Ayudas de diseño para Puentes de losa Monografía de Puentes de losa

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Construcciones. Departamento de Ingeniería Civil.. TESIS DE GRADO Ayudas de diseño para Puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa) AUTOR: Egberto J. Alvarez Trujillo TUTOR: Dr. Ing. Luis O. Ibañez Mora Santa Clara 2010.

(2) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Pensamiento.. “Quiero que rechaces siempre lo fácil, lo cómodo; todo lo que enaltece y honra, implica sacrificio”. Ché. 1.

(3) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Dedicatoria. A mi familia que ha puesto todo su empeño y esfuerzo en ayudarme para hacer posible este gran sueño. 2.

(4) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Agradecimientos.. Mi más sincero agradecimiento a: Mi tutor Dr. Ing. Luis O. Ibañez Mora por brindarme su apoyo incondicional y esmerada dedicación en el desarrollo de esta investigación. Mi familia que no ha dejado de creer nunca en lo posible que era mi gran aspiración. Mi esposa por el amor y la felicidad que me ha dado en este tiempo. Mis amigos, con los cuales he pasado momentos inolvidables. Todos los que de una manera u otra han contribuido a hacer de cada día de trabajo un ritual de alegrías y momentos especiales. 3.

(5) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Indice.. Índice. Resumen…. .............................................................................................................................. 6 Introducción. ............................................................................................................................ 8 Capítulo 1: Diseño de Puentes de losa. Estado del arte. .........................................................14 1.1 Introducción. ...................................................................................................................14 1.2 Tipología.........................................................................................................................14 1.2.1 Atendiendo a su utilización. ........................................................................................15 1.2.2 Materiales constructivos. .............................................................................................15 1.2.3 Atendiendo a su estructura. .........................................................................................15 1.2.4 Atendiendo a la tecnología constructiva empleada. .....................................................15 1.2.5 Atendiendo al desarrollo de la estructura longitudinal. .................................................15 1.2.5.1 Puentes de tramo recto.............................................................................................16 1.2.5.2 Puentes de arco.......................................................................................................16 1.2.5.3 Puentes colgantes. ..................................................................................................16 1.2.6 Atendiendo al desarrollo de la estructura transversal..................................................16 1.3 Análisis de la carga vertical móvil o vehículo de diseño en diferentes normativas. .........16 1.3.1 Norma Cubana ............................................................................................................17 1.3.2 Especificaciones AASHTO (Estándar). ........................................................................20 1.3.3 Especificaciones AASHTO (LRFD). .............................................................................23 1.3.4 Norma Mexicana. ........................................................................................................24 1.3.5 Norma Peruana. ..........................................................................................................25 1.3.6 Norma para Centro América. .......................................................................................25 1.3.7 Eurocódico. .................................................................................................................26 1.3.7.1 Modelo principal de carga (Modelo de carga 1). .......................................................27 1.3.7.2 Modelo de eje simple (Modelo de carga 2). ..............................................................29 1.3.7.3 Conjunto de modelos de vehículos especiales (Modelo de carga 3). ........................30 1.3.7.4 Carga de muchedumbre (Modelo de carga 4)..........................................................31 1.4 Métodos de análisis. .......................................................................................................32 1.4.1 Método del ancho eficaz de H. M. Westergaard. ........................................................32 1.4.2 Método de la AASHTO. ..............................................................................................35 1.5 Conclusiones parciales. ..................................................................................................37 Capítulo 2: Diseño de Puentes de losa. ...................................................................................39 2.1 Introducción. ...................................................................................................................39 4.

(6) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Indice.. 2.2 Análisis del vehículo de diseño. ......................................................................................39 2.3 Métodos de Análisis. Comparación................................................................................41 2.3.1 Secuencia de pasos para el cálculo de los momentos por metro de ancho concebidos por ambos métodos. ....................................................................................................43 2.3.1.1 Método de Westergaard. ..........................................................................................44 2.3.1.2 Método de la AASHTO ............................................................................................46 2.4 Diseño estructural. Recomendaciones. .........................................................................47 2.4.1 Armadura principal......................................................................................................47 2.4.2 Cálculo de la fisura actuante. ......................................................................................48 2.4.3 Armadura de repartición. .............................................................................................48 2.4.4 Acero de temperatura. ................................................................................................49 2.5 Conclusiones parciales. ..................................................................................................61 Capítulo 3: Modelación por elementos finitos y comparación con los métodos de análisis de Westergaard y la AASHTO. ....................................................................................63 3.1 Introducción. ...................................................................................................................63 3.2 Modelación de Puentes de losa por elementos finitos y comparación ............................63 3.2.1 Efecto de la rigidez de la losa (peralto). .......................................................................64 3.2.2 Efecto de la viga de borde y la acera. ..........................................................................65 3.3 Comparación entre los métodos clásicos y la modelación por elementos finitos.............70 3.4 Efecto del vehículo NK-80 en el borde del puente. .........................................................71 3.4.1 Efecto de la rigidez de la losa (peralto). .......................................................................71 3.4.2 Efecto de la viga de borde y la acera. ..........................................................................73 3.5 Conclusiones parciales. ..................................................................................................76 Capítulo 4: Utilización de las ayudas de diseño en la solución de ejemplos reales. .................78 4.1 Introducción. ...................................................................................................................78 4.2 Ejemplos de cálculo solucionados manualmente. ...........................................................78 4.3 Conclusiones parciales. ................................................................................................117 Conclusiones. .......................................................................................................................119 Recomendaciones. ...............................................................................................................120 Bibliografía. ...........................................................................................................................122. 5.

(7) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Resumen.. Resumen. Se presenta la implementación de Hojas de Cálculo para el diseño y/o revisión de puentes de losa. Las metodologías de diseño utilizadas se basan en las tendencias actuales pera el análisis y diseño de puentes, incluyendo la Norma Cubana, la ASSHO y códigos de diferentes países. Además se confecciona una monografía, donde se incluyen las recomendaciones para el diseño de Puentes de losa para su aplicación en la docencia. Para ello se realiza una búsqueda bibliográfica relacionada con las tendencias actuales para el empleo de Ayudas de Diseño en la Ingeniería Civil, y las expresiones para el análisis y diseño de Puentes de losa, las que conformarán un libro electrónico creado en formato Excel de fácil interacción con el usuario. En estas hojas de Cálculo se incluyen las funciones de análisis. y diseño estructural. permitiendo al usuario obtener un diseño integral de la losa de puentes. El resultado final resulta ser un material de interés práctico profesional y de utilidad didáctica para el diseño y la revisión de Puentes de losa, al permitir evaluar diferentes invariantes proceso de diseño.. 6. que influyen en el.

(8) Introducción. 7.

(9) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Introducción.. Introducción. Los Puentes son toda estructura vial destinada al cruce de algún accidente como: río, vía férrea, carretera, quebrada, etc. y que tenga una longitud, para su luz principal, mayor o igual que 6 m. Estos se deben diseñar considerando los estados límites especificados a fin de lograr los objetivos de construibilidad, seguridad y serviciabilidad, considerando debidamente los aspectos relacionados con la inspeccionabilidad, economía y estética. Las metodologías de diseño estructural han ido evolucionando a lo largo del tiempo en todo el mundo. Esta evolución se ha apoyado en el mayor conocimiento de los materiales y la utilización de mejores y más precisos métodos de análisis que han permitido mejorar los modelos estructurales a fin de aproximarlos más a la realidad, gracias a la introducción de las computadoras electrónicas. Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o más troncos para cruzar un arroyo o atando cuerdas y cables en valles estrechos. Este tipo de puentes todavía se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la distancia entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El método de colocar piedras para cruzar un río, mejorado con troncos situados entre las piedras para comunicarlas, es el prototipo de puente de múltiples tramos. Los postes de madera clavados en el fondo del río para servir de apoyo de troncos o vigas permitieron atravesar corrientes más anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan todavía para atravesar valles y ríos en los que no interfieren con la navegación. El uso de pilas de piedra como apoyo para los troncos o maderos fue otro avance importante en la construcción de puentes con vigas de madera. La utilización de flotadores en lugar de apoyos fijos creó el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera han sido los más utilizados desde la antigüedad, aunque según la tradición se construyó un puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.c. en Babilonia. Otros tipos de construcción, como los puentes colgantes y los cantilever, se han utilizado en la India, China y Tíbet. Los puentes de pontones los utilizaban los reyes persas Darío I y Jerjes I en sus expediciones militares. Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de Julio César. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen en pie suelen sustentarse en uno o más arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de Barcelona, en España, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rímini, Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de arquerías que elevan el puente a 48 m sobre el río Gard,. 8.

