Puentes De Acero Estructural 8264d

PUENTES DE ACERO ESTRUCTURAL

Presenta: Ing. Yuri Ivan Zaldivar

EL ACERO ESTRUCTURAL EN PUENTES 

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El acero estructural es un material de construcción bastante competitivo para puentes de claro mediano y largo, por las razones siguientes: - Alta resistencia a la tensión y compresión - Material elástico casi perfecto bajo cargas normales de servicio - Resistencias de reserva adicionales al límite de fluencia -Control de sus propiedades dentro de tolerancias de producción - Métodos de conexión apropiados y seguros (soldadurapernos) - Peso relativamente menor que el concreto reforzado - Con ciertos tratamientos aumenta la resistencia la corrosión - Disponibles en la mayoría de calidades y dimensiones normadas

FUNDAMENTO ARQUITECTÓNICO Y ESTRUCTURAL 

En la proyección y diseño de puentes los criterios arquitectónicos y estructurales se consideran de manera conjunta, ya que de ellos se derivan sus dos componentes principales: la subestructura y superestructura, permitiéndoles de acuerdo a sus características comportamientos congruentes al sistema integral.

SUBESTRUCTURA - SUPERESTRUCTURA

SUBESTRUCTURA es la parte del sistema estructural diseñada para soportar las cargas y transmitirlas a los estratos del suelo resistentes.  SUPERESTRUCTURA es la parte longitudinal de tramos simples y múltiples, segmentados ó continuos, limitada por la resistencia de las vigas principales y/o cables. 

FUNDAMENTO ARQUITECTÓNICO  De

acuerdo al fundamento arquitectónico utilizado, los puentes de acero pueden ser:

colgantes, de armadura y puentes de viga.

FUNDAMENTO ESTRUCTURAL 

El fundamento del sistema estructural de los puentes en acero, está determinado básicamente por la superestructura, ya que, como componente principal de ella dependen el tipo y las condiciones de apoyo.

SISTEMAS ESTRUCTURALES  Los

sistemas estructurales para puentes de acero están gobernados por la superestructura, de acuerdo a la siguiente tipificación:

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PUENTES COLGANTES

Con cables suspendidos Con cables atirantados



PUENTES DE ARMADURA

Armaduras rectas Armaduras arqueadas Armadura de paso inferior Armadura de paso superior Armadura de paso intermedio



PUENTES DE VIGAS

Laminadas (rectas y curvas) Armadas (rectas y curvas) Tipo cajón (rectas y curvas)

ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES SEGÚN LA AASHTO. PARA SISTEMAS ESTRUCTURALES EN PUENTES DE ACERO.

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Independiente al sistema estructural, una de las tantas decisiones que tiene que tomar el diseñador está la selección del grado del acero y su sistema de protección contra la corrosión, las cuales se enfocan a satisfacer necesidades estructurales y económicas.

ESPECIFICACIONES AASHTO 

La AASHTO, reconoce aceros estructurales designados para puentes como M270 con grados específicos, con ciertas equivalencias de la ASTM A709. Bajo estas especificaciones, los grados 36, 50, 70 y 100, son aceros con resistencia mínima de fluencia equivalente al grado respectivo en klb/pulg2.

De acuerdo a estas designaciones se derivan 2 grupos de aceros expuestos: aceros sin y con autoprotección ambiental; identificándose los últimos por la letra W. Los aceros sin autoprotección requieren tratamientos adicionales contra la corrosión dependiendo del ambiente a que estén expuestos; mientras que los autoprotegidos resisten a la corrosión en proporción al grado o fluencia.

ACEROS ESTRUCTURALES PARA PUENTES DE CARRETERA. Tipo

Acero estruct.

Designación AASHTO

Acero de Baja aleación y Alta resis.

M270

M270

grado 36 grado 50

Designación ASTM

A709

grado 50W

A709

grado 36 grado 50

grado 50W

Acero de Baja aleación, Templado y Revenido

M270

Acero de aleación de alta resist. a la cedencia, templado y revenido

M270

grado 70

grado100/100W

A709

A709

grado 70W

grado 100/100W

Espesores máximos en vigas roladas laminadas 2 ½”, y en placas hasta 4”. Resist. Mín. a tensión Fu Punto mín. de fluen. Fy

58

36

* AASHTO STANDARD.

