Universidad veracruzana Facultad de Ingeniera Civil Campus-Xalapa

El equipo 4 presenta el tema de construccin:

Puentes EE: Introduccin a la construccin Integrantes:Casiano Snchez Alejandro Domnguez Montan ngel Huerta Morales Jos Enrique Martnez Garca Hugo Armando Parra Aguilar Gilberto Solano Huerta Alberto Emmanuel

ndiceCaptulo I ............................................................................................................................................3 Introduccin: ..................................................................................................................................4 Definicin de puente ......................................................................................................................6 Partes que integran un puente:......................................................................................................6 Clasificacin de los puentes: ........................................................................................................11 Clasificacin de puentes segn su funcin, material y forma: ......................................................13 Captulo II .........................................................................................................................................17 2.1 Estudios de campo .................................................................................................................18 2. 1. 1. Estudios topogrficos ...................................................................................................18 2. 1. 2. Estudios hidrolgicos e hidrulicos: ..............................................................................19 2. 1. 3. Estudios Geolgicos ......................................................................................................21 2. 1. 4. Estudios geotcnicos ....................................................................................................22 2. 1. 5. Estudios de riesgo ssmico ...........................................................................................23 2. 1. 6. Estudios de trfico ........................................................................................................24 Captulo III ........................................................................................................................................27 3.1 Cargas mviles y lneas de influencia .....................................................................................28 3.2 Los elementos que forman las estructuras .............................................................................28 3.3 Las fuerzas que soporta la estructura de un puente ..............................................................28 3. 4 Otras fuerzas que actan sobre las estructuras .....................................................................29 3. 5 Aumentar la resistencia con la forma ....................................................................................29 3.6 Cargas .....................................................................................................................................30 3.7 Cargas muertas .......................................................................................................................30 3.7 Cargas vivas ............................................................................................................................30 Captulo IV ........................................................................................................................................32 4.1 Lneas de influencia ................................................................................................................33 4.2 Estructura de un Puente .........................................................................................................34 4.3 Tipos de modelos analticos empleados en puentes ..............................................................35 4.4 Modelos globales ...................................................................................................................36 4.5 Modelos de puentes a base de marcos ..................................................................................37 4.6 Modelos de vigas ....................................................................................................................37 1

4. 7 Elementos estructurales ........................................................................................................38 4. 8 Modelaje de los componentes de la estructura de puentes..................................................39 Bibliografas......................................................................................................................................42

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Captulo I Introduccin Definicin de puente Partes que integran un puente Clasificacin de puentes

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Introduccin:El puente es una estructura de madera, piedra, ladrillo, de concreto simple, de concreto armado o de acero estructural; el cual es utilizado para que una va de comunicacin pueda salvar un rio, la depresin de un terreno u otra va de comunicacin. El primer puente se considera que fue construido por el ao 1500 A.C.; y de hecho, se ha dicho que el hombre supo como construir puentes, antes de conocer como construir casas. Entre los primeros puentes se pueden citar los NATURALE, los cuales consistan de troncos de rboles cados que cruzaban las corrientes de agua; o los puentes PALMOTEADORES, hecho con grandes piedras tendidas a travs de arroyos, y que eran llamados as, por el sonido que hacan las piedras cuando eran cruzados. Otro tipo de puente construido en la antigedad fue la PASARELA COLGANTE DE BEJUCOS colocada sobre los desfiladeros de los montes del Himalaya, de la cual probablemente se origin la idea de los PUENTES

COLGANTES hechos en la actualidad; los cuales adems, fueron usados con frecuencia por los chinos. De igual modo existieron en el suroeste grandes arcos naturales de piedra; de los cuales, transcurrido el tiempo, naci la idea de colocar dos piedras de gran tamao juntas, a modo de que formaran una V invertida que sirviera para cruzar una pequea que sirviera para cruzar uuna pequea corriente a travs de un ARCO. Fueron los romanos los que construyeron muchos puentes de madera y grandes arcos hechos de mamposteria.

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Se dice que el puente ms antiguo del mundo, an en uso es el puente de las caravanas sobre el rio Meles en Esmirna, Turquia; por el cual se supone transitaron Homero y San pablo. El primer puente construido con acero estructural al carvon fue el puente de Ead, que cruza el rio Mississippi, en San Luis, el cual el eslabn para la construccin del sistema Intercontinental de Ferrcarriles. Obtener las fechas exactas del tiempo en el que se construyeron los puentes ms antiguos, es imposible; sin embargo, no existe duda de que los puentes ya sean de vigas, de arc o suspendidos. Han sido construidos de alguna manera desde hace varios miles de aos. Un aspecto mucho muy importante en el estudio de puentes es la eleccin del tipo adecuado de material. En este punto el conocimiento del ingeniero parte en la aplicacin de los conocimientos que brindan la posibilidad de hacer realidad esta obra tan esplendorosa, tan es el caso del ingeniero C. B. Mccullough que cita textualmente. ningn refinanciamiento de clculo puede conducir, ni

remotamente, a obtener la economa que puede y debe lograrse, eligiendo bien el tipo de estructura para cada caso particular. Es as como un puente en su gran esplendor estructural evoca el gran conocimiento de un grupo de ingenieros dedicados a beneficiar a la poblacin. Pero, Qu aspectos se toman en cuenta para la construccin de un puente?, Cules son los estudios pertinentes para su construccin?, Cuntos ingenieros son necesarios para la elaboracin de cualquier obra de este tipo? Estas son algunas de las preguntas que se abordaran en el presente trabajo.

