Memoria Viaducto Gran Mangar

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1Introduccin52GENERALIDADES63PARMETROS DE ANLISIS Y DISEO73.1NORMAS DE DISEO73.2PROPIEDADES DE LOS MATERIALES73.3RECUBRIMIENTOS Y ALINEAMIENTOS93.4MTODO DE ANLISIS ESTRUCTURAL103.5CARGAS DE DISEO103.5.1Cargas De Construccin103.5.2Carga Muerta103.5.3ML: Carga Viva Vehicular103.5.4I: Impacto123.5.5T: Fuerzas Trmicas123.5.6Fuerzas de Viento123.5.7Retraccin De Fraguado Creep133.5.8Fuerzas Ssmicas133.6COMBINACIONES DE CARGA154MODELO TIPO PRTICO (MIDAS CIVIL 2010 V2.2)164.1ENTRADA DE DATOS174.1.1Secciones Utilizadas en el Anlisis175ANLISIS Y DISEO DE LA SUPERESTRUCTURA205.1ANLISIS Y DISEO A FLEXIN.215.1.1Diagramas de Esfuerzos en el Puente Terminado el Proceso Constructivo225.1.2Diagramas de Esfuerzos en el Puente en Servicio (t = 0)245.1.3Diagramas de Esfuerzos en el Puente A Largo Plazo (10000 Das)265.2DISEO DEL REFUERZO EN LAS ALMAS275.2.1Diagramas de Cortante y Flexin por Cargas Muertas285.2.2Diagramas de Cortante y Flexin por Carga Viva295.2.3Diagramas por Cables de Tensionamiento315.2.4Diseo de la Placa Superior de la Viga Cajn325.2.4.1Procedimiento General de Diseo de la Placa Superior325.2.4.2Parmetros de Anlisis Y Diseo de la Placa Superior335.2.4.3Propiedades de los Materiales en la Placa Superior345.2.4.4Seccin Para el Anlisis de la Placa Superior345.2.4.5Cargas de Diseo en la Placa Superior345.2.4.6Combinaciones de Carga para Diseo355.2.4.7Metodologa355.2.4.8Anlisis y Diseo Estructural de la Placa Superior36A partir de los resultados obtenidos con el modelo tipo prtico cerrado en MIDAS CIVIL y aplicando el ancho de distribucin obtenido con el modelo de elementos tipo Shell se realiza el diseo estructural de la placa superior:57A continuacin se presenta el chequeo a cortante, donde los valores por carga viva corresponen a la envolvente de todas las posiciones.605.2.5DISEO DE LAS ALMAS DE LA VIGA CAJN615.2.6DISEO DE la placa inferior de la viga cajn626CHEQUEO DE RESALTES647ANLISIS MODAL DINMICO677.1.1Resultados del Anlisis Modal678ANLISIS CON AISLADORES688.1ANLISIS ESTTICO CON AISLADORES698.2ANLISIS ESTTICO NO LINEAL O PUSHOVER898.3ESPECTRO AMORTIGUADO DE DISEO919ANALISIS Y DISEO de COLUMNAS919.1DISEO Placa Superior en la columna929.2DISEO del cuerpo de la columna9310ANLISIS Y DISEO zarpas Y PILOTES11010.1DISEO a flexin de la zarpa11310.2DISEO por bielas y tirantes de la zarpa11610.3DISEO de los PILOTES en las columnas117

TABLA DE CONTENIDO DE ANEXOS

ANEXO 1. CLCULO DEL REFUERZO DE LAS ALMAS120ANEXO 2. VARIACIN DE ESFUERZOS HASTA LOS 10000 DAS (FIBRAS SUPERIOR E INFERIOR) POR CREEP Y SHRINKAGE.125ANEXO 3. ALARGAMIENTOS NETOS DE CABLES126ANEXO 4. DISEO DE DOVELA MENSULA127

TABLA DE CONTENIDO DE FIGURAS

Figura 1. Planta y Perfil General del Puente6Figura 2. Seccin transversal de la viga cajn7Figura 3. Madurez del Concreto fc=6000psi.8Figura 4. Flujo plstico (Creep)8Figura 5. Retraccin de fraguado (Shrinkage)9Figura 6. Lnea de Carga - Centrada11Figura 7. Lnea de Carga - Excntrica11Figura 8. Tren de Carga del Camin de Diseo C40-9512Figura 9. Espectro de Diseo (CCDSP-95)14Figura 10. Vista general del Modelo en Midas Civil.16Figura 11. Seccin de Pilas17Figura 12. Propiedades de la Seccin inferior de las Pilas17Figura 13. Seccin Tipo PSC Dovela sobre pila18Figura 14. Seccin tpica del puente19Figura 15. Seccin de dovela Terminal19Figura 16. Ejemplo de cable tipo20Figura 17. Ejemplo de prdidas inmediatas de un cable tpico21Figura 18. Ejemplo de prdidas a largo plazo de un cable tpico21Figura 19. Diagrama de momentos por DL Terminado el proceso constructivo de uno de los voladizos antes del Cierre22Figura 20. Diagrama de momentos por Cables de Construccin de Voladizos23Figura 21. Esfuerzos en fibra superior una vez terminado el proceso constructivo23Figura 22. Esfuerzos en fibra inferior una vez terminado el proceso constructivo24Figura 24. Esfuerzos en fibra inferior puente en funcionamiento (t=0) para Grupo I de Servicio25Figura 25. Esfuerzos en fibra superior puente en servicio (a 10000 das) para Grupo I de Servicio26Figura 26. Esfuerzos en fibra inferior puente en servicio (a 10000 das) para Grupo I de Servicio27Figura 32. Envolvente de momento por Carga Viva + Impacto30Figura 36. Seccines transversales de las columnas Seccion Variable94Figura 37. Seccin Critica en la Columna Seccion Inferior95Figura 38. Curva de Interacion Critica.101Figura 39. Seccin a 0.80m de la Base101Figura 40. Curva de Interacion Critica A 0.80m de la base106Figura 41. Curva de Interacion Critica de la base para estado constructivo110Figura 42. Deformacin en Caissons por Grupo VII_X117Figura 43. Fuerza Axial en Caissons por Grupo I de cargas117Figura 44. Momento My en Pilotes por Grupo VII_X de cargas118Figura 45. Momento Mz en Caissons por Grupo VII_Y de cargas118Figura 46. Chequeo estructural de los caissons en columnas se muestra el elemento ms crtico119

