Diseño construccion de puentes compuestos

Diseño, Construcción y
Mantenimiento de Puentes
PUENTES COMPUESTOS
Msc. Ing. Norbertt Luis Quispe Auccapuclla.
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA VIAL CON
MENCION EN CARRETERAS, PUENTES Y TUNELES

PROPIEDADES DEL ACERO
DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACION DEL ACERO

PUENTES DE SECCION COMPUESTA
1.0 GENERALIDADES:
Una construcción mixta se caracteriza esencialmente por la presencia en
su estructura resistente de piezas que poseen "sección compuesta o
mixta", es decir, secciones resistentes en los cuales el acero estructural y
el concreto trabajan solidariamente.
Las vigas de acero y las losas de concreto reforzado se han utilizado
durante muchos años, sin tomar en consideración ningún efecto de
colaboración entre ambas. Sin embargo, en los últimos años se ha
demostrado que puede lograrse gran resistencia, uniéndolas de modo
que actúen como una sola unidad.

2.0 CONCEPTO
Conformado por una losa de concreto y viga de acero, los cuales están
unidas mediante conectores de corte para evitar que trabajen por
separado.
El término "construcción de puentes a base de vigas compuestas" define
un sistema en el cual se logra la interacción de una losa de concreto con
una viga de acero por medio de un dispositivo mecánico llamado
conector de cortante. La losa de concreto se convierte en el patín de
compresión de la viga compuesta, mientras que la sección de acero
resiste los esfuerzos de tensión, además la parte de la viga en tensión no
está ahogada en el concreto.
Los conectores de cortante pueden ser de la forma de canales,
vástagos, salientes o espirales y sirven para transmitir el cortante
longitudinal del concreto al acero, así como también para evitar que el
concreto se despegue del perfil.

Las especificaciones AASHTO para puentes incluyen una sección en el
diseño compuesto de trabes, y basan su análisis en la teoría elástica
como plástica.
Las dimensiones de la viga de acero y de la losa de concreto se
establecen sobre la base del momento de inercia de la sección
compuesta; el tamaño y el espaciamiento de los conectores de cortante se
seleccionan de acuerdo con los principios del comportamiento elástico o
plástico y la distribución del cortante longitudinal.

3.0 CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DE LA
CONSTRUCCION MIXTA
Una pieza mixta consta esencialmente de tres elementos estructurales
fundamentales:
-Sección de concreto
-Sección metálica
- Conectores

Para luces de hasta 40 pies aprox. con frecuencia es económica la
construcción no compuesta, en donde las vigas actúan sin tener en
cuenta la placa de hormigón.
Para luces mayores la acción compuesta es la más económica.

El concreto, además de su posible función como elemento distribuidor de
cargas, esta obligado a deformarse en conjunto con el acero, por la
acción de ciertos elementos incluidos en el concreto y solidarios con la
pieza metálica. La función de estos elementos, denominado Conectores",
consiste en evitar o controlar los deslizamientos relativos de ambos
materiales. De esta forma, el concreto, independientemente de otras
posibles funciones estructurales, colabora con la zona comprimida
aumentando la capacidad resistente del conjunto

• Los puentes de losa en sección compuesta con vigas soldadas se
considera que se comportan bien en los sismos.
• En USA la implicancia es en el sentido de utilizarlos mas
frecuentemente en zonas con actividad sísmica importante.
• Este argumento reconoce el hecho que muy pocos han colapsado en
los sismos en USA en contraste con el comportamiento de los puentes
de concreto.