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Definicin de puenteLos puentes son estructuras que los seres humanos han ido construyendo a lo largo de los tiempos para superar las diferentes barreras naturales con las que se han encontrado y as poder transportar sus mercancas, permitir la circulacin de las gentes y trasladar sustancias de un sitio a otro. Dependiendo el uso que se les d, algunos de ellos reciben nombres particulares, como acueductos, cuando se emplean para la conduccin del agua, viaductos, si soportan el paso de carreteras y vas frreas, y pasarelas, estn destinados exclusivamente a la circulacin de personas

Partes que integran un puente:La estructura de un puente est formada por: a) Superestructura b) Subestructura c) Infraestructura La superestructura se refiere al sistema de piso del puente, y puede estar formada de diferentes maneras, por ejemplo: de piso de madera sobre largueros de madera; de losa de concreto reforzado sobre trabes de acero estructural; de losa de concreto reforzado con nervaduras de acero estructural; de arcos de mampostera o de concreto: de arcos metlicos; de armaduras de acerp; de tubos de acero soldados, etc. La subestructura son los elementos de apoyo, que pueden ser de caballetes de madera, de caballetes de concreto reforzado; de pilas o estribos de mampostera; de torres metlicas sobres pedestales de concreto; de pilas o estribos de concreto siple o ciclpe o de concreto reforzado.

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La infraestructura se refiere a la cimentacin, la cual puede ser superficial o profunda y construida de pedestales de mampostera o de concreto; de pilotes de madera, acero, mixtos; de cilindros de friccin, etc.

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superestrucura

Madera

Concreto

Acero

Generalmente puentes provisionales

Reforzado

Vigetas laminadas

Trabes soldas

Coladas en el luga

Elementos prefabricados

seccion abierta

seccion cerrada

losas planas macizas o aligeradas nervaduras celulares

piso ortotropico

Armaduras

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Ingraestructura o cimentacion

Superficia

profunda

Zapatas corridas

Zapatas aisladas

Pilotes

madera

concreto

Mamposteria concreto simple concreto reforzado

Acero

mixtos

Precolados

Elementos de placas soldadas

reforzados

tubulares

presforzados

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Subestructura Elementos de apoyo (cimiento, cuerpo y corona o cabezal)

Extremos

Intermedio

Estribos

pilas

Mamposteria concreto simple, concreto reforzado, enterrado o con aleros, etc, Caballetes concreto reforzado, columnas verticales incllinadas

Mamposteria, concreto simple concreto reforzado doferentes tipos y formas secciones huecas

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Clasificacin de los puentes:Las caractersticas de los puentes estn ligadas a las de los materiales con los que se construyen:

Los puentes de madera, aunque son rpidos de construir y de bajo coste, son poco resistentes y duraderos, ya que son muy sensibles a los agentes atmosfricos, como la lluvia y el viento, por lo que requieren un mantenimiento continuado y costoso. Su bajo coste (debido a la abundancia de madera, sobre todo en la antigedad) y la facilidad para labrar la madera pueden explicar que los primeros puentes construidos fueran de madera.

Los puentes de piedra, de los que los romanos fueron grandes constructores, son tremendamente resistentes, compactos y duraderos, aunque en la actualidad su construccin es muy costosa. Los cuidados necesarios para su mantenimiento son escasos, ya que resisten muy bien los agentes climticos. Desde el hombre consigui dominar la tcnica del arco este tipo de puentes domin durante siglos. Slo la revolucin industrial con las nacientes tcnicas de construccin con hierro pudo amortiguar este dominio.

Los puentes metlicos son muy verstiles, permiten diseos de grandes luces, se construyen con rapidez, pero son caros de construir y adems estn sometidos a la accin corrosiva, tanto de los agentes atmosfricos como de los gases y humos de las fbricas y ciudades, lo que supone un mantenimiento caro. El primer puente metlico fue construido en hierro en Coolbrookdale (Inglaterra)

Los puentes de hormign armado son de montaje rpido, ya que admiten en muchas ocasiones elementos prefabricados, son resistentes, permiten superar luces mayores que los puentes de piedra, aunque menores que los de hierro, y tienen unos gastos de mantenimiento muy escasos, ya que son muy resistentes a la accin de los agentes atmosfricos

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Bsicamente, las formas que adoptan los puentes son tres, que, por otra parte, estn directamente relacionadas con los esfuerzos que soportan sus elementos constructivos. Estas configuraciones son:

Puentes de viga. Estn formados fundamentalmente por elementos horizontales que se apoyan en sus extremos sobre soportes o pilares. Mientras que la fuerza que se transmite a travs de los pilares es vertical y hacia abajo y, por lo tanto, stos se ven sometidos a esfuerzos de compresin, las vigas o elementos horizontales tienden a flexionarse como consecuencia de las cargas que soportan. El esfuerzo de flexin supone una compresin en la zona superior de las vigas y una traccin en la inferior

Puentes de arco. Estn constituidos bsicamente por una seccin curvada hacia arriba que se apoya en unos soportes o estribos y que abarca una luz o espacio vaco. En ciertas ocasiones el arco es el que soporta el tablero (arco bajo tablero) del puente sobre el que se circula, mediante una serie de soportes auxiliares, mientras que en otras de l es del que pende el tablero (arco sobre tablero) mediante la utilizacin de tirantes. La seccin curvada del puente est siempre sometida a esfuerzos de compresin, igual que los soportes, tanto del arco como los auxiliares que sustentan el tablero. Los tirantes soportan esfuerzos de traccin.