IntroduccinEl proyecto consiste en el diseo de dos (2) Puentes, en el tramo ubicado sobre el GRAN MANGLAR entre las abscisas K1 + 905.30 y K2 + 728.84, de dos carriles. El ancho de calzada de 11.70m est distribuido en dos carriles de transito mixto de 3.65m cada uno, dos (2) bermas de 1.8m cada una y barreras de trfico.

El viaducto en estructura de viga cajn tiene una longitud de superestructura total de 823.50m compuesta por dos puentes denominados Puente 1 Sur y Puente 2 Norte, cada uno conformado por 6 luces centrales de 58m y dos voladizos extremos de 31.3m.

La superestructura ser construida por voladizos sucesivos con una altura de 2.4m de la dovela tpica y de 2.8m en la dovela sobre pila. Las columnas sern fundidas in situ de acuerdo a lo especificado en los planos respectivos. La cimentacin Consiste en zarpas sobre pilotes Preexcavados previo al Hincado de una camisa de acero.

Proyecto Vial Cartagena - BarranquillaMemoria de Clculo Estructural Viaducto Gran Manglar3

GENERALIDADESA continuacin se presenta un resumen de los parmetros utilizados en el anlisis y diseo estructural del Viaducto sobre el Gran Manglar, segn los estudios realizados y lo ms relevante de los diseos estructurales.

El Viaducto sobre el Gran Manglar consta de dos puentes de seis (6) luces de 58m, entre ejes, cada una y dos (2) voladizos de 31.30m. El apoyo del eje 1 consiste en un estribo sobre pilotes y los apoyos centrales son columnas apoyadas sobre una zarpa triangular igualmente sobre pilotes. El puente fue diseado en viga cajn de altura constante de 2.40m para ser construido por el mtodo de los voladizos sucesivos, lo cual permite un ahorro sustancial en el tiempo de ejecucin de la obra.

Figura 1. Planta y Perfil General del Puente

Figura 2. Seccin transversal de la viga cajn PARMETROS DE ANLISIS Y DISEONORMAS DE DISEONorma Bsica:Cdigo Colombiano de Diseo Ssmico de Puentes - 1995

Normas Adicionales:Normas de ensayo de materiales para carreteras del INVIAS 1998+.Standard Specifications for Highway Bridges AASHTO Edition 1996.AASHTO Guide Specification for Design and Construction of Segmental Concrete Bridges.ASBI American Segmental Bridge Institute Recommended Practice for Design and Construction of segmental Concrete Bridges. July 2003.PCI Precast Prestressed Concrete Bridge Design Manual.PCI Design Handbook Precast and Prestressed Concrete Edition 5.PTI Postensioning Institute manual.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALESConcreto Superestructura:

f c = 6000 psi = 420 kgf/cm2 = 42 MPaPeso especfico = 2.45 t/m3Mdulo de elasticidad = Ec = 256174 kgf/cm2

Para el anlisis de la superestructura, se tuvieron en cuenta los siguientes diagramas de la metodologa de CEB-FIP:

Figura 3. Madurez del Concreto fc=6000psi.

Figura 4. Flujo plstico (Creep)

Figura 5. Retraccin de fraguado (Shrinkage)

Concreto para Columnas: f c = 5000 psi = 350 kgf/cm2 = 35 MPaPeso especfico = 2.45 t/m3Mdulo de elasticidad = Ec= 233854 kgf/cm2

Concreto para Zarpas: f c = 5000 psi = 350 kgf/cm2 = 35 MPaPeso especfico = 2.45 t/m3Mdulo de elasticidad = Ec= 233854 kgf/cm2

Concreto para pilotes: f c = 3500 psi = 245 kgf/cm2 = 24.5 MPaPeso especfico = 2.45 t/m3Mdulo de elasticidad = Ec = 195656 kgf/cm2

Aceros de refuerzo y tensionamiento:

A-60fy = 60000 psi = 4200 kgf/cm2 = 420 MPaMdulo de elasticidad = Es = 30000 ksi = 2100000 kgf/cm2 = 210000 MPaAcero de Tensionamiento: Grado 270Baja Relajacin, Calibre de torones = = 0.6fpu = 270000 psi = 18900 kgf/cm2 = 1890 MPaMdulo de elasticidad = Ep = 28143 ksi = 1980000 kgf/cm2 = 198000 MPaRECUBRIMIENTOS Y ALINEAMIENTOSDe acuerdo a los Cdigos referidos y/o en su defecto se usarn las normas del Cdigo NSR10.MTODO DE ANLISIS ESTRUCTURALEl anlisis estructural se realiza por medio del programa: MIDAS/Civil 2011 V2.1CARGAS DE DISEONota: La nomenclatura es la usada en el anlisis estructural.Cargas De ConstruccinEn el diseo se han previsto las siguientes cargas durante el proceso constructivo, las cuales no deben ser superadas:

Peso de Carros de Avance = 40.0 tonPeso Accidental en los carros = 4.0 ton situadas en la dovela anterior del posicionamiento del carro de avance.Peso de equipos de construccin = 25kg/m2 sobre las dovelas anteriores.Carga MuertaDL01: Carga Muerta Gravitacional - Peso Propio

Peso de Dovela sobre Pila = 139tonPeso de Dovela Tpica L=3.20m = 46.31tonPeso de 16 Dovelas Tpicas = 740.96tonPeso de dovela de Cierre L=1.80m = 26.05ton

DL02: Cargas sobreimpuestas, incluye el peso de las barandas, barreras de trfico y pavimento.