65

50

70

90

100

50

70

100

ESPESORES DEL ACERO EN PUENTES 

Debido a que el acero estructural en puentes de carretera está expuesto totalmente a la intemperie, la AASHTO impone requerimientos de espesor mínimos que permita una vida útil aceptable en contra de la corrosión. En condiciones ambientales normales, el espesor será como mínimo 5/16” para los componentes principales, y deberán incrementarse o tratarse para condiciones atmosféricas o ambientales severas, como en zonas de frecuentes lluvias y alta humedad, áreas industriales que generen emisiones químicas, y ambientes costeros marítimos.

ESPECIFICACIONES PARA CONEXIONES 

Las especificaciones de la AASHTO para conexiones empernadas, requiere pernos con diámetros mínimos de 3/4” y 7/8”, bajo norma ASTM A325 y ASTM A490; equivalentes a las AASHTO M164 y M253 respectivamente.

PERNOS DESCRIPCIÓN  Pernos bajos en carbono, baja aleación de alta resistencia incluyendo tuercas y arandelas.  __________________________________________  A490-M253 Pernos de alta resistencia templado y endurecido __________________________________________ 

DESIGNACIÓN A325-M164

Las conexiones remachadas deberán cumplir con la norma para acero estructural ASTM

.

A502

Para conexiones empernadas y remachadas la separación mínima de los pernos y remaches en dirección de la línea de fuerza y de los bordes será como mínimo el 1.5 veces su diámetro; en el otro sentido 3 veces el diámetro. Asimismo el agujero tendrá una sobre dimensión de 1/16” más que el diámetro del perno.

Las conexiones soldadas deberán cumplir con las especificaciones de la Sociedad Americana de Soldadura, descritas en su código de acero estructural AWS. D1.1. El metal de aportación y fundentes serán electrodos recubiertos bajos en carbono de alta resistencia para soldadura con arco eléctrico bajo las normas AWS A5.1 y AWS A5.5.

La soldaduras de filete de penetración completa tendrán espesores mínimos de garganta equivalentes al metal base de menor espesor. La garganta es la distancia mas corta a partir de la raíz hasta la cara de la soldadura.

PUENTES DE CABLE SUSPENDIDO 

Es el sistema estructural con el que se logra mayores claros, siendo actualmente el puente Akashi Kaikyo en Japón el mas largo del mundo, con 1990 mts. 6066 pies en su claro principal.El sistema estructural básico de la superestructura consiste en tres componentes: cables principales, las péndolas, y las vigas de rigidización.

Los cables principales son anclados normalmente a dos torres, de las que se suspende el claro principal, y en algunos casos los cables se extienden a claros cortos en los extremos, quedando anclados directamente al suelo ayudando al equilibrio y estabilidad pero restringiendo el alineamiento curvo.

Estos cables principales están formados por trenzas de alambre flexibles tensionados, teniendo un módulo de elasticidad bajo por lo que para fines de análisis se suponen sin rigidez a la flexión y sólo están sujetos a tensión axial, aproximando la forma de una catenaria bajo su propio peso; pero bajo cargas normales de servicio sobrepuestas se deforma, ocasionando que se ajuste a configurar una parábola.

Los diámetros de los cables principales oscilan entre 30” y 44”, fabricados con alambres de ¼” y ½”. Si se necesitan secciones mayores, se usan cables gemelos en paralelo

Las péndolas o suspendedores, pueden ser barras, cadenas o cables individuales o pares colgados del cable principal, espaciados de manera uniforme y son verticales. Las péndolas se sujetan abrazando el cable principal y se fijan con pernos de alta resistencia dispuestos a esfuerzos de tensión pura continua para soportar las armaduras o vigas de rigidez.

Las vigas de rigidización son por lo general armaduras que soportan todo el entramado estructural del tablero de los carriles de trafico. Estas vigas también tienen como propósito distribuir las cargas concentradas, reducir deflexiones locales, actuar como sistemas de resistencia lateral, y asegurar la estabilidad aerodinámica del sistema.

