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Ponencia presentada al XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil

EM - 08 / Autor: Ing. Raúl A. Morales Lagones

Gerencia XIII CONIC: Instituto de la Construcción y Gerencia - Pág. 1 Calle Nueve 472, San Isidro, Lima, Perú. Telefax: 225-9066. Email: icgperu@construcción.org.pe

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XIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - PUNO 2001

“DISEÑO SUPERESTRUCTURA DE PUENTE SECCION COMPUESTA”

ING. CIVIL CIP RAUL A. MORALES LAGONES Universidad Nacional de Ingeniería (FIC -UNI)

1.- RESUMEN Considerando como necesidad prioritaria el desarrollo urbano de los barrios de Ascensión y Yananaco de la localidad, distrito, provincia y departamento de Huancavelica, se programo para el presente año la ejecución del Proyecto “Puente Carrozable Yananaco”, por cuanto que ello significará la integración vial entre los barrios indicados y a la vez el acceso principal hacia Huancavelica desde la Carretera Palca-Huancavelica vía Ñuñungayocc; la presente ponencia se basa en esta propuesta y para la ejecución del proyecto se presenta el diseño de la superestructura en el sistema de Puentes de Sección Compuesta con Vigas Metálicas como elemento estructural principal de doble vía con una luz de 40 metros entre ejes de apoyo en el caso de 03 vigas principales metálicas respectivamente y cuya losa ó tablero de transito es de concreto armado.

2.- INTRODUCCION Los perfiles laminados de ala ancha son por lo general el tipo mas económico de construcción

para puentes de luces cortas. Con frecuencia, las vigas se utilizan como largueros longitudinales colocados a intervalos regulares, paralelo a la dirección del trafico, entre los estribos. El tablero colocado sobre la aleta superior, casi siempre provee soporte lateral contra pandeo. Los diafragmas entre vigas ofrecen arriostramiento adicional y también distribuyen lateralmente las fuerzas a las vigas antes de que el hormigón del tablero haya curado. Su uso es en zonas excesivamente frías o calurosas, donde no es frecuente contar con buenas condiciones para el vaciado del concreto, o cuando no se disponen equipos pesados para montar vigas muy pesadas o en países donde construir en acero es ventajoso frente la construcción en concreto, se recurre a ejecutar las vigas de acero (en general de planchas soldadas) y la losa vaciada «in situ» sobre la cabeza de las vigas; también se utilizan, en vigas continuas de inercia constante o variable, las vigas mixtas tipo cajón. Otra aplicación simultánea de acero y concreto, lo constituyen los puentes cuya estructura principal es reticulada de acero y llevan losa de concreto reforzado.

Puente de Sección Compuesta (en corte y vista). 3.- DESARROLLO

CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LA SUPERESTRUCTURA DEL PUENTE: - Puente de Sección Compuesta con tablero de rodadura de Concreto Armado en el cual está

considerado la vereda y vigas de acero de alma llena de dos vías.





- Longitud considerada entre ejes de apoyo 40,00 metros. - La sobrecarga móvil a considerarse de acuerdo a la zona será un convoy de carros HS - 20. - La sección de las vigas se asumirán mediante tanteos considerando las especificaciones de las

normas AASHTO M270 (ASTM A709), grado 36; el Método de Diseño es por factor de carga (LFD); las características de las vigas metálicas serán mediante perfiles soldadas VS ancladas a la losa mediante conectores con el cual formará una estructura compuesta de acero y C°A°. Ref. 3 y Ref. 4

- Los esfuerzos en la losa ó tablero de transito se diseñarán por el método de la resistencia última verificando el peralte útil por carga de servicio. Ref. 1 y Ref. 2

- El tipo de puente seleccionado será simplemente apoyado, conformado por apoyos móvil y fijo según las fuerzas verticales y horizontales que se generen.