Puentes colgantes. Estn formados por un tablero por el que se circula, que pende, mediante un gran nmero de tirantes, de dos grandes cables que forman sendas catenarias y que estn anclados en los extremos del puente y sujetos por grandes torres de hormign o acero. Con excepcin de las torres o pilares que soportan los grandes cables portantes y que estn sometidos a esfuerzos de compresin, los dems elementos del puente, es decir, cables y tirantes, estn sometidos a esfuerzos de traccin.

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Clasificacin de puentes segn su funcin, material y forma:

Acueductos. Puentes que conducen agua.

Atendiendo a la Viaductos. Puentes destinados al paso de funcin primordial que vehculos. cumplen.

Pasarelas. Puentes pensados para el uso exclusivo de peatones.

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De madera. Los primeros puentes son simplemente uno o varios troncos uniendo dos orillas de un riachuelo.

Atendiendo al material del que estn hechos.De piedra. La conquista tecnolgica del arco permite construir puentes de piedra.

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De hierro. La revolucin industrial trae de su mano los primeros puentes de este material.

De hormign y acero. Los puentes actuales se construyen mezclando estos dos materiales.

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Atendiendo a la forma en que se soportan los esfuerzos.

De viga. Es la primera y ms sencilla solucin que inventa el hombre para salvar una distancia. En la antigedad, antes de conocer el hormign armado, hubo que descartarlos ya que la madera por flexin no permita cubrir grandes distancias.

Sobre tablero. El arco soporta el peso del tablero del que est colgado. De arco.

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Captulo IIEstudios preliminares

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2.1 Estudios de campoLas actividades preliminares del ingeniero encaminadas al estudio y a la construccin de puentes, pueden considerarse divididas en estudios de campo, estudios de gabinete y trabajos de construccin. Sirven para obtener los datos necesarios para la elaboracin de los anteproyectos y proyecto de un puente. Los estudios que pueden ser necesarios dependiendo de la magnitud y complejidad de la obra son: Estudios topogrficos Estudios hidrolgicos e hidrulicos Estudios Geolgicos y geotcnicos Estudios de riesgo ssmico Estudios de trfico

2. 1. 1. Estudios topogrficosAl rendir un informe sobre los estudios topogrficos llevados a cabo para la construccin de un puente, adems de dar nombre del ro o barranca correspondiente, tramos del camino en el cual se encuentra, etc., estos estudios tendrn como objetivo: a) Realizar los trabajos de cambo que permitan elaborar los planos topogrficos correspondientes b) Proporcionar la definicin precisa de la ubicacin y las dimensiones de los elementos estructurales c) Establecer puntos de referencia para el replanteo durante la construccin. d) Proporcionar informacin de base para los estudios de hidrologa e hidrulica, geologa, as como la ecologa y sus efectos en el medio ambiente. Los estudios topogrficos debern comprender como mnimo lo siguiente: Levantamiento topogrfico general de la zona del proyecto, documentado en los planos a escala entre 1:500 y 1:2000 con curvas de nivel a intervalos de 1m 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 rio y otro obstculo a ser transpuesto).18

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 de 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. Debern indicarse igualmente con claridad la vegetacin existente. En el caso de puente sobre cursos de agua debern hacerse un levantamiento detallado del fondo. Ser necesario indicar en planos la direccin del curso del agua y los limites 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 y colocacin de Bench Marks. Levantamiento catastral de las zonas aledaas del puente, cuando existan edificaciones u otras obras que interfieran con el puente o sus accesos o bien que requieran ser expropiadas.

2. 1. 2. Estudios hidrolgicos e hidrulicos:Los objetivos de estos estudios son establecer las caractersticas hidrolgicas de los regmenes de avenidas mximas y extraordinarias y los factores hidrulicos que conllevan a una real apreciacin del comportamiento hidrulico del ro que permiten definir los requisitos mnimos del puente y su ubicacin optima en funcin de los niveles de seguridad o riesgos permitidos o aceptables para las caractersticas particulares de la estructura. Los estudios de hidrologa e hidrulica para el diseo de puentes deben permitir establecer lo siguiente:

Ubicacin optima del cruce Caudal mximo de diseo hasta la ubicacin del cruce

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Comportamiento hidrulico del rio en el tramo que comprende el cruce rea de flujo a ser confinada por el puente Nivel mximo de aguas(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 su tipo Obras de proteccin necesarias

Previsiones para la construccin del puente. El programa de este tipo de estudios debe considerar la recoleccin de informacin, los trabajos de campo y los trabajos de gabinete, cuya cantidad y alcance ser determinado con base a la envergadura del proyecto, en trminos de su longitud y riesgo considerado Los estudios hidrolgicos e hidrulicos deben comprender lo siguiente: Evaluacin de estudios similares realizados en la zona de ubicacin del puente; en el caso de un remplazo de un puente colapsado es conveniente utilizar los parmetros de diseo anteriores. Visita de campo; reconocimiento del lugar tanto en la zona de cruce como de la cuenca global. Recoleccin y anlisis de informacin hidromtrica y meteorolgica existente Caracterizacin hidrolgica de la cuenca, considerada hasta el cruce del curso del agua con base a la determinacin de las caractersticas de las respuestas de lluvia-escorrenta, y considerando aportes adicionales en la cuenca. Seleccin de los mtodos de estimacin del caudal mximo de diseo. Estimacin de los caudales mximos para diferentes periodos de retorno y segn distintos mtodos; en todos los casos se recomienda llevar a cabo una prueba de ajuste de los distintos mtodos de anlisis para la seleccin del mejor.