Calculadas as:Pavimento = (11.70 0.4*2) * 0.06 * 2.2 = 1.417 ton/ml

Barrera = 0.11 * 2.45 * 2 = 0.54 ton/mlBaranda = 0.052*2 = 0.104 ton/mlTotal = 2.05 ton/mlMlL: Carga Viva Vehicular Correspondientes al tren de carga y camin C40-95 en diferentes posiciones sobre el tablero:

Flexin: w (m) = 1.50 [(L-28) /200] y P(m) = 12 t/va.Cortante: w (v) = 1.50 [(L-24) /300] y P(v) = 16 t/va.

Figura 6. Lnea de Carga - Centrada

Figura 7. Lnea de Carga - Excntrica

Para la luz lateral: L = 31.3 m Son 2 Luces por puente.

LC_M: w (m) = 1.50 [(31.3 - 28) /200] = 1.48 t/mLC_V: w (v) = 1.50 [(31.3 - 24) /300] = 1.47 t/m

Para la luz interna L= 58 m Son 6 luces por puente

LC_M: w (m) = 1.50 [(58 - 28) /200] = 1.35 t/mLC_V: w (v) = 1.50 [(58 - 24) /300] = 1.39 t/m

Figura 8. Tren de Carga del Camin de Diseo C40-95I: ImpactoEl efecto dinmico por carga viva se considera con el factor de amplificacin dado por la frmula (1 + I) donde I = 16 / (L + 40).

Para la luz lateral: L = 30.8mI = 16 / (31.3 + 40) = 0.22

Para la luz central: L = 58 mI = 16 / (58 + 40) = 0.16

T: Fuerzas TrmicasPara estudiar el comportamiento de la estructura ante los cambios de temperatura se asign un valor T de 20 C a la superestructura.Fuerzas de VientoPara el diseo por fuerzas de viento sobre el viaducto se sigue a continuacin con el clculo de las fuerzas de viento sobre la Estructura y sobre la carga viva considerando una categora 3 en la escala Saffir Simpson para la medicin de Huracanes con velocidades de viento entre 178Km/h y 209 Km/h para un promedio de 193.5 Km/h.

Velocidad bsica de diseo segn el CCDSP = 160Km/h

Para el diseo de la Superestructura

W=250kg/m2.rea expuesta

Altura de Dovela = 2.4m Altura del Bordillo=0.35m Altura total Expuesta=2.75m

1. Para los grupos de Carga II y V

W por ml sobre estructura= 250kg/m2 * 2.75m = 687.5kg/m > 450kg/m OK.W por ml sobre estructura para viento de 193.5Km/h = 687.5 * 1.46 = 1003.75kg/m

2. Para los grupos de carga III y VI

W por ml sobre estructura = 687.5kg/m * 0.30 = 206.25kg/mW por ml sobre Carga viva = 150Kg/m.Momento Torsor por ml debido a la carga viva = 150kg/m * 1.80m =270kg-m/m

Para el diseo de la Infraestructura.

1. Para los grupos de Carga II y V

Para 160km/h = 200kg/m2. CCDSP A.3.6.2.2.Para 193.5Km/h = 200kg/m * 1.46 =292kg/m2.

Retraccin De Fraguado CreepPara el anlisis de estos efectos se tuvieron en cuenta las curvas mostradas en las propiedades del material de la superestructura en el numeral 3.2.Fuerzas Ssmicas Los siguientes son los parmetros ssmicos que rigen las fuerzas por sismo segn la Seccin A.3.5 del CCDSP.

Clasificacin por Importancia (A.3.5.1.3)Grupo I. Puente EsencialMovimientos Ssmicos de Diseo (A.3.5.2)Para el anlisis ssmico se utiliza el espectro de diseo definido por el estudio de amenaza ssmica establecido para esta obra.A continuacin se muestra el espectro de diseo ssmico definido de acuerdo al estudio de suelos:

Figura 9. Espectro de Diseo (CCDSP-95)

El ngulo de aplicacin del espectro se asigna con referencia al eje X del modelo, igualmente se tienen en cuenta los efectos ortogonales mediante la combinacin de los casos afectados por los porcentajes del 30% y 100% los cuales dependen de la direccin bajo estudio.

Categora de comportamiento ssmico (A.3.5.3)Categora de comportamiento ssmico D (CCS-D)Procedimiento de Anlisis Ssmico (A.3.5.4)Nmero de luces: 6Configuracin Estructural: RegularProcedimiento de anlisis ssmico PAS 2. Mtodo de respuesta espectral con varios modos de vibracin. Anlisis con aisladoresCOMBINACIONES DE CARGALas combinaciones de carga se definen de acuerdo con el numeral A.3.12 del CCDSP y se muestran a continuacin

Tabla 1. Combinaciones de carga segn CCDSP-95

MODELO TIPO PRTICO (MIDAS CIVIL 2010 V2.2)Para el anlisis y diseo del puente, se realiz un modelo tridimensional en el programa de anlisis estructural, Midas Civil, utilizando elementos tipo Frame. Las secciones se definieron con su forma y rigidez real. En la base de las pilas se generaron apoyos sobre pilotes y en los estribos se asignaron resortes con la rigidez equivalente de los aisladores. Igualmente se model el tipo de apoyo de la superestructura sobre las pilas mediante un Release con la rigidez efectiva de los aisladores.

