Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería
Depto. de Ingeniería en Obras Civiles
TALLER DE ESTRUCTURAS
SECCIÓN DE PUENTES
PRIMERA ENTREGA
PROFESOR:
Igor Reyes Tapia
ALUMNOS:
Manuel Alfaro Guerra
Alejandro Bezmalinovic Colleoni
Enrique Fuentes Arriagada
César López Sabelle
Javier Valenzuela Álvarez
NOVIEMBRE 2013
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL EN OBRAS CIVILES
TALLER DE ESTRUCTURAS – SECCIÓN PUENTES
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 3
1.1 ALCANCES .............................................................................................................. 3
1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................. 3
2. ESTRUCTURACIÓN .................................................................................................. 3
3. INFORMACIÓN BÁSICA UTILIZADA ......................................................................... 4
3.1 INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA Y GEOMETRÍA DE LA RUTA .............................. 4
3.2 INFORMACIÓN DEL ESTUDIO HIDRÁULICO ......................................................... 4
3.3 INFORMACIÓN ESTRUCTURACIÓN DEL PUENTE Y MATERIALES .................... 4
3.4 BASES DE DISEÑO TABLERO ............................................................................... 5
3.5 MATERIALES A EMPLEAR: .................................................................................... 5
4. CRITERIOS PARA ENCAJES DE ESTRUCTURAS DE PUENTES ........................... 5
4.1 ENCAJE EN PLANTA. ............................................................................................. 5
4.2 ENCAJE EN ELEVACIÓN. ....................................................................................... 6
4.3 SECCIÓN TRANSVERSAL ...................................................................................... 6
4.4 TIPO DE FUNDACIÓN ............................................................................................. 7
4.5 OTROS DETALLES IMPORTANTES ....................................................................... 7
5. CALCULO DEL NÚMERO DE CEPAS Y LONGITUD DE LAS VIGAS ....................... 7
5.1 DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DE LA VIGA Y LARGO DEL PUENTE ............. 7
5.2 ANÁLISIS DEL TRAMO CORTO .............................................................................. 8
5.3 ANÁLISIS DEL TRAMO LARGO .............................................................................. 9
5.4 RESULTADOS DE PLANTA LONGITUDINAL ....................................................... 11
5.4.1 ESTRIBOS ....................................................................................................... 11
5.4.2 TRAMOS ......................................................................................................... 11
5.4.3 VIGAS Y CEPAS ............................................................................................. 11
5.4.4 ANCHO DE TABLERO Y ESPACIAMIENTO ENTRE VIGAS .......................... 12
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6. ESQUEMAS DE ENCAJE DE LA ESTRUCTURA .................................................... 13
6.1 VISTA EN PLANTA ................................................................................................ 14
6.2 PERFIL TRASVERSAL .......................................................................................... 15
6.2.1 PERFIL TRANSVERSAL TRAMOS 1 A 3 ........................................................ 15
6.2.2 PERFIL TRANSVERSAL TRAMO 4 (CON PERALTE) .................................... 16
6.3 PERFIL LONGITUDINAL........................................................................................ 17
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1. INTRODUCCIÓN
1.1 ALCANCES
El presente documento técnico, aborda sobre el diseño estructural de un
puente que se emplazará sobre un río. Este puente, tiene como función principal el
dar conectividad vial a ambas riberas del cauce.
1.2 OBJETIVOS
Se trazan como objetivos el realizar el encaje de un puente sobre un río,
para lo cual se hace necesaria la determinación del largo de la estructura a partir
de la información entregada. También se debe pre-dimensionar la viga pretensada
y el número de cepas intermedias a utilizar, las cuales serán en función de la
longitud total del puente asignada.
A su vez, es necesario determinar las separaciones entre vigas a lo ancho
del tablero, de manera de cuantificar el número el total de vigas necesarias en la
estructuración del puente, y así obtener como resultado final una esquematización
de la sección transversal y longitudinal del puente proyectado.
2. ESTRUCTURACIÓN
El puente proyectado que cae dentro de la categoría de puente recto, se
estructura en base a estribos de muro lleno, vigas de hormigón pretensado y un
tablero de 13,80 mts de hormigón armado, el cual considera dos pistas de 3.6 mts
de ancho, bermas de 1 mt y otra de 2.5 mt, dos hileras de defensas tipo F de
ancho 0.36 mt a cada lado del puente y dos pasillos peatonales de 1.2 mt con sus
respectivas baranda de 0.1 mt de espesor. Además, se cuenta con un bombeo
establecido en 2.5%, requerido por el proyectista vial. Se determinará el número
total de vigas necesarias y las cepas a disponer en el tramo del proyecto.