3.1 NOMENCLATURA A USARSE
La nomenclatura básica a usarse será como se muestra en la figura
Donde:
ts : Espesor de la losa de concreto
be : Ancho efectivo de la losa de concreto
a : Separación de las vigas entre sus ejes
d : Peralte de la viga de acero
h : Peralte de la viga de la sección compuesta.
a a
h
ts
d
be
Connectors

4.0 HIPOTESIS PARA ANALISIS Y DISEÑO
La hipótesis básica para el análisis y diseño de una viga compuesta son:
a.- La losa de concreto está conectada continuamente a la viga de acero
a todo lo largo de ésta.
b.- El deslizamiento del conector de cortante es directamente proporcional
a la carga en el conector.
c. Existe una distribución lineal de las deformaciones unitarias a través
del peralte del miembro.
d.- La losa y la viga no se separan verticalmente en ningún punto a lo
largo de la viga

5.0 DISEÑO.
De acuerdo con las especificaciones de AISC, se pueden diseñar las vigas
compuestas con los métodos de esfuerzos permisibles o por diseño
plástico. En lo fundamental son principalmente miembros a flexión
5.1 TEORIA ELASTICA
Los esfuerzos son proporcionales a la deformación y el
momento limite se alcanza cuando el esfuerzo en la fibra inferior del acero
alcanza el esfuerzo permisible Fb, o el esfuerzo en la fibra superior de la
viga de concreto alcance el esfuerzo permisible Fc.
En este análisis el ancho efectivo de la losa se transforma en
una sección equivalente de acero igual a (be/n), donde “n” es la relación
de módulos de elasticidad

5.4 ANCHOS EFECTIVOS (be)
La "viga compuesta", con el patín de concreto en
comprensión se comporta como una viga T. De este modo
el ancho teórico efectivo del patín es una función del claro
de la viga, del coeficiente de Poisson y de la forma del
diagrama de momentos.
Las distintas especificaciones que permiten el diseño de
vigas compuestas establecen la forma en la cual debe
determinarse el ancho efectivo
La distribución real de esfuerzos en la viga no es uniforme
debido a la concentración de cortante. El esfuerzo es más
alto sobre las vigas de acero y es más bajo entre las vigas.
Para evitar cálculos complicados, se utiliza un esfuerzo
uniforme equivalente en el ancho efectivo “be”

ANCHO EFECTIVO
El más pequeño de
Para viga interior
-¼ L = La luz efectiva.
-12 ts = Doce veces el espesor de la losa más máximo).
- S = Espaciamiento promedio de centro a centro entre vigas.
Para viga exterior ½ Ancho efectivo viga interior + el menor de
- 1/12 L = La luz efectiva.
- 6 ts = Doce veces el espesor de la losa más máximo).
- S/2 = Distancia de extremo de losa al eje de la viga exterior.

Es : Módulo de elasticidad de acero
Ec : Módulo de elasticidad de concreto
LA SECCION TRANSFORMADA
n = Es/Ec btr = beff/(k.n)
btr
btr : Ancho de losa transformad de concreto.
k : Coef. Efectos de creep.
beff : Ancho efectivo.
Creep es la deformación del concreto causado por cargas a lo largo del tiempo.
K: 1 Cuando se use para carga viva y muerta que actúan unicamente sobre la viga
solamente.
K:3 Cuando se realiza la superposión de carga muerta en secciones compuestas.

Esfuerzos elásticos en vigas compuestas
Aunque la resistencia de diseño de vigas compuestas se basa, por lo
regular en las condiciones de falla, es importante entender el
comportamiento bajo cargas de servicio por varias razones. Las
deflexiones siempre son investigadas bajo cargas de servicio y en
algunos casos, la resistencia de diseño se basa en el estado límite de la
primera fluencia.
Los esfuerzos de flexión y cortante en vigas de materiales homogéneos
pueden calcularse con las fo´rmulas:

Deformación elástica y distribución de esfuerzos
La deformación de la sección compuesta es lineal, variando directamente
con la distancia desde el eje neutro. Son posibles dos casos de
distribución de esfuerzos.
FIGURA 5.1(a)
A).- El eje neutro se encuentra en la viga de acero
ts
be/n
y
d
Ɛ
Ɛ
Eje Neutro
f= Ɛ Ec
Esfuerzo
Deformación
f= Ɛ Es

