CAPITULO VIII ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES

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1 1 ':...\..", REPUBLlCA DE COLOMBIA DISTRITO CAPITAL DE SANTAFEDEBOGOT A INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO In;tittroo DESARROLLO URBANO :,'~~~~~~~~i~~~~~:~~!~i:: CONTRATO N PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AVENIDA BOSA CAPITULO VIII ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES

2 INSTITUTO DE DESARROllO URBANO. IDU CONTENIDO 8.1 GENERALIDADES 8.2 CAMIONES DE DISEÑO 8.3 HIPOTESIS DE CARGA 8.4 MEMORIAS DE CALCULO VIGAS Y TABLEROS PARA LUZ DE 31.5 M. Y SEPARACION DE VIGAS DE 2.65 M. 1. DISEÑO DE PLACAS JI. DISEÑO DE VIGAS VIGAS Y TABLEROS PARA LUZ DE 31.5 M. Y SEPARACION DE VIGAS DE 2.13 M. 1. DISEÑO DE PLACAS 11. DISEÑO DE VIGAS Pág PREDIseÑo DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES

3 8.1 GENERALIDADES La solución ala intersección motivo de este prediseño comprende la construcción de dos puentes paralelos, orientado en sentido norte - sur y que dan continuidad a la avenida Basa. Los puentes se han previsto en concreto postensado de una luz total de 160 m. distribuida en tramos simplemente apoyados de 32.50, 30.00, 32.5, 32.5 Y Las vigas serán construidas en concreto de fc psi, con aproximadamente 7 cables de 6 o 7 taranes con diámetro 1h", con una resistencia última de psi. y de baja relajación. En las tres luces centrales, el puente del costado oriental tendrá un mayor ancho con el fin de alojar un puente peatonal amplio el cual podrá ser utilizado como parte integral de la cicloruta que se plantea diseñar en un futuro. Al puente peatonal se accederá por dos rampas perpendiculares al puente localizadas en cada uno de los extremos del sobreancho. El puente peatonal (o cicloruta) se ha diseñado estructuralmente, para efectos de este prediseño, como parte integral del tablero del puente. Los puentes tendrán una separación de 0.10 m. entre sí y cada uno estará provisto de defensas construidas en concreto según se muestra en el detalle inserto en los planos. Arquitectonicamente la superestructura e infraestructura del puente se ha concebido, en concreto a la vista. Las vigas y la losa estarán cubiertas por placas de concreto prefabricadas que darán una apariencia lisa y continua, de fácil mantenimiento a la parte inferior del puente, conformado volumenes definidos. PREDISE~O DE LA INTERS.ECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOSESTRUCTURALES PAG 1

4 Bajo el puente y adosado al estribo del costado norte, se ha previsto construir tres locales, con un área total de m. la cual se distribuirá adecuadamente para alojar la subestación eléctrica que alimentara los circuitos de iluminación, baños públicos y uno o dos locales comerciales. 8.2 CAMION DE DISEÑO Los códigos utilizados para su diseño, son el Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes, publicado por el Instituto Nacional de Vías, y como código alterno el Manual de la AASHTO. La carga viva de diseño elegida fue el camión C45-95 especificado en el Código Colombiano. La losa será de 0.18 m. de espesor y será construida en concreto de fc= psi. Las pilas, pilotes, columnas y vigas, cabezal, así como los estribos y los muros de contención serán construidos en concreto de fc= psi. El acero de refuerzo que se utilizará será grado 60 con fy= psi. 8.3 HIPOTESIS DE CARGA Para el prediseño de la superestructura de el puente, se calcularon las fracciones de carga para vigas externas e internas, para la carga viva, así como las cargas muertas que corresponden a cada una de ellas. Para el cálculo del momento máximo se utilizó el Teorema de Barré y se analizaron los esfuerzos en el Centro de la Luz por el método de los Esfuerzos de Trabajo. Para la losa del puente, se utilizó el grupo de cargas 1, con sus factores de mayoración para la carga viva y la carga muerta de acuerdo al Código Colombiano de Puentes. PREDIsef40 DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. SOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 2

