Calibración del Camión de Diseño CC-14

Transcripción

1 Presentación de la Norma Colombiana de Diseño de Puentes LRFD CCP 14 Comité AIS-200 Calibración del Camión de Diseño CC-14 Juan F. Correal, J. C. Reyes, M. Sánchez-Silva, D. Castro, D. Sequera, PeDelta y Santander Asociados Cali 3 de Septiembre de 2015

2 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

3 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

4 1. Introducción Estudios Anteriores en Colombia: Control de Pesos y Dimensiones de los Vehículos en las Carreteras Nacionales - MOPT (Ministerio de Obras Públicas y Transporte): Determinaron las características de dimensiones y pesos de los camiones que circulaban en el país. Diferencias importantes al camión de diseño de AASHTO

5 1. Introducción Estudios Anteriores en Colombia: Se adoptó por MOPT un camión denominado 3S2 para el diseño de puentes (Mayoración del Camión AASHTO y Línea de Carga) AIS elaboró por encargo del INVIAS CCP-95, en donde se adopta C40-95 y línea de carga, basado en estudios de tesis de Universidades de Bogotá y mediciones parciales de campo.

6 1. Introducción Estudios Anteriores en Colombia: Definición de la Carga de Diseño para Puentes en Colombia desarrollado por UNAL-Bogotá a solicitud del INVIAS: 1. Confirma la validez de la carga C40-95, pero propone un tren de carga de dos cargas concentradas de 11ton separados 1.2m (puentes cortos entre 4m-8m), para corredores no carboníferos. 2. Aumento de cargas vivas de diseño para puentes en corredores carboníferos.

7 1. Introducción Estudios Anteriores en EE.UU (AASHTO): AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), tiene desde 1921 un comité encargado de BDS (Bridge Design Specifications) se edita por primera vez la primera versión AASHTO LRFD BDS, la cual esta basada en el concepto de confiabilidad estructural, con el propósito de garantizar probabilidades de falla muy bajas del orden de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5).

8 1. Introducción Estudios Anteriores en EE.UU (AASHTO): Un nuevo modelo carga viva vehicular de diseño (HL93) fue desarrollado en el AASHTO LRFD BDS, dado que el vehículo de diseño (HS20) de la especificación estándar no representaba adecuadamente el nivel del tráfico de servicio en los puentes en EE.UU. HL93 es una combinación del HS20 ó Tandem y línea de carga, desarrollado con datos de tráfico de camiones de ministerio de transporte de Ontario proyectado a 75 años.

9 1. Introducción AASHTO LRFD HL93: 9.34 kn/m 35.6 kn kn kn 4.3m 4.3 a 9.1 m + Longitud que produce las máximas solicitaciones 9.34 kn/m kn kn 1.22 m + Longitud que produce las máximas solicitaciones Nota: para M(-) usar el 90% del efecto de dos camiones separados min. 15.3m + 90% del efecto de la línea de carga. La distancia de los ejes traseros debe ser 4.3m.

10 1. Introducción AASHTO LRFD Comparación Tráfico Servicio vs. HS20 y vs. HL93 :

11 1. Introducción AASHTO LRFD Comparación Tráfico Servicio vs. HS20 y vs. HL93 :

12 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

13 2. Definición de las Tipologías de Puentes Luces ó Vanos Considerados L L L 0.8L L 0.8L L = 1.5, 3.0, 4.5, 6,, 39m

14 2. Definición de las Tipologías de Puentes Materiales y super-estructura 1.5m L 15.0m : Concreto reforzado tipo losa Espesor de la losa calculado con AASHTO 15.0m < L 19.5m : Concreto reforzado tipo viga y losa Altura de la viga calculada con AASHTO Ancho de la viga = 0.40m. Espesor losa = 0.20m. 19.5m < L 39.0m : Concreto presforzado tipo viga y losa Se predimensionaron secciones transversales para 25m, 30m, 35m, 40m Estos tipos de puentes contemplados representan más del 80% de los puentes existentes en Colombia

15 2. Definición de las Tipologías de Puentes Sección trasversal 2 Carriles de 3.65m + 2 bermas de 1.80m + 2 barreras de 0.35m Capa de rodadura de 10cm equivalente a 2.21 kn/m 2 Si aplica, vigas separadas 2.90m con voladizos de 1.45m Peso especifico del concreto reforzado: kn/m 3

16 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

17 3. Calibración del Modelo Computacional Rutina en Computador en el Programa MATLAB: Calcular en cualquier punto de la luz del puente fuerzas internas (cortante, momento) tanto para cargas muertas y cargas vivas (camión, tándem, línea de carga o cualquier tipo de vehículo). Determinar fuerzas internas de diseño para vigas internas o externas (factor de distribución del AASHTO) incluyendo impacto, factor de múltiples carriles, factor de carga Calcular el índice de confiabilidad b.

