1
UNIVERSIDAD CATLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO
UNIDAD ACADMICA DE INGENIERA CIVIL, ARQUITECTURA Y DISEO
Diseo estructural del puente vehicular
sobre el Ro Yucauta Cantn San Fernando Ttulo de la investigacin
INVESTIGACIN DE TESIS Tipo de investigacin
COMERCIO Y ECONOMA Lnea de investigacin
INFRAESTRUCTURA Y VAS Sub lnea de investigacin
WILSON LEONARDO ULLOA CABRERA Investigador
Ing. JUAN MEDARDO SOLA QUINTUA Director
Cuenca Diciembre del 2014 Lugar y fecha
2
DECLARACIN
Yo, Wilson Leonardo Ulloa Cabrera, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de mi autora;
que no ha sido previamente presentado para ningn grado o calificacin profesional y que he consultado las
referencias bibliogrficas que se incluyen en este documento.
Wilson Leonardo Ulloa Cabrera
3
CERTIFICACIN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Wilson Leonardo Ulloa Cabrera, bajo mi supervisin.
Ing. JUAN MEDARDO SOLA QUINTUA
DIRECTOR
4
AGRADECIMIENTOS
Manifiesto mis agradecimientos sinceros a todos los catedrticos por su instruccin brindada en esta
especialidad y al personal administrativo de la Unidad Acadmica de Ingeniera Civil Arquitectura y Diseo de la
Universidad Catlica de Cuenca y de manera especial al Ing. Juan Medardo Sol Quintua quien como director
del trabajo de investigacin me ha orientado en la elaboracin y culminacin con xito este documento.
Adems agradezco a las instituciones quienes solicitaron y me dieron la oportunidad y confianza en el
desarrollo de este estudio como son el Honorable Gobierno Provincial del Azuay y a todos los autores de obras y
tratadistas sobre este tema en cuales documentos me he permitido realizar las respectivas consultas y que los
menciono al final del trabajo.
5
DEDICATORIA
Dedico este trabajo mis parientes ms cercanos, mi mama Blanca a mi ta Nancy y difunta ta Rosa
quienes me han brindado apoyo incondicional para mi culminacin en esta digna carrera profesional como es la
Ingeniera Civil.
Adems a todos aquellos estudiantes de Ingeniera Civil quienes puedan encontrar en este trabajo un
documento de apoyo y consulta para sus trabajos de investigaciones futuras ya sea a nivel acadmico como
profesional.
6
NDICE DE CONTENIDO
DECLARACIN.........i
CERTIFICACIN.......ii
AGRADECIMIENTOS......iii
DEDICATORIA..........iv
NDICE DE CONTENIDOS.........v
LISTA DE FIGURAS .......vi
LISTA DE CUADROS.............vii
LISTA DE ANEXOS............viii
RESUMEN.........ix
ABSTRACT.....x
7
CAPTULO I. PRIMERA PARTE
ESTUDIOS PRELIMINARES
1.1.- LOCALIZACIN DEL PROYECTO............................................18
1.2.- ACTIVIDAD ECONMICA...............................................19
1.3.- POBLACIONES DE ENLACE..........................................20
1.4.- SITUACIN ACTUAL DEL PUENTE EXISTENTE..........................................21
1.5.- UBICACIN Y ELECCIN DEL TIPO DE PUENTE.......................................22
1.5.1.- MAPAS Y CARTOGRAFA DEL SECTOR.....................................25
1.5.2.- PUENTES DE ACUERDO AL MATERIAL Y A SU FUNCIN.............................25
1.6.- TOPOGRAFA............................................27
1.6.1.- LEVANTAMIENTO TOPOGRFICO.......................................28
1.6.2.- ESTADO DE LAS VAS ...............................................30
1.6.3.-EMPLAZAMIENTO DEL PUENTE...............................................31
1.7.- ANCHO DE CALZADA Y ACERA...........................................32
CAPTULO II. SEGUNDA PARTE
ESTUDIOS DE SUELOS, HIDROLOGICO E HIDRAULCO....34
2.1.- ESTUDIOS DE SUELOS Y GEOTCNICOS........................................34
2.1.1- CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE............................................36
2.2.-ANALISIS HIDROLGICO....................................35
2.2.1.- COMPILACIN DE DATOS DE CRECIENTES APLICABLES AL SITIO, INCLUYENDO LAS
CRECIENTES ORDINARIAS Y LAS CRECIENTES EXTRAORDINARIAS.37
2.2.2.- DETERMINACIN DE LA CURVA DE RECURRENCIA DE LAS CRECIENTES PARA EL
SITIO............................................................................................38
2.2.3.- DETERMINACIN DE LA DISTRIBUCIN DEL CAUDAL DEL AGUA Y SUS VELOCIDADES
DURANTE LAS CRECIENTES QUE SE CONSIDERAN PARA EL DISEO DE LA
ESTRUCTURA................................................................................40
2.3.- ANLISIS HIDRULICO..................................43
2.3.1.- ESTUDIO DE LAS AGUAS DE REMANSO Y DE LAS VELOCIDADES PROMEDIAS DE LA
CORRIENTE DE AGUA....................................................................................44
2.3.2.- APRECIACIN DE LAS VELOCIDADES DE SOCAVACIN EN LOS ESTRIBOS DE LAS
ESTRUCTURAS PROPUESTAS.................................................................................45
8
CAPTULO III. TERCERA PARTE
ESTUDIO ESTRUCTURAL Y DE DISEO.46
3.1.- CONSIDERACIONES DE CARGA..................................46
3.1.1.- CARGA MUERTA...................................46
3.1.2.- CARGA VIVA...................................47
3.1.3.- CARGA POR IMPACTO....................................49
3.1.4.- PRESIONES DEL VIENTO...................................50
3.1.5.- FUERZA DE FRENADO....................................50
3.1.6.- CARGAS DE ACERA.....................................50
3.1.7.- FUERZAS POR VARIACIN DE TEMPERATURA......................................50
3.1.8.- FUERZAS DE LA CORRIENTE DE AGUA Y BASURAS FLOTANTES...................................51
3.1.9.- EMPUJE DE TIERRAS .....................................51
3.1.10.- FUERZAS SSMICAS......................................52
3.2.- DISEO DE LA SUPERESTRUCTURA.................................52
3.2.1.- PRE-DIMENSIONAMIENTO.....................................53
3.2.1.1.- Losa..........................................55
3.2.1.2.- Vigas.........................................56
3.2.2.- DISEO DE LA VIGA....................................56
3.2.2.1.- Carga de carril.........................................58
3.2.2.2. - Tren de Cargas..........................................58
3.2.2.3. - Diseo a flexin y corte........................................59
3.2.2.3.1.- Anlisis de carga muerta..............................................59
3.2.2.3.2.- Momento ltimo de diseo...............................................59
3.2.2.4.- Diseo a flexin...........................................60
3.2.2.5.- Diseo a corte.........................................61
3.2.2.5.1.- Refuerzo de Distribucin (ACI 10.6.6).....................................62
3.2.2.6.- Resumen de refuerzos para la viga principal.........................................62
3.3.- DISEO DEL DIAFRAGMA.................................63
3.3.1.- CARGA POR IMPACTO....................................64
3.3.2.- DISEO POR FLEXIN....................................64
3.3.3.- DISEO POR CORTE...................................65
3.4.- DISEO DE LA LOSA...............................65
9
3.4.1.- ESFUERZOS MXIMOS................................66
3.4.2.- MOMENTOS POSITIVOS EN LAS LOSAS......................................66
3.4.3.- RECUBRIMIENTO DE LAS ARMADURAS.......................................67
3.4.4.- ARMADURA PRINCIPAL Y ARMADURA DE DISTRIBUCIN.....................................67
3.4.5.- MOMENTOS NEGATIVOS EN LOSAS (CARGA EN EL VOLADO)..................................68
3.4.6.- CORTE Y ADHERENCIA......................................70
3.4.7.- ARMADO...............................70
3.4.8.- ARMADURA DE TEMPERATURA.....................................70
3.4.9.- CLCULOS........................................70
3.4.10.- DEFLEXIONES MXIMAS......................................102
3.4.11.- DRENAJE.......................................102
3.4.12.- DISEO DE LA ACERA Y BARANDAL.....................................103
3.5.- DISEO DE LOS ESTRIBOS PARA EL PUENTE................................104
3.5.1.- ESTRIBOS.....................................106
3.5.2.- INCREMENTO DINMICO DE PRESIN POR EL EFECTO SSMICO....................................109
3.5.3.- PRESIN ACTIVA DEL SUELO......................................110
3.5.4.- MOMENTO ESTABILIZADOR......................................112
3.5.5.- MOMENTO DESESTABILIZADOR......................................114
3.5.6.- VOLCAMIENTO.......................................114
3.5.7.- DESLIZAMIENTO....................................114
3.5.8.- EXCENTRICIDAD.......................................114
3.5.9.- CAPACIDAD ADMISIBLE DEL SUELO.......................................115
3.5.10.- REFUERZO DEL MURO.......................................114
3.5.11.- VIGA DE DISTRIBUCIN.........................................116
3.5.12.- CORTANTE........................................116
3.6.- DISEO DEL ESPALDN DEL MURO...................................116
3.6.1.- CALCULOS.......................................117
CAPTULO IV
ESTUDIO DE PRESUPUESTO REFERENCIAL.....133
4.1.- ANLISIS DE PRECIOS UNITARIOS.....................................133
4.1.1.-INTRODUCCIN...................................................................134
4.2.-TABLA SALARIAL EMITIDA POR LA CONTRALORA GENERAL DEL ESTADO.................135
10
4.3.- PRESUPUESTO.........................................136
4.3.1 INTRODUCCIN...........................................136
4.4.- CRONOGRAMAS........................................136
4.4.1.- INTRODUCCIN.............................................136
4.5.- FRMULA DEL REAJUSTE DE PRECIOS EN OBRAS...................................138
4.6.- DESARROLLO Y CLCULO DEL PRESUPUESTO........................................140
4.6.1.- PRESUPUESTO.........................................140
4.6.2.- ANLISIS DE PRECIOS UNITARIOS.........................................140
4.6.3.- CRONOGRAMA VALORADO...........................................162
4.6.4.- DIAGRAMA DE GANTT..........................................163
CAPTULO V
CONCLUSIONES..........................164
RECOMENDACIONES..................164
BIBLIOGRAFA........................................165
ANEXOS........................................167
11
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1: Ubicacin del Cantn San Fernando
Fig. 2: Divisin poltica Cantn Azuay
Fig. 3: Porcentajes de actividad econmica en Cantn San Fernando
Fig. 4: Imagen del Centro Cantonal de San Fernando
Fig. 5: Imagen de Haciendas ganaderas del Cantn San Fernando
Fig. 6: Imgenes de actividad ganadera en el sector, San Fernando
Fig. 7: Imagen del tablero, calzada de la va y del puente, San Fernando
Fig. 8: Imagen de la estructura y del estribo del puente, San Fernando
Fig. 9: Imagen de puente de Las Escalinatas construccin mixta, Cuenca
Fig. 10: Imagen de puente metlico sector Ochoa Len, Cuenca
Fig. 11: Tipologa de estructuras de puentes
Fig. 12: Tipologa ubicacin de tableros
Fig. 13: Cartografa del sector
Fig. 14: Imagen de un puente en estructura de madera localizado en Espaa
Fig. 15: Imagen de un puente en mampostera de ladrillo localizado en Italia
Fig. 16: Imagen de un puente en Hormign Armado sector San Joaqun, Cuenca
Fig. 17: Imagen de un puente peatonal, en estructura metlica, Cuenca
Fig. 18: Imagen de levantamiento del sector
Fig. 19: Imagen de levantamiento en la seccin del ro
Fig. 20: Imagen de la va de acceso
Fig. 21: Imagen del puente y la va que contina
Fig. 22: Imagen de donde estar implantado el puente
Fig. 23: Imagen de levantamiento topogrfico
Fig. 24: Imagen de carril de diseo
Fig. 25: Imagen de la seccin de calzada
Fig. 26: Imagen de Zona Hidrogrfica del Ro Jubones (INAMHI)
Fig. 27: Imagen de la Cuenca Hidrogrfica del Ro Jubones (INAMHI)
Fig. 28: Imagen de la caudales medidos mensualmente (INAMHI)
Fig. 29: Imagen de la grfica caudales medidos mensualmente (INAMHI)
Fig. 30: Imagen de una seccin de un ro y sus componentes
Fig. 31: Imagen del caudal torrentoso del ro Yucauta (INAMHI)
12
Fig. 32: Imagen de un muro tipo escollera
Fig. 33: Imagen sobre seccin transversal estable y transporte de material aluvial
Fig. 34: Imagen de vigas longitudinales y diafragmas
Fig. 35: Camin de diseo HS25 MTOP, carga uniforme
Fig. 36: Camin de diseo HS25 MTOP, distribucin de las cargas por llanta
Fig. 37: Camin de diseo HS-20 Y HL-93 de la AASHTO.
