FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Rev. Fecha: 03/05 A PUENTES - GENERALIDADES DEFINICIÓN Definiremos como Puente a una construcción que permite salvar un obstáculo que se presenta en una determinada vía de comunicación. Debe entenderse en un sentido amplio, de tal forma que esta vía puede ser desde un camino peatonal hasta un oleoducto. CLASIFICACIÓN Los puentes se pueden clasificar de diversas formas, por ejemplo Destino o uso: Carretero, ferroviario, peatonal, mixto, puente canal, etc. Tipo del obstáculo a salvar Río, arroyo, brazo de mar, caminos o vías férreas, precipicios, etc. Zona de emplazamiento Rural, urbana, semiurbana o periférica. Por sus dimensiones relativas Grandes luces, luces moderadas, luces reducidas (alcantarillas) Características estáticas Tramos isostáticos, vigas continuas, en arco, colgantes, atirantados Características constructivas Construidos in situ, prefabricación parcial o total, voladizos sucesivos, rotados, empujado, etc. Podríamos seguir catalogando a los puentes de acuerdo a un sinnúmero de variables de diseño o proyecto • Materiales • Geometría • Ubicación altimétrica • Etc., etc. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:1de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A PARTES GLOBALES DE UN PUENTE – TERMINOLOGÍA Definiremos a continuación las partes constitutivas de un puente, con la terminología habitual en nuestro país. Esta descripción es aplicable en términos generales, a cualquier tipo de puente de acuerdo a las diversas clasificaciones antes desarrolladas. Es decir, en forma absolutamente independiente de si se trata de un puente metálico o de hormigón, o si es un puente de luces moderadas o grandes. La obra de un puente pude dividirse básicamente en: • Puente propiamente dicho • Accesos Los accesos pueden ser terraplenes o constituir en sí otras estructuras de puentes. Dentro del puente distinguimos dos partes: • La Superestructura, constituida por todos los elementos estructurales o constructivos, que forman parte de la obra que salva el obstáculo permitiendo el tránsito sobre la misma. Este conjunto se denomina “tablero”. • La Infraestructura, formada por todas las estructuras que dan apoyo a la superestructura, llevando las cargas al suelo. Dentro de la infraestructura consideraremos incluidas a las fundaciones. Los apoyos intermedios se denominan “pilas”, en tanto los extremos, que sirven como identificación con los terraplenes de acceso, se denominan “estribos”. Existen elementos intermedios entre ambas partes, llamados Dispositivos de Apoyo, a través de los cuales se transmiten las acciones de una a otra. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:2de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras ACCESO HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Rev. Fecha: 03/05 A ACCESO PUENTE PROPIAMENTE DICHO SUPERESTRUCTURA DISPOSITIVOS DE APOYO ESTRIBO IDENTIFICACION CON TERRAPLEN Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc INFRAESTRUCTURA PILA APOYOS INTERMEDIOS Hoja:3de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A DISEÑO BÁSICO DE UN PUENTE LUCES TOTALES Y PARCIALES En el diseño de un puente inciden diversos factores: el tránsito que deberá circular, el tipo de obstáculo a salvar, las condiciones del terreno (planialtimetría, cota de fundación, capacidad soporte), el clima (viento, sismo, nieve, etc.), y el aspecto técnico y económico (tecnología y disponibilidades constructivas). Estos factores definirán la longitud total del cruce, llamada Luz Total (LT). El tablero se encuentra fundamentalmente sometido a flexión en sentido longitudinal. Debido a que el momento flexor aumenta con el cuadrado de la luz, el costo del tablero crece muy rápidamente al aumentar la misma. M = f(L²) Para que el puente no se encarezca demasiado, se divide la longitud total en varios tramos, llamados cada uno de ellos Luz Parcial (LP), de la que dependerá el costo del tablero. M = f(Lp²) Si el número de tramos aumenta demasiado, se encarece el costo de las estructuras de apoyo, ya que aumenta su cantidad sin disminuir en la misma proporción las dimensiones de éstas. La solución mas económica será obviamente la que corresponde a una luz de tramo que haga mínimo el costo de la superestructura más el costo de las estructuras de apoyo. En general, se encuentra cercana a aquel valor de Lp que hace que el costo de la superestructura sea del mismo orden que el de la infraestructura de apoyo. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:4de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A TIPOS ESTRUCTURALES DE TABLEROS Independientemente de cuestiones de diseño o constructivas, para cada rango de luces a salvar, existen determinados tipos estructurales de tableros que mejor se adaptan a los mismos. