2. calibración del camión de diseño cc 14 - juan francisco correal

Presentación de la Norma Colombiana de Diseño

de Puentes LRFD CCP 14

Calibración del Camión de Diseño

CC-14

Juan F. Correal, J. C. Reyes, M. Sánchez-Silva, D. Castro, D. Sequera,

PeDelta y Santander Asociados

Cali 3 de Septiembre de 2015

Comité AIS-200

1. Introducción

2. Definición de las tipologías de puentes del

estudio

3. Calibración de modelo computacional

4. Comparación AASHTO vs. CCP-95

5. Índice de confiabilidad estructural para puentes

6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

Contenido

Estudios Anteriores en Colombia:

• 1982- “Control de Pesos y Dimensiones de los

Vehículos en las Carreteras Nacionales”- MOPT

(Ministerio de Obras Públicas y Transporte):

Determinaron las características de dimensiones y

pesos de los camiones que circulaban en el país.

Diferencias importantes al camión de diseño de

AASHTO

1. Introducción


• 1988- Se adoptó por MOPT un camión denominado

3S2 para el diseño de puentes (Mayoración del Camión

AASHTO y Línea de Carga).

• 1995- AIS elaboró por encargo del INVIAS CCP-95, en

donde se adopta C40-95 y línea de carga, basado en

estudios de tesis de Universidades de Bogotá y

mediciones parciales de campo.

1. Introducción


• 1996- “Definición de la Carga de Diseño para Puentes

en Colombia” desarrollado por UNAL-Bogotá a solicitud

del INVIAS:

1. Confirma la validez de la carga C40-95, pero

propone un tren de carga de dos cargas

concentradas de 11ton separados 1.2m (puentes

cortos entre 4m-8m), para corredores no

carboníferos.

2. Aumento de cargas vivas de diseño para puentes

en corredores carboníferos.

1. Introducción

Estudios Anteriores en EE.UU (AASHTO):

• AASHTO (American Association of State Highway and

Transportation Officials), tiene desde 1921 un comité

encargado de BDS (Bridge Design Specifications).

• 1994 se edita por primera vez la primera versión

AASHTO LRFD BDS, la cual esta basada en el

concepto de confiabilidad estructural, con el propósito

de garantizar probabilidades de falla muy bajas del

orden de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5).

1. Introducción

1. Introducción

Estudios Anteriores en EE.UU (AASHTO):

• Un nuevo modelo carga viva vehicular de diseño (HL93)

fue desarrollado en el AASHTO LRFD BDS, dado que el

vehículo de diseño (HS20) de la especificación

estándar no representaba adecuadamente el nivel

del tráfico de servicio en los puentes en EE.UU.

• HL93 es una combinación del HS20 ó Tandem y

línea de carga, desarrollado con datos de tráfico de

camiones de ministerio de transporte de Ontario

proyectado a 75 años.

1. Introducción

+

9.34 kN/m

35.6 kN 142.3 kN 142.3 kN

4.3m 4.3 a 9.1 m Longitud que produce las

máximas solicitaciones

111.2 kN 111.2 kN

1.22 m

+

9.34 kN/m

Longitud que produce las máximas solicitaciones

AASHTO LRFD HL93:

Nota: para M(-) usar el 90% del efecto de dos camiones separados min. 15.3m + 90% del efecto de la línea de carga. La distancia de los ejes traseros debe ser 4.3m.

1. Introducción

AASHTO LRFD Comparación Tráfico Servicio vs.

HS20 y vs. HL93 :

1. Introducción


estudio





Contenido

2. Definición de las Tipologías de Puentes

L

L L

0.8L L 0.8L

L = 1.5, 3.0, 4.5, 6, …, 39m

Luces ó Vanos Considerados


Materiales y super-estructura

1.5m L 15.0m : Concreto reforzado tipo losa

Espesor de la losa calculado con AASHTO

15.0m < L 19.5m : Concreto reforzado tipo viga y losa

Altura de la viga calculada con AASHTO

Ancho de la viga = 0.40m.

Espesor losa = 0.20m.

19.5m < L 39.0m : Concreto presforzado tipo viga y losa

Se predimensionaron secciones

transversales para 25m, 30m, 35m, 40m

Estos tipos de puentes contemplados representan más del 80% de los puentes existentes en Colombia


Sección trasversal

2 Carriles de 3.65m + 2 bermas de 1.80m + 2 barreras de

0.35m

Capa de rodadura de 10cm equivalente a 2.21 kN/m2

Si aplica, vigas separadas 2.90m con voladizos de 1.45m

Peso especifico del concreto reforzado: 23.54 kN/m3

1. Introducción


estudio





Contenido

3. Calibración del Modelo Computacional

Rutina en Computador en el Programa MATLAB:

• Calcular en cualquier punto de la luz del puente fuerzas

internas (cortante, momento) tanto para cargas muertas

y cargas vivas (camión, tándem, línea de carga o

cualquier tipo de vehículo).

