MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO PLANTA Y SECCIÓN TRANSVERSAL DEL PUENTE ENROCADO (CICLÓPEO DEL PUENTE ANTIGU0) 1,5 0m m 00 2, 1,5 0m ,3 0m 1,5 0m ,3 0m 1,5 0m 1,60m 10 ,96 m ZAPATA A ZAPATA 6,60m 11 m ,38 ,38 m 11 11,50m 41,00m 3,30m 3,45m B A VILLAVICENCIO ,25m ,25m A PUERTO LÓPEZ 3,45m 3,30m C D 14,00m 13,00m 14,00m 6,60m 11 11,50m 4 3 ZAPATA Sentido del flujo del río 8m ,3 11 2 ,3 8m 5 1,60m ZAPATA 10 PLANTA DEL PUENTE 10 ,96 m 1,60m E m ,96 ,3 3,3 0m 0m 1 6 5,12m ,10m 5,12m A VILLAVICENCIO RASANTE PROYECTADA 1,95m ,10m 1,10m 304,27 304,27 ,30m A PUERTO LÓPEZ RASANTE PROYECTADA 2,20m 302,87 1,50m ,30m RASANTE ACTUAL RASANTE ACTUAL ,40m ,50m ,50m 7,00m 7,75m 302,17 296,79 3,00m 3,00m 296,79 1,00m 1,00m 295,37 ,50m 1,00m 1,00m ,55m 2,00m ,55m 292,57 LECHO DEL RÍO 1,40m 3,39m 293,79 CAISSON 5,12m 294,57 3,39m ,55m 1,40m 3,25m 1,40m ,55m 2,00m 1,40m ,80m ,80m ,80m 3,25m 295,37 ,50m 292,57 CAISSON SECCIÓN LONGITUDINAL DEL PUENTE 5,12m 1. MATERIALES Concreto de las vigas f´ci = 315 kg/cm2 f´c = 350 kg/cm2 Concreto de la losa f´ci= 245 kg/cm2 f´c= 280 kg/cm2 Acero de preesfuerzo fpu = 18900 kg/cm2. fpy = 16000 kg/cm2. Carlos Ramiro Vallecilla B 1 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 1,10 2. SOLICIATIONES MÁXIMAS Sobre la viga central ,20 ,20 ,20 DESAGÜE D=0,10 m 1c/5 m ,25 ,20 ,20 1,00 2% DESAGÜE D=0,10 m 1c/5 m 2,50 ,10 2,50 ,35 7,30 2% ,25 ,35 1,00 1,05 ,60 ,60 2,70 2,70 ,60 1,05 SECCIÓN TRANSVERSAL DEL PUENTE-DIMENSIONES 2.1. Propiedades geométricas de la sección simple A 0,695 m 2: Ys 0,95 m; Yi 1,05 m ; I 0,3456 m 4 ,20 ,25 2,00 ,20 1,20 ,15 ,20 ,80 ,60 SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA VIGA CENTRO DE LA LUZ 2.2 Avalúo de cargas y máximas solicitaciones Longitud aferente de la losa: 3,3 m. Peso propio de la losa= 1,58 t/m Peso propio de la viga= 1,67 t/m SUMA: Carlos Ramiro Vallecilla B 3,25 t/m 2 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Momento debido al peso propio de la sección simple más el peso de la losa MD 3,25* 412 683 t.m 8 2.3. Cargas sobreimpuestas Nota: El peso del andén y de la baranda es 0,29 t/m. Carpeta asfáltica: 3,3*2,2*0,05=0,36 t/m Andén y barandas= 2*0,29/3= 0,19 t/m SUMA 0,56 t/m Momento debido a las cargas sobreimpuestas M DS 0,56 * 412 118 t.m 8 Nota: no se tuvo en cuanta el peso de los diafragmas cada tercio de la luz. 2.4. Avalúo de la carga viva y máximo momento por carga viva. Línea de carga para flexión: w = 1,44 t/m. P= 12 t. Línea de carga para cortante: w= 1,46 t/m. P= 16 t. Factor de rueda. F .R S 3,3 1,94 1,7 1,7 Factor de impacto: I 16 0,198 40 41 Momento por carga viva 1,44 * 412 12 * 41 426 t.m .Referido a la línea de cargas. M L 8 4 M ( LI ) 0,5 * 426*1,94*1,198 495 t.m . Referido a la línea de ruedas 3. Ancho efectivo de la sección compuesta. Criterios Carlos Ramiro Vallecilla B 3 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 41 10,25 m 4 bef 0,20 12 * 0,20 2,60 m. Rige bef bef 3,3 m Relación modular. n 350 280 1,12 Ancho efectivo de la sección compuesta en concreto de 350 kg/cm2. bef 2,60 2,32 m 1,12 Propiedades geométricas de la sección compuesta en concreto de 350 kg/cm2. A 1,159 m 2 Yi 1,47 m Ys 0,73 m I 0,6539 m 4 ,20 Ysimple 0,73 0,20 0,53 m 1,20 ,20 ,20 ,25 2,00 ,15 ,20 2,32 ,60 4. Valoración de la fuerza de tensionamiento Momento de servicio: M servicio 683 118 495 1296 t.m Convención de signos: son negativos los esfuerzos de compresión. Carlos Ramiro Vallecilla B 4 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Criterio. La fibra inferior en el centro de la luz de la sección compuesta se encuentra sometida al máximo esfuerzo a tracción admisible. De acuerdo con el CCDSP-95, este esfuerzo es igual a: f c,tracción 1,6 f ´c 1,6 350 30 kg / cm2 300 t / m 2 En consecuencia: i 300 Pt Pt *1,4 *1,47 1296*1,47 Pt 651 t 1,159 0,6539 0,6539 Suponiendo pérdidas totales (instantáneas más diferidas) del orden del 25 % , se tiene una fuerza de tensionamiento , para t=0, igual a: Pt 0 651 868 t 0,75 Esfuerzos sobre el concreto sobre la sección simple para una fuerza de tensionamiento de 868 t en el centro de la luz. Momento debido al peso de la sección simple MD 1,67 * 412 351 t.m 8 Po consiguiente el esfuerzo en la fibra inferior de la sección simple es igual a: 868 868* 0,98*1,05 351*1,05 2767 t / m 2 0,695 0,3456 0,3456 Este esfuerzo excede el esfuerzo admisible a compresión del concreto (0,55 f´ci) i (-0,55*3150= -1733 t/m2) por lo que el tensionamiento se debe fraccionar. Máximo esfuerzo admisible en el acero de tensionamiento, de acuerdo con el CCDSP-95: f sP 0,80 f Py 0,80*16000 12800 kg / cm2 Primer tensionamiento Se aplica arbitrariamente una fuerza igual al 60 % de la fuerza total de tensionamiento .Esto es: P60% 0,60* 868 521 t Determinación del número de torones de 0,5 pulg de diámetro ( ASP= 0,987 cm2) para el primer tensionamiento Carlos Ramiro Vallecilla B 5 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 521000 41 torones 12800* 0,987 P60% Se toman cinco cables con 10 torones cada uno. Estos 50 cables, tensionados al máximo esfuerzo admisible, resisten una fuerza igual a: P60% 50* 0,987*12800 631600 kg En cada cable de 10 torones se ejerce una fuerza igual a Pcable 631,6 126 t 5 Segundo tensionamiento Diferencia de fuerza de tensionamiento P 868 631,6 236,4 t Número de torones de 0,5 pulg de diámetro ( ASP = 0,987 cm2) No 236400 19 torones 0,987*12800 Se toman 20 torones distribuidos en dos cables de 10 torones cada uno. Fuerza de tensionamiento en el centro de la luz debida a los cables de segundo tensionamiento: P 20* 0,987*12800 252672 kg 252,7 t Resumen del tensionamiento TENSIONAMIENTO No cables No.torones No.torones/cable Fuerza/cable PRIMER TENSIONAMIENTO 5 50 10 126 t SEGUNDO TENSIONAMIENTO 2 20 10 126 t Nota: la fuerza de 126 t corresponde a la fuerza en el centro de la luz durante la transferencia. 5. Ecuación de los cables de tensionamiento La ecuación que describe la posición de cada cable de tensionamiento es una parábola de la forma y= kx2. En esta ecuación: X se mide a partir del centro de la luz. Carlos Ramiro Vallecilla B 6 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Y se mide desde la base de la viga al centroide del acero de tensionamiento. La figura siguiente muestra la posición supuesta de los siete cables de tensionamiento sobre apoyo. Nótese que los cables 6 y 7 se tensionan una vez el concreto de la losa ha alcanzado una resistencia de 245 kg/cm 2. 