7 cargas y filosofia del diseño

5/17/2018 7 Cargas y Filosofia del Dise o - slidepdf.com

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CARGAS Y FILOSOFÍADE DISEÑO

Por: Ing. Elsa Carrera Cabrera



Ing. Elsa Carrera Cabrera

Definición y Clasificación de Las Cargas Las cargas se definen como todas las fuerzas que actúan tanto

sobre la superestructura como la infraestructura. Estas se

subdividen en :

a) Permanentes

b) Variables

c) Excepcionales

a) Cargas Permanentes: Son aquellas que actúan durante la vida

útil de la estructura, sin mayor variación.

a.1) Peso propio: Se consideran como cargas de “peso

propio” las cargas de todos los elementos propios del

conjunto estructural portante. Ejemplos de pesos unitarios

en la siguiente tabla.




TABLA DE PESOS UNITARIOS POR MATERIAL

1,000Agua fresca

2,320Concreto Densidad Normal(f'c<35MPa)

960Madera fuerte

7,850Acero

7,200Hierro2,250Asfalto

1,925Terreno Denso

1,600Terreno Suelto

2,240+2.29 f'c

f'c en MPa

Concreto Densidad Normal

(35<f'c≤105 MPa)

2,800Aluminio

Kg/m3Materiales




a.2) Peso muerto: Se considera como “peso muerto” a todas

las cargas que actúan en la estructura de manera permanente, pero no cumplen la función de elemento portante; por lo tanto, son las cargas de los elementos queayudan en el cumplimiento de la función de la estructura en el

servicio que presta. Algunos ejemplos:

Peso del asfalto

Peso de las barandas

Peso de los postes

Peso de las veredas

Elementos Arquitectónicos

Peso del balasto

Peso de los durmientes

Peso de los rieles

a.3) Empuje de tierras: Para el caso de la infraestructura.

Viaductos Carreteras

Viaductos Ferrocarriles




b) Cargas Variables : Son aquellas que tienen variación frecuente y significativa en relación a su valor medio. Aquí se

incluyen las sobrecargas según el uso, así como los efectos

dinámicos, frenado, fuerza centrífuga y otros. Además se

incluyen en este grupo de cargas, las fuerzas aplicadasdurante la construcción, las fuerzas de empuje de agua, sub-

presión, así como sismo, viento y las ocasionadas por la

variación de temperatura.

c) Cargas Excepcionales.- Son aquellas acciones cuya

probabilidad de ocurrencia es muy baja, pero en

determinadas condiciones deben ser consideradas por el proyectista, como por ejemplo las debidas a colisiones,

explosiones o incendios, o cargas excepcionales.




Ejemplos de cargas Variables

– Variación Térmica

– Contracción y creep del concreto

– Viento

– Sismo

– Empuje de la corriente (en caso de ríos, o del mar)

– Sub-presión (caso de estructuras sumergidas o semi- sumergidas)

– Impacto

– Centrífuga (producidas por los vehículos en curva)

– Frenado (producida por los vehículos)

– Sobrecargas de diseño




Sobrecargas de diseño En función del servicio que presta, la estructura debería pesar lo

menos posible y ser capaz de soportar más carga adicional, estas

condiciones nos indican que tenemos un diseño adecuado, al contar

con una estructura liviana capaz de resistir grandes cargas de

servicio.

La sobrecarga de diseño, para el caso de puentes en vías, está

regida por reglamentos establecidos bajo estudios realizados a lo

largo de muchos años, en los cuales los elementos de hipótesis de

carga son camiones estándares y trenes de carga. En el caso de

puentes carreteros, se tienen cargas puntuales que varían en su

posición longitudinal y/o transversal, según sea el caso. En el Perú,

recientemente contamos con un Manual de Diseño de Puentes,

basado fundamentalmente en el Reglamento Americano AASHTO y

su propuesta LRFD con la S/C HL-93.




Criterios de Diseño

ASD ALLOWABLE STRESS DESIGN

LRFD LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN

En un estado simple ( ASD ) la seguridad en un diseño ingenieril

es asumido por la sección transversal y los materiales que

suministran en exceso la demanda por la aplicación de lascargas.

