Análisis comparativo estructural entre vigas simplemente apoyadas de Hormigón Postensado en sitio y Vigas de acero estructural para un puente de 45m de luz en la Ciudad de Esmeraldas

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(1)UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ESTRUCTURAS TEMA: ANÁLISIS COMPARATIVO ESTRUCTURAL ENTRE VIGAS SIMPLEMENTE APOYADAS DE HORMIGÓN POSTENSADO EN SITIO Y VIGAS DE ACERO ESTRUCTURAL PARA UN PUENTE DE 45m DE LUZ EN LA CIUDAD DE ESMERALDAS. AUTOR: KAROLYN ARIANA NEIRA NIEVES TUTOR ING. PABLO LINDAO TOMALA, M. Sc. AÑO. 2018 GUAYAQUIL – ECUADOR.

(2) ii. Agradecimiento. A Dios por respaldarme en cada momento de dificultad siendo mi amparo y fortaleza, a mis padres, tíos, hermano y primos que siempre han estado apoyándome en esta etapa tan importante de mi vida. Al. Ing.. Pablo. Lindao. Tomala. por. colaborarme con sus conocimientos durante el desarrollo de este trabajo. A cada uno de los ingenieros de la Facultad de. Ciencias. formaron. Matemáticas. parte. del. y. Físicas. aprendizaje. de. que esta. hermosa carrera durante este proceso de formación académica a todos mis sinceros agradecimientos.. Karolyn Ariana Neira Nieves.

(3) iii. Dedicatoria. A Dios, a mis padres José Neira y Sidia Nieves, a mi hermano Rubén, y a toda mi familia. por. apoyarme. incondicionalmente. durante este proceso de aprendizaje.. Karolyn Ariana Neira Nieves.

(4) iv. Declaración Expresa. Artículo XI.- del Reglamento de Graduación de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.. La responsabilidad de los hechos ideas y doctrinas expuestas en este trabajo de titulación corresponde exclusivamente al autor y el patrimonio intelectual de la Universidad de Guayaquil”. ________________________________________ KAROLYN ARIANA NEIRA NIEVES 080319581-7.

(5) v. Tribunal de Graduación. _____________________________. _______________________________. Ing. Eduardo Santos B., MSc.. Ing. Leonardo Palomeque Freire, MSc.. DECANO. _______________________________ ING. _______________________. VOCAL. TUTOR REVISOR. _______________________________ ING. ________________ VOCAL.

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(7) 1.

(8) 2. TABLA DE CONTENIDO Agradecimiento ........................................................................................................ ii Dedicatoria .............................................................................................................. iii Declaración Expresa ............................................................................................... iv Tribunal de Graduación ................................................ ¡Error! Marcador no definido. Resumen ................................................................................................................. 11 Abstract .................................................................................................................. 11 Introducción ........................................................................................................... 12 Capítulo I................................................................................................................. 13 Aspectos Generales............................................................................................... 13 1.1. Planteamiento del Problema ............................................................................ 13 1.2. Objetivos de la Investigación ............................................................................ 14 1.2.1. Objetivo General. ........................................................................................ 14 1.2.2. Objetivos Específicos. ................................................................................. 14 1.3. Ubicación del proyecto ..................................................................................... 15 1.4. Justificación e Importancia ............................................................................... 15 Capítulo II................................................................................................................ 16 Marco Teórico ........................................................................................................ 16 2.1. Puentes ............................................................................................................ 16 2.1.1. Definición..................................................................................................... 16 2.1.2. Elementos de un puente.............................................................................. 16 2.1.2.1. Superestructura. ................................................................................. 17 2.1.3. Elementos de la superestructura. ................................................................ 18 2.1.3.1. Superficie de rodadura. ....................................................................... 18 2.1.3.2. Superficie betuminosa. ....................................................................... 18 2.1.3.3. Acera. ................................................................................................. 18 2.1.3.4. Barandas ............................................................................................ 18 2.1.3.5. Barreras de concreto .......................................................................... 19 2.1.3.6. Vigas. .................................................................................................. 20 2.1.3.7. Diafragmas.......................................................................................... 20 2.1.4. Secciones transversales del tablero de acuerdo con las especificaciones del AASHTO LRFD. .................................................................................................. 22.

(9) 3. 2.1.5. Superestructura de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas metálicas para puentes de carreteras. ............................................................ 24 2.1.5.1. Conectores de corte. ........................................................................... 25 2.1.5.2. Vigas metálicas sección tipo I ............................................................. 26 2.1.6. Superestructuras de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas de hormigón presforzado para puentes de carreteras. .................................... 27 2.1.6.1. Hormigón pretensado ......................................................................... 28 2.1.6.2. Hormigón postensado ......................................................................... 28 2.1.6.3. Materiales del pre y postensado ......................................................... 29 2.1.6.4. Vigas prefabricadas para puentes: ..................................................... 30 2.1.6.5. Pérdidas de presfuerzo ....................................................................... 33 2.1.6.5.1. Pérdidas inmediatas...................................................................... 34 2.1.6.5.2. Pérdidas dependientes del tiempo: ............................................... 35 Capítulo III............................................................................................................... 37 Marco Metodológico .............................................................................................. 37 3.1. Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes. .................................... 37 3.2. Estado límite, factores de carga y combinaciones de cargas. .......................... 37 3.2.1. Estado límite de servicio.............................................................................. 37 3.2.2. Estado límite de fatiga y fractura ................................................................. 38 3.2.3. Estado límite de resistencia......................................................................... 39 3.2.4. Estado límite de eventos extremos. ............................................................ 39 3.3. Profundidades mínimas para superestructuras. ............................................... 40 3.4. Fórmula general para cada uno de los estados límites. ................................... 40 3.4.1. Factores de resistencia (Ø). ........................................................................ 41 3.4.2. Coeficiente de modificación de cargas ........................................................ 41 3.4.3. Factor de carga ( 𝜸𝒊 ) .................................................................................. 43 3.4.4. Solicitudes de carga ( 𝑸𝒊 ) ........................................................................... 45 3.4.4.1. Cargas permanentes: ......................................................................... 45 3.4.4.2. Cargas transitorias: ............................................................................. 46 3.4.4.2.1. Sobrecarga viva vehicular (LL): .................................................... 47 3.4.4.2.2. Camión de fatiga. .......................................................................... 49 3.4.4.2.3. Presencia de múltiples carriles cargados. ..................................... 49 3.4.4.2.4. Incremento por carga dinámica (IM): .................................................. 49.