2,00m 1,50m 7 ,30m ,35m ,35m ,35m ,35m 6 2,10m 3 2,10m 5 4 2 1 6 5 7 4 2 1 ,150 3 ,070 POSICIÓN DE LOS CABLES EN EL CENTRO DE LA LUZ POSICIÓN DE LOS CABLES SOBRE APOYO En consecuencia y de acuerdo con la trayectoria supuesta de los cables de tensionamiento, se obtienen las siguientes ecuaciones: y1 y2 y3 y4 y5 0,23 2 x 0,07 0,000547x 2 0,07 2 20,5 0,58 2 x 0,07 0,001380x 2 0,07 2 20,5 0,93 2 x 0,07 0,002213x 2 0,07 2 20,5 1,28 2 x 0,07 0,003046x 2 0,07 2 20,5 1,55 2 x 0,15 0,003688x 2 0,15 2 20,5 La tabla siguiente resume los valores de las ordenadas (m) de cada uno de los cinco cables de primer tensionamiento, cuya trayectoria es descrita por las ecuaciones precedentes. Se tomaron arbitrariamente intervalos cada 2 m. X(m) CABLE1 CABLE2 CABLE3 CABLE4 CABLE5 0 0,070 0,070 0,070 0,070 0,150 2 0,072 0,076 0,079 0,082 0,165 4 0,079 0,092 0,105 0,119 0,209 6 0,090 0,120 0,150 0,180 0,283 8 0,105 0,158 0,212 0,265 0,386 10 0,125 0,208 0,291 0,375 0,519 12 0,149 0,269 0,389 0,509 0,681 14 0,177 0,341 0,504 0,667 0,873 16 0,210 0,423 0,637 0,850 1,094 18 0,247 0,517 0,787 1,057 1,345 20,5 0,300 0,650 1,000 1,350 1,700 Ecuación de los cables de segundo tensionamiento Carlos Ramiro Vallecilla B 7 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO y6 1,95 2 x 0,15 0,0056976x 2 0,15 18,5 2 y7 1,95 2 x 0,15 0,006747 x 2 0,15 2 17 X(m) 0 CABLE 6 0,150 CABLE 7 0,150 2 0,173 0,177 4 0,241 0,258 6 0,355 0,393 8 0,515 0,582 10 0,720 0,825 12 0,970 1,122 14 1,267 1,472 16 1,609 1,877 17 1,797 2,100 18,5 2,100 ANCLAJE MÓVIL 20,50 ANCLAJE FIJO B A ,20 ,20 C 7 ,15 1,20 ,50 ,50 1,00 2,00 1,00 2,00 E ESC: 1______50 2,00 2,00 2,00 D 2,00 2,00 2,00 B C ,25 ,15 ,30 2,00 ANCLAJES SOBRE APOYO ,20 2 1 ,60 ,07 ,35 3 ,35 2 1 D 6 5 4 ,35 4 3 E 1,50 ,10 ,20 ,30 5 2,00 ,10 ,20 ,30 ,35 ,35 ,35 ,35 ,30 TUBO DE IZAJE Ø=0,15 A CABLE1 0,300 0,247 0,210 0,177 0,149 0,125 0,105 0,090 0,079 0,072 0,07 CABLE2 0,650 0,517 0,423 0,341 0,264 0,208 0,158 0,120 0,092 0,076 0,07 CABLE3 1,000 0,787 0,637 0,504 0,389 0,291 0,212 0,150 0,105 0,079 0,07 CABLE4 1,350 1,057 0,850 0,667 0,509 0,375 0,265 0,180 0,119 0,082 0,07 1,700 1,345 1,094 0,873 0,681 0,519 0,386 0,283 0,209 0,165 0,15 1,609 1,267 0,970 0,720 0,515 0,355 0,241 0,173 0,15 1,877 1,472 1,122 0,825 0,582 0,393 0,258 0,177 0,15 CABLE5 CABLE6 2,100 1,996 2,100 CABLE7 ORDENADAS EN M DESDE LA BASE DE LA VIGA TRAYECTORIA DE LOS CABLES DE TENSIONAMIENTO ESC : 1________50 7 6 7 1,877 4 7 6 4 CORTE E-E CORTE D-D CORTE C-C 4 6 5 2 1 3 ,079 ,105 ,241 ,209 ,119 ,105 7 ,092 3 1 ,515 2 ,258 ,582 4 ,212 ,386 1 5 ,265 ,158 2 ,681 3 ,149 ,389 1,094 ,850 ,636 ,210 1 1,122 ,970 5 3 2 ,423 6 ,509 ,264 1,609 5 CORTE B-B POSICIONES DE LOS CABLES DE TENSIONAMIENTO 6. Determinación del estado de esfuerzos en el concreto. 6.1. Esfuerzos sobre la sección simple debidos a la fuerza de tensionamiento y al peso propio de la sección simple Resistencia del concreto en el momento de la trasferencia= 280 kg/cm2 Esfuerzo admisible a compresión en el concreto durante la transferencia: 0,60f´ci=- 0,60*2800= -1680 t/m2 Carlos Ramiro Vallecilla B 8 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Ecuación del momento flector debido al peso propio de la sección simple. M D 351 0,835x 2 1,67 t/m 20,50m x 20,50m Ecuación para la determinación de la excentricidad de los cables de primer tensionamiento e 1,05 y Ecuación para la determinación de la excentricidad de los cables de segundo tensionamiento e 1,47 y Módulos de sección inferior y superior, respectivamente, de la sección simple. 0,3456 0,3291 m 3 1,05 0,3456 Ws 0,3638 m 3 0,95 Wi Ecuación para el cálculo de la fuerza efectiva de tensionamiento en cualquier sección de la viga en función de los coeficientes de fricción y de curvatura involuntaria k Px Po e ( kx) e = base de los logaritmos naturales ( e=2,71828) Coeficientes supuestos de fricción y curvatura involuntaria 0,25 k 0,003/ m 6.2 Estado de esfuerzos en el concreto, en la sección simple, durante la transferencia Ecuación general para el cálculo de los esfuerzos: N i N P Pe j 1 A j j 1 j Wi C j M K 1 c Wi Carlos Ramiro Vallecilla B 9 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO N s Pj j 1 A N P e j 1 j C j Ws M K 1 c Ws ESTADO DE ESFUERZOS EN EL CONCRETO Caso de carga : fuerza de preesfuerzo más peso propio de la viga Primer tensionamiento : 50 torones en 5 cables con 10 torones cada uno Fuerza en el centro de la luz = 632 t X se mide del centro de la luz a los apoyos Los cables 1,3 y 5 se tensionan desde un mismo extremo Los cables 2 y 4 se tensionan desde el extremo opuesto Peso propio de la sección simple : 1,67 t/m X(m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 A (m ) 0,695 0,695 0,695 Ws 0,3638 0,3638 0,3638 Wi 0,3291 0,3291 0,3291 µα 1 0,000 0,001 0,001 18 20,5 0,695 0,3638 0,3291 0,002 0,695 0,3638 0,3291 0,002 0,695 0,3638 0,3291 0,003 0,695 0,3638 0,3291 0,003 0,695 0,3638 0,3291 0,004 0,695 0,3638 0,3291 0,004 0,695 0,3638 0,3291 0,005 0,695 0,3638 0,3291 0,006 µα 2 0,000 0,001 0,003 0,004 0,006 0,007 0,008 0,010 0,011 0,012 0,014 µα 3 0,000 0,002 0,004 0,007 0,009 0,011 0,013 0,015 0,018 0,020 0,023 µα 4 0,000 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015 0,018 0,021 0,024 0,027 0,031 µα 5 Kx P1 0,000 0 126 0,004 0,006 127 0,008 0,012 128 0,012 0,018 129 0,016 0,024 130 0,019 0,03 131 0,023 0,036 131 0,027 0,042 132 0,031 0,048 133 0,035 0,040 0,054 0,0615 134 135 P2 126 125 125 124 123 122 121 120 119 118 117 P3 126 127 128 130 131 132 133 134 135 136 138 P4 126 125 124 123 122 121 120 119 118 117 115 P5 126 128 129 130 131 133 134 135 137 138 140 e1 0,980 0,978 0,971 0,960 0,945 0,925 0,901 0,873 0,840 0,803 0,750 e2 0,980 0,974 0,958 0,930 0,892 0,842 0,781 0,709 0,627 0,533 0,400 e3 0,980 0,971 0,945 0,900 0,838 0,759 0,661 0,546 0,413 0,263 0,050 e4 0,980 0,968 0,931 0,870 0,785 0,675 0,541 0,383 0,200 -0,007 -0,300 e5 0,900 0,885 0,841 0,767 0,664 0,531 0,369 0,177 -0,044 -0,295 -0,650 Suma Pe 609 605 589 562 525 475 415 343 260 165 30 Suma P 632 633 634 635 637 638 639 640 642 643 645 MD(t.m) 351 348 338 321 298 268 231 187 137 80 0 Esf. Sup. -199 -204 -221 -250 -292 -346 -413 -493 -586 -693 -847 Esf. Inf. -1694 -1692 -1676 -1648 -1605 -1549 -1479 -1395 -1296 -1182 -1018 Esf. Adm. -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 -1732 CUMPLE SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI Carlos Ramiro Vallecilla B 10 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Esfuerzo sobre el acero en el cable más tensionado ( 140 t): f ps 140000 14184 kg / cm 2 0,90 f py 0,90 *1600014400 kg / cm 2 10 * 0,987 6.3. Esfuerzos sobre la sección simple debidos a la fuerza de tensionamiento y al peso propio de la sección simple más el peso de la losa: D= 1,67+1,58=3,25 t/m Carlos Ramiro Vallecilla B 11 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO ESTADO DE ESFUERZOS EN EL CONCRETO Caso de carga : fuerza de tensionamiento más peso propio de la viga más peso de la losa Primer tensionamiento : 50 torones en 5 cables con 10 torones cada uno Fuerza en el centro de la luz = 632 t X se mide del centro de la luz a los apoyos Los cables 1,3 y 5 se tensionan desde un mismo extremo Los cables 2 y 4 se tensionan