(10) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Introducción.. con una longitud de 261 m; es el ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I a.C. Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos por la resistencia de las vigas. Esta limitación se supera ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo da Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio probablemente construyó varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas trianguladas en 1760. Sin embargo, la construcción de estos puentes no se desarrolló a gran escala hasta después de 1840.. Planteamiento y definición del problema. Para el análisis y diseño de puentes de losa existen a nivel mundial, variados programas profesionales que tratan con buena exactitud este tema pero en algunos casos se torna un poco complicado poder llegar a crear un modelo para que pueda brindar resultados satisfactorios. De ahí surge la necesidad de confeccionar hojas de cálculo para el análisis y diseño de Puentes de losa con la utilización de herramientas mucho menos complicadas como el Excel.. Fundamentación. Con los resultados que pueden llegarse a obtener con este trabajo será más fácil llegar a obtener comparaciones entre las diferentes normativas, debido a que por ejemplo el existen software creados de acuerdo a principios de del diseño básico, que hace que sea muy poderoso y al igual que el software Excel, fácil de manejar y amigable por su interface. Hipótesis. La aplicación de hojas de cálculo soportado en Excel elimina las inconveniencias que presentan los programas profesionales en el diseño de Puentes de losas y en las actividades docentes, facilitando a los estudiantes el manejo y la comprensión de cada paso del procedimiento de diseño. Objetivos. Para el desarrollo de la investigación se consideró el siguiente objetivo general: Confeccionar hojas de cálculo para el análisis y diseño de Puentes de losa.. 9.

(11) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Introducción.. Objetivos específicos. Para dar cumplimiento al objetivo general anterior se desarrollaron los siguientes objetivos específicos: - Realizar una búsqueda bibliográfica relacionada con el diseño de puentes de losa. - Comprar las expresiones teóricas con resultados de modelación por elementos finitos. - Elaborar ayudas de análisis y diseño de puentes de losa según las normativas actuales.. Pregunta de Investigación. 1. ¿Cuáles deben ser las recomendaciones para el análisis y el diseño de Puentes de losa utilizando el Excel como herramienta fundamental? 2. ¿Cuáles pueden ser las ventajas y desventajas en el utilizar estas herramientas y no otros programas de modelación? 3. ¿Será posible obtener resultados satisfactorios utilizando el Excel?. Tareas de investigación. Para dar cabal cumplimiento a los objetivos antes planteados se realizarán las siguientes tareas de investigación: - Búsqueda bibliográfica sobre el análisis y diseño de puentes de losas. - Realizar análisis comparativo entre las diferentes normativas. - Propuesta de la metodología a seguir que haga mas fácil la obtención de resultados en este campo con las herramientas propuestas (Excel). - Aplicaciones. Metodología de la Investigación. Para realizar la actual investigación se define las siguientes etapas, las cuales se complementan entre sí. Etapa I: Definición de la problemática. - Definición del tema y problema de estudio. - Recopilación bibliográfica. - Formación de la base teórica general. - Planteamiento de las hipótesis. - Definición de los objetivos. - Definición de tareas científicas. Redacción de la introducción.. 10.

(12) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Introducción.. Etapa II: Revisión bibliográfica. - Estudio, análisis y crítica de los últimos adelantos científicos relacionados con el tema. - Redacción del Capítulo I. Se da cumplimiento al objetivo específico 1. Etapa III: Diseño de puentes de losa. - Análisis comparativos de los vehículos de diseño. - Comparación de los resultados de la modelación con las expresiones de análisis clásicas. - Propuesta de pasos para el diseño estructural de un puente de losa. Redacción del Capítulo II. Se da cumplimiento al objetivo específico 1. Etapa IV: Estudio de las bases teóricas para la confección de ayudas de diseño. - Estudio y análisis de los softwares utilizados para la confección de las ayudas de diseño, propuesta a utilizar el trabajo. - Evaluación de la metodología y expresiones de diseño a utilizar en las ayudas de diseño. - Elaboración del aparato matemático necesario para la confección de las ayudas de diseño. Redacción del capítulo III. Se da cumplimiento al objetivo específico 2 y 3. Etapa V: Elaboración de las ayudas de diseño. - A partir de los resultados obtenidos elaborar las ayudas de diseño en forma de libro electrónico permitiendo la interacción con el usuario. - Redacción del Capítulo IV. Se da cumplimiento al objetivo específico 3 Etapa VI. Redacción definitiva de la tesis. Aportes. Después de finalizado el trabajo se presentarán ayudas para el análisis y diseño de Puentes de losa, sin tener que llegar a utilizar programas que pueden tornarse complejos y que requirieren de otros más requisitos para su uso correcto. Principales publicaciones del autor relacionadas con el trabajo. Como parte de la visibilidad de este trabajo y resultado de la búsqueda bibliográfica se elaboró una monografía publica en internet en las siguientes direcciones: http://www.alpiso.com http://www.monografia.com. 11.

(13) Ayudas de diseño para Puentes de losa (Monográfía de Puentes de losa). Introducción.. Estructura de la Tesis. La estructura de la tesis esta relacionada directamente con la metodología de la investigación establecida y de un modo especifico en el desarrollo particular de cada una de las etapas de la investigación. La misma se encuentra formada por una introducción general, cuatro capítulos, las conclusiones, recomendaciones y bibliografía, así como los anexos necesarios. El orden y estructura lógica del trabajo se establece a continuación: - Síntesis - Introducción - Capitulo І: Diseño de Puentes de losa. Estado del arte. - Capítulo II: Diseño de Puentes de losa. - Capítulo III: Modelación por elementos finitos y comparación con los Métodos de Análisis de Westergaard y la AASHTO. - Capítulo IV: Utilización de las ayudas de diseño en la solución de ejemplos reales. - Recomendaciones - Bibliografía. - Anexos.. 12.

(14) Capítulo 1. 13.

(15) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Capítulo 1: Diseño de Puentes de losa. Estado del arte. 1.1 Introducción. Para el diseño de puentes de losa se han desarrollado diversos métodos de análisis que parten de estudios muy detallados (Westergaard) o de simplificaciones a partir de resultados experimentales (AASHTO). Además los códigos definen vehículos de diseño que difieren en su geometría y magnitud de las cargas, atendiendo a las especificidades propias. La solución a un puente incluye el proceso de análisis y cálculo de las solicitaciones, dando paso a la determinación de las aéreas de acero (acero principal, acero de distribución y de temperatura o retracción) de la sección transversal de la losa. En las losas, y en específico en el caso de los puentes por sus dimensiones y características es muy influyente el ancho de las mismas, y además de la influencia de las aceras y barandas en la rigidez que pueda aportar. 1.2 Tipología. A través de la historia, los puentes en sus variados tipos y formas, han evolucionado sustancialmente dependiendo fundamentalmente de dos aspectos: conocimiento que tiene el hombre de las características de los materiales y del comportamiento de estos desde el punto de vista de la resistencia a los diferentes esfuerzos que son sometidos. El primero ha motivado el desarrollo de nuevos tipos, desde los inicios cuando los materiales utilizados eran la madera y la piedra, luego cuando apareció el acero como material para la construcción que mas tarde se combinaría con el hormigón para formar el hormigón armado, gran salto este en la evolución de los materiales no solo para la construcción de puentes si no también para todo tipo obras de la rama de la construcción. Después al aparecer los aceros de un alto límite elástico se dio paso al hormigón pretensado, importantísimo avance en la búsqueda de salvar grandes luces sin la necesidad de colocar pilas intermedias. Referente al segundo aspecto acerca del conocimiento del comportamiento de los materiales desde el punto de vista de la resistencia a los diferentes esfuerzos a permitido la reducción en las secciones de los elementos componentes del puente y además usar los criterios técnicos provenientes de los resultados obtenidos de diversos análisis para llegar a conformar así nuevos tipos con una adaptación mejor del puente como conjunto a la función estructural encomendada.. 14.

