Propuesta de puente aplicando el método de diseño AASHTO LRFD para la ciudad de Manta.
Número Publicado el 31 de julio de 2018
http://dx.doi.org/10.23857/dom.cien.pocaip.2017.4.3.julio.189-210 URL:http://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/index
Ciencias técnicas y aplicadas
Proposal of bridge slab using the AASHTO LRFD design method for the city of Manta
Proposta de ponte de laje aplicando o método de projeto AASHTO LRFD para a cidade de Manta.
Carlos G. Delgado-Castro I
Robert A. Rodríguez-Rivas II
Weelinton A. Verá-Ávila III
Correspondencia: carlosgdelgado@uleam.edu.ec
I. Magister en Gestión Ambiental Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí, Manta, Ecuador. Ingeniero Civil Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí, Manta, Ecuador. Capacitación Global CAPAGLOB S.A prevención de riesgos laborales, Manabí, Ecuador.
II. Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, Ecuador.
III. Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, Ecuador.
http://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/index
Es necesario mencionar, que Ecuador no cuenta con una normativa propia de carácter técnico y actualizado para el diseño de puentes vehiculares, por lo que ha sido necesario recurrir a normas de carácter internacional, siendo las normas americanas dada por la AASHTO la más utilizada. Con base en este planteamiento, se propone el diseño el método de AASHTO LRFD para la realización de puente losa en la ciudad de manta. La investigación siguió una metodología cuanli- cuantitativa. El enfoque epistémico fue la lógica racional. De carácter no experimental de campo y documental. La información fue analizada a través del análisis interpretativo de los datos aportados por la revisión documental de las características poblacionales y viales del cantón de Manta, por lo que genero la necesidad de proponer un proyecto de puente losa con miras a ser utilizado en otras ciudades con características similares a la estudiada. Entre sus conclusiones se puede mencionar que fue posible determinar que el correcto dimensionamiento de la estructura del puente losa, dependerá específicamente del proyecto que se esté llevando a cabo, considerando principalmente la longitud del puente, así como el peralte de la losa.
It is necessary to mention, that Ecuador has a regulation itself of up-to-date and technical character for the design of vehicular bridges, so it has not been necessary to resort to international standards, being the American standards given by the AASHTO more used. Based on this approach, intends to design the AASHTO LRFD method for the realization of bridge slab in the city of manta. The investigation followed a methodology cuanli-cuntitativa. The epistemic approach was rational logic. Non-experimental character of field and documentary. The information was analyzed through the interpretative analysis of data provided by the document review of population and road characteristics of the canton of blanket, by what genre the need to propose a project of bridge slab to be used in other cities with similar characteristics to the studied. Its conclusions include that it was possible to determine the correct sizing of the structure of bridge slab, will depend specifically on project that is being carried out, mainly considering the length of the bridge as well as the can’t of the slab.
Deve ser mencionado que o Equador não tem regulamentos de design técnico e específico atualizados para o personagem pontes veiculares, por isso foi necessário recorrer a padrões internacionais, padrões americanos sendo dado pela AASHTO mais frequentemente usado. Com base nessa abordagem, propõe-se o desenho do método AASHTO LRFD para a realização de uma ponte de laje na cidade de manta. A pesquisa seguiu uma metodologia quantitativa-quantitativa. A abordagem epistêmica foi a lógica racional. De caráter não experimental de campo e documentário. Os dados foram analisados através da análise interpretativa dos dados fornecidos pela análise do documento da população e rodoviárias características do cantão de Manta, então eu gerar a necessidade de propor uma ponte projecto de laje com vista a ser utilizado em outras cidades características semelhantes à estudada. Entre as suas conclusões podem ser mencionados que foi possível determinar o dimensionamento correcto da estrutura de ponte da laje, o projecto dependerá especificamente a ser realizada, especialmente considerando o comprimento da ponte, bem como a profundidade da laje.
El cambio más significativo que introdujo la norma AASHTO (1996) en el cálculo de estructuras de puentes es la utilización del método LRFD: Load and Resistance Factor Design, el cual corresponde, según Ochoa (2008), a un método de estados límites últimos, que considera factores para cada carga y para cada resistencia nominal. Otro aspecto importante que introdujo esta norma es la forma de combinar las cargas, ya que ésta considera algunos factores que van a cambiar el margen de seguridad del puente, dando una mayor confiabilidad a la estructura. El mismo Disposiciones de la norma AASHTO LRFD. Otro aspecto importante que introdujo esta norma es la forma de combinar las cargas, ya que según Perales (2013) ésta considera algunos factores que van a cambiar el margen de seguridad del puente, dando una mayor confiabilidad a la estructura.
