Diseño y Construcción de
Puentes
Autor: Dr. Ing. Guillermo Godinez Melgares
Profesor Titular.
Departamento de Ingeniería Civil.
Facultad de Construcciones
Universidad de Oriente
Año 2010
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Análisis de Cargas y Combinaciones de Carga en Estructuras, Esquemas y mapas conceptuales de Dibujo Técnico
Un análisis detallado de las cargas y combinaciones de carga en estructuras, incluyendo factores de modificación, eventos extremos y ejemplos ilustrativos. Se exploran conceptos como la carga permanente, la carga viva, la carga de nieve, la carga de colisión y la carga hidráulica, así como la aplicación de métodos tradicionales para el cálculo de momentos flectores y fuerzas cortantes en puentes de losas y vigas.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
2023/2024
1 / 170
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Diseño y Construcción de
Puentes
Autor: Dr. Ing. Guillermo Godinez Melgares
Profesor Titular.
Departamento de Ingeniería Civil.
Facultad de Construcciones
Universidad de Oriente
Año 2010
Índice.
V Análisis de superestructuras de puentes de vigas y de losas.
- I Emplazamiento de los puentes. Tema Contenido Página. - 1.0 Introducción.
- 1.1 Definiciones relativas a los puentes.
- 1.2 Estudios de campo.
- 1.3 Emplazamiento.
- 1.3.1 Introducción.
- 1.3.2 Factores que influyen en la localización de los puentes.
- 1.3.3 Principios para la localización de pilas y estribos.
- 1.3.4 Longitud y altura de los puentes. - II Tipología de los puentes
- 2.1 Introducción.
- 2.2 Clasificación por estructura.
- 2.3 Dimensionamiento preliminar. - III Cargas.
- 3.1 Campo de aplicación del método de la AASHTO.
- 3.2 Cargas y denominación.
- 3.3 Cargas vivas.
- 3.4 Incremento por carga dinámica.
- 3.5 Factor de presencia múltiple.
- 3.6 Fuerza centrífuga.
- 3.7 Fuerza de frenado.
- IV Análisis de la superestructura.
- 4.1 Introducción.
- 4.2 Análisis longitudinal.
- 4.3 Análisis transversal.
- 5.1 Puentes de losas.
- 5.2 Losas de tablero.
- 5.3 Puentes de vigas.
- 5.3.1 Método de Guyon- Massonnet- Bares.
- 5.3.2 Método de reducción de hiperestaticidad.
- 5.3.3 Método de Courbon.
- 5.3.4 Método de los coeficientes aproximados de la AASHTO. - VI Subestructura.
- 6.1 Introducción.
- 6.2 Combinaciones de cargas.
- 6.2.1 Combinación en la pila con la fuerza de frenado.
- 6.2.2 Estribos. Combinación con empuje de tierras y sobrecarga.
Oficina Nacional de Carreteras Suiza L ≥ 3 m Secretaría de Transporte de Nueva Jersey
EE.UU. L > 6 m
1.1. Definiciones relativas a los puentes:
Concepto de: luz, vano y tramo.
Luz: Es la distancia existente entre los ejes de dos dispositivos de apoyo consecutivos.
Vano: Es la distancia existente de cara a cara de dos pilas contiguas o de cara a cara del estribo y la pila (si el puente es de una luz será de cara a cara de los estribos).
Tramo: Elemento estructural que lo salva.
Fig. 1.1-1. Concepto de luz, vano y tramo.
1.1.1. Clasificación de los puentes atendiendo al obstáculo a salvar
pasos
viaductos
puentes puentes
Puente: es aquella estructura que salva un río.
Viaducto: salva una depresión natural del terreno, el mar, lago, laguna, ladera de una montaña y en general cualquier obstáculo que tenga poca movilidad o ninguna.
Paso: Salva otra vía: si elevamos por encima la vía que se construye, se llama paso superior y si pasa por debajo se llama paso inferior.
Aquí se ha dado una clasificación de los puentes atendiendo al obstáculo a salvar, pero es posible dar muchas otras. Una clasificación muy importante es la de los puentes atendiendo a la función que realizan, es decir:
- Puentes para permitir el paso de vehículos ó trenes: puentes, viaductos y Pasos.
- Puentes para permitir el paso de personas: Pasarela.
- Puentes para conducir fluidos:
- Acueducto—Para conducir agua.