(16) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. En este epígrafe se ilustraran algunas de las clasificaciones más utilizadas pero sin llegar a un gran nivel de detalle, es decir, de manera global, recogiendo en lo fundamental aquellas que nos permitan tipificar los puentes mas usados en la actualidad. 1.2.1 Atendiendo a su utilización. Son clasificados como:  Pasarelas para cruce de peatones.  Puentes de carretera.  Puentes de ferrocarril.  Puentes de conducción de fluidos (líquidos o gases). 1.2.2 Materiales constructivos. Se clasifican en:  de madera.  de piedra.  de acero.  de hierro.  de hormigón armado.  de hormigón pretensado. 1.2.3 Atendiendo a su estructura. Pueden ser:  puentes de estructura isostática.  puentes de estructura hiperestática. 1.2.4 Atendiendo a la tecnología constructiva empleada. Se clasifican en:  puentes fundidos en el lugar.  puentes con estructura prefabricada.  puentes mixtos. 1.2.5 Atendiendo al desarrollo de la estructura longitudinal.  puentes de tramo recto.  puentes de arco.  puentes colgantes.. 15.

(17) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. 1.2.5.1 Puentes de tramo recto.  sencillo  múltiple  continuo  compensado.  pórtico  de ménsula  de armadura 1.2.5.2 Puentes de arco.  de tablero superior.  de tablero inferior.  de tablero intermedio.  atirantado.  de arco tímpano.  de arco con bielas. 1.2.5.3 Puentes colgantes.  de cable o tensores rectos..  de cables o tensores curvos. 1.2.6 Atendiendo al desarrollo de la estructura transversal. Se clasifican en:  puentes de losa.  puentes de viga-losa.  puentes de sección cajón. 1.3 Análisis de la carga vertical móvil o vehículo de diseño en diferentes normativas. Sobre la concepción de que vehículo considerar como idóneo para la carga vertical móvil, a lo hora de realizar el diseño de un puente, se ha generado en el mundo una gran diversidad de criterios. Evidentemente la característica especifica del transito en el área donde se llevará a cabo la realización del proyecto es un elemento determinante en que existan estas diferencias; llámese área a una región que contenga varios países (Centro América, Europa, Asia) que puedan tener variaciones de transito permisibles que pueda utilizarse una normativa común en el caso del vehículo de diseño. Puede ser también un país independiente o una zona determinada que presente características excepcionales del transito, por lo que sea mas. 16.

(18) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. factible económica y/o constructivamente hacer un análisis independiente y no considerar una norma que pueda estar vigente en la región o país. A continuación se muestra alguna de las normas vigentes en el mundo y como conciben el vehículo de diseño o carga vertical móvil para sus condiciones particulares de transito. 1.3.1 Norma Cubana La siguiente Norma plantea que para el diseño de puentes en autopistas, carreteras y vías urbanas la carga a utilizar es la referente los vehículos N-30 y NK-80 (Norma Cubana NC 53125, de 1984). a) Carga característica N-30. La carga accidental característica N-30 se considera formada por un convoy ilimitado de vehículos con un peso de 300 kN cada uno y cuyas características se muestran en la Fig. 1.. Fig. 1.1 Disposición del vehículo N-30  Definición del área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Tabla 1.1: Área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Posición. Ancho(m). Largo(m). Posteriores. 0.6. 0.2. Delanteros. 0.3. 0.2. 17.

(19) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1..  Colocación de los vehículos. Transversales: La colocación de los vehículos en el ancho de la calzada se hará situando cualquier número de convoyes de vehículos paralelos al eje del puente y en el mismo sentido, con el objetivo de conseguir los efectos más desfavorables, para los cuales se tendrán en cuenta los criterios de separación entre vehículos y separación de vehículo al borde interior de un pretil-defensa que se muestran en la Fig. 1.1. Longitudinal: La colocación de los vehículos en la longitud del puente se hará variando la separación entre vehículos para así buscar el efecto más desfavorable para la losa (Separación mínima entre vehículos de 10m).  Reducción de la carga atendiendo a número de sendas cargadas. Cuando la longitud sea mayor de 25m se le aplicara una reducción a la carga de acuerdo al número de columnas de vehículos colocados transversalmente según como se muestra en la siguiente tabla.. Tabla 1.2: Factor de reducción por varias sendas cargadas. Cantidad de columnas de vehículos colocados transversalmente. Coeficiente de uso Ø. 2. 3. 4 y mas. 0.9. 0.8. 0.7.  Carga equivalente. La norma permite sustituir la carga N-30 para el diseño de los elementos principales del tablero (vigas longitudinales, arcos y pórticos), por una carga uniformemente distribuida equivalente que se encuentra en. función de la longitud cargada, posición del vértice de la línea de. influencia y aplicable solamente para líneas de influencia triangulares (Anexo A de la Norma Cubana). También será aplicado un coeficiente dinámico o de impacto así como su respectivo coeficiente de sobrecarga.. 18.

(20) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. b) Carga característica NK-80. La carga especial. NK-80 se considerara formada por un solo vehículo de 800 kN cuyas. características se muestran en la Fig. 1.2.. Fig. 1.2 Disposición del vehículo NK-80.  Definición del área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Tabla 1.3: Área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Ancho(m). Largo(m). 0.8. 0.2.  Colocación de los vehículos. Transversales: La colocación de los vehículos en el ancho de la calzada se hará situando un solo vehículo paralelo al eje del puente y en aquella posición que produzca el efecto mas desfavorable pero con una distancia entre el eje de la rueda y el borde interior del pretil-defensa nunca menor de 0.65m. Longitudinal: Se colocará siempre en el lugar mas desfavorable para el efecto que se realice.  Reducción de la carga atendiendo a número de sendas cargadas. No se aplicara coeficiente de reducción ya que como se planteo anteriormente el análisis con el NK-80 se realizara considerando una sola columna de vehículos.  Carga equivalente. La carga equivalente para el NK-80 esta en función de los mismos requisitos que las especificadas para el N-30 (Anexo A de la Norma Cubana). Es importante aclarar que en este caso no se considera ningún coeficiente dinámico o de impacto.. 19.

(21) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. NOTA: La carga NK-80 no se incluye en las combinaciones complementarias ni particulares y además no se considera con las cargas de acera, todo esto para el caso de autopistas, carreteras y vías urbanas. 1.3.2 Especificaciones AASHTO (Estándar). La American Association of State Highways and Transportation Officials (AASHTO 2004) de los Estados Unidos de América contiene las especificaciones que normalmente utilizan en el proyecto de puentes la mayoría de los países del mundo. Estas especificaciones han ido evolucionando al paso del tiempo pudiéndose mencionar la de 1931 como la primera y ya suman más de 15 hasta la actualidad. Según la AASHTO hay dos clases principales de camiones: los denominados con la letra H seguida de un número y los designados con las letras HS, seguidas también de caracteres numéricos. Los camiones de tipo H tienen solo dos ejes y el número que le sigue a la H en la denominación indica el peso total del camión cargado. Los camiones HS son vehículos tipo, con tractor y semirremolque, es decir, tres ejes. El número que sigue a las letras HS es el peso del tractor o par de ejes delanteros. El peso del semirremolque o tercer eje es el 80% del peso del tractor. NOTA: En ambos casos el número que representa la carga está dado en toneladas americanas de 2000 libras. A continuación se muestra cada uno de estos vehículos en detalle. a) Vehículos H.. Fig. 1.3 Disposición para los vehículos H.. 20.