desde el extremo opuesto Esfuerzo admisible a compresión sobre el concreto : -0,40f´c= -0,4*3500=-1400 t/m 2 Peso propio de la sección simple más peso de la losa: 3,25 t/m Pérdidas del 15 % de fuerza de tensionamiento X(m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 A (m ) 0,695 0,695 0,695 Ws 0,3638 0,3638 0,3638 Wi 0,3291 0,3291 0,3291 µα 1 0,000 0,001 0,001 20,5 0,695 0,3638 0,3291 0,002 0,695 0,3638 0,3291 0,002 0,695 0,3638 0,3291 0,003 0,695 0,3638 0,3291 0,003 0,695 0,3638 0,3291 0,004 0,695 0,3638 0,3291 0,004 0,695 0,3638 0,3291 0,005 0,695 0,3638 0,3291 0,006 µα 2 0,000 0,001 0,003 0,004 0,006 0,007 0,008 0,010 0,011 0,012 0,014 µα 3 0,000 0,002 0,004 0,007 0,009 0,011 0,013 0,015 0,018 0,020 0,023 µα 4 0,000 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015 0,018 0,021 0,024 0,027 0,031 µα 5 Kx P1 0,000 0 107 0,004 0,006 108 0,007 0,012 109 0,011 0,018 110 0,015 0,024 110 0,018 0,03 111 0,022 0,036 112 0,026 0,042 112 0,030 0,048 113 0,033 0,038 0,054 0,0615 114 115 P2 107 107 106 105 104 104 103 102 101 101 100 P3 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 P4 107 106 106 105 104 103 102 101 100 99 98 P5 107 108 110 111 112 113 114 115 116 117 119 e1 0,980 0,978 0,971 0,960 0,945 0,925 0,901 0,873 0,840 0,803 0,750 e2 0,980 0,974 0,958 0,930 0,892 0,842 0,781 0,709 0,627 0,533 0,400 e3 0,980 0,971 0,945 0,900 0,838 0,759 0,661 0,546 0,413 0,263 0,050 e4 0,980 0,968 0,931 0,870 0,785 0,675 0,541 0,383 0,200 -0,007 -0,300 e5 0,900 0,885 0,841 0,767 0,664 0,531 0,369 0,177 -0,044 -0,295 -0,650 Suma Pe 518 514 501 478 446 404 353 292 221 140 25 Suma P 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 548 MD(t.m) 683 677 657 625 579 521 449 365 267 157 0 Esf. Sup. -1227 -1221 -1205 -1180 -1144 -1100 -1046 -983 -911 -831 -719 Esf. Inf. -271 -280 -301 -332 -374 -426 -489 -562 -644 -737 -865 Esf. Adm. -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 CUMPLE SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI 6.4. Cálculo del momento debido a la carga viva. Carlos Ramiro Vallecilla B 12 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO El momento flector debido a la carga viva se calcula en secciones tomadas arbitrariamente cada 2 m, medidas a partir del centro de la viga, recurriendo a la definición de línea de influencia, tal como se muestra el la figura siguiente. 12 t 1,44t/m 22,50m 18,50m L.I. MX=2m 10,152 M(L+I)=1,198*1,94*0,5(0,5*1,44*10,152*41+10,152*12)=489t.m 12 t 1,44t/m 24,50m 16,50m L.I. MX=4m 9,860 M(+I)=1,198*1,94*0,5(0,5*1,44*9,860*41+9,860*12)=476t.m 12 t 1,44t/m 26,50m 14,50m 9,372 M(+I)=1,198*1,94*0,5(0,5*1,44*9,372*41+9,372*12)=452t.m 12 t 1,44t/m 28,50m 12,50m L.I. MX=8m 8,689 M(+I)=1,198*1,94*0,5(0,5*1,44*8,689*41+8,689*12)=419t.m x 10 m M ( L I ) 1,198*1,94* 0,5(0,5 *1,44* 7,811* 41 7,811*12) 377 t.m x 12 m M ( LI ) 1,198*1,94* 0,5(0,5 *1,44* 6,738* 41 6,738*12) 325 t.m x 14 m M ( LI ) 1,198*1,94* 0,5(0,5 *1,44* 5,470* 41 5,470*12) 264 t.m x 16 m M ( LI ) 1,198*1,94* 0,5(0,5 *1,44* 4,00* 41 4,00*12) 193 t.m x 18 m M ( L I ) 1,198*1,94* 0,5(0,5 *1,44* 2,348* 41 2,348*12) 113 t.m 6.5. Esfuerzos sobre la sección compuesta debidos a la fuerza de tensionamiento de los cables 6 y 7, a la carga viva y a las cargas sobreimpuestas. Se suponen pérdidas durante la etapa de servicio, iguales al 15 %. Carlos Ramiro Vallecilla B 13 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Por otra parte, en este estado de esfuerzos debe tenerse en cuenta que la sección simple ha sido sometida a esfuerzos que deben sumarse a los esfuerzos que se presentan sobre la sección compuesta. No se tuvo en cuenta el aumento del área de la sección en el bloque de anclaje. Son positivas las excentricidades por debajo del eje centroidal de la sección. ESFUERZOS SOBRE EL CONCRETO . SECCIÓN COMPUESTA Caso de carga: esfuerzos sobre la sección simple más cargas sobreimpuestas más carga viva Cargas sobreimpuestas: 0,56 t/m Los cables 6 y 7 se tensionan desde extremos opuestos. Se suponen pérdidas de fuerza de preesfuerzo del 15 % en etapa de servicio Fuerza de preesfuerzo efectiva por cable en etapa de servicio : 0,85*126,4=107 t Exentricidad del cable 6 : e 6 =1,47-y6 Excentricidad del cable 7: e 7=1,47-y7 Son positivas las excentricidades por debajo del eje centroidal X(m) 0 2 4 6 8 10 12 2 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1180 -332 0,0178 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1144 -374 0,0237 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1100 -426 0,0297 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1046 -489 0,0356 14 16 18 20,5 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -983 -562 0,0415 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -911 -644 0,0474 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -831 -737 0,0534 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -719 -865 0,0608 A (m ) Ws Wi Ys Esf. sup. Esf. Inf. µα 6 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1227 -271 0 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1221 -280 0,0059 1,159 0,8958 0,4448 0,53 -1205 -301 0,0119 µα 7 Kx e6 0 0 1,320 0,007 0,006 1,297 0,014 0,0211 0,0281 0,0351 0,0421 0,0491 0,0562 0,0632 0,072 0,012 0,018 0,024 0,03 0,036 0,042 0,048 0,054 0,0615 1,229 1,115 0,955 0,750 0,500 0,203 -0,139 -0,526 e7 1,320 1,293 1,212 1,077 0,888 0,645 P6 107 108 110 111 112 114 115 116 118 P7 107 106 104 103 102 100 99 98 96 P6+P7 Suma Pe MDS 214 282 118 214 277 117 214 261 113 214 234 108 214 197 100 214 150 90 214 92 77 214 23 63 214 -56 46 0,348 -0,002 -0,407 119 119 -63 27 0 M(L+I) 494 489 476 452 419 377 325 264 193 113 0 Esf. Sup. -1678 -1672 -1655 -1628 -1589 -1541 -1482 -1414 -1335 -1098 -719 Esf. Inf. 284 274 252 214 164 102 24 -65 -166 -384 -865 Esf. Adm. -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 -1400 Esf. Adm. 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 CUMPLE ≈si ≈si ≈si ≈si ≈si ≈si ≈si ≈si si si si Carlos Ramiro Vallecilla B 14 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO De la tabla precedente se concluye que el máximo esfuerzo actuante a compresión, -1678 t/ m2, es ligeramente mayor (168-140 = 28 kg/cm2) que el máximo esfuerzo admisible a compresión, -0,40f´c= -04*3500=-1400 t/m2, indicado por el CCDSP-95. Es de notar que de acuerdo con las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR.98, el máximo esfuerzo admisible sobre el concreto a compresión y para cargas totales es igual a 0,60 f´c (C.18.4). En consecuencia: -0,60 *3500 = -2100 /m2>-1678 t/m2. Ejemplo del cálculo de esfuerzos en la sección X= 8 en la tabla precedente. Esfuerzo a compresión en la fibra ubicada a 0,53 m por encima del eje centroidal de la sección compuesta (unión viga-losa). (112 102) (112* 0,955 102* 0,888) * 0,53 (99,75 419) * 0,53 1589 t / m 2 1,159 0,6539 0,6539 Esfuerzo a tracción en la fibra inferior de la sección compuesta. s 1144 i 374 (112 102) (112* 0,955 102* 0,888) (99,75 419) 164 t / m 2 1,159 0,4448 0,4448 ,20m Gráficamente: -185 2,32m -1144 160 ,53m -544 -579 -445 -420 -1589 1,47m (t/m2 ) ,19m 1,05m ,20m 220 ,60m -374 -444 -185 SECCIÓN SIMPLE SECCIÓN COMPUESTA 1167 164 ESFUERZOS RESULTANTES 6.7 Diámetro del ducto. El área mínima del ducto de preesfuerzo debe ser 2,5 veces el área neta de los torones contenidos en el ducto. En consecuencia para un cable de 10 torones se tiene. Aducto 2,5 *10 * 0,987 24,68cm2 ducto Carlos Ramiro Vallecilla B 4 * 24,68 5,60cm 6 cm 15 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Se toma un ducto metálico de 6 cm de diámetro. 