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Seleccin de secciones transversales representativas del cause y la obtencin del perfil longitudinal. Determinacin de las caractersticas hidrulicas del flujo Determinacin de las profundidades de socavacin general por contraccin total y local Recomendaciones de proteccin y/o consideraciones de diseo adicionales Los puentes ubicados en el cruce con un curso de agua deben ser diseados de modo que las alteraciones y obstculos que estos representen ante este curso de agua sean previstos y puedan ser admitidos en el desempeo de la estructura a lo largo de su vida til o se tomen medidas preventivas. Para esto deben establecerse las caractersticas hidrogeodinmicas del sistema fluvial con el objeto de determinar la estabilidad de la obra respecto al comportamiento del cause.

2. 1. 3. Estudios GeolgicosLos objetivos de los estudios geolgicos son establecer las caractersticas geolgicas, tanto local como general de las diferentes formaciones geolgicas que se encuentran identificando tanto su distribucin como sus caractersticas geotcnicas correspondientes. El programa de estudios deber considerar exploraciones de campo, cuya cantidad ser determinada con base a la envergadura del proyecto. Los estudios geolgicos comprendern: geomorfolgico Zonificacin geolgica de la zona Identificacin y caractersticas de fallas geolgicas Definicin de zonas de deslizamientos, huyancos y aluviones sucedidos en el pasado y de potencial ocurrencia en el futuro

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2. 1. 4. Estudios geotcnicosLos objetivos de estos estudios son establecer las caractersticas geotcnicas, es decir, la estratigrafa, la identificacin y las propiedades fsicas y mecnicas de los suelos para el diseo de cimentaciones estables. El estudio debe considerar exploraciones de campo y ensayos de laboratorio, cuya cantidad ser determinada con 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 debern comprender lo siguiente: Ensayos de campo en suelos y/o rocas Ensayos de laboratorio en muestras de suelo y/o roca extradas en 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 al nivel de anteproyecto Presentacin de los resultados y recomendaciones sobre especificaciones constructivas y obras de proteccin.

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2. 1. 5. Estudios de riesgo ssmicoLos estudios de riesgo ssmico tendrn como finalidad la determinacin de espectros de diseo que definan las componentes horizontal y vertical del sismo a nivel de la cota de cimentacin

La zona de sismos frecuentes en el Estado de Veracruz, queda localizada al sur del paralelo 18 39 N. Las tres grandes fallas de la corteza terrestre que cruzan el territorio del Estado de Veracruz y que se internan en el Golfo de Mxico, pasando por el norte de Coatzacoalcos, son las fallas de Zacamboxo y de Carin, que cruzan aproximadamente paralelas en el sentido W-E; y la falla de Istmo de Tehuantepec que cruza al mismo en el sentido S-N; y a la cual estn asociados los epicentros donde se han generado los sismos de mayores consecuencias en la regin sur. En la ilustracin 1 se presenta la carta ssmica de la repblica mexicana, en la cual se puede apreciar que toda la regin Sur de Veracruz, entre ellas el Municipio de Hidalgotitln se encuentran en una zona de sismos frecuentes

Ilustracin 1

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2. 1. 6. Estudios de trficoPor lo general, debe suponerse que cuando se decide la construccin de un camino, se han estudiado y fijado las caractersticas bsicas de l, por lo que se refiere al trnsito para el que debe proyectarse: nmero de fajas o bandas de circulacin, ancho de estas, velocidad de operacin del camino en sus diferentes tramos, tipo de vehculos que deben considerarse, etc. Un camino que tenga por primordial objeto servir a pequeas comunidades (pueblos, fincas, minas), para permitir el transporte econmico de mercancas y de personas, lgicamente es de esperarse que deba soportar slo un trnsito moderado: 25, 50, 100 vehculos por da. Tal camino puede disearse para una sola banda o faja de trnsito de vehculos, con lugares de cruzamiento ms o menos prximos. No importa en tales casos que los vehculos transportadores se muevan a grandes velocidades; basta y sobra que el camino pueda recorrerse con seguridad a velocidad de 40 km/h. Para un camino como el que acaba de describirse, seguramente que los puentes deben protectarse para permitir solo el transito de una sola faja o banda de vehculos, procurando que haya buena visibilidad en los tramos del camino cercanos a la estructura. Es de esperarse, adems, sean de poco peso; tal vez de 6 a 100 toneladas, incluyendo su propio peso. Es suficiente que la calzada de los puentes tenga entonces un ancho de tres metros (3.00 m). No tiene mayor importancia que ocasionalmente pasen por el camino vehculos algo ms pesados (hasta de 14 16 toneladas), siempre que tal hecho acontezca con poca frecuencia (por ejemplo, dos veces por semana, o cosas as). En ciertos casos, resulta necesario construir andenes o banquetas para peatones, si lo puentes estn cerca de un pueblo, o entre una factora y una poblacin prxima. El ingeniero encargado del estudio de campo debe proporcionar la informacin de este respecto que juzgue conveniente.