DATOS Y ESPECIFICACIONES a) LOSA:

- Longitud entre ejes de Apoyo L = 40,00 mts. - Número de Vías del puente Nº V = 2 Vías; Ancho vial = 7.20mts - Espesor de la losa t = 0,20 mts. - Resistencia del concreto a emplear en losa f’c = 210 kg/cm2 - Fluencia del acero de refuerzo en losa f’y = 4,200 kg/cm2 - Sobrecarga móvil HS - 20 (Convoy de carga) P = 3,629 ton. - Sobrecarga peatonal en vereda S/Cv = 0,400 ton/m2 - Peso de la baranda metálica Wb = 0.200 tn/m3 - Peso especifico del Concreto Armado Wc = 2,400 tn/m3 b) VIGA DE ACERO: - Espaciamiento transversal de las vigas entre ejes S = 3,00 mts. - Espaciamiento de vigas entre ejes de las Alas S’’ = 2,80 mts - Fluencia de Acero tipo PGE-24 SIDER PERU f’y = 2,400 kg/cm2 - Peso Especifico del Acero en vigas Wa = 7850,00 tn/m3

DETALLE DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL:

3.1. PREDIMENSIONAMIENTO DE LA SUPERESTRUCTURA: * PERALTE MÍNIMO DE LA VIGA

h = L /30 = 1,33 m. asumir h = 1,35 m. < > 135,00 cm. * Peralte mínimo de la viga compuesta

hc = L /25 = 1,60 m = 160,00 cm.





* Espesor de la losa t = hc - h = 0.25 m. = 25,00 cm.

t = 0,10 + S/30 = 0,20 m; Asumir t = 20,00 cm. * Esfuerzos típicos de diseño - Resistencia mín. a la fluencia del acero: fy = 2400 kg/cm2 Acero tipo PGE - 24 SIDER

- Esfuerzo mínimo admisible en flexión del acero según reglamento AASTHO es: fb = 18,00 KSI = 1 260,00 kg/cm2

* Espesor del Ala ó Patin

tf = h * 0,0076 fy / 727 = 0,80 cm < >? 1,00cm. * Ancho del patín

bf = (tf * 103)/ 0,0078 fy = 23,81 cm. Se asumirá bf = 40,00 cm = 0,40 m. => S’ = S - bf = 3,00 - 0,40 = 2,60 m. ^ S’’ = S - bf/2 = 3,00 - 0,40/2 = 2,80 m. S’’ = Distancia entre ejes de ala de la viga principal.

Distribución de las cargas de ruedas en la losa de concreto Las reglas aplicables a la distribución de las cargas de las ruedas sobre las losas de concreto y algunas exigencias de proyecto adicionales son las siguientes. Ref. 3 y Ref. 4 a) Luces de cálculo: Para tramos simples, la luz de cálculo será la distancia entre ejes de los soportes, pero no

suponer a la luz libre más el espesor de la losa. Para el cálculo de la distribución de cargas y momentos flectores en losas continuas sobre más

de dos apoyos se debe tener en cuenta las siguientes condiciones. - Losas monolíticas con la viga (sin acuartelamiento) S = luz libre - Losas apoyadas en vigas metálicas: S = Distancia entre los bordes de las alas más la mitad

de la anchura del ala de la viga. - Losas apoyadas sobre vigas de madera: S = Luz libre más la mitad del espesor de la viga.

b) Momento flector: Caso 01: Armadura Principal Perpendicular en Dirección del Tráfico: Luces de 0,60 A 7,20 m.

El momento debido a la sobrecarga para tramos simples se determinará por la fórmula siguiente: ML = ( S’’ + 0,61)/ 9,74 * 2P En losas continuas sobre tres o más apoyos se aplicará a la fórmula anterior un coeficiente de continuidad de 0,80 tanto para momentos positivos como negativos. CASO 02: Armadura Principal Paralela a la Dirección del Trafico: Distribución de las cargas de las ruedas E = 1,20 + 0,60 * S, máximo 2,10 m. Las sobrecargas uniformes se distribuyen en una anchura de 8E. Las losas armadas Longitudinalmente se proyectarán para la sobrecarga adecuada de tipo HS. E = Anchura de zona de losa sobre la que se distribuye el efecto debido a carga en rueda S’’ = Longitud de la luz eficaz

3.2 ANALISIS Y DISEÑO DE LA LOSA ó TABLERO DE TRANSITO DE C°A°: a) TRAMO INTERIOR * Momento por peso propio

Metrado de carga para un metro de ancho de losa: - Losa = 1,002 * 0,20 * 2,400 = 0,480 ton.