En la figura se muestra el modelo generado.

Figura 10. Vista general del Modelo en Midas Civil.A continuacin se presenta un resumen general del modelo utilizado para el anlisis y diseo de la estructura.

ENTRADA DE DATOSSecciones Utilizadas en el AnlisisLas columnas del puente son de seccin variable con unos tramos en altura macizos y otros huecos En la figura siguiente se muestra la pila generada en el modelo:

Figura 11. Seccin de Pilas

Figura 12. Propiedades de la Seccin inferior de las Pilas

Para la superestructura se definieron varios tipos de secciones viga cajn unicelular, la seccin tpica del puente, la seccin sobre pila y la seccin de la dovela terminal.

Las secciones tipo Tapered son variables entre secciones de dovelas diferentes, de la dovela sobre pila a la primera dovela del voladizo, de la primera dovela del voladizo a la dovela de cierre y de la ltima dovela del voladizo a la dovela terminal.

Figura 13. Seccin Tipo PSC Dovela sobre pila

Figura 14. Seccin tpica del puente

Figura 15. Seccin de dovela TerminalANLISIS Y DISEO DE LA SUPERESTRUCTURAEl diseo de la superestructura se realiza con la siguiente metodologa:

El predimensionamiento se realiza con base en hojas de clculo desarrolladas para simular el proceso constructivo por el sistema de dovelas en voladizos sucesivos.

Despus de realizar el predimensionamiento se construy un modelo en 3D con el programa MIDAS Civil, que permite tener en cuenta el proceso constructivo considerando los efectos de Madurez del Concreto, Flujo Plstico (Creep), Retraccin de Fraguado (Shrinkage) y Relajacin del Acero definidos anteriormente.

En el anlisis realizado igualmente se incluye para los cables las prdidas por friccin, curvatura y deslizamiento de cua en el anclaje.

El siguiente es un ejemplo de las propiedades para un cable tipo:

Figura 16. Ejemplo de cable tipo

A continuacin se muestra un ejemplo de prdidas en el tensionamiento para un cable:

Figura 17. Ejemplo de prdidas inmediatas de un cable tpico

Figura 18. Ejemplo de prdidas a largo plazo de un cable tpicoEste primer anlisis se realiza simulando el proceso constructivo donde se define el posicionamiento de cables y detalles constructivos y se incluye todas las secuencias y tiempos previstos para la ejecucin.ANLISIS Y DISEO A FLEXIN.En el anlisis de esfuerzos se tuvieron en cuenta, los lmites mximos permitidos, segn CCDSP, los cuales se muestran a continuacin:

Esfuerzos temporales antes de prdidas debidas al flujo plstico y retraccin de fraguado, para el concreto, en miembros preesforzados:

Resistencia a compresin del concreto en el momento de la transferencia: fci = 0.8*fc = 0.8*420 = 336 kg/cm2 Mximo a compresin = 0.55 * fci = 0.55 * 336 = 184.8 kg/cm2

Esfuerzo bajo cargas de servicio despus de que ocurren las prdidas dependientes del tiempo: Mximo a compresin = 0.40 * fc = 0.40 * 420 = 168 kg / cm2 Mximo esfuerzo a la Traccin = 0.8 * fc = 16.4 kg / cm2

Terminado el proceso constructivo obtenemos los siguientes diagramas de esfuerzos a lo largo del puente.Diagramas dDe Esfuerzos eEn Eel Puente Terminado Eel Proceso ConstructivoUna vez fundida la ltima dovela (Dovela No 8) y los carros en posicin para fundir la dovela de cierre se tienen los siguientes diagramas en cada uno de los voladizos (se incluye el peso del carro de avance):

Figura 19. Diagrama de momentos por DL Terminado el proceso constructivo de uno de los voladizos antes del Cierre

Figura 20. Diagrama de momentos por Cables de Construccin de Voladizos

Figura 21. Esfuerzos en fibra superior una vez terminado el proceso constructivo

Figura 22. Esfuerzos en fibra inferior una vez terminado el proceso constructivo

Diagramas de Esfuerzos en el Puente en Servicio (t = 0)Terminado el proceso constructivo, soltando los aisladores y tensionado los cables de cosido (cables de continuidad) se da el puente al servicio para lo cual se tienen los siguientes esfuerzos en las fibras superior e inferior. Sin embargo se aclara que no han ocurrido todas las prdidas dependientes del tiempo, y se toma como t=0 (puente en funcionamiento). La combinacin de servicio es:

Grupo I de Servicio = DL01+DL02+Cables de Construccin + Cables de Cosido + Carga Viva.

Figura 27. Esfuerzos en fibra superior puente en funcionamiento (t=0) para Grupo I de Servicio

Figura 24. Esfuerzos en fibra inferior puente en funcionamiento (t=0) para Grupo I de Servicio

Grficas esfuerzos de fibras superior e inferior de la viga: Para cargas en construccin

Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 1. Esfuerzo en fibra superior en construccin

Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 2. Esfuerzo en fibra inferior en construccinGrficas esfuerzos de fibras superior e inferior de la viga: Para estado de servicio, Grupo I.