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Es prctica desastrosa, en general, dar a los puentes anchos de clazada que permitan que circulacin de 3 bandas de vehculos, pues los accidentes (casi siempre mortales) por colisin aumenta muchsimo. Formas impresas para rendir informes sobre estudios de campo: Para ayudar a los ingenieros encargados de hacer los estudios de campo para proyecto de puentes, es de suma utilidad que se sujeten, punto por punto, a seguir un orden establecido, bien estudiado. Esto evita olvidarse de tomar algn dato o de hacer ciertas observaciones, que son siempre tiles. Lo que mejor resultado ha dado hasta ahora es redactar una forma impresa, anloga a que se inserta a continuacin:

INFORME PARA PROYECTO DE PUENTESI.- Datos de localizacin Puente: ____________________________ Sobre el: ______________________________ Camino: ____________________________ Tramo: _______________________________ Cruce nmero:_______________________ Estacin:______________________________ Origen de kilometraje: _________________ Brigada de localizacin numero: ___________ Angulo entre el eje de la calzada del puente y el de la corriente: _____________________ Elevacin de la subrasante en la estacin de cruce: _______________________________ Espesor del revestimiento y pavimento: _____________ pendiente longitudinal del camino, Si esta en tanque vertical: ____________________________________________________ Datos de la curva vertical: ____________________________________________________ Elevacin y descripcin del banco de nivel:______________________________________ _________________________________________________________________________ Ancho normal de la corona: ________________ Taludes: __________________________ Si el puente est en curva horizontal: G= _______________ D= ____________________

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P.C. =____________________________ P.T. = __________________________________ Sobrelevacin: _______________________m. sobre ancho ______________________m. Qu elevacin de subrasante resultara ms econmica desde el punto de vista de las terraceras?_______________________________________________________________ Hay algn factor distinto d hidrulico y del econmico que influya en la determinacin de la elevacin de la rasante? ___________________________________________________________________________ Si la construccin de puente originara alguna indemnizacin dgase cul es su valor aproximado: ___________________________________________________________________________ Datos adicionales, utilice a juicio del observador: ____________________________________ ___________________________________________________________________________

Adjuntarse los planos siguientes: a) Plante general de la zona de cruce con curvas de nivel a una equidistancia de 100 m a 0.50 m., de acuerdo con el terreno, indicando el eje del camino, el ngulo de deflexioin de la corriente, el lmite del desbordamiento del arroyo en aguas mximas extraordinarias En caso de que se ponga una canalizacin, indiquese adems el eje de canal propuesto. b) Planta detallada del cruce a escala 1:200 c) Croquis de la zona mostrando vas de comunicacin y su transitabilidad en las diversas pocas del ao, poblados, puentes etc. (uno para cada tramo indicando los arroyos en l)

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Captulo IIIDistintos tipos de cargas a las que estn sujetos los puentes: Cargas muertas Cargas mviles Impacto Fuerza centrfuga Empuje de tierras

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3.1 Cargas mviles y lneas de influenciaLas estructuras de ingeniera en general y los puentes en particular, se hallan sometidas frecuentemente a la accin de diversos sistemas de cargas mviles, tales como las originadas por la circulacin de camiones, trenes, automviles, etc. Estas cargas se denominan cargas mviles para distinguirlas de mas cargas fijas, tales como el peso propio de la estructura. Las cargas fijas estn determinadas siempre en magnitud y posicin. Mientras que las cargas mviles, aunque de intensidad determinada, pueden ocupar posiciones variables sobre la estructura. El anlisis de estructuras sometidas a la accin de cargas mviles presenta dos nuevos problemas que no existen en el caso de cargas fijas: Las cargas mviles pueden tener un efecto dinmico sobre la estructura, que tiende a producir vibraciones, choques u otros efectos inconvenientes. El efecto puramente esttico de un sistema de cargas mviles se halla en continua variacin, debido al cambio de posicin de las cargas, creando el problema de cmo se debe aplicar sobre la estructura para que se produzca los mayores esfuerzos

3.2 Los elementos que forman las estructurasEn una estructura podemos distinguir diferentes partes, llamadas elementos estructurales. Cada elemento estructural esta pensado para soportar la carga de una determinada manera, es decir, para resistir distintos tipos de fuerzas.

3.3 Las fuerzas que soporta la estructura de un puenteUna estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que sujeta y algunos empujes exteriores, como el viento, las olas, etc. Los tres tipos de fuerzas ms importantes que actan sobre las estructuras son:

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-La fuerza de compresin: las columnas de un edificio soportan el peso del techo y de los pisos superiores. Estos elementos estn sometidos a una fuerza que tiende a aplastarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de compresin se llaman soportes. -La fuerza de traccin: los cables de un puente colgante soportan unas fuerzas que tienden a estirarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de traccin se llaman tensores o tirantes. -La fuerza de flexin: un estante de un mueble soporta una fuerza que tiende a doblarlo. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de flexin se llaman vigas o barras, las cuales estn puestas en sentido horizontal.

3. 4 Otras fuerzas que actan sobre las estructurasAdems de estas tres fuerzas, tambin pueden actuar en los elementos de una estructura dos fuerzas: la de torsin y cizallamiento. -La fuerza de torsin acta sobre elementos que giran. La punta de un destornillador se puede deformar por la accin de esta fuerza. -Las fuerzas de cizallamiento actan sobre elementos que soportan traccin y empuje, como los remaches de una gran estructura metlica

3. 5 Aumentar la resistencia con la formaEn apariencia para hacer una estructura resistente tenemos que utilizar materiales cuanto ms resistentes mejor. Una barra de hierro hueca, cilndrica o de seccin cuadrada, es un ejemplo de forma resistente. Si fabricamos los elementos estructurales con una forma determinada, conseguiremos que resistan mucho ms. La clave del xito de las formas resistentes es repartir la carga. Tres ejemplos son el arco, la bveda y la cpula. En el s. XIX los arquitectos conseguan mejorar la resistencia de la estructura de una forma muy sencilla: suponiendo las vigas, todas o una parte, formando tringulos. Esta29

tcnica se llama triangulacin. Podemos encontrar ejemplos de estructuras trianguladas por todas partes. Se pueden encontrar en puentes de hierro, algunas estructuras modernas, etc. La triangulacin permite ahorrar material adems de aligerar el peso de la estructura.