- Bombeo = 1,002 * 0,036 * 2,400 = 0,086 ton. Wd = 0,566 ton./m2

Para obtener los momentos negativos y positivos se considerará un coeficiente de 0,10 de acuerdo a las recomendaciones de las normas AASHO y ACI. ==> ± MD = Wd * S’’ ^2 * 0,10 = 0,444 ton - m.

* Momento por sobrecarga móvil Para losas armadas perpendicularmente al sentido del tráfico se tiene la siguiente fórmula:

ML = S’’ + 0,61 * 2p = 2,541 ton - m. 9,74

En las normas de AASHO y ACI especifica para tomar en cuenta la continuidad de la losa sobre tres o más apoyos, se aplicará a la fórmula anterior un coeficiente de continuidad de 0,80 tanto para momento positivos como negativos. Ref. 3

± M s/c = ML * 0,80 = 2,033 ton - m. * MOMENTO POR IMPACTO

Coeficiente de Impacto : CI = (15,24)/ (S’’ + 38) = 0,374 > 0,300 MAL Como el valor hallado es superior al máximo recomendable dado, emplearemos como factor de

impacto CI = 0,30 por ello el momento de Impacto será: ± MI = CI * M s/c = 0,610 ton - m.

* VERIFICACION DEL PERALTE UTIL POR SERVICIO - Momento por servicio: ± M = M’D + M s/c + MI = 3,087 ton - m. - Esfuerzo de comprensión en el concreto: fc = 0,40 * f'c = 84,00 kg/cm2 - Esfuerzo permisible en el acero de refuerzo: fs = 0,40 * fy = 1 680,00 kg/cm2 - Módulo de elasticidad del acero de refuerzo: Es = 2 100 000 kg/cm2 - Módulo de elasticidad del concreto: Ec = 15 000 √ f'c = 217 370,65 kg/cm2 - Relación del módulo de elasticidad del acero al concreto: n = Es/Ec = 9,66 < >10 - Relación entre la tensión del acero y del concreto: r = fs / fc = 20 - Factor adimensional: k = n /(n+r) = 0,326 ; J = 1 - k /3 = 0,891

- Ancho de losa: b = 1,00 m = 100,00 cm. - Peralte útil de losa: d = 2M / fc. k.j.b = 15,91 cm < t; Considerar d = 16 00 cm.

¡BIEN! * DISEÑO DEL ACERO DE REFUERZO POR ROTURA: • Momento resistente a la rotura (positivo y negativo) ± Mv = 1,30 (MD + 1,67 (Ms/c + MI) = 6,315 ton - m. • Refuerzo positivo y negativo : Mv = Ø.As. fy (d - As fy / 1,70.fc.b)

Reemplazando valores: ± As = 11,39 cm2 < > 5/8’’ Ø @ 0,17 • Refuerzo mínimo: As min = 14 bd / fy = 5,33 cm2 < ± As ¡BIEN!

• Refuerzo por reparto: Cuando el acero principal se encuentra perpendicular al tráfico la cantidad de acero de reparto estará dado en % r = 121 / √S’’ pero no mayor que 67% del acero o refuerzo principal.

==> % r = 121 ÷ √2,80 = 72,31% > 67% = 0,67 Asr = % r * ± As = 7,635 cm2 • Refuerzo por temperatura : Ast = 0,0018 b.t = Ast = 3,60 cm2

Repartiendo en ambos sentidos : Ast = 3,60/2 = 1,80 cm2 < 2,64 cm2 ¡BIEN! ==> Se colocarán refuerzos de 3/8 ‘’ Ø @ 0,34 < 0,45 ¡BIEN! NOTA: El refuerzo por reparto se hallará adicionando el acero por temperatura

al acero de refuerzo por reparto hallado anteriormente.