7. Diseño a cortante. 7.1 Cálculo de la fuerza cortante en una sección a h/2 de la cara del apoyo. De acuerdo con el CCDSP-95, el cortante último máximo se puede calcular a una distancia igual a h/2 (h altura de la viga) de la cara del apoyo. (A.8.7.4.1.4). Para una altura de la sección compuesta igual a 2,2 m , h/2 es 1,10 m. El apoyo de la viga tiene una longitud de 0,50 m, en consecuencia la sección de interés está localizada a 1,6 m del borde de la viga. Gráficamente: 2,20m 1,60m VIGA ,50m Vu 1,10m ESTRIBO Fuerza cortante en una sección a 1,6 m de la cara del apoyo, debida a: Al peso propio de la losa (1,67 t/m): VD 34,2 1,67*1,6 31,5 t Al peso propio la sección (1,58 t/m) VS 32,4 1,58*1,6 30 t A las cargas sobreimpuestas (0,56 t/m): VD S 11,48 0,56*1,6 10,6 t A la carga viva. Línea de carga: w 1,5 41 28 1,46 t / m : P 16 t 300 De la línea de influencia de la fuerza cortante en una sección a 1,6 m del apoyo se obtiene el siguiente valor para la fuerza cortante debida a la carga viva. Carlos Ramiro Vallecilla B 16 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 16 t 1,46 t/m 41,00m 0,960 1,60m 39,40m 0,040 V( L I ) 0,5 *1,198 *1,94(0,5 * 0,96 * 39,4 *1,46 16 * 0,960 ) 49,9 t Fuerza cortante última. Grupo de carga I. Resistencia última. Vu 1,331,5 30 10,6 1,67* 49,9 202 t La tabla siguiente resume la fuerza cortante última en secciones de la viga , tomadas arbitrariamente cada 2 m. El valor de VD incluye el peso propio de la viga y de la losa X(m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18,9 FUERZA CORTANTE ÚLTIMA VD V DS V (L+I) 0 0 18 6,5 1,1 21 13 2,2 24 19,5 3,4 27 26 4,5 30 32,5 5,6 33 39 6,7 37 45,5 7,8 40 52 9,0 44 61,4 10,6 50 Vu 39 55 72 88 105 121 140 156 175 202 Resistencia al esfuerzo cortante suministrada por el concreto. De acuerdo con el CCDSP-95, la resistencia al corte Vc provista por el concreto, debe ser el menor de los valores Vci o Vcw. 7.2. Cálculo de la fuerza cortante Vci resistida por el concreto ( falla por flexión y corte) La ecuaciones que permiten calcular el valor de la fuerza cortante Vci , resistida por el concreto, son: Vci 0,16 f ´c bw d P Vd Carlos Ramiro Vallecilla B Vi M cr M max 17 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO d P 0,80h 0,8 * 2,2 1,76 m M cr I 1,6 f ´c f Pe f d Yt I 0,6539 m4 Yt 1,47 m fPe= Esfuerzo de compresión en el concreto debido solamente a las fuerzas efectivas de preesfuerzo después de ocurridas todas las pérdidas en la fibra extrema precomprimida. La tabla siguiente resume el cálculo del esfuerzo fPe en la fibra extrema precomprimida en la sección bajo estudio (a 1,6 m de la cara de la viga). Se tomaron las fuerzas y las excentricidades de los cables en la sección x=18 m. (18 m ≈18,9 m)., referidas a la sección simple en etapa de servicio. 5 f Pe P i 1 i 1,159 5 1,47 Pi ei i 1 0,6539 Cálculo del esfuerzo f Pe a 1,6 m del apoyo. CABLE P(t) e(m) Pe 1 114 0,803 91,54 2 101 0,533 53,83 3 116 0,263 30,51 4 99 -0,007 -0,69 5 117 -0,295 -34,52 SUMA 547 140,68 esf.inf( t/m2) 788 fd= Esfuerzo debido a las cargas muertas sin mayorar, en la fibra extrema de la sección donde se causen esfuerzos de tensión por la aplicación de cargas externas (fibra extrema precomprimida) . Cargas muertas: peso propio de la viga más peso propio de la losa. Es decir: d 1,58 1.67 3,25 t / m Momento en la sección a 1,6 m del eje del puente producido por las cargas muertas sin mayorar: M d 66,63*1,6 1,625*1,62 102 t.m Carlos Ramiro Vallecilla B 18 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO En consecuencia, el esfuerzo debido a las cargas muertas sin mayorar, en la fibra inferior y en la sección de interés (1,60 m) es: fd 102*1,47 230 t.m 0,6539 Ecuación para el cálculo de f d en cualquier sección de la viga medido a partir del centro de la luz. : fd M dx (682 ,9 1,625 x 2 ) 0,4448 0,4448 Sustituyendo en la ecuación del momento de fisuración por flexión en la sección (1,6 m de la cara del apoyo) debido a las cargas aplicadas externamente Mcr , se obtiene: M cr I 0,6539 1,6 f ´c f Pe f d 1,6 350 *10 788 230 381 t.m Yt 1,47 Cálculo de Vd Vd = fuerza cortante en la sección debida a las cargas muertas sin mayorar. De los cálculos precedentes: Vd 3,25* 20,5 3,25*1,6 61 t Ecuación para el cálculo de Vd en cualquier sección Vd 66,63 3,25x Cálculo de Vi: Fuerza de corte mayorada en la sección debida a las cargas aplicadas externamente y que ocurre simultáneamente con Mmax. Mmax= Momento máximo mayorado en la sección debido a las cargas aplicadas externamente. Las cargas aplicadas externamente son la carga muerta sobreimpuesta, 0,56 t/m y la carga viva debida a la línea de cargas, w= 1,46 t/m y P= 16 t. Para la mayoración de las cargas externas se emplea el método de la resistencia última y el grupo de cargas I. Fuerza cortante en la sección a 1,6 m de la cara del apoyo debida a la carga muerta sobreimpuesta: Carlos Ramiro Vallecilla B 19 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Vds 0,56* 20,5 0,56*1,6 10,58 t Fuerza cortante en la sección a 1,6 m de la cara del apoyo debida a la carga viva. De la línea de influencia de la fuerza cortante en una sección a 1,6 m del apoyo: V( L I ) 0,5 *1,198 *1,94(0,5 * 0,96 * 39,4 *1,46 16 * 0,960 ) 49,9 t En consecuencia: Vi 1,310,58 1,67* 49,9 122 t Cálculo de Mmax Mmax = momento en la sección bajo estudio, proveniente de las cargas aplicadas externamente. M ds 11,48*1,6 0,28*1,62 17,65 t.m De la línea de influencia del momento en la sección a 1,6 m de la cara del apoyo se obtiene el valor del momento producido por las cargas vivas. 