Durante el análisis, los tres elementos: cable, péndolas, y vigas de rigidización se consideran como un solo sistema para resistir acciones impuestas; sin embargo la acción que se considera crítica en este tipo de sistema el la fuerza del viento, la cual produce oscilaciones que pueden llegar a ser peligrosas si se forman amplitudes excesivas; ya que esto a su ves forma impulsos de excitación que se aproximen a la frecuencia natural de la estructura generando flexión y torsión o una combinación de ambas. De acuerdo a estos posibles efectos, es necesario hacer uso métodos matemáticos de la frecuencia natural para evaluar el comportamiento aerodinámico de la estructura.

PUENTES DE CABLES ATIRANTADOS 

El sistema atirantado, también conocido como trabe atirantada es utilizada para claros medios y largos; que por sus cualidades de rigidez, estética, facilidad de montaje y economía ha ganado mas aceptación a nivel ingenieril. El principio de este sistema de tirantes es proporcionar apoyo intermedio al claro y transmitir las fuerzas a los pilones o torres.

La longitud mayor lograda actualmente es el puente Tatara en Japón, salvando un claro de 890 mts. 2920 pies. 

La acción del sistema atirantado es diferente a la de un sistema suspendido. En contraste con la flexibilidad de los cables de este último, los cables tensos e inclinados del sistema de tirantes suministran puntos de apoyo poco estables pero mas rígidos lo cual reduce deflexiones. Como resultado la viga atirantada de la superestructuta es de menor peralte, pudiendo ser analizada con las teorías de deflexión las que son relativamente de menor importancia. El análisis estático es mas sencillo y el análisis dinámico indeterminado se

Básicamente el sistema estructural en su conjunto lo forman los cables, la trabe (armadura), y al torre formada por dos partes: el pilar por debajo de la superficie del tráfico, y el pilón por encima.

De acuerdo a la disposición de los cables se clasifican en cuatro configuraciones: radial, arpa, abanico, y estrella. 

El sistema radial, todos los cables convergen en la parte superior de la torre (pilón).

La disposición de arpa, los cables van paralelos y distribuidos en la altura de la torre.

Estas configuraciones promueven el uso de cables tirantes sencillos o múltiples, obedeciendo por supuesto arreglos geométricos. 

La configuración de  El sistema de estrella abanico, es un híbrido por apariencia del radial y arpa. estética.

PUENTES DE ARMADURAS 

Las armaduras de puentes son superestructuras que actúan como vigas, en donde todos sus componentes o están organizados en forma triangular y sometidos a esfuerzos axiales. De manera ideal el extremo de cada miembro constituye un nudo articulado.

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Los componentes superiores e inferiores de estas superestructuras se denominan cuerdas, y pueden ser rectas o arqueadas; los elementos entre las cuerdas son de red o del alma sometidos a esfuerzos de tensión y compresión (sin flexión ni cortante).

Las armaduras de puentes integran además las vigas de piso, los largueros y el tablero.

El tablero es el elemento que provee apoyo directo a las cargas de tráfico; los largueros son vigas longitudinales colocadas en la dirección del tráfico soportando al tablero; las vigas de piso se colocan transversalmente perpendicular al trafico y se diseñan para transmitir las cargas a las armaduras.

Las armaduras también se clasifican de acuerdo a la localización del tablero: paso superior, paso inferior e intermedio. 

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Para cualquier sistema la AASHTO toma provisiones especiales para resistir cargas laterales. Su uso como superestructuras en puentes de carretera es para claros libres de 800 pies 244 mts.; sin embargo se han construido hasta luces de 1800 pies – 550 mts. Al igual que cualquier sistema estructural, el dimensionamiento y configuración de las armaduras lo determinan el ancho de la calzada, el claro y el tipo de paso.

PASO SUPERIOR, INFERIOR, INTERMADIO

El diseño de armaduras se sustenta en análisis convencionales basados en nudos sin fricción, sin embargo el calculo de las deflexiones y rigidez del sistema integral necesitan análisis más rigurosos; para lo cual se dispone de métodos como los de energía de deformación, trabajos virtuales y análisis estructural matricial disponibles en software computacionales.