5 INSTI11JTO DE DESARROLLO URBANO. IDU Para el cálculo de la infraestructura, se corrió el programa SAP 90 para la carga viva, la carga muerta, la carga muerta y el sismo. Para la carga viva, se corrió el módulo BRIDGE de este programa, suponiendo 4 vías de circulación y dos tipos de camión: el C40-95 con sus cargas de camión y el Lane y cargas concentradas para momento y corte, correspondiente a este camión. Adicionalmente, se le introdujo el camión 3-S-2, tanto en sus cargas concentrada, como el Lane y cargas concentradas para momento y corte. El programa combina y elige los camiones más críticos a emplear y da los resultados de sus efectos sobre las diferentes elementos de la estructura. Para el análisis sísmico, se construyó el espectro de diseño de acuerdo al Código Colombiano, y se introdujo al programa en el módulo SPEC. De la experiencia se concluye que el grupo de carga que controla el diseño para la infraestructura y los pilotes, es el caso de carga sísmica, que para el caso de puentes en ciudades, la carga viva debe ser considerada como masa adicional a la de la carga muerta. Esta masa adicional fue incluida en la masa de los elementos en el módulo frame. El grupo de carga para el diseño sísmico, considera la carga muerta, la carga sísmica, incluyendo la carga viva para puentes en ciudad, con un factor de mayoración de 1 de acuerdo al Código. El programa nos entrega los momentos y cargas axiales en las pilas, con las cuales se estima la carga sobre los pilotes y las cargas en los estribos, para el diseño de estos. El predimensionamiento que aparece en los planos corresponden a prediseños para los esfuerzos mostrados en estos análisis. los PREDISE~O DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BOSA. CAPI11JLO VIII: ES11JDIOS y PREDISEÑOS ESTRUC11JRALES PAG 3

6 8.4 MEMORIAS DE CALCULO VIGAS Y TABLEROS PARA LUZ DE 31.5 M. Y SEPARACION DE VIGAS DE 2.65 M. SECCiÓN TRANSVERSAL Vigas de 3.15 m. de luz Acomodar una (1) Viga más a 2.65 m.(ver Figura No.1) Cf. VIGA r Cf. VIGA \ Cf. VIGA Cf. VIGA Cf. VIGA PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 4

7 DISEÑO DE LA SUPERESTRUCTURA 1. DISEÑO DE LA PLACA (Refuerzo principal normal al tráfico). Usaremos: Concreto de fc'= psi (placa) y psi vigas. Acero Tipo P. D.R. Grado 60 Camión C t4.00 l' Varía (4.00 a9.o.?t 10 ton I eje 15 ton I eje 15 ton I eje Carga por rueda trasera P = 7.50 toneladas. Espesor de la placa: t = 0.18 mts. Recubrimiento: d' = 0.03 mts. d = 0.15 rnts. Luz entre centros: Sv = 2.65 mts. Luz de cálculo: Sp = = 2.05 mts. C.M = Carga Muerta: Por Pavimento e = 5 cm. = 2.4 x 0.05 = 0.12 ton I m. Por Placa e = 18 cm. = 2.4 x 0.18 = 0.44 ton I m. Total = 0.56 ton J m. Momento por Carga Muerta:: Mcm = a Wd S2 Mcm = 0.10 x 0.56 x = ton - m. 1m. PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE!JI. AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS y PREDIseÑOS ESTRUCTURALES PAG 5

8 c.v. = Carga Viva: Camión C llanta Trasera: P = 15.0/2 P = 7.5 ton. Momento por Carga Viva = Mcv = 0.80 ( (Sp+ 0.61) 19.75) x P Mcv = 0.80 « ) 19.75) x 7.50 = 1.64 ton - m 1m. Impacto: I = ( ) = 0.38 => Imáx= 0.30 Momento de Impacto: MI = 0.49 ton - m. 1 m. Momento por Carga Viva más Impacto: M cv+1 = = 2.13 ton-m/m Grupos de Carga y Factores para el Diseno a Rotura - Grupo I = 1.3 [1.0 x (2.13)] = 4.93 ton-m/m = Mu Los otros grupos son menos críticos para las fuerzas aplicadas a este elemento estructural. Revisión del espesor de la placa: Para concreto de fe' = psi y acero grado 60 se tiene: Kmáx= entonces; d =... (4931 (100 x » = 8.67 cm = cm. PREDIsefilo DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDIseÑOS ESTRUCTURALES PAG 6

9 ,, INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. IDU cm. < 18 cm. K=Mu = 493 = entonces; p = As = x 100 x 13 = cm 2 # 0.15 arriba # 0.15 abajo Acero de Distribución: Porcentaje = :rs s = longitud efectiva en pies S = 2.05 mts. = 6.73 pies entonces; Porcentaje (%) = '16.73 Porcentaje (%) = 84.8 % => 67 % máximo As de distribución = x 0.67 = 7.37 cm 2 # 0.20 en la parte inferior de la losa y # 0.25 en las otras zonas. PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIU: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 7

10 lnstituto DE DESARROLLO URBANO. IDU Placa en Cantiliver (Figura No.2) P = 750 ton. Ir~ hn I~~~.:.t\:~~-l " n 18' I I.! \./. s 1-4 I I n Q,r'" l ~ V l~o~....i~i. I I,~ -~- ~T "«~-'- I 04R _. H.J ~_ PREDISEtilO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 8