El cauce que esta estructura debe salvar, posee un nivel de aguas
máximas para un periodo de 200 años en la cota 244.11 mt según topografía. Se
necesita establecer la rasante del puente en la cota 250 mt, por lo que se
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determinó una altura disponible de 1.5 mt para la viga. Todo esto considerando lo
estipulado en el Manual de Carreteras en cuanto a las restricciones que establece
y también considerando el espesor del tablero y pavimento.
3. INFORMACIÓN BÁSICA UTILIZADA
Para la realización de este informe y de las futuras bases de diseño, se
consideró la siguiente información proporcionada:
3.1 INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA Y GEOMETRICA DE LA RUTA
Planta vial con topografía del río.
Planta vial con geometría de la ruta, sobre la topografía del río.
Perfil longitudinal por eje del puente, con cotas de la rasante del eje vial y
terreno por el fondo del río.
3.2 INFORMACIÓN DEL ESTUDIO HIDRÁULICO
Cota aguas máximas en perfil longitudinal para un periodo de retorno t=200.
Socavación local de 2 mt, y socavación general de 1 mt. Considerar 100%
de socavación concomitante con sismo. Las socavaciones se miden según
una línea horizontal a partir del punto más bajo del lecho.
3.3 INFORMACIÓN ESTRUCTURACIÓN DEL PUENTE Y MATERIALES
Se cuenta con la sección tipo del puente por eje vial.
Se considera una Tipología de puente con vigas de hormigón pretensado,
estribos de muro lleno, cepas de columnas, todo con fundación indirecta
pilotes.
Archivo con set de geometría de vigas tipo.
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3.4 BASES DE DISEÑO TABLERO
El tablero se procede a calcular con procedimientos simplificados de la
norma AASHTO. Posteriormente se verificaron los resultados con modelos
en SAP2000.
3.5 MATERIALES A EMPLEAR:
Para el caso del hormigón se utiliza H-30 en elementos de hormigón
armado y H55 en vigas pretensadas.
Para el caso del acero de armaduras se utiliza A63 42H, y para vigas
pretensadas se usa un acero con f´s = 18600 k/cm2 en torones de 1,4 cm2
de área.
Se considera un pavimento de concreto asfáltico de espesor mínimo de 5
cm (peso específico de 2.4 ton/mt3) el cual descansa sobre un tablero de
hormigón armado de 20 cm de espesor.
Se utiliza Defensas tipo F alta sin pasamanos según detalle Manual de
Carreteras vol. 4.
4. CRITERIOS PARA ENCAJES DE ESTRUCTURAS DE PUENTES
Para las consideraciones y diseño de la estructura proyectada, la cual
clasifica como un caso de puente sobre río, se tienen las siguientes
consideraciones para la determinación del encaje de la estructura y por
consiguiente su emplazamiento en el lugar requerido.
4.1 ENCAJE EN PLANTA.
Se define como encaje del puente al proceso de emplazamiento geográfico
de la entrada y salida del puente. Implica también la obtención de los anchos de
plataforma, ubicación de estribos, longitud de alas, etc. Para tal efecto, se dibuja
en planta la cota de inundación, de manera de situar los estribos en una ubicación
para la cual no se vean afectados, considerando una holgura respecto al borde de
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inundación señalado.
4.2 ENCAJE EN ELEVACIÓN.
Se procedió a alinear la disposición determinada para el puente en planta
con sus respectivos elementos principales con el perfil longitudinal, determinando
coordenadas de kilometraje de los puntos críticos del puente. Luego, se determina
la cota de socavación de manera de poder determinar las cotas de sello de las
fundaciones tanto de estribos como cepas.