PUENTES DE VIGAS 

Después de la revolución industrial, los puente de vigas rectas y curvas han sido el tipo mas económico para luces cortas (120 pies – 36.5 mts.), sin embargo con la utilización de aceros de alta resistencia, mejorías las técnicas de conexiones, y el uso de sistemas compuestos en la superestructura se han logrado diseñar puentes de carretera también para luces medianas (600 pies – 183 mts.).

VIGAS TIPO CAJON Las vigas tipo cajón tienen características favorables para se utilizadas en luces de 200 a 500 pies (61 a 152 mts.) ya sea rectas, curvas y geometrías combinadas.

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La superestructura puede tener la característica de cajón único, cajones gemelos, y cajones múltiples.

Por su sección transversal cuadrada o trapezoidal poseen una alta rigidez 

Una de las mayores ventajas de las vigas tipo cajón es la rigidez torsional, lo que hace al sistema preferible para puentes curvos; asimismo esta ventaja de resistir torsión permite ser adaptable con superficies de rodamiento relativamente delgadas sobre placa ortotrópica, y construcción compuesta; (losas de 4” y 7” de espesor repectivamente).

Componentes de superestructura con viga tipo cajón: Viga cajón trapezoidal - Vigas de piso Costillas - Placa ortotrópica Superficie de rodamiento (4” concreto hidráulico o asfaltico)

Los procedimientos de análisis y diseño para estos sistemas se basan en métodos aproximados simplificados de trabes rectas y curvas.

VIGAS ARMADAS Los sistemas de vigas armadas son fabricadas de placas de acero laminadas en una amplia disponibilidad de espesores y calidades.

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Estas vigas armadas de alma llena esbelta resultan ser económicas para luces simples y continuas que excedan los 85 pies hasta 350 pies (26 – 106 mts.).

La decisión en el uso de estas vigas lo establecen las limitantes impuestas a la altura del puente y los costos locales de fabricación.

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El número, peralte y espaciamiento de las vigas armadas está en función del claro que salvan, del número de carriles de tráfico, y del sistema de cubierta (sistema compuestosistema no compuesto).

Las vigas armadas son totalmente efectivas para puentes de carretera curvos y rectos hasta claros no mayores de 175 pies – 53 mts.

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DISPOSICIÓN DE VIGAS – CLARO 175 PIES- 53 MTS.

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#. Carriles

# De vigas

Espac. Pies Peralt./luz Sistema

2

4

6.5

1/30

comp.



3 o mas

5-6

7- 8

1/30

comp.



Para sistemas no compuestos la relación peralte/luz es 1/25.

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REQUERIMIENTOS ESTRUCTURALES

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ALMA. Estas pueden ser rigidizadas para resistir cortante y pandeo, por lo que los espesores mínimos del alma son de 5/16”. A fin de proveerle rigidez lateral adecuada, el diseñador tiene la opción de especificar alma con rigidizadores ó un alma de mayor espesor sin ellos.



ACARTELAMIENTOS. En luces continuas, los momentos producidos sobre los apoyos intermedios son mayores que los producidos en el centro del claro; por consiguiente en teoría es ventajoso que las vigas continuas sean mas peraltadas en estos apoyos que en el centro de las luces, lo cual se logra por cartelas (aumento de peralte en vigas),

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ARRIOSTRAMIENTO. Es necesario colocar entramados transversales entre las vigas a intervalos adecuados no mayores de 20 pies, partiendo de los apoyos. Estos entramados consisten en elementos angulares tipo K invertida y en X.

CONTRAFLECHA. Las vigas esbeltas armadas deben tener contraflecha para compensar deflexiones que excedan la relación de 1/800 por las cargas impuestas  APOYOS. Para este sistema es practico el uso de almohadillas laminadas elastoméricas o neoprenos con durezas especificadas para reacciones permitidas. 