11 INSTIl1JTO DE DESARROLLO URBANO. IDU I Momento por Carga Muerta: Por Bordillo = 0.85 x 0.30 x 2.4 = ton/m. M = ( ) = ton-m/m Por Placa = x1.175 x 2.4 = ton/m. M = x « ) 12) = ton-m/m Momento por carga Muerta: Mcm = = ton-m/m. Por losetas Prefabricadas: 2.10 x 0.08 X 2.4 = 0.20 ton-m/m. M = 0.20 x = ton-m.lm. 2 Momento por Carga Viva: Mcv = 7.50 x 0.57 = 4.28 ton-m/m. Pues la cuerda del camión se sitúa a m. del bordillo. Momento por Impacto = 4.28 x 0.3 = ton-m/m. Grupos de Carga y Factores para el Disefto a Rotura: -Grupo I = 1.3 [1.0 x ( ) x 1.67) = 9.22 ton-m/m ton-m/m = Mu PREOISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPIl1JLO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOSESTRUCTURALES PAG 9

12 Cálculo del Refuerzo en el Voladizo: K = Mu = 922 :::: ::::> bd X 20 2 p = As = x 100 x 20 = 13 cm 2 # 0.15 arriba Conviene prolongar el refuerzo # 5 de la cara superior de fa losa para anejarel refuerzo necesario para momento negativo calculado entre vigas, esta extensión cubre el momento negativo del voladizo. Espesor de la losa en el voladizo = 25 cm. Refuerzo de repartición: Igual a la placa entre vigas. *Ancho Efectivo: E = 0.8 x E = 0.8 x = 1.60 m. para la carga viva. Momento por Carga Viva más Impacto por metro de ancho: 4.28 x 1.30 = ton-mlm PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOSESTRUcrURALES PAG 10

13 11. DISEÑO DE VIGAS l = mts.. Separación 2.65 mts. Cargas para una Viga y Momentos CL. de la Luz: * Cargas Muertas Para Vigas Interiores: Por Pavimentos: 0.05 x 2.65 x 24 = tonlmtr/viga Por Bordillo: 3 x 0.612/6 = ton/mtr/viga Por placa: 0.18 x 2.65 x 2.4 = ton/mtr/viga Por Riostras: 0.25 x 1.14 x 2.65 x 2.4 = ton. Aplicada en U3 = ton. en Apoyos =2.4xAton/mtr/viga= 1.31 ton/mtr/viga Por Peso propio de la Viga = m 2 * Cargas Muertas para Vigas Exteriores: Por Pavimento: 0.05 x 2.33 x 2.4 = tonlmtr/viga Por Bordillo: = ton/mtr/viga Por Placa: 0.18 x 2.63 x 2.4 = ton/mtr/viga Por Riostras: 0.25 x 1.14 x 1.32 x 2.4 = 0.90 ton. Aplicada en U ton en apoyos. Por Peso propio de la Viga =2.4 x A ton/mtr/viga= 1.31 ton/mtr/viga Area de la Sección de la Viga = m 2 * Momentos en Cl para las Vigas Interiores: (Cargas Muertas) Por Pavimento: x = ton -m/viga Por Bordillo: x /8 = ton~m/viga Por Placa: x I 8 = ton-m/víga Por Riostra: x = ton-m/viga PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 11

14 INSTITUTO DE DESARROLLO UR6ANO. IDU Por Viga: 2.4 x A x /8 = ton-mlviga * Momentos en Cl para Vigas Exteriores: (Cargas Muertas) Por Pavimento: x /8 = ton-m/viga Por Bordillo: x /8 = ton-rn/viga Por Placa: x /8 = ton-m/viga Por Riostra: 0.90 x =9.450 ton-rnlviga Por Viga: 2.4 x A x /8 = ton-m/viga Momentos por Carga Muerta: Como vemos, las vigas interiores tienen un MCL = t-m contra un MCL para Vigas Exteriores de MCL = Por lo tanto el diseño se efectúa para las Vigas Exteriores. Carga Viva para Vigas Interiores: Camión C ton/eje 15 ton/eje 15 ton/eje 4.0 m Varía entre 4.0 y 9.0 m., E 1.5 x E 1.5x E PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BaSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDIseÑOs estructurales PAG 12

15 Qviga 15.0 ton/eje 15.0 ton/eje I 10.0 ton/eje R (L - R) 12= (L+R) /2=16.00 L = m. Cálculo de R: 4.00 x x 10 = 40 (4.0- R) => R= 0.50 m. RA= x x x 10.0 = toneladas Rs= x x x 10.0 = toneladas Fracción de la Carga para Vigas Interiores: fr = S 5.5 S = En pies = 2.65/ = 8.7 pies fr = 8.7 = 1.58 (Carga por Rueda) 5.5 fr = 0.79 (Carga por eje) Cuatro vías de Circulación. PREDISE!lío DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 13