La cota de socavación general se mide desde el punto más bajo del cauce,
y la de socavación local bajo ésta cota general. Posteriormente, se calcula la
altura disponible entre el nivel de aguas máximas y la rasante del camino,
respetando la revancha mínima exigida por el Manual de Carreteras de 1 mt. Así,
de acuerdo a la relación de longitud de tramo y canto de viga utilizada, se pre-
dimensiona la altura de la viga, y con ello se establece la longitud y número de
tramos. La relación que se utiliza según la experiencia empírica es:
������ �� �� ���� = ����� �� �� ����
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4.3 SECCIÓN TRANSVERSAL
Para la sección transversal del puente se consideran las calzadas, bermas,
aceras, defensas de hormigón armado y barandas peatonales entregadas en la
información básica. En La sección transversal del puente, se consideró el bombeo
o peralte de la carretera que son necesarios respetar tanto como en la entrada
como en la salida del puente según la información entregada, de manera de poder
disponer transversalmente las vigas de hormigón pretensado necesarias para
cubrir toda la sección, como también la losa de tablero que ira sobre dichas vigas
y que servirá de apoyo para todos los elementos considerados al principio de este
apartado.
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4.4 TIPO DE FUNDACIÓN
Tanto los estribos y cepas estarán fundados sobre pilotes, para los cuales
se hace necesario estimar la cota de fundación y también determinar
posteriormente la profundidad de dichos pilotes. Cabe notar que dichas cotas
deben estar bajo el nivel de socavación señalado.
El dimensionamiento propio de las fundaciones de toda la estructura, será
en la fase de diseño de estribos y cepas.
4.5 OTROS DETALLES IMPORTANTES
En el puente no se considera la utilización de juntas intermedias. Sin
embargo, se incluyen juntas de dilatación en los estribos de un espesor a
determinar.
La carpeta de rodadura que va sobre la losa, es de concreto asfaltico de 5
cms de espesor. La losa de tablero y estribos se impermeabilizan mediante una
membrana de 10 mm de espesor.
Se incluye además en el diseño del puente travesaños de hormigón
armado de 25 cm de espesor y altura por definir, tanto en cepas como en estribos.
En dichos travesaños se ubican también topes sísmicos.
En el tablero se incluyen travesaños intermedios de la misma dimensión. Y
en cuanto a los estribos, serán de muro lleno con alas a 90 grados y longitud a
definir.
5. CÁLCULO DEL NÚMERO DE CEPAS Y LONGITUD DE LAS VIGAS
5.1 DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DE LA VIGA Y LARGO DEL PUENTE
Primero, se posicionan los estribos asegurando un margen para que el nivel
de las aguas máximas no los afecte. Se determina la ubicación de un primer
estribo en el Dm 826, asegurando con esto un margen de 2.69 mt al nivel de las
aguas. El segundo estribo se emplaza en el Dm 900, con un margen al nivel de
las aguas máximas de 2.76 mt. Esto define un largo total del puente en 74 mt.
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Particularmente en el Dm. 833.81 existe un cambio en el peralte de la
rasante del camino. Para proporcionar este cambio a la rasante, se contempla la
ubicación en dicho Dm de una cepa, de manera que el cabezal de apoyo de las
vigas de ese tramo sea quien provea de la inclinación necesaria para que la losa
que está apoyada sobre las vigas y por consiguientemente, la rasante del camino,
obtenga el bombeo que define la información vial proporcionada. La incorporación
de la cepa en dicho punto, determina en primera instancia dos tramos, uno de 57
mt y otro final de 17 mt.
5.2 ANÁLISIS DEL TRAMO CORTO
Para el análisis del tramo corto se tiene una longitud definida de 17 mt.
Luego, con el espacio libre disponible se determina la pre-dimensión de la viga, la
cual viene dada por la expresión
����� = ������ ���������� − ���������� − ����� − ������ ���������
����� = 1.5 ��
Posteriormente, se determina según relación empírica el largo de viga y
además el número de vigas necesarias para alcanzar la luz total del puente
����� ������ ���� = ������ ���� ∗ 18 = 27 ��
������ �� ����� =17
27= 0.63 ~ 1 �����
A pesar de que como se aprecia en el resultado anterior que propone la
utilización de menos de una viga, evidentemente que se por la condición de
cambio de peralte se propone para este tramo una longitud máxima de la viga de
17 mt y no de 27 mt. Por tanto, se puede recalcular la altura de la viga que en
primera instancia dio como resultado de altura máxima 1,5 mt, dando como
resultado:
������ ���� ���� =17
18= 0.9 �
Como no existen vigas tipo de esa altura en el mercado se recomienda
utilizar en este tramo vigas de 1 mt, utilizado la información básica entregada se
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define como VIGA N-100 como una primera opción, puesto que aun se debe
verificar que este tamaño sea el apropiado para el resto del puente.