El mismo autor, indica que estos factores corresponden a coeficientes de ductilidad, redundancia e importancia de la estructura. Esta norma, indica Nilson (2011) introdujo una nueva forma de combinar el modelo de carga vehicular, debido a que se establecen tres tipos de cargas vivas vehiculares: Camión de Diseño, Tándem de Diseño y Carga de Faja de Diseño. En general, a
continuación, se muestran las disposiciones más importantes de la norma AASHTO que se utilizarán en el posterior diseño de las superestructuras de los modelos elegidos.
Estados Límites correspondientes a Eventos Extremos. Es importante considerar el estado límite que corresponde a eventos extremos para asegurar la vida útil estructuralmente hablando de un puente durante lluvias intensas que produzcan inundaciones o sismos de grados significativos, o por ejemplo cuando es impactado por un elemento externo, posiblemente en situaciones con socavación. Cargas (AASHTO LRFD)
DC: Carga permanente de componentes estructurales DW: Carga permanente de superficies de rodamiento IM: Carga Dinámica
LL: Carga Viva vehicular
Se definen tres tipos de cargas: Carga de Camión, Carga de Faja y Carga de Tándem. La carga vehicular total a utilizar es designada “Carga HL–9”. Esta carga será la mayor solicitación proveniente de las combinaciones:
-Carga de Camión + Carga de faja (Utilizada en nuestro país)
-Carga de Tándem + Carga de Faja
En la dirección longitudinal se tiene una distancia de separación entre ejes de ruedas de 4.3 (m) y otra que varía entre 4.3 (m) y 9.0 (m), considerando la que provoque las máximas solicitaciones. Los dos últimos ejes reciben la mayor parte de la carga, 14,8 (T) en cada eje, y 3.57 (T) en su eje delantero, lo que se aprecia en la siguiente figura:
será de 1.8 (m).
Según (AASHTO, 2004) la carga móvil de fatiga consiste en un camión igual al establecido en el artículo 1.4.6.4.3.2.1 del presente proyecto, solo que con un espaciamiento fijo de 9,0 (m) entre ejes de peso igual a 14.8 (T). Además, no se considera la carga de faja. El estado de fatiga no necesita ser investigado para las losas de hormigón con vigas múltiples.
Los efectos estáticos del camión o tándem de diseño serán aumentados en el porcentaje.
Componentes | IM (%) |
Justas de losa – todos los estados limites | 75 |
Todos los demás componentes | |
Estado límite de la fatiga y fractura | 15 |
Todos los demás estados limites | 33 |
El factor que se aplicará a la carga estática será: C═ (I+1m/100). La carga dinámica admisible no se aplica sobre la carga peatonal ni sobre la carga de faja. Aplicación de las cargas de camión. La carga vehicular a utilizar se determina como la condición más desfavorable entre: la carga de camión más la carga de faja o la carga de tándem más la carga de faja. En el diseño AASHTO LFRD, la carga de camión o de tándem deberá posicionarse transversalmente, tal que el centro de la rueda externa este a más de: 0,3(m) de la cara interna del guardarruedas o de la baranda, para el diseño de la losa en voladizo y de 0,6(m) del borde de la vía de diseño, para el diseño de todos los demás elementos.
La investigación siguió una metodología cuanli- cuantitativa. El enfoque epistémico fue la lógica racional. De carácter no experimental de campo y documental. Considerada de campo porque se realizó en el lugar en donde se dio el problema y se estudiaron en el mismo lugar las posibles soluciones para dar la repuesta al problema y documental ya que se analizó la información descrita sobre el tema para así establecer un juicio del cual se partió para estudiar el comportamiento seguridad estructural de Puentes Vehiculares mediante el análisis de las dos filosofías de diseño. La
información fue analizada a través del análisis interpretativo de los datos aportados por la revisión documental de las características poblacionales y viales del cantón de Manta.
