Localización calzada izquierda: abscisa: K Localización calzada derecha: abscisa: K Tipo de Puente: Viga compuesta. Luz: 99.

Transcripción

1 PUENTE 1 Localización calzada izquierda: abscisa: K Localización calzada derecha: abscisa: K Tipo de Puente: Viga compuesta. Luz: m Figura 1. Planta Puente 1. Figura 2. Sección Transversal Típica y Estribo 1 P1. Figura 3. Perfil Estructural P1. 1

2 MEMORIA DE CALCULO DISEÑO ESTRUCTURAL VIA FERREA. DESCRIPCIÓN DEL PUENTE CRUCE VIA FERREA. Localización calzada izquierda: entre abscisas K Localización calzada derecha: entre abscisas K Tipo de puente: Vigas I en Acero. Sección transversal: Tablero superior con vigas I de alma llena, el ancho del tablero es de 3 metros. Superestructura cuenta con diafragmas, arriostramientos horizontales y rigidizadores. Luz: m. Apoyos: Los estribos son tipo muro apoyados sobre el terreno. MEMORIAS DE CÁLCULO. NORMATIVIDAD APLICABLE En los diseños estructurales de los elementos de los puentes se siguieron los criterios establecidos en las siguientes normas: o Standard Specifications for Highway Bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials AASHTO, 16ª edición, o Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes, Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98 DESCRIPCION DEL PROYECTO El proyect o consiste en el diseño de un puente metalico de m de longitud, con luces maximas de 23 m, para dar continuidad al paso de la via ferrea sobre la doble calzada diseñada. PUENTE 1 Este puente es de Acero; y dentro de los Aceros la tipología estructural más utilizada en la superestructura es la de vigas tipo I de alma llena con tablero superior e inferior. PARÁMETROS DE ÁNALISIS Y DISEÑO 1. MATERIALES El desarrollo del acero como material ha sido muy grande a finales del siglo XX. Los procesos metalúrgicos químicos y físicos han desarrollado importantes avances y mejoras en varias de las propiedades del acero. Los aceros de calidad estructural de alta resistencia y baja aleación HSLA, por sus siglas en inglés (high-strength Iow-alloy) han sido usados por muchos años en el diseño y construcción de puentes ferroviarios. Recientes investigaciones y progresos relacionados con el alto desenvolvimiento del acero HPS (high perfomance steel) han provisto a este material de importantes mejoras. Entre las mejoras de las propiedades del acero están: 2

3 Resistencia. Ductilidad. Resistencia a la fractura. Resistencia a la corrosión. Soldabilidad. Los requerimientos de diseño con respecto al acero; contenidos en este apartado están basados conforme a los presentes requerimientos de las especificaciones del código ASTM: Tabla 1. Tipos de acero estructural según código ASTM. El tipo de acero que escogerá el diseñador se basará principalmente en las condiciones ambientales y climatológicas a las que estará sometida la estructura de acero. En particularmente los puentes de estructura metálica se encuentran sometidos a agentes externos adversos; que los afectan con problemas de corrosión y oxidación; por lo que la tipología de acero más conveniente es el acero ASTM A588 grado 50W; y es el que se utiliza para el ejemplo práctico que se presenta en el presente trabajo. Tabla 1. Composición química del acero A588. 3

4 Se muestra a continuación en la Tabla los requerimientos mecánicos que deben cumplir el Acero ASTM A588-50W. Tabla 3. Requerimientos mecánicos de diseño del Acero A588-50W. 2. GALIBO DE OBRAS. El gálibo de obras en ingeniería ferroviaria representa el perfil transversal lible necesario y reglamentado que se debe dejar al proyectar las obras superiores a la vía como la súper estructura de un puente. Estos gálibos vienen reglamentados por los diferentes códigos de diseño de cada país. El gálibo para tramos rectos de vía no deberá ser menor al mostrado en la Figura 4. En tramos de vía en curva; el galibo se incrementará las distancias al eje central en una pulgada y media lo que equivale a 3.81 cm, por cada grado de curvatura. Cuando la sección de galibo se encuentre sobre un tramo de tangente; pero el tramo en curva se encuentre a una distancia de metros (80 pies) o menos entonces se deberá incrementar la distancia a cada lado del eje central según lo indica la Tabla. Figura 4. Gálibo según norma AREMA. 4

5 Tabla 4. Incrementos de gálibos en curvas. En el caso de la estructura presentanda no se tiene problemas de galibo, debido a que esta pasa por encima de la via diseñada. 3. PRE DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DE PUENTE FERROVIARIO. Se presenta a continuacion el analis empleado para le predimensionamiento de los elementos para la seccion compuesta que conforma la viga: DISEÑO ESTRUCTURAL PUENTE VIA FERREA VARIANTE CISNEROS. Datos: Long Puente (m) 115 m Luz entre apoyos (m) 23 m Ancho Tablero (m) 3 m Predimensionamiento de los elementos pricipales del puente. Altura: se asume un valor de H= Long ó Long 1,9 m H= 2,0 m Donde Long, es la long max entre apoyos Espesor del alma tw tw= H 0,010 m 200 H: altura de la viga tw: espesor minimo alma viga 5