(10) 4. 3.5. Parámetros para diseño de vigas metálicas compactas................................... 50 3.5.1. Secciones compuestas................................................................................ 50 3.5.2. límites aplicables a las dimensiones transversales de la viga. .................... 52 3.5.3. Momento plástico. ....................................................................................... 53 3.5.4. Ductilidad en la sección de viga. ................................................................. 55 3.5.5. Deformaciones permanentes. ..................................................................... 56 3.5.6. Rigidizadores transversales. ....................................................................... 56 3.6. Parámetros para diseño de vigas postensadas. ............................................... 57 3.6.1. Módulo seccional. ........................................................................................ 57 3.6.2. Esfuerzos admisibles en el concreto presforzado. ...................................... 57 3.6.3. Límite de tensión tendones. ........................................................................ 59 Capítulo IV .............................................................................................................. 60 Predimensionamiento y Diseño ............................................................................ 60 4.1. Predimensionamiento de losa .......................................................................... 60 4.2. Predimensionamiento de viga de hormigón presforzado.................................. 60 4.3. Predimensionamiento de viga metálica ............................................................ 61 4.4. Modelado del puente con vigas de acero y vigas postensadas mediante el software CSiBridge....................................................................................................... 64 4.4.1. Configuración preliminar:............................................................................. 64 4.4.2. Asignar materiales: ...................................................................................... 65 4.4.3. Asignar secciones: ...................................................................................... 67 4.4.4. Definir sección transversal del puente: ........................................................ 68 4.4.5. Definir diafragmas exteriores e interiores: ................................................... 69 4.4.6. Definir apoyos del puente. ........................................................................... 70 4.4.7. Definir cargas lineales y de área: ................................................................ 70 4.4.8. Definir carriles y carga vehicular: ................................................................ 72 4.4.9. Ejecución del software CSIBridge: .............................................................. 74 4.5. Resultado de fuerzas cortantes y momentos flectores ..................................... 75 4.5.1. Puente con vigas de acero .......................................................................... 75 4.5.2.. Puente con vigas de hormigón postensado:............................................... 79. 4.5.3. Resumen de fuerza cortante y momento flector. ......................................... 83 4.5.3.1. Vigas metálicas ................................................................................... 83 4.5.3.2. Vigas de hormigón postensado........................................................... 83.

(11) 5. 4.6. Diseño estructural de viga metálica: ................................................................. 84 4.6.1. Cortante y momento último de diseño mayorado. ....................................... 84 4.6.2. Propiedades de la sección compuesta. ....................................................... 85 4.6.3. Sección de acero: ........................................................................................ 86 4.6.3.1. Módulo seccional: ............................................................................... 87 4.6.3.2. Cálculo de esfuerzos en la sección de acero: ..................................... 87 4.6.4. Sección compuesta a corto plazo (n): ......................................................... 89 4.6.4.1. Módulo seccional: ............................................................................... 90 4.6.4.2. Cálculo de esfuerzos en la sección compuesta a corto plazo (n=8): .. 91 4.6.4.3.. Esfuerzos reales: ................................................................................ 92. 4.6.5. Sección compuesta a largo plazo (3n = 24): ............................................... 93 4.6.5.1. Módulo seccional: ............................................................................... 94 4.6.5.2. Cálculo de esfuerzos en la sección compuesta a corto plazo (3n=24):. 95. 4.6.5.3. Esfuerzos reales: ................................................................................ 96 4.6.6. Deflexiones permanentes (ver sección 3.5.5). ............................................ 97 4.6.6.1. Comprobación de deflexiones:............................................................ 98 4.6.7. Capacidad de momento plástico ................................................................. 99 4.6.8. Resistencia nominal a la flexión ................................................................ 102 4.6.9. Requisito de ductilidad .............................................................................. 103 4.6.10.. Capacidad de momento resistente ....................................................... 103. 4.6.11.. Resistencia nominal al corte de almas rigidizadas. .............................. 104. 4.7. Diseño estructural de viga de hormigón postensado: ..................................... 108 4.7.1. Cortante y momento último de diseño mayorado. ..................................... 108 4.7.2. Análisis de sección simple:........................................................................ 109 4.7.3. Análisis de sección compuesta: ................................................................ 111 4.7.4. Esfuerzos permisibles ............................................................................... 112 4.7.5. Módulo seccional mínimo .......................................................................... 113 4.7.6. Esfuerzos en el estado de transferencia: .................................................. 116 4.7.7. Esfuerzos en el estado de servicio: ........................................................... 117 4.7.8. Número de torones requeridos: ................................................................. 119 4.7.9. Resistencia a la flexión. ............................................................................. 121 4.7.10.. Diseño por cortante. ............................................................................. 124.

(12) 6. 4.8. Resumen de resultados:................................................................................. 134 4.9. Análisis de costos. .......................................................................................... 136 4.9.1. Vigas metálicas. ........................................................................................ 136 4.9.2. Vigas de hormigón postensado. ................................................................ 138 Capítulo V ............................................................................................................. 140 Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 140 5.1. Conclusiones .................................................................................................. 140 5.2. Recomendaciones .......................................................................................... 141 Anexos .................................................................................................................. 143 Referencias Bibliográficas ........................................... ¡Error! Marcador no definido. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Tabla 4.6.2.2.1-1 (AASHTO) –Superestructuras habituales. ............................................ 22 Tabla 2: Propiedades de vigas AASHTO con sección I. ................................................................. 31 Tabla 3: Propiedades de vigas cajón. ............................................................................................. 32 Tabla 4: Propiedades de vigas con sección “NU”. .......................................................................... 33 Tabla 5: Profundidades mínimas para superestructuras ................................................................ 40 Tabla 6: Factores de resistencia. .................................................................................................... 41 Tabla 7: Factores de ductilidad. ...................................................................................................... 42 Tabla 8: Factores de redundancia................................................................................................... 43 Tabla 9: Factores de importancia. ................................................................................................... 43 Tabla 10: Combinaciones de cargas y estados límite..................................................................... 44 Tabla 11: Factores de carga para cargas permanentes, 𝛾𝑝 . ......................................................... 44 Tabla 12: Pesos unitarios ................................................................................................................ 45 Tabla 13: Factor de presencia múltiple. .......................................................................................... 49 Tabla 14: Incremento por carga dinámica. ...................................................................................... 50 Tabla 15: Cálculo de 𝑌 y 𝑀𝑃 para secciones en flexión positiva. .................................................. 54 Tabla 16 : (Art.5.9.4.1.1) y (5.9.4.1.2-1)-Esfuerzos admisibles. ..................................................... 58 Tabla 17: (Tabla.5.9.4.2.2-1) Esfuerzo admisible. .......................................................................... 58 Tabla 18 : (Tabla 24.5.2.1) Esfuerzo admisible. ............................................................................. 58 Tabla 19:Cuadro de resumen de momentos y cortantes de viga exterior. ..................................... 83 Tabla 20: Cuadro de resumen de momentos y cortantes de viga interior. ..................................... 83 Tabla 21: Cuadro de resumen de momentos y cortantes de viga exterior. .................................... 83 Tabla 22: Cuadro de resumen de momentos y cortantes de viga interior. ..................................... 84 Tabla 23: Cortante y momento mayorado mediante la combinación para el estado límite de resistencia I (viga metálica). ............................................................................................................ 84 Tabla 24: Cortante y momento mayorado mediante la combinación para el estado límite de servicio II (viga metálica). ................................................................................................................ 84.