Suministro ≥ Demanda

ó dicho de otra de otra forma

Resistencia ≥ Efectos de las cargas. (




0.1 W

0.1 W

0.4 W

0.4 W 0.4 W

0.4 W

0.2W

0.8

W

0.8

W

3.05 m

1.83 m0.61 0.61

Sardinel

Camión Tipo HS(3 ejes)

P 4P 4P

a b

a b

1. REG. AMERICANO - ESPECIFICACIONES ESTANDAR

AASHTO: S/C HS-20 Y S/C HS-25

1.1 Camión (HS) 1.2 Sobrecarga equivalente

Pi (tn)

We (kg/m)/ancho de vía

TIPO

Peso

Camión(tn)

P(tn) a(m) b(m) We(kg/m)

Pi

P. Corte(tn)

Pi

P. Momento(tn)

HS-20

HS-25

32.66

40.82

3.63

4.54

4.27

4.27

4.27-9.14

4.27-9.14

952.4

1,190.5

11.8

14.7

8.2

10.2

Ancho de vía = 3.05 m




Sección Transversal

1.22 1.83 mV´ 1.83 m

Sardinel

V´= 0.30 m, para el cálculo de Losas

V´= 0.61 m, para el cálculo de Otros Elementos

DIMENSIONES DE LLANTAS:

Posteriores Delanteras

- Ancho de Repartición de Llanta (A) 0.50 m 0.25 m

- Longitud de Repartición de Llanta (B) 0.10 m 0.10 m

(A) El ancho de repartición de llanta se considera en sentido transversal al

del sentido del tráfico vehicular.

(B) La longitud de repartición de llanta se considera en el sentido del

tráfico vehicular.

ContinuaciónAASHTO STANDARD




REGLAMENTO ASSHTO (STANDARD)

Impacto

I = Fracción del impacto (30% como máximo)

L = Longitud en pies de la porción de la luz que está cargada para producir el máximo esfuerzo en un miembro.

La longitud deberá ser considerada como sigue, en los diferentes

casos:

– Para piso de caminos carreteros, usar la longitud de la luz dediseño.

– Para miembros transversales, tales como vigas de piso, usar lalongitud de la luz centro a centro de los soportes.

I = 50 .L + 125





ContinuaciónR. AASHTO STANDARD

– Para calcular los momentos de la carga de camión usar lalongitud de la luz, excepto para brazos en cantilever endonde deberá usarse la longitud desde el centro demomentos al eje más lejano del voladizo.

– Para corte, debido a cargas de camión, usar la longitud dela porción de luz cargada desde el punto en consideraciónhasta la reacción más alejada, excepto para brazos encantilever en donde deberá usarse una fracción del impacto de 30%.

– Para luces continuas, usar la longitud de la luz enconsideración para momento positivo, y usar un promediode dos luces adyacentes cargadas para momento negativo.

– Para alcantarillas con relleno de:

0´ a 1´- 0´ inclusive, I = 30%

1´ - 1”a 2´- 0´ inclusive, I = 20%

2´- 1” a 2´- 11“ inclusive, I = 10 %




Fuerza de Frenado

Igual al 5% de la carga viva en todas las líneas de tráfico enla misma dirección. El centro de gravedad de esta fuerzalongitudinal será ubicado 1.83m. sobre el piso de la losa y

transmitida a la subestructura a través de la superestructura.

Fuerza Centrífuga

Será determinada como un porcentaje de la carga viva dediseño sin impacto y en todas las líneas de tráfico.

Donde:

S = velocidad de diseño en km/hora (millas/hora)

R = radio de la curva en metros (pies)

La fuerza centrífuga se aplica a 1.83m. Sobre la superficie de

rodadura.