Fig. 38: Imagen de las vigas longitudinales y el tablero en la parte superior del puente.
Fig. 39: Imagen de la seccin transversal del puente con sus componentes
Fig. 40: Imagen de la seccin transversal del puente con la nomenclatura
Fig. 41: Imagen de la seccin que corresponde a la viga T, embebida en la losa.
Fig. 42: Imagen del tren de cargas camin de diseo HSMOP
Fig. 43: Imagen de cmo actan los esfuerzos en la viga
Fig. 44: Imagen del tablero y con vigas longitudinales y diafragmas transversales
Fig. 45: Imagen de la seccin longitudinal de un puente y sus componentes.
Fig. 46: Imagen de las consideraciones de carga por rueda y separacin entre ejes
Fig. 47: Imagen para el clculo del momento en el volado
Fig. 48: Imagen para el clculo del momento en el volado primer caso
Figura 49: Imagen para el clculo del momento en el volado segundo caso
Fig. 50: Imagen para el clculo del momento en el volado tercer caso
Fig. 51: Imagen que ilustra el espesor del recubrimiento superior e inferior
Fig. 52: Imagen con dimensiones preliminares de la seccin del puente
Fig. 53: Ilustracin de la deformacin de la viga con sus respectivos momentos
Fig. 54: Imagen de donde estn aplicadas las cargas de vereda
Fig. 55: Anlisis de las cargas primer caso
Fig. 56: Anlisis de las cargas primer caso individualmente
Fig. 57: Anlisis de las cargas segundo caso individualmente.
Fig. 58: Anlisis de las cargas segundo caso individualmente
Fig. 59: Imagen de ubicacin de cargas para aplicacin del Teorema de Barre
Fig. 60: Imagen de aplicacin de cargas en el centro de la viga
Fig. 61: Imagen del clculo del Momento Mximo.
Fig. 62: Imagen que representa la distancia d efectiva en la viga para el cortante Vu
Fig. 63: Imagen del tren de cargas primera posicin
13
Fig. 64: Imagen del tren de cargas segunda posicin.
Fig. 65: Carga uniformemente distribuida.
Fig. 66: Imagen que se observa donde se aplica la carga del barandal
Fig. 67: Imagen para ver la colocacin del drenaje de pie en el muro.
Fig. 68: Imagen para ver la colocacin de los tubos de drenaje en la pantalla del muro.
Fig. 69: Imagen de barandales metlicos en un puente peatonal.
Fig. 70: Imagen de barandales de hormign y tubos metlicos en un puente.
Fig. 71: Imagen de balaustrada de concreto.
Fig. 72: Imagen de donde acta la carga horizontal en una vereda.
Fig. 73: Imagen de un muro de pared en forma de alas y otra pared frontal (a) y (b)
Fig. 74: Imagen de las partes que componen un estribo.
Fig. 75: Imagen de la nomenclatura de las partes de un estribo.
Fig. 76: Mapa de zona ssmica del NEC del Ecuador
Fig. 77: Imagen de empuje de tierras con sobrecarga vehicular
Fig. 78: Imagen de dimensiones del estribo y reas de calculo
Fig. 79: Imagen de Presin de Contacto Muro-Suelo de Fundacin
Fig. 80: Imagen de tabla salarial en de contralora en la construccin
14
LISTA DE CUADROS
Tabla 1: Coordenadas de la ubicacin del puente
Tabla 2: ngulo de friccin entre diferentes materiales (AASHTO)
Tabla 3: Imagen resume de los caudales medidos mensualmente (INAMHI)
Tabla 4: Valores del coeficiente n de Manning.
Tabla 5: Tabla de materiales con sus pesos especficos.
Tabla 6: Cuadro de recomendaciones de la AASHTO para pre-dimensionamiento
Tabla 7: Referencia sobre la fraccin de carga de rueda en un carril.
Tabla 8: resumen de refuerzo para la viga principal
Tabla 9: Datos para el diseo del puente
Tabla 10: Datos para el clculo der refuerzo en los extremos de la losa
Tabla 11: Tabla de hierros
Tabla 12: Tabla datos para el clculo del refuerzo
Tabla 13: Tabla datos para el clculo del refuerzo del volado
Tabla 14: Tabla datos para el diseo del diafragma
Tabla 15: Tabla datos para el refuerzo del diafragma
Tabla 16: Tabla datos para el clculo de la viga longitudinal
Tabla 17: Poblaciones ecuatorianas y Zona ssmica del NEC del Ecuador
Tabla 18: Valores del factor Z en funcin de la zona ssmica del NEC del Ecuador
Tabla 19: Valores de y para diferentes tipos de suelos
Tabla 20: Angulo de friccin entre diferentes materiales (AASHTO)
Tabla 21: Cuadro de relaciones para el clculo del estribo
Tabla 22: Cuadro del clculo del centro de gravedad del estribo
Tabla 23: Cuadro de resumen de cargas y momentos
Tabla 24: Clculo del empuje en alturas h
15
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A.
Especificaciones Tcnicas y notas....167
ANEXO B.
Planos Topogrficos.169
ANEXO C.
Datos Adicionales.....172
ANEXO D
Estudios de Mecnica de Suelos...182
ANEXO H
Planos Estructurales.191
16
RESUMEN
Este trabajo de investigacin contiene el estudio terico y anlisis matemtico de los parmetros
necesarios para el desarrollo y clculo de un puente de hormign armado, el cual consta de dos partes, la
superestructura que es la calzada y vigas por donde transitarn vehculos y peatones, adems la infraestructura
que son los estribos donde va a ir asentado el puente. ste se trata de un puente de 13m de largo y seis metros
de ancho incluido las veredas, ubicado en el cantn de San Fernando, cerca de la ciudad de Cuenca en Ecuador.
sta obra est encaminada a satisfacer la necesidad de movilidad y transporte de los moradores del sector, y ha
sido desarrollada en base al cumplimiento de normas generales para la construccin de puentes y caminos, de
MTOP, AASHTO, y varios autores quienes han aportado con sus estudios en materias relacionadas a este tipo de
trabajos.
Palabras clave: Hormign armado, puente dimensionamiento, puente superestructura, puente
infraestructura, momento ltimo.
17
ABSTRACT
This research contains the theoretical study and mathematical analysis of the parameters
necessary for the development and calculation of a reinforced concrete bridge, which consists of two
parts, the superstructure and the road is where beams for transit vehicles and pedestrians, as well
infrastructure that are going to go berserk seated where the bridge. This is a bridge 13m long and six
meters wide including the villages located in the canton of San Fernando, near the city of Cuenca in
Ecuador. This work aims to meet the need for mobility and transport of the residents of the sector, and
has been developed on the basis of compliance with general rules for the construction of bridges and
roads, MTOP, AASHTO, and several authors who have contributed their studies in subjects related to
this type of work.
Keywords: bridge sizing, bridge superstructure, bridge infrastructure, last moment.
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CAPTULO 1.
ESTUDIOS PRELIMINARES
1.1.- LOCALIZACIN DEL PROYECTO
El puente se encuentra ubicado en un camino vecinal que cruza el Ro Yucauta, perteneciente al Cantn
de San Fernando a 7 minutos aproximadamente en vehculo del centro cantonal, el mismo que est a 60 km de
la capital provincial, Cuenca. Desde el centro cantonal de Girn en la va Cuenca Machala, se desva hacia la
derecha tomando no ms de 20 minutos en llegar a su centro cantonal.
Est a una altura de 2.650 metros sobre el nivel del mar, la temperatura promedio es de 15 grados
centgrados gozando de dos estaciones plenamente establecidas: el invierno que comienza en Diciembre
extendindose hasta el mes de abril y el verano que se prolonga hasta Diciembre. El cantn tiene una poblacin
total que no supera los 5000 habitantes distribuidos en el centro cantonal y en zonas rurales y aledaas.
Fig. 1: Ubicacin del Cantn San Fernando
COORDENADAS
NORTE ESTE ALTITUD
692577 9654323 2826
Tabla 1: Coordenadas de la ubicacin del puente
http://es.wikipedia.org/wiki/Cuenca_(Ecuador)19
Fig. 2: Divisin poltica Cantn Azuay
1.2.- ACTIVIDAD ECONMICA
Las actividad econmica predominantes son la ganadera enfocada a la produccin de leche y sus
derivados, seguida de la agricultura, silvicultura y pesca, tambin hay zonas tursticas como la Laguna de Busa y
sus paisajes naturales.