12 t 1,44 t/m 41,00m 1,60m 39,40m 1,534 M ( LI ) 0,5 *1,198*1,940,5 * 41*1,534*1,44 12*1,534 74 t.m Sustituyendo los valores numéricos calculados se obtiene el siguiente valor para el momento M max: M max 1,3(17,65 1,67 * 74) 183 t.m El valor de la fuerza Vci , resistida por el concreto es : Vci 0,16 f ´c bw d P Vd Vi M cr 122* 381 0,16 350 *10 * 0,20 *1,76 61 325 t M max 183 La tabla siguiente resume el cálculo de la fuerza cortante resistida por el concreto Vci , en secciones tomadas arbitrariamente cada 2 m, medidas desde el centro de la viga hacia los apoyos. Carlos Ramiro Vallecilla B 20 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO X(m) 0,16√f´ cbwdP 0 10,5 2 10,5 4 10,5 6 10,5 8 10,5 10 10,5 12 10,5 14 10,5 16 10,5 18,9 10,5 Vd 0,0 6,5 13,0 19,5 26,0 32,5 39,0 45,5 52,0 61,4 V ds 0,0 1,1 2,2 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 9,0 10,6 V (L+I) 18 21 24 27 30 33 37 40 44 50 V i(t) 39 46 54 62 70 79 88 98 107 122 P(t) 787 752 753 754 755 756 757 758 759 547 Pe 800,0 791,0 762,0 712,0 643,0 554,0 445,0 315,0 165,0 140 4 fPe fd(t/m2) I(m ) 2477 1535 0,654 2427 1521 0,654 2363 1477 0,654 2251 1404 0,654 2097 1301 0,654 1898 1170 0,654 1654 1009 0,654 1362 819 0,654 1026 600 0,654 787 230 0,654 Yt (m) 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 Mcr 552 536 527 510 487 457 420 375 323 381 Mmax 1227 1215 1180 1121 1040 822,6 673,5 500,6 304,9 183,9 V ci(t) 28 37 48 58 69 87 104 129 176 325 7.3. Cálculo de la fuerza cortante resistida por el concreto Vcw. Falla en el alma de la viga. La ecuación para el cálculo de la fuerza cortante resistida por el concreto Vcw es: Vcw 0,93 f ´c 0,3 f Pc bw d P VP Cálculo de fPc. fPc es el esfuerzo en el centroide de la sección debido a la fuerza de preesfuerzo , una vez han ocurrido todas las pérdidas. Cálculo de Vp VP es la componente vertical de la fuerza de preesfuerzo efectiva en la sección La tabla siguiente resume el cálculo de al fuerza cortante resistida por el concreto Vcw en secciones escogidas cada 2 m, a partir del centro de la viga La tabla siguiente resume el cálculo de la fuerza cortante Vcw , resistida por el concreto, en secciones tomadas arbitrariamente cada 2 m . Carlos Ramiro Vallecilla B 21 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO DISEÑO A CORTANTE . CÁLCULO DE V cw X(m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18,9 P1 107 108 109 110 110 111 112 112 113 114 P2 107 107 106 105 104 104 103 102 101 101 P3 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 P4 107 106 106 105 104 103 102 101 100 99 P5 107 108 110 111 112 113 114 115 116 117 P6 106 108 110 111 112 114 115 116 118 0 P7 107 106 104 103 102 100 99 98 96 0 α1 0,0000 0,0022 0,0044 0,0066 0,0088 0,0109 0,0131 0,0153 0,0175 0,0207 α2 0,0000 0,0055 0,0110 0,0166 0,0221 0,0276 0,0331 0,0386 0,0442 0,0522 α3 0,0000 0,0089 0,0177 0,0266 0,0354 0,0443 0,0531 0,0620 0,0708 0,0837 α4 0,0000 0,0122 0,0244 0,0366 0,0487 0,0609 0,0731 0,0853 0,0975 0,1151 α5 0,0000 0,0148 0,0295 0,0443 0,0590 0,0738 0,0885 0,1033 0,1180 0,1394 α6 0,0000 0,0228 0,0456 0,0684 0,0912 0,1140 0,1367 0,1595 0,1823 0 α7 0,0000 0,0270 0,0540 0,0810 0,1080 0,1349 0,1619 0,1889 0,2159 0 V P 0,93√fc fPc V cw 0 174 645 129 10 174 648 140 20 174 651 150 30 174 651 160 40 174 651 170 50 174 653 180 60 174 654 190 70 174 654 201 80 174 655 211 45 174 472 156 Ejemplo del calculo de Vcw en la sección x = 18,9 m , es decir a 1,6 m de la cara del apoyo. Cálculo de fPc. fPc es el esfuerzo en el centroide de la sección debido a la fuerza de preesfuerzo , una vez han ocurrido todas las pérdidas. fPc 114 101 116 99 117 472 t / m 2 1,159 Cálculo de Vp VP es la componente vertical de la fuerza de preesfuerzo efectiva en la sección En la tabla siguiente se resume el cálculo de la componente vertical de la fuerza de preesfuerzo en la sección. Nuevamente se toman de manera aproximada las fuerzas de preesfuerzo, una vez descontadas las pérdidas en la sección X= 18 m. ( y no en x= 18,9 m) CABLE 1 2 3 4 5 SUMA P(t) 114 101 116 99 117 547 tanα≈α 0,0207 0,0522 0,0837 0,1151 0,1394 Pα 2,36 5,27 9,70 11,40 16,31 45 Ejemplo del cálculo de VP. Cable 1. Ecuación del cable: Carlos Ramiro Vallecilla B 22 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO y1 0,000547x 2 0,07 tan y´x18m 2 * 0,000547*18,9 0,0207 La componente vertical de la fuerza de preesfuerzo del cable 1 es: VP1 P1 tan1 114* 0,0207 2,36 t De la misma manera se procede con los cables restantes Resultante horizontal de la fuerza de preesfuerzo: 547 t Resultante vertical de la fuerza de preesfuerzo: 42,9 t Sustituyendo los valores numéricos en la ecuación de Vwc, se obtiene: Vcw 0,93 f ´c 0,3 f Pc bw d P VP 0,93*10 350 0,3 * 472 0,20 *1,76 42,9 154 t Representación gráfica de las fuerza actuantes sobre el concreto en la sección a 1,6 m del apoyo. (No incluye la fuerza cortante resistida por el concreto). 18,59t 1,70 t/m 3,81 t/m 1,60m Vu= 202 t VP= 42,9 t Ru CARGA MUERTA: 3,81 t/m CARGA VIVA: W= 0,5*1,46*1,198*1,94=1,70 t/m P = 0,5*16*1,198*1,94=18,59 t Comparando: Vci ( 311 t ) > Vcw ( 154 t). En consecuencia se toma la fuerza cortante resistida por el concreto en la sección a 1,6 m del apoyo, igual a 193 t. Vs Fuerza cortante resistida por el acero: Vu 202 Vcw 154 84 t 0,85 0,85 La ecuación para el cálculo de Vs es: Vs Av f y d P S Se toman estribos # 4 ( Av= 1,27 cm2) con dos ramas . Por consiguiente la separación S de los estribos es: Carlos Ramiro Vallecilla B 23 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO S 2 *1,27 *104 * 42000*1,76 0,22 m 84 S toma conservadoramente un estribo # 4 c/0,20 m, en una longitud de 2 m, desde la cara del apoyo. Separación máxima de los estribos: 0,75h = 0,75*2,2= 1,65 m ó 0,60 m. Se toma una separación máxima entre estribos igual a 0,60 m Gráficamente: 0,8 No se indica la armadura de la losa 5 0,1 A48# 4 c/.20 L= 5,62 m A48# 4 c/0,20 L= 5,62 m 2,12 A310+10#4C/0.20 L =3,35m 2,2 0,2 S1 4# 4,L=6m 0,2 P34#4 L=3,15m 0,54 0,6 Nótese el incremento de resistencia al esfuerzo cortante que significa la introducción fuerzas de preesfuerzo en la sección. Efectivamente si la viga en estudio fuera en concreto reforzado, el concreto de la misma estaría en capacidad de resistir una fuerza cortante igual a: Vc 0,53 f ´c bw d P 0,53 350 *10 * 0,20 *1,76 34,9 t 154 t La tabla siguiente muestra la separación de los estribos # 4 , en secciones tomadas arbitrariamente cada 2 m. Carlos Ramiro Vallecilla B 24 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO X(m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18,9 V ci 24 34 45 56 67 84 101 125 169 324 SEPARACIÓN DE LOS ESTRIBOS V cw Vu Vs 129 39 22 140 55 31 150 72 40 160 88 48 170 105 57 180 121 58 190 140 64 201 156 59 211 175 37 154 202 84 S(m) 0,86 0,61 0,47 0,40 0,33 0,32 0,29 0,32 0,51 0,22 Notas: Para la determinación de la separación S de los estribos, se toma el menor valor entre Vci y Vcw , en cada sección. En la zona de la viga para x= 16 se presenta la máxima componente vertical de la fuerza de preesfuerzo de los cables 6 y 7. En consecuencia la separación entre estribos aumenta. Área mínima de los estribos. Av ,min 3,5bw S 2 *1,27 * 4200 S max 152 cm fy 3,5 * 20 Límite de Vs Vs 2,1 f ´c bw d P 2,1 350 * 20 *176 138291 kg 138 t Espaciamiento de los estribos reducido a la mitad. Vs 1,05 f ´c bw d P 1,05 350 * 20 *176 69146 kg 69,1 t 8. ÁNGULO DE SALIDA DE LOS CABLES