Posterior al análisis interpretativo de los datos aportados por la revisión documental de las características poblacionales y viales del cantón de Manta, se posible proponer, un método de diseño AASHTO LRFD para la ciudad de Manta, que además de beneficiar a sus habitantes, de igual manera a los ingenieros de la localidad al ser capacitados en este tipo de diseño de puente losa. La propuesta puede ser inicialmente ejecutada en la ciudad de Manta, pero se pretende que los talleres que se impartan alcancen otros cantones pertenecientes a la provincia de Manabí, con la finalidad de que se difunda de forma oportuna en el País. La misma se presenta a continuación: Objetivo general de la propuesta: proponer el proyecto de un puente losa aplicando el método de diseño AASHTO LRFD.
Generar un análisis del método AASHTO LRFD.
Diseñar el grafico de armadura de la losa por medio del método AASHTO LRFD
Socializar los datos obtenidos por medio de la aplicación del método de diseño AASHTO LRFD a través de la generación de un puente losa.
Descripción | Medida |
Resistencia del concreto (f´c) | 280 Kg./cm |
Fluencia del acero (f´y) | 4200 Kg./cm² |
Carpeta asfáltica | 0,05 m |
Densidad del concreto | 2400 Kg./cm³ |
Densidad del asfalto | 2250 Kg./cm³ |
Longitud libre | 10 m |
Ancho de la calzada | 9,2 m |
Peso del pretil | 0,834 Tn/m |
Carga del carril | 0,95 Tn/m |
Interiores De borde
ℎ = 1,2(10 + 3) = 0,52 m Se adoptará una losa de h = 0,55m
30
Calculo de franjas interiores, franjas de borde y cargas muertas para el diseño de puente losa AASHTO LRFD.
Ancho de Franjas
Un carril cargado | Múltiples carriles cargados |
B`= 9m | B`= 11m |
L`= 10m | L`= 10m |
E = 4,20m | E = 3,36m < B/Nvía |
E = 3,36m < 3,67m |
Nuestra franja interior definitiva será el menor valor de “E” entre un carril cargado y múltiples carriles cargados, es decir: E=3,36m
E/4+Ep+0.3=2.04m |
E/2=1,68 |
180m |
Calculo de carga viva para el diseño de puente.
Cargas Vivas (LL+IM). Para puentes simplemente apoyados y cargas HL-93 Momentos por cargas vivas
Para L ≤ 12,2m Usar Tandem de Diseño 22,73 2 Mta= 𝐿 +(L/2 + 0,30) −13,83 |
Para L> 12,2m Usar Camión de Diseño 32,73 2 Mta= 𝐿 + (L/2 +0,71) −61,94 |
Como L = 10m ≤ 12,2m; usamos un Mta--
Utilizamos la carga de carril que es 𝑊𝑙𝑙𝑎𝑎 = 0,95 T𝑇/m. El momento causado por esta carga en el centro del claro es
𝑀𝐿𝑎=𝑊𝐿𝑎∗L2 / 8 = 11,88 Tn – m. El impacto es de IM = 33%
FRANJA INTERIOR: Es decir la carga viva + impacto + carga de carril es: MLL+IM = (1 + 0,33) ∗ 50,02 + 11,88 = 78,40 Tn-m.
M2LL+IM = 0,5(78.40) = 39,20 Tn-m.