VIGAS LAMINADAS 

Los perfiles laminados de ala ancha WF con peralte máximo disponible de 44”, son actualmente el tipo de superestructura mas económico para puentes de acero con luces cortas hasta de 120 pies-36.5 mts. Las vigas se utilizan como largueros en el sentido del tráfico en claros simples o continuos, con geometría curva, recta, y combinada. La losa de piso puede ser compuesta o no compuesta colocada sobre la aleta superior de las vigas permitiendo soporte lateral contra el pandeo y en algunos casos es necesario arriostramiento al igual que las vigas armadas.

ASPECTOS A CONSIDERAR Longitud del claro - Número de carriles Espacio entre largueros (VIGAS) -Espesor de losa Sistema: Compuesto – No compuesto 

 

LONGITUD DEL CLARO Determina el tipo de viga WF bajo requisitos de deflexión. La AASHTO permite peraltes mínimos de 30”. NUMERO DE CARRILES Condiciona el espaciamiento de los largueros. Para puentes cortos de hasta 120 pies- 36.5 mts. el rango de separación de las vigas es de 5 a 8 pies de centro a centro. Normalmente un puente de dos carriles es salvado con 4 vigas; para 3 carriles o mas se requieren 5 o 6 vigas.

ESPESOR DE LA LOSA Los espesores de la losa de piso, también se analizan considerando el sistema constructivo

ESPACIAMIENTO DE LARGUEROS  En puentes de carretera, la separación entre las vigas casi siempre están entre 5 a 8 pies. Esta separación determina el espesor mínimo del tablero de la losa; el cual es de 6 a 8 pulgadas mas una capa de rodadura de 1 ¼”, ya sea de hormigón con latex modificado o asfalto. 

SISTEMA NO COMPUESTOS La construcción de tableros con losa no compuesta consiste en que las vigas actúan en forma individual sin considerar la placa de hormigón; es decir, no hay o estructural entre el concreto de la losa y las vigas de acero. Por lo tanto el sistema es permitido dependiendo de las cargas para luces simples o continuas de hasta 40 pies – 12 mts

SISTEMA COMPUESTOS La superestructura de puentes de carretera de construcción compuesta con largueros o vigas roladas de acero, ha demostrado ser un sistema eficiente y económico para claros de hasta 120 pies-36.5 mts

LOSA

COMPUESTA



La filosofía del sistema consiste en integrar el concreto de la losa y las vigas de acero, esta integración o adherencia hace que el sistema se comporte de manera conjunta a resistir esfuerzos inducidos por las acciones o cargas impuestas. Esta unión entre concreto y acero se logra por medio de dispositivos llamados pernos conectores de cortante los cuales van soldados en la aleta superior de la viga quedando embebidos en el concreto.

COMPORTAMIENTO DE LA ACCIÓN COMPUESTA



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- Soportar conjuntamente la flexión inducida por esfuerzos de tensión y compresión por carga gravitacional. - El cortante horizontal producido por fuerzas de viento o sismo en la losa del tablero es transmitido por los conectores de cortante a las vigas de acero

USO DE PERNOS CONECTORES DE CORTANTE. Algunos aspectos de cumplimiento obligado en el uso de conectores de cortante en sistemas compuestos para puentes de carretera son entre otros los siguientes:

 

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- Distribución uniforme sobre aleta superior en línea individual o pares. - Espacio mínimo entre los pernos será 6 veces su diámetro en puntos de momento máximo y la separación mayor en otros puntos no excederá 3 veces el espesor de la losa. - El diámetro mínimo será de ¾”, y su longitud 2” menor que el espesor de la losa.

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PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 

Un puente de vigas en construcción compuesta se considera como un conjunto de vigas T, en donde cada larguero de acero comprende una porción de losa de hormigón igual a su área tributaria de carga, la cual es transformada a una sección equivalente de acero; se calculan las propiedades de la sección transformada, luego se comprueban los esfuerzos de flexión en los patines o aletas de la viga (superior e inferior) y de la sección transformada de hormigón; se investiga y se analiza el cortante en el alma y se proveen los conectores de cortante necesarios para vincular la losa a la sección de acero. Finalmente se ajustan detalles y los márgenes de seguridad correspondientes.

FIN