Diagramas de Esfuerzos en el Puente A Largo Plazo (10000 Das) Se realizo el anlisis del puente teniendo en cuenta los efectos en el tiempo tales como madurez del concreto, flujo plstico (Creep) y relajacin del acero. Se realizo el anlisis a los 10000 das, para lo cual se presentan los diagramas de esfuerzos finales del puente. La combinacin de servicio es:

Grupo I de Servicio = DL01+DL02+Cables de Construccin + Cables de Cosido + Carga Viva.

Figura 25. Esfuerzos en fibra superior puente en servicio (a 10000 das) para Grupo I de Servicio

Figura 26. Esfuerzos en fibra inferior puente en servicio (a 10000 das) para Grupo I de Servicio

Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 4. Esfuerzo en fibra inferior Grupo I de carga

DISEO DEL REFUERZO EN LAS ALMASPara el diseo del refuerzo en las almas, se utiliza la metodologa propuesta por AASHTO LRFD 2007 y adoptada por el CCDSP-95, para el anlisis por cortante, torsin y flexin. El clculo del refuerzo, se presenta en el anexo 1: CALCULO DEL REFUERZO EN LAS ALMAS.

Los datos para el diseo se obtienen del modelo realizado anlisis del en MidasIDAS Civil y se muestran en los siguientes numerales. Cabe aclarar que los diagramas de solicitaciones se obtienen teniendo en cuenta el proceso constructivoas::Diagramas de Ccortante y Fflexin por Cargas Mmuertas

Figura 27. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 5. Diagrama de cortante por P (peso pPropio, (DL01))

Figura 28. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 6. Diagrama de momento (peso propio, DL01)por Peso Propio (DL01)

Figura 29. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 7. Diagrama de cortante (cargas sobre impuestas, DL02)por cargas sobreimpuestas (DL02)

Figura 30. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 8. Diagrama de momento por cargas sobreimpuestas (DL02)Diagramas de Cortante y Flexin por Carga VivaA continuacin se muestran los mximos y mnimos cortantes y momentos para todo el puente debido a la carga viva (cargas sobre impuestas, DL02)

Figura 31. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 9. Envolvente de cortante (carga viva+impacto)por Carga Viva + Impacto

Figura 32. Envolvente de momento por Carga Viva + Impacto

Diagramas por Cables de TensionamientoFigura SEQ Figura_ \* ARABIC 10. Envolvente de momento (carga viva+impacto) Figura 33. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 11. Diagrama de fuerza axial (cables a 10000 das)por cables de tensionamiento (10000 das)

Figura 34. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 12. Diagrama de esfuerzos en la fibra superior (cables a 10000 das)por cables de tensionamiento (10000 das)

Figura 35. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 13. Diagrama de esfuerzo en la fibra inferior por cables de tensionamiento (10000 das)Diseo de la Placa Superior de la Viga CajnEl proceso que se ha seguido tiene los siguientes pasos conceptuales con el fin de obtener un refuerzo optimizado pero totalmente seguro y durable para la losa superior de la viga cajn acartelada.La placa superior presenta cartelas en los nervios de la viga cajn, con un espesor de placa de 0.40m en los mismos, 0.22m en el centro de la luz y en el borde de los voladizos.

La existencia de estas cartelas y la continuidad estructural entre placa y nervios de la viga cajn impide la utilizacin en forma adecuada de las frmulas empricas que para diseo de refuerzo tiene el CCDSP-95.0. Procedimiento General de Diseo de la Placa Superior

1. MODELO TIPO FRAME EN MIDAS CIVIL 2011 VERSION 2.1.

Se analiz la seccin transversal, con un ancho de 1 m y el detallado de las cartelas, colocando inicialmente para efectos de voladizo dos (2) camiones a una distancia de un pie de del bordillo en cada extremo y desplazando posteriormente estos camiones en varias posiciones de carga, estableciendo en conclusin las ms desfavorables para momentos internos.

1. MODELO EN SHELLS PROGRAMA SAP2000 V14.2.0

1. Modelando una malla con elementos tipo shells para tres de las secciones transversales consideradas en juntas intermedias de la viga cajn de 8 m de longitud y cargndola en las posiciones obtenidas del punto anterior.

1. Este modelo de malla en elementos tipo shells para el anlisis de esfuerzos y deformaciones, se realiza para evaluar con certeza en qu ancho de reparticin, para esta estructura, se presenta la reparticin de solicitaciones debido a las cargas concentradas, generadas por las ruedas.

1. Corridos los modelos y revisados los esfuerzos del conjunto, se comprueban los resultados con el modelo anterior del SAP2000 y una vez verificados y aprobados, se seleccionan los anchos de distribucin tanto para momento positivo como para momento negativo.

1. Se hace la evaluacin de la seccin transversal y se encuentra que hay ocho (8) puntos diferentes de control de momento para el anlisis del refuerzo, iniciando en el centro de la luz y desplazndose a los puntos de transicin de las cartelas en sus mitades y en los bordes del alma (Ver Fig.1).

1. En los puntos de control de momento antes descritos, se toma, del modelo MIDAS y comprobado con el modelo de SAP2000, los valores correspondientes a los momentos de flexin.

1. Se desarrolla en una hoja de clculo el procedimiento para determinar las combinaciones de momento entre cargas muertas de peso propio (DL01), las solicitaciones de carga sobreimpuesta de pavimento, bordillos y barandas (DL02) y los efectos de carga viva (LL).

Estas combinaciones nos generan los momentos reales y los momentos ltimos para la comprobacin del refuerzo en la placa superior.