- Gaseoducto--- Para conducir gas.
- Oleoducto --- Para conducir aceites, petróleo, etc.
Tablero: es la parte resistente del puente a través del cual se produce la circulación de vehículos o trenes. Estos pueden ser de losa o de viga y losa; en este último caso con presencia o no de vigas transversales, conocidas con el nombre de diafragmas.
Fig. 1.1.1-1. Tableros de puentes.
A continuación se proyecta una lámina donde se pueden apreciar todos los elementos señalados.
Fig. 1.1.1-2. Esquema longitudinal de puente.
Fig. 1.1.1-3. Detalles de elementos del tablero.
1.2. Estudios de campo:.
Estos estudios que deben ser realizados en el campo con el objetivo de realizar posteriormente el trabajo en el gabinete. Estos deben realizarse con cuidado y buen criterio pues de nada sirve realizar un proyecto que pueda estar basado en datos erróneos. Se expone a continuación una clasificación para éstos:
Clasificación:
- Estudios topográficos.
- Estudios hidrológicos e hidráulicos.
- Estudios de Cimentación.
- Estudios de construcción.
- Estudios de tránsito.
Los estudios topográficos se refieren a un estudio de la topografía del lugar ó posibles lugares de cruce. Los hidrológicos e hidráulicos se refieren a la determinación del gasto de diseño para una determinada precipitación pluvial con una probabilidad dada y los hidráulicos se refieren a la determinación del nivel de agua para la crecida señalada y al calculo de las perturbaciones hidráulicas si hay constricción a la corriente de agua.
Los estudios de cimentación se refieren a las características del suelo en el lugar de cruce.
Los estudios de construcción se refieren a la forma en que se va a ejecutar la obra una vez realizado el proyecto.
Los estudios de transito son realizados por el Ingeniero vial. El ancho de carretera determina el ancho de puente.
Veamos a continuación cada uno de ellos:
1.2.1. Estudios topográficos:
Uno de los estudios más importantes a realizar cuando se desea hacer el proyecto y ejecución de un puente es el estudio topográfico. Se conoce que con un cartográfico preferiblemente a escala 1/25000 es posible determinar el lugar de cruce donde el mismo se desea realizar. También con este plano se puede definir el área de cuenca que le tributa al lugar del cruce.
Una vez definido esto y con visitas al lugar donde se piensa construir el puente, se procede a realizar un levantamiento topográfico en el cual de manera sintética mostramos a continuación:
Este perfil promedio se obtiene de levantar perfiles a 25 ó 50 metros a ambos lados del eje de la vía.
1.2.2. Estudios hidrológicos e hidráulicos:
Este aspecto es de vital importancia, pues entre los factores de naturaleza físico- geológica que vulneran a las vías y sus obras de fábrica se ha comprobado que el factor más vulnerador es precisamente el referido a la acción del agua.
La afirmación anterior ha quedado totalmente demostrada en el transcurso de los años. Así en Cuba, en el año 1963, el ciclón lora causó grandes destrucciones en carreteras y obras de fábrica, fundamentalmente en la provincia Guantánamo, en la cual se derribaron unos cuantos puentes importantes y más del 90 % de todos los puentes pequeños, lo que provocó que de forma emergente se creara un a tipificación para puentes de losas prefabricadas con el objetivo de sustituir todos los puentes pequeños que en la provincia señalada fueron destruidos.
Cuba por su posición geográfica es visitada todos los años por ciclones o Huracanes, pudiendo destacarse entre otros el ciclón Inés, el ciclón David y los Huracanes Alberto y George, los cuales han causado serios daños en las carreteras y obras de fábrica en Cuba.
En el año 1998 surge el huracán Mitch el cual desbastó a Centroamérica, causando muerte y desolación y destruyó prácticamente toda la infraestructura vial, pudiendo señalarse a Nicaragua como uno de los países que más daños sufrieron bajo los efectos de este Huracán.
De aquí se desprende la importancia que tiene los estudios hidrológicos e hidráulicos en el emplazamiento de los puentes y otras obras de fábrica para poder garantizar en ellos una seguridad adecuada ante los agentes atmosféricos señalados, así como frente al efecto de lluvias intensas.
Ya los estudios y las formulas hidrológicas fueron analizados en el postgrado anterior de Drenaje.