(22) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Tabla 1.4: Cargas por eje y total para los vehículos tipo H. Vehículos. P1(kN). P2(kN). Peso total(kN). H15. 30. 120. 150. H20. 40. 160. 200. H25. 50. 200. 250. b) Vehículos HS.. Fig. 1.4 Disposición para los vehículos HS.. Tabla 1.5: Cargas por eje y total para los vehículos tipo HS. Vehículos. P1(kN). P2(kN). P3(kN). Peso total(kN). HS20. 40. 160. 160. 200. HS25. 50. 200. 200. 250. Nótese que la distancia entre el eje con carga P2 y el eje con carga P3 puede variar entre 4.27 y 9.14, dado esto a que la norma define que podrá tomarse a aquel numero que cumpliendo con el intervalo nos brinde los esfuerzos mas desfavorables para el elemento que se este analizando. La norma plantea además que cuando se utilice el camión H20 o el HS20 los ejes de 160kN se desdoblen en ejes de 80kN con separación de 1.2m, mas desfavorables estos para luces mayores de 3.2m y se recomienda entonces para luces menores el camión H15 con eje trasero de 120kN.. 21.

(23) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1..  Carga equivalente. La carga distribuida equivalente esta unida a un eje transversal de cargas concentradas con el propósito de modelar el efecto de un congestionamiento vehicular sobre el puente. Mediante el eje transversal de carga concentrado se modela la existencia de algún vehículo de mayor carga en algún lugar del tren de vehículos congestionados (Fig. 5).. Fig. 1.5 Esquema de carga equivalente para vehículos HS.. Tabla 1.6: Valores de carga concentrada (P) y carga equivalente (w) para los vehículos tipo HS. P(kN). Vehículo. W(kN/m). Para momento. Para cortante. HS20. 82. 118. 9.6. HS25. 102. 147. 1.2. La razón por la cual la carga concentrada sea mayor para solicitaciones de corte que la correspondiente a momentos flectores se debe al tipo de falla frágil de los elementos sometidos a fuerzas cortantes y la falla dúctil de los elementos sometidos a momentos flectores. Este enfoque de diseño permitirá que los puentes siempre tengan falla de tipo dúctil. Generalmente el tren de cargas concentradas (HS20 y HS25), domina el diseño de elementos estructurales con distancias relativamente pequeñas de hasta 40m de luz, mientras que para grandes luces son las cargas distribuidas equivalentes las que definen el diseño de los elementos con tales luces.  Definición del área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Tabla 1.7: Área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Ancho(m). Lardo(m). 0.51. 0.25. Esta área será independientemente del vehículo que se este analizando. 22.

(24) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1..  Incremento por carga dinámica(IM) Tabla 1.8: Factor de incremento por carga dinámica. Componentes. IM (%). Juntas de tablero Todos los estados límites.. 75. Los demás componentes Estado Límite de fatiga y rotura. 15. Los demás Estados Límites. 33. El valor a aplicar a la carga estática será: (1+IM/100)  Reducción de la carga atendiendo al número de sendas cargadas. Tabla 1.9: Factor de reducción por varias sendas cargadas. Cantidad de columnas de vehículos colocados transversalmente Coeficiente de uso Ø. 1. 2. 3. >3. 1.2. 1. 0.85. 0.65. 1.3.3 Especificaciones AASHTO (LRFD). La propuesta AASHTO (LRFD) (AASHTO 2004) consta de un camión de diseño igual al HS20 de la AASHTO (Estándar) lo que con la diferencia que ahora se considerara un tándem de diseño que consta de 2 ejes espaciados a 1.2m y con carga de 120kN cada uno, con denominación HL93. La solicitación se deberá tomar como la mayor entre: solicitación del camión de diseño combinada con la carga el carril de diseño o solicitación de tándem de diseño con carga de carril de diseño. La carga definida para el carril de diseño es de 9.3 kN/m. De manera general si se observa con detenimiento los valores de momento en función de la luz salvada tabulados en la Tabla 1.10 a partir de hacer un análisis de la dos propuesta AASHTO con sus vehículos tipos utilizados para el diseño de puentes, podemos apreciar las diferencias que pueden existir al utilizar uno u otro vehículo o carga equivalente.. 23.

(25) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Tabla 1.10: Momentos máximos (kN*m) producidos por los camiones de diseño establecidos por la AASHTO. Luces(m). AASHTO HS20. AASHTO HS25. Camión. Equivalente. Camión. AASHTO LRFD. Equivalente Camión. Tándem. 5. 181.4. 131.8. 226.8. 164.8. 211.2. 244.1. 10. 448.1. 323.2. 560.2. 404.0. 559.7. 616.9. 15. 842.3. 574.0. 1052.8. 717.6. 1105.5. 1049.2. 20. 1245.8. 884.4. 1557.3. 1105.6. 1722.0. 1541.1. 25. 1654.1. 1254.4. 2067.6. 1568.0. 2398.1. 2092.4. 30. 2062.3. 1683.8. 2577.9. 2104.8. 3133.8. 2703.3. 35. 2470.5. 2173.8. 3088.1. 2716.0. 3928.9. 3373.7. 40. 2878.8. 2721.3. 3598.4. 3401.6. 4783.6. 4103.7. 45. 3287.0. 3329.4. 4108.7. 4161.7. 5697.8. 4893.2. 50. 3695.2. 3996.9. 4619.0. 4996.1. 6671.5. 5742.2. 55. 4103.5. 4724.1. 5129.3. 5905.0. 7704.8. 6650.7. 60. 4511.7. 5510.6. 5639.6. 6888.3. 8797.6. 7618.7. 1.3.4 Norma Mexicana. En México, no obstante que se utilizan las normas AASHTO para el proyecto de puentes, las cargas móviles de diseño que se usan son las denominadas T3-S3 y T3-S2-R4, que identifican a camiones reales cuyo tránsito está permitido en las carreteras del país. Como dato histórico, es bueno mencionar que hasta el año 1972 las cargas móviles utilizadas para el proyecto de puentes carreteros en México fueron la HS15 y HS20. A partir de este 1972 y hasta 1980, se generalizó el uso de la carga HS20, fue después de 1980 entonces que comenzaron a utilizarse las cargas T3-S3 y T3-S2-R4 con pesos totales de 485kN y 665kN respectivamente. Sus características particulares se muestran en la Fig. 1.6.. 24.

(26) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Fig. 1.6 Disposición de los vehículos T3-S3 y T3-S2-R4. 1.3.5 Norma Peruana. En Perú no existe un reglamento propio para el diseño de puentes. Durante muchos años se estuvo diseñando según las especificaciones americanas AASHTO, hasta que se realizo un análisis entre los esfuerzos provocados por la carga viva de diseño AASHTO y los que generaban los vehículos que realmente circulaban por las vías peruanas. Los resultados arrojaron que las solicitaciones de los vehículos reales estaban en el orden de un 20~25% mas grandes que las de los vehículos estipulados por la AASHTO. Esto los llevó a tomar la decisión transitoria de acogerse al Reglamento Francés pero ahora con el problema opuesto, las cargas de los vehículos por las que se rige la norma francesa provocaban esfuerzos mayores trayendo esto como consecuencia un sobre diseño. En la actualidad la norma peruana considera como carga móvil de diseño lo igualmente considerado por la AASHTO (LRFD) cuyas características ya fueron abordadas en el epígrafe 1.2.3. 1.3.6 Norma para Centro América. La norma para Centro América en lo referente al vehículo de diseño (número de ejes, carga por cada uno de ellos, dimensiones, consideraciones para el sistema de carga equivalente, el carril de diseño, cantidad de estos), hace una copia de la norma AASHTO específicamente el vehículo tipo HS20. Mencionar que no tiene dentro de sus consideraciones el tándem de diseño que propone la AASHTO con su propuesta LRFD. La norma si especifica sus factores de reducción por fajas cargadas a la misma vez (m), así como el coeficiente de incremento de carga por el impacto de la carga móvil a través de una expresión que se muestra a continuación (Manual de carreteras de la República de Honduras Tomo 6, de 1996). 25.