Por medio de una hoja de clculo se determina la seccin de acero de refuerzo necesaria para cada una de las secciones con altura variable y solicitacin variable, con lo cual se toma la decisin de la armadura apropiada del conjunto que cumpla con las reas de acero requeridas, antes calculadas.0. Parmetros de Anlisis Y Diseo de la Placa SuperiorDe acuerdo a lo establecido por el Cdigo Colombiano de Diseo Ssmico de Puentes de 1995 y en su defecto se usarn las normas del Cdigo N.S.R. 2010.

0. Propiedades de los Materiales en la Placa Superior1. Concreto: f c = 6000 psi = 420 kgf/cm2 = 42 MPaPeso unitario = 2.45 t/m3Mdulo de elasticidad = 256174 kgf/cm2

1. Acero: fy = 60000 psi = 4200 kgf/cm2 = 420 MPaMdulo de elasticidad = Es = 30000 ksi = 2100000 kgf/cm2 = 210000 MPa0. Seccin Para el Anlisis de la Placa SuperiorA continuacin se muestra la seccin transversal y los puntos de control para anlisis y diseo estructural

Figura 36. Seccin Transversal Puntos de Control para Anlisis del Refuerzo

0. Cargas de Diseo en la Placa SuperiorNota: La nomenclatura es la usada en el anlisis estructural.4. Carga Muerta1. DL01: Peso propio de la seccin

1. DL02: Cargas sobreimpuestas, incluye el peso de las barandas, barreras de trfico y pavimento.Calculadas as:Pavimento = 0.06 * 2.2 = 0.132 t/m2Bordillo = 0.115 * 2.45 = 0.28 t /mBaranda = 70kg/ml = 0.07 ton/ml4. Carga VivaCorrespondientes a la carga del camin C 40-95 en diferentes posiciones sobre el tablero, para obtener las mximas solicitaciones en los puntos de inters.

LL01_NEG: Corresponde a la posicin la rueda aplicada a 0.30m de la cara del bordillo.LL02_POS: Corresponde a la posicin de los camiones centrados respecto al eje estructural.LL03_POS_CENTRO: Corresponde a la posicin de los camiones de tal forma que una carga de una llanta quede aplicada en el eje estructural de la seccin.

La carga de cada llanta se aplic como una carga distribuida en el rea de contacto de la misma.4. 4. ImpactoEl efecto dinmico por carga viva se consider igual a 1.30 como factor de amplificacin, para una luz menor a 13.33 m.0. Combinaciones de Carga para DiseoEl diseo transversal de la viga cajn, se basa en el comportamiento de un prtico cerrado.Para cada una de las siguientes posiciones se aplic el siguiente factor de mayoracin, teniendo en cuenta la probabilidad que la carga se encuentre en dicho sitio a lo largo de todo el viaducto, dado la amplitud de la dovela.

1. Carga a 0.30m del bordillo: Factor de mayoracin grupo 1 para carga viva = 1.67 1. Carga en la mitad de la berma o camiones con la mnima separacin de 1.20m: Factor de mayoracin grupo 1 para carga viva = 2.17.1. Carga al borde de la berma o camiones con separacin mayor a 1.20m: Factor de mayoracin grupo 1 para carga viva = 2.82

1. GRUPO I_NEGATIVO = 1.3(DL01+DL02) + Factor*(LL01_NEGATIVO)1. GRUPO_I_POSITIVO = 1.3(DL01+DL02) + Factor*(LL03_POS_CENTRO)1. ENVOLVENTE = GRUPO I_NEGATIVO Y GRUPO_I_POSITIVO0. MetodologaEl diseo transversal de la viga cajn, se basa en el comportamiento de un prtico cerrado, restringido con soportes verticales localizados en las almas, donde estos soportes, simulan la diferencia de las fuerzas cortantes existentes en un comportamiento global. Este anlisis se realizo con un modelo tipo prtico cerrado en el software MIDAS CIVIL 2011 V 2.1 utilizando elementos tipo beam. Dada la existencia de las cartelas y la continuidad estructural entre placa y nervios de la viga cajn que impiden la utilizacin en forma adecuada de las frmulas empricas para el clculo del ancho de distribucin, E, del CCDSP-95, se realiz un modelo con elementos tipo shells para determinar dicho ancho. Los elementos tipo shell nos permiten establecer la forma en que se distribuye la carga y los esfuerzos aplicados de cada una de las ruedas sobre la placa mostrando el bulbo de presiones y por ende el ancho de distribucin E para la carga viva.

El anlisis estructural con elementos tipo shell se realiz por medio del software SAP2000 V14.2.0 Advanced con el cual se obtuvo resultados coherentes y de acuerdo a esto, se procedi a realizar el clculo estructural de la placa superior de la viga. 0. Anlisis y Diseo Estructural de la Placa SuperiorA continuacin se presentan los datos de entrada y los resultados obtenidos por el modelo realizado en SAP2000 V14.2.0 Advanced.

Figura 37. Modelo en 3D con elementos tipo ShellLa carga viva fue aplicada como una carga distribuida en el rea de contacto de cada una de las ruedas sobre la placa. Igualmente se consideraron varias posiciones de la carga viva buscando las condiciones ms desfavorables tanto de momento negativo como de momento positivo:Figura 38. Aplicacin de la carga viva para Momento Negativo

Figura 39. Aplicacin de la carga viva para Momento Positivo. Posicin LL02_POS

Figura 40. Aplicacin de la carga viva para Momento Positivo. Posicin LL02_POS_CENTRO

A continuacin se presentan los diagramas resultantes para cada uno de los casos considerados en el anlisis estructural

Figura 41. Momentos por DL01 (ton-m/m)


Figura 43. Momentos por LL01_NEG. Para momento Negativo (ton-m/m)Para momento negativo y observando la anterior figura se obtiene un ancho de distribucin de 4.00m para utilizar en el modelo de tipo prtico cerrado con los elementos frames.