1.2.2.1. Estudios hidráulicos.
Se vio que en los estudios hidrológicos se determina el gasto de diseño para una probabilidad dada en función de la importancia de la obra.
En los estudios hidráulicos se determina el nivel de agua correspondiente a ese gasto (N.C.D.), pero si existe restricción a la circulación de la corriente, el estudio hidráulico debe ser complementado con el análisis de las perturbaciones hidráulicas provocadas por esa restricción.
Para determinar el NCD se hace uso de una fórmula muy conocida, que no es más que
la fórmula de Manning, la cual se expresa de la siguiente forma:
2 1 3 2
ar S
n
q ii
i
i =^
donde:
qi : gasto que circula por una subsección (m³/seg).
ni : coeficiente de rugosidad de la subsección. Depende da las condiciones del lecho, vegetación, etc (Tabulado).
Por otra parte, los valores que normalmente aparecen para n están dados solamente en función de la rugosidad de la superficie del canal, sin embargo, la bibliografía especializada plantea que el coeficiente de rugosidad depende de un conjunto de coeficientes parciales dado por la siguiente expresión.
n = ( n 0 + n 1 + n 2 + n 3 + n 4 ) n (^5)
n 0 :Depende del material del lecho.
n 1 :Es función de las irregularidades de la superficie del lecho.
n 2 :Depende de la regularidad de la sección transversal.
n 3 :Depende de la obstrucción dada por la presencia de obstáculos.
n 4 :Es función de la vegetación.
n 5 :Depende de la curvatura. n Crece 0.001 por cada 20 º^ de curvatura en un tramo de
30 metros.
En realidad para una actividad de proyecto no merece la pena tener en cuenta todos los
coeficientes señalados, generalmente se trabaja con η 1 , pero para una actividad de
revisión de puentes deben incluirse todos los coeficientes ya que con el transcurso de los años se llegan a producen muchas de las irregularidades ya señaladas.
Debe tenerse presente que en las curvas se puede producir por una parte, sedimentación del material y por otra parte, erosión, con la consecuente variación de la forma de la sección.
ai : área hidráulica de la subsección (m²).
P 2 = L^2 2 +(h 2 −h 1 )^2
Recuerde que la pendiente promedio del lecho del río es un dato, obtenido generalmente de estudios topográficos o de planos cartográficos de la zona.
Ahora bien, como se puede apreciar, la fórmula de Manning sirve para obtener gasto en cada subsección, sin embargo lo que estamos buscando es el nivel de crecida de diseño y para obtenerlo se acude a un proceso de interpolación gráfica por medio del cual se fijan niveles de agua y se determinan los gastos, los cuales se comparan con el de diseño hasta que este último esté comprendido entre dos valores calculados. Veamos: fijamos un nivel de agua H 1 :
Dato: gasto de diseño QD.
Y se divide el perfil en subsecciones de acuerdo a los criterios señalados anteriormente y en cada una de ellas se aplica la fórmula de Manning.
Luego se suman los gastos obtenidos en todas las subsecciones dando lugar a un gasto total Q 1 , el cual se compara con el de diseño QD. Veamos:
1 D
n
i 1
Q 1 = (^) ∑qi⇒Q <>Q
Se compara Q 1 con QD.
¿Qué sucede si Q 1 >Q (^) D? Ocurre que la altura de agua H 1 es mayor que el nivel correspondiente al gasto de diseño (NCD). Entonces se repetirá el proceso fijando una altura de agua H 2 menor que H 1 y así sucesivamente hasta que el QD se encuentre comprendido entre dos valores de gasto.
Si (^2) D
n
i 1
Q 1 = (^) ∑qi siQ <Q
se detiene el proceso y se realice una interpolación grafica.
Fig. 1.2.2.1-1. Determinación del NCD.
Una vez que se construye la gráfica con los valores de altura de agua y gastos correspondientes, entonces se entra con el gasto Q (^) D que es un dato y se obtiene el NCD.
Es decir: =∑
i Axi ai 1
e =∑
i Q (^) xi qi 1
Si a partir de las curvas señaladas se consideran dos puntos de abscisas separados una distancia Lj ó sea Lj = Bj – Aj, entonces:
Q (^) AB =Q’Bj – Q’Aj ,
Siendo el área igual a la diferencia de las ordenadas de las áreas acumuladas para los mismos puntos: AAB =A’Bj – A’Aj.