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:5de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A PUENTE CARRETERO DEL TRABAJO PRÁCTICO El objeto del Trabajo Práctico de nuestro curso es el de proyectar un puente para tránsito vehicular, perteneciente a la red Vial Nacional, que salva un obstáculo constituido por un río no navegable con cauce extendido, con moderado desnivel del terreno. Este es un caso típico de cruce de un río de llanura, muy común en la pampa húmeda. SUPERESTRUCTURA DEL PUENTE CARRETERO El tablero está compuesto por la losa sobre la que circula el tránsito, las vigas principales dispuestas en sentido longitudinal y las vigas de arriostramiento en sentido transversal. Todos éstos son elementos estructurales. Existen además otros elementos constructivos no estructurales que cumplen otras funciones: veredas, barandas, defensas, iluminación, canalizaciones, etc. El tipo de superestructura adoptado es habitual en puentes de hormigón pretensado de luces parciales moderadas del orden de 20 a 40 m. baranda guardrail C.R. carpeta asfáltica vereda Riostra Vigas principales C.F.V. >1m C.M.C. Seccion transversal del tablero Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:6de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A Cada tramo del puente es isostático. Estructuralmente, el conjunto de vigas principales y riostras, constituye un “emparrillado” sustentado en los extremos de las vigas principales por dispositivos de apoyos “armados” de Neopreno. Riostra R LP VP VP VP VP VP R INFRAESTRUCTURA DEL PUENTE CARRETERO Como vimos anteriormente, los apoyos están constituidos por las “Pilas” y los “Estribos”. Son estructuras intermedias sobre las que se colocan los dispositivos de apoyo y que transmiten las cargas al terreno a través de las fundaciones. Las pilas son apoyos intermedios que se ubican en el cauce principal o en el secundario, mientras que los estribos son los apoyos extremos que reciben el empuje de los suelos de los terraplenes de acceso. En ambos casos se supone que el suelo de fundación no es apto para recibir fundaciones del tipo directa. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:7de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A ASPECTOS REGLAMENTARIOS PARA EL DISEÑO DEL PUENTE CARRETERO Para el cálculo y dimensionamiento de las secciones estructurales del Puente, se seguirán los lineamientos del Reglamento CIRSOC 201. Dado que está destinado al tránsito vehicular, las cargas de servicio están determinadas por el reglamento de puentes de la Dirección Nacional de Vialidad, denominado “Bases para el Cálculo de Puentes de Hormigón Armado”. Haremos un breve comentario respecto de esta Norma y de la actualidad reglamentaria en nuestro país en general. La Norma “Bases para el…”, fue elaborada en la década del ´50 del pasado siglo, y está basada en la antigua normativa Alemana de principios de ese siglo. Dividida en varios capítulos, contiene disposiciones para el cálculo de resistencia de secciones de Hormigón Armado basados en hipótesis de linealidad de tensiones y deformaciones (cálculo clásico) y no abarca la tecnología del hormigón pretensado. Obviamente obsoleta en lo que a análisis resistente se refiere, sólo se encuentra en vigencia el “Capítulo A – Cargas de Cálculo”, ya que el conjunto de cargas de diseño a considerar puede considerarse aceptable. También se utiliza en forma parcial el “Capítulo B – Cálculos de Resistencia”, en lo que respecta la determinación de anchos de colaboración en losas. En la actualidad, el cuerpo de Reglamentos CIRSOC está siendo modificado orientándose a la línea reglamentaria Americana. El objetivo de esta transformación es lograr un cuerpo reglamentario moderno y coherente. El Reglamento CIRSOC 201 próximo a entrar en vigencia para estructuras de Hormigón Armado y Pretensado, se basa íntegramente en el Código ACI 318. Sin embargo, este Reglamento no es aplicable a Puentes. Por tal motivo, se encuentra en elaboración un nuevo Reglamento CIRSOC específico para Puentes basado en la Normativa Americana AASHTO, coherente con la línea ACI. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:8de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A CARGAS ACTUANTES EN EL PUENTE CARRETERO El reglamento de Vialidad Nacional las clasifica en: FUERZAS - Carga permanente (incluye E suelo). PRINCIPALES - Sobrecarga accidental. - Impacto. - Temp., contracción, fluencia lenta FUERZAS - Viento. ADICIONALES (O SECUNDARIAS) - Frenado. - Esfuerzos en baranda. - Frotamiento en apoyos móviles. - Asentamientos y desplazamientos de vínculos. - Presión del agua. - Choque de objetos y vehículos en pilares. - Sismo. CARGAS PERMANENTES Para la determinación de las Cargas Permanentes, el Reglamento fija los pesos unitarios a considerar para los distintos materiales y estructuras compuestas. Queda específicamente ANULADO el párrafo de la página 2 donde se permitía una reducción del 25% en las solicitaciones debidas a las cargas permanentes, siendo obligatorio considerar el 100% de las mismas Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:9de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A SOBRECARGA ÚTIL O SOBRECARGA ACCIDENTAL El reglamento define un sistema de cargas actuantes basado en la combinación de la circulación de un vehículo tipo, denominado “Aplanadora”, y cargas uniformemente distribuidas en la superficie del tablero. Estas cargas son estáticas, si bien representan la acción de vehículos. El reglamento fija distintas categorías de puentes. En nuestro caso adoptamos un puente de categoría A-30, es decir, con carga de aplanadoras de 30 t., que corresponde a los caminos de la Red Nacional, sometidos al tránsito de los vehículos más pesados. Aplanadora Tipo Las cargas que transmiten los rodillos son: 1.50 3.00 1.50 Rd = 13 t 6.00 0.50 2.50 1.20 Rd Rt Rt = 8,5 t c/u Rt La aplanadora solo se coloca en la dirección del tránsito. 