Fig. 3: Porcentajes de actividad econmica en Cantn San Fernando
20
Fig. 4: Imagen del Centro Cantonal de San Fernando
1.3.- POBLACIONES DE ENLACE
Este puente vehicular de hormign armado, sobre el Ro Yucauta, que vincular los sectores de
Mamallacu, la poblacin de San Fernando (cabecera cantonal), el sector de San Jacinto, Yucauta y Capules.
Fig. 5: Imagen de Haciendas ganaderas del Cantn San Fernando
21
Fig. 6: Imgenes de actividad ganadera en el sector, San Fernando
1.4.- SITUACIN ACTUAL DEL PUENTE EXISTENTE
El puente en la actualidad es una construccin de madera y los estribos de mampostera de piedra en
mala condicin, la estructura del tablero y calzada estn deteriorados y se observa que no cumple normas
bsicas de diseo y seguridad, es angosto, evidencia un posible riesgo de desplome. El puente tiene un largo de
12m con un ancho de 3mt y un galibo de 3.5 m aproximadamente.
Fig. 7: Imagen del tablero, calzada de la va y del puente, San Fernando
22
Fig. 8: Imagen de la estructura y del estribo del puente, San Fernando
1.5.- UBICACIN Y ELECCIN DEL TIPO DE PUENTE
La ubicacin del puente es en la va que cruza el Ro Yucauta y enlaza los sectores de San Fernando con
la comunicad de Capules.
En primer lugar consideremos algunas definiciones de puente:
Un puente es una construccin que permite salvar un accidente geogrfico como un ro, un can, un
valle, un camino, una va frrea, un cuerpo de agua o cualquier otro obstculo fsico.1
Un puente es una obra que se construye para salvar un obstculo dando as continuidad a una va.
Suele sustentar un camino, una carretera o una va frrea, pero tambin puede transportar tuberas y lneas de
distribucin de energa. Los puentes que soportan un canal o conductos de agua se llaman acueductos.
Aquellos construidos sobre terreno seco o en un valle, viaductos. Los que cruzan autopistas y vas de tren se
llaman pasos elevados. Constan fundamentalmente de dos partes: super-estructura e infra-estructura.2
En trminos prcticos un puente ha sido el nexo comunicativo ms elemental del hombre en su
conquista de la naturaleza.3
Entre los criterios de diseo a tomar en cuenta tenemos principalmente la seguridad, bajo peso, la
facilidad de fabricacin, montaje, transporte, inspeccin y mantenimiento. En lo referente a los aspectos
constructivos tenemos que considerar la disponibilidad de materiales en el mercado nacional, equipos, mquinas,
instalaciones y personal calificado. Los costos de implementacin, fabricacin, montaje, mantenimiento y
transporte son vitales en lo referente al aspecto econmico, y finalmente como aspectos complementarios
tenemos la versatilidad, serviciabilidad, transitabilidad, esttica y funcionabilidad.
1. Wikipedia
2. MC Ing. Arturo Rodrguez Serqun Per- 2012.
3. Jos Bellido de Luna Universidad Central de Chile, 2002.
23
Una vez considerados los aspectos antes mencionados se puede proseguir a la eleccin del puente
segn los tipos de estructuras existentes y optar por el ms conveniente.
-Simplemente apoyados
-Continuos
-Simples de tramos mltiples
-Cantilver (brazos voladizos)
-En Arco
-Atirantado (utilizan cables rectos que atirantan el tablero)
-Colgantes
-Levadizos (basculantes)
-Pontones (puentes flotantes permanentes)
Fig. 9: Imagen de puente de Las Escalinatas construccin mixta, Cuenca
Fig. 10: Imagen de puente metlico sector Ochoa Len, Cuenca
24
Fig. 11: Tipologa de estructuras de puentes
Fig. 12: Tipologa ubicacin de tableros
25
1.5.1.- MAPAS Y CARTOGRAFA DEL SECTOR.
Fig. 13: Cartografa del sector
1.5.2.- PUENTES DE ACUERDO AL MATERIAL Y A SU FUNCIN
Segn su material de construccin
-Madera
-Hormign Armado
-Hormign Pre-esforzado
-Acero Estructural
-Mampostera
-Seccin Compuesta
Segn su funcin
- Puentes Peatonales
- Puentes para trnsito vehicular de carreteras
- Puentes para ferrocarriles
- Puentes para servicio mixto y viaductos.
26
Fig. 14: Imagen de un puente en estructura de madera localizado en Espaa
Fig. 15: Imagen de un puente en mampostera de ladrillo localizado en Italia
27
Fig. 16: Imagen de un puente en Hormign Armado sector San Joaqun, Cuenca
Fig. 17: Imagen de un puente peatonal, en estructura metlica, Cuenca
1.6.- TOPOGRAFA
Los estudios topogrficos tendrn como objetivos:
-Efectuar los trabajos de campo que permitan elaborar los planos topogrficos
-Suministrar informacin de base para los estudios de hidrologa e hidrulica, geologa, geotecnia, as
como de ecologa y sus efectos en el medio ambiente.
-Facilitar la definicin precisa de la ubicacin y las dimensiones de los elementos estructurales
-Facilitar la definicin precisa de la ubicacin y las dimensiones de los elementos estructurales.
-Crear puntos de referencia para el replanteo durante la construccin.
28
1.6.1.- LEVANTAMIENTO TOPOGRFICO
Debe contener como mnimo, un plano de ubicacin, planimetra con curvas de nivel cada metro si la
quebrada es profunda o ms juntas si el terreno es llano las barrancas son poco definidas y los estudios
topogrficos debern comprender como mnimo lo siguiente:
-Levantamiento topogrfico general de la zona del proyecto, documentado en planos a escala entre 1:500
y 1:2000 con curvas de nivel a intervalos de 1 m y comprendiendo por lo menos 100 m a cada lado del puente en
direccin longitudinal (correspondiente al eje de la carretera) y en direccin transversal (la del ro u otro obstculo
a ser transpuesto).
-Definicin de la topografa de la zona de ubicacin del puente y sus accesos, con planos a escala entre
1/100 y 1/250 considerando curvas de nivel a intervalos no mayores que 1 m y con secciones verticales tanto en
direccin longitudinal como en direccin transversal. Los planos debern indicar los accesos del puente, as
como autopistas, caminos, vas frreas y otras posibles referencias. Deber igualmente indicarse con claridad la
vegetacin existente.
-Para el caso de puentes sobre cursos de agua deber hacerse un levantamiento detallado del fondo.
Ser necesario indicar en planos la direccin del curso de agua y los lmites aproximados de la zona inundable
en las condiciones de aguas mximas y mnimas, as como los observados en eventos de carcter excepcional.
Cuando las circunstancias lo ameriten, debern indicarse los meandros del ro.
-Ubicacin e indicacin de cotas de puntos referenciales, puntos de inflexin y puntos de inicio y trmino
de tramos curvos; ubicacin o colocacin de marcas e hitos in situ plenamente identificados y con pintura de
color rojo o tomate, colores opuestos a la de la vegetacin del lugar.
-Levantamiento catastral de las zonas aledaas al puente, cuando existan edificaciones u otras obras que
interfieran con el puente o sus accesos o que requieran ser expropiadas y/o pudieran ser afectadas por el
emplazamiento del mismo y de ser al caso proceder con las respectivas indemnizaciones.
-En cuanto a los equipos y el grado de precisin empleados para los trabajos de campo y el
procesamiento de los datos debern ser consistentes con la dimensin del puente y sus accesos y con la
magnitud del rea estudiada. En cualquier caso los equipos y los procedimientos empleados debern
corresponder a la mejor prctica de la ingeniera.
La topografa de la zona donde se ubicar el puente deber documentarse mediante planos con curvas
de nivel y fotografas, registros digitales e informes. Los informes debern detallar las referencias preliminares
consultadas, la descripcin y las caractersticas tcnicas del equipo utilizado para la toma de datos, la
metodologa seguida para el procesamiento de los datos de campo y la obtencin de los resultados.
Si se dispusiera de estudios topogrficos previos, de zonas adyacentes o que involucren el rea del
proyecto, stos debern ser revisados a fin de verificar la compatibilidad de la informacin obtenida. Los planos
sern presentados en lminas de formatos A0, A1 o A4 dependiendo de la escala que se requiera.
De ser el caso se podr tambin georreferenciar el emplazamiento del puente en un mapa base o plano
de la ciudad o sector donde que este va estar ubicado para mejor compresin y registro del mismo.
29
Fig. 18: Imagen de levantamiento del sector
Fig. 19: Imagen de levantamiento en la seccin del ro
Los equipos e instrumentos y el grado de precisin empleados para los trabajos de campo y el
procesamiento de los datos debern ser consistentes con la dimensin del puente y sus accesos y con la
magnitud del rea estudiada. En cualquier caso los aparatos y los procedimientos empleados debern
corresponder a la mejor prctica de la ingeniera.
En cuanto a la documentacin a ser presentada contendr la topografa de la zona donde se ubicar el
puente deber documentarse mediante planos con curvas de nivel y fotografas, registros digitales e informes.
30
1.6.2.- ESTADO DE LAS VAS
El material de la calzada de la va es de tierra comn de una seccin variable de 3m a 4m de ancho
aproximadamente como se observa en las imgenes, por la cual pueden circular vehculos sin dificultad.
Figura 20: Imagen de la va de acceso
Se ha observado en la visita que se hizo al lugar que la circulacin de vehculos es mnima, no soporta un
trfico vehicular intenso, con el paso de 2 a 3 vehculos livianos por cada hora aproximadamente.
Fig. 21: Imagen del puente y la va que contina
31
1.6.3.-EMPLAZAMIENTO DEL PUENTE
Para el emplazamiento del puente hay que considerar los siguientes aspectos:
a. Localizacin de la estructura o ubicacin en cuanto a sitio, alineamiento, pendiente y rasante.
b. Tipo de puente que resulte ms adecuado para el sitio escogido, teniendo en cuenta su esttica,
economa, seguridad y funcionalidad.
c. Forma geomtrica y dimensiones, analizando sus accesos, superestructura, infraestructura, cauce de la
corriente y cimentaciones.
d. Obras complementarias tales como: barandas, drenaje de la calzada y de los accesos, proteccin de
las mrgenes y rectificacin del cauce, si fuera necesario forestacin de taludes e iluminacin
e. En caso de obras especiales conviene recomendar sistemas constructivos, equipos, etapas de
construccin y todo aquello que se considere necesario para la buena ejecucin y estabilidad de la obra.