FIGURA 5.1(b)
B).- El eje neutro se encuentra en la losa de concreto
d + ts - y
be/n
y
Eje Neutro
Esfuerzo
Deformación

5.2 TEORIA PLASTICA
Se sabe que las vigas compuestas muestran que la teoría elástica predice
en forma muy conservadora la capacidad del momento. Se puede
aproximar más la verdadera capacidad en momento suponiendo que la
sección de acero fluye por completo y la parte en comprensión de la losa
de concreto tiene un esfuerzo de 0.85f'c en todos los lados. La sección
transversal efectiva para el análisis plástico consiste en la viga de acero y
la losa efectiva.
Distribución de esfuerzos totalmente plásticos
Es posible tres distribuciones de esfuerzos totalmente plásticos:

FIGURA 5.2 (a)
A).- El EJE NEUTRO se encuentra en CONCRETO
d
ts
0.85 f'c
a
d/2
Fy
Mp
0.85 f'c be*a
Fy*As
ts-a/2
Eje Neutro

Quiere decir que el acero fluye por completo en tensión y la fuerza
resultante del esfuerzo en el concreto es 0.85*f'c*be*a y actúa a una
distancia a/2 de la parte superior de la losa. La fuerza resultante del
esfuerzo en el acero es Fy*As y actúa en el centroide de la viga de acero.
Por equilibrio se requiere que estas dos fuerzas sean iguales, esto es:
Fy*As = 0.85*f'c*be*a ============ a = Fy*As/(0.85*f'c*be)
El eje neutro se encontrará en el concreto si:
Fy*As < 0.85* f'c *be*ts ó a<ts
Caso contrario el eje neutro se ubicará en el acero
La capacidad de momento plástico se obtienen tomando el momento de las
fuerzas resultantes con respecto al eje neutro, que se encuentra en la parte
superior de la viga de acero
Mp = Fy*As*d/2 + 0.85*f'c*be*a*(ts-a/2)
El momento último de diseño será
φ Mp < Mu, donde φ = 0.85

FIGURA 5.2 (b)
B).- El EJE NEUTRO se encuentra en el PATIN SUPERIOR
d
ts
0.85 f'c
yp
d/2-yp
Fy
Mp
0.85 f'c be ts
Fy*As
yp/2
Fy
ts/2
bf * yp * Fy
E.N.

0.85*f'c*be*ts = Fy*As - 2*Fy*bf*yp
De donde: yp = (Fy*As - 0.85*f'c*be*ts)/(2*Fy*bf)
El eje neutro permanecerá en el patín de acero si 0<yp< tf, esto es:
0.85*f'c*be*ts <= Fy*As <= 0.85*f'c*be*ts + 2*Fy*bf*tf
Tomando momento con respecto al eje neutro tenemos
Mp = 0.85*f'c*be*ts*(yp+ts/2)+2*Fy*bf*yp*(yp/2) + Fy*As*(d/2-yp)
También debe de cumplir que: φ Mp < Mu, donde φ = 0.85
La fuerza resultante en el concreto es .85*f'c*be*ts y la cantidad
correspondiente en la viga de acero es Fy*As - 2*Fy*bf*yp, en donde yp
es la distancia de la parte superior del patín hasta el eje neutro. Por
equilibrio de fuerzas

FIGURA 5.2 (c)
C).- El EJE NEUTRO se encuentra en el ALMA
d
ts
0.85 f'c
yp
d/2-yp
Fy
Mp
0.85 f'c be ts
Fy*As
yp/2
Fy
ts/2
bf * tf * Fy
E.N. tw(yp-tf)Fy
tf

