PUENTES

METODOLOGIA DE DISEO DE PUENTES

DEL DISEO EN SERVICIO AL DISEO EN ESTADO LIMITE

JACK LOPEZ ACUA

SEMINARIO ACI PERU

8 MARZO 2014

En la actualidad, en varios pases de Latinoamrica para el diseo de puentes de carreteras se est utilizando dos especificaciones de la AASHTO: Standard Specifications for Highway Bridges Design, Edition 17, 2002 AASHTO LRFD Bridge Design Specification , 4 Edicin, 2007, + interins 2008-09 En las Especificaciones Estndar se contempla de manera explcita la aplicacin de dos mtodos de diseo: Diseo para cargas de servicio, ASD ( Allowable Stress Design) Diseo para cargas ltimas, LFD ( Load Factor Design) Las nuevas especificaciones LRFD ( Load and Resistanse Factor Design) de la AASHTO constituye un avance hacia la aplicacin de la filosofa de diseo para estados lmite, pero consideramos que an esta en etapa de desarrollo y esperamos que en la prximas ediciones tendremos unas especificaciones mas racionales y consistentes que las actuales. En Europa y en algunos pases de Amrica ya se utiliza el diseo para estados lmite desde hace varios aos.

Diseo para Esfuerzos Admisibles , ASD ( cargas de servicio )

La aplicacin de este mtodo de diseo supone que para las cargas de servicio la estructura se comporta dentro del rango elstico. En el diseo por ASD se debe cumplir la siguiente expresin:

Q(i) f (adm) (1.0) Donde: Q(i) = Esfuerzo por efecto de la carga i f (adm) = Esfuerzo Admisible del Material

Esfuerzo Caracterstico del Material / FS (1.1) FS = Factor de Seguridad

p.e. Q (D) + Q(L) Fy / 1.82 ( 0.55 Fy )

El Esfuerzo Caracterstico del material puede ser: En el caso de elementos de acero: el esfuerzo de fluencia , Fy el caso de elementos de concreto: f c El factor de seguridad FS esta indicado en las especificaciones de diseo. En la tabla 1.1 se muestra las combinaciones de carga, los FS y esfuerzos admisibles segn las especificaciones AASHTO, 2002.

Diseo para Cargas Factoradas , LFD En el diseo por el mtodo LFD se debe cumplir: Rn > i Q(i) (1.2)

Donde:

Rn = Resistencia nominal i = factor de carga , generalmente > 1.0 = factor de resistencia , generalmente < 1.0 Q(i) = Fuerza interna en el elemento por efecto de la carga i Los factores de carga y resistencia para el mtodo LFD de las especificaciones AASHTO se muestran en las tablas 2.1 y 2.2. Por ejemplo, para la combinacin denominada Grupo I, se tiene: .Rn > 1.3 Q(D) + 2.17 Q(L) (1.2.a ) Donde: Q(D) = esfuerzo por carga permanente Q(L) = esfuerzo por carga viva

Para LFD, los factores de resistencia son: = 0.7 para flexo-compresin = 0.9 para flexin = 0.85 para cortante En general, La expresin 1.2 implica que para el evento de diseo (combinacin de cargas), la resistencia debe ser mayor que la suma de las acciones internas mximas factoradas

Para el evento de diseo con cargas factoradas, generalmente la estructura ya se encuentra mas all del rango elstico, en consecuencia, para aplicar correctamente LFD, el clculo de esfuerzos internos debe ser realizado considerando el comportamiento inelstico de la estructura; sin embargo, para facilitar el proceso de diseo, AASHTO simplifica el procedimiento y permite aplicar el mtodo LFD utilizando el clculo elstico de esfuerzos y deformaciones, lo que naturalmente constituye una inconsistencia, pero que para el caso de estructuras convencionales se considera aceptable.