(13) 7 Tabla 25: Propiedades geométricas de viga metálica .................................................................... 86 Tabla 26: Propiedades geométricas de sección compuesta a corto plazo. .................................... 89 Tabla 27: Propiedades geométricas de sección compuesta a largo plazo ..................................... 93 Tabla 28: Cortante y momento mayorado mediante la combinación para el estado límite de resistencia I (viga de hormigón postensado). ................................................................................ 108 Tabla 29: Cortante y momento mayorado mediante la combinación para el estado límite de servicio II (viga de hormigón postensado). .................................................................................... 109 Tabla 30: Propiedades geométricas de viga de hormigón postensado. ....................................... 109 Tabla 31: Propiedades geométricas de viga de hormigón postensado sección compuesta. ....... 111 Tabla 32: Fuerza cortante y momento flector mayorados. ........................................................... 134 Tabla 33: Esfuerzos en viga metálica. .......................................................................................... 134 Tabla 34: Esfuerzos en viga de hormigón postensado. ................................................................ 134 Tabla 35: Resistencia nominal a la flexión de los dos tipos de vigas. .......................................... 135 Tabla 36: Resistencia nominal al corte de los dos tipos de viga, mediante el estado límite de resistencia I. ................................................................................................................................... 135 Tabla 37: Análisis de costos (viga metálica). ................................................................................ 138 Tabla 38: Análisis de costos (viga de hormigón postensado). ...................................................... 139. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Sector del proyecto. ........................................................................................................ 15 Figura 2 : Partes del puente........................................................................................................... 16 Figura 3: Elementos de un puente, vista longitudinal. .................................................................. 17 Figura 4: Elementos de la superestructura. ................................................................................... 17 Figura 5: Barandas típicas según la norma ................................................................................... 19 Figura 6: Secciones típicas barandas para tráfico vehicular. ........................................................ 19 Figura 7: Diafragmas (a) tipo V; (b) tipo X. .................................................................................... 20 Figura 8: Elementos complementarios .......................................................................................... 21 Figura 9: Sección de viga metálica tipo I. ...................................................................................... 24 Figura 10 : Sección transversal de puente con vigas metálicas. ................................................... 25 Figura 11: Conexión entre losa de hormigón y viga de acero estructural. .................................... 25 Figura 12 : Tipos de vigas armadas. ............................................................................................. 26 Figura 13: Sección longitudinal de viga de hormigón presforzado. ............................................... 27 Figura 14: Sección transversal de viga de hormigón presforzado. ............................................... 27 Figura 15 : Vigas de hormigón pretensado. ................................................................................... 28 Figura 16 : Vigas de hormigón postensado. .................................................................................. 29 Figura 17: Sección transversal de viga AASHTO I. ....................................................................... 31 Figura 18: Sección transversal de viga cajón. ............................................................................... 32 Figura 19: Sección transversal de viga “NU”. ................................................................................ 33 Figura 20: Fricción por curvatura. .................................................................................................. 35.

(14) 8 Figura 21: Efectos de la contracción y el flujo plástico del concreto. ............................................ 36 Figura 22: Detalles de camión de diseño. ..................................................................................... 47 Figura 23: Detalles de Tándem de diseño. .................................................................................... 48 Figura 24: Detalles del carril de diseño. ........................................................................................ 48 Figura 25: Fuerzas plásticas en la sección trasversal compuesta. ............................................... 53 Figura 26: Ubicación del eje neutro plástico y 𝑌. ........................................................................... 55 Figura 27: Sección compuesta para diseño .................................................................................. 61 Figura 28: Viga metálica. ............................................................................................................... 63 Figura 29: Ventana de New Model. ............................................................................................... 64 Figura 30: Asignación de viga metálica y longitud del tramo. ....................................................... 65 Figura 31: Asignación de viga postensada y longitud del tramo. .................................................. 65 Figura 32: Materiales del puente con vigas de acero .................................................................... 66 Figura 33: Materiales del puente con vigas de hormigón postensado. ......................................... 66 Figura 34: Asignación viga compacta de acero. ............................................................................ 67 Figura 35: Asignación viga de hormigón postensado. ................................................................... 67 Figura 36: Definición de perfiles para diafragmas de puente con vigas de acero. ........................ 68 Figura 37: Delimitación de sección transversal del puente con vigas de acero. ........................... 68 Figura 38: Delimitación de sección transversal del puente con vigas de hormigón postensado. . 69 Figura 39: Definición de diafragmas tipo V en puente con vigas de acero. .................................. 69 Figura 40: Definición de apoyos. ................................................................................................... 70 Figura 41: Definición de cargas lineales. ....................................................................................... 70 Figura 42: Definición de cargas de acera (Área) . ......................................................................... 71 Figura 43: Definición de carga asfáltica (Área). ............................................................................. 71 Figura 44: Definición de carriles. ................................................................................................... 72 Figura 45: Camión más carril de diseño. ....................................................................................... 72 Figura 46: Tándem más carril de diseño. ...................................................................................... 73 Figura 47: Envolvente - Camión de diseño. ................................................................................... 73 Figura 48: Cargas lineales y de área sobre puente con vigas metálicas. ..................................... 74 Figura 49: Cargas lineales y de área sobre puente con vigas de hormigón postensado.............. 74 Figura 50: Ejecución del software. ................................................................................................. 74 Figura 51: (DC1), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 75 Figura 52: (DC2), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 75 Figura 53: (DW), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ...................................... 76 Figura 54: (Camión de diseño), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ............... 76 Figura 55: (DC1), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 77 Figura 56: (DC2), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 77 Figura 57: (DW), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ...................................... 78 Figura 58: (Camión de diseño), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ............... 78 Figura 59: (DC1), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 79 Figura 60: (DC2), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. .................................... 79.

(15) 9 Figura 61: (DW), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ...................................... 80 Figura 62: (Camión de diseño), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ............... 80 Figura 63: (DC1), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 81 Figura 64: (DC2), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ..................................... 81 Figura 65: (DW), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ...................................... 82 Figura 66: (Camión de diseño), diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. ............... 82 Figura 67: Sección transversal de viga simple. ............................................................................. 86 Figura 68: Esfuerzos de sección simple ........................................................................................ 88 Figura 69: Sección trasversal compuesta. ..................................................................................... 89 Figura 70: Esfuerzos en sección compuesta a corto plazo .......................................................... 92 Figura 71 :Sumatoria de esfuerzos ................................................................................................ 93 Figura 72: Sección compuesta....................................................................................................... 93 Figura 73: Esfuerzos en sección compuesta a corto plazo .......................................................... 97 Figura 74 :Sumatoria de esfuerzos ................................................................................................ 97 Figura 75 :Fuerzas plásticas. ......................................................................................................... 99 Figura 76 :Sumatoria de esfuerzos .............................................................................................. 101 Figura 77: Luz del puente. ........................................................................................................... 108 Figura 78: Sección transversal de viga de hormigón postensado. .............................................. 109 Figura 79: Sección transversal compuesta viga de hormigón postensado. ................................ 111 Figura 80: Excentricidad en viga para diseño. ............................................................................. 116 Figura 81: Sección transversal en el centro de la luz. ................................................................. 120 Figura 82: Detalle de sección transversal compuesta ................................................................. 126 Figura 83: fuerza de postensado descompuesta en un punto arbitrario de la luz del puente. .... 129 Figura 84: trayectoria del cable resultante de postensado (centro de luz). ................................ 130 Figura 85: Sección transversal de puente con vigas metálicas................................................... 136 Figura 86: Sección transversal de puente con vigas de hormigón postensado. ......................... 138. ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1: Ec. 1.3.2.1-1 (AASHTO LRFD). .................................................................................. 40 Ecuación 2: Ec. 6.10.1.1.1b-1 (AASHTO LRFD) -Relación de módulos........................................ 51 Ecuación 3: Ec. 5.4.2.4-1 (AASHTO LRFD) -Módulo de elasticidad. ............................................ 51 Ecuación 4: Ec. 6.10.2.1.1-1 (AASHTO LRFD) –Porción de alma sin rigidizador longitudinal. ..... 52 Ecuación 5: Ec. 6.10.2.2-1 (AASHTO LRFD) – Evita distorsión excesiva al soldar el ala al alma. ......................................................................................................................................................... 52 Ecuación 6: Ec. 6.10.2.2-2 (AASHTO LRFD) –Proporciona al alma resistencia al corte postpandeo. ..................................................................................................................................... 52 Ecuación 7: Ec. 6.10.2.2-3 (AASHTO LRFD) –Asegura que las alas proporcionarán algo de restricción contra el pandeo. ............................................................................................................ 52.