(27) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1..  Reducción de la carga atendiendo al número de sendas cargadas. Tabla 1.11: Factor de reducción por varias sendas cargadas. Numero de fajas cargadas. 1. 2. 3. >3. Factor (m). 1. 1. 0.9. 0.75.  Incremento por carga dinámica o de impacto (I). Donde: L: longitud de la estructura cargada para producir máximos en el elemento. 1.3.7 Eurocódico. Un poco particular en relación a las demás normas ya vistas anteriormente, el Eurocódico (Eurocódico 1 Parte 3, de 1998) tiene 4 modelos de de cargas para cargas verticales, que representa los siguientes efectos del transito: 1. Modelo de carga 1: Cargas concentradas y uniformemente distribuidas, que cubren la mayoría de los efectos del transito de coches y camiones. Este modelo esta defino para comprobaciones locales y generales. 2. Modelo de carga 2: Una carga de un eje simple, aplicada en un área especifica. de. contacto de la rueda, que cubre los efectos dinámicos del tráfico normal en elementos estructurales muy cortos. Este modelo debe ser considerado aisladamente y solo se utiliza en comprobaciones locales. 3. Modelo de carga 3: Un conjunto de cargas de ejes que representan vehículos especiales (por ejemplo, para transporte industrial) que pueden viajar por carreteras especiales autorizadas para cargas especiales. Este modelo esta definido para ser utilizado solamente cuando lo requiera la propiedad, para comprobaciones locales y generales. 4. Modelo de carga 4: La carga de una muchedumbre. Este modelo debe ser considerado solo cuando la propiedad lo requiera. El modelo esta definido solo para comprobaciones generales. NOTA: Los Modelos de Carga 3 y 4 se definen solamente para algunas situaciones de proyecto transitorias. Algo igualmente diferente es la manera de planificar la distribución transversal de la vía, no tienen ese criterio de lo que hasta ahora conocíamos como carril de diseño, si no que para ellos la vía tendrá carriles teóricos y un área residual, cuyos requisito y expresiones de cálculo se encuentra en la siguiente Tabla. 26.

(28) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Tabla 1.12: Números de carriles teóricos, su ancho y ancho del área residual. Ancho de. Numero de carriles. Ancho de un carril. Ancho del área. plataforma w.. teóricos.. teórico (m).. residual (m).. 3.0. W=3.0 0. 3.0. Después que se halla realizado el cálculo de la cantidad de carriles teóricos es necesario clasificarlos. La norma establece que para cada proyecto concreto la numeración de los carriles debe darse para que exista una correspondencia con las condiciones del tráfico normalmente esperadas. Esta numeración esta dada por los efectos que incidirán en la vía durante su periodo de diseño siendo el carril teórico número 1 aquel que se estime sufrirá las condiciones más desfavorables y así se seguirán enumerando según la definición hasta haberlos enumerado todos. Estas consideraciones seran de mucha ayuda para la conprension de las especificaciones que tiene la norma en los diferentes. modelos de carga.. 1.3.7.1 Modelo principal de carga (Modelo de carga 1). El sistema principal de carga consta de dos sistemas parciales: Cargas concentradas en un eje doble (sistema tándem TS) los ejes tienen un peso y dimensiones que se muestran en el esquema siguiente.. - Fig. 1.7 Disposición del sistema Tándem TS. a) Cargas uniformemente distribuidas (sistema UDL), de valor por metro cuadrado: para los carriles y. para el área residual.. 27.

(29) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Son coeficientes de ajuste, solo pueden ser. Capítulo 1.. 1 si han sido escogidos de. acuerdo con la autoridad competente. NOTA: Para puentes que no tengan restricciones del peso de los vehículos Los valores. .. se muestran en la siguiente tabla. Tabla 1.13: Cargas por eje del tándem y cargas distribuidas de los carriles teóricos y área residual. Sistema tándem Situación. Sistema UDL. Cargas por eje. Carril #1. 300. 9. Carril #2. 200. 2.5. Carril #3. 100. 2.5. Resto de carriles. 0. 2.5. Área residual. 0. 2.5. NOTA: La amplificación por carga dinámica o de impacto esta incluida en los valores de .  Definición del área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Tabla 1.14: Área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Ancho(m). Largo(m). 0.4. 0.4. La siguiente figura ayudará a una mejor comprensión del sistema de cargas para carriles teóricos y área residual que propone el modelo principal de carga.. 28.

(30) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Fig. 1.8 Sistema general de cargas para el modelo de carga 1. 1.3.7.2 Modelo de eje simple (Modelo de carga 2). El modelo es un eje simple cargado con. , con. y. se especifique otro valor.  Definición del área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Tabla 1.15: Área de contacto de los neumáticos sobre el pavimento. Largo(m). Ancho(m). 0.35. 0.60. A continuación se muestra la figura que ilustra el caso.. Fig. 1.9 Esquema de eje simple.. 29. salvo que.

(31) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. 1.3.7.3 Conjunto de modelos de vehículos especiales (Modelo de carga 3). Cada modelo normalizado es aplicable en un carril teórico (considerado como carril #1, Fig. 10a)) para los modelos compuestos de 150 y 200kN, en dos carriles teóricos adyacentes (considerados como carriles #1 y #2, Fig. 10b)) para los modelos compuestos de ejes de 240kN. Los carriles se dispondrán en la situación más desfavorables dentro de la calzada. Los vehículos están formados por ejes de 2 ó 3 aéreas de contacto con el pavimento, según sea el peso, igualmente separados entre ellos a 1.5m, véase Fig. 11.. Fig. 1.10 Disposición de los vehículos especiales en 1 ó 2 carriles teóricos.. Fig. 1.11 Esquema de ejes para conformar los vehículos especiales según el peso.. 30.

(32) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. NOTA: Los vehículos especiales simulados se supone que se muevan a poca velocidad (no más de 5 km/h); por tanto, no se considera amplificación dinámica. Cada carril teórico y el área residual del puente están cargados con los valores frecuentes del sistema principal de carga, definido en 1.1.8.1. En el carril, o carriles,. ocupados por los. vehículos normalizados, este sistema se debe aplicar en al menos 25m desde los ejes exteriores del vehículo en consideración. 1.3.7.4 Carga de muchedumbre (Modelo de carga 4) La carga de muchedumbre, si es necesaria su utilización, incluye la amplificación dinámica y se define por una carga. que debe ser aplicada en las zonas pertinentes a lo largo y. ancho del tablero. Este sistema de carga. Utilizado para comprobaciones globales, se asocia exclusivamente con una situación transitoria. Después de haber abordado algunas de las especificaciones vehiculares más importantes del mundo creemos necesario la confección te la siguiente tabla para poder adquirir una mejor visión de las diferencias que pueden existir entre las características de los distintos vehículos. Tabla 1.16: Peso, cantidad de ejes y superficie de contacto establecidos. Normas. Vehículos. Peso (kN). Cant. de ejes. N-30. 300. NK-80. AASHTO. Superficie de contacto Ancho (m). Largo(m). 3. 0.6. 0.2. 800. 4. 0.8. 0.2. H. 150,200y 250. 2. (Estándar). HS. 150,200y 250. 3. AASHTO. HS20. 200. 3. 0.51. 0.25. (LRFD). tándem. 240. 2. T3-S3. 485. 6. T3-S2-R4. 665. 9. tándem. varía. 2. 0.4. 0.4. eje simple. 400 (puede variar). 1. 0.6. 0.35. varía. 1.2. 0.15. Cubana. Mexicana. Eurocód.. especial. Centroam. Peruana. ejes de 150,200 ó 240. -. Toma las especificaciones de la AASHTO (LRFD), pero no considera lo referente el tándem de diseño. Toma las especificaciones del AASHTO (LRFD).. 31.