18 Relacion de momentos en el centro de la luz (MHL93/MHS20) 3. Calibración del Modelo Computacional Reproducir las figuras del código AASHTO relacionadas con los efectos producidos por la carga viva CALCULADO AASHTO Luz (m)

19 Relación de momentos a 0.4L (MHL93/MHS20) 3. Calibración del Modelo Computacional Reproducir las figuras del código AASHTO relacionadas con los efectos producidos por la carga viva CALCULADO AASHTO Luz (m)

20 Relación de Cortantes positivos en los apoyos (VHL93/VHS20) 3. Calibración del Modelo Computacional Reproducir las figuras del código AASHTO relacionadas con los efectos producidos por la carga viva CALCULADO AASHTO Luz (m)

21 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

22 4. Comparación AASHTO vs. CCP-95 AASHTO LRFD-12 Momento positivo 1L: camión + línea, tandem + línea. Momento positivo 2L: camión + línea, tandem + línea. Momento negativo 2L: dos camiones + línea de carga. Cortante: camión + línea, tándem + línea. CCP-95 Momento positivo 1L: camión o línea+puntual. Momento positivo 2L: camión o línea+puntual. Momento negativo 2L: dos líneas + dos puntuales. Cortante: camión o línea+puntual.

23 Relación de momentos (MHL93/MC40-95) 4. Comparación AASHTO vs. CCP Mss CV Mss con I y Factores de combinación Mss con todos los Factores Mss Ult CV+CM 1.3 Mss ult CV+CM = Mu (I,m,FD, g)/f Luz (m)

24 Relación de momentos (AASHTO/CCDSP) Relación de momentos (AASHTO/CCDSP) Relación de momentos (MHL93/MC40-95) Relación de momentos (MHL93/MC40-95) 4. Comparación AASHTO vs. CCP Mss CV Mss con I y Factores de combinación Mss con todos los Factores Mss Ult CV+CM Vss CV Vss con I y Factores de combinación Vss con todos los Factores Vss Ult CV+CM Luz (m) Luz (m) M+ CV M+ con I y Factores de combinación M+ con todos los Factores M+ Ult CV+CM M- Sin Factores M- Sin FDist M- con Factores M- Ult Luz (m) Luz (m)

25 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

26 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes R R= Resistencia S =Demanda (Cargas) S Falla Z= R-S

27 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Resistencia Puentes de Concreto reforzado 1.5m L 15.0m : Concreto reforzado tipo losa 15.0m < L 19.5m : Concreto reforzado tipo viga y losa R n =R u /f Por ejemplo: M n =M u /f, V n =V u /f Resistencia Puentes de Presforzado 19.5m < L 39.0m : Concreto presforzado tipo viga y losa Diseñar (CCP95 y 14, AASHTO) el puente y determinar la resistencia (diseño servicio y verificación Estados últimos)

28 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Resistencia de los Puentes Depende de cada Código de Diseño (p.ej: Mu/f) Se supuso una distribución log-normal, con valor medio calculado (R n ), coeficiente de variación y factor de sesgo (bias) que depende del material y fuerza interna

29 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Carga Muerta Se determina basada en las dimensiones del puente Se supuso una distribución log-normal, con valor medio calculado (CM), coeficiente de variación y factor de sesgo (bias) basado en un estudio de Nowak Parámetros de la carga muerta bias COV Factory-made members Cast-in-place members Wearing surface

30 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Carga Viva La distribución de la carga viva se obtuvo utilizando simulaciones de Monte Carlo. Proceso consistió en evaluar el efecto (Mom., Cort.) de diferentes trenes de camiones (generados aleatoriamente) representativos durante un día de tráfico (TPD) extrapolando dicho efecto a un periodo de 75 años. Para cada puente (luz) se evaluaron 1,000 simulaciones (182,000 en total) variando: Tipo Camión que Circula por el Puente Peso de los Camiones Distancia entre Camiones

31 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Ejemplo de cuatro realizaciones de la simulación

32 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Tipo de Camión INVIAS Qué tipos de camiones pasan? Con qué distribución?