(16) 10 Ecuación 8: Ec. 6.10.2.2-4 (AASHTO LRFD) – asegura proporciones más eficientes para las alas. .................................................................................................................................................. 52 Ecuación 9: Ec. 6.10.7.3-1 (AASHTO LRFD) –Requisito de ductilidad. ........................................ 55 Ecuación 10: Ec. 6.10.4.2.2-1 (AASHTO LRFD) – Ecuación límite para evitar deflexiones permanentes. ................................................................................................................................... 56 Ecuación 11: Ec. 6.10.4.2.2-2 (AASHTO LRFD) – Ecuación límite para evitar deflexiones permanentes. ................................................................................................................................... 56 Ecuación 12: Tabla 5.9.3-1 (AASHTO LRFD) – tensión admisible para tendones postensados. . 59 Ecuación 13: Ec. 22.5.8.3.1 (ACI-14) – Criterio de diseño de cortante. ................................................. 126 Ecuación 14: Ec. 22.5.8.3.1 (ACI-14) – Criterio de diseño de cortante. ................................................ 128.

(17) 11. Resumen El principal objetivo de este proyecto de investigación es determinar que alternativa de viga resulta más beneficiosa desde el punto de vista técnico económico para el puente que se piensa construir en la ciudad de Esmeraldas, realizando un estudio comparativo entre vigas de hormigón postensado y vigas metálicas de sección compacta diseñadas en base a los requerimientos de las normas AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS y ACI 318S-14.. Abstract The main objective of this research project is to determine which beam alternative is more beneficial from the technical - economic point of view for the bridge that is planned to be built in the city of emeralds, making a comparative study between post-tensioned concrete beams and metallic beams of compact section, making the design based on the requirements of AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS end ACI 318S-14 standards..

(18) 12. Introducción. Desde la antigüedad los puentes se han creado para cubrir la necesidad humana de salvar obstáculos como un río, precipicio, y así conectar poblaciones dando continuidad a caminos o vías, con el paso de los años el diseño y los materiales utilizados en la construcción de los puentes han variado según la utilidad y luces del mismo, pueden ser diseñados para ferrocarriles, autos, peatones y en algunos casos como acueductos. Los puentes colaboran mucho en el desarrollo económico de una población mejorando la vida cotidiana de sus habitantes, para su buen funcionamiento es necesario realizar un buen diseño teniendo en cuenta los esfuerzos, flexiones, fallas de los miembros estructurales por fatiga, fisuras prematuras en la losa, entre otros temas que deben ser analizados previo a las etapas del diseño, garantizando así una larga vida útil. Esta investigación se va a centrar en el diseño de las vigas de un puente simplemente apoyado de 45 metros de luz que se va a construir en la ciudad de Esmeraldas – Ecuador sobre el río Teaone sector refinería, teniendo en cuenta diferentes alternativas de material a utilizar como hormigón postensado y acero estructural y así poder obtener de esta forma la opción más viable desde el punto de vista técnico y económico para la futura construcción del puente..

(19) 13. Capítulo I Aspectos Generales 1.1. Planteamiento del Problema El Ecuador ha tenido un desarrollo vial en los últimos años, específicamente en materia de puentes, la construcción de obras que contribuyen a la población a salvar obstáculos han sido necesaria para facilitar la vida de los habitantes, beneficiando su diario vivir y sus actividades económicas, para el buen funcionamiento del puente el Ministerio de Transporte y Obras Públicas a determinado a la norma AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS para el diseño sismoresistente de puentes. Las vigas son uno de los elementos más importantes en la construcción de un puente ya que son las encargadas de absorber las cargas procedentes del tablero y transmitirlo a las pilas, la seguridad de la estructura se puede garantizar mediante el buen diseño de las vigas evitando deflexiones excesivas. El diseño y tipo de material a utilizar son características que derivan según la función y luz del puente, esta investigación se centrará en que material resulta beneficioso para la construcción de las vigas, debido a esto surgió la necesidad de realizar un estudio comparativo entre el comportamiento de vigas de hormigón postensado y vigas de acero estructural, para el proyecto de un puente de 45 metros de luz que se piensa construir en la ciudad de Esmeraldas sobre el río Teaone sector Refinería Estatal y así determinar la mejor alternativa desde el punto de vista técnico y económico..

(20) 14. 1.2. Objetivos de la Investigación 1.2.1. Objetivo General. o. Comparar. el. comportamiento. estructural. entre. vigas. de. hormigón. postensado en sitio y vigas de acero estructural, determinando así la opción más viable para la construcción de un puente de 45 metros de luz en la ciudad de Esmeraldas, desde el punto de vista técnico y económico.. 1.2.2. Objetivos Específicos. o Realizar el análisis estructural del puente de 45 metros y obtener los máximos esfuerzos a los que están sometidas las vigas en el caso de vigas de hormigón postensado como de vigas metálicas. o Realizar los diseños estructurales correspondientes para vigas de hormigón postensado en sitio y vigas metálicas. o Determinar los costos directos generados por los tipos de vigas propuestas. o Identificar la mejor alternativa de vigas considerando los dos parámetros comparativos (técnico- económico)..

(21) 15. 1.3. Ubicación del proyecto El proyecto constructivo de un puente con una luz de 45 metros se piensa construir en la ciudad de Esmeraldas sobre el río Teaone, permitiendo la conexión entre el sector de refinería con la urbanización de 50 casas.. Figura 1: Sector del proyecto. Fuente: Google Earth.. 1.4. Justificación e Importancia Los puentes son las estructuras más antiguas utilizadas para beneficio de una comunidad, en la actualidad se utilizan diseños y materiales de acuerdo al uso del puente y longitud del mismo, los estudios de investigación de este proyecto tienen como misión realizar un análisis comparativo entre vigas de hormigón postensado y de acero estructural, garantizando así la mejor alternativa mediante puntos de vista técnicos, económicos y facilidades de construcción, para el proyecto de un puente de 45 metros de luz ubicado en la ciudad de Esmeraldas sector Refinería Estatal, el cual será de gran importancia para el desarrollo de su población..

(22) 16. Capítulo II Marco Teórico 2.1. Puentes 2.1.1. Definición. Un puente es una obra que se construye para salvar un obstáculo dando así continuidad a una vía. Suele sustentar un camino, una carretera o una vía férrea, pero también puede transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Los puentes que soportan un canal o conductos de agua se llaman acueductos. Aquellos construidos sobre terreno seco o en un valle, viaductos. Los que cruzan autopistas y vías de tren se llaman pasos elevados. (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 4). 2.1.2. Elementos de un puente. Consta fundamentalmente de dos partes a las que denominamos: o Superestructura. o Subestructura o Infraestructura. Figura 2 : Partes del puente. Fuente: (Carrera, 2015, pág. 3).