(33) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. 1.4 Métodos de análisis. En este epígrafe abordaremos lo referente a los métodos de análisis que se utilizan para resolver la superestructura en puentes, claro que estos no son los únicos existentes, pero para nuestro trabajo son los de mayor interés debido a las aplicaciones que posteriormente le daremos. 1.4.1 Método del ancho eficaz de H. M. Westergaard. El método de cálculo del ancho eficaz o de Westergaard, se basa en la consideración de que la losa es isotrópica, iguales propiedades mecánicas en todas las direcciones, apoyada en dos bordes opuestos y libres en los otros dos, tal como se presenta en los puentes de losa que trabajan en una sola dirección. De los estudios teóricos y experimentales se obtuvo que la distribución de tensiones en una losa simplemente apoyada en dos bordes opuestos y con una o más cargas concentradas perpendiculares a su plano medio, depende fundamentalmente de: a) La luz de la losa. b) La distancia relativa de las cargas al apoyo y al eje. c) Del espesor de las losa. d) La forma y tamaño del área sobre la cual actúa la carga concentrada. e) La estrechez de la losa. El análisis teórico desarrollado por Westergaard supone una losa apoyada en dos bordes opuestos, con un ancho infinito hacia los otras dos y con una sola carga actuando en el centro de la losa. Desarrolla aquí el concepto fundamental del ancho eficaz y va aumentando la complejidad del sistema de carga añadiendo cargas en direcciones longitudinales y transversales. Si se analiza con detenimiento los estados de carga independientes se concluye en que resultan incrementos de momentos al caso inicial y así se conforman los demás estados de cargas, los cuales se muestran a continuación. Caso 1: Carga concentrada en el centro del puente. Carga aplicada en el centro de la luz con una superficie de contacto de forma circular con diámetro definido. Las fórmulas momentos. y. que brinda el caso inicialmente para el cálculo de los. dependen de la luz (L), del diámetro equivalente a la superficie de contacto. (c), del peralto de losa (h), de la carga aplicada ( ) y de la distancia del centro de la luz a la posición de la carga. Estas ecuaciones introdujeron inconvenientes por su complejidad y su dependencia del espesor de la losa (h). Para una mayor facilidad del trabajo se encontró una. 32.

(34) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. nueva expresión aproximada que resultó de evaluar las expresiones exactas para valores de y c obteniéndose una ecuación que sea envolvente de todas ellas. En esta nueva expresión aparece el término de ancho eficaz (E) que le da el nombre al método y que depende totalmente de L y c. El ancho eficaz de una losa, es el ancho en que puede suponerse actuando la carga concentrada, considerando la losa como una viga simplemente apoyada. Para el diseño se considera una franja unitaria de la losa en dirección paralela a los apoyos y suponiendo una carga uniformemente distribuida. El hecho de obtener los momentos flectores. y. independientemente de la altura (h) y a. través del ancho eficaz (E), es una forma aproximada que resulta más exacta en la medida que se cumplan las condiciones siguientes: a) b) c) En caso de no cumplirse las condiciones anteriores y si se requiera más precisión en los cálculos, entonces es necesario utilizar las expresiones de El valor de. será calculado en función de. y. exactas.. y varia entre 40~60% respecto a. .. Como estas condiciones no son las que generalmente se presentan en la práctica se desarrollaron los siguientes casos: Caso 2: Dos cargas concentradas en el centro, en fajas paralelas: Este caso se refiere a dos o mas cargas (. ) actuando en el centro de la luz en. elementos o fajas paralelas, a una distancia conocida, las acciones producidas por incrementan por la acción de. se. .. El cálculo de este incremento, tanto del. con. , viene dado por expresiones qué al igual. que en el caso anterior son poco prácticas, por lo que se elaboró un gráfico (Libro Puentes, Tomo 2, Primera parte, de Gustavo Taylor y Ernesto Valdés, pág. 71 figura 7.8) donde se muestra el porciento de incremento de. del Caso 1 bajo la carga. debido a la carga. .. Cuando exista más de una carga, una en el centro de la losa y otras en fajas paralelas, se incrementara de acuerdo con la distancia (Y)*, tanta veces como cargas existan. * (Y) es la distancia que existirá entre la carga que se este analizando y el eje central de la losa (transversalmente). El porciento de incremento para el momento debido a entonces para valores de. también puede buscarse en la misma figura notándose que. para valores de. mayores de 0.5 es negativo; es necesario. utilizar las fórmulas de incremento. Por lo general al 33. es.

(35) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). pequeño en comparación con el. Capítulo 1.. , normalmente lo que se hace es no calcularlo y poner una. cantidad especificada de refuerzo. Caso 3: Dos cargas concentradas en el mismo elemento. Dos cargas concentradas situadas en la misma faja, una carga , a una distancia conocida (x) del centro. La carga sobre el momento producido por. en el centro y la otra carga. produce un incremento de momento. , el cual puede ser calculado.. El incremento de momento debido a las dos cargas, sobre el que se produce con la carga en el centro, es mostrado en un gráfico (Libro Puentes, Tomo 2, Primera parte, de Gustavo Taylor y Ernesto Valdés, pág. 75 figura 7.10) con lo que se puede hallar el. para este caso.. En la misma figura se muestra además el incremento para el ancho efectivo para las dos cargas, alcanzando un máximo de 28% para ser hallado también el. . A través del nuevo ancho eficaz puede. con ancho eficaz modificado.. Caso 4: Cuatro cargas concentradas en dos elementos paralelos. En este caso al igual que en el Caso 3 han sido colocadas las cargas según el teorema de Barré*, obteniendo el momento máximo debido a dichas cargas en las coordenadas donde se encuentra. (desplazada del centro). En la práctica este punto verdaderamente es el de. momento máximo, pero sucede que el momento que puede ser generado por las cargas de peso propio y cargas permanentes tiene su valor máximo en el centro de la luz y no en la posición de. , es por esto que es más práctico situar la carga. en el centro y aplicar el caso. general que se verá más adelante. * Si dos cargas son libres de movimiento, pero permaneciendo fija la distancia entre las ruedas, como sucede en los vehículos, el momento máximo ocurre bajo la rueda mas cercana al centro, cuando el centro de la losa bisecta la distancia entre la carga mas cercana y las resultante de las cargas. (Teorema de Barré) Estrechez de la losa En todos los casos anteriores, la losa ha sido supuesta como de ancho infinito en la dirección paralela a los apoyos. Se ha demostrado a través de ensayos que aunque el valor del ancho de la losa se haga mayor, el momento máximo debido a la carga no será afectado por el incremento del ancho. Los ensayos han demostrado también que los momentos flectores se incrementan para losas estrechas y han dado paso a formulas empíricas que evalúan esa disminución del ancho eficaz, pasando a ser ancho eficaz modificado. Con la fórmula obtenida fue confeccionado un gráfico que brinda los % de incremento del ancho eficaz y que esta en función de la relación. . Si se observa la figura (Libro Puentes, Tomo 2, Primera parte, de. 34.