C = ( 6.68 S ² / R) = 0.79 S ²

R





Presión de Agua en movimiento

Para porciones de estructuras que están sujetas a la fuerza del agua, hielo y que deben ser diseñadas para resistir estas

fuerzas. La presión de flujo de agua en pilares esta dado por:

P= 52.5 K V 2

Donde :

P = presión de agua (Kg/m2 )

V = velocidad del agua (m/seg)

K = constante de forma que tiene los siguientes valores:1 3/8 para extremos de pilares cuadrados

2/3 para extremos de pilares circulares

1/2 para extremos de pilares con ángulos





COMBINACIONES DE CARGA (AASTHO STANDARD)

Las combinaciones de carga, para cargas de servicio y diseño con factores de carga

están dados por:

GRUPOS (N) = γ [ β D * D + β L (L+I) + BC CF + β E E + β B B + β S SF + β W W +

β WL WL + β L LF + β R (R+S+T) + β EQ EQ + β ICE ICE]

Donde:

N = Número de Grupo WL = Carga de Viento sobre carga Viva

γ = Factor de carga ( Ver tabla) LF = Fuerza Longitudinal de Carga Viva

β = Coeficiente (Ver tabla) CF = Fuerza Centrífuga

D = Carga Muerta R = Acortamiento

L = Carga Viva S = Contracción

I = Impacto de Carga Viva T = Temperatura E = Presión de Tierra EQ = Sismo

B = Subpresión SF = Presión de flujo de corriente

W = Carga de Viento sobre estructura ICE = Presión de hielo




1 2 3 3A 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

D (L+I)n (L+I)P CF E B SF W WL LF R+S+T EQ ICE

I 1.0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 100

IA 1.0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 150

IB 1.0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 **

II 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 125III 1.0 1 1 0 1 1 1 0.3 1 1 0 0 0 125

IV 1.0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 125

V 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 140

VI 1.0 1 1 0 1 1 1 0.3 1 1 1 0 0 140

VII 1.0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 133

VIII 1.0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 140

IX 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 150

X 1.0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 100

I 1.3 1.67* 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0

IA 1.3 2.20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

IB 1.3 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

II 1.3 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0

III 1.3 1 0 1 1 1 0.3 1 1 0 0 0

IV 1.3 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0

V 1.25 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0

VI 1.25 1 0 1 1 1 0.3 1 1 1 0 0

VII 1.3 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0

VIII 1.3 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1

IX 1.2 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1

X 1.3 1 1.67 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

N O A

P L I C A B L E

FACTORES%

GRUPO

C o L N °

C a r g a d e S e r v

i c i o

D I S E Ñ O C

O

N F

A C T O R E S

D E C

A R G A

β E

β D

E

β E

β E

β E

β E

β E

β E

β E

β E

β E β E

β E

β E

β E

β E

β E

β Dβ D

β D

β D

β D

β D

β D

β D

β D

β D

TABLA DE COEFICIENTE Y

Alcantarilla

Alcantarilla





Consideraciones para diseño en

Cargas de Servicio

• Los Esfuerzos Permisibles podrán incrementarse en porcentajes indicados en la columna 14 (ver tabla).

• No se permite el incremento de Esfuerzos Unitarios paramiembros o conexiones cargados solamente con cargas deviento.

β E = 1.00 Para todas las cargas verticales y

laterales.





Para Diseño en Factores de Carga

β E = 1.3 Para presión de tierra horizontal en muros y

0.5 para el chequeo de momentos positivos en

pórticos rígidos

β E = 1.0 Para presión vertical de tierra.





β D = 0.75 Cuando chequeamos miembros con mínima

carga axial y máximo momento o excentricidad

máxima (para columnas).

β D = 1.00 Cuando chequeamos miembros con máxima

carga axial y mínimo momento (para columnas).

β D = 1.0 Para miembro en tensión y flexión.

β E = 1.0 Alcantarillas rígidas.

β E = 1.50 Alcantarillas flexibles.





2. Diseño de Cargas y Resistencia

Factoradas Load and Resistance Factor Design (LRFD) De la ecuación (1) se tiene que cuando las condiciones de carga

alcanzan su límite se presenta la falla.

Esto es una condición referida como un estado límite y se defineasí:

Un estado límite es una condición en la que mas allá de la cual un

componente estructural, tal como una fundación u otro elemento

del puente deja de cumplir la función para la cual fue diseñado. El estado límite de esfuerzos involucra el total o parcial colapso

de la estructura.