3.6 CargasAdems de todos los estudios ya indicados, es conveniente que el informe que se brinda vaya acompaado de datos complementarios tales como fotografas del lugar donde se va a efectuar el cruce, as como de los puentes cercanos y de los sondeos a suelo abierto hechos para el estudio del subsuelo. Con todos los datos de campo bien recopilados se pasa el anteproyecto del puente. Es conveniente elaborar varios anteproyectos usando diversos tipos de puente para escoger el ms econmico y ms adecuado. En todo puente se distinguen tres partes fundamentales: la superestructura, la subestructura y la infraestructura. La superestructura es la parte de la estructura destinada a trasmitir las cargas (muertas y vivas) a los apoyos. La subestructura es la que lleva las cargas de los apoyos a la infraestructura, y esta ltima es la que lleva las cargas al suelo de cimentacin. De igual forma, la superestructura se divide en isosttica, como es el caso de trabes libremente apoyadas, trabes con voladizos y arcos de tres articulaciones, y en hiperestticas, como el de las trabes continuas, arcos empotrados, arcos en dos articulaciones, marcos rgidos, etctera. Los puentes pueden ser diseados para soportar las siguientes cargas: 1. Cargas muertas 2. Cargas vivas 3. Efectos dinmicos o de impacto sobre la carga viva. 4. Fuerzas laterales. 5. Otras fuerzas, cuando existan como: fuerzas longitudinales, centrfugas y fuerzas trmicas.

3.7 Cargas muertasSer sencillamente el peso propio de la estructura, el cual se puede suponer con base en experiencias previas, y segn la magnitud de la estructura.

3.7 Cargas vivasLas cargas vivas ocasionadas por los vehculos segn la clasificacin de stos, la cual considera principalmente tres tipos de camiones con dos ejes y con cargas totales de 20, 15 y 10 toneladas inglesas.

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Captulo IVFormas de analizar las lneas de influencia para vigas y armaduras de camino y ferrocarriles

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4.1 Lneas de influenciaConsiderando la forma en que actan las cargas en una estructura vemos que se pueden clasificar en cargas permanentes (muertas), cargas no permanentes o vivas y/o cargas de construccin. La carga permanente, como su nombre lo dice, siempre estar presente en la vida til de la estructura y producir sobre esta efectos constantes; la carga viva o no permanente flucta tanto en posicin sobre la estructura como en su duracin produciendo efectos variables en ella. Podramos concluir, de una manera apresurada, que colocando la carga viva sobre toda la estructura produciramos los efectos mximos en ella, esta afirmacin no es cierta y requiere de un estudio mas complejo. Un ejemplo simple de este efecto es el de una viga simplemente apoyada con voladizo a un lado. Si la carga viva acta sobre toda la viga, producir un momento positivo en la luz menor que si acta solo en el tramo apoyado; en este ejemplo sencillo nos percatamos de la importancia de saber colocar la carga para que produzca los efectos mximos y as cuando diseemos no corramos el peligro de que nuestra estructura falle.

En este captulo estudiaremos el mtodo de las lneas de influencia para colocar la carga viva o variable de tal manera que produzca efectos mximos de corte, flexin, reacciones y deflexiones tanto para cargas puntuales como para cargas distribuidas. La lnea de influencia es un grafico que define la variacin de un esfuerzo (corte, momento flector o torsor), reaccin o deflexin en un punto fijo de la estructura a medida que se mueve una carga unitaria sobre ella. La lnea de influencia es diferente al diagrama de momento o cortante o a la elstica de la viga, estos representan la variacin de la funcin a lo largo de la viga para una serie de

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cargas definidas y el otro define como vara V, M o en un punto especfico cuando se mueve una carga unitaria sobre la viga no dando el valor de la funcin en toda posicin. La lnea de influencia utiliza una carga unitaria ya que por los conceptos de linealidad, proporcionalidad y superposicin se puede determinar la funcin especifica simplemente multiplicando el valor de la lnea de influencia por el valor de la carga real. Este mtodo se utiliza mucho para cargas vivas sobre puentes, puentes gras, bandas transportadoras y especialmente en aquellas estructuras con cargas mviles. Determinacin de la lnea de influencia: La lnea de influencia es una grfica en la cual las ordenadas representan una fuerza interna o deflexin y la abscisa representa la posicin de una carga unitaria. Para su construccin se define el punto de estudio sobre la estructura, se comienza a variar la posicin de la carga puntual y se encuentra el valor del esfuerzo interno a medida que se mueve la carga, se puede construir una tabla del valor de la funcin vs la posicin de la carga y despus se grafica. influencia y graficando. Otro mtodo es encontrando la ecuacin de la lnea de

4.2 Estructura de un PuenteEl objetivo bsico en el modelaje analtico de la estructura de un puente es proveer la formulacin matemtica ms simple del comportamiento de la estructura que satisfaga un particular diseo para determinar la respuesta de la misma. Aceptando que se cuenta con las herramientas analticas apropiadas para llevar a cabo el anlisis, el modelo debe reflejar las interacciones fsicas propias de la estructura con las solicitaciones a que estar expuesta. El modelo debe describir la geometra, la masa, las condiciones de conectividad y restricciones, as como las cargas lo ms cerca de la realidad que sea posible para facilitar la interpretacin de la respuesta. Elementos individuales simulando partes de la estructura o componentes completos del puente son conectados mediante nodos y los desplazamientos nodales son usados como incgnitas o grados de libertad en el anlisis.34