(36) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. Gustavo Taylor y Ernesto Valdés, pág. 80 figura 7.13), se puede ver que para valores de , el ancho eficaz no es modificado, por lo que para valores mayores la losa se comportará como de ancho infinito. Cargas excéntricas, cercanas a los bordes. Para tomar este efecto, se elaboró una expresión de ancho eficaz para cargas cercanas al borde en función de la distancia de la carga al borde más cercano, obtenida de analizar los resultados de varios ensayos realizados a losas con cargas aplicadas cerca de los bordes. Las losas que soportan cargas cercanas a los bordes, como por ejemplo los puentes sin acera, deben tener bordes rigidizados ya sea con recrecimiento de los bordes (contenes) o introduciendo una viga que soporte los bordes. Caso general de cargas. El sistema de cargas obtenido para el Caso 4 puede ser generalizado para cualquier caso real, pero además teniendo en cuenta la estrechez de la losa y la cercanía de la carga al borde. Para el cálculo definitivo del. para un sistema de cargas reales se dispone de tres términos. que abarcan los parámetros definidos en los cuatro casos anteriores así como la estrechez de la losa y la cercanía de la cargas al borde, están definidos por: Momento de fila o momento flector producido por una fila de ruedas a una distancia (x) del apoyo. Ancho eficaz corregido por estrechez y cercanía de la cargas al borde, cuando hay cargas en un mismo elemento (faja) se incrementa primero según el valor de. (Caso 3).. Porciento de incremento por cargas en otras fajas paralelas a la faja central unitaria analizada, de cada combinación de carga solo se consideran los porcientos de las cargas colocadas en una sección transversal del puente. 1.4.2 Método de la AASHTO. El método se basa en la teoría de Westergaard adaptando los incrementos debido a cargas en un mismo elemento o en elementos paralelos de acuerdo con las dimensiones de sus camiones tipo. En base a esto se han encontrado expresiones de ancho eficaz en función del sentido de trabajo de la losa, de constitución de eje del vehículo (eje simple o tándem) y de la luz de la losa, que dan directamente las correcciones señaladas por Westergaard. Casos de distribución. El método considera 3 casos de distribución de acuerdo con el sentido de trabajo de la losa y la posición de los vehículos. El Caso A se refiere a losas cuya dirección de trabajo principal es perpendicular al tránsito y el Caso B y C se refiere a losa cuyo sentido de trabajo principal. 35.

(37) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. coincide con la dirección del tránsito. El Caso B abarca las luces menores de 3.6m y el Caso C las luces mayores, estos casos se ejemplifican en los puentes de losa. Caso A: Refuerzo perpendicular al tránsito. Especifican diferentes expresiones de ancho eficaz (E), en función de L y dependiendo si es eje simple o eje tándem, además cada caso del tipo de eje es desdoblado en si L se encuentra entre 0.6~2.1m o si es mayor que 2.1m, el caso se convierte en cuatro variantes: a) Eje simple ↔ 0.6 ≤ L ≤ 2.1m b) Eje simple ↔ L > 2.1m c) Eje tándem ↔ 0.6 ≤ L ≤ 2.1m d) Eje tándem ↔ L > 2.1m Las expresiones para calcular los valores de. son dependientes de los términos P, L y E,. para cada una de las variantes anteriores diferentes y teniendo además en cuenta si la luz del puente es simplemente apoyada o si es continua. Caso B: Refuerzo principal paralelo al tránsito, luces desde 0.6 hasta 3.6m Este caso se muestra independientemente del tipo de eje que presente el vehículo y así el valor de momento de interés será uno solo (según las condiciones de continuidad). Caso C: Refuerzo principal paralelo al tránsito, luces mayores de 3.6m Para este caso la norma da una expresión de ancho eficaz (E) en función del número de carriles de tránsito en el puente y del ancho de la calzada entre contenes. La norma propone, aunque sin ningún estudio fundamentado las cargas que deben ser utilizadas para el cálculo de los. en los 3 casos anteriores y define además que en el Caso A. se utilicen las dos variantes (eje simple y tándem), escogiendo el de mayor valor. Vigas de borde La norma específica que todas las losas que tengan refuerzo principal paralelo al tráfico hay que colocarles vigas de borde. La conformación de esta viga puede estar definida por la sección del contén reforzada, de un ancho adicional de la losa o una viga de soporte. Se calculará para resistir una fila de ruedas con un valor de carga que puede variar en correspondencia al vehículo que se este utilizando.. 36.

(38) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 1.. 1.5 Conclusiones parciales. Después de analizados los diferentes vehículos de diseño y los métodos para el análisis y diseño de Puentes de losa arribamos a las siguientes conclusiones parciales: 1. Existe un gran número de vehículos de diseño en función de las Normativas analizadas, diferenciándose en cuanto a la distribución de ejes,. carga que baja por los mismos,. superficie de contacto, factores de reducción por varias sendas cargadas simultáneamente y factor de incremento por carga dinámica. 2. Las consideraciones de la carga distribuida superficialmente en algunos casos se toma como equivalencia del vehículo de diseño y en otros se adiciona como sobrecarga. 3. El vehículo cubano NK-80 es el de mayor peso con 800 kN. 4. En el método de Westergaard el ancho eficaz es un térmico que puede ser afectado varias veces según corresponda (considerando la losa de ancho infinito, cargas en la misma faja, estrechez de la losa y por cercanía de las cargas al borde). 5. El método de la AASHTO. define las expresiones de ancho eficaz (E) necesario para. cualquier sistema de carga y generaliza las situaciones que puedan suceder para sus vehículos tipo. Se analizan además las condiciones de apoyo de la losa, dirección del refuerzo, tipo de eje y tramo de luz, para llegar a obtener un método más sencillo para sus condiciones especificas. 6. Las expresiones que la norma AASHTO establece, solo si se ajustaran a nuestros vehículos tipo, pudiera ser utilizada con exactitud para nuestros proyectos. 7. Las expresiones que la norma AASHTO establece se utilizaran únicamente para ante proyectos o para obtener una propuesta inicial ya que como se dijo el método resulta rápido y sencillo, solo si se ajustaran a nuestros vehículos tipo, pudiera ser utilizada con exactitud para nuestros proyectos. 8. Referido al diseño estructural, se siguen las mismas metodologías que para losas de Hormigón Armado, analiza6ndo el efecto de la repetición de la carga y realizando un diseño por separado para un faja de 1.8m en ambos bordes del puente.. 37.

(39) Capítulo 2. 38.

(40) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. Capítulo 2: Diseño de Puentes de losa. 2.1 Introducción. En este capítulo se brindarán los resultados obtenidos de las comparaciones de los 2 métodos de análisis (Westergaard y AASHTO) y los 4 vehículos de diseño (N-30, NK-80, HL-93 y Tándem) analizados en los cuales se basa nuestro trabajo. Además se exponen en forma de tablas y gráficos las áreas de acero a colocar en una sección del puente de 1m de ancho (acero principal, acero de repartición y acero de temperatura) y la fisura actuante a la que está sometida la faja analizada ya sea de borde o interior, todo esto para todas las luces posibles en las que puede estar emplazado un puente de losa. 2.2 Análisis del vehículo de diseño. Los resultados que a continuación se muestran fueron obtenidos a través del método de análisis de Westergaard. Tabla 2.1: Momentos (kN*m/m) calculados por Westergaard para realizar la comparación entre los diferentes vehículos.. 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5. N-30 51,27 59,27 67,25 74,77 82,65 91,46 101,8 110,95 121,02 132,9 143,39. Momentos(kN*m/m) NK-80 HL-93 40,35 54,69 48,33 61,82 55,67 68,65 64,63 75,19 74,24 81,53 84,50 88,13 94,83 94,00 104,85 104,19 116,87 114,91 130,50 125,99 144,53 136,06. 10. 154,94. 158,92. L(m). 39. 146,94. Tándem 49,99 57,86 65,40 73,15 82,17 90,89 100,55 110,57 120,91 132,38 142,40 154,53.