Derivada de la ecuación de la trayectoria de los cables. Ecuación de los cables: y kx 2 dy y´ tan 2kx dx Carlos Ramiro Vallecilla B 25 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Sustituyendo los valores numéricos en cada una de las ecuaciones de los cinco cables del primer tensionamiento, se obtiene el siguiente ángulo de salida y1´ 2 * 0,000547293 x 0,0010946* 20 0,02243 ar tan(0,02243) 117´ y 2 ´ 2 * 0,001380131 x 0,002760262* 20,5 0,05658 314´ y3 ´ 2 * 0,00221297x 0,00442594* 20,5 0,0907317 511´ y 4 ` 2 * 0,00304581x 0,124878 7 07` 2,00m 1,50m ,10m y5 ´ 2 * 0,003878x 0,1590 9 02` 13º25¨ 12º03¨ 7 9º02¨ 6 5 7º07¨ 4 5º11¨ 3 3º14¨ 2 1º17¨ 1 2,00m ,50m 1,00m 1,00m ÁNGULO DE SALIDA DE LOS CABLES 9. LONGITUD DE LOS CABLES ENTRE APOYOS Le ecuación de la longitud de una parábola de la forma: y a b 2 x2 Es igual a: L b2 a 2a b 2a 4a 2 4a 2 1 0,5LN 1 b b b Gráficamente: y y=kx2 a x Carlos Ramiro Vallecilla B b 26 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO La tabla siguiente resume la longitud entre anclajes de los siete cables de tensionamiento. LONGITUD DE LOS CABLES ENTRE ANCLAJES CABLE a(m) b(m) L(m) 1 0,23 20,5 41 2 0,58 20,5 41,02 3 0,93 20,5 41,06 4 1,28 20,5 41,11 5 1,63 20,5 41,16 6 1,95 18,5 37,27 7 1,95 17 34,3 10. ALARGAMIENTO DE LOS CABLES La fórmula para el cálculo del alargamiento de los cables es: L PL E sP AsP Para un cable de 10 torones de 0,5 pulg, y para un módulo de elasticidad del acero de preesfuerzo igual a 2.000.000 kg/cm2, se obtiene: EsP AsP 10* 0,987* 2.000.000 19.740.000 kg 19.740 t Para el cálculo de los alargamientos se toma la fuerza efectiva P durante la transferencia en el centro de la luz,. CABLE 1 2 3 4 5 6 ALARGAMIENTO DE LOS CABLES P(t) L(m) EA(t) 126 41 19740 126 41,02 19740 126 41,06 19740 126 41,11 19740 126 41,17 19740 106 37,27 19740 ΔL(m) 0,2617 0,2618 0,2621 0,2624 0,2628 0,2001 Un cálculo más detallado del alargamiento de los cables de tensionamiento requiere considerar la variación de la fuerza de preesfuerzo a lo largo de la luz así como el acortamiento del concreto, tal como se muestra a continuación (cálculos referidos al cable 1). y1 0,000547x 2 0,07 tan 0,001094x kx 0,25* 0,001094x 0,003x 0,0032735x Carlos Ramiro Vallecilla B 27 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Ecuación para el cálculo de Px del centro de la luz al anclaje activo Px 126e 0,0032735 x Ecuación para el cálculo de Px del centro de la luz al anclaje pasivo Px 126e 0, 0032735 x FUERZA EFECTIVA. CABLE 1 0 4 8 12 16 20,5 0 0,0131 0,0262 0,0393 0,0524 0,0671 x(m) uα+kx e (uα+kx) Px(t) 1 126 1,0132 1,0265 1,0401 1,0538 1,0694 128 129 131 133 135 e -(uα+kx) Px(t) 1 126 0,987 0,9742 0,9615 0,949 0,9351 125 123 122 120 118 Gráficamente: P(t) 137 135 133 131 129 127 125 123 121 126 119 117 115 20,5 16 12 4 8 0 4 x 8 12 16 20,5 L(m) x Ecuación para el cálculo del alargamiento del cable de tensionamiento. L Px dx P dx 1 1 L x E sP AsP 0 Ec Ac E sP AsP Ec Ac 0 L L Px dx 0 Cálculo de la integral mediante la regla de Simpson: Nota: se supone en los cálculos siguientes que 4 m es el intervalo para la integración numérica. Carlos Ramiro Vallecilla B 28 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO S Pef. SPef. SUMA 41 P dx x 0 1 135 135 3789 4 133 532 2 131 262 4 129 516 2 128 256 4 126 504 2 125 250 4 123 492 2 122 244 4 120 480 1 118 118 x 4 * 3789 * 3789 5052 3 3 Para un módulo de elasticidad del concreto igual a: Ec 12500 f ´c 12500 315 221852 kg / cm2 Se obtiene: 1 1 5052 0,259 m 0,288 m L 7 4 2218520* 0,695 2 *10 * 9,87 *10 Como se puede apreciar, la diferencia de resultados es mínima. 11. Perdida por penetración de cuña. Dato: penetración de cuña= 6 mm. Cálculos referidos al cables1 (compuesto por 10 torones de 0,5 pulg de diámetro) W Lc EsP AsP p W Distanciadesde el anclajemóvilhasta el puntoen que la fuerza de rozamientopor penetración de cuña es cero. P 2pW Pérdida de fuerza de preesfuerzo entredos puntosde la viga. Lc Penetración de cuña. Para el cable 1, de 10 torones de 0,5 pulg de diámetro, se tiene: Fuerza en el anclaje = 135 t. Fuerza de preesfuerzo a una distancia igual a 4,5 m del apoyo =133 t. p 135 133 0,444 t / m 4,5 Si se supone que el módulo de elasticidad del acero de preesfuerzo es 2*10 7 t/m2 , se tiene un longitud W igual a: W 6 *103 * 2 *107 *10 * 0,987*104 16,33 m 0,444 Por consiguiente la pérdida de fuerza de preesfuerzo en el anclaje, debida a la penetración de cuña es igual a: Carlos Ramiro Vallecilla B 29 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO P 2pW 2 * 0,444*16,33 14,50m. Gráficamente: P(t) 137 16,33m 135 133 P=14,5 t 131 129 127 125 123 120,5 127,75 126 119 117 115 20,5 16 12 4 8 0 4 x 8 12 16 20,5 L(m) x Fuerza efectiva en el cable 1 una vez descontada la pérdida por penetración de cuña x 16 m P1 120,5 7,25 * 4,5 122,5 t 16,33 x 12 m P1 120,5 7,25 * 8,5 124,3 t 16,33 x 8 m P1 120,5 7,25 *12,5 126 t 16,33 En la tabla siguiente se resume el cálculo de la pérdida por penetración de cuña para los cables de primer tensionamiento. PÉRDIDA POR PENETRACIÓN DE CUÑA CABLE Panclaje(t) P,X=4,5m 1 135 133 2 136 134 3 138 135 4 139 136 5 140 137 Δp(t) 0,444 0,444 0,667 0,667 0,667 W(m) 16,33 16,33 13,32 13,32 13,32 ΔP(t) 14,52 14,52 17,76 17,76 17,76 x=20,5 x=16m x=12m 120,48 122,5 124,4 121,48 123,5 125,25 120,24 123,2 125,9 121,24 124,2 126,9 122,24 125,2 127,9 x=8 x=4 126,2 no infuye 127 no infuye 128,6 131,2 129,6 132,2 130,6 133,2 Verificación de los esfuerzos en la sección simple, sometida a la fuerza de preesfuerzo más su peso propio, incluyendo las pérdidas por corrimiento en el anclaje. Carlos Ramiro Vallecilla B 30 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO ESTADO DE ESFUERZOS EN EL CONCRETO INFLUENCIA DEL CORRIMIENTO EN EL ANCLAJE Caso de carga : fuerza de preesfuerzo más peso propio de la viga Primer tensionamiento : 50 torones en 5 cables con 10 torones cada uno Fuerza en el centro de la luz = 632 t X se mide del centro de la luz a los apoyos Los cables 1,3 y 5 se tensionan desde un mismo extremo Los cables 2 y 4 se tensionan desde el otro extremo Peso propio de la sección simple : 1,67 t/m Corrimiento en el anclaje= 6 mm X(m) 0 4 8 12 16 20,5 A (m2 ) Ws Wi µα 1 0,695 0,695 0,695 0,695 0,695 0,695 0,3637895 0,3637895 0,3637895 0,3637895 0,3637895 0,3637895 0,3291429 0,3291429 0,3291429 0,3291429 0,3291429 0,3291429 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,006 µα 2 0,000 0,003 0,006 0,008 0,011 0,014 µα 3 0,000 0,004 0,009 0,013 0,018 0,023 µα 4 0,000 0,006 0,012 0,018 0,024 0,031 µα 5 Kx P1 0,000 0 126 0,008 0,012 128 0,016 0,024 126,20 0,023 0,036 124,40 0,031 0,048 122,50 0,040 0,0615 120,48 P2 126 125 123 121 119 117 P3 126 131,20 128,60 125,90 123,20 120,24 P4 126 124 122 120 118 115 P5 126 133,20 130,60 127,90 125,20 122,24 e1 0,980 0,971 0,945 0,901 0,840 0,750 e2 0,980 