PREFACIO

NORMA COLOMBIANA DE DISEO DE PUENTES LRFD CCP 14

Resumen Los materiales, tcnicas de construccin y mtodos de anlisis y diseo de los puentes han evolucionado en respuesta a las crecientes necesidades de la humanidad. Hasta principios del siglo 19, los puentes fueron diseados y construidos por maestros de la construccin con procedimientos empricos. El acelerado desarrollo tecnolgico y econmico a partir de la Revolucin Industrial de finales del siglo 18 con la invencin del hierro fundido y forjado y el acero, el nacimiento de las escuelas de ingeniera civil y la aparicin de la teora de las estructuras, la introduccin del concreto reforzado a finales del siglo 19 y del concreto presforzado en el siglo 20 y la aparicin de los conceptos de seguridad estructural han impulsado un proceso evolutivo en los mtodos de anlisis, diseo y construccin de las estructuras. En los ltimos aos, la incorporacin de la estadstica y la teora de las probabilidades al diseo ha dado lugar a una filosofa de confiabilidad en la seguridad de las estructuras, que est siendo aplicada con acierto al diseo y construccin de los puentes. Lo anterior se ve reflejado en la expedicin de normas y especificaciones por la gran mayora de pases, basadas en la filosofa de diseo con factores de carga y de resistencia LRFD (Load Resistant Factor Design) fundamentada en el uso confiable de los mtodos estadsticos mediante procedimientos fcilmente utilizables por los diseadores de puentes.

Conscientes de que el pas cuente con un documento actualizado, que est a la par con los cdigos de diseo y construccin de puentes utilizados en los pases desarrollados, el Ministerio del Transporte y el Instituto Nacional de Vas INVIAS suscribieron con la Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica AIS el Convenio de Asociacin No. 1314 De 2013, con el objeto de aunar esfuerzos tcnicos, logsticos y financieros para la revisin, actualizacin y complementacin del cdigo colombiano de diseo ssmico de puentes, su difusin e implementacin. Introduccin La sociedad espera que los edificios, los puentes o cualquier estructura sean seguras para quienes las usan, estn en su vecindad o en su rea de influencia, bajo el supuesto de que la falla sea un evento extremadamente escaso. Es decir, confa implcitamente en la pericia de los profesionales involucrados en la planeacin, diseo, construccin y mantenimiento de las estructuras de las que se sirve. Los ingenieros estructurales dedican sus esfuerzos a llenar las expectativas de la sociedad sin perder de vista la economa y la funcionalidad de los proyectos. En los ltimos aos los ingenieros y los cientficos han trabajado conjuntamente para desarrollar mtodos que den respuesta a los crecientes desafos de la ingeniera. Aceptando que nada es absolutamente seguro, la discusin de seguridad puede darse en trminos de probabilidades de falla, aceptablemente pequeas. Partiendo de esta premisa, la teora de la confiabilidad surgi y ha llegado a ser parte de la ciencia y la prctica de la ingeniera de hoy. Su aplicacin no solamente se refiere a la seguridad de las estructuras, sino tambin a las condiciones de servicio y otros requerimientos de los sistemas tcnicos, sujetos a alguna probabilidad de falla. Muchas fallas han sucedido en la historia de la construccin de los edificios y puentes. Gracias a estos sucesos desafortunados, los ingenieros estructurales han podido desarrollar tcnicas y teoras que permitan disear estructuras con mrgenes de seguridad confiables, en la medida en que las crecientes necesidades de la humanidad lo han demandado. Una de las teoras que se han desarrollado en los ltimos aos es la de la confiabilidad, herramienta fundamental en el desarrollo de nuevos mtodos y filosofas de diseo estructural. En el caso de los puentes, la teora de la confiabilidad ha permitido la creacin, evaluacin y

calibracin de los modelos de carga viva que representan a las complejas y aleatorias cargas reales de los vehculos que circulan por las carreteras en el mundo entero.