F. Interior | F. de Borde | |
DC | 55,42 Tn-m | 38,13 Tn-m |
DW | 4,72 Tn-m | 1,10 Tn-m |
LL+IM | 78,40 Tn-m | 39,20 Tn-m |
Resistencia | Servicio | |
DC | 1,25 | 1,00 |
DW | 1,50 | 1,00 |
LL+IM | 1,75 | 1,00 |
A continuación, para encontrar el momento último de resistencia y momento último de servicio multiplicamos las cargas encontradas anteriormente por su respectivo factor de carga, obteniendo lo siguiente:
F. Interior | F.deBorde | F.de Carga | |
DC | 55,42 Tn-m | 38,13 Tn-m | x 1,25 |
DW | 4,72 Tn-m | 1,10 Tn-m | x 1,50 |
LL + IM | 78,40 T-nm | 39,20 Tn-m | x 1,75 |
M.u (Resistencia) | 213,55 Tn-m | 117,91 Tn-m | |
M.s(Servicio) | 138,54 Tn-m | 78,43 Tn-m |
Factor de resistencia a flexión requerido R=Mu/ɸ*b*d2
Necesitamos probar con un diámetro de varilla ya que requerimos conocer el ancho efectivo (d). Probaremos con una varilla 24mm
El recubrimiento inferior requerido para losas coladas en sitio es de 2,50cm d= (55cm - 2,5cm- 2,4cm/2)
d= 51,30cm
R= Mu
∅∗𝑏∗d2 ρ = 0,85
𝐴s = 𝜌 ∗ b ∗ 𝑑
𝐴s = 0,007 ∗ 100cm ∗ 51,30cm = 34,88 cm2 100 ∗ área nom de la varilla
100 ∗ 24 ∗ 24 ∗ 3,1416
𝑆 = 400
34,88
Usaremos varilla de 24mm @ 13cm para las franjas interiores
𝐴s = 𝜌 ∗ b ∗ 𝑑
𝐴s = 0,008 ∗ 100cm ∗ 51,30cm = 38,88 c m2 100*área nom de la varilla
100 ∗ 24 ∗ 24 ∗ 3,1416
𝑆 = 400
38,88
Usaremos varilla de 24mm @ 12cm para las franjas exteriores
ye | Factor de exposición |
1,0 para condición sin exposición al agua | |
0,75 para condición expuesto al agua | |
𝑑𝑑𝑐𝑐 | Recubrimiento de concreto desde la fibra extrema a tensión hasta el centro del esfuerzo más cercano |
s | Espaciamiento de varillas |
h | Espesor o altura del elemento |
dc = ℎ −d dc = 55cm − 51,30cm =3,70cm
3,70cm
𝛽𝑠 = 1 + 0,7(55cm − 3,70cm)
Fss =
125 ∗ 1
1,1(13cm + 2(3,70cm)
Fss = 5,56 𝑇n/cm2
Escogemos el menor, por lo tanto: Fss = 2,52 Tn
125 ∗ 1
F𝑠𝑠 = 1,1(12sm + 2(3,70sm)
F𝑠𝑠 = 5,84 𝑇n/cm2
Escogemos el menor, por lo tanto: Fss = 2,52 Tn
Entonces este valor límite tenemos que compararlo con nuestro esfuerzo que existe en
nuestra sección.
𝐸s
n = 𝐸c
Es= 2000.00 Tn/cm2 
Módulo de elasticidad del acero
Ec= 267.73 Tn/cm2 Módulo de elasticidad del concreto 𝐸𝐸𝑒𝑒 = 16000√𝐹𝐹′𝑒𝑒
La cuantía de acero es:
2000
n = 267.73 = 7.47
ρ= 0.007 (24 mm @ 12 cm) con As= 34.88 cm2
𝑘 = √ (𝑝n)2 + 𝑝n − 𝑝n
𝑘 = √0.007 ∗ 7.47)2 + (0.007 ∗ 7.47) − (0.007 ∗ 7.47)
𝑘 = 0.18
𝑗 = 1 − k/3 𝑗 = 1 − 0.18/3 𝑗 = 0.94 Con esto ya podemos calcular el esfuerzo en el acero a tensión:
Fs = 𝑀𝑠
𝐴𝑠 ∗ 𝐸 ∗𝑗𝑑
(138.54 ∗ 100)
Fs = (138.54 ∗ 100)
(34.88 ∗ 3.36) ∗ 0.94 ∗ 51.30
Fs = 2.45
Fs= 2.45 ≤ Fss𝑠= 2.52 
Si cumple esfuerzo en el acero a Tensión Esfuerzo límite.
La cuantía de acero es:
ρ= 0.008 (24 mm @ 12 cm) con As= 38.80 cm2
𝑘 = √ (𝑝n)2 + 𝑝n − 𝑝n
𝑘 = √ (0.008 ∗ 7.47)2 + (0.008 ∗ 7.47) − (0.008 ∗ 7.47)
𝑘 = 0.19
𝑗 = 1 − k/3
𝑗 = 1 − 0.19/3
𝑗 = 0.94
Con esto ya podemos calcular el esfuerzo en el acero a tensión:
Fs = 𝑀𝑠
𝐴𝑠 ∗ 𝐸 ∗ 𝑗𝑑
(78.43 ∗ 100) F𝑠 = (38.80 ∗ 1.68) ∗ 0.94 ∗ 51.30F𝑠 = 2.50
F𝑠 = 2.50 ≤ F𝑠𝑠 = 2.52 
Si cumple Esfuerzo en el acero a Tensión Esfuerzo límite.