0,958 0,892 0,781 0,627 0,400 e3 0,980 0,945 0,838 0,661 0,413 0,050 e4 0,980 0,931 0,785 0,541 0,200 -0,300 e5 Suma Pe Suma P MD(t.m) Esf. Sup. Esf. Inf. Esf. Adm. CUMPLE 0,900 609 632 351 -199 -1694 -1733 ≈SI 0,841 595 641 338 -214 -1705 -1733 ≈SI 0,664 519 630 298 -298 -1579 -1733 SI 0,369 402 619 231 -420 -1410 -1733 SI -0,044 246 608 137 -574 -1206 -1733 SI -0,650 29 595 0 -777 -945 -1733 SI Carlos Ramiro Vallecilla B 31 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 12. Cuadro de tensionamiento de la viga CUADRO DE TENSIONAMIENTO TENSIÓN EN F =0,5 pulg EL GATO (t) TENSIÓN EN LONGITUD ENTRE EL CENTRO DE LA LUZ (t) ANCLAJES(m) ALARGAMIENTO (cm) ORDEN DE TENSIONAMIENTO 1 10 135 107 41,00 26,17 1 2 10 136 107 41,02 26,18 2 3 10 138 107 41,06 26,21 3 4 10 139 107 41,11 26,24 4 5 10 140 107 41,17 26,28 5 6 10 118 107 37,29 20,00 6 7 10 119 107 34,32 18,42 7 PRIMER TENSIONAMIENTO TORONES SEGUNDO TENSIONAMIENTO CABLE TENSIONAMIENTO EFECTIVO EN EL CENTRO DE LA LUZ=29636 tm/VIGA LONGITUD DE TORONES DE 0,5 PULG(ENTRE ANCLAJES)=2770 m/VIGA TENSIONAMIENTO EFECTIVO POR TORÓN=10,7 t TENSIONAR LAS VIGAS DESDE UN EXTREMO Cálculo del tensionamiento efectivo en el centro de la luz. (Después de descontadas todas las pérdidas) T .E. 107* (41 41,02 41,06 41,1 41,17 37,29 34,32) 29636 t Cálculo del número de torones de 0,5 pulg de diámetro por cable de 10 torones: No. torones. 10* (41 41,02 41,06 41,1 41,17 37,29 34,32) 2770 m / viga 13. Momento último de la sección. Del grupo de cargas I, método de la resistencia última: M u 1,3M D 1,67M ( LI ) Sustituyendo los valores numéricos: M D 683118 801 t.m M(l I ) 495 t.m Mu 1,38011,67 495 2116 t.m Carlos Ramiro Vallecilla B 32 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO El momento resistente para secciones rectangulares viene dado por las siguientes ecuaciones: APs 70* 0,987 69,09 cm2 d 7 * 40 15 * 30 10,43 cm d P 2,20 0,1043 2,10 m 70 Ps APs 69,09 0,00142 b w d P 232* 210 Para acero de baja relajación debe tomarse: P 0,28 Igualmente: 1 0,85 f ´c 280 350 280 * 0,05 0,85 * 0,05 0,80 70 70 f f Ps f Pu 1 ( P )( P Pu ) 1 f ´c 0,28 0,00142*18900 f Ps 189001 ( )( ) 18393 kg / cm2 0,80 350 a APs f Ps 69,09*18393 18,41 cm 0,85 f ´c b 0,85* 350* 232 La sección se comporta como rectangular. En consecuencia: a 18,41 M u APs f Ps (d P ) 0,90 69,09 *18393(210 ) 229648264kg.cm 2296 t.m 2 2 El momento último resistente Mu= 2296 t.m es mayor que el momento último actuante 2116 t.m. En consecuencia el diseño es satisfactorio. 14. verificación del acero mínimo. De acuerdo con el CCDSP-95, la cantidad total de acero de preesforzado y no preesforzado debe ser la adecuada para desarrollar un momento último en la sección crítica de por lo menos 1,2 veces el momento e agrietamiento M*cr.Es decir: M u 1,2M *cr Carlos Ramiro Vallecilla B 33 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO M *cr ( f r f pe )Sc M d / nc (Sc / Sb 1) M d/nc = Momento por carga muerta sobre la sección simple. M d / nc 1,67 * 412 351 t.m 8 fr=Módulo de rotura del concreto en kg/cm2. Para concreto de peso normal: f r 2,0 350 2,0 350 37 kg / cm2 fpe = Esfuerzo de compresión en el concreto debido solamente a las fuerzas efectivas de preesfuerzo después de ocurridas todas las pérdidas en la fibra extrema precomprimida. Para pérdidas en etapa de servicio iguales al 15 % , se tiene el siguiente esfuerzo en la fibra extrema precomprimida, resultado de sumar los esfuerzos en la sección simple más los esfuerzos en la sección compuesta. f pe 0,85* 5 *126 4 * 0,85*126* 0,98*1,05 1* 0,85*126* 0,90*1,05 2 * 0,85*126 0,695 0,3456 0,3456 1,159 2 * 0,85*126*1,32*1,47 771 1276 293 185 636 3161 t / m 2 0,6539 Sc= Módulo de sección compuesta en la fibra extrema precomprimida. Sc 0,6539 0,4448 m3 1,47 Sb= Módulo de sección simple en la fibra extrema precomprimida. Sb 0,3456 0,3291 m3 1,05 Sustituyendo los valores numéricos en M*cr, se obtiene: 0,4448 M *cr (370 3161)0,3291 351 1 1038 t.m 0,3291 2296 t.m 1,2 *1038 1246 t.m La sección cumple con los requisitos de acero mínimo. 14. revisión de los límites de ductilidad. Carlos Ramiro Vallecilla B 34 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO De acuerdo con el CCDSP-95, los elementos de concreto preesforzado deben diseñarse para que el acero y el concreto fluyan en condiciones de capacidad última. En general el índice de refuerzo en secciones rectangulares debe cumplir la siguiente relación: P f Ps f ´c 0,361 De acuerdo con los cálculos precedentes: 0,00142*18393 350 0,074 0,36* 0,80 0,288 La sección cumple con los requisitos de ductilidad. 15. Longitud de apoyo de la viga. La longitud mínima de apoyo para puentes (A.3.5.9.3) con categoría de comportamiento sísmico C es: N 30,5 0,25L 1,00H Donde: H= Altura promedio, en m, de las columnas o pilas que soportan el tablero hasta la siguiente junta de expansión. H es cero para puentes de una luz. L=Para puentes de una luz, L es la longitud del tablero. N 30,5 0,25* 41 40,75 cm 50 cm El diseño es satisfactorio. 16. avalúo de las pérdidas de fuerza de preesfuerzo. De acuerdo con el Código Colombiano de Diseño Sísmico de puentes -1995, las pérdidas de fuerza de preesfuerzo se calculan de acurdo con la siguiente ecuación: f s SH ES CRc CRs f s s pérdidatotalexcluyendola fricción,kg/cm2 16.1. Pérdida por retracción de fraguado del concreto SH , kg/cm2. Carlos Ramiro Vallecilla B 35 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO SH Pérdidasdebidas a la retraciónde fraguado,kg/cm2 Para miembros postensados: SH 0,80(1190 10,5RH ) RH Media anual de la humedadrelativadel ambiente,en porcentaje Se supone una humedad relativa del 75 % en el sitio de emplazamiento del puente. En estas condiciones: SH 0,80(1190 10,5 * 75) 322kgc2 16.2. Pérdida por acortamiento elástico ES, kg/cm 2. Para miembros postensados: ES 0,5E s f cir Eci Es= Módulo de elasticidad del acero de postensado. Se puede suponer 2000000 kg/cm2. Eci = Modulo de elasticidad el concreto en el momento de la transferencia , el cul se puede calcular así: Eci 0,14(wc )1,5 f ´c i Eci 0,14(2400)1,5 280 275438 kg / cm2 f cir Esfuerzo en el concretoen el centrode gravedaddel acerode preesfuerzo debido a la fuerza de preesfuerzo y a la carga muertade la viga inmediatamentedespués de la transferencia. Distancia del eje centroidal de la sección simple al punto de aplicación de la resultante de fuerza de preesfuerzo: 1,05-0,10=0,95 m Cálculos referidos a la sección simple. f cir 5 *126 5 *126* 0,952 351* 0,95 1587 t / m 2 158,7 kg / cm2 0,695 0,3456 0,3456 Obsérvese que los esfuerzos debidos al preesfuerzo y la carga muerta tienen signos contrarios. No se tuvo en cuenta la pérdida por acortamiento elástico ES 0,5 * 2 *106 *158,7 576 kg / cm 2 275438 Carlos Ramiro Vallecilla B 36 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 16.3. Pérdida por flujo