Por equilibrio de fuerzas tenemos que:
0.85*f'c*be*ts + 2*Fy*bf*tf + 2Fy*tw*(yp - tf) = Fy*As
de donde:
yp =tf + As/(2*tw) - bf*tf/tw - 0.85f'c*be*ts/(2*Fy*tw)
Momento de equilibrio con respecto al punto A:
Mp = 0.85*f'c*be*ts*(yp+ts/2)+2*Fy*bf*tf*(yp-tf/2)+Fy*tw*(yp-
tf)2+Fy*As*(d/2-yp)

5.3 APUNTALAMIENTO
Durante la construcción (después de haber montado las vigas de acero,
se cuela sobre ellas la losa de concreto), la viga de acero debe soportar
por si misma el peso de concreto fresco, el personal y el equipo de
construcción así como su propio peso. Para resistir esas cargas se
apuntalan temporalmente. La mayoría de las especificaciones indica
que después de que el concreto ha adquirido el 75% de su resistencia
a los 28 días, la sección ya trabaja como compuesta y todas las cargas
aplicables de este momento en adelante pueden considerarse como
resistidas por tal sección. Cuando se usa apuntalamiento, éste soporta
el concreto fresco y las otras cargas de construcción

Wd=Concreto fresco + cimbras + acero
L/4
L
Puntales
temporales
L/4 L/4 L/4

5.6 TRANSMISOR DE FUERZAS CORTANTES
Para que se pueda producir una acción compuesta es esencial la
existencia de conectores. Esos conectores deben transmitir el esfuerzo
cortante horizontal de manera que las deformaciones que se produzcan
sean extremadamente pequeñas, haciendo que la estructura se comporte
monolíticamente. También deben ser capaces de resistir cualquier
tendencia de la losa a separarse verticalmente del acero debido al pandeo
o cualquier otra causa.
De acuerdo con las normas AASHTO, el recubrimiento de concreto por
encima de la parte superior de los conectores no debe ser inferior a 2pulg.
Los conectores deben tener una altura mínima desde el fondo de la losa
de 2pulg. y distancia libre entre el borde del ala de la vigueta y borde del
conector no debe ser inferior a 1pulg
Existe una diversidad de formas de conectores tales como: canales,
vástagos, barras, espirales, zetas, ángulos, etc

5.7 CONECTORES
El número requerido de conectores se basa en el comportamiento de la
viga bajo momento último. Conforme se incrementa la carga en la viga,
algunos de los conectores de cortante comienza a fluir plásticamente, y se
origina una redistribución de la carga entre los conectores, antes de que
sobrevenga la falla bajo momento último. La fuerza horizontal última que
deberá ser transmitida del concreto al acero, o viceversa, es la menor de
las cargas últimas de compresión en el concreto y de tensión en el acero.
Esta carga cortante última deberá resistirse por medio de los conectores
colocados en la distancia comprendida entre el extremo de la viga, o sea
el punto de momento nulo, y el punto de momento máximo en esta
distancia los conectores pueden quedar uniformemente espaciados.
El número requerido de conectores n se determina dividiendo la carga
cortante nominal Vh por la carga cortante permisible q del conector que
se va a utilizar, expresado como: n = Vh/q. Vh es igual a C(compresión) o
T(tracción) nida mediante la ecuación

LOSA DE CONCRETO
VIGA METALICA
CONECTORES
Fc = 0.85 f'c be ts
Fs = Fy*As

TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTO TRANSVERSAL

REQUERIMIENTOS GENERALES DE DIMENCIONAMIENTO Y DETALLADO

Requerimientos para la longitud de tramos en puentes

Requerimientos de contraflechas por carga permanente

Requerimientos para espesores mínimos de acero

Requerimientos para diafragmas y marcos de cruces

Requerimientos para arriostramiento lateral

VIGAS I NO COMPUESTAS SOMETIDAS A FLEXION
Consideraciones geométricas de la sección I

Generalidades para secciones no compuestas

Aspectos básicos para diseño de secciones a flexión
a) Comportamiento plástico de secciones compactas:

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A) ARIOSTRAMIENTO EN PUENTES CON VIGAS DE SECCIÓN i

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