(23) 17. Figura 3: Elementos de un puente, vista longitudinal. Fuente: (Leon Avila & Ramirez Coria, 2010, pág. 2). 2.1.2.1. Superestructura. Es el sistema estructural que soporta directamente las cargas generadas por el paso vehicular y a su vez es la encargada de transmitirlas a la subestructura o infraestructura del puente.. Figura 4: Elementos de la superestructura. Fuente: (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 4).

(24) 18. 2.1.3. Elementos de la superestructura. La superestructura es el conjunto de varios elementos estructurales tales como tablero, vigas, y todo lo que se coloca arriba de la cubierta principal, como postes, sistema de armadura de acero, cableado, entre otros. 2.1.3.1. Superficie de rodadura. Soporta directamente las cargas del tráfico regularmente es de concreto reforzado de alta resistencia, en otras ocasiones metálicas. 2.1.3.2. Superficie betuminosa. Se refiere al manto asfáltico que ofrece una protección a la superficie de rodadura. 2.1.3.3. Acera. Es utilizada para la circulación de los peatones sobre el puente, se encuentran ubicadas a lo largo de los extremos del tablero. 2.1.3.4. Barandas Se instalan a lo largo del borde de las estructuras de puente cuando existen pases peatonales, o en puentes peatonales, para protección de los usuarios. La altura de las barandas será no menor que 1.10 m, en ciclovías será no menor que 1.40 m. Una baranda puede ser diseñada para usos múltiples (caso de barandas combinadas para peatones y vehículos) y resistir al choque con o sin la acera. Sin embargo, su uso se debe limitar a carreteras donde la velocidad máxima permitida es 70 km/h. Para velocidades mayores o iguales a 80 km/h, para proteger a los peatones es preferible utilizar una barrera de concreto (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 5)..

(25) 19. (a) Barandas para peatones.. (b) Barandas para ciclistas.. Figura 5: Barandas típicas según la norma Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 13.11 - 13.13). 2.1.3.5.. Barreras de concreto. Su propósito principal es contener y corregir la dirección de desplazamiento de los vehículos desviados que utilizan la estructura, por lo que deben estructural y geométricamente resistir al choque. Brindan además seguridad al tráfico peatonal, ciclista y bienes situados en las carreteras y otras áreas debajo de la estructura. (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 5). Figura 6: Secciones típicas barandas para tráfico vehicular. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 13-15).

(26) 20. 2.1.3.6. Vigas. Las vigas longitudinales de hormigón son una alternativa económica para puentes de luces cortas, en el caso de luces mayores se pueden usar vigas longitudinales de acero estructural.. 2.1.3.7. Diafragmas. Son miembros que resisten fuerzas laterales dando estabilidad al puente absorbiendo cargas sísmicas o de viento, además sirven para transferir las cargas de la losa a las vigas longitudinales, las mismas que luego se encargan de transmitirlas a los apoyos, puentes con vigas de sección I se pueden reforzar mediante un sistema torsional que consta de diafragmas tipo V o tipo X.. Figura 7: Diafragmas (a) tipo V; (b) tipo X. Fuente: (Wai-Fah Chen, 2014, pág. 180). 2.1.3.8. Elementos complementarios . Aparatos de apoyo:. Los aparatos de apoyo proporcionan la conexión para controlar la interacción de las cargas y los movimientos entre la superestructura y la subestructura del puente, en el diseño de los dispositivos de apoyo se tendrá en cuenta que la.

(27) 21. carga admisible y la capacidad de movimiento del apoyo sean compatibles con los. requerimientos de. carga. y los. desplazamientos esperados. en. la. superestructura (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2016, pág. 96). . Juntas de dilatación:. Para permitir la expansión o la contracción de la estructura por efecto de los cambios de temperatura, se colocan juntas en sus extremos y otras secciones intermedias en que se requieran. Las juntas deben sellarse con materiales flexibles, capaces de tomar las expansiones y contracciones que se produzcan y ser impermeables. (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 7).. . Amortiguador:. Se encargan de disipar la energía generada en el sistema estructural, interactuando con la superestructura y subestructura del puente como se indica en la figura # 8.. Figura 8: Elementos complementarios Fuente: (Agustin, 2014).

(28) 22. 2.1.4. Secciones transversales del tablero de acuerdo con las especificaciones del AASHTO LRFD.. La norma AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS para el diseño sismo resistente de puentes, especifica 12 secciones transversales como se indica en la tabla # 1, utilizadas con frecuencia en la construcción de puentes de carreteras. En los artículos 4.6.2.2.2 y 4.6.2.2.3 del AASHTO se asignan para cada sección diferentes especificaciones que norman el cálculo de la distribución de la sobrecarga vehicular, el mismo que se utiliza para el óptimo diseño del tablero y las vigas del puente.. Tabla 1: Tabla 4.6.2.2.1-1 (AASHTO) –Superestructuras habituales..

(29) 23. Este proyecto será enfocado en el diseño de las vigas de dos tipos de superestructuras habituales que especifica el AASHTO LRFD: . Superestructura de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas metálicas para puentes de carreteras..

(30) 24. . Superestructura de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas de hormigón presforzado para puentes de carreteras.. 2.1.5. Superestructura de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas metálicas para puentes de carreteras.. El tablero usualmente es elaborado mediante el hormigón armado debido a los siguientes beneficios: •. Debido a la facilidad de su construcción.. •. Económicamente accesible.. •. El tablero de hormigón se encarga de resistir los esfuerzos a compresión. debido a su gran resistencia, mientras que las vigas de acero se encargan de recibir los esfuerzos a tracción.. Figura 9: Sección de viga metálica tipo I. Fuente: (Chen & Duan, 2014, pág. 173).

(31) 25. Figura 10 : Sección transversal de puente con vigas metálicas. Fuente: (Instituto Técnico de Estructuras en Acero, pág. 15). En estas secciones la conexión entre la losa y las vigas metálicas se da mediante conectores de corte para asegurar que trabajen como una unida.. 2.1.5.1. Conectores de corte. En la antigüedad se utilizaban conectores como placas inclinadas, espirales, canales, ganchos etc. Pero actualmente los más utilizados son los conectores de pernos como se indica en la figura # 11, debido a su fácil manipulación.. Figura 11: Conexión entre losa de hormigón y viga de acero estructural. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 9-22).

(32) 26. 2.1.5.2. Vigas metálicas sección tipo I. •. Vigas laminadas simples.. Los perfiles estructurales laminados, vigas W son secciones relativamente económicas, fáciles de manipular en obra, presentan concordancia entre el alma y sus alas teniendo así la capacidad de resistir las fuerzas internas que se presentan en la sección durante su vida útil a diferencia de los perfiles americanos S que poseen resistencias menores para un mismo peso.. •. Vigas armadas.. Al realizar un diseño con vigas armadas se tiene una mayor libertad para asignar una viga adecuada según la sección transversal del puente, a diferencia de los perfiles laminados, sin embargo, es necesario tener en cuenta las normas de diseño ya que un error muy frecuente es tener una viga con un gran peralte y un espesor de alma relativamente delgado lo que genera pandeo, y de no utilizar rigidizadores se vería afectado el funcionamiento del puente. Las vigas armadas pueden ser vigas armadas soldadas y vigas armadas empernadas.. Figura 12 : Tipos de vigas armadas. Fuente:. (Jack C. McCormac, pág. 616).