� Asr = 7,635 + 1,80 = 9,435 cm2 < > 1/2’’ Ø @ 0,14 * VERIFICACION DE LA CUANTIA

- Cuantía balanceada: pb = 0,85 ß. (f’c/ fy).6300 /(6300 + fy) = 0,0217 - Cuantía máxima: Pmáx = 0,75 Pb = 0,0165 - Cuantía mínima: Pmin = 0,18 f’c/fy = 0,009 - Cuantía del refuerzo principal: P = As /bd = 0,0071

P < Pmax < Pmin ¡BIEN! ; La losa fallará por fluencia de acero RESUMEN ACERO DEL TRAMO INTERIOR:

- Refuerzo positivo y negativo = 5/8’’ Ø @ 0,17 - Refuerzo por reparto = 1/2’’ Ø @ 0,14 - Refuerzo por temperatura:

Transversal = 3/8’’ Ø @ 0,34 Longitudinal = 3/8’’ Ø @ 0,34

b) TRAMO EN VOLADIZO * MOMENTO POR PESO PROPIO: MD = 1,767 ton - m.

* Momento por sobrecarga MÓVIL: X = 0,90 - 0,30 - 0,10 - 0,305 = 0,195 m. Por refuerzo perpendicular a tráfico el ancho efectivo será:

E = 0,80 * X + 1,143 = 1,299 m. ==> ML = 2 Px / E = 1,090 ton - m * MOMENTO POR IMPACTO: MI = CI * ML = 0,327 ton - m

* Acero de refuerzo Mµ = 1,30 [MD + 1,67 (ML + MI)] = 5,373 ton - m

Mµ = 0,90.As. fy (d - As.fy ) ; Reemplazando: As = 9,55 cm2 < Refuerzo en tramo interior 1,70.fc.b

En vista que el refuerzo en tramo en voladizo es menor que del tramo interior se colocarán los mismos refuerzos calculados tanto positivo como negativo de la losa en tramo interior.

c) DISEÑO DE VEREDA: * MOMENTO POR PESO PROPIO: MD = 0,322 ton - m. * MOMENTO POR SOBRECARGA: ML = 0,400 * 0,90^2 * 0,50 = 0,162 ton - m * MOMENTO POR IMPACTO. Es necesario considerar el impacto por razones de

seguridad ya que habrá mayor aglomeración de transeúntes y ocasionarán mayores fuerzas imprevistas debido al salto y por lo tanto se considerará coeficiente de 0,10% de la sobrecarga. ==> MI = 0,10 * ML = 0,016 ton-m.

* ACERO DE REFUERZO Refuerzo principal Mµ = 1,50 MD + 1,80 (ML + MI) = 0,803 ton-m b = 100,00 cm ; d = 11,00 cm

Mµ = 0,90.As. fy ( d - As.fy / 1,70.fc.b) ; Reemplazando: As = 1,973 cm2 As mín = 14 bd / fy = 3,666 cm2 > As; Usar Asmín = 3,666 cm2 = 3/8’’ Ø @ 0,19

* Refuerzo por temperatura: Ast = 0,0018 * bt = 2,70 cm2 La distribución : Transversal => 3/8’’ Ø @ 0,19 y la Longitudinal => 3/8’’ Ø @ 0,20 * Resumen ACERO DE VEREDA: - Refuerzo principal = 3/8’’ Ø @ 0,19 - Refuerzo por temperatura transversal = 3/8’’ Ø @ 0,19 - Refuerzo por temperatura longitudinal = 3/8’’ Ø @ 0,20 - Refuerzo transversal interior = 3/8’’ Ø @ 0,19 DETALLE DEL ACERO EN LOSA (Tramo interior, voladizo y vereda):





3.3. ANALISIS Y DISEÑO DE LAS VIGAS PRINCIPALES METALICAS DE ACERO Para el diseño de las vigas principales de acero nos basaremos en los criterios del reglamento, Ref.6 AASHO M270 (ASTM A709), grado 36 donde nos dan las siguientes relaciones: * PERALTE DE LA VIGA