LAS ESPECIFICACIONES AMERICANAS AASHTO Y LA PRCTICA COLOMBIANA

En buena parte del continente americano, el diseo de puentes se ha practicado teniendo como referencia de primera mano las especificaciones americanas AASHO [American Association of State Highway Officials], cuya primera norma, Standard Specifications for Highway bridges and Incidental Structures, ampliamente reconocida, fue publicada en 1931. Posteriormente se denomin AASHTO [American Association of State Highways and Transportation Officials] y se cre el AASHTO Highway Subcommittee on Bridges and Structures, autor y guardian de esta primera especificacin. El titulo original de la especificacin fue simplificado y en sus ltimas ediciones consecutivas, con intervalos aproximados de cuatro aos, lo hemos conocido como Standard Specifications for Highway Bridges. Su edicin final, la 17th edition, fue publicada en el ao 2002. En la introduccin de la especificacin AASHTO LRFD, 6a edicin, se expresa: El volumen de conocimientos relacionados con el diseo de puentes de carretera ha crecido enormemente desde 1931 y continua hacindolo. La teora y la prctica ha evolucionado significativamente, reflejando los avances de la investigacin en el conocimiento de las propiedades de los materiales, sus mejoras, en el ms racional y preciso anlisis del comportamiento de las estructuras, en el advenimiento de los computadores y el rpido avance de su tecnologa, en el estudio de los eventos externos que representan amenaza para los puentes, tales como eventos ssmicos, crecientes de los ros y muchas otras reas. En 1986, el subcomit de AASHTO encargado de estos asuntos manifest el inters por efectuar una evaluacin de las especificaciones AASHTO vigentes, revisar las especificaciones y cdigos extranjeros y, lo ms importante, considerar las alternativas de filosofa de diseo a las especificaciones estndar [Standard Specifications] que se estaban utilizando corrientemente. El trabajo fue realizado identificando y enmendando vacos, inconsistencias y algunos conflictos. Y an ms, encontrando que la especificacin no reflejaba los ms recientes desarrollos de la filosofa de diseo con factores de diseo de carga y resistencia, LRFD. Este enfoque venia ganando terreno en otras reas de la ingeniera estructural y en otras partes del mundo como Canad y Europa. Finalmente, en 1994 AASHTO publica su primera edicin de especificaciones para diseo de puentes basada en la filosofa LRFD, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Su ms reciente publicacin es la 7ma edicin de 2014. En Colombia se utiliz la especificacin americana AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, hasta el ao 1994, cuando el Gobierno nacional encarg a la Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica AIS- la tarea de producir un documento nacional que sirviera de reglamentacin para los diseos de los puentes en el pas. En 1995, la AIS, mediante convenio con el Ministerio del Transporte y el Instituto Nacional de Vas INVIAS public el Cdigo Colombiano de diseo ssmico de puentes CCP 95, basado en la especificacin AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, edicin de 1992. En el ao 2013, en convenio con el INVIAS, la AIS, desarroll la nueva Norma Colombiana de Diseo de Puentes CCP-2014, esta vez basada en las especificaciones AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 6 edicin (2012) y AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 7 edicin (2014) fundamentadas en la filosofa LRFD, hoy utilizada corrientemente en muchos pases para el diseo de todo tipo de estructuras. Aspectos relevantes de este nuevo documento son: la actualizacin de los mapas colombianos de amenaza ssmica y la calibracin de la carga viva vehicular de diseo para la prctica colombiana. NORMA LRFD y NORMA ESTANDAR En la especificacin AASHTO, desde el principio y hasta los inicios de la dcada de los aos 70, la nica filosofa de diseo utilizada fue la conocida como diseo por esfuerzos de trabajo, WSD (working stress design). Esta metodologa defina los esfuerzos admisibles como una fraccin de la resistencia de un determinado material y requera que los esfuerzos de diseo calculados no excedieran los esfuerzos admisibles definidos. Iniciando los aos 70, la metodologa WSD inici un proceso de evaluacin para reflejar la variabilidad de ciertos tipos de carga, tales como las cargas vehiculares, las fuerzas ssmicas y de viento. Esto se logr ajustando unos factores de diseo y dando lugar a una filosofa de diseo denominada de

factores de carga LFD (load factor design). Ambas filosofas, WSD y LFD, estaban contenidas en las ediciones de las especificaciones estndar AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges. La nueva filosofa result de considerar la variabilidad de las propiedades de los elementos estructurales y, en forma similar, la variabilidad de las cargas. La filosofa de diseo con factores de carga y de resistencia LRFD est basada en el uso confiable de los mtodos estadsticos y define procedimientos fcilmente utilizables por los diseadores de puentes. Con la aparicin de la especificacin LRFD, en los ltimos aos, los ingenieros de puentes han tenido que elegir entre las dos filosofas para hacer sus diseos, evitando aplicar combinaciones de ellas. En cada una de las dos modalidades, la AASHTO ha puesto a disposicin de los ingenieros diseadores numerosos documentos de ayuda. DISEO POR ESTADOS LMITE El diseo por estados lmite es una aplicacin acertada de los mtodos estadsticos de diseo, en los cuales el

nfasis est en la probabilidad de falla. Esta metodologa ha sido adoptada en la mayora de cdigos de diseo

de puentes.