6 Base de la Viga b b= H 0,40 m 5 b: ancho patin viga Espesor de las aletas tf tf= H 0,013 m se asume un valor de 150 tf= 0,015 m Separacion entre vigas Maestras "S" S= L 1,9 m CARGA VIVA. Carga Viva según normas Americanas. Los puentes de ferrocarril son comúnmente analizados por una serie de cargas ideadas por Theodore Cooper. Estas cargas se nombran por E seguido del valor de la carga. Estas cargas puntuales idealizan dos locomotoras seguidas por una carga uniforme repartida que representa los vagones. Cooper introdujo su tren de cargas en el año 1894; que fue llamado carga E-40; representada en la Figura 1. Se asume que el tren tiene una carga libras (18.18 Ton) en el eje motor de la máquina. Desde que este sistema fue introducido; los pesos de los ferrocarriles se han incrementado notoriamente, hasta la actualidad que los puentes son diseñados en base a cargas E-72; E-80 y E-90; aunque las E-90 no son usuales. Figura 5. Tren de Cargas Cooper E-80 en unidades del sistema internacional. 6

7 Figura 2. Tren de Carga Cooper E-40 en unidades del sistema internacional. 5. CALCULO PARA UN PUENTE METÁLICO FERROVIARIO DE TABLERO SUPERIOR. En primera instancia se efectúa el pre dimensionamiento de los elementos estructurales en base a las relaciones proporcionales que deben tener estos entre sí para conformar la estabilidad global de la estructura. Luego se estiman todas las fuerzas que actúan en la súper estructura. Al conocer las fuerzas actuantes, se analiza los máximos esfuerzos que generan y en base a estos esfuerzos se procede al diseño según lo estipulado en las normas de diseño Vigente. El diseño abarca los elementos principales de la estructura como las vigas maestras, los arriostramientos laterales y horizontales, así como los elementos secundarios como rigidizadores transversales, rigidizadores de apoyo, platabandas. A continuación se presenta la tipología estructural de la que se va efectuar en el diseño. Figura 6. Planta General Puente. 7

8 Figura 4. Perfil Puente ESTIMACION DE CARGAS. Figura 5. Seccion Tipica Viga Maestra. Se presenta cada una de las cargas que actúan el sistema como sigue: 8

9 Figura 6. Cargas Muertas. Condición de la viga maestra Cargada bajo carga muerta. Figura 7. Carga Muerta Disribuida. Los estados tensionales se presentan como sigue: Figura 8. Diagrama de Cortante Viga Maestra. 9

10 Figura 9. Diagrama de Momento Viga Maestra. Para el análisis de carga Viva se hace el análisis del tren de cargas aplicado por el método Cooper como se muestra en la figura. Figura 9. Diagrama de Carga VivaViga Maestra. 10

11 Figura 10. Diagrama de Cortante carga vivaviga Maestra. Para el Diseño a flexión de las vigas principales, se divide la viga maestra en 8 secciones iguales, los límites definidos se emplean para el diseño de las platabandas, que son las encargadas de resistir la flexión en las zonas más críticas de la viga maestra. Figura 11. Diagrama de Flexion carga vivaviga Maestra. Combinaciones de Carga Empeladas. Se presenta a continuación los principales estados de carga para el diseño de la súper estructura metálica, del puente 11

12 ferroviario. Chequeos de Diseño. Se presenta el chequeo de las vigas principales, para las condiciones de esfuerzos que se presentan para las diferentes combinaciones de carga. Las propiedades mecánicas del acero (A588) empleado están definidas por: Limite elástico: Fu=4921Kg/cm2 Límite de Fluencia fy=3515 Kg/cm2 Módulo de elasticidad a tensión E= Kg/cm2 Módulo de Rigidez G= Kg/cm2 Modulo de Poisson u=0.3 Geometría Viga Principal. 12

13 Propiedades mecánicas viga Principal. Revisión Viga Principal. 13

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15 Realizado el chequeo a torsión de la viga principal se concluye que los arriostramientos laterales, deben tener una longitud de 5.50m como requerimiento de las normas, sin embargo se asume que la separación de 4.40 m, es la necesaria para que tanto el arriostramiento lateral, como los rigidizadores funcione adecuadamente para las cargas laterales que actúen en el puente Ferroviario. Modelo Viga Maestra. 15

16 Resultados Modelación. Diseño Estructural Viga Maestra. Entramado Viga Maestra. 16

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19 Desplazamientos en los nudos. 19

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21 Esfuerzos Cortantes y Momentos. Se presentan los diagramas de momentos y cortante, causados por carga viva y carga muerta en el centro de la luz. Diagrama Momento y Cortante Carga Viva. 21

22 Diagrama Momento y Cortante Carga Muerta. 22

23 Diagrama Momento y Cortante Carga Combinación Máxima. CONCLUSIONES. Cuando las alas de la viga principal son más largas, se obtiene una mayor inercia y un mayor radio de giro respecto al eje Z, provocando una mayor estabilidad de la viga para atender los esfuerzos de torsión, permitiendo una longitud de arriostramiento mayor. La utilización de platabandas ayuda a disponer de mayor cantidad de acero en las zonas donde los esfuerzos a flexión son más altos, además de tener una sección más rígida, logrando que la deflexión en el centro de la luz sean aún menor. el descarrilamiento dentro del puente se considera como un evento poco probable, por lo que diseñar la estructura para soportar dicho evento, daría una estructura con un costo de construcción demasiado elevado, por lo que en este diseño no se incluye esa acción. PÓRTICOS DE APOYO 23

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