(33) 27. 2.1.6. Superestructuras de sección compuesta con losa de hormigón armado y vigas de hormigón presforzado para puentes de carreteras.. El presforzado en vigas de hormigón consiste en pre-cargar la sección mediante el tensado de cables, con la finalidad de contrarrestar los esfuerzos tensionales provocados por las cargas que recibe la estructura, existen dos maneras de presforzar el hormigón que son mediante: •. Pretensado.. •. Postensado.. Figura 13: Sección longitudinal de viga de hormigón presforzado. Fuente: (Rodríguez Serquén, 2016, pág. 113). Figura 14: Sección transversal de viga de hormigón presforzado. Fuente: (Agustin, 2014).

(34) 28. 2.1.6.1. Hormigón pretensado El término pretensado se usa para describir el método de presfuerzo en el cual los tendones se tensan antes de colar el concreto. Se requiere de moldes que sean capaces de soportar el total de la fuerza de presfuerzo durante el colado y curado del concreto antes de cortar los tendones y que la fuerza pueda ser transmitida al elemento. La mayoría de los elementos presforzados se fabrican en serie dentro de plantas con instalaciones adecuadas, donde se logra la reutilización de moldes metálicos o de concreto y se pueden presforzar en una sola. operación. varios. elementos,. como. se. indica. en. la. figura. #15.. (Reinoso&Rodríguez&Betancourt, pág. 5). Figura 15 : Vigas de hormigón pretensado. Fuente: (Arthur H. Nilson, pág. 31). 2.1.6.2. Hormigón postensado El postensado es el método de presfuerzo que consiste en tensar los tendones y anclarlos en los extremos de los elementos después de que el concreto ha fraguado y alcanzado su resistencia necesaria, previamente al colado del concreto.

(35) 29. se dejan ductos perfectamente fijos con la trayectoria deseada, lo que permite variar la excentricidad dentro del elemento a lo largo del mismo para lograr las flechas y esfuerzos deseados. (Reinoso&Rodríguez&Betancourt, pág. 6).. Figura 16 : Vigas de hormigón postensado. Fuente: (Arthur H. Nilson, pág. 34). 2.1.6.3. Materiales del pre y postensado. . Concreto:. El concreto que se usa para presforzar se caracteriza por tener mayor calidad y resistencia con respecto al utilizado en construcciones ordinarias. Los valores comunes de f’c oscilan entre 350 y 500 𝑘𝑔/𝑐𝑚2, siendo el valor estándar 350 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 . Se requiere esta resistencia para poder hacer la trasferencia del presfuerzo cuando el concreto haya alcanzado una resistencia de 280 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 . (Reinoso&Rodríguez&Betancourt, pág. 6).

(36) 30. . Acero de presfuerzo:. El acero presforzado genera esfuerzos que contrarrestan los efectos generados por las cargas que soporta la estructura, existen varias maneras de utilizar el acero de presfuerzo entre ellas:. 1. Alambres: Los alambres individuales se fabrican laminando en calientes lingotes de acero hasta obtener alambres redondos que, después del enfriamiento, pasan a través de troqueles para reducir su diámetro hasta su tamaño requerido. El proceso de estirado, se ejecuta en frío lo que modifica notablemente sus propiedades mecánicas e incrementa su resistencia. (Reinoso&Rodríguez&Betancourt, pág. 7) 2. Torón: Los torones son fabricados mediante 7 cables retorcidos lo cual es una mejor opción debido a que se adhiere mejor al concreto.. 2.1.6.4. Vigas prefabricadas para puentes: . Vigas tipo AASHTO sección I:. Elemento estructural en hormigón presforzado, puede ser postensado o pretensado, se utilizan en puentes de tramo simple o continuos para salvar luces de hasta 42 metros, estas vigas presentan 6 tipos de secciones diferentes, utilizadas de acuerdo a la necesidad de proyecto a construir..

(37) 31 Tabla 2: Propiedades de vigas AASHTO con sección I.. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). Figura 17: Sección transversal de viga AASHTO I. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). . Vigas tipo cajón:. Llamadas vigas tubulares o tipo cajón, son altamente resistentes al pandeo debido a su configuración estructural, utilizadas en puentes de tramo simple o continuos para salvar luces de hasta 40 metros, son secciones de hormigón presforzado que puede ser postensado o pretensado..

(38) 32 Tabla 3: Propiedades de vigas cajón.. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). Figura 18: Sección transversal de viga cajón. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). . Vigas NU:. Vigas llamadas “Nebraska” o “NU”, son utilizadas regularmente para puentes de carreteras de tramo simple o continuos, diseñados para salvar grandes luces de hasta 52 metros, son semejantes a las vigas AASHTO con la diferencia de que el espesor de los patines superior e inferior de la viga “NU” son más anchos..

(39) 33. Tabla 4: Propiedades de vigas con sección “NU”.. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). Figura 19: Sección transversal de viga “NU”. Fuente: (MEXPRESA, s.f.). 2.1.6.5. Pérdidas de presfuerzo La fuerza de presfuerzo aplicada a la sección varía disminuyendo a través del tiempo, a esto denominamos pérdidas de presfuerzo, pero también existen pérdidas que se dan de forma inmediata como veremos en la sección 2.1.6.5.1, luego de calcular las pérdidas serán consideradas al momento de determinar la fuerza pretensora de diseño..

(40) 34. 2.1.6.5.1. Pérdidas inmediatas . Pérdidas por deslizamiento del anclaje:. En los miembros postensados, cuando se libera la fuerza del gato, la tensión del acero se transfiere al concreto mediante anclajes de uno u otro tipo. Existe inevitablemente una pequeña cantidad de desplazamiento en los anclajes después de la transferencia, a medida en que las cuñas se acomodan dentro de los tendones, o a medida en que se deforma el dispositivo de anclaje, una situación similar se produce en el pretensado, cuando la fuerza pretensora se transfiere de los gatos a los anclajes permanentes de la cama del colado a través de las calzas alrededor de los cables. (Arthur H. Nilson, pág. 268). . Pérdidas por acortamiento elástico del concreto:. Al momento de realizar la fuerza pretensora el concreto sufre un acortamiento elástico a medida que la sección se vaya comprimiendo, produciendo un acortamiento en los cables y generando de esta forma las pérdidas por acortamiento elástico del concreto. . Pérdidas debido a la fricción:. En los elementos postensados los tendones son anclados de un extremo y del otro son tensados por medio de gatos, debido a las diferencias de tensiones entre un extremo y el otro se produce resistencia por fricción en el ducto por donde se desliza el cable de acero..

(41) 35. Figura 20: Fricción por curvatura. Fuente: (Arthur H. Nilson, pág. 272). 2.1.6.5.2. Pérdidas dependientes del tiempo: . Contracción de concreto:. Al momento de secarse el concreto provoca un acortamiento en la deformación del acero de presfuerzo que es igual a la deformación que tiene el concreto debido a la contracción, convirtiéndose en pérdidas.. . Pérdidas por relajamiento del acero:. Los tendones de presfuerzo se mantienen esforzados esencialmente con longitud constante durante la vida de un miembro, a pesar de que existe alguna reducción de longitud debido al flujo plástico y la contracción del concreto. Existirá una reducción gradual del esfuerzo en el acero bajo estas condiciones debido al relajamiento, aun cuando la longitud se mantenga casi constante. (Arthur H. Nilson, pág. 277). . Pérdidas por flujo plástico del concreto:. Luego de que el concreto es sujeto al presfuerzo mediante tendones de acero, sufre deformaciones por contracción a través del tiempo, y si permanece sujeto a.