2.90mFigura 44. Momentos por LL03_POS_CENTRO. Para momento Positivo (ton-m/m)Para momento positivo y observando la anterior figura se obtiene un ancho de distribucin de 2.90m para utilizar en el modelo de tipo prtico cerrado con los elementos frames.

Figura 45. Momentos por GRUPO I_NEGATIVO (ton-m/m)

Figura 46. Momentos por GRUPO I_POSITIVO (ton-m/m)

Figura 47. Cortante mximo por ENVOLVENTE (ton-m/m)

Figura 48. Cortante mnimo por ENVOLVENTE (ton-m/m)

MODELO TIPO PRTICO CON ELEMENTOS TIPO FRAME EN MIDAS CIVIL

Figura 49. Modelo en 2D con elementos tipo frameSe consideraron 9 posiciones de carga en total para analizar los momentos positivos y negativos,

Figura 50. Carga viva posicin LL01

Figura 51. Carga viva posicin posicin LL02

Figura 52. Carga viva posicin posicin LL03







A continuacin se presentan los diagramas resultantes para cada uno de los casos considerados en el anlisis estructural



Los momentos debido a la carga viva se muestran sin ser divididos por el ancho de distribucin, E.

Figura 61. Momentos por Carga Viva Caso ML01 (ton-m) sin aplicar el E

Figura 62. Momentos por Carga Viva Caso LL02 (ton-m) sin aplicar el E








Figura 70. Cortante por peso propio (ton)

Figura 71. Cortante por DL02 (ton)

Figura 72. Cortante por LL01 (ton), sin aplicar el E








Figura 80. Cortante por LL09 (ton), sin aplicar el E7. Ancho de Distribucin E para la Carga VivaDada la existencia de las cartelas y la continuidad estructural entre placa y nervios de la viga cajn que impiden la utilizacin en forma adecuada de las frmulas empricas para el clculo del ancho de distribucin, E, del CCDSP-95, se realiz un modelo con elementos tipo shells para determinar dicho ancho. A partir de dicho modelo, y como se muestra en los resultados de dicho modelo, se obtiene que el ancho de distribucin tanto para momento positivo como para momento negativo es de 2.90m. Este ancho se utiliza para dividir los momentos por carga viva obtenidos en el modelo con elementos tipo frame, y as obtener los momentos por metro lineal.7. Chequeo de la Placa Superior con elementos FrameA partir de los resultados obtenidos con el modelo tipo prtico cerrado en MIDAS CIVIL y aplicando el ancho de distribucin obtenido con el modelo de elementos tipo Shell se realiza el diseo estructural de la placa superior:

Figura 81. Convenciones para los puntos de control en el chequeo estructural7. CHEQUEO A FLEXINEl diseo se lleva a cabo para el momento negativo, en los puntos 3 y 4 y para momento positivo en el punto 8 donde se esperan obtener los mayores momentos para el diseo.

Los momentos por cargas vivas (sin aplicar el ancho de distribucin E) mostrados anteriormente se resumen en el siguiente cuadro:

Como se observa, la posicin para momento negativo es la LL06, mientras que para positivo es la posicin LL01, sin embargo por los factores de mayoracin para carga viva, segn su posicin, explicados anteriormente, la combinacin ultima para momento negativo corresponde a aquella con la carga viva en la posicin LL03 y para el momento positivo, con la posicin LL05. Dicho diseo se presenta a continuacin:

1. Chequeo momento negativo

1. Chequeo momento positivo

7. CHEQUEO A CORTANTEA continuacin se presenta el chequeo a cortante, donde los valores por carga viva corresponen a la envolvente de todas las posiciones.

0. DISEO DE LAS ALMAS DE LA VIGA CAJNA partir de los resultados del anlisis de la seccin como tipo prtico cerrado se encontraron las solicitaciones para cada una de los casos de cargas. Aplicando el factor de distribucin E encontrado con el modelo de elementos tipo shells (E =4.00m), para los momentos por carga viva, se tiene el siguiente diseo a flexin de las almas, el cual ser adicionado al diseo por cortante longitudinal del puente:

0. DISEO DE la placa inferior de la viga cajnLa placa inferior se chequea para dos condiciones:

1. De acuerdo a las frmulas dadas por el CCDSP-95 para vigas cajn dadas en A.7.9.2.3.1. Chequeo de las solicitaciones que se presentaran al analizar la seccin como tipo prtico cerrado. Ver resultados de elementos tipo frame.

De lo anterior se encontr que las solicitaciones requieren un refuerzo mayor que el recomendado por las frmulas del Cdigo. Por lo tanto se muestra los resultados del anlisis y el diseo respectivo

CHEQUEO DE RESALTES

(cables a 10000 das)ANLISIS MODAL DINMICOSe realiza un anlisis modal y espectral, en el programa Midas Civil 2011 V 2.1 mediante un modelo matemtico en el cual se realiza el anlisis ssmico en cada una de las dos direcciones principales Resultados del Anlisis ModalPara asegurar una participacin de masa superior al 90% se muestran los resultados obtenidos para los 30 primeros modos de vibracin:

Tabla 2. Modos de vibracin y participacin de masaANLISIS CON AISLADORESInicialmente se realiza un anlisis esttico con el que se determina el desplazamiento aproximado de los aisladores tal que la fuerza sobre la pila sea igual a la carga muerta por la aceleracin espectral, calculada a partir del amortiguamiento total del sistema con aisladores. El anlisis de los apoyos tipo pndulo por friccin se realiz para un modelo de elementos independientes y para un modelo general del sistema.ANLISIS ESTTICO CON AISLADORESSe realiza el anlisis esttico del aislador como un sistema de un grado de libertad, a partir del cual se determina el desplazamiento de diseo del aislador y la curva caracterstica bilineal del mismo.