(41) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. Fig. 2.1 Comportamiento de los momentos producidos por los vehículos de diseño.. Tabla 2.2: Diferencias (%) entre los diferentes vehículos (Método de Westergaard). L(m) 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5. N-30_ NK-80 21,3 18,5 17,2 13,6 10,2 7,6 6,8 5,5 3,4 1,8 -0,8. N-30_ HL-93 6,3 4,1 2,0 0,6 -1,4 -3,8 -8,3 -6,5 -5,3 -5,5 -5,4. 10. -2,6. -5,4. Diferencias (%) N-30_ NK-80_ Tándem HL-93 2,5 26,2 2,4 21,8 2,8 18,9 2,2 14,0 0,6 8,9 0,6 4,1 1,2 -0,9 0,3 -0,6 0,1 -1,7 0,4 -3,6 0,7 -6,2 0,3. -8,2. 40. NK-80_ Tándem 19,3 16,5 14,9 11,6 9,7 7,0 5,7 5,2 3,3 1,4 -1,5. HL-93_ Tándem 8,59 6,41 4,73 2,71 -0,78 -3,13 -6,97 -6,12 -5,22 -5,07 -4,66. -2,8. -5,17.

(42) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. De los resultados obtenidos, importante señalar 2 en particular: a) Las diferencias que presentan los valores superiores (columnas 2, 5 y 6) el vehículo común es el NK-80 y siempre comenzando con solicitaciones mínimas (L=4.5m) y terminando con máximas. Nótese que para la longitud de 10m la solicitación máxima es dada por el NK-80 con valor de 158,92kN*m con una diferencia de 2.6% superior al. N-30.. b) Las diferencias entre los vehículos N-30 y HL-93, Tándem (columnas 3 y 4) respectivamente, nunca sobrepasan el 10% y en el caso particular del Tándem un 2.8% es el máximo valor a pesar de ser vehículos con una concepción diferente a la nuestra. 2.3 Métodos de Análisis. Comparación. NOTA: Para el realizar la comparación de los métodos de análisis en los diferentes vehículos se consideró el ancho del puente de 10m, es decir, solo 3 columnas de vehículos actuando simultáneamente.. Tabla 2.3: Momentos (kN*m/m) procedentes del vehículo N-30. L(m). Momentos(kN*m/m)→N-30. 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5. Westergaard 51,27 59,27 67,25 74,77 82,65 91,46 101,8 110,95 121,02 132,9 143,39. AASHTO 60,84 70,56 80,33 90,13 99,97 109,83 119,71 129,6 139,51 149,42 159,35. 10. 154,94. 169,28. 41. Diferencia. %. 9,57 11,29 13,08 15,36 17,32 18,37 17,91 18,65 18,49 16,52 15,96. 15,7 16,0 16,3 17,0 17,3 16,7 15,0 14,4 13,3 11,1 10,0. 14,34. 8,5.

(43) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. Tabla 2.4: Momentos (kN*m/m) procedentes del vehículo NK-30. L(m) 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10. Momentos(kN*m/m)→NK-80 Westergaard 40,35 48,33 55,67 64,63 74,24 84,50 94,83 104,85 116,87 130,50 144,53 158,92. AASHTO 145,33 178,13 211,03 244,00 277,03 310,10 343,20 376,33 409,49 442,67 475,86 509,07. Diferencia. %. 104,98 129,80 155,36 179,37 202,79 225,60 248,37 271,48 292,62 312,17 331,33 350,15. 72,2 72,9 73,6 73,5 73,2 72,8 72,4 72,1 71,5 70,5 69,6 68,8. Tabla 2.5: Momentos (kN*m/m) procedentes del vehículo HL-93. L(m) 4,5 5 5,5. Momentos(kN*m/m)→HL-93 Westergaard AASHTO 54,69 54,38 61,82 60,42 68,65 66,46. Diferencia. %. -0,31 -1,40 -2,19. -0,6 -2,3 -3,2. 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5. 75,19 81,53 88,13 94,00 104,19 114,91 125,99 136,06. 72,50 78,54 84,58 92,23 103,38 114,64 126,00 137,43. -2,69 -2,99 -3,55 -1,77 -0,81 -0,27 0,01 1,37. -3,6 -3,7 -4,0 -1,9 -0,8 -0,2 0,0 1,0. 10. 146,94. 148,92. 1,98. 1,3. 42.

(44) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. Tabla 2.6: Momentos (kN*m/m) procedentes del vehículo Tándem. L(m). Momentos(kN*m/m)→Tándem. 4,5 5 5,5. Westergaard 49,99 57,86 65,40. AASHTO 61,97 70,99 80,03. 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10. 73,15 82,17 90,89 100,55 110,57 120,91 132,38 142,40 154,53. 89,10 98,18 107,28 116,38 125,49 134,61 143,73 152,86 161,99. Diferencia. %. 11,98 13,13 14,63. 19,3 18,5 18,3. 15,95 16,01 16,39 15,83 14,92 13,70 11,35 10,46 7,46. 17,9 16,3 15,3 13,6 11,9 10,2 7,9 6,8 4,6. ¿Por qué tanta diferencia entre los métodos en el NK-80? Cuando se analizada la concepción de cada método se puede entender con facilidad esta diferencia. La AAHSTO busca un ancho E que se encargará de sostener cada columna de vehículos, Westergaard se encarga de que el puente en su conjunto sostenga todas las columnas y le ofrece importancias a las posiciones de las cargas con respecto a los bordes y al centro esto relacionado el ancho que cada una de ellas pueda general en su posición. Como en el NK-80 la Norma Cubana supone un solo vehículo en el puente existirá entonces todo el ancho del puente para distribuir una sola columna del vehículo lo que genera una disminución muy grande con respecto a los valores que pudiera ofrecer el método si se considerara en este caso las columnas que pudieran caber en el puente. En los demás casos las diferencias mayores no sobrepasan el 20% y específicamente en el HL-93 la mayor es de un 4%. 2.3.1 Secuencia de pasos para el cálculo de los momentos por metro de ancho concebidos por ambos métodos. Se consideraron todas las posibles condiciones del vehículo en el puente para lograr la solicitación mayor, encontrar la expresión que diera como resultado este valor y que de ahí partiera cada método de análisis (la tabla expone momento de columna, Mcolumna y momento de fila, Mfila).. 43.

(45) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). Capítulo 2.. 2.3.1.1 Método de Westergaard. Principios del método. - La losa es isotrópica (iguales propiedades mecánicas en todas las direcciones). - La losa está apoyada en 2 bordes opuestos y libres en los otros 2. 1ro Cálculo del ancho eficaz considerando la losa de ancho infinito (E).. C = 40 cm para el N-30 C = 45 cm para el NK- 80 C = 40 cm para el HL-93 y Tándem. 2do Cálculo del ancho eficaz incrementado por cargas en la misma faja ( ).. % incremento Fig. 2.2 a), en función del espaciamiento entre ruedas.. Fig. 2.2 Gráficos de ayuda para el cálculo de los incrementos del ancho efectivo.. a: distancia entre ruedas de una misma fila. 3ro Cálculo del ancho eficaz considerando la estrechez de la losa. La losa es estrecha si e=. , en caso contrario es infinita.. * % incremento. % incremento Fig. 2.2 b), en función de la relación % incremento = 1 para losa infinita.. 44. ..

(46) Ayudas de diseño para puentes de losa. (Monografía de Puentes de losa). 4to Cálculo del incremento de. Capítulo 2.. por cargas en fajas paralelas y cercanas al borde.. Cargas cercanas al borde. Definir las posibles posiciones de las cargas. NOTA: Mientras más vehículos de diseño se puedan colocar en el puente será más crítico el caso y siempre centrarlos en el puente. Ancho eficaz por cargas cercanas al borde ( ).. d: distancia de la carga analizada al borde exterior del puente más cercano. : no puede ser mayor que ei para losas de ancho infinito. : no puede ser mayor que el ancho real de losa E. Carga. 5to % de incremento debido a cargas en elementos paralelos. L: luz del puente Y: distancia de cada carga situada en el puente al eje de este en el sentido transversal. % incremento. Carga. 6to Momento flector debido a la posición de las cargas.. 7mo Momento flector Mx.. Mcp: Momento en el eje x producido por las cargas permanentes. Mcvm: Momento en el eje x producido por el vehículo de diseño. El momento de cálculo estará listo después de aplicar a las solicitaciones los factores de mayoración y aplicar el factor de impacto al vehículo de diseño.. 45.