El LRFD fue introducido por el ACI en el código de 1956, peroinicialmente no incluyo ningún factor en la resistencia y solo se

factoraron las cargas y el código fue conocido como diseño de

cargas factoradas (LFD).




Según el LRFD, la resistencia expresión de la izquierda de la

ecuación (1) es multiplicado por un factor de resistencia, φ , cuyovalor es generalmente menor que uno.

Los componentes de carga señalados en el lado derecho de la

ecuación (1) son multiplicados por su respectivos factores de

carga, γi , y son usualmente valores mayores que uno. Los efectos

de las cargas para un determinado estado límite involucran una

serie de cargas tipo Qi. Por lo tanto, los efectos de las cargas se

pueden expresar como la sumatoria de γi.Qi

Si la resistencia normal esta dada por Rn entonces el criterio de

seguridad se puede escribir como sigue:




METODO LRFDMETODO LRFDFilosof Filosof íía de disea de diseññoo

DondeDonde

Rn : resistencia nominal

Rr : resistencia factorizada

γi : factor de carga (factor estadístico)

Qi : efectos de fuerzaφ : factor de resistencia

n : factor que relaciona a la ductilidad, redundancia e importancia

operativa, modificadores de carga.

n= nD x nR x nI >0.95nD : factor que se refiere a la ductilidad

nR : factor que se refiere a la redundancia

nI : factor que se refiere a la importancia operacional

Rr = φ Rn ≥ Σ ni γi Qi




METODO LRFDMETODO LRFD

Estados LEstados Líími temi te (Combinaciones)(Combinaciones)

A) Estado Límite de Servicio Restricción sobre esfuerzos, se basa Servicio Ien el diseño sobre esfuerzos permisibles. Servicio II

Servicio III

B) Estado Límite de Fatiga y Fractura Diseño bajo criterio de control de grietas. Fatiga

ESTADOS C) Estado Límite de Resistencia Diseño que sera tomado en cuenta para Resistencia ILI MI TE asegurar resistencia y estabilidad de Resistencia II

una estructura durante su vida útil. Resistencia IIIResistencia IVResistencia V

D) Estado Limite de Evento Extremo Diseño que sera tomado en cuenta para Evento Extremo I

asegurar supervivencia estructural. Evento Extremo II




COMBINACIONES DE CARGA (AASTHO LRFD)




NOTACIONES Y FACTORES PARA CARGAS PERMANENTES




NOTACION

CARGAS TRANSITORIAS

BR Fuerza de frenado vehicularCE Fuerza centrífuga vehicular

CR “Creep” del concretoCT Fuerza de choque vehicularCV Fuerza de choque de barcosEQ SismoFR FricciónIC Carga de hielo

IM Carga de impactoLL Carga viva vehicularLS Carga viva superficialPL Carga viva de peatonesSE AsentamientoSH Contracción

TG Gradiente de temperaturaTU Temperatura uniformeWA Carga de agua y presión del flujoWL Efecto de viento sobre la carga viva

NOTACIONES PARA CARGAS TRANSITORIAS





Factor de Resistencia (φ)

A) Para el Estado L A) Para el Estado Lí í mite de Resistenciamite de Resistencia

Flexión y Tracción de Concreto Armado 0.90Flexión y Tracción de Concreto Presforzado 1.00Corte y Torsión Concreto densidad normal 0.90Compresión Axial con Espirales o Estribos 0.50-0.90 Aplastamiento en Concreto 0.70Compresión en modelos de bielas de compresión 0.70

y TracciónCompresión en zonas de concreto de densidad normal 0.80Tracción en el acero en zonas de anclaje 1.00

B) Para los demB) Para los demáás Estados Ls Estados Lí í mitesmites

Se asume : φ =1.00

Dentro de la ecuación básica de diseño LRFD, se considera un factor de resistencia, el cual

”factoriza” los esfuerzos resistentes de acuerdo al material estructural, y que varia por

diferentes solicitaciones, dependiendo del requerimiento de diseño que estemos siguiendo.

