes a Eventos Extremos antes de la falla. Se puede asumir que los requisitos de ductilidad se satisfacen para una estructura de concreto en la cual la resistencia de una conexión es mayor o igual a 1.3 veces la máxima fuerza impuesta en la conexión por la acción inelástica de los elementos adyacentes.
El comportamiento dúctil advierte sobre la inminente ocurrencia de una falla estructural a través de grandes deformaciones inelásticas. Además, bajo cargas sísmicas se producen grandes ciclos invertidos de deformación inelástica que disipan energía y, por lo tanto, tiene un efecto beneficioso para la supervivencia de la estructura. En la tabla 4.2 se muestran los valores del factor relacionado con la ductilidad para los Estados Límites.
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Factor relacionado con la redundancia.
La sección 1.3.4 de la norma presenta estos factores, indicando que se deben usar estructuras continuas y con múltiples recorridos de cargas, excepto en los casos debidamente justificados. Los principales elementos y componentes cuya falla provocará el colapso del puente deben diseñarse como elementos de falla crítica y el sistema estructural asociado debe diseñarse como sistema no redundante. Alternativamente, los elementos de falla crítica tensionados pueden ser diseñados como fractura crítica. Los elementos y componentes cuya falla no implica el colapso del puente se deben diseñar como elementos de falla no crítica y el sistema estructural asociado debe diseñarse como sistema redundante.
La clasificación del elemento, según su redundancia, se debe basar en la contribución del elemento a la seguridad del puente. Se presenta en la tabla 4.2 el factor relacionado con la redundancia para todos los Estados Límites.
Factor relacionado con la importancia operativa.
La norma muestra en la sección 1.3.5 los requisitos respecto a la importancia operativa. Se debe aplicar exclusivamente a los Estados Límites de Resistencia y los correspondientes a Eventos extremos. El propietario puede declarar cuál es la importancia operativa de un puente, del elemento o cualquier conexión.
El factor relacionado con la importancia operativa de un puente debe tomarse a partir del estado límite en análisis y la importancia del mismo, los valores se muestran en tabla 4.2.
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La selección de la importancia operativa se debe basar en requisitos sociales, de supervivencia y/o defensa.
Tabla 4.2 Factores de ductilidad, redundancia e importancia operativa. [Adaptada de AASHTO LRFD 2005:p.1-5,1-7]
Combinaciones de carga y factores de carga
En la sección 3.4.1 de la norma se indica que la fuerza efectiva total factorizada debe tomarse como:
i i i
Q =
Q (Ec. 4.2)En donde:
ηi: Factor modificador de carga
γi: Factor de carga
Qi: Fuerzas efectivas de las cargas Factores
Para estado límite de resistencia.
Factor de ductilidad ηD Factor redundancia ηR Factor importancia operativa ηI ≥1.05 Para elementos y conexiones
no dúctiles Para elementos no redundantes Para puente importantes 1.00
Para diseños y detalles convencionales que cumplen con la especificación. Para niveles convencionales de redundancia Para puentes típicos ≥0.95
Para elementos y conexiones para los que se han especificado medidas adicionales para mejorar la ductilidad más allá de lo requerido por estas especificaciones Para niveles excepcionales de redundancia Para puentes menos importantes
Para los otros estados límite.
Factor de ductilidad ηD Factor redundancia ηR Factor importancia operativa ηI 1.00 1.00 1.00
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Los componentes y conexiones de un puente deben cumplir con la ecuación 4.2 para todas las combinaciones de fuerzas extremas factorizadas para cada uno de los estados límites aplicables.
En la tabla 4.3, se especifican los factores de carga que deben aplicarse a las cargas que forman una combinación de diseño. Se debe analizar todos los subconjuntos relevantes de combinaciones. Para cada combinación tomada en el diseño de un componente, se debe multiplicar por el factor de cargas correspondiente y el factor de presencia múltiple especificado en el artículo 3.6.1.1.2 de la norma, cuando aplica. Seguidamente, estos productos deben sumarse de la forma especificada en la ecuación 4.2 y multiplicar el resultado por los factores modificadores de cargas según se indica en ecuación 4.1. Los factores deben seleccionarse de tal manera que se obtenga la fuerza total extrema factorizada. Para cada combinación, se debe investigar los valores extremos positivos y negativos.