En adicin al modelaje de la geometra y la caracterizacin de las cargas inducidas a los elementos, la masa asociada a cada grado de libertad debe determinarse, ya que, las fuerzas de inercia contribuyen a la respuesta del puente. Adems, las conexiones entre los marcos individuales del puente, los apoyos y la cimentacin son complejas y tpicamente se hacen simplificaciones en el modelaje. La mejor descripcin de la geometra del puente en estudio debe comprender un modelo de cada uno de los elementos estructurales y que represente su relacin fsica y de espacio con otros elementos, pero esto no es siempre posible porque existen puentes que estn formados de armaduras, las cuales a su vez estn formadas por elementos, as como las conexiones entre cada armadura est compuesta de varios elementos; una discretizacin detallada de cada uno de estos elementos estructurales y el modelaje de sus caractersticas de conexin y fuerza desplazamiento es prohibitiva para el sistema total del puente. La necesidad de separar el sistema total en subsistemas manejables, marcos y elementos estructurales individuales para propsitos de modelaje es bastante obvio, y las diferentes opciones de modelaje son expuestas a continuacin.

4.3 Tipos de modelos analticos empleados en puentesEl sistema estructural total de un puente consiste en la superestructura, subestructura y cimentacin. La superestructura, particularmente para puentes largos, es separada en secciones mediante juntas de expansin que permiten la expansin o contraccin del puente sin introducir grandes esfuerzos o deformaciones a elementos individuales, o bien, por juntas de construccin articuladas que forman parte de un sistema particular de construccin. Son importantes estas juntas donde puedan presentarse deformaciones relativas entre partes de la superestructura para su respuesta ssmica, ya que las discontinuidades en el movimiento en stas permiten que las secciones individuales del puente respondan con diferentes caractersticas y con una interaccin compleja ante la fuerza inducida, por ejemplo por un sismo. Junto con sus respectivas subestructuras o sistemas de apoyo, como pilas, columnas y cimientos, estas secciones de la superestructura, referidas como marcos, juegan un rol principal en la cuantificacin de la respuesta ssmica, debido a sus caractersticas35

dinmicas de respuesta individuales. La respuesta individual de cada marco est controlada por la masa, y se debe su contribucin principalmente a la superestructura. Para reflejar la importancia y diferencias entre estos subsistemas individuales, en trminos de la cuantificacin de la respuesta ssmica del modelo analtico del puente, se hace una distincin entre (i) modelos globales, (ii) modelos de marcos y (iii) modelos de vigas

4.4 Modelos globalesLos modelos globales de la estructura completa del puente tiene una utilidad limitada, excepto por los casos donde (1) el puente es corto y est formado por un solo marco, (2) la respuesta esperada es en el intervalo elstico, y (3) cuando se pueden establecer las variaciones del movimiento del suelo a lo largo de la longitud total del puente. Los modelos globales de puentes son empleados predominantemente en la cuantificacin de la respuesta ssmica, para determinar desplazamientos elsticos y fuerzas equivalentes en los miembros. Dado que el valor real de modelos analticos globales radica principalmente en la caracterizacin del sistema total del puente, stos deberan emplearse primordialmente al final del diseo ssmico o contribuir al proceso para verificar los parmetros de cada subestructura en el sistema total, lo cual no es considerado en los otros modelos. En la figura 3.5.1. se presenta un modelo global de la estructura de un puente recto.

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4.5 Modelos de puentes a base de marcosLos modelos de puentes a base de marcos individuales proveen una herramienta til para obtener la respuesta ssmica, dado que las caractersticas de la respuesta dinmica de un marco individual puede evaluarse con una precisin razonable. Un anlisis con modelos de marcos individuales puede dar un mejor conocimiento de las caractersticas de la respuesta individual de las secciones del puente. La interaccin con los marcos adyacentes puede ser considerada en un anlisis marco por marco en la forma de resortes, los cuales son tpicamente modelados con caractersticas elsticas lineales. Otra aproximacin comnmente empleada es la de modelar grupos de marcos; donde tres o cinco marcos son modelados simultneamente con las apropiadas suposiciones para modelar las caractersticas de los movimientos de las juntas, y solo la respuesta resultante del marco interior (o marcos) es considerada como representativa de la contribucin en el anlisis. En la figura 3.6.1. se presenta un modelo de marcos.

4.6 Modelos de vigasEl desarrollo de modelos realistas de marcos requiere una discretizacin detallada de las vigas que forman la estructura; dado que, generalmente, la rigidez del marco est dada directamente por las vigas. Los modelos de vigas son usados principalmente para determinar la rigidez efectiva. Modelos de vigas deben incluir los efectos de flexibilidad de la cimentacin y pueden ser combinados en modelos de marcos como elementos a la37

mitad de la superestructura. El hecho de que la mayora de las superestructuras de los puentes presenten una alta rigidez en el plano, permite como una muy buena aproximacin, suponer movimientos de cuerpo rgido de la superestructura, lo cual simplifica ampliamente la combinacin de modelos de vigas. En la figura se presenta un modelo de vigas.