• Determinar fuerzas internas de diseño para vigas

internas o externas (factor de distribución del AASHTO)

incluyendo impacto, factor de múltiples carriles, factor

de carga

• Calcular el índice de confiabilidad b.


Reproducir las figuras del código AASHTO relacionadas

con los efectos producidos por la carga viva.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 501

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Luz (m)

Rela

cio

n d

e m

om

ento

s e

n e

l centr

o d

e la luz (

MH

L93/M

HS

20)

CALCULADO

AASHTO




0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 501

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s a

0.4

L (

MH

L93/M

HS

20)

CALCULADO

AASHTO




0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 501

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Luz (m)

Rela

ció

n d

e C

ort

ante

s p

ositiv

os e

n los a

poyos (

VH

L93/V

HS

20)

CALCULADO

AASHTO

1. Introducción


estudio





Contenido


AASHTO LRFD-12

Momento positivo 1L: camión + línea, tandem + línea.

Momento positivo 2L: camión + línea, tandem + línea.

Momento negativo 2L: dos camiones + línea de carga.

Cortante: camión + línea, tándem + línea.

CCP-95

Momento positivo 1L: camión o línea+puntual.

Momento positivo 2L: camión o línea+puntual.

Momento negativo 2L: dos líneas + dos puntuales.

Cortante: camión o línea+puntual.


0 5 10 15 20 25 30 35 400.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s (

MH

L93/M

C40-9

5)

Mss CV

Mss con I y Factores de combinación

Mss con todos los Factores

Mss Ult CV+CM

Mss ult CV+CM = Mu (I,m,FD, g)/f


0 5 10 15 20 25 30 35 400.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s (

MH

L93/M

C40-9

5)

Mss CV

Mss con I y Factores de combinación

Mss con todos los Factores

Mss Ult CV+CM

0 5 10 15 20 25 30 35 400.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s (

MH

L93/M

C40-9

5)

Vss CV

Vss con I y Factores de combinación

Vss con todos los Factores

Vss Ult CV+CM

0 5 10 15 20 25 30 35 400.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s (

AA

SH

TO

/CC

DS

P)

M+ CV

M+ con I y Factores de combinación

M+ con todos los Factores

M+ Ult CV+CM

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Luz (m)

Rela

ció

n d

e m

om

ento

s (

AA

SH

TO

/CC

DS

P)

M- Sin Factores

M- Sin FDist

M- con Factores

M- Ult

1. Introducción


estudio





Contenido

5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes

S

R

Falla Z= R-S

R= Resistencia S =Demanda (Cargas)


Resistencia Puentes de Concreto reforzado

1.5m L 15.0m : Concreto reforzado tipo losa

15.0m < L 19.5m : Concreto reforzado tipo viga y losa

Rn=Ru/f

Por ejemplo: Mn =Mu/f , Vn =Vu/f

Resistencia Puentes de Presforzado

19.5m < L 39.0m : Concreto presforzado tipo viga y losa

Diseñar (CCP95 y 14, AASHTO) el puente y determinar la

resistencia (diseño servicio y verificación Estados últimos)


Resistencia de los Puentes

• Depende de cada Código de Diseño (p.ej: Mu/f)

• Se supuso una distribución log-normal, con valor medio

calculado (Rn), coeficiente de variación y factor de

sesgo (bias) que depende del material y fuerza interna


Carga Muerta

• Se determina basada en las dimensiones del puente

• Se supuso una distribución log-normal, con valor medio

calculado (CM), coeficiente de variación y factor de

sesgo (bias) basado en un estudio de Nowak 1999.

Parámetrosdelacargamuerta bias COV

Factory-mademembers 1.03 0.08Cast-in-placemembers 1.05 0.10

Wearingsurface 1.00 0.25


Carga Viva

• La distribución de la carga viva se obtuvo utilizando

simulaciones de Monte Carlo.

• Proceso consistió en evaluar el efecto (Mom., Cort.) de

diferentes trenes de camiones (generados aleatoriamente)

representativos durante un día de tráfico (TPD) extrapolando

dicho efecto a un periodo de 75 años.