Fig. 22: Imagen de donde estar implantado el puente
32
Fig. 23: Imagen de levantamiento topogrfico
1.7.- ANCHO DE CALZADA Y ACERA
El ancho de la calzada ser el ancho libre entre las partes inferiores de las veredas medidas respecto al
eje longitudinal del puente si las veredas no existen, adems el ancho libre ser la distancia mnima entre las
caras interiores de las barandas del puente. Las veredas son utilizadas con fines de flujo peatonal o
mantenimiento.
El ancho de calzada del puente se define en 4 metros de ancho, un solo carril que es lo requerido por la
entidad solicitante y con ancho de veredas de 80cm y ancho de barandas de 20cm en total 1m de volado
izquierdo y derecho.
33
Fig. 24: Imagen de carril de diseo
1.80m+0.6m+0.6m=3.00m (mnimo para un solo carril)
Fig. 25: Imagen de la seccin de calzada
34
CAPITULO 2
ESTUDIOS DE SUELOS, HIDROLOGICO E HIDRAULCO
2.1.- ESTUDIOS DE SUELOS Y GEOTCNICOS
El objetivo del estudio Geotcnico y suelos es establecer las caractersticas y parmetros geotcnicos que
tiene el subsuelo en el punto de emplazamiento del puente, es decir, la estratigrafa, la identificacin y las
propiedades fsicas y mecnicas de los suelos para el diseo de cimentaciones estables donde se colocarn los
estribos y elementos requeridos para la cimentacin del puente as como la estabilizacin del suelo de
cimentacin.
El alcance del estudio debe considerar exploraciones de campo y ensayos de laboratorio, cuya cantidad
ser determinada en base a la envergadura del proyecto, en trminos de su longitud y las condiciones del suelo.
Los estudios debern comprender la zona de ubicacin del puente, estribos, pilares y accesos.
Los Estudios geotcnicos comprendern:
- Ensayos de campo en suelos y/o rocas.
- Ensayos de laboratorio en muestras de suelo y/o roca extradas de la zona.
- Descripcin de las condiciones del suelo, estratigrafa e identificacin de los estratos de suelo o base
rocosa.
- Definicin de tipos y profundidades de cimentacin adecuada, as como parmetros geotcnicos
preliminares para el diseo del puente a nivel de anteproyecto.
- Dependiendo de la envergadura del proyecto y del tipo de suelo se podrn realizar ensayos de
refraccin ssmica, complementados por perforaciones o excavaciones de verificacin en sustitucin a los
trabajos antes mencionado.
- Presentacin de los resultados y recomendaciones sobre especificaciones constructivas y obras de
proteccin.
Para los sondeos o calas la cantidad y profundidad de stos estar en funcin de la magnitud y
complejidad del proyecto. La profundidad de las exploraciones y sondajes estar definida considerando un pre-
dimensionamiento de la cimentacin y las condiciones locales del subsuelo.
2.1.1- CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE
En cimentaciones es la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre l. La capacidad
de carga admisible es la mxima presin media de contacto entre la cimentacin y el terreno tal que no se
produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la capacidad de
carga admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales:
http://es.wikipedia.org/wiki/Cimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Suelo_(ingenier%C3%ADa)35
-Si la funcin del terreno de cimentacin es soportar una determinada tensin independientemente de la
deformacin, la capacidad portante se denominar carga de hundimiento.
-Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensin aplicada al terreno y la deformacin sufrida por ste,
deber calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.
Materiales ngulo
de friccin, () Coeficiente
de friccin, tan
Hormign masivo sobre los siguientes materiales de fundacin:
Roca sana y limpia 35 0,7
Grava limpia, mezclas de grava y arena, arena gruesa 29 a 31 0,55 a 0,60
Arena limpia fina a media, arena limosa media a gruesa, grave limosa o arcillosa 24 a 29 0,45 a 0,55
Arena fina limpia, arena limosa o arcillosa fina a media 19 a 24 0,34 a 0,45
Limo fino arenoso, limo no plstico 17 a 19 0,31 a 0,34
Arcilla residual o pre-consolidada muy rgida y dura 22 a 26 0,40 a 0,49
Arcilla de rigidez media y rgida; arcilla limosa 17 a 19 0,31 a 0,34
Sobre estos materiales de fundacin la mampostera tiene los mismos factores de friccin.
Tabla 2: ngulo de friccin entre diferentes materiales (AASHTO)
2.2.-ANALISIS HIDROLGICO
El objetivo de los estudios Hidrolgicos es determinar las caractersticas hidrolgicas de los regmenes de
precipitaciones pluviales mximas y extraordinarias, adems nos permite conocer las cantidades de agua,
caudal, que fluyen superficialmente en un rea de recogimiento determinada o cuenca, evaluando para ello
parmetros fsicos de la regin como: rea, permetro, pendientes, elevaciones. etc. todo lo anterior para facilitar
un correcto diseo vial dentro de los cuales los puentes estn incluidos.
El estudio hidrolgico adems permite conocer las cantidades de agua, caudal, que fluyen
superficialmente en un rea de recogimiento determinada o cuenca, evaluando para ello parmetros fsicos de la
regin como: rea, permetro, pendientes, elevaciones.
Con la informacin recopilada en el INAMHI (INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA E
HIDROLOGIA del Ecuador) con sede en la capital, se determina que el Ro Yucauta est ubicado dentro de la
Zona Hidrogrfica del Jubones y que no existen estudios puntuales y profundos del ro y su zona por no ser sta
una vertiente de gran envergadura o relevancia, todo eso nos lleva a considerar de forma global y como parte de
la zona hidrogrfica del Ro Jubones al Ro Yucauta.
http://es.wikipedia.org/wiki/Cimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_de_hundimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Asiento_admisible&action=edit&redlink=136
Fig. 26: Imagen de Zona Hidrogrfica del Ro Jubones (INAMHI)
Los siguientes datos son necesarios para nuestro propsito.
- Recopilacin de datos de crecientes aplicables al sitio, incluyendo las crecientes ordinarias y las
extraordinarias.
- Determinacin del perodo de retorno de las crecientes en el sitio, si no se tiene datos actualizados o no
se han encontrado estudios anteriores se puede recopilar informacin mediante encuestas a los moradores del
sector que son quienes estn al tanto de cuando se presentan las estaciones de invierno y temporadas de
sequias del sector.
- Determinacin del caudal del agua y sus velocidades, as como en tiempo de crecientes en lo posible,
datos que se consideraran para el diseo de la estructura.
Fig. 27: Imagen de la Cuenca Hidrogrfica del Ro Jubones (INAMHI)
37
Los estudios hidrolgicos comprendern lo siguiente:
- Visita de campo; reconocimiento del lugar en la zona de cruce.
- Recoleccin y anlisis de informacin hidrolgica y meteorolgica existente; esta informacin puede ser
proporcionada por entidades locales, nacionales o entidades encargadas de la administracin de los recursos
hdricos del lugar.
- Estimacin del caudal y caudal mximo para tener en claro el galibo del puente para diferentes periodos
de retorno
- Evaluacin de estudios similares realizados en la zona de ubicacin del puente; si los hubiere.
Este estudio debe contener por lo menos la media anual de las precipitaciones, las crecidas mximas y
mnimas, la velocidad mxima de la corriente, el caudal, las variaciones climatricas y materiales de arrastre
(palizada, tmpanos de hielo, y otros). En los planos de puentes sobre ros, se deben registrar siempre los
niveles de agua cuya notacin presentamos a continuacin: M.A.M.E. = Nivel de aguas mximas extraordinarias.
N.A.M. = Nivel de aguas mximas
N.A.O. = Nivel de aguas ordinarias
N.A.m. = Nivel de aguas mnimas
2.2.1.- COMPILACIN DE DATOS DE CRECIENTES APLICABLES AL SITIO, INCLUYENDO
LAS CRECIENTES ORDINARIAS Y LAS CRECIENTES EXTRAORDINARIAS.
Crecida es el fenmeno temporal que ocasiona un aumento de nivel mximo de agua en un curso
permanente, para luego descender a su nivel normal.
Las crecidas son de origen meteorolgico, ocasionadas por las precipitaciones pluviales y son de origen
no meteorolgico, provocados por vaciamiento o vertido repentino o accidental de aguas embalsadas natural o
artificialmente en el curso del ro.
En los estudios de crecientes se analizan las magnitudes de mximos extraordinarios y la frecuencia con
que ocurren. Existen tres tipos de crecidas y son:
-Crecida normal es la que mantiene el ro y vara muy poco.
-Crecida mxima es la que ocurre casi anualmente en el invierno.
-Crecida mxima extraordinaria es la que ocurre cuando se da lluvias muy intensas.
Para el diseo de un puente se debe considerar siempre la creciente mxima.
38
2.2.2.- DETERMINACIN DE LA CURVA DE RECURRENCIA O RETORNO DE LAS
CRECIENTES PARA EL SITIO.
La determinacin de la curva de recurrencia o retorno est relacionada con las precipitaciones pluviales
evidentemente ya que el nivel en las crecidas o estiajes depender de las frecuencias de lluvias o tormentas que
se den en la zona de estudio. Las principales fuentes de humedad para las precipitaciones los constituyen los
ocanos, lagunas y embalses y son los factores de clima como latitud, altitud, corrientes marinas vientos
dominantes y barreras orogrficas las que determinan la humedad atmosfrica sobre la cuenca.
Entendiendo como precipitacin es toda forma de humedad que originndose en las nubes llega hasta la
superficie terrestre, de acuerdo a esta definicin las lluvias, garas, granizadas y nevadas son formas distintas
del mismo fenmeno de la precipitacin.
Las gotas se juntan en la atmsfera y al agrandarse las gotas de agua caen por su propio peso hacia la
superficie de la Tierra, provocando las precipitaciones que se producen con temperaturas sobre 0C, caen en
forma de lluvia y las gotas de lluvia se congelan si la temperatura es bajo 0C y la precipitacin es en forma de
nieve o de granizo, estado slido del agua.
Para tener una idea en Estados Unidos la lluvia se identifica segn su tipo de intensidad en:
-ligera, para tasas de cada diaria de hasta 2.5mm/h
-moderada de 2.5mm/h hasta 7.6mm/h
-fuerte superior a 7.6mm/h
El perodo de retorno se ha considerado en 40aos, ya que son datos que se han podido obtener y
recopilar del INAMHI, que comprende desde el ao 1964 hasta el 2010 y consideramos de cinco aos, desde el
que registra el menor al mximo caudal y con valores intermedios como una muestra para la graficacin de la
curva.