(42) 36. fuerzas de compresión sufrirá deformaciones por flujo plástico. En otras palabras, el concreto junto con el acero van a reducir su longitud, lo cual genera pérdidas si se contrarresta el estiramiento que tuvo el acero para provocar la fuerza pretensora inicial.. Figura 21: Efectos de la contracción y el flujo plástico del concreto.. Fuente: (Arthur H. Nilson, pág. 50).

(43) 37. Capítulo III Marco Metodológico. 3.1. Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes. La metodología de diseño por factores de carga y resistencia LRFD (load and resistance factor desingn) versión de las especificaciones AASHTO, se enfoca en el diseño de puentes en base a los estados límites de resistencia, servicio, fatiga y eventos extremos tomando en cuenta las combinaciones de carga a las que puede estar sometida la estructura, de acuerdo al tipo de puente y al sitio donde se va a construir, preservando la seguridad del puente mediante la redundancia y ductilidad de sus componentes impidiendo el colapso del mismo al estar sometido a cualquier tipo de evento extremo. 3.2. Estado límite, factores de carga y combinaciones de cargas. 3.2.1. Estado límite de servicio. En condiciones usuales de servicio operan restringiendo esfuerzos, deformaciones y anchos de grietas en la estructura del puente, la Norma AASHTO LRFD determina las siguientes combinaciones: . Servicio I: Combinación de cargas que muestra cómo opera el puente bajo condiciones normales, con cargas tomadas desde sus valores nominales y siendo sometido a velocidades de viento de 90 km/h.. . Servicio II: Combinación de carga que tiene la finalidad de controlar la fluencia de las estructuras de acero y la falla de las conexiones críticas que se presentan en la estructura al estar sometido a la carga viva vehicular..

(44) 38. . Servicio III: Combinación de carga relativa sólo a la tracción en estructuras construidas a base hormigón pretensado con la finalidad de controlar las fisuras.. . Servicio IV: Combinación de carga relacionada únicamente con la tensión en columnas construidas a base de hormigón pretensado con la finalidad de controlar las fisuras.. . Servicio II: Combinación de carga que tiene la finalidad de controlar la fluencia de las estructuras de acero y la falla de las conexiones críticas que se presentan en la estructura al estar sometido a la carga viva vehicular.. . Servicio III: Combinación de carga relativa sólo a la tracción en estructuras construidas a base hormigón pretensado con la finalidad de controlar las fisuras.. . Servicio IV: Combinación de carga relacionada únicamente con la tensión en columnas construidas a base de hormigón pretensado con la finalidad de controlar las fisuras.. 3.2.2. Estado límite de fatiga y fractura Diseño encargado de controlar las grietas que se pueden producir en la estructura al estar sometida a cargas repetitivas, la Norma AASHTO LRFD determina las siguientes combinaciones:. . Fatiga I: combinación de cargas de fatiga y fractura que se relacionan. con la carga vehicular y gravitatoria repetitivas sobre la estructura..

(45) 39. 3.2.3. Estado límite de resistencia. Diseño que asegura la estabilidad y resistencia de la estructura teniendo en cuenta las combinaciones de cargas a las que durante su vida útil podría estar sometido, la Norma AASHTO LRFD determina las siguientes combinaciones:. . Resistencia I: Combinación de carga que relaciona el uso de vehículos estándar sobre el puente sin tomar en cuenta el viento.. . Resistencia II: Combinación de carga que relaciona el uso de vehículos especiales y de circulación restringida sobre el puente, sin tomar en cuenta el viento.. . Resistencia III: Combinación de carga que representa al puente sometido a velocidades de viento superiores a 90 (km/h).. . Resistencia IV: Combinación de carga que representa una alta relación entre las solicitaciones provocadas por sobrecarga viva vehicular y carga muerta.. . Resistencia V: Combinación de carga que relaciona el uso de vehículos normales sobre el puente teniendo en cuenta vientos de 90 (Km/h).. 3.2.4. Estado límite de eventos extremos. Diseño encargado de garantizar la supervivencia de la estructura de un puente cuando ha sido sometido a eventos extremos como el impacto contra embarcaciones, vehículos o flujos de hielo, la Norma AASHTO LRFD determina las siguientes combinaciones: . Evento extremo I: Combinación de carga para asegurar a la estructura frente a terremotos.. . Evento extremo II: Combinaciones de cargas que incluye la acción del hielo, colisión de embarcaciones, vehículos, y algunos eventos hidráulicos..

(46) 40. 3.3. Profundidades mínimas para superestructuras. La Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2014, págs. 2-15) la tabla #5 que contiene las profundidades mínimas utilizadas tradicionalmente para superestructuras de profundidad constante. Tabla 5: Profundidades mínimas para superestructuras. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 2-15). 3.4. Fórmula general para cada uno de los estados límites. De acuerdo con la AASHTO LRFD en el artículo 1.3.2.1 cada uno de los elementos y conexiones deben satisfacer la siguiente ecuación para cada uno de los estados límites: ∑ 𝜂𝑖 𝛾𝑖 𝑄𝑖 ≤ 𝜙𝑅𝑛 = 𝑅𝑟 Ecuación 1: Ec. 1.3.2.1-1 (AASHTO LRFD). Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 1-4)..

(47) 41. Donde: . 𝑅𝑟 = Resistencia mayorada o de diseño : 𝜙𝑅𝑛. . 𝜙 = Factor de resistencia.. . 𝑅𝑛 = Resistencia nominal.. . 𝜂𝑖 = Factor de modificación de las cargas.. . 𝛾𝑖 = Factor de carga.. . 𝑄𝑖 = Solicitudes de carga.. 3.4.1. Factores de resistencia (Ø). De acuerdo con AASHTO LRFD en los artículos 6.5.4.2 y 5.5.4.2.1 los factores de resistencia según el material y el estado límite son los siguientes:. Tabla 6: Factores de resistencia. FACTOR DE RESISTENCIA Ø ESTADO LÌMITE Estado límite de Resistencia. MATERIAL ACERO HORMIGÓN ARMADO HORMIGÓN PRETENSADO. Otros estados Límites. -----------. MOMENTO. CORTE. 1,00 0,90 1,00. 1,00 0,90 1,00. 1,00. 1,00. Fuente: Karolyn Neira Nieves.. 3.4.2. Coeficiente de modificación de cargas Como se indica en el AASHTO 1.3.2.1-2 el coeficiente de modificación de cargas se da en función de los factores de ductilidad, redundancia e importancia operativa de la siguiente manera..

(48) 42. Para 𝛾𝑖 𝑚𝑎𝑥 : 𝜂𝑖 = 𝜂𝐷 𝑥 𝜂𝑅 𝑥 𝜂𝐼 ≥ 0,95 Para 𝛾𝑖 𝑚𝑖𝑛 : 𝜂𝑖 = 𝜂. 1 𝐷𝑥. 𝜂𝑅 𝑥 𝜂𝐼. ≤ 1,0. Donde: 𝜂𝐷 = factor de ductilidad. 𝜂𝑅 = factor de redundancia. 𝜂𝐼 = factor de importancia.. Tabla 7: Factores de ductilidad. ESTADO LÍMITE. FACTOR DE DUCTILIDAD ηD ηD ≥ 1,05 Elementos y componentes no dúctiles. Estado límite de resistencia. ηD =1 para diseños y detalles convencionales ηD ≥ 0,95 para elementos y conexiones para los cuales se han especificado medidas adicionales para mejorar la ductilidad. Otros estado límites. ηD =1. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 1.5).