- Peralte mínimo de la viga = L/ 30 - Peralte mínimo de la sección compuesta = L / 25

* PANDEO DEL ALA EN COMPRENSION bf / tf = 1164,542 / √ fy < = 24 ; fb = 0,55 fy Donde: bf = Ancho del ala en comprensión en cm.

tf = Espesor del ala en cm. fb = Esfuerzo flexionante máximo en comprensión en kg/cm2 fy = Punto de fluencia del acero en kg/cm2

* PANDEO DEL ALMA d / tw = 8 219,630 / √ fy < =170 d / tw = 1987,227 / √ fy < = 150 tw = d * √fy = 8 133,377 Donde: d = Altura de la viga metálica entre alas en cm. y tw = Espesor del alma en cm.

* DIMENSIONAMIENTO DE LA VIGA METALICA Peralte mínimo : d = L /30 = 1,333 m = 1,35 m = 135 cm. Peralte de la viga compuesta: h = L / 25 = 1,60 m = 160,00 cm Espesor de la losa; anteriormente el espesor de la losa se asumió como: t = 20,00 cm. Entonces d = h - t = 160,00 - 20,00 = 140,00 cm.

Como d = 140,00 cm, esto por análisis previo no cumple con la deflexión, viendo este peralte que es el mínimo y como en nuestro análisis de concentración de carga se ha proyectado con tres vigas principales vemos que este peralte es puro, luego asumiremos un valor de

d = 2,00 m = 200,00 cm para evitar el pandeo en el alma. Si fy = 2400 kg/cm2 tenemos las siguientes secciones aproximadas de la viga.

d / tw = 8 219,630 /√fy = 167,76 < 170 ¡BIEN! Despejando: tw = d /167,78 = 1,19 cms Luego asumiremos un espesor del alma: tw = 1,50 cm. Con d = 200,00 cm. Pandeo del ala en comprensión: Para bf = 40,00 cm bf / tf = 1164,542/ √fy = 23,77 < 24 ¡BIEN! Despejando tf = bf / 23,77 = 1,68 cm.

Se asumirá tf = 2,00 cm y bf = 40,00 cm. Las dimensiones del ala en fracción y comprensión se asumirá de mayor sección por tener

mayor esfuerzo.==> bf = 60,00 cm., tf = 2,500 cm. y tw = 2,00 cm.





DETALLE DE LA SECCIÓN ASUMIDA DE LA VIGA METALICA CON PLATABANDA EN TRACCION Y COMPRESION

Puente con 03 Vigas Principales de Acero Esta sección asumida tendrá que ser reajustada debido a los efectos de las cargas muertas siguientes: losa de C°A°, viga principal, viga diafragma, conectores y otros; además las aplicadas como las sobrecargas móviles y por impacto. Llegándose luego al reajuste en el diseño de la viga metálica verificándose el área aproximada de la ala en tracción utilizando la siguiente expresión: Asb = (1,170/ fy) x (Mnc * 10^5)/ dog + ((Mc + Ms/c + MI) * 10^5) /(dog + t)))

Donde: Asd = Área del ala interior de la viga en cm2 Fy = Punto de fluencia del acero en kg/cm2 Mnc = Momento no compuesto en ton-m Mc = Momento compuesto en ton-m Ms/c = Momento por sobrecarga móvil en ton-m MI = Momento por impacto en ton-m Dog = Altura entre centros de las alas en cm t = Espesor de la losa en cm.

Se resumen las siguientes consideraciones de diseño a) Diseño de la viga T: - La losa de concreto se adhiere a la viga de acero por medio de conectores de corte - El concreto se asume inefectivo para resistir la tensión. - El calculo de los esfuerzos en las fibras extremas se realiza en base a la sección

transformada ( n = Es / Ec). - Considera deformación del concreto por flujo plástico (creep). Factor n se multiplica por 3. b) Método de Diseño: Diseño por factor de carga LFD: - Este método garantiza las condiciones de servicio y durabilidad. - Se establecen limitaciones para los esfuerzos de fatiga bajo carga se servicio, así como el

control de deflexiones. - En el diseño se consideran 3 niveles de carga:

1.- Cargas Máximas de Diseño: 1.30 ( D + 1.67 (L + I) 2.- Sobrecargas : D + 1.67 ( L + I ) 3.- Cargas de servicio : D + L + I Donde: D = Cargas permanentes, L = Sobrecargas y I = Impacto

c) Tipo de sección de la viga de acero: - Se emplearon secciones armadas soldadas VS. - Se definió una sección no compacta (Análisis Elástico). - Tipo de Acero es PGE-24 SIDER PERU (f’y=2,400 kg/cm2) de resistencia a la corrosión. c) Análisis Sísmico:





Aspecto importante que se debe tomar en cuenta para el diseño de la Subestructura y de los dispositivos de apoyo. Ref. 4, Las nuevas especificaciones de diseño se han desarrollado en base a los siguientes principios:

- Los puentes deben resistir los sismos menores dentro del rango elástico sin ningún daño. - Deben resistir sismos moderados dentro del rango elástico con daño reparable. - Deben resistir sismos severos sin llegar al colapso total ni parcial, se aceptan daños

reparable. En cimentaciones no se aceptan daños. - En el proceso de diseño se deben utilizar intensidades realistas para el sismo de diseño. CARACTERISTICA DE LA SECCION COMPUESTA

CONECTORES DE CORTANTE DE ESPÁRRAGOS





CONECCIONES SOLDADAS

APOYO ARTICULADO PARA LUCES MEDIANAS

APOYO ARTICULADO PARA LUCES CORTAS





TIPOS DE LANZAMIENTOS DE LAS VIGAS METALICAS



Calle Nuev

Vista Puente de Sección Compuesta Lircay – Huancavelica (72 )

Gerencia XIII CONIC: Instituto de la Construcción y Gerencia - Pág. 11 e 472, San Isidro, Lima, Perú. Telefax: 225-9066. Email: icgperu@construcción.org.pe






4.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

a) El empleo de la Sobrecarga HS-20 de la AASTHO para puentes que soportan trafico medianamente pesado, esta en concordancia con los métodos y procedimientos que especifica la AASHTO.

b) El método de Factor de Carga (LFD) para el diseño de las vigas principales metálicas, garantiza las condiciones de durabilidad (cargas máximas y sobrecargas) y de servicio (Fatiga y Control de deflexiones).

c) Las nuevas especificaciones para el diseño sísmico de puentes dado por la AASTHO establece criterios y procedimientos de análisis para obtener las fuerzas sísmicas y desplazamientos en los elementos estructurales.

d) El menor peso de la Superestructura del “Puente de Sección Compuesta con Vigas de Acero” permite tener un mejor comportamiento ante los efectos sísmicos.

e) Teniendo en cuenta la rapidez en su construcción los “Puentes de Sección Compuesta con Vigas de Acero” constituye una gran ventaja en el caso que se requiera la habilitación de vías en el mas corto tiempo; por lo tanto es una alternativa factible y recomendable.

f) La construcción de “Puentes de Sección Compuesta con Vigas de Acero” en la actualidad resultan tan competitivas con las de Concreto Armado empleándose cada vez mas y con mayor frecuencia en nuestro medio, considerando que se vienen produciendo acero de mayor resistencia y de mejor comportamiento contra la corrosión.

5.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: Ref. 1 G. Winter - A. Nilson PROYECTO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN; Edit. Reverte Ref. 2 T. Harmsen - J. Mayorca; DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

PUCP, Fondo Editorial 1,997. Ref. 3 American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) “Standard Specification for Highway Bridges” , 15 Edición 1992 Ref. 4 AASHTO, Interim Specifications Bridges, 1994 “Guide Specifications for Alternate Load Factor Desing Procedures for Stell Beam Bridges” Ref. 5 AMERICAN INSTITUTE OF STELL CONSTRUCTION (AISC) Published by the A.I.S.C. - 1,963 - 1,969 - USA. Ref. 6 Roger L. Brockenbrough. Frederick S. Merritt MANUAL DE DISEÑOS DE

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