Tabla 1.2 COMBINACIONES DE CARGA EN SERVICIO - COEFICIENTES g y b AASHTO STANDARD SPECIFICATIONS 2002

Col.No 1 2 3 3A 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

FACTORES GRUPO

D (L+I)n (L+I)p CF E B SF W WL LF R+S+F EQ ICE %

I 1.0 1 1 0 1 E 1 1 0 0 0 0 0 0 100

IA 1.0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 150

IB 1.0 1 0 1 1 E 1 1 0 0 0 0 0 0 **

II 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 125

III 1.0 1 1 0 1 E 1 1 0.3 1 1 0 0 0 125

IV 1.0 1 1 0 1 E 1 1 0 0 0 1 0 0 125

V 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 140

VI 1.0 1 1 0 1 E 1 1 0.3 1 1 1 0 0 140

VII 1.0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 133

VIII 1.0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 140

IX 1.0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 150

CA

RG

AS

DE

SE

RV

ICIO

X 1.0 1 1 0 0 E 0 0 0 0 0 0 0 0 100

Tabla 1.2 COMBINACIONES DE CARGAS FACTORADAS - COEFICIENTES g y b AASHTO STANDARD SPECIFICATIONS 2002

Col.No 1 2 3 3A 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

FACTORES GRUPO

D (L+I)n (L+I)p CF E B SF W WL LF R+S+F EQ ICE %

I 1.3 D 1.67 0 1 E 1 1 0 0 0 0 0 0

IA 1.3 D 2.20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

IB 1.3 D 0 1 1 E 1 1 0 0 0 0 0 0

II 1.3 D 0 0 0 E 1 1 1 0 0 0 0 0

III 1.3 D 1 0 1 E 1 1 0.3 1 1 0 0 0

IV 1.3 D 1 0 1 E 1 1 0 0 0 1 0 0

V 1.25 D 0 0 0 E 1 1 1 0 0 1 0 0

VI 1.25 D 1 0 1 E 1 1 0.3 1 1 1 0 0

VII 1.3 D 0 0 0 E 1 1 0 0 0 0 1 0

VIII 1.3 D 1 0 1 E 1 1 0 0 0 0 0 1

IX 1.2 D 0 0 0 E 1 1 1 0 0 0 0 1 DIS

E

O P

OR

FA

CTO

RE

S D

E C

ARG

A

X 1.3 1 1.67 0 0 E 0 0 0 0 0 0 0 0

NO

AP

LIC

AB

LE

Diseo para Cargas y Resistencias Factoradas LRFD ( LRFD = Load and Resistence Factor Design )

ESTADOS LMITE)

La expresin bsica en el diseo por el mtodo LRFD es: Resistencia > Demanda Rn > i Qi (1.3) Donde: = factor de modificacin de carga, toma en cuenta: ductilidad, redundancia, importancia operacional i = factor de carga, generalmente > 1.0 = factor de resistencia, < 1.0 Q(i) = Esfuerzo por efecto de la carga i Si se compara las expresiones 1.2 y 1.3 se podra suponer que LRFD es una simple extensin de LFD, pero en realidad es mucho ms. Cuando se disea con LFD, se considera los eventos para las combinaciones de cargas factoradas en condiciones ltimas, es decir, condiciones de resistencia, y se establece algunas verificaciones para condiciones en servicio ( control de deflexiones, agrietamiento y fatiga) El diseo con LFRD es mucho ms amplio, considera varios escenarios de resistencia, servicio, eventos extremos y fatiga, es una aplicacin de la filosofa de diseo para estados lmite.

Momentos por Carga Viva (t-m/via) Estados Lmite

Los estados lmite definen los eventos o circunstancias que pueden causar que la estructura sea inservible o que mas all de los cuales no satisface los requerimientos de resistencia o estabilidad.. En las especificaciones LRFD de la AASHTO se define cuatro grupos de estados lmite para el diseo de los elementos de un puente. Estados lmite de resistencia Estados lmite de evento extremo Estados lmite de servicio Estados lmite de fatiga y fractura En la Tabla 2.1 se indica la nomenclatura con la que se designa a cada una de las acciones a considerar en el diseo de un puente. En la Tabla 2.2 de indica las diferentes combinaciones de carga a considerar tanto para los estados lmite de servicio como de resistencia.

Estado Lmite de Resistencia 1. En las especificaciones LRFD de la AASHTO se establece 5 estados

lmite de resistencia que tienen por objetivo proporcionar a la estructura la resistencia suficiente para satisfacer la inigualdad

1. R . i Qi 2. Las diferentes combinaciones de carga y sus correspondientes factores

se indica en la Tabla 2.2 y 2.2 . Los factores de resistencia en la Tabla 2.3.

3. Resistencia I: Constituye el estado lmite bsico de diseo cuando se considera la carga viva de diseo. Para este estado, el factor de carga viva es 1.75. En este estado no se considera el efecto del viento.

4. Resistencia II: Este estado es similar al anterior, pero se aplica cuando se tiene un vehculo permitido de mayor carga al del vehculo de diseo. En este caso, el factor de carga para la carga viva considerada es 1.35 en lugar de 1.75. En este estado lmite tampoco se considera el efecto del viento.

5. Resistencia III : Para este estado lmite no se considera la carga viva pero si el efecto de viento con mxima velocidad.

Estado Lmite de Servicio

1. Los estados lmite de servicio se refieren a las restricciones sobre esfuerzos, deflexiones y ancho de grietas en situaciones regulares de operacin del puente.

2. Servicio I : Se refiere al estado lmite para la combinacin de cargas en situacin de uso normal, se considera el comportamiento del puente bajo las cargas con sus valores nominales. Este estado lmite se utiliza para el control de deflexiones y del ancho de las grietas en estructuras de concreto armado. Para este estado lmite, no se considera los eventos extremos.