(49) 43. Tabla 8: Factores de redundancia. ESTADO LÍMITE. FACTOR DE REDUNDANCIA ηR ηR ≥ 1,05 Elementos no redundantes. Estado límite de resistencia. ηR =1 para niveles convencionales de redundancia ηR ≥ 0,95 Para niveles excepcionales de redundancia. Otros estado límites. ηR =1,00. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 1.7). Tabla 9: Factores de importancia. ESTADO LÍMITE. FACTOR DE IMPORTANCIA ηI ηI ≥ 1,05 Para puentes importantes. Estado límite de resistencia y eventos extremos. Otros estado Límites. ηI =1 Para puentes típicos ηI ≥ 0,95 Para puentes relativamente de poca importancia ηR =1,00. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 1.7). 3.4.3. Factor de carga ( 𝜸𝒊 ) La norma AASHTO 3.4.1-1 especifica el factor de carga que se va a adoptar según el estado límite, la combinación de diseño y la solicitación de carga..

(50) 44. Tabla 10: Combinaciones de cargas y estados límite.. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 3.16). Tabla 11: Factores de carga para cargas permanentes, 𝛾𝑝 .. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 3.16).

(51) 45. 3.4.4. Solicitudes de carga ( 𝑸𝒊 ) Tiene que ver con la carga que absorbe la superestructura del puente y es transmitida a la infraestructura, las que se clasifican en cargas permanentes y cargas transitorias de acuerdo con el AASHTO 3.3.2.. 3.4.4.1.. Cargas permanentes:. DC = Peso propio de los componentes estructurales y accesorios no estructurales DW =Peso propio de las superficies de rodamiento e instalaciones de servicios públicos. Tabla 12: Pesos unitarios. Fuente: (Rodríguez Serquén, 2016, págs. II-1).

(52) 46. 3.4.4.2.. Cargas transitorias:. BR = fuerza de frenado de los vehículos. CE = fuerza centrifugada de los vehículos. CR = fluencia lenta. CT = fuerza de colisión de un vehículo. CV = fuerza de colisión de una embarcación. FR = fricción. IC = carga de hielo. IM = incremento por carga vehicular dinámica. LL = sobrecarga vehicular. LS = sobrecarga viva. PL = sobrecarga peatonal. SE = asentamiento. SH = contracción. TG = gradiente de temperatura. TU = temperatura uniforme. WA = carga hidráulica y presión de flujo de agua. WL = viento sobre la sobrecarga. WS = viento sobre la estructura. EQ = Efectos provocados por sismo.. Dentro de las cargas transitorias las que utilizaremos en este proyecto serán las cargas por sobrecarga viva vehicular (LL) e incremento por carga vehicular dinámica (IM)..

(53) 47. 3.4.4.2.1. Sobrecarga viva vehicular (LL): El AASHTO LRFD trabaja con un modelo teórico de sobrecarga viva vehicular HL-93 el cual es una combinación de: o Camión de diseño. La Norma AASHTO LRFD especifica en el artículo 3.6.1.2.2 las características del camión de diseño, indicadas a continuación en la figura # 22.. Figura 22: Detalles de camión de diseño. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 3.26).. o Tándem de diseño. Compuesto por dos ejes simples que en sus extremos poseen ruedas dobles cada eje de 11.34 Ton separados a una distancia de 1.20 m, la separación transversal de las ruedas del tándem de diseño será de 1.83 m al igual que el camión de diseño..

(54) 48. Figura 23: Detalles de Tándem de diseño. Fuente: (Rodríguez Serquén, 2016, págs. ll-2). o Carga del carril de diseño. La carga del carril de diseño consistirá en una carga de 952 kg/m, uniformemente distribuida en dirección longitudinal. Transversalmente la carga del carril de diseño se supondrá uniformemente distribuida en un ancho de 3.0 m. Las solicitaciones debidas a la carga del carril de diseño no estarán sujetas a un incremento por carga dinámica. (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, pág. 3.26). Figura 24: Detalles del carril de diseño. Fuente: (Rodríguez Serquén, 2016, págs. ll-2).

(55) 49. 3.4.4.2.2. Camión de fatiga. Al momento de realizar el chequeo por fatiga el camión que se utilizará según el AASHTO LRFD en sus artículos 3.6.1.4 será similar al del camión de diseño con la diferencia que la separación que hay entre los ejes de 14.51 Ton será de 9.0 metros.. 3.4.4.2.3. Presencia de múltiples carriles cargados. La solicitación extrema correspondiente a sobrecarga se deberá determinar considerando cada una de las posibles combinaciones de número de carriles cargados, multiplicando por un factor de presencia múltiple correspondiente, para tomar en cuenta la probabilidad de que los carriles estén ocupados simultáneamente por la totalidad de la sobrecarga de diseño HL93 (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 3-19). Tabla 13: Factor de presencia múltiple. Número de carriles cargados. Factor de presencia múltiple. 1. 1.20. 2. 1.00. 3. 0.85. >3. 0.65. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 3-20). 3.4.4.2.4. Incremento por carga dinámica (IM): En el caso del camión o tándem de diseño sus efectos estáticos se verán incrementados (mayorados) mediante los porcentajes indicados en la tabla # 14..

(56) 50. Tabla 14: Incremento por carga dinámica. COMPONENTE Juntas del tablero - Todos los Estados Límites. IM 75%. Todos los demás componentes . Estado Límite de fatiga y fractura. 15%. . Todos los demás Estados Límites. 33%. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 3-32). 3.5. Parámetros para diseño de vigas metálicas compactas. En el diseño de vigas metálicas tomaremos como referencia las normas del AASHTO mediante factores de carga y resistencia. 3.5.1. Secciones compuestas. Las secciones compuestas consisten en un tablero de concreto y una viga de acero unidas mediante conectores de corte (sección 2.1.5.1), de acuerdo con el AASHTO LRFD en el artículo 6.10.1.1.1a, las tensiones elásticas en la sección compuesta serán calculadas como la sumatoria de las tensiones generadas de forma individual por: . La sección de acero.. . La sección compuesta a corto plazo (n).. . La sección compuesta a largo plazo (3n)..

(57) 51. De acuerdo con el AASHTO 6.10.1.1.1b-1 la relación de módulos (n) se debe tomar mediante la siguiente ecuación:. 𝒏=. 𝑬𝑺 𝑬𝑪. Ecuación 2: Ec. 6.10.1.1.1b-1 (AASHTO LRFD) -Relación de módulos. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 6-83).. Donde: 𝐸𝑆 = módulo de elasticidad del acero. 𝐸𝐶 = módulo de elasticidad del hormigón. El módulo de elasticidad según el AASTHO para puentes se calcula mediante la ecuación # 3. 𝑬𝑪 = 𝟎. 𝟎𝟒𝟑 ∗ 𝜸𝒄𝟏,𝟓 ∗ √𝒇´𝒄 Ecuación 3: Ec. 5.4.2.4-1 (AASHTO LRFD) -Módulo de elasticidad. Fuente: (Norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2014, págs. 5-21).. Donde: 𝜸𝒄 = Densidad del hormigón (kg/𝑚3 ). 𝒇´𝒄 = Resistencia a la compresión especificada del hormigón (Mpa)..