• Para cada puente (luz) se evaluaron 1,000 simulaciones

(182,000 en total) variando:

Tipo Camión que Circula por el Puente

Peso de los Camiones

Distancia entre Camiones


Ejemplo de cuatro realizaciones de la simulación


Tipo de Camión INVIAS

Qué tipos de camiones pasan? Con qué distribución?


Tipo de Camión Permitidos por el INVIAS

Camión C2 Camión C3

Camión C2-S3 Camión C3-S2

Camión C3-S3


Tráfico promedio diario por Departamento

Distribución porcentual de camiones por tipo.

C2 C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3

Antioquia 45.51% 9.73% 6.25% 8.79% 29.73%

Arauca 73.33% 17.22% 0.00% 1.11% 8.33%

Bolívar 27.98% 7.21% 11.39% 12.79% 40.62%

Boyacá 41.72% 9.31% 0.98% 4.43% 43.56%

Caldas 91.33% 1.96% 0.16% 0.90% 5.64%

Casanare 11.06% 15.45% 1.59% 53.23% 18.68%

Cauca 62.79% 15.95% 0.76% 3.36% 17.13%

Cesar 10.41% 5.88% 0.52% 2.97% 80.22%

Cundinamarca 44.11% 30.01% 0.79% 5.03% 20.06%

Guajira 31.95% 4.53% 1.11% 2.82% 59.58%

Huila 61.12% 17.30% 0.89% 6.54% 14.14%

Meta 8.66% 11.90% 0.64% 53.97% 24.84%

N.Santander 49.00% 17.34% 1.44% 7.15% 25.06%

Risaralda 65.11% 20.24% 1.63% 2.24% 10.78%

Sucre 48.65% 11.14% 11.03% 9.19% 19.99%

Tolima 27.75% 5.18% 6.03% 18.50% 42.54%

ValledelCauca 3.25% 1.31% 16.37% 17.55% 61.52%

P.Estadística 41.40% 11.86% 3.62% 12.39% 30.73%

Críticos


Distribución del tráfico por Departamento


Peso de los camiones

W1,1 W1,2 W2,1 W2,2 W2,3 W3,1 W3,2 W3,3

Cuál es la carga en cada eje?


Peso de los camiones

1. Carga permitida (INVIAS) en cada eje de los tipos de camiones (kN)

2. Se supuso como una variable aleatoria distribuida log-normalmente. Los parámetros de la distribución se calcularon bajo el supuesto de que la carga tiene un coeficiente de variación del 30% y que la probabilidad de excedencia de la carga máxima permitida del INVIAS corresponde a los registros de violaciones en los pesajes.


Distancia entre Camiones

W1,1 W1,2 W2,1 W2,2 W2,3 W3,1 W3,2 W3,3

d1,2 d2,3

Cuál es la distancia entre camiones?

Distancia entre camiones se calcula como (25 y 45km/h; [65 Km/h -

AASHTO]):

Donde el tiempo es una V.A.exponencialmente distribuida con tasa

l=1/TPD [camiones/sec] (min t = 0.5sec):


Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

Momento en Puentes Simplemente Apoyados



Momento Positivo en Puentes 2 Luces



Momento Negativo en Puentes 2 Luces



Cortante en Puentes Simplemente Apoyados



Cortante en Puentes 2 Luces

1. Introducción


estudio





Contenido

6.Carga Viva de Diseño CCP 2014

Tandem + línea de 10.3 kN/m

Nota: para M(-) y Rapoyos usar dos camiones separados min. 15m + 100% línea

de carga o dos tandems separados entre 8m y 12m + 100% línea de carga.

Para redes terciarias se puede utilizar a juicio de la autoridad competente el

80% del CC 14.

Carga de Carreteras CC 14

Camión + línea de 10.3 kN/m

6.Carga Viva de Diseño CCP 2014

Observaciones:

• El modelo de carga viva siguió para su definición, los criterios

y métodologias utilizados en estudios previos como (Nowak

1999), (NCHRP report 683 2011), ( Oh-Sung Kwon, et al.

2010) y (Universidad Nacional de Colombia 1997).

• No se incluyó el caso de Departamentos con cargas extremas;

i.e., excesivamente altas (zonas carboniferas) o

extremadamente bajas. En casos extremos es importante

realizar una evaluación detallada de la carga viva

• Se considera relevante adelantar estudios que incluyan

nuevos protocolos y metodologías de medición de tráfico en

puentes p.ej: WIM (weight-in-motion).

Gracias!

2. calibración del camión de diseño cc 14 - juan francisco correal

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