3. Servicio II : Se utiliza solamente para estructuras de acero y tiene la finalidad de controlar la fluencia y slip en las conexiones por efecto de la carga viva vehicular. Para este estado las especificaciones LRFD AASHTO indica un factor para la carga viva de 1.30 en lugar de 1.00.

4. Servicio III : Se utiliza solamente para las estructuras de concreto preesforzado con el objetivo del control de grietas. Para este estado se indica un factor para la carga viva de 0.80 en lugar de 1.00, que es una forma de corregir el hecho de que la carga HL93 en condiciones de servicio es mayor que lo que debe ser.

Estado Lmite Fatiga y Fractura

1. Se refiere a las restricciones sobre el rango de esfuerzos por efecto del camin de diseo. Notar que en este caso, las especificaciones indican un factor de 0.75 para los efectos de la carga del camin.

ESTADOS LMITE Y FACTORES DE CARGA Factores de Carga LRFD

Combinacin de Cargas

Estado Lmite

DC DD DW EH EV ES

LL IM CE BR PL LS

WA

WS

WL

FR

TU CR SH

TG

SE

EQ

IC

CT

CV

RESISTENCIA I p 1.75 1.00 1.00 0.50/1.20 TG SE RESISTENCIA II p 1.35 1.00 1.00 0.50/1.20 TG SE RESISTENCIA III p 1.00 1.4

0 1.00 0.50/1.20 TG SE

RESISTENCIA IV Solamente

EH, EV, ES, DW,DC

p

1.5

1.00

1.00

0.50/1.20

RESISTENCIA V P 1.35 1.00 0.40

0.40

1.00 0.50/1.20 TG SE

EVENTO EXTREMO I p EQ 1.00 1.00 1.00 EVENTO EXTREMO II p 0.50 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

SERVICIO I 1.00

1.00 1.00 0.30

0.30

1.00 1.00/1.20 TG SE

SERVICIO II 1.00

1.30 1.00 1.00 1.00/1.20

SERVICIO III 1.00

0.80 1.00 1.00 1.00/1.20 TG SE

FATIGA Solamente LL,IM y CE

0.75

FACTORES DE CARGA PARA CARGAS PERMANENTES, p

FACTOR DE CARGA TIPO DE CARGA Mximo Mnimo

DC : Componentes y Auxiliares 1.25 0.90 DD : Fuerza de arrastre hacia abajo 1.80 0.45 DW : Superficies de Rodadura y Accesorios

1.50 0.65

EH : Presin horizontal de tierra * Activa * En reposo.

1.50 1.35

0.90 0.90

EV : Presin vertical de tierra * Estabilidad global * Estructuras de Retencin * Estructuras Rgidas Empotradas * Prticos Rgidos * Estructuras Flexibles empotra -

dos excepto alcantarillas metli - cas * Alcantarillas Metlicas

1.35 1.35 1.30 1.35 1.95

1.50

N/A 1.00 0.90 0.90 0.90

0.90 ES : Carga superficial en el terreno 1.50 0.75

Cargas de Diseo Vehicular Sistema de Cargas HS20

( HS 25 = 1.25 HS 20 )

Sistema de Cargas HL93

Camiones Norma Colombiana de Puentes

Camin Norma Ecuatoriana

HS-MOP

Propuesta Norma Peruana

P-42

Camin: P-48 a) Camin P-48

b) Carga Distribuida Carga Viva: P-48

MODELO DE CARGA DEL EUROCODIGO

PUENTESMETODOLOGIA DE DISEO DE PUENTESDEL DISEO EN SERVICIO AL DISEO EN ESTADO LIMITEJACK LOPEZ ACUASEMINARIO ACI PERU8 MARZO 2014Nmero de diapositiva 2Diseo para Esfuerzos Admisibles , ASD ( cargas de servicio )Diseo para Cargas Factoradas , LFD Nmero de diapositiva 5Tabla 1.2 COMBINACIONES DE CARGA EN SERVICIO - COEFICIENTES g y bAASHTO STANDARD SPECIFICATIONS 2002Tabla 1.2 COMBINACIONES DE CARGAS FACTORADAS - COEFICIENTES g y b AASHTO STANDARD SPECIFICATIONS 2002 Diseo para Cargas y Resistencias Factoradas LRFD ( LRFD = Load and Resistence Factor Design ) ESTADOS LMITE)Momentos por Carga Viva (t-m/via)Estados LmiteEstado Lmite de Resistencia Estado Lmite de ServicioEstado Lmite Fatiga y FracturaESTADOS LMITE Y FACTORES DE CARGA Factores de Carga LRFDFACTORES DE CARGA PARA CARGAS PERMANENTES, pCargas de Diseo VehicularSistema de Cargas HL93Camiones NormaColombiana de PuentesCaminNorma EcuatorianaHS-MOPPropuestaNorma PeruanaP-42Camin: P-48 MODELO DE CARGA DEL EUROCODIGONmero de diapositiva 22