1.10 0.50 Se debe disponer sobre el puente una aplanadora por cada faja de circulación (3.00 m de ancho de calzada) en toda la longitud del puente, desplazándose siempre según el sentido longitudinal del puente. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:10de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A Fuera de la zona ocupada por las aplanadoras se coloca una carga uniformemente distribuida denominada “multitud compacta”, de 600 Kg/m² en calzada, y otra denominada “sobrecarga en veredas” de 400 Kg/m². (En general en las licitaciones para Proyecto u Obra, la Dirección Nacional de Vialidad especifica cargas de multitud compacta variables en función de la luz del puente). Considerando un tramo del puente en planta, resulta la siguiente disposición de cargas: aplanadoras av Pv ac Pmc multitud compacta en calzada sobrecarga en veredas av Pv Lp Al ubicar las aplanadoras, se buscará que los rodillos queden en la posición que den las solicitaciones más desfavorables en cada elemento estructural. Por ejemplo, en el análisis de las vigas principales, se jugará con la posición de las aplanadoras en sentido longitudinal. Con las cargas en una posición se logra Mmáx. En otra posición se logra Qmáx., etc. También resulta de importancia la ubicación de las aplanadoras en sentido transversal en la calzada, a los efectos de analizar la repartición transversal de cargas. Para puentes con tres o más fajas de circulación, puede considerarse una reducción en el valor total de las cargas de aplanadoras, con un cierto criterio probabilístico de simultaneidad de las acciones. Esta reducción se fija en un porcentaje en función de las fajas cargadas. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:11de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A IMPACTO No se trata en sí de una carga actuante. Es un coeficiente de mayoración que tiene en cuenta los efectos dinámicos de las cargas de tránsito. Este coeficiente afecta los valores de las cargas de aplanadora y de multitud compacta. No afecta la sobrecarga sobre vereda. Se determina por interpolación lineal a partir de los valores indicados en la Tabla Nº 2 del Reglamento, en función del tipo estructural y de la luz de cálculo del elemento en estudio. VIENTO Se trata de una acción secundaria que actúa en sentido transversal al eje del puente, aplicada sobre la superestructura. La acción del viento se considera como una presión con distintas intensidades y aplicada en distintas superficies según se considere el puente descargado o cargado. 2.00 presión de viento: pVC = 150 Kg/m² pVD = 250 Kg/m² pVC pVD FRENADO Se trata de una acción secundaria en la dirección del eje del puente. Su valor debe tomarse como el mayor entre las dos siguientes expresiones: Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:12de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A Hf = 0,15 . n° . Gap. Hf = 1 . pmc . aC . Lp 25 donde n° : cantidad de aplanadoras Gap: peso de cada aplanadora pmc : sobrecarga de muchedumbre compacta aC : ancho de la calzada LP : longitud del tramo, o tramos, cargados. HF H fa Hf = Hfa + Hfb H fb KA Hfa KB y Hfb se reparten proporcionalmente A B a la rigidez de cada apoyo. La rigidez total es k = kA + kB Hfa = kA Hf Hfb = kB Hf K K Para considerar el máximo esfuerzo de frenado en un pilar puede considerarse sobrecarga de muchedumbre en los dos tramos adyacentes, o aplanadoras en uno de los tramos, ya que no se coloca más de una aplanadora por faja de circulación. No se considera el caso de un vehículo o aplanadora que no esté en dirección longitudinal, por ejemplo un camión que se desvía para evitar un obstáculo, y frena, dando una componente transversal de la fuerza de frenado. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:13de 14 FACULTAD DE INGENIERÍA U.B.A. Departamento Construcciones y Estructuras HORMIGÓN II – 74.05 Clase Nº: 2 Preparó: R.P. Fecha: 03/05 Rev. A EJECUCIÓN DEL TRABAJO PRÁCTICO Incluye el proyecto, cálculo, dimensionamiento y documentación técnica del tablero del puente, vigas principales y riostras. Los cálculos deben ajustarse a las disposiciones del CIRSOC 201. La documentación técnica incluirá los planos de estructuras, indicando con claridad las formas estructurales (encofrados), los materiales, el despiece de las armaduras, su posición y recubrimientos. Se pretende lograr un nivel de definición del proyecto similar al requerido en la actividad profesional. Debe tenerse muy en cuenta que la documentación no debe dar lugar a errores por falta de claridad, o indefiniciones que hagan difícil su ejecución. Se debe tener en claro que el que construye la obra casi nunca es el que la calcula, por lo que se debe extremar la claridad de la documentación a fin de no provocar falsas interpretaciones. Archivo: Puentes Generalidades Puente Carretero.doc Hoja:14de 14