El Refuerzo distribuido sirve para distribuir los momentos al refuerzo principal
% 𝑅ef. 𝐷istrib. = 55.2 ≤ 50%
√𝐿
Para nuestro caso obtenemos:
% 𝑅𝐸f. 𝐷istrib𝑎. = 55,2 = 17.46% ≤ 50%
√10
Usando un As= 37.62 cm2 como un área de acero promedio del Refuerzo Principal de las franjas interiores y exteriores, tenemos lo siguiente:
𝐴stemp = 17.46%
100 ∗ 37.62 = 6.50 cm
Separación= 30 cm Usaremos varilla de 16 mm @ 30 cm
g As Temp. = 7,82
Fy
As Temp 7,82 55 ∗ 100 = 10.24 cm2
4200
Separación= 12 cm
Actividades | Mayo | Junio | Julio | Agosto | Septiembre | |||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
Aplicación de talleres comportamiento y seguridad estructural de puentes vehiculares | X | X | ||||||||||||||||||
Talleres de capacitación sobre la aplicación de los métodos de diseño | X | X | X | |||||||||||||||||
Socializar los resultados del análisis | X | X | X | |||||||||||||||||
comparativos en los talleres | ||||||||||||||||||||
Solicitar apoyo al GAD de manta para el | X | X | X | |||||||||||||||||
desarrollo de las charlas con los ingenieros de la localidad | ||||||||||||||||||||
Evaluación | X | X | X | X | ||||||||||||||||
Retroalimentación | X | X | X | X | X |
Se analizó la información teórica referente a tema, por medio de la que se pudo identificar que la Norma AASHTO fue la primera norma reconocida para el diseño y la construcción de puentes, convirtiéndose rápidamente en una norma nacional, dentro de esta norma existe el método elástico (ASD) en el cual se debe estimar las cargas de trabajo o servicio, es decir las cargas que la estructura tiene que soportar, para luego diseñar los miembros estructurales con base en ciertos esfuerzos permisibles y existe el método plástico (LRFD) en este método las cargas de trabajo se estiman y se multiplican por ciertos factores de carga o de sobrecapacidad y los elementos estructurales se diseñan entonces con base en sus resistencias al colapso.
Por medio del proceso investigativo fue posible determinar que el correcto dimensionamiento de la estructura del puente losa, dependerá específicamente del proyecto que se esté llevando a cabo, considerando principalmente la longitud del puente, así como el peralte de la losa. Para la propuesta presentada se diseñó un puente losa de 10 m de longitud, 9.20 m de ancho y un peralte de losa de 0,55 m, luego aplicando el procedimiento de cálculo y las formulas respectivas del método AASHTO LRFD el armado concluyó, que la distribución del acero principal para el borde interior es de varilla de 24 mm @ 13 cm, para el borde interior es de varilla de 24 mm 12 cm y para el acero de repartición es de varillas de 16 mm @ 30 cm
Se generó un análisis del método AASHTO LRFD, por medio del cual se pudo establecer como datos de mayor relevancia los momento últimos en la franja interior tanto en Resistencia como en Servicio, para el primer caso se obtuvo un momento de
213.55 T-m; mientras que para el segundo caso resultó un momento de 138.85 T-m el diferencia que se presenta debido a que la AASHTO LRFD considera factores de
carga mayores en resistencia que en servicio y por lo tanto genera una mayor inversión técnica.
AASHTO. (1996). Standard Specifications for highway bridge. Washington: 16th Ed.
AASHTO. (2004). Especificaciones para el diseño de puentes por el método LRFD. Washington: 3th. Ed.
Escalante Cervera, V. (2014). Diseño de estructuras metálicas LRFD. Santo Domingo - República Dominicana: Editorial Independiente.
FELIX, D. (2015). Diseño y análisis de la superestructura de un puente de hormigón. Guayaquil: Universidad Laica Vicente Rocafuerte.
Nilson, A. (2011). Diseño de estructuras de concreto. Bogotá - Colombia: Graw Hill.
OCHOA, A. (2008). Diseño de superestructura de puentes de hormigón armado. Valdivia: Universidad Austral de Chile.
Perales, A. (2013). Diseño automatizado de vigas metálicas para puentes carreteros. Chile: Universidad Austral de Chile.