plástico del concreto, CRc , en kg/cm 2. CRc 12 f cir 7 f cds f cds Esfuerzo en el concretoen el centrode gravedaddel acerode preesfuerzo debido a todas las cargas muertasexceptuando la carga muertapresenteen el momentoen que se aplica la fuerza de preesfuerzo. Intervienen en el cálculo de fcds la carga muerta debida al peso de la losa (1,58 t/m) más las cargas sobreimpuestas (0,56 t/m). Cálculos referidos a la sección compuesta. Distancia del eje centroidal de la sección compuesta al punto de aplicación de la resultante de fuerza de preesfuerzo: 1,47-0,10=1,37m f cds (332 118)1,37 943 t / m 2 94,3 kg / cm 2 0,6539 CRc 12*158,7 7 * 94,3 1244 kgcm2 16.4. Pérdida debida a la relajación del acero de preesforzado, CR s , en kg/cm2. Para miembros postensados y torones de baja relajación: CRs 350 0,07FR 0,1ES 0,05(SH CRc ) FR=Reducción en el esfuerzo por la pérdida por fricción en kg/cm2, por debajo del nivel de 0,70 fpu en el punto en consideración. En este ejemplo se supone que FR es cero. CRs 350 0,1* 576 0,05(322 1244) 214 kg / cm2 Resumen de pérdidas. Retracción de fraguado: 322 kg/cm2 Acortamiento elástico: 576 kg/cm2 Flujo plástico del concreto: 1244 kg/cm2 Relajación del acero: SUMA 214 kg/cm2 2356 kg/cm2. Pérdida de fuerza de preesfuerzo referida a un cable de 10 torones: P 10* 0,987* 2356 23253 kg 23,25 t Fuerza en el centro de la luz en el instante de la transferencia: 126 t. Fuerza en el centro de la luz una vez han ocurrido las pérdidas que se presentan durante la vida útil del puente: 126-23,25 =102,75 t Carlos Ramiro Vallecilla B 37 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO En porcentaje: P% 23,25 * 100 18,45% 126 El diseño se considera satisfactorio ya que existe una diferencia de tan sólo el 3,45 % entre el valor supuesto (15 %) de las pérdidas de fuerza de preesfuerzo y el valor calculado (18,45%). 17. cálculo de deflexiones 17.1 deflexiones en la sección simple. 17.1.1 Deflexión debida al preesfuerzo Coeficiente de rigidez EcIc de la sección simple Módulo de elasticidad del concreto para una resistencia del concreto, en el instante de la transferencia, igual a 315 kg/cm2. Ec 12500 315 221852 kg / cm2 2218520 t / m 2 Ec I c 2218520* 0,3456 766724 t.m2 Constantes que intervienen en el cálculo de la deflexión producida por la fuerza de preesfuerzo en el centro de la luz de una viga simplemente apoyada. Carlos Ramiro Vallecilla B 38 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO P e1 P ? f ? EJE CENTROIDAL e1 e2 CABLE DE PREESFUERZO L/2 L/2 W Pcos? W= Pcos? ?W ? = W L/2 8Pf L2 4 5WL 384EI L/2 ? M=Pe M=Pe M L/2 L/2 ? = M 2 ML 8EI CÁLCULO DE DEFLEXIONES Deflexión en el centro de la luz debida a una carga uniformemente repartida w: w 5wL4 384Ec I c Deflexión debida al momento M. M 8ML2 Ec I c ; M Pe Ejemplo del cálculo de la deflexión debida al cable 1. Se toma la fuerza en el centro de la luz, durante la transferencia: P1 126 t Efecto de la carga equivalente w 8Pf 8 *126 * 0,23 0,138 t / m 2 L 412 La deflexión debida a la fuerza de preesfuerzo en el cable 1 es igual a: W1 5WL4 5 * 0,138* 414 0,0073 m 384EI 348* 766724 Efecto de la excentricidad sobre apoyo: Carlos Ramiro Vallecilla B 39 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Sobre los apoyos el cable 1 presenta una excentricidad, por debajo del eje centroidal, igual a: 1,05-0,30 = 0,75 m L a deflexión debida a la excentricidad sobre apoyo del cable 1 es: M1 ML2 126* 0,75 * 412 0,0259 m 8EI 8 * 766724 Por consiguiente, la deflexión total debida al cable de preesfuerzo 1 es igual a: W1 M1 0,0073 0,0259 0,0332 m La tabla siguiente resume las cálculos necesarios para determinar la carga equivalente w (t/m), uniformemente repartida, que el preesfuerzo produce sobre el concreto, así como la excentricidad e (m) de los cables de preesfuerzo sobre apoyo y el momento flector correspondiente que estos producen. Convención: son positivas las deflexiones hacia arriba. CABLE 1 2 3 4 5 P(t) f(m) 126 0,23 126 0,58 126 0,93 126 1,28 126 1,55 SUMA e(m) W(t/m) M=Pe (t.m) 0,75 0,138 94,5 0,4 0,348 50,4 0,05 0,558 6,3 -0,3 0,768 -37,8 -0,65 0,929 -81,9 2,740 31,5 La deflexión en el centro de la luz, en la sección simple, debida a la fuerza total de preesfuerzo es igual a: P 5 * 2,74 * 414 31,5 * 412 0,14 m 384* 766724 8 * 766724 17.1.2 Deflexión en el centro de la luz, debida al peso propio de la sección simple (D=1,67 t/m), más el peso de la losa (1,58 t/m), cuando el concreto de esta última no ha fraguado: 5 * (1,67 1,58) * 414 D 0,155 m 384* 766720 Contraflecha en el centro de la luz: 0,155 0,14 0,015 m 1,5 cm 17.1.3 Deflexión en el centro de la luz debida a la carga viva. Coeficiente de rigidez para la sección compuesta: ( I= 0,6539 m4) Carlos Ramiro Vallecilla B 40 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO Ec I c 10 *12500 350 * 0,6539 1529169t.m 2 Deflexión debida a la línea de carga (incluye impacto y factor de rueda) w 1,198*1,94* 0,5 *1,44 1,67 t / m P 1,198*1,94* 0,5 *12 13,94 t (l I ) 5 *1,67 * 414 13,94 * 413 0,053 m 5,3 cm 384*1529169 48*1529169 Valor máximo admisible de deformación por carga viva: max L 4100 5,1 cm 5,3 cm 800 800 La deflexión por carga viva es menor que la máxima deflexión admisible, por consiguiente el diseño es satisfactorio. 18. Detalles constructivos A311+11#4C/0.20 L =3,35m P22+2+2+2#4, L=4,00m A2 7+7+7#4C/0.09 L= 1,93 m A4 11# 5 c/.15 A5 10# 5 c/.15 P24#4, L=4,00m P34#4, L=3,15m A4 8# 4 c/.20 A5 10# 5 c/.15 ESTRIBOS Carlos Ramiro Vallecilla B 41 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO P13#4 E3 #3 0,15 P14+4#4 E3 #3,L=1,89 m 0,1 0,75 0,4 7 2,1 0,15 E2#3 L=1,34m 0,1 0, 32 E2 #3 0,37 P17+7#4 E1 #4 0,3 0,5 E1 #4,L=5,1m P14#4 ARMADURA PASIVA CENTRO DE LA LUZ 0,15 L= 1,93 m A120+20+20# c/.10 L= 054m A4 8# 4 c/.20 0,05 0,15 A27+7+7#4C/0.09 ESC:1_____20 3 mallas .10*.09 A3 10+10#4C/0.20.L =3,35m 0,35 1,02 1,91 A3 20#4C/0.20.L =3,28m DETALLE DE LA ARMADURA SOBRE APOYO Carlos Ramiro Vallecilla B 42 0,15 0,2 0,5 0,2 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO 0,20,25 2 1,2 0,05 1,95 1 2 1 0,2 0,250,2 0,150,30,15 0,12 0,12 BLOQUE DE ANCLAJE DIMENSIONES 0,8 No se indica la armadura de la losa 5 0,1 A410# 5 c/.15 L= 5,62 m A410# 5 c/.15 L= 5,62 m 2,12 A310+10#4C/0.20 L =3,35m 2,2 0,2 S1 4# 4,L=6m 0,2 P34#4 L=3,15m 0,54 0,6 ARMADURA SOBRE APOYO ESC: 1____20 Carlos Ramiro Vallecilla B 43 MANUAL DE PUENTES EN CONCRETO POSTENSADO REFUERZO NO TENSIONADO DE UNA VIGA No L(m) ,50 E1 3 4 5 8 Peso ,15 FIGURA ,3 2 ,10 5,1 88 449 ,37 ,75 E3 ,47 ,10 ,15 E2 ,30 2,10 1,34 88 66 1,89 88 93 P1 6,0 6,0 136 816 P2 4,0 4,0 56 224 P3 3,15 3,15 8 25 5,55 5,55 16 89 A1 0,54 0,54 120 A2 1,93 1,93 A3 1,02 ,15 A4 1,91 2,12 VARIABLE ,15 A5 0,35 ,54 P4 36 136 126 3,28 40 131 5,62 20 175 VAR 6 42 SUMA TOTAL PARA UNA VIGA 2283 SUMA TOTAL PARA TRES VIGAS 6849 Carlos Ramiro Vallecilla B 44