Valor de φ





Modif icadores de Carga ( n)Modif icadores de Carga ( n)

Este factor (n), esta relacionado directamente con la seguridad en el diseño de puentes. Depende

de tres variables las cuales son las siguientes : Ductilidad, Redundancia, Importancia Operativa :

A) Ductilidad ( A) Ductilidad (nnDD))

Se debe proporcionar la capacidad necesaria al sistema estructural, de tal forma que seasegure el desarrollo de significantes deformaciones inelásticas visibles antes de la falla.

DUCTILIDAD (nD)

Para el estado límite de resistencia, los valores de nD son:

- Para componentes y conexiones no dúctiles 1.05- Para componentes y conexiones dúctiles 0.95

Para los demás estados límite, el valor de nD es:

- Para elementos dúctiles y no dúctiles 1.00








B) Redundancia (B) Redundancia (nnR R ))

Condición que esta basada en la seguridad que brinda un puente, ante posibles eventos osolicitaciones extremas. En ese sentido deberán usarse rutas múltiples de carga, y

estructuras continuas a menos que se indique lo contrario.

REDUNDANCIA (nR )

Para el estado límite de resistencia, los valores de nR son:

- Para miembros no Redundantes 1.05- Para miembros Redundantes 0.95

Para los demás estados límite, el valor de nR es:

- Para elementos Redundantes y no Redundantes 1.00








C) Importancia Operativa (nC) Importancia Operativa (nII))

La clasificación referente a importancia operativa deberá tomar en cuenta losrequerimientos sociales, de supervivencia, de seguridad y de defensa. El propietario puede

declarar si un puente o una componente estructural, es de importancia operativa.

IMPORTANCIA OPERATIVA (nI)

Para el estado límite de resistencia y evento extremo,

los valores de nI son:

- Puentes de Importancia Operativa, como mínimo 1.05- Otros casos, como mínimo 0.95

Para los demás estados límite, el valor de nI es:

- Para elementos en general 1.00




a) Camión de Diseño :

b) Tándem de diseño

0.60 m General0.30m Borde de Losa

AASHTO LRFD: S/C HL-93




La carga viva correspondiente a cada vía será la suma de:

• Camión de diseño o Tándem (se toma la que produzca

mayor efecto), más• Sobrecarga repartida

c) Sobrecarga repartida :

Los efectos máximos de carga viva se multiplicarán por un factor

que considera la acción de múltiples sobrecargas:

0,650,851,001,20Factor

> 3321 Nº Vías Cargadas

W = 970 (kg/m) por ancho de vía de 3.00m




Impacto = IM Es un incremento de las cargas vivas correspondientes al camión o

al tandem de diseño, excepto para estructuras enterradas.

• Elementos de unión = 75%

• Para otros elementos = 33% 33%

No es necesario aplicarlo para componentes de madera

Fuerza de Frenado = BR

Igual al mayor de:

•25% de las cargas verticales de los camiones o tándems de

diseño de las vías en el mismo sentido de tráfico.•5% del camión o tandem de diseño más la carga repartida.

Esta fuerza horizontal actúa a 1.80 m. sobre el piso de la losa y es

transmitida a la infraestructura a través de la superestructura.




Fuerza Centrífuga = CE

Debe ser tomado como el producto del peso de los ejes del camión de Diseño o Tandem por el valor C.

Donde:V = velocidad de diseño (m/seg)

f = 4/3 para otras combinaciones de carga y 1 para fatiga

g = aceleración de la gravedad (9.807 m/seg 2 )

R = radio de la curvatura de la línea de tráfico (m)

La fuerza centrífuga se aplica a 1.80 m. sobre la superficie derodadura.

C = f V 2 / gR




Presión de Agua en movimiento Para estructuras que están sujetas a la fuerza del agua, hielo yque deben ser diseñadas para resistir estas fuerzas.

La presión de flujo de agua en pilares esta dado por:

p= 5.14 x 10 4 C D V 2

Donde :

p = Presión de flujo de agua (MPa)

V = Velocidad del flujo de agua (m/seg)C D = Coeficiente de forma del pilar que tiene los

siguientes valores:

0.7 para extremos semicirculares

1.4 para extremos cuadrados1.4 para arrastres acumulados0.8 para extremos con ángulos

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