39
Fig. 28: Imagen de la caudales medidos mensualmente (INAMHI)
MES AO Y CAUDALES EN m3/seg
1975 1976 1973 2001 2004
1 ENERO 48,881 46,627 46,423 36,588 18,75
2 FEBRERO 125,784 102,046 95,413 30,203 20,427
3 MARZO 299,765 137,936 92,174 89,44 31,979
4 ABRIL 165,512 129,546 195,821 113,33 37,254
5 MAYO 77,188 76,768 78,377 65,356 28,011
6 JUNIO 121,114 89,958 55,301 118,678 54,947
7 JULIO 63,457 109,775 52,705 30,454 28,526
8 AGOSTO 68,979 53,669 46,43 16,192 18,358
9 SEPTIEMBRE 30,781 29,338 36,765 10,293 16,775
10 OCTUBRE 37,081 18,797 23,306 10,885 16,66
11 NOVIEMBRE 30,289 22,609 23,422 10,79 15,408
12 DICIEMBRE 18,788 22,228 26,275 16,554 21,258
Tabla 3: Imagen resume de los caudales medidos mensualmente (INAMHI)
40
Fig. 29: Imagen de la grfica caudales medidos mensualmente (INAMHI)
2.2.3.- DETERMINACIN DE LA DISTRIBUCIN DEL CAUDAL DEL AGUA Y SUS
VELOCIDADES DURANTE LAS CRECIENTES QUE SE CONSIDERAN PARA EL DISEO DE LA
ESTRUCTURA.
En ro un no hay determinaciones previas, las respuestas son en todo caso objeto de estudio de la
hidrologa, la geomorfologa, la hidrulica martima y otros apoyos de estudio, el caudal de un ro es siempre
variable segn el rgimen hidrolgico de la cuenca, en una escala de tiempo estacional o bien restringida a un
episodio meteorolgico.
Los perodos que tienen un caudal ms o menos estable es posible relacionar las pendientes con los
caudales utilizando registros de aforos, para establecer perodos de crecientes se puede obtener informacin a
moradores del sector en caso de no tener registros.
Para el movimiento del fluido en un ro, al aplicar las frmulas se obtendrn nicamente valores
aproximados a los reales, porque el cauce del rio no tiene seccin constante, ni alineamiento recto, ni superficie
uniforme, ni conserva la pendiente, como en un canal abierto.
Frmula de Manning:
V =R
23 S
12
N(formula 2.1)
Dnde:
V = Velocidad en m/s
R = Radio hidrulico en m
S = Pendiente
N = Coeficiente de rugosidad llamado coeficiente de Manning.
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Series1
Series2
Series3
Series4
Series5
41
El clculo del caudal en el diseo de canales, para este tipo de rgimen, puede plantearse la ecuacin de
Manning al sistema mtrico.
Q = AS1/2
nR2/3(formula 2.2)
Material
Valores
Mnimo Normal Mxi
mo
Arroyo de montaa con muchas piedras. 0.035 0.040 0.050
Tepetate (liso y uniforme). 0.025 0.035 0.040
Tierra en buenas condiciones. 0.017 0.020 0.025
Tierra libre de vegetacin. 0.020 0.025 0.033
Mampostera seca. 0.025 0.030 0.033
Mampostera con cemento. 0.017 0.020 0.025
Concreto. 0.013 0.017 0.020
Asbesto cemento. 0.09 0.010 0.011
Polietileno y PVC. 0.007 0.008 0.009
Fierro fundido (Fo. Fo). 0.011 0.014 0.016
Tabla 4: Valores del coeficiente n de Manning.
El rgimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica en funcin del Nmero de
Froude, NF, el cual es una relacin adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad. En el rgimen
supercrtico (NF > 1) el flujo es de alta velocidad, propio de cauces de gran pendiente o ros de montaa. El flujo
subcrtico (NF
42
Y profundidad del flujo
T ancho de la seccin del flujo
H altura del canal principal
B ancho de la zona inundable.
Fig. 30: Imagen de una seccin de un ro y sus componentes
Los Cauces en rgimen torrencial se caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta, el nmero de
Froude Fr = v / ( gl) es mayor que 1 y la lnea del agua se ve afectada por la formacin de resaltos que son
ocasionados por las irregularidades del fondo, de las secciones transversales y materia rocoso.
Fig. 31: Imagen del caudal torrentoso del ro Yucauta (INAMHI)
Los ros de alta montaa tienen rgimen torrencial, debido a su gran pendiente tienen una alta capacidad
de transportar sedimentos, stos son alimentados por los procesos erosivos que se presentan en fondo y contra
los taludes.
43
La Pendiente longitudinal en cauces naturales se mide a lo largo de la lnea o superficie del agua, ya que
el fondo no es una buena referencia, tanto por su inestabilidad como por sus irregularidades. La pendiente de la
superficie del agua vara con la magnitud del caudal y esa variacin es importante cuando se presentan cambios
grandes del caudal en tiempos cortos, por ejemplo al paso de crecientes.
2.3.- ANLISIS HIDRULICO.
El objetivo de los estudios Hidrulicos es para determinar el nivel de aguas mximas extraordinarias en el
punto de inters y el rea hidrulica ms eficiente y que conllevan a una real apreciacin del comportamiento
hidrulico del ro que, con el fin de obtener requisitos mnimos para el dimensionamiento hidrulico o pre
dimensionamiento de la obra de paso adems nos permiten definir el tipo puente y su ubicacin ptima en
funcin de los niveles de seguridad y riesgos permitidos o aceptables para las caractersticas particulares de la
estructura, adems establecer el caudal mximo de diseo en la ubicacin del cruce; la hidrulica del ro en el
tramo que comprende el cruce.
En el estudio hidrulico se llega a determinar la seccin hidrulica crtica, la que es capaz de dar paso, sin
rebalsar al caudal de la cuenca, en la cual se utilizan parmetros de diseo que comparan un factor geomtrico
calculado a partir de sus dimensiones, con el factor hidrulico calculado en base al caudal de la cuenca, la
rugosidad del cauce y la pendiente del ro.
Entre los datos que podemos recopilar tenemos los siguientes:
-Caudal mximo de diseo hasta la ubicacin del cruce.
-Comportamiento hidrulico del ro en el tramo que comprende el cruce.
- rea de flujo a ser confinada por el puente.
- Nivel mximo de agua (NMA) en la ubicacin del puente.
- Nivel mnimo recomendable para el tablero del puente.
- Profundidades de socavacin general, por contraccin y local.
- Profundidad mnima recomendable para la ubicacin de la cimentacin, segn el tipo de cimentacin.
Los estudios Hidrulicos comprendern lo siguiente:
- Visita de campo; reconocimiento del lugar
- Estudio de las aguas de remanso y de las velocidades promedio de la corriente de agua para diferentes
luces de varias estructuras tentativas.
- Apreciacin de la profundidad de socavacin en los y estribos de las estructuras propuestas.
Tomamos en cuenta que las luces de los puentes se seleccionaran para permitir el paso del caudal de
crecientes cuya magnitud y frecuencia se tiene plenamente identificado.
Adems deber tomarse en consideracin la frecuencia de las inundaciones aguas arriba, el paso de los
materiales de arrastre y la posibilidad de socavacin cuando puedan ocurrir crecientes de mayor altitud que
aquella seleccionada para el diseo o cuando crecientes extraordinarias puedan causar daos o la perdida
misma de una estructura costosa debern seleccionarse luces mayores para el puente de preferiblemente.
De ser el caso los taludes adyacentes a las estructuras con riesgo a la accin erosiva de las aguas se
protegern por medio de pedraplenes que es un elemento constructivo que consiste en la extensin y
44
compactacin de materiales ptreos procedentes de excavaciones de roca. Se usa para la construccin rellenos,
bien de gran altura o que sean inundables, estn formados por fragmentos de roca de gran tamao que oscilan
entre los 10.0 cm y los 90.0 cm. Los muros de escollera tambin se pueden emplear.
Fig. 32: Imagen de un muro tipo escollera
Deber evitarse el desbroce de la vegetacin en las proximidades de los puentes para evitar la
socavacin y el incremento la velocidad de las aguas, cortes de prstamo de material no debern localizarse en
arias en donde podra incrementarse la velocidad del agua y la posibilidad de socavacin de los puentes.
2.3.1.- ESTUDIO DE LAS AGUAS DE REMANSO Y DE LAS VELOCIDADES PROMEDIAS
DE LA CORRIENTE DE AGUA.
Un remanso hidrulico se puede definir como un aumento en el nivel de agua de un ro, debido al
taponamiento natural o artificial de ste, y que se propaga aguas abajo disminuyendo su intensidad hasta
alcanzar el equilibrio con el nivel natural de las aguas.
Cuando la pendiente del cauce es pequea, o cuando el flujo en el tramo que se considera en el estudio
est regulado por una curva de remanso, el rgimen es tranquilo, generalmente subcrtico. En este caso, la
capacidad de transporte de sedimentos es baja, y el ro puede comenzar a depositar parte de los sedimentos de
suspensin y de fondo que trae desde zonas de mayor capacidad de transporte.
Este fenmeno se presenta en los tramos de baja pendiente. Cuando la pendiente es pequea, incide en
una baja capacidad de transporte de sedimentos y en una tendencia a inundar reas adyacentes.
Con la explicacin anterior, en el lugar donde est emplazado el puente no se observan sitios donde se
puedan producir o existan aguas de remanso, porque el flujo es continuo y fluido debido a la pendiente del cauce
del ro.
45
2.3.2.- APRECIACIN DE LAS VELOCIDADES DE SOCAVACIN EN LOS ESTRIBOS DE
LAS ESTRUCTURAS PROPUESTAS.
Es la modificacin del rea de seccin hidrulica que tiene que ver con el Nivel de Aguas Mximas
Extraordinarias (NAME) al presentarse la creciente mxima extraordinaria. Es relevante conocer la socavacin
para definir las cotas de cimentacin de las pilas (cuando se han dispuesto pilas en el diseo del puente) y los
estribos. La causa ms comn de socavacin general es la contraccin del flujo producida por la reduccin de la
seccin del cauce por la construccin de terraplenes de acceso al puente y en menor grado por las pilas (que en
este caso no se ha planteado) que bloquean parte de la seccin recta
El lecho del ro puede ser rocoso, aluvial o de material cohesivo. En el primer caso la seccin transversal
es estable; en el segundo se presenta transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto, y en el
tercero el grado de cohesin es un factor que reduce la posibilidad de movimiento del material de fondo, en
comparacin con el material aluvial del mismo tamao, por ello el desgaste del fondo va a depender de las
caractersticas del suelo, presentndose una distribucin homognea o heterognea del material fondo.