A j X
Q '
B j
A '
Q D A t
Q ' B j
Q ' A j
A ' B j
A ' A j
Q^ AB A^ AB
L j
N. E. D
X
A(m²) Q(m³/s)
QD
Lj
Q'Bj
Q'Aj
A'Bj
A'Aj
Anec
Q nec
Aj (^) Bj
At
La figura representada anteriormente muestra el modo de encontrar una longitud de puente para dejar libre una magnitud de área hidráulica debajo del mismo.
Conclusión:
- Estas curvas permiten conocer como están distribuidas las áreas y los gastos en la sección transversal del río.
- Permiten conocer el valor del gasto y del área que corresponden a cualquier subsección sin necesidad de aplicar nuevamente la fórmula de Manning.
- Permiten conocer parámetros importantes en la determinación de la longitud y la altura del puente.
Constricción a la corriente.
Sabemos que si se le da al puente una longitud tal que sea mayor que la correspondiente al espejo del agua, no se producirá restricción a la corriente, pero esto no es necesario ni económico , pues al dar esta solución, el puente sería muy costoso. Evidentemente, lo más racional es introducir el puente dentro del valle de inundación y velar porque las magnitudes de las perturbaciones hidráulicas que se generen, no rebasen los valores que les están permitidos.
La constricción a la corriente es un efecto que se produce cuando la estructura penetra en el valle de inundación produciendo una obstrucción al paso del agua.
Una forma de medir el grado de constricción a la corriente viene dada por la llamada Relación de apertura, μ.
Fig. 1.2.2.1-3 Constricción a la corriente.
Luego, la relación de apertura en este caso es:
D
D VI VD D
CP CP (^) Q
Q Q Q
Q
Q −( + )
llamando a (^) CP D
VI VD Q
Q Q
entonces: μ CP = 1 − λ CP que es el valor mínimo que debe alcanzar la relación de
apertura μ. luego, se tiene:
1 ≤ μ ≤ μ CP (1.2.2.1-4).
λ CP : Parámetro que se utiliza en el cálculo del remanso, una de las perturbaciones
hidráulicas que provoca la constricción a la corriente.
Altura de remanso
El remanso no es más que la elevación del nivel de agua sobre el nivel normal de circulación.
Cuando se produce una constricción a la corriente en cauce de pendiente suave (flujo subcrítico: Fr<1 ) se produce aguas arriba de la restricción un remanso cuya curva superficial es la mostrada en la Fig 1.2.2.1-5. Llámese sección 0 a aquella donde comienza la curva de remanso.
A partir de la sección 0 siguiendo el perfil por el eje del río vemos que comienza a incrementarse el nivel de agua hasta que en la sección 1 el agua alcanza el máximo nivel, por lo que el flujo es desacelerado produciéndose una disminución de la energía cinética hasta que ya en la sección 1 toda esa energía se convirtió en energía potencial. A partir de la sección 1 al dirigirse a la sección 2 el flujo se acelera alcanzándose en esta última sección el nivel que tenía el agua antes de producirse la restricción, siguiendo el recorrido por el eje del río el agua sigue incrementando la velocidad hasta que en la sección 3 toda la energía se ha convertido en cinética alcanzándose el máximo descenso en el nivel de agua. Esto último ocurre a la salida del puente. A partir de la sección 3 el agua comienza nuevamente a incrementar la energía potencial y a disminuir la energía cinética hasta que en la sección 4 aguas abajo de la restricción el agua alcanza nuevamente el nivel normal. Si llamamos :
U : energía potencial
K : energía cinética
Tenemos que durante todo el recorrido de la corriente ocurre que U+K=constante
Esto se conoce en la física como el principio de la conservación de la energía mecánica.
Vimos además que en la sección 1 el agua alcanza el máximo nivel, o sea, es donde se produce la mayor altura de remanso la cual es constante y forma una especie de cono de depresión alrededor de la abertura del puente.
Fig.1.2.2.1-5. Altura de remanso.
La importancia del remanso estriba en que si este sobrepasa el nivel de la rasante el agua pasa por encima de los terraplenes de aproche, se obstruye la circulación de los vehículos por la vía y se comienza a erosionar el talud aguas abajo de los terraplenes con el consecuente peligro de ser arrastrado totalmente.