Un estado lmite es una condicin ms all de la cual una estructura, o uno de sus componentes, no cumple la funcin para la cual fue diseado. La metodologa de diseo por estados lmite es corrientemente usada en diseo estructural y tiene dos caractersticas bsicas: (1) trata de considerar todos los estados lmite posibles y (2) est basado en mtodos probabilistas. Los estados lmite deben estar suficientemente bien definidos, de tal manera que un diseador sepa qu es considerado como aceptable o inaceptable. De mayor importancia es prevenir que los estados lmites sean alcanzados, pero hay otras metas igualmente deseables: funcionalidad, apariencia y economa. No es econmico disear un puente para que ninguno de sus componentes falle. Por lo tanto, es necesario determinar cul es el nivel de riesgo o probabilidad de falla aceptable. El estado lmite ms simple es el de la falla de un componente bajo una carga particular aplicada. Esto depende de dos parmetros: la magnitud de la carga que afecta la estructura, llamada el efecto de la carga, y la resistencia o esfuerzo del componente. Si el efecto de la carga excede la resistencia, entonces el componente fallar. Sin embargo, la magnitud del efecto de la carga y la resistencia estn sujetos a incertidumbres. Para cuantificar la incertidumbre asociada a la resistencia es necesario ejecutar un gran nmero de ensayos, tiles para calcular la resistencia promedio y alguna medida de su variacin como la desviacin estndar o el coeficiente de variacin. El nmero de muestras que caen dentro de un intervalo dado, se dice que tienen una probabilidad de ocurrencia P. Se puede, igualmente, obtener la curva de la funcin de densidad de probabilidad, la cual se asume que sigue una distribucin normal. Sus propiedades y rea bajo la curva se encuentran tabuladas para facilitar su uso. La determinacin de un aceptable margen de seguridad no est basada en la opinin de un solo individuo. Para ello se confa en la experiencia y buen juicio de calificados y amplios grupos de ingenieros conformados por investigadores, consultores e ingenieros involucrados en el diseo y supervisin de puentes. CALIBRACIN DE LA ESPECIFICACION COLOMBIANA LRFD PARA PUENTES Muchas aproximaciones pueden ser usadas en la calibracin de un cdigo de diseo. Puede usarse el buen juicio, la adaptacin de otros cdigos, el uso de la teora de la confiabilidad estructural o una combinacin de todas estas aproximaciones. El buen juicio, sin embargo, puede dar lugar a subestimacin o sobreestimacin de los parmetros. La calibracin por adaptacin es usualmente hecha cuando hay un cambio fundamental en la filosofa de diseo o en el formato del cdigo. Los parmetros de un nuevo cdigo se deben obtener de tal manera que los diseos resultantes sean esencialmente los mismos que se obtendran utilizando el cdigo anterior. Su principal objetivo sera transferir la experiencia de la aplicacin del cdigo antiguo al nuevo. Esta tcnica asegura que los nuevos diseos no se desven significativamente de los diseos existentes.

Un cdigo puede tambin ser calibrado por un proceso ms formal usando la teora de la confiabilidad. Tal proceso, para estimar los valores confiables de factor de carga y resistencia, consiste en los siguientes pasos: (1) Compilar una base de datos de parmetros de carga y resistencia. (2) Estimar el nivel de confiabilidad inherente a los mtodos de diseo corrientes de prediccin de resistencia de las estructuras de los puentes. (3) Observar la variacin de los niveles de confiabilidad con diferentes luces, relaciones de DL (Dead Load) a LL (Live Load) y combinaciones de carga, tipos de puentes y mtodos de clculo de

resistencia. (4) Seleccionar como objetivo un ndice de confiabilidad (), basado en los mrgenes de seguridad implcita en los diseos corrientes. (5) Calcular factores de carga y resistencia consistentes con el ndice de confiabilidad definido. Tambin es importante acoplar la experiencia y el buen juicio con la calibracin de los resultados. La nueva especificacin colombiana de diseo de puentes CCP 14 est basada en la especificacin AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 6th Ed.2012 y 7th Ed.2014, la cual consta de 15 secciones. Las cargas vehiculares de diseo y la fuerza ssmica han sido actualizadas y calibradas mediante procesos como el descrito anteriormente. La carga vehicular de diseo tendr caractersticas similares a las de la especificacin AASHTO LRFD, lo cual facilitara el uso de los programas de computador corrientemente utilizados por los diseadores de puentes en

todo el mundo. Se ha calibrado para un ndice de confiabilidad () de 3.5, equivalente a una probabilidad de falla de 2.33x10

-4, igual al utilizado en la determinacin de la carga viva de diseo para los puentes en los