Fig. 33: Imagen sobre seccin transversal estable y transporte de material aluvial
Sin el conocimiento del alcance de la socavacin el ingeniero est expuesto a proponer cotas de
cimentacin superficiales que hagan inestable la estructura por ausencia de piso de apoyo o proponer una cota
de cimentacin ms profunda de la requerida aumentando sus costos y con mayores dificultades en la
construccin. Una de las principales causas de la falla de un puente es la socavacin.
Hay que saber que gracias a la socavacin se dan fallas e incluso el colapso de muchos puentes, por la
excesiva velocidad del agua subterrnea que arrastra partculas que se encuentran en lecho del ro, socavando
as la estructura, adems el desgaste del lecho del ro depende de las caractersticas propias del suelo,
presentndose una distribucin homognea o heterognea del material fondo. Se puede considerar que la
socavacin est en funcin de la velocidad y el transporte de partculas y para determinar si el flujo aguas arriba
est transportando materiales de lecho, se debe calcular la velocidad crtica para inicio de transporte de
sedimentos Vc de la partcula D50 y compararla con la velocidad media de la corriente en el cauce principal o en
las laderas aguas arriba de la abertura del puente. La velocidad media se determina segn la ecuacin de
Manning y para calcular la velocidad crtica se usa cualquiera de las ecuaciones
46
CAPITULO III
ESTUDIO ESTRUCTURAL Y DE DISEO
3.1.- CONSIDERACIONES DE CARGA
Las Standard Specifications for Highway Bridges de la AASHTO, requieren que los puentes sean
diseados para soportar cargas muertas, vivas e impacto o efecto dinmico de la carga viva.
Las cargas se clasifican en:
Cargas Permanentes que son aquellas que actan durante toda la vida til de la estructura sin variar
significativamente o que varan en un solo sentido hasta alcanzar un valor lmite. Corresponden a este grupo el
peso propio de los elementos estructurales y las cargas muertas adicionales tales como las debidas al peso de la
superficie de rodadura y balaustrada.
Cagas Variables que son aquellas para las que se observan variaciones frecuentes y significativas en
trminos relativos a su valor medio. Las cargas variables incluyen los pesos de los vehculos y personas, as
como los correspondientes efectos dinmicos, las fuerzas de frenado y aceleracin.
Las estructuras debern disearse para resistir las siguientes cargas y fuerzas:
-carga muerta o peso propio.
-carga viva.
-impacto o efecto impacto de la carga viva.
-cargas originadas por el viento.
-otras fuerzas, como las siguientes:
Fuerzas longitudinales, fuerzas centrifuga, fuerzas de origen trmico, presin de la tierra, supresin
hidrulica, fuerzas por contraccin, acortamiento por compresin en los arcos, esfuerzos durante el montaje,
presin de las corrientes de agua y esfuerzos ssmicos.
3.1.1.- CARGA MUERTA
La carga muerta consistir en el peso propio de la estructura y se determinar considerando todos los
elementos que sean indispensables para que la estructura funcione como tal, entre ellas las vigas longitudinales
y transversales. Las cargas muertas incluirn el peso de todos los elementos no estructurales, tales como losa
de calzada, veredas, superficies de rodadura, balasto, barandas, tuberas, seales, ductos y cables.
El peso propio y las cargas muertas sern estimados en base a las dimensiones indicadas en planos y en
cada caso considerando los valores medios de los correspondientes pesos especficos. A falta de una
informacin precisa, podrn usarse los pesos especficos de la tabla siguiente.
47
Tabla 5: Tabla de materiales con sus pesos especficos.
Fig. 34: Imagen de vigas longitudinales y diafragmas
3.1.2.- CARGA VIVA
La carga viva es el peso de las cargas en movimiento sobre el puente, son los movimientos dinmicos de
vehculos, automviles y peatones sobre los puentes.
Generalmente especificada mediante camiones y trenes de carga idealizados o cargas distribuidas
equivalentes con eje de cargas concentradas.
La AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATION propone en la actualidad el camin tipo
denominado HL-93K, antes los vehculos de diseo eran de cuatro tipos HS-20 -44, H-20 -44, HS-15 -44 y el H
15 -44. En nuestro pas el camin de diseo que se debe considerar segn especificaciones del MTOP, es el
HS-25, camin con tres ejes de 25 toneladas.
TABLA DE MATERIALES
MATERIAL FLUENCIA kg/cm2 PESO ESPECIFICO kg/cm3
Acero Corrugado 4200 7850
Hormign Losa 300 2400
Hormign vigas 240 2400
Hormign Muros 240 2400
Asfalto 240 2000
48
Fig. 35: Camin de diseo HS25 MTOP, carga uniforme
Fig. 36: Camin de diseo HS25 MTOP, distribucin de las cargas por llanta.
Fig. 37: Camin de diseo HS-20 Y HL-93 de la AASHTO.
49
3.1.3.- CARGA POR IMPACTO
El fenmeno de impacto se relaciona a la interaccin del vehculo con el puente siendo estos los los
esfuerzos instantneos y de vibracin que se producen por la circulacin de cargas mviles a velocidad sobre la
estructura. El efecto dinmico, vibratorio y de impacto que el trnsito vehicular produce sobre los puentes por la
velocidad del movimiento, de vehculos livianos y pesados, por sus sistemas de amortiguacin, pueden causar
vibracin en el puente en las direcciones longitudinal, transversal y vertical, el movimiento de vehculos provoca
vibraciones verticales del puente.
Estas acciones deben tomarse en cuenta porque es importante su anlisis con una determinada
exactitud, puede resultar de gran complejidad, dependiendo del tipo de la estructura, todo esto con la finalidad de
conseguir un margen de seguridad suficiente para el clculo; a ste valor se lo denomina factor de impacto..
Se considerarn incrementos de la carga viva por efectos dinmicos en el diseo de:
-Superestructuras, incluyendo columnas de acero o de concreto, torres de acero, columnas de marcos
rgidos y en general aquellas partes de la estructura que se prolonguen hasta la cimentacin principal.
-La parte de los pilotes de concreto o de acero que sobresalgan del nivel del terreno y que se hallen
rgidamente conectadas a la superestructura ya sea de formando marcos rgidos o como parte de la estructura
mnima, cuando las hay.
No se considerarn incrementos de la carga viva por efectos dinmicos en el diseo de:
- Veredas y puentes peatonales
- Muros de contencin, excepto estribos.
- Cimentaciones y otras estructuras totalmente enterradas como zapatas.
- Estructuras y puentes de madera.
La AASHTO especfica que los efectos dinmicos de las cargas mviles as como la cantidad permisible o
magnitud se expresen como un fragmento o fraccin de las cargas vivas y se determinen por medio de las
siguientes frmulas que bsicamente son las mismas:
i =15.24
L+38.10 30% (formula 3.1) i =
50
L+125 0.30 %(formula 3.2)
Donde
i= factor de impacto.
L= longitud, en metros, de la parte cargada del tramo .para producir el mximo efecto en el elemento.
50
3.1.4.- PRESIONES DEL VIENTO
En el diseo de la superestructura de un puente las cargas de viento se las asume como cargas estticas
uniformemente distribuidas aplicadas sobre el rea expuesta de la estructura. El rea expuesta se toma como la
suma de todas las reas de los miembros estructurales, inclusive el sistema de piso y el antepecho o barandas
visto en elevacin, localizadas a 90 grados con relacin al eje longitudinal de todos los elementos estructurales
de la va. Los valores de las presiones de viento se basan en una velocidad de este igual a 160 km/hora.
3.1.5.- FUERZA DE FRENADO
Cuando un vehculo acelera para emprender su marcha o frena para detenerse se transmiten fuerzas
longitudinales a la superficie de rodadura, gracias a la friccin que existe entre los neumticos y la calzada.
Las estructuras se disearan para resistir una fuerza horizontal de frenado y de aceleracin que actan
horizontalmente en direccin longitudinal y suponiendo que el puente est ocupado en todas sus vas y a todo lo
largo, estando stas aplicadas a 1,8 m sobre el nivel de la losa del tablero y se deber considerar el 5% de la
carga viva.
La fuerza de frenado se debe ubicar en todos los carriles de diseo que se consideren cargados y que
transporten trfico en la misma direccin, por el tren de cargas distribuida con la carga concentrada especificada
para el clculo de momentos y sin tomar en cuenta el factor de impacto tenemos la siguiente frmula:
FR = 0.05 Wcv + Wcv (formula 3.3)
Dnde:
FR= Fuerza de frenado en Tn
p = Carga uniformemente distribuida equivalente en Tn/m/3.05m
L = Longitud entre apoyos
Pm = Carga que corresponde al momento
N = Numero de vas
3.1.6.- CARGAS DE ACERA
Las veredas y los elementos que las soportan como vigas principales, arcos y otros elementos
estructurales debern disearse para una sobrecarga peatonal de 415 kgf/m2 por rea de acera. Adems se
debe tomar en cuenta la carga de baranda que depende del propsito para el cual la baranda es provista, por
ejemplo, para uso vehicular, de bicicletas o de peatones.
3.1.7.- FUERZAS POR VARIACIN DE TEMPERATURA
En teora el cambio de temperatura y los acortamientos elsticos y de retraccin del hormign, producen
variaciones de los elementos de la estructura produciendo esfuerzos de elongacin o contraccin, pero no se
considerarn en nuestro caso porque se construirn juntas de dilatacin en toda la superestructura.
51
3.1.8.- FUERZAS DE LA CORRIENTE DE AGUA Y BASURAS FLOTANTES
En teora la corriente de agua y los materiales de arrastre ejercen sobre las pilas de los puentes, en su
parte sumergida, un efecto dinmico que la norma, la toma en cuenta transformndola en una fuerza esttica
equivalente que depende de la velocidad del agua y de la geometra de la cara de la pila que sufre el impacto.
Las pilas y otras partes de la estructura que estn sujetas a la fuerza de la corriente de agua o de basuras
se disearan para resistir los mximos esfuerzos inducidos por estas cargas. En ste caso no consideramos este
criterio por no tener pilas de apoyo.
3.1.9.- EMPUJE DE TIERRAS
En las estructuras que retienen tierra, se considera el efecto de la presin del suelo de acuerdo al estudio
de geotecnia. Los elementos estructurales debern disearse para resistir el empuje de tierras, de acuerdo a la
teora de Rankine en todo caso, el empuje mnimo a aplicarse ser el correspondiente al de un fluido de peso
especfico no menor a 480 kg/m3, sea el caso cuando exista influencia de la carga de transito sobre el empuje de
tierras, se supondr una carga sustitutiva correspondiente a 60 centmetros adicionales de altura de tierra los
diseos se harn en la suposicin de que los rellenos estn provistos de drenajes apropiados.