16 Para Vigas Interiores: RA = x 0.79 = ton./viga Re = x 0.79 = ton.lviga Momento en el Cl para Vigas Interiores: MCL Carga Viva = x x 0.79 ( ) MCL = = ton - m. Momento Máximo para Vigas Interiores: Mmáx.= x x 0.79 x 4.00 Mrnáx.= = ton-m. Fracción de Carga para Vigas Exteriores: (Figura No 3) 7.50r 7.50r :82-2.6~ FIGURA No3 PREDISEIiíO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIIl~ ESTUDIOS Y PREDIseÑos ESTRUCTURALES PAG 14

17 Fr = «(306.5/265) +(124.5/265» Fr = 0.81 para carga por eje P=1.63 luego para Vigas Exteriores, se tiene: RA = x 0.81 = ton.lviga Re = x 0.81 = ton.lviga Momento en el Cl para Vigas Exteriores : MCl por Carga Viva = x x 0.81 ( ) MCl= = ton - m. Momento Máximo para Vigas Exteriores: Mmáx:CV= X X 0.81 X 4.00 Mmáx.CV= = ton - m. Impacto = = 0.22% Por lo tanto las Vigas Exteriores son más críticas, esto corrobora que las Vigas Exteriores son las elegidas para efectuar el diseño: Mmáx.por Carga Muerta: ton-m/viga Mmáx.por Carga Viva: ton-m/viga MmáX.por Impacto: x 0.22 = ton-m/viga PREDISElilo DE la INTERSECCION DE la AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII : ESTUDIOS Y PREOISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 15

18 Sección Séleccionada - Sección Simple (Figura No 4): 0.65 C.G l 1 22 Yt=O,775 0:18 1 Yb=O h= "'5 I d 1I 0.60 ~ FIGURA No 4 A= m 2 Icg = m" Yt = m r2 = m 2 Yb = m E = r2 = 0.5 Yt+Yb St = m 3 Sb = m 3 Peso = 1.31 ton/m. PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 16

19 INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. IDU Sección Compuesta (Figura NoS): b.efectivo;::2.07 C.G Yb=1: I FIGURANo5 A= m 2 Icg = m" YT= 0.60 m Yt = 0.42 m Yb=1.18m ST= m 3 St = m 3 Sb = m Momentos de diseño t-m /viga producidos por los diferentes items en el Cl de la Viga. PREDISE~O DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BOSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDI$EÑOSESTRUCTURAlES PAG 17

20 ITEM Peso propio Riostras Placa de Pavimento Bordillos Cargas Vivas PUNTO X de la Viga Piso más Impacto O O O O O O O Sección Simple t-m Sección Compuesta t-m Análisis en el centro de la luz; Usar 7 cables de 7 torones ~ %..fpu= psi Tensión efectiva después de pérdidas = x 0.07 x 0.6 = kg/cm 2 Tensión en los 7 cables de 7 torones = 7 x x 7 x = ton. - Esfuerzos arriba. o =E x = = 956 ton/m2 comprensión A Esfuerzos abajo G = = 168 ton/m2 comprensión Segundo Tensionamiento, tres (3) cables = 235 ton. PREDISE~ODE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BOSA. CAPITULO VIll: ESTUDIOS Y PREOISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 18

21 - Esfuerzos arriba 0':;:: x 100:;:: :;:: ton/m comprensión - Esfuerzos abajo 0':;:: :;:: O' = ton/m2 Esfuerzos Finales: Esfuerzos arriba= = ton/m2 Esfuerzos abajo:;:: :;:: ton/m2 comprensión comprensión. Al evaluar las pérdidas en una forma más precisa, esta tensión puede eliminarse. A nivel de prediseño se considera aceptable. Además la tracción está entre lo admisible por el código. PREDISE~O DEl LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV. BaSA. CAPITULO VIII: ESTUDIOS Y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 19

22 INSTI11JTO DE DESARROLLO URBANO. IDU VIGAS Y TABLEROS PARA LUZ DE 31.5 M. Y SEPARACION DE VIGAS DE 2.13 M. SECCiÓN TRANSVERSAL Vigas de m. de luz de 3.15 m. de luz (ver Figura No. 6) Cf. VIGA Cf. VIGA 1\ <f. VIGA <f. VIGA Cf. VIGA PREDISEÑO DE LA INTERSECCION DE LA AUTOPISTA SUR CON AV.BOSA. CAPI11JLO VIII: ES11JDIOS y PREDISEÑOS ESTRUCTURALES PAG 20