Estados Unidos. Para la presente actualizacin se han preparado los mapas de amenaza ssmica con un enfoque probabilista a objeto de establecer los valores de los coeficientes ssmicos de diseo denominados como PGA (Peak Ground Acceleration), Ss y S1 asociados, en esta ocasin, a una probabilidad de excedencia del 7% en una vida til de 75 aos, lo que equivale, aproximadamente, a un perodo de retorno de 975 aos. El coeficiente PGA corresponde a la aceleracin mxima del terreno (0 segundos de perodo), mientras que Ss y S1 corresponden a los valores de la amenaza, asociados a los perodos de vibracin iguales a 0.2 y 1.0 segundos respectivamente. Adicionalmente, para los puentes clasificados como crticos, de acuerdo a su importancia y localizacin, se ha determinado que los coeficientes ssmicos deben estar asociados a una probabilidad de excedencia del 2% en 50 aos de vida til, lo que corresponde, aproximadamente, a un perodo de retorno de 2,500 aos. Para este perodo de retorno se han calculado los mismos coeficientes ssmicos (PGA, Ss y S1) con el 5% de amortiguamiento. Las dems cargas y combinaciones de cargas especificadas permanecen, bsicamente, iguales a las indicadas en la especificacin AASHTO LRFD. GRUPOS DE TRABAJO En esta tarea de adaptacin de las especificaciones LRFD de diseo de puentes para Colombia ha participado un gran nmero de ingenieros civiles, estructurales, geotecnistas y personal auxiliar y gracias a sus contribuciones ha sido posible concretar este esfuerzo que se pone a disposicin para su aplicacin en todo el pas. REFERENCIAS

AASHTO [American Association of State Highway and Transportation Officials] Standard Specifications for

Highway Bridges (1994) Washington D.C.

AASHTO [American Association of State Highway and Transportation Officials] AASHTO LRFD Bridge

Design Specifications (2012-2014) Washington D.C.

AIS [Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica) Cdigo colombiano de diseo ssmico de puentes (1995) Bogot D.C.

REPBLICA DE COLOMBIA

Juan Manuel Santos Caldern Presidente de la Repblica

Natalia Abello Vives

Ministra de Transporte

Carlos Alberto Garca Montes Director General Instituto Nacional de Vas INVIAS

Luis Roberto DPablo Ramirez

Director Tcnico INVIAS

Nohora Gmez Roa Subdirectora de Estudios e Innovacin (E)

Alfonso Montejo Fonseca

Gestor Tcnico del Contrato INVIAS

ASOCIACIN COLOMBIANA DE INGENIERA SSMICA AIS

NORMA COLOMBIANA DE DISEO DE PUENTES CCP 14

ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA AIS

Eduardo Castell Ruano Presidente AIS GRUPO DE TRABAJO COMIT DE PUENTES AIS 200 Comit Directivo Josu Galvis Ramos - Coordinador Jorge Alfredo Santander Palacios Lus Enrique Garca Reyes Luis Enrique Aycardi Fonseca

Especialistas Colaboradores Daro Faras Garca Sandra Faras Moreno Edgar Hernn Forero Muoz Nelson Betancour Suarez Luis Garza Vsquez Carlos Ramiro Vallecilla Bahena Malena Judith Amrtegui Rodrguez Mara del Pilar Duque Uribe Luis Felipe Lpez Muoz Zulma Stella Pardo Vargas Juan Francisco Correal Daza Juan Carlos Reyes Ortiz Mauricio Snchez Silva Omar Daro Cardona Arboleda Mario Andrs Salgado Glvez Gabriel Andrs Bernal Granados Daniela Zuloaga Romero Miguel Leonardo Suarez Julin Carrillo Len Edison Osorio B. Josef Farbiarz Farbiarz

Ingenieros Auxiliares

Nail Aguirre Carvajal Mauricio Jos Castro Garca Doralba Valencia Restrepo Yeudy Felipe Vargas Alzate David Alejandro Castro Cruz Luis Fernando Caballero Castro Angel David Guerrero Rojas Samuel Daro Prieto Ramrez Luisa Teresa Guevara Prez Revisin y Edicin Armando Antonio Gonzlez G. Leticia Reyes Gmez Mercedes Arciniegas Ovalle

NORMA COLOMBIANA DE DISEO DE PUENTES CCP 14 SECCIN 1 INTRODUCCIN SECCIN 2 CARACTERSTICAS GENERALES DE DISEO Y UBICACIN SECCIN 3 CARGAS Y FACTORES DE CARGA SECCIN 4 ANLISIS Y EVALUACIN ESTRUCTURAL SECCIN 5 ESTRUCTURAS DE CONCRETO SECCIN 6 ESTRUCTURAS DE ACERO SECCIN 7 ESTRUCTURAS DE ALUMINIO SECCIN 8 ESTRUCTURAS DE MADERA SECCIN 9 TABLEROS Y SISTEMAS DE TABLEROS SECCIN 10 CIMENTACIONES SECCIN 11 MUROS, ESTRIBOS Y PILAS SECCIN 12 ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y REVESTIMIENTOS PARA TNELES SECCIN 13 BARANDAS SECCIN 14 JUNTAS Y APOYOS SECCIN 15 DISEO DE BARRERAS DE SONIDO