El empuje del suelo se deber considerar funcin de los siguientes factores:
- Tipo y densidad del suelo,
- Contenido de agua,
- Caractersticas de fluencia lenta del suelo,
- Grado de compactacin,
- Ubicacin del nivel fretico,
- Interaccin suelo-estructura,
- Cantidad de sobrecarga,
- Efectos ssmicos,
- Pendiente del relleno,
- Inclinacin del muro.
La presin ejercida por un material de relleno se asume triangular lineal, es decir la presin es
proporcional a la profundidad del punto considerable (a mayor profundidad mayor presin)
52
3.1.10.- FUERZAS SSMICAS
Las cargas ssmicas constituyen otro componente de las fuerzas medioambientales que todas las
estructuras deben poder resistir. El objetivo fundamental del diseo ssmico de un puente es el de proporcionarle
la capacidad suficiente para que pueda soportar un sismo severo sin colapsar. Estas fuerzas son generadas por
la vibracin del suelo que acta en cualquier direccin en su centro de gravedad.
La tendencia actual es a considerar sismos de diseo ms realistas, distinguiendo los sismos pequeos y
moderados de los sismos grandes o severos. Los sismos pequeos y moderados pueden ocurrir varias veces
durante la vida de la estructura mientras que la probabilidad de que ocurra un sismo severo es bastante menor.
Estas consideraciones han dado lugar a una nueva filosofa de diseo ssmico.
Las nuevas especificaciones de diseo se han desarrollado en base a los siguientes principios:
a.- Los puentes deben resistir los sismos menores dentro del rango elstico sin ningn dao.
b.- Deben resistir sismos moderados dentro del rango elstico con algn dao reparable.
c.- Deben resistir sismos severos sin llevar al colapso total ni parcial, se aceptan daos reparables. En las
cimentaciones no se aceptan daos.
d.- En el proceso de diseo se deben utilizar intensidades realistas para el sismo de diseo.
Lo anterior implica que durante un sismo moderado la estructura debe comportarse dentro del rango
elstico y durante un sismo severo incursionar en el rango no lineal para lo cual debe tener la resistencia y
ductilidad suficiente para disipar energa.
Las zonas de disipacin de energa y susceptibles a sufrir dao deben ser accesibles para su reparacin.
Se acepta que es antieconmico disear un puente para resistir un sismo severo elsticamente.
La determinacin de las fuerzas ssmicas de acuerdo a la norma AASTHO, utilizando los espectros y la
zonificacin contenidos en esa norma, no es pertinente para otras regiones fuera de los Estado Unidos por
obvias razones. Por razones de simplificacin se considerara que la carga ssmica ser igual al 10% de la carga
muerta ya determinada.
3.2.- DISEO DE LA SUPERESTRUCTURA
La superestructura conformada por: tablero que soporta directamente las cargas; vigas longitudinales (se
denominan vigas longitudinales porque su colocacin est dispuesta siguiendo la direccin del trfico del
puente), riostras, diafragmas, losas barandas, veredas armaduras, cables, bvedas, arcos, quienes transmiten
las cargas del tablero a los apoyos. Sobre la superestructura se da la circulacin de los vehculos y peatones.
53
Fig. 38: Imagen de las vigas longitudinales y el tablero en la parte superior del puente.
Los elementos a tomar en cuenta para el diseo son los que se indican en el grfico:
DIAFRAGMAS DIAFRAGMAS
LOSA
CAPA DE RODADURAVEREDA
BARANDALES
VIGAS
SUPERESTRUCTURA CORTE TRANSVERSAL
ANCHO DE CALZADA
Fig. 39: Imagen de la seccin transversal del puente con sus componentes
3.2.1.- PRE-DIMENSIONAMIENTO
En este punto ya se tiene definido que se trata de un puente con viga seccin en T embebida en la losa,
ambos de hormign armado ya que son los ms adecuados para luces de comprendidas entre 6 a 30m y es la
solucin ms comn en sectores rurales de nuestro medio. Con las siguientes ventajas.
-Son ms rgidos y tienen menos vibraciones.
-Los puentes de concreto, no requieren mayor conservacin
-Utilizan los materiales de la zona y no tienen problemas de transporte de vigas y montaje.
-Y como desventaja stos requieren de obra falsa, la cual debe permanecer en el sitio hasta que el
concreto alcance su fraguado (encofrados).
54
-La losa se arma en el sentido normal al trnsito y se apoya sobre vigas longitudinales, siendo monolticas
con ellas, formando vigas en T.
-Las vigas interiores o exteriores, estn simplemente apoyadas sobre los estribos con placas de neopreno
o aparatos de apoyo.
El diseo es de un puente vehicular de 13m de largo con ancho de calzada de 4m y dos veredas una a
cada lado de1m de ancho incluido el ancho del pasamano de 0.20cm, con tres vigas principales y un diafragma
central y dos diafragmas de cabeceras que estarn apoyados en las cajuelas de los estribos.
Para el diseo de los diferentes elementos se utilizan las normas AASHTO, NEC y el reglamento ACI de
hormign, utilizando la teora del ltimo esfuerzo.
Una vez elegida la ubicacin y tipo de puente, es necesario considerar, para el diseo geomtrico del
puente que brindemos niveles aceptables de visibilidad, comodidad, seguridad y de servicio en general.
Superestructura
Alturas mnima (incluyendo el tablero)
Si se utilizan elementos de alturas variable, estos valores se pueden ajustar para considerar los cambios de rigidez relativa de las secciones de momento positivo y negativo.
Material Tipo
Tramos simples Tramos continuos
Hormign Armado
Losas con armadura principal
paralela al trfico
1, 2 (S + 3000)
30
S +3000 165 mm
30
Vigas T 0,070 L 0,065 L
Vigas cajn 0,060 L 0,055 L
Vigas de estructuras peatonales 0,035 L 0,033 L
Hormign Pretensado
Losas 0,030 L 165 mm 0,027 L 165 mm
Vigas cajn coladas in situ 0,045 L 0,040 L
Vigas doble T prefabricadas 0,045 L 0,040 L
Vigas de estructuras peatonales 0,033 L 0,030 L
Vigas cajn adyacentes 0,030 L 0,025 L
Acero
Profundidad total de una viga doble T compuesta
0,040 L
0,032 L
Profundidad de la porcin de seccin doble T de una viga doble T
compuesta
0,033 L
0,027 L
Cerchas 0,100 L 0,100 L
Tabla 6: Cuadro de recomendaciones de la AASHTO para pre-dimensionamiento
La altura general de la superestructura ser definida teniendo como criterio principal el control de las
deflexiones del tablero. El pre-dimensionamiento es una etapa de diseo en la cual despus de haber definido el
tipo y caractersticas del puente que se desea implementar se procede a dimensionar tentativamente las partes
de los diferentes elementos estructurales de la superestructura e infraestructura del puente, siguiendo reglas y
frmulas propuestas por las AASHTO y tratadistas sobre el tema.
55
El dimensionamiento de un tablero con sus vigas requiere determinar los siguientes aspectos:
-Forma de las vigas (T)
-Separacin entre ellas
-Cuanta de la armadura
Luego se realiza el clculo con las medidas propuestas y se verifica considerando el material y el tipo de
superestructura que el diseo cumple con las especificaciones y expectativas funcionales solicitadas, caso
contrario habra que redimensionar hasta llegar a obtener una solucin definitiva. Despus se procede al dibujo,
digitalizacin del mismo e impresin en los planos. Peralte mnimos para superestructura de seccin constante.
(AASHTO)
3.2.1.1.- Losa
El tablero es el conjunto de elementos estructurales que conforman la superficie de la calzada que sirve
para soportar el trfico de vehculos y peatones, para luego transmitir sus cargas al sistema de vigas y luego a
los cabezales y estribos. El tablero est conformado estructuralmente por la losa y vigas.
ANCHO DE CALZADA
S S
bV bV bV ANCHO VEREDA
ANCHO TOTAL DEL PUENTE
ANCHO VEREDA
CA
PA
DE
RO
DA
RU
RA
hV
hL
BARANDA
hD
Fig. 40: Imagen de la seccin transversal del puente con la nomenclatura
56
Fig. 41: Imagen de la losa del puente con sus veredas.
El espesor mnimo recomendado segn AASHTO para losas continas de seccin constantes con acero
de refuerzo principal perpendicular o paralelo a la direccin de la circulacin vehicular y con finalidad de controlar
su deflexin un espesor mnimo de:
min =1.2( + 3000)
30 1 5mm (formula 3.4)
=1.2(1 50 + 3000)
30= 1 4mm = 20cm (formula 3.4)
hLmin= altura mnima del espesor de la los
s= separacin entre ejes de vigas
Adopto como la h de losa mnima el valor de 20cm.
3.2.1.2.- Vigas
Las vigas constituyen el elemento estructural que soporta la losa de la calzada por donde circulan los
vehculos, veredas y peatones. Las vigas longitudinales soportan la losa y son las que se asientan en los apoyos.
Los elementos que conectan las vigas longitudinales entre si formando un entramado horizontal, se denominan
trabas o diafragmas.
3.2.2.- DISEO DE LA VIGA
La seccin de viga adoptada es de tipo T debido a que presentan un diseo constructivo ms conveniente
que los otros. La losa conforma el ala de la viga, mientras que la parte de la viga que se proyecta por debajo de
la losa configura lo que se conoce como alma. La parte superior de esta viga T se ve sometida a esfuerzos
transversales a causa de la accin de la losa en esa direccin.
57
Y para pre-dimensionar la altura de la viga tipo T luces simples se ha considerado segn AASHTO del
65% al 80% del lago o luz de la viga.
V = 0.0 (formula 3.5)
V = 0.0 13000 = 1040mm(formula 3.5)
V = 1.04m
Ajuste por seguridad es de 5% de Hv
V = 0.05 V + V (formula 3. )
V = 0.05 1.04 + 1.04 = 10 .2cm (formula 3. )
Adopto el valor de 120cm.
hV= altura de viga
Se considera para el ancho de la viga de 25 a 40 cm, no muy ancho porque empieza a des configurarse.