ANLISIS ESTTICO NO LINEAL O PUSHOVERSe realiz un anlisis esttico no lineal o pushover del puente donde se consideran las propiedades de los aisladores. Este anlisis se realiza mediante un modelo para tal fin en el software Midas Civil 2011 V2.2 donde se generan elementos de unin tipo General Link entre las columnas y la superestructura con la propiedades de la curva bilineal de cada aislador.

A partir de este anlisis se determina la curva de capacidad del sistema para cada una de las direcciones principales y posteriormente el punto de desempeo del mismo.

A continuacin se presentan las rigideces equivalentes que se usaran mediante elementos de unin tipo release en cada una de las dos direcciones principales:

ESPECTRO AMORTIGUADO DE DISEO

Figura 82. Espectro Amortiguado de Diseo.ANALISIS Y DISEO de COLUMNASSe realiz el anlisis de las columnas del puente para las caractersticas geomtricas y de refuerzo dadas a continuacin:

DISEO Placa Superior en la columna

DISEO del cuerpo de la columna

Para el diseo estructural de la columna palmera se realizo un chequeo mediante el programa CSICOL, obteniendo los resultados que se muestran a continuacin:

Figura 83. Seccines transversales de las columnas Seccion Variable

A continuacin se presenta un chequeo de la capacidad para las columnas, el diseo se realiz teniendo en cuenta un R =2.0. Se aclara que se realiza el chequeo para cada columna y para cada una de las divisiones realizadas, y se presenta el elemento ms crtico:

Figura 84. Seccin Critica en la Columna Seccion Inferior

Figura 85. Curva de Interacion Critica.

Figura 86. Seccin a 0.80m de la Base

Figura 87. Curva de Interacion Critica A 0.80m de la baseEl diseo a cortante en las pilas se realiz a partir del cortante de plastificacin. Las pilas tienen alturas de 4.00m:

Zona de confinamiento:

Entonces en las columnas se colocar refuerzo transversal 1/2 c/ 10cm en zona confinada y estribos 1/2 c/ 20 cm fuera de la zona confinada.

Se realizo el chequeo de la columna para el caso en el cual se presente un sismo durante la construccin y se este en el voladizo antes del cierre. De acuerdo a la normatividad este caso de carga corresponde a un sismo de la mitad del de diseo y con un R=1.5.

Igualmente se chequeo la columna con la carga excntrica debido a la posibilidad de que una de las dovelas terminales del eje 8A se construya primero que la otra existiendo desbalance de cargas.

A continuacin los resultados del chequeo:

Figura 88. Curva de Interacion Critica de la base para estado constructivo

ANLISIS Y DISEO zarpas Y PILOTESLa fundacin consiste para cada columna de una zarpa triangular sobre pilotes de 30.0m de profundidad acampanados en la base, con dimetro de 1.00m y pata de elefante de dimetro 2.00m.

De acuerdo al Estudio de Suelos, se estima que un pilote de 30m acampanado puede cargar a compresin 580ton para el sondeo 11 y de 500ton para el sondeo 7 como se puede ver en las siguientes graficas:

A partir del anlisis estructural con el modelo tipo prtico, se obtienen las cargas en la base de la zarpa para el diseo de la cimentacin:

Del anlisis estructural se obtienen los siguientes resultados de las reacciones en la base de las zarpas:

CASO DE CARGAREACCION (TON)

DL01+DL021071.4

LL220.65

DL01+DL02+LL1292.05

Para las cargas de servicio indicadas en el anterior cuadro se estima que con 3 pilotes de 30m, es suficiente para resistir las cargas de servicio indicadas.

Con lo anteriormente expuesto se procede a ejecutar el modelo considerando los tres pilotes por columna como se muestra a continuacin:

DISEO a flexin de la zarpa

Con base en el modelo se procede a obtener las reacciones y el diseo de la zarpa por cada uno de los casos de carga:

DISEO por bielas y tirantes de la zarpa

DISEO de los PILOTES en las columnas

Figura 89. Deformacin en Caissons por Grupo VII_X

Figura 90. Fuerza Axial en Caissons por Grupo I de cargas

Figura 91. Momento My en Pilotes por Grupo VII_X de cargas

Figura 92. Momento Mz en Caissons por Grupo VII_Y de cargas

Se realizo el chequeo estructural de los caissons en cada uno de los elementos, a continuacin se muestra el elemento que resulta ser el ms crtico:

Figura 93. Chequeo estructural de los caissons en columnas se muestra el elemento ms crtico

ANEXO 1. CLCULO DEL REFUERZO DE LAS ALMASGRAN MANGLAR

ANEXO 2. VARIACIN DE ESFUERZOS HASTA LOS 10000 DAS (FIBRAS SUPERIOR E INFERIOR) POR CREEP Y SHRINKAGE.Datos de Salida-Modelo Midas Civil 2011 V2.1GRAN MANGLAR

Variacin de esfuerzos en la fibra superior hasta los 10000 das

Variacin de esfuerzos en la fibra inferior hasta los 10000 das

ANEXO 3. ALARGAMIENTOS NETOS DE CABLESDatos de Salida-Modelo Midas Civil 2011 v2.1.GRAN MANGLAR

ANEXO 4. DISEO DE DOVELA MENSULA

Proyecto Vial Cartagena - BarranquillaMemoria de Clculo Estructural Viaducto Gran Manglar130

Memoria Viaducto Gran Mangar

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