33 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Tipo de Camión Permitidos por el INVIAS Camión C2 Camión C3 Camión C2-S3 Camión C3-S2 Camión C3-S3

34 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Tráfico promedio diario por Departamento Distribución porcentual de camiones por tipo. C2 C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3 Antioquia 45.51% 9.73% 6.25% 8.79% 29.73% Arauca 73.33% 17.22% 0.00% 1.11% 8.33% Bolívar 27.98% 7.21% 11.39% 12.79% 40.62% Boyacá 41.72% 9.31% 0.98% 4.43% 43.56% Caldas 91.33% 1.96% 0.16% 0.90% 5.64% Casanare 11.06% 15.45% 1.59% 53.23% 18.68% Cauca 62.79% 15.95% 0.76% 3.36% 17.13% Cesar 10.41% 5.88% 0.52% 2.97% 80.22% Cundinamarca 44.11% 30.01% 0.79% 5.03% 20.06% Críticos Guajira 31.95% 4.53% 1.11% 2.82% 59.58% Huila 61.12% 17.30% 0.89% 6.54% 14.14% Meta 8.66% 11.90% 0.64% 53.97% 24.84% N. Santander 49.00% 17.34% 1.44% 7.15% 25.06% Risaralda 65.11% 20.24% 1.63% 2.24% 10.78% Sucre 48.65% 11.14% 11.03% 9.19% 19.99% Tolima 27.75% 5.18% 6.03% 18.50% 42.54% Valle del Cauca 3.25% 1.31% 16.37% 17.55% 61.52% P. Estadística 41.40% 11.86% 3.62% 12.39% 30.73%

35 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Distribución del tráfico por Departamento

36 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Peso de los camiones Cuál es la carga en cada eje? W 1,1 W 1,2 W 2,1 W 2,2 W 2,3 W 3,1 W 3,2 W 3,3

37 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Peso de los camiones 1. Carga permitida (INVIAS) en cada eje de los tipos de camiones (kn) 2. Se supuso como una variable aleatoria distribuida log-normalmente. Los parámetros de la distribución se calcularon bajo el supuesto de que la carga tiene un coeficiente de variación del 30% y que la probabilidad de excedencia de la carga máxima permitida del INVIAS corresponde a los registros de violaciones en los pesajes.

38 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Distancia entre Camiones Cuál es la distancia entre camiones? W 1,1 W 1,2 W 2,1 W 2,2 W 2,3 W 3,1 W 3,2 W 3,3 d 1,2 d 2,3 Distancia entre camiones se calcula como (25 y 45km/h; [65 Km/h - AASHTO]): Donde el tiempo es una V.A.exponencialmente distribuida con tasa l=1/tpd [camiones/sec] (min t = 0.5sec):

39 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Momento en Puentes Simplemente Apoyados Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

40 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Momento Positivo en Puentes 2 Luces Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

41 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Momento Negativo en Puentes 2 Luces Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

42 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Cortante en Puentes Simplemente Apoyados Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

43 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Cortante en Puentes Simplemente Apoyados Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

44 5. Índice de Confiabilidad Estructural para Puentes Cortante en Puentes 2 Luces Probabilidad de falla de 2 en 10,000 (índice de confiabilidad b=3.5)

45 Contenido 1. Introducción 2. Definición de las tipologías de puentes del estudio 3. Calibración de modelo computacional 4. Comparación AASHTO vs. CCP Índice de confiabilidad estructural para puentes 6. Carga Viva de Diseño CCP 2014

46 6.Carga Viva de Diseño CCP 2014 Carga de Carreteras CC 14 Camión + línea de 10.3 kn/m Tandem + línea de 10.3 kn/m Nota: para M(-) y R apoyos usar dos camiones separados min. 15m + 100% línea de carga o dos tandems separados entre 8m y 12m + 100% línea de carga. Para redes terciarias se puede utilizar a juicio de la autoridad competente el 80% del CC 14.

47 6.Carga Viva de Diseño CCP 2014 Observaciones: El modelo de carga viva siguió para su definición, los criterios y métodologias utilizados en estudios previos como (Nowak 1999), (NCHRP report ), ( Oh-Sung Kwon, et al. 2010) y (Universidad Nacional de Colombia 1997). No se incluyó el caso de Departamentos con cargas extremas; i.e., excesivamente altas (zonas carboniferas) o extremadamente bajas. En casos extremos es importante realizar una evaluación detallada de la carga viva Se considera relevante adelantar estudios que incluyan nuevos protocolos y metodologías de medición de tráfico en puentes p.ej: WIM (weight-in-motion).

48 Gracias!