El siguiente aspecto por resolver consiste en determinar el ancho efectivo del ala. Deber proveerse de
una adecuada y efectiva adherencia y resistencia al corte a la unin entre la losa y la viga. La losa podr
considerarse como parte integral de la viga, siempre y cuando el ancho efectivo del ala de la viga-t no exceda las
siguientes limitaciones:
Se ha encontrado que este ancho efectivo depende principalmente de la luz de la viga y del espesor
relativo de la losa. Las recomendaciones dadas por el cdigo ACI 8.10 para el ancho efectivo son las siguientes:
1. Para vigas t simtrica, el ancho efectivo b no debe exceder una cuarta parte de la longitud de la luz
de la viga. El ancho de la losa que sobresale a cada lado del alma de la viga no debe exceder ocho veces el
espesor de la losa ni superar ms de la mitad de la distancia libre hasta la siguiente viga.
2. Para vigas que tienen losa nicamente de un lado, el ancho efectivo de losa que sobresale no debe
exceder un doceavo de la longitud de la luz de la viga, seis veces el espesor de la losa o la mitad de la distancia
libre hasta la siguiente viga.
3. Para vigas t aisladas, en las cuales el ala se utiliza nicamente con el propsito de proporcionar un
rea adicional de compresin, el espesor del ala no debe ser menor que la mitad del ancho del alma y el ancho
total del ala no debe exceder cuatro veces el del alma.
58
Fig. 41: Imagen de la seccin que corresponde a la viga T, embebida en la losa.
b
4 = (formula 3.7) b
13
4= 3.25cm
b S 1. 0 1. 5
b (12t + b) (formula 3. ) (12(20) + 30) = 2.70
1. 5 2.70
El ancho b asumido es de 1.85m s=1.85 b=30 t=20 h=1.20
3.2.2.1.- Carga de carril
El clculo se lo llevara a cabo con el camin de diseo del MTOP para puentes que es de 25T y carga por
llanta de 10T y una carga equivalente uniformemente distribuida de 0.95Tn/m. La carga por carril ocupa un
ancho de tres metros, en la seccin de la calzada y distribuidas de tal forma que produzcan las fuerzas internas
mximas.
3.2.2.2. - Tren de Cargas
Para este anlisis se requiere calcular, diferentes posiciones del tren cargas del vehculo a lo largo del
puente, los trenes de carga se colocaran a lo largo de la viga de 13m en nmero y posicin requeridos para
producir los mximos esfuerzos en el elemento estructural analizado y as determinar el mximo momento de
diseo debido a carga viva (MCV)
59
Figura 42: Imagen del tren de cargas camin de diseo HSMOP
3.2.2.3. - Diseo a flexin y corte.
La viga estar sometida a dos tipos de efectos, las flexiones producidas por los momentos M y las
fuerzas de corte V producidas por el peso propio de la viga, para resistir estas cargas la armadura central
inferior con la armadura superior de los apoyos ser la encargada de absorber estas acciones y los estribos
absorbern las fuerzas cortantes.
El diseo va a ser para la viga interna, la del centro que es la que ms carga soporta, la cantidad de acero
calculado va colocada tambin para la viga externa, los momentos flectores se determinaran por los mtodos
estticos comunes, as como los esfuerzos de corte. En ningn caso una viga exterior deber tener menor
capacidad de carga que una interior.
3.2.2.3.1.- Anlisis de carga muerta
Las cargas muertas son aquellas que se mantienen constantes en magnitud y fijas en posicin durante la
vida de la estructura. Generalmente la mayor parte de la carga muerta es el peso propio de la estructura. sta
puede calcularse con buena aproximacin a partir de la configuracin de diseo, de las dimensiones de la
estructura y de la densidad del material.
Para puentes, las cargas muertas pueden incluir superficies de recubrimiento, andenes y barandas y una
consideracin para ductos y otras cargas suspendidas.
3.2.2.3.2.- Momento ltimo de diseo
El Mu es el momento ltimo a la flexin de vigas de concreto reforzado, que acta en una seccin
transversal de ancho unitario y el Mu, puede utilizarse y da resultados vlidos para el caso de vigas con otras
formas de seccin transversal, para vigas reforzadas de otra manera y para elementos sometidos no slo a
flexin simple sino tambin a la accin simultnea de flexin y fuerza axial (compresin o tensin).
Para el Momento ltimo de diseo (Mu) tanto el momento por carga muerta como por carga viva estn
mayorados con los siguientes factores respectivamente 1.3 y 2.17.
Mu = 1.3MCM + 2.171M(CV+I) (formula 3. )
60
Con el momento ltimo Mu, a partir de las frmulas de hormign se determina el acero a flexin que se
ubicar en la parte inferior de las vigas principales, as: Donde, en una seccin transversal de viga los factores
expuestos son:
Fig. 43: Imagen de cmo actan los esfuerzos en la viga
d: peralte efectivo.
fc: resistencia del concreto fc 300 Kg/cm2
b: ancho de la viga.
a: distancia entre la ltima fibra de compresin y el eje neutro
z: distancia entre la compresin y la tensin.
Para el diseo de flexin vamos a suponer que la viga trabaja como rectangular y luego comprobamos, si
no cumple, calculamos como viga T, y Los aceros se van a calcular con una separacin de 5cm con
recubrimiento de 5cm
3.2.2.4.- Diseo a flexin
En la prctica estructural es de inters calcular aquellos esfuerzos y deformaciones unitarias que ocurren
en la estructura en servicio sometida a las cargas de diseo. Para que una estructura cumpla sus propsitos
debe ser segura contra el colapso y funcional en condiciones de servicio. La funcionalidad requiere que las
deflexiones sean pequeas, que las fisuras, si existen, se mantengan en lmites tolerables, que las vibraciones
se minimicen, etc.
Carga muerta
W = e b (formula 3.10)
Momento por carga muerta
MCV =W 2
4(formula 3.11)
Momento por carga viva
61
MCV =0. P
4(formula 3.12)
Al calcular los momentos flectores en vigas longitudinales o viguetas, la distribucin lateral se determinara
como sigue:
En las vigas interiores se tomara una fraccin de la carga de rueda (f c.), de acuerdo a lo siguiente:
CLASE DE TABLERO PUENTES DE UNA VIA PUENTES DE DOS O MAS VIAS
K S K S
VIGAS-T DE HORMIGON ARMADO 1. 915 S < = 1.80 1,8 S < = 3
Tabla 7: Referencia sobre la fraccin de carga de rueda en un carril.
F. C =S
K(formula 3.13)
S= distancia entre ejes de vas (m)
FC= fraccin de carga de rueda
Cuando s sea mayor que los valores limites tabulados, entonces la carga sobre la viga ser igual a la
reaccin de la, cargas de rueda, suponiendo el tablero simplemente apoyado.
En las vigas exteriores, sean de hormign, acero o madera, se determinar la reaccin de las cargas de
rueda, suponiendo que la losa esta simplemente apoyada sobre las vigas. La carga muerta provendr del peso
propio de la viga ms la rea tributaria proveniente de la losa, acera antepecho y superficies de desgaste,
adems de la carga mvil de transito con impacto, la carga viva de acera, los esfuerzos de trabajo podrn
incrementarse hasta
62
Vu=es la fuerza cortante aplicada
Vs=es la resistencia nominal a cortante del acero
= e araci n
=d
2 (formula 3.1 )
Vn =Vu
0. 5 b d (formula 3.20)
Vu=es la fuerza cortante aplicada
Vn=es la resistencia nominal a cortante del nudo
3.2.2.5.1.- Refuerzo de Distribucin
El acero de refuerzo se calcular obteniendo el momento mximo con la combinacin de cargas entre los
momentos obtenidos de la carga muerta y carga viva correspondientes a la teora de la ltima resistencia (Mu) la
cual plantea el diseo de las secciones de los miembros de las estructuras tomando en cuenta las deformaciones
inelsticas, el mismo criterio anterior.
Se coloca el acero de reparticin para proporcionar distribucin lateral de las cargas vivas concentradas,
dicho refuerzo se ubica transversalmente a la direccin del refuerzo principal en todas las losas con la siguiente
expresin. La armadura de distribucin (Ar) deber colocarse en la parte inferior de la losa y perpendicularmente
a la armadura principal. La cuanta de esta armadura se calcular como un porcentaje de la principal mediante la
frmula indicada a continuacin:
% =121.5
7% (formula 3.21)
Ar = A % (formula 3.22)
Donde h de una viga sea mayor de 90.0cm, debe colocarse refuerzo longitudinal (refuerzo superficial)
uniformemente distribuido en ambas caras laterales del elemento dentro de una distancia h/2 cercana a la cara
de traccin calculado como As mn.
C =A f
0. 5 1 b1 f c (formula 3.23)
3.2.2.6.- Resumen de refuerzos para la viga principal
ACERO EN LAVIGA AL CENTRO 12 25 en la seccin transversal de la viga
ACERO EN LOS APOYOS DE LA VIGA 6 28 en la seccin transversal de la viga
REFUERZO AL CORTE 2 10 mm 57.5cm a lo largo de la viga
Cuadro 8: resumen de refuerzo para la viga principal
63
3.3.- DISEO DEL DIAFRAGMA
Las vigas diafragmas son vigas transversales que se usan como riostras en los extremos de las vigas T,
en apoyos, y en puntos intermedios para mantener la geometra de la seccin y as mismo resistir fuerzas
laterales adems son elementos rectos rigidizadores de las vigas longitudinales que a la vez les transmiten
fuerzas de cortantes verticales, el cual se transmite por apoyo directo de la losa sobre la viga por medio de
varillas de hierro que traspasan la viga longitudinal.
En este caso la ubicacin de los diafragmas obedece a disposiciones anteriores del AASHTO que
sugeran se les coloque en intervalos que no excedan 12.19m. stos diafragmas se colocan en los apoyos y en
sitios intermedios para dar soporte a la losa donde se rompe la continuidad y para evitar el flexin de la viga
longitudinal.
Fig. 44: Imagen del tablero y con vigas longitudinales y diafragmas transversales
Por ello se ha optado por ello colocar diafragmas en los extremos de la superestructura y en el centro.
Segn el artculo 8.12.2 de la AASHTO, estos elementos se colocan uno en cada extremo del puente, a
distancia ms o menos de 50 cm del borde del tablero y en puntos intermedios donde se rompa la continuidad de
la losa y sea necesario apoyar los bordes de esta sobre el diafragma y as evitar el flexin de la viga longitudinal.
Deber colocarse un diafragma transversal en el centro de la luz cuando esta sobrepase los doce metros.
Para el pre-dimensionamiento de la seccin se utilizar la siguiente frmula:
h = (0.5 0.8) * h viga
b = 15 - 20 adopto 20cm
h = (0.7) * 120cm=84 considero de 0.80m y de ancho
64
DIAFRAGMAS O TRABES
VIGAS LONGITUDINALES
SUPERESTRUCTURA CORTE LONGITUDINAL
BARANDALES
Fig. 45: Imagen de la seccin longitudinal de un pue
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