4. 7 Elementos estructuralesCualquiera que sea el tipo de modelo que se emplee para representar la estructura de un puente, se utilizan elementos para describir las caractersticas del comportamiento fsico de elementos entre nodos, definidos en la discretizacin matemtica de la estructura del puente. Los tres grupos de elementos estructurales, que generalmente se emplean en modelos de puentes son (1) elementos lineales, (2) placas y cascarones, y (3) slidos. Los elementos lineales son de la forma de resortes, elementos viga y barra, empleados principalmente en modelos esqueletales; las placas, cascarones y elementos slidos se emplean en modelos de elementos finitos. Los elementos en un modelo analtico estn conectados a los nodos definidos en la discretizacin estructural y son compatibles con la localizacin de los desplazamientos incgnitas en las que nos interesa conocer la respuesta modal. Diferentes tipos de elementos estructurales se presentan en la figura. Los elementos lineales se representan en la figura como un elemento viga, con seis grados de libertad en cada nodo (tres giros y tres desplazamientos). Un elemento bidimensional est representado en la figura, con una38

discretizacin de cuatro a nueve nodos; mientras que la formulacin de cuatro nodos en las esquinas es simple, un nmero grande elementos o discretizacin ms refinada, con un nmero mayor de grados de libertad, es necesaria para vencer la limitada flexibilidad en estos elementos; la adicin de nodos en el centro y a la mitad de los nodos de las esquinas proveen flexibilidad adicional al modelo; este tipo de elementos tiene slo dos grados de libertad por nodo (dos desplazamientos). En la figura se representa un elemento placa; tpicamente cada nodo tiene cinco grados de libertad en un elemento placa o cascarn (tres desplazamientos y dos giros). Finalmente, elementos slidos

tridimensionales se muestran esquemticamente en la figura en donde se tienen tres grados de libertad por nudo (tres desplazamientos); al igual que en los elementos planos, se pueden emplear un nmero mayor de nodos de los que se necesitan para modelar cada elemento. Caracterizaciones detalladas de estos elementos estn mas all del alcance de este trabajo y pueden encontrarse en la literatura de anlisis estructural general y teora del elemento finito (Hughes, 1987).

4. 8 Modelaje de los componentes de la estructura de puentesEn el modelaje de puentes es necesario tomar en cuenta factores tales como: (1) geometra y caracterizacin efectivas de miembros, (2) definicin adecuada de detalles de apoyo y conexiones, y (3) efectos de cargas permanentes y participacin de masas. En la39

mayora de los puentes, por definicin, la longitud grande de los claros, les permite ser considerados como estructuras rectas, donde la longitud del claro L entre apoyos es mayor que el ancho B o el espesor D de la superestructura, como se muestra en la figura 3.9.1. Para el anlisis de un puente no es necesario un modelo tridimensional de la superestructura con elementos finitos empleando elementos placa o elementos slidos; ms bien, modelos ms simples son suficientes, siempre y cuando estos representen las caractersticas de rigidez efectiva y distribucin de masa (Farrar et al, 1998).

En muchos casos, la superestructura de un puente, debido a su rigidez en el plano, puede suponerse que tiene un movimiento de cuerpo rgido bajo la accin de fuerzas ssmicas, y el problema entero del modelaje se reduce a representar la rigidez de los apoyos mediante restricciones en la geometra simulando la rigidez de la superestructura; donde la flexibilidad vertical de la superestructura reduce la unin con las columnas y apoyos. En casos donde la superestructura no puede considerarse rgida (como por ejemplo, puentes largos y angostos), la superestructura puede ser modelada como una retcula de vigas como se muestra en la figura 3.9.1.(c) o simulando una columna vertebral o espina con elementos tipo viga a lo largo del centro de gravedad de la seccin transversal a todo lo largo de la longitud del puente, como se muestra en la figura 3.9.1.(d); Propiedades40

equivalentes para los miembros de la 'columna vertebral' necesitan ser calculadas, las cuales representarn la rigidez efectiva de la superestructura. Un modelo del tipo espina o 'columna vertebral' con uniones rgidas en los apoyos no representan adecuadamente la distribucin de las cargas gravitacionales hacia las columnas y candeleros, dado que, tpicamente, en este tipo de modelos las cargas se aplican a lo largo del eje de la espina. Un modelo tipo retcula bidimensional es capaz de tomar en cuenta estos efectos, siempre y cuando, se coloque una distribucin suficiente de elementos tipo viga para que las cargas aplicadas sean distribuidas a todos los nodos en el rea de la losa del puente. La rigidez torsional total de la superestructura se distribuye entre todos los elementos longitudinales. La distribucin y caracterizacin de los elementos transversales tienen, como regla general, el siguiente procedimiento: la distribucin de las vigas transversales debe hacerse colocndolas, al menos, al centro y a cuartos de la longitud entre cada claro y sus propiedades deben ser equivalentes y representar el comportamiento transversal a flexin de la superestructura. Se puede obtener un incremento en la rigidez transversal en lugares donde se presenten diafragmas en la superestructura, estos diafragmas se modelan con una retcula de vigas con caractersticas derivadas de secciones T o I y un ancho efectivo de la losa para cada una de ellas. Slo en casos donde se necesite una detallada cuantificacin del nivel de esfuerzos, se requerir del empleo de elementos tipo placa; stos elementos para modelar la superestructura son ms importantes para evaluar las lneas de influencia y distribucin de cargas que para evaluar la respuesta ssmica

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BibliografasNormas tcnicas complementarias para el diseo y construccin de estructuras de concreto del reglamento de construccin de D.F. 1987. Manual de diseo de estructuras prefabricadas y presforzadas, instituto de Ingenieria de la UNAM, Eduardo Reynoso Angulo, mario E. Rodriguez y Rafael Betancourt Robotta. http://ingenieriacivilcoatza.blogspot.com/2008/10/estudios-preliminares-para-el-diseode.html

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