En las combinaciones de cargas en donde una fuerza reduzca a otra, a la fuerza reductora debe aplicársele el valor mínimo del factor de carga. Para las fuerzas resultantes debidas a cargas permanentes, el factor de carga debe ser aquel que produzca la combinación más crítica. En la tabla 4.4 se presentan estos factores de cargas para cargas permanentes. Si la carga permanente incrementa la estabilidad o resistencia de un componente, se debe investigar el valor mínimo del factor de carga. Para la combinación de carga TU, CR y SH, el mayor valor de los factores de carga especificados debe usarse para las deformaciones y, el menor valor para todas las demás cargas.
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Para la evaluación de la estabilidad global de rellenos y taludes con o sin unidad de fundación, poco o muy profunda, se debe utilizar la combinación de cargas correspondiente al Estado Límite de Servicio I y un factor de resistencia adecuado según lo especificado en los artículos 10.5.2 y 11.5.6 de la norma, que tratan el Estado Límite de Servicio para fundaciones y los factores de resistencia en el diseño geotécnico de fundaciones, respectivamente.
Para estructuras tipo caja, formadas por placas estructurales que cumplen con los requisitos del artículo 12.9, que trata las estructuras tipo cajón construidas con placas estructurales, para las cargas vehiculares LL e IM, el factor de carga viva se debe tomar igual a 2.0.
El factor de carga para carga viva en la combinación correspondiente a Evento Extremo I γEQ, se debe determinar en
base a las características especificas de cada proyecto. En ediciones anteriores de las Especificaciones Estándares se usaba γEQ = 0, pero se debería considerar la posibilidad de
sobrecarga parcial, es decir, γEQ < 1,0 con sismos.
En el Anexo D se muestran las cargas que actúan sobre la subestructura.
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Tabla 4.3 Combinaciones de carga y factores de carga. [Adaptada de tabla 3.4.1-1 AASHTO LRFD 2005:p.3-12] Combinación de cargas Estado límite DC DD DW EH EV ES EL LL IM CE BR PL LS WA WS WL FR TU CR SH TG SE
Usar sólo uno por vez EQ IC CT CV Resistencia I γp 1.75 1.0 - - 1.0 0.5/1.2 γTG γSE - - - - Resistencia II γp 1.35 1.0 - - 1.0 0.5/1.2 γTG γSE - - - - Resistencia III γp - 1.0 1.4 - 1.0 0.5/1.2 γTG γSE - - - - Resistencia IV-Sólo EH, EV, ES, DW y DC. γp 1.5 - 1.0 - - 1.0 0.5/1.2 - - - - Resistencia V γp 1.35 1.0 0.4 1.0 1.0 0.5/1.2 γTG γSE - - - - Evento extremo I γp γEQ 1.0 - - 1.0 - - - 1.0 - - - Evento extremo II γp 0.5 1.0 - - 1.0 - - - - 1.0 1.0 1.0 Servicio I 1.0 1.0 1.0 0.3 1.0 1.0 1.0/1.2 γTG γSE - - - - Servicio II 1.0 1.3 1.0 - - 1.0 1.0/1.2 - - - - Servicio III 1.0 0.8 1.0 - - 1.0 1.0/1.2 γTG γSE - - - - Servicio IV 1.0 - 1.0 0.7 - 1.0 1.0/1.2 - 1.0 - - - - Fatiga – Sólo LL, IM y CE - 0.75 - - - -
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Tabla 4.4 Factores de carga para cargas permanentes. [Adaptada de tabla 3.4.1-2 AASHTO LRFD 2005:p.3-12]
Tipo de carga Factor de carga Máximo Mínimo DC: Componentes y accesorios 1.25 0.90 DD: Fricción negativa 1.80 0.45
DW: Superficie de rodamiento e instalaciones para
servicios públicos 1.50 0.65 EH: Empuje horizontal de suelo
Activo En reposo 1.50 1.35 0.90 0.90 EL: Esfuerzos residuales de montaje 1.00 1.00 EV: Empuje vertical de suelo
• Estabilidad global
• Muros de retención y estribos • Estructura rígida enterrada • Marcos rígidos
• Estructuras flexibles enterradas, excepto o alcantarillas metálicas rectangulares
• Alcantarillas metálicas rectangulares flexibles.
1.00 1.35 1.30 1.35 1.95 1.50 N/A 1.00 0.90 0.90 0.90 0.90
ES: Carga de suelo 1.50 0.75