5.3 ANÁLISIS DEL TRAMO LARGO
Para el análisis del segundo tramo del puente desde el inicio del primer
estribo hasta la cepa que proporciona el cambio de peralte de la rasante, se tiene
un largo de 57 mt. Ahora bien, producto que se impuso una primera cepa a 17 mt
del estribo de salida, se decide proponer la ubicación de otra cepa a la misma
distancia en el estribo de entrada, de manera de dar simetría al puente. Por tanto,
queda un tramo central de 40 mt en el que se procede a calcular el número de
vigas necesarias:
������ �� ����� =40
27= 1,48 ~ 2 �����
Como se determina que es necesario utilizar 2 vigas realmente, implica que
en este tramo se debe incorporar otra cepa. Se calcula nuevamente el largo real
de la viga que debe utilizarse en este tramo
����� ���� =40
2= 20 ��
En donde para esta longitud se tiene una altura real de viga:
������ ���� ���� =20
18= 1.11 ��
Finalmente, considerando los resultados de alturas de vigas tanto para el
tramo corto como para el tramo largo, se determina que la altura óptima de la viga
sea de 1,11 mts para todos los tramos. Sin embargo, dentro de las vigas tipo no
existe una que tenga exactamente esa altura, por tanto, si se tiene una altura
máxima de viga a disponer por efectos de 1,5 mt, se escoge para todos los
tramos una VIGA N-123, la cual cumple con el requisito mínimo y máximo de
altura.
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Esta viga tiene como sección transversal:
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5.4 RESULTADOS DE PLANTA LONGITUDINAL
La estructura en general queda definida de la siguiente manera: 5.4.1 ESTRIBOS
Primer estribo estará ubicado en el Dm. 826, con un margen de seguridad
de 2.69 mt respecto al nivel de aguas máximas
Segundo estribo estará ubicado en el Dm. 900 con un margen de seguridad
de 2.76 mt respecto al nivel de aguas máximas.
5.4.2 TRAMOS
Se definen los siguientes tramos:
Tramo 1: De longitud 17 mt y ubicado entre el Dm. 826 y el Dm. 843
Tramo 2: De longitud 20 mt y ubicado entre el Dm. 843 y el Dm. 863
Tramo 3: De longitud 20 mt y ubicado entre el Dm. 863 y el Dm. 883
Tramo 4: De longitud 17 mt y ubicado entre el Dm. 883 y el Dm. 900
5.4.3 VIGAS Y CEPAS
Para los Tramos 1 y 3, se emplearán vigas de hormigón pretensado del tipo
N-123, con longitud total 17 mt.
Para los Tramos 2 y 3, se emplearan vigas de hormigón pretensado del tipo
N-123, con longitud total 20 mt.
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5.4.4 ANCHO DE TABLERO Y ESPACIAMIENTO ENTRE VIGAS
Según la información entregada, la sección transversal queda definida por
un ancho de 13.80 mt, considerando un voladizo de 1.5 mt desde cada borde del
tablero. De lo anterior se tiene que la distancia entre ejes vigas exteriores de
10.82 mt.
Ahora bien, para determinar el número de vigas necesarias en el ancho de
tablero, se tiene que considerando un espaciamiento máximo de 3,2 mt:
������ �� ����� =10,80
3,2+ 1 = 3,37 + 1
������ �� ����� = 4,37 ~ 5 �����
Recalculando el espaciamiento real al disponer de 5 vigas, las cuales
generan 4 vanos intermedios, por lo que resulta:
������������� ����� ����� =10,82
4= 2.705 ��
Constructivamente, se adopta un espaciamiento 2,7 mt y con voladizos a
1.5 mt. Finalmente, para el diseño transversal que se define para la totalidad del
puente se tiene:
5 vigas transversales de hormigón pretensado con sección del tipo N-123,
separadas a 2.8 mt a eje entre ellas.
Voladizo de longitud de 1.5 mt para cada borde.
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6. ESQUEMAS DE ENCAJE DE LA ESTRUCTURA
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6.1 VISTA EN PLANTA
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6.2 PERFIL TRASVERSAL
6.2.1 PERFIL TRANSVERSAL TRAMOS 1 A 3
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6.2.2 PERFIL TRANSVERSAL TRAMO 4 (CON